Bioethanol auf Basis von Industrieabfallstoffen: Betrachtung und Bewertung des ökonomischen Potenzials der Nutzung von Abfällen und Reststoffen der Industrie zur Gewinnung von Bioethanol

2.2 Preisentwicklung Bioethanol

Die Preisentwicklungen von Bioethanol bestimmen die folgenden Faktoren: die Lebensmittelpreise, der Rohölpreis und diverse Politikinstrumente zur Förderung von Biokraftstoffen. Der Bioethanolpreis unterliegt großen Schwankungen, z. B. bestand im Zeitraum von September 2011 bis August 2012 zunächst ein Preis von 0,74 $/l, der bis auf 0,54 $/l sank und zum Ende des Zeitraumes innerhalb von 3 Monaten wieder auf annährend 0,73 $/l anstieg (Rohstoffbörse 2012). Eine Prognose über die kurzzeitige Entwicklung des Preises ist aufgrund der vielen Faktoren und deren unterschiedliche Gewichtung nur bedingt möglich. Zurzeit werden die Preise überwiegend durch politische Instrumente beeinflusst. In den USA bestand im Jahr 2010 eine Subventionierung von 0,45 $ je Gallone reinen Ethanols, das Normalbenzin beigemischt wurde. Zudem besteht seit 1980 eine Zollgebühr von 0,54 $ je importierte Gallone Ethanol. Ähnliche Maßnahmen bestehen in allen Ländern, die Bioethanol produzieren, dazu gehört auch Deutschland. (vgl. Hermeling, Wölfing, 2011: 48-52) Die politischen Maßnahmen bewirken zum einen die Senkung der Produktionskosten im Inland durch Subventionen und gleichzeitig schützen die Import-Zollgebühren die im Inland herrschenden Marktpreise vor billigem Bioethanol aus Brasilien. Nach Berechnungen von Henniges würde im Extremfall bei einem Wegfall der Importzölle, unter der Annahme geringer Marktpreise in Brasilien, bei einer Lieferung nach Deutschland, der Bioethanolpreis nur noch 0,18 €/l betragen (vgl. Henniges 2007: 119). Dies ist jedoch aus aktueller Sicht in dem nächsten Jahrzehnt nicht zu erwarten. Wie im Kapitel (2.1.1) erwähnt verursachte ein enormer Anstieg der Zuckerpreise die Reduzierung der Ethanolherstellung, dadurch stieg der Bioethanolpreis im Inland und es musste sogar Bioethanol nach Brasilien importiert werden. Ein weiterer wichtiger Faktor für die Bildung des Bioethanolpreises ist der Rohölpreis. Biokraftstoffe gelten als kostengünstiger Ersatz für fossile Kraftstoffe, solange der Biokraftstoffpreis sich unter dem der fossilen Kraftstoffe befindet. Die Preise für fossile Kraftstoffe unterliegen konjunkturellen Schwankungen, jedoch ist eine Preissteigerung langfristig zu erwarten, hervorgerufen durch das Wachstum der Schwellenländer und dem daraus resultierenden steigenden Energiebedarf (Putensen 2005: 119). Auf Grundlage dessen ist davon auszugehen, dass der Preis von Bioethanol bei steigenden Rohölpreisen unabhängig von der Nachfrage, die durch die Politikinstrumente ausgelöst wird, ebenso steigt.

Die Rohstoffe für die weltweite Ethanolproduktion sind landwirtschaftliche Erzeugnisse. Die Rohstoffkosten machen den größten Anteil an den Gesamtherstellungskosten von Bioethanol aus. Damit beeinflussen die Lebensmittelpreise indirekt die Preise des Ethanolmarktes (vgl. Klepper, 2011: 91). In Deutschland wird neben der Zuckerrübe überwiegend auf importiertes Getreide zur Ethanolherstellung gesetzt. Damit beeinflusst der globale hohe Weizenpreis den deutschen Ethanolpreis, dieser steigt jedoch nicht unmittelbar im gleichen Umfang, wenn gleichzeitig hohe Futtermittelpreise vorliegen. Der Erlös durch die Koppelprodukte (z. B. Futtermittel) aus der Ethanolproduktion kompensiert zum Teil die höheren Rohstoffkosten.

Aufgrund aller erwähnten Faktoren, die den Bioethanolpreis beeinflussen, und deren Entwicklung ist nicht damit zu rechnen, dass der globale Bioethanolpreis in nächster Zukunft erheblich fallen wird. Dies schließt ebenso den Bioethanolpreis in Deutschland mit ein. Nur in Extremfällen ist eine rasche, dauerhafte und erhebliche Senkung der Ethanolpreise zu erwarten.

