Biodiesel und erneuerbarer Diesel: Was ist der Unterschied?

Biomassebasierter Diesel spielt seit langem eine wichtige Rolle bei der Einhaltung der US-Vorschriften für erneuerbare Kraftstoffe (RFS) (z. B. farmdoc daily, 19. Juli 2017). Die beiden wichtigsten Arten von Dieselkraftstoffen auf Biomassebasis, die zur Einhaltung der RFS-Vorschriften verwendet werden, sind „Biodiesel“ und „erneuerbarer Diesel“. Historisch gesehen hat die Produktion von Biodiesel die Produktion von erneuerbarem Diesel deutlich übertroffen. Dies begann sich in den letzten Jahren aufgrund eines Booms beim Ausbau der Produktionskapazitäten für erneuerbaren Diesel zu ändern. Der Boom war groß genug, um erhebliche Auswirkungen auf die Preise für Fette und Öle zu haben, die zur Herstellung von Diesel auf Biomassebasis verwendet werden. Dieser Artikel ist der erste einer Reihe, die den Boom erneuerbarer Dieselkraftstoffe und seine Auswirkungen auf die US-Landwirtschaft untersucht.

Wir beginnen die Serie heute mit einer Diskussion der Unterschiede zwischen Biodiesel und erneuerbaren Dieselkraftstoffen. Derzeit werden Dieselkraftstoffe auf Biomassebasis aus organischen Lipidrohstoffen hergestellt, die freie Fettsäuren enthalten, wie etwa Pflanzenöle, tierische Fette oder recyceltes Fett (AFDC, 2022a,b). Während Biodiesel und erneuerbarer Diesel beide als Dieselkraftstoffe auf Biomassebasis kategorisiert werden und aus demselben Rohstoff hergestellt werden können, handelt es sich um deutlich unterschiedliche Kraftstoffarten, die sich in mehreren wichtigen Merkmalen unterscheiden.

Biodiesel, oft auch als FAME-Biodiesel oder einfach FAME bezeichnet, wird durch einen Prozess namens Umesterung hergestellt (FAME steht für Fatty Acid Methyl Ester). Durch die Umesterung werden organische Fette und Öle durch Reaktion mit Alkoholen und Katalysatoren in Fettsäurealkylester umgewandelt (AFDC, 2022a). Typischerweise dient Methanol als Reaktant und erzeugt Fettsäuremethylester. Während des Umesterungsprozesses werden typischerweise 100 Pfund Pflanzenöl oder -fett mit 10 Pfund Methanol umgesetzt, um etwa 100 Pfund Biodiesel und 10 Pfund Glycerin zu produzieren. Entsprechend sind etwa 7,5 Pfund Ausgangsmaterial erforderlich, um eine Gallone Biodiesel und 0,9 Pfund Glycerin herzustellen (farmdoc daily, 15. Februar 2022). Sowohl für rohes als auch für raffiniertes Glycerin, üblicherweise Glycerin genannt, mit einem Glyceringehalt von etwa 80 Prozent gibt es mehrere Verwendungszwecke. Glycerin kann in Tierfutter oder in verschiedenen chemischen Prozessen verwendet werden.