Der steigende globale Biokraftstoffbedarf müsste durch die Erschließung neuer Rohstoffe, Prozessoptimierung, Ertragserhöhung und durch wissenschaftliche Fortschritte schlagartig kompensiert werden, um ein Überangebot an Bioethanol zu erzeugen und damit den Preis massiv zu senken. Eine genauere Analyse der Preisentwicklung von Bioethanol ist wünschenswert, soll aber nicht Bestandteil dieser Arbeit sein. Nach der FAPRI (Food and Agricultural Policy Research Institute) fällt der Weltmarktpreis von Ethanol (dieser orientiert sich am brasilianischen Ethanolpreis) bis ins Jahr 2035 nicht unter 2 $ je Gallone (FAPRI, 2011: 1). Dies bedeutet nach der Rechnung 1a einen Bioethanolpreis von 406 €/m³. Für die ökonomischen Bewertungen, die in den späteren Kapiteln folgen, wird unterstellt, dass der deutsche Ethanolpreis in den nächsten Jahren nicht unter den brasilianischen Ethanolpreis 406 €/m³ fällt.

Rechnung 1a: globaler Ethanolpreis in Euro/1000 Liter

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Erläuterung der Rechnung 1a in Anhang 1 unter Gleichung 1.

Der Vollständigkeit halber muss erwähnt werden, dass ein Unterschreiten dieses Preises nur unter folgenden Annahmen denkbar wäre. Die Zollgebühren für importiertes Bioethanol in Europa entfallen völlig, die Zuckerpreise fallen und bleiben konstant niedrig. Dies erzeugt Anreize für Brasilien, den zweitgrößten Ethanolexporteur der Welt, Die Produktion zu steigern, um den europäischen Markt mit günstiger produziertem Bioethanol zu beliefern. Bioethanolpreis von nur 180 €/m³ in Europa und Deutschland wären, wie auch schon zu Beginn des Kapitels erwähnt, nur unter den genannten Extremfällen zukünftig möglich.

3 Grundlagen der Herstellung von Ethanol

Primär wird Ethanol aus zucker- und stärkehaltigen Pflanzen (z. B. Weizen, Zuckerrohr, Mais) durch Gärung mittels Hefen gewonnen. Nur der Zucker- und der Stärkeanteil werden vergoren. Diese landwirtschaftlichen Rohstoffe lassen sich in Konversionsanlagen, die nur einen bestimmten Rohstoff nutzen, sowie Annexanlagen, die mehrere Rohstoffe verarbeiten, oder in Brennereinen vergären (vgl. Putensen, 2005: 5). In Abbildung 2 ist eine schematische Darstellung der Ethanolproduktion mit Mais-Einsatz aufgezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Sekundär wird Ethanol aus Zellulose (z. B. Pflanzenreste, Stroh, Holzresten) hergestellt. Diese Prozesse sind aktuell jedoch in der Ausführung energie- und kostenintensiver als Verfahren der Zucker- und Stärkevergärung. (vgl. Kastenhuber, 2007: 72f)

3.1 Biochemische und verfahrenstechnische Grundlagen

3.1.1 Zucker-, Stärke- und Zelluloseaufbau

Pflanzen sind in der Lage, das eingestrahlte Sonnenlicht als Energiequelle für die Prozesse der Fotosynthese zu nutzen und die Wasser-Moleküle in die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Über die Luft aufgenommenes Kohlenstoffdioxid bindet sich mit dem erzeugten Wasserstoff in der Pflanze zu dem Kohlenhydrat Glucose, das als Energiesubstrat dient. Glucose ist das einzige Substrat, das direkt zu Ethanol vergoren werden kann. (vgl. Putensen, 2005: 5)

Das Polysaccharid Stärke entsteht aus Glucose-Bausteinen, hierbei handelt es sich um die wichtigste Nahrungsreserve der Pflanzen. Das Polysaccharid besteht aus zwei Bestandteilen, zu 70 bis 90 % aus wasserunlöslichem Amylopektin und zu 10 bis 30 % aus wasserlöslicher Amylose. (vgl. Kaltschmitt, 2009: 45)

Zellulose ist der am häufigsten verbreitete organische Stoff auf der Welt, der in den Pflanzenzellwänden als Gerüstbausubstanz fungiert, aber nur bedingt für den menschlichen Verzehr geeignet ist. Wie die Stärke entsteht Zellulose aus Glukose-Bausteinen, Zellulose ist ein Polymer, das fast vollständig aus gleichartigen D-Glucosemolekülen über ß-(1-4)- Bindungen kettenförmig verzweigt vorliegt. Dabei kann die Kettenlänge der Zellulose stark variieren und bis zu 14000 Glukose-Moleküle beinhalten. (vgl. Kaltschmitt, 2009: 336f)