Ein Schema des FAME-Biodieselproduktionsprozesses ist in Abbildung 1 dargestellt. Das Schema stellt einen sogenannten „kontinuierlichen“ Produktionsprozess dar. Auch in älteren und kleineren Biodieselanlagen kommen Batch-Verfahren zum Einsatz. Die Schritte im Produktionsprozess sind bei beiden Prozesstypen ähnlich, mit der Ausnahme, dass die Reaktorphase beim Batch-Prozess viel länger ist.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, wird das Ausgangsmaterial zunächst vorbehandelt, um Verunreinigungen zu entfernen. Das behandelte Ausgangsmaterial wird dann auf etwa 130 Grad Fahrenheit vorgewärmt. Während das Rohmaterial vorgewärmt wird, wird seine Qualität auf den Gehalt an freien Fettsäuren geprüft. Unter Beibehaltung der Temperatur wird dann das Ausgangsmaterial zusammen mit Methanol und Basenkatalysatoren sowie – in den USA selten – Enzymen in den Reaktor gefüllt. Die Mischung wird dann gerührt, bis die chemische Reaktion abgeschlossen ist, oft in nur einer Stunde. Nach Abschluss der Reaktion lässt man die Reaktionsmischung mehrere Stunden lang absitzen. Während dieser Zeit werden Glycerin und Biodiesel getrennt, wobei sich Glycerin aufgrund des Dichteunterschieds am Boden des Reaktors und Biodiesel am oberen Ende absetzt. Nach Ablauf der Absetzzeit wird das Glycerin durch Ablassen vom Boden des Reaktors von den Methylestern getrennt. Das Glycerin wird durch Entfernen des überschüssigen Methanols gereinigt und anschließend in einem Tank gelagert. Die Methylester werden in einen anderen Tank überführt, wo sie viele Male mit Wasser gewaschen werden, bis das Wasser klar ist. Durch das Waschen werden sämtliche Katalysatorrückstände, Seife, Salz, Methanol und restliches Glycerin aus den Methylestern entfernt. Nach dem Waschen durchlaufen die Methylester einen aufwändigen Trocknungsprozess, bis die restliche Feuchtigkeit vollständig entfernt ist. Schließlich wird der Fettsäuremethylester (FAME)-Biodiesel in Tanks gelagert und ist verbrauchsfertig.

Der aus diesem Prozess gewonnene reine FAME-Biodiesel ist in der Branche als B100 bekannt. Es ist wichtig zu betonen, dass FAME kein Kohlenwasserstoffkraftstoff wie Erdöldiesel ist und sich daher in mehreren wichtigen Aspekten von Erdöldiesel unterscheidet (Brown, 2020). Erstens enthält FAME-Biodiesel Sauerstoff, wodurch FAME etwa sieben Volumenprozent weniger Energie hat. Zweitens kann der höhere Sauerstoffgehalt von FAME aufgrund der Oxidation, die zu Korrosion führt, die Lagerzeit begrenzen. Drittens kann die chemische Zusammensetzung von FAME es anfälliger für mikrobielle Verschmutzung machen, wenn ein schlechtes Management der Lagertanks vorliegt, was zur Korrosion der Lagertanks und zur Verstopfung der Kraftstoffleitungen führen kann. Viertens hat FAME-Biodiesel eine relativ hohe Temperatur, bei der er zu gefrieren beginnt und sichtbare Kristalle bildet. Dies wird in der Fachsprache als Trübungspunkt des Kraftstoffs bezeichnet. Beispielsweise liegt der Trübungspunkt für FAME-Biodiesel aus Sojaöl bei etwa 34 Grad Fahrenheit, verglichen mit etwa 16 Grad Fahrenheit für Erdöldiesel. Wenn der Gefrierprozess anhält, verfestigt sich der Kraftstoff schließlich vollständig, ein Zustand, der als „Gelierung“ bezeichnet wird. Sobald es zum Gelieren kommt, fließt der verfestigte Kraftstoff nicht mehr durch die Kraftstoffleitungen. Aus diesen Gründen wird FAME-Biodiesel für den Endverbrauch mit Mineralöldiesel gemischt. Gängige Mischungen sind B5 (bis zu 5 Prozent Biodiesel) und B20 (6 bis 20 Prozent Biodiesel).

Neben einigen Herausforderungen, die der Einsatz von Biodiesel mit sich bringt, bringt er für die Anwender weitere positive Aspekte mit sich. Biodiesel beispielsweise weist aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung wünschenswerte Schmiereigenschaften auf. Diese Funktion hilft, vorzeitigen Motorverschleiß zu verhindern.