Weitere Polymere sind die Hemicellulose und das Lignin. Die Hemicellulose besteht nicht aus gleichartigen D-Glucosemolekülen und ist deshalb nur ein Sammelbegriff für eine hohe Anzahl von zelluloseähnlichen Verbindungen. Hemicellulose besteht aus unterschiedlichen Zuckern (Mannose, Galactose). Dieser Aufbau ermöglicht es eine Vielzahl von Funktionen zu erfüllen. Lignin kommt nur in Begleitung von Cellulose und Hemicellulose in der Natur vor. Es ist für die Verholzung von Pflanzen verantwortlich. Lignin besteht nicht aus Glucose-Bausteinen, somit ist es für die Fermentation ungeeignet. (vgl. Kaltschmitt, 2009: 337)

3.1.2 Stärkeaufschluss

Stärke benötigte eine Vorbehandlung, bevor sie zu Ethanol vergoren werden kann. Die in den Zellwänden befindliche Stärke muss zunächst mit mechanischen und thermischen Prozessen herausgelöst werden. Dieser Prozess wird als Verkleisterung bezeichnet. Dabei bildet die Stärke mit dem heißen Wasser einen Kleister. Die Verkleisterung ist entscheidend für die folgende enzymatische Reaktion. Zwei enzymatische Reaktionen sind für den Abbau der verkleisterten Stärke in Zucker verantwortlich. Die α-Amylasen hydrolisiert (verflüssigt) die Stärke, indem es einige glykolytische Verbindungen des Polysaccharids löst, es entstehen dabei Oligosaccharide, die nur noch aus 7 bis 10 Glucose-Molekülen bestehen. Die Glucoamylasen und die β-Amylasen bewirken die nächste Hydrolyse und verzuckern die nun verflüssigte Stärke. Dabei werden die entstandenen Oligosaccharide weiter in die einzelnen Glucose-Moleküle aufgespalten. Erst nach diesen thermischen und enzymatischen Prozessen kann die Vergärung der Glucose beginnen. (vgl. Kaltschmitt, 2009: 794ff)

3.1.3 Zelluloseaufschluss

Der Aufschluss von Zellulose und Hemicellulose ist im Vergleich zum Stärkeaufschluss aufwendiger. Die miteinander mehrfach verknüpften Zellulose- und Hemicellulosemoleküle bilden kristalline Strukturen und sind eng mit Lignin und Pektin verbunden, was eine enzymatische Hydrolyse erschwert. Erst nach Zerstören der kristallinen Strukturen kann eine enzymatische Hydrolyse stattfinden. Dies kann mechanisch durch Vermahlung geschehen oder mittels eines energieintensiven Hochdruck-Dämpf-Verfahrens bewerkstelligt werden. Darauf folgt wie bei der Stärke die enzymatische Hydrolyse. (vgl. Kaltschmitt, 2009: 798ff)

Die säurekatalytische Hydrolyse spaltet die Cellulose unter Verwendung von verdünnten Säuren und einer Umgebungstemperatur von circa 200°C oder durch eine Behandlung von konzentrierten Säuren. Die säurekatalytische Hydrolyse verläuft schneller als die enzymatische, jedoch entstehen so auch unerwünschte Zucker, die nicht vergoren werden können. (vgl. Kaltschmitt, 2009: 798ff)

3.1.4 Fermentation

Die Fermentation (Gärung) der Monosaccharide (z. B. Glucose, Fructose) geschieht mittels Hefestämmen. Die Hefe produziert aus Glucose unter anaeroben Bedingungen Ethanol und Kohlenstoffdioxid. Dieser Prozess ist von dem hefeeigenen Enzym Zymase abhängig, das nur unter bestimmten Ph- und Temperaturbedingungen entsteht (vgl. Hennings, 2007: 17). Bei der Umsetzung von einem Mol Monosaccharid (z. B. Glucose, Fructose) entstehen so zwei Mol Ethanol, zwei Mol Kohlenstoffdioxid und Wärme.

Gleichung 2: Alkoholische Gärung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Glucose → Ethanol + Kohlenstoffdioxid + Wärme

So entstehen aus 1 kg Glukose rund 511 g Ethanol, 489 g CO2 und 867 kJ Wärme.