Erneuerbarer Diesel, manchmal auch als mit Wasserstoff behandeltes Pflanzenöl (HVO) oder grüner Diesel bezeichnet, wird mithilfe mehrerer Produktionsprozesse hergestellt. In den USA ist der am weitesten verbreitete Prozess als Hydroprocessing oder Hydrotreating bekannt (AFDC, 2022b). Der Hydrotreating-Prozess ähnelt dem Prozess, der in einer Rohölraffinerie zum „Kracken“ von Rohöl in Benzin, Diesel und andere Erdölprodukte verwendet wird. Folglich handelt es sich bei Produktionsanlagen für erneuerbaren Diesel zunehmend um umgebaute Teile von Rohölraffinerien oder um komplette Raffinerieumbauten. Bei einigen handelt es sich um völlig neue Raffinerieanlagen. Bei allen Technologien besteht die Möglichkeit, zwischen der Raffinierung von Rohöl und organischen Fetten und Ölen zu wechseln, wenn die wirtschaftlichen Bedingungen dies erfordern. Da zur Herstellung von erneuerbarem Diesel Rohölraffinierungstechnologie eingesetzt wird, sind die Kapitalkosten für die Produktion von erneuerbarem Diesel im Vergleich zur FAME-Produktion wesentlich höher.

Abbildung 2 zeigt ein Schema der erneuerbaren Dieselproduktion mittels Hydrotreating. Wie beim FAME-Produktionsprozess müssen Verunreinigungen vor Beginn des Raffinierungsprozesses entfernt werden. Der nächste Schritt ist der Eintritt des behandelten erneuerbaren Rohstoffs und des Wasserstoffs in den Hydrotreating-Reaktor, wo sie über ein Bett aus festem Partikelkatalysator fließen. In diesem Stadium löst der Katalysator unter hoher Temperatur und hohem Druck Reaktionen von Wasserstoff mit dem Ausgangsmaterial aus, wobei hauptsächlich Wasser und flüssige Kohlenwasserstoffmoleküle entstehen, die sich nach zusätzlicher Verarbeitung für die Verwendung als Kraftstoff eignen. Nach der Hydrobehandlung gelangt das Reaktorproduktgemisch zu einer Trenneinheit, wo Dampf und andere leichte Produktgase als Dampf entfernt werden und der hydrierte flüssige Kohlenwasserstoff den Prozess verlässt, der größtenteils aus langkettigen Alkanen besteht. Anschließend durchläuft der Flüssigkeitsstrom eine Reihe von Destillationskolonnen und trennt die Produkte nach ihren Siedepunkten. Dabei entstehen neben erneuerbarem Diesel auch Nebenprodukte wie Treibgas, Flüssiggas und Naphtha. Der Rohstoffbedarf für die Produktion von erneuerbarem Diesel ist höher als für Biodiesel und variiert je nach den Endanteilen der im Produktionsprozess gewünschten Nebenprodukte. Der Grund dafür, dass der Rohstoffbedarf höher ist, liegt darin, dass bei der Produktion von erneuerbarem Diesel mehr Material verloren geht. Obwohl es in der Industrie zur Herstellung von erneuerbarem Diesel große Unterschiede gibt, ist ein vernünftiger Richtwert, dass etwa 8 Pfund Ausgangsmaterial für die Herstellung von 1 Gallone erneuerbarem Diesel und geringfügiger Mengen an Naphtha und Propan verwendet werden (Xu, et. al., 2022). ).

Erneuerbarer Diesel unterscheidet sich grundlegend von FAME-Biodiesel, da er nur Wasserstoff und Kohlenstoff enthält und somit wie Erdöldiesel ein Kohlenwasserstoffkraftstoff ist. Erneuerbarer Diesel ist zwar nicht identisch mit Erdöldiesel, kommt ihm aber so nahe, dass er als „Drop-in“-Ersatz für Erdöldiesel gilt. Mit anderen Worten: Erneuerbarer Diesel muss nicht mit Erdöldiesel gemischt werden, um als „Spezialkraftstoff“ in modernen Dieselmotoren verwendet zu werden. Der Drop-in-Charakter von erneuerbarem Diesel ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber FAME-Biodiesel. Erneuerbarer Diesel hat im Vergleich zu Erdöldiesel zwar einen etwas geringeren Energiegehalt (vier Volumenprozent weniger), dies kann jedoch durch andere wünschenswerte Eigenschaften von erneuerbarem Diesel ausgeglichen werden (Brown, 2020).

Beachten Sie schließlich, dass es Mischprodukte gibt, wie z. B. 5 Prozent erneuerbarer Diesel mit 95 Prozent Erdöldiesel (R5) und 20 Prozent erneuerbarer Diesel mit 80 Prozent Erdöldiesel (R20) (EIA, 2020). Wenn erneuerbarer Diesel gemischt wird, sind die beiden Kraftstoffe so ähnlich, dass eine Kohlenstoffdatierung erforderlich ist, um zwischen dem fossilen Kohlenstoff in Erdöldiesel und dem organischen Kohlenstoff in erneuerbarem Diesel zu unterscheiden (Brown, 2020). Es sollte auch beachtet werden, dass es nicht ungewöhnlich ist, dass aus Schmierstoffgründen eine kleine Menge Biodiesel mit erneuerbarem Diesel gemischt wird.

Der Boom der erneuerbaren Dieselproduktion hat eine ganze Reihe von Fragen zu den möglichen Auswirkungen auf die US-Landwirtschaft aufgeworfen. Um diese Fragen zu beantworten, ist es wichtig, zunächst klar zu verstehen, wie sich erneuerbarer Diesel von FAME-Biodiesel unterscheidet, dem historisch gesehen wichtigeren der beiden erneuerbaren Kraftstoffe. Während für die Herstellung beider Kraftstoffe die gleichen organischen Fette und Ölrohstoffe verwendet werden, unterscheiden sich die Produktionsprozesse grundlegend. Biodiesel nutzt einen relativ einfachen chemischen Reaktionsproduktionsprozess. Aus diesem Grund wird Biodiesel für den Einsatz in modernen Dieselmotoren üblicherweise mit Mineralöldiesel gemischt. Im Gegensatz dazu wird erneuerbarer Diesel mithilfe der Erdölraffinierungstechnologie vollständig raffiniert und gecrackt. Das Ergebnis ist ein „Drop-in“-Kohlenwasserstoffkraftstoff, der die gleichen technischen Spezifikationen wie Erdöldiesel erfüllt und daher als vollständiger Ersatz für Erdöldiesel verwendet werden kann.

Im nächsten Artikel dieser Reihe werden die grundlegenden wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für die Märkte für Biodiesel und erneuerbaren Diesel sowie die politischen Maßnahmen zur Unterstützung des Sektors untersucht.

1 Diese Forschung wurde [teilweise] vom Economic Research Service des US-Landwirtschaftsministeriums unterstützt. Die Erkenntnisse und Schlussfolgerungen in dieser Veröffentlichung stammen von den Autoren und sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie eine offizielle Entscheidung oder Politik des USDA oder der US-Regierung darstellen.

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Datenzentrum für alternative Kraftstoffe, US-Energieministerium. Erneuerbare Kohlenwasserstoff-Biokraftstoffe, 2022b. https://afdc.energy.gov/fuels/emerging_hydrocarbon.html

Brown, TR „Diesel auf Biomassebasis: Eine Markt- und Leistungsanalyse.“ Fuels Institute, März 2020. https://www.fuelsinstitute.org/Research/Reports/Biomass-Based-Diesel-A-Market-and-Performance-Anal

Irwin, S. „2021 war ein verheerendes Jahr für die Gewinne der Biodieselproduktion.“ farmdoc daily (12):21, Department of Agricultural and Consumer Economics, University of Illinois at Urbana-Champaign, 16. Februar 2022.

Irwin, S. und D. Gut. „Mit Biodiesel die Lücken im Standard für erneuerbare Kraftstoffe schließen.“ farmdoc daily (7):130, Department of Agricultural and Consumer Economics, University of Illinois at Urbana-Champaign, 19. Juli 2017.

Xu, Hui, L. Ou, Y. Li, T. Hawkins und M. Wang. „Lebenszyklus-Treibhausgasemissionen der Biodiesel- und erneuerbaren Dieselproduktion in den Vereinigten Staaten.“ Umweltwissenschaft und -technologie, 2022(56):7512-7521. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.2c00289

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