(vgl. Henniges, 2007: 17)

3.1.5 Destillation/Rektifikation

Über die Destillation wird das Ethanol aus der vergorenen Maische gewonnen. Der Prozess der Destillation nutzt die Eigenschaft des Ethanols sich mit Wasser zu binden und den Siedepunkt des Ethanols, der bei 78°C liegt (vgl. Putensen, 2005: 8). In übereinander geordneten und durchlässigen Kochböden rieselt die Maische bis auf den tiefsten Boden. Dort wird diese erhitzt, es entsteht zu einem die Schlempe und zum anderen ein Ethanol-Wasser-Gemisch, das verdampft und am Kopf der Kolonne aufgefangen wird (vgl. Hennings, 2007: 18). Das kondensierte Ethanol-Wasser-Gemisch liegt nicht in reiner Form vor, es enthält noch einige Begleitstoffe mit gleichem Siedepunkt. So folgen weitere Destillationen, um zum einen die Begleitstoffe von dem Gemisch zu separieren und zum anderen die Ethanolkonzentration innerhalb des Gemisches zu erhöhen. Die mehrmalige Destillation wird als Rektifikation bezeichnet, die eine maximale Reinheit von 97 Vol.-% ermöglicht. (vgl. Putensen, 2005: 8)

3.1.6 Entwässerung des Ethanols

Ethanol mit einer Reinheit bis 97 Vol.-% ist für die Beimischung zu Ottokraftstoffen ungeeignet, nur nahezu wasserfreies Ethanol erlaubt die Verwendung in gewöhnlichen Ottomotoren. Der weitere Entzug des Wassers geschieht über Schleppmittel, Molekularsiebe oder Membranen. (vgl. Hennings, 2007: 19)

Das am häufigsten verwendete Verfahren bedient sich Molekularsieben, die mit Zeolithen gefüllt sind. Zeolithen sind kristalline Aluminiumsilikate, die sehr kleine Moleküle, wie das Wasser, über feine Poren aufnehmen können (vgl. Hennings, 2007: 19). Während der Rektifikation durchströmt das Wasser-Ethanol-Gemisch die Zeolithen, dabei wird nur das Wasser adsorbiert und das Ethanol liegt nun in reiner Form vor. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass mindestens zwei Behälter benötigt werden. Da die Zeolithen, wenn sie mit Wassermolekülen übersättigt sind, wieder mit reinem Ethanol gereinigt werden müssen (vgl. Kaltschmitt, 2009: 829). Dem entgegen bietet das Verfahren die Vorteile, dass es energiearm betrieben werden kann und die Zeolithen wieder genutzt werden können, somit eine lange Lebensdauer dieser entsteht. (vgl. Hennings, 2007: 19)

Ein modernes Verfahren der Entwässerung nutzt Membran. Durch den erzeugten Unterdruck wandert nur das Wasser durch die Membran (vgl. Hennings, 2007: 19). Dieses Verfahren verbraucht wenig Energie, jedoch sind die Membranen mit einer hohen Investition verbunden. Die kleinen und mittleren Ethanolanlagen profitieren von den kompakten Ausmaßen und geringen Energiekosten der Membranen, sodass sich auch die höheren Investitionskosten rentieren können. (vgl. Kaltschmitt, 2009: 831f)

3.1.7 Schlempe / Koppelprodukte / Nebenprodukte

Die Schlempe ist ein Gemisch aus Wasser und allen Komponenten, die während der Fermentation nicht in Ethanol umgewandelt wurden. Es handelt sich um eine dick- oder dünnflüssige Masse, die verwertbare Inhaltsstoffe beinhaltet. Dieses Nebenprodukt entsteht in großen Mengen. Nach Kaltschmitt (2009: 832) sind es je erzeugtem Liter Ethanol – abhängig vom Produktionsprozess – etwa 8 bis 10 Liter wässriger Schlempe. Die Kosten der Ethanolproduktion können über eine optimale Verwertung der Nebenprodukte sinnvoll minimiert werden und ermöglichen erst oft dadurch eine wirtschaftliche Produktion (vgl. Putensen 2005: 99f). Die Schlempe dient als Viehfutter, Kompostiergut, Bodenverbesserer (Dünger), Brennstoff oder als Rohstoff für Biogasanlagen. Zentrale große Anlagen produzieren im Vergleich zu den kleinen Anlagen enorme Mengen an Reststoffen, die nicht genügend regionale Abnehmer finden. So muss die Schlempe, wenn sie denn als Viehfutter dienen soll, erst energieintensiv getrocknet werden, damit diese nicht während eines ebenso kostenintensiven Transports verdirbt (vgl. Putensen, 2005: 9). Eine teilweise Verwendung der Schlempe in Biogasanlagen stellt eine ökonomische Alternative dar. Die erzeugte elektrische Energie mittels Biogasanlagen kann teils selbst verwendet werden und zum anderen Erlöse durch Einspeisen ins öffentliche Stromnetz generieren (vgl. Putensen 2005: 99ff).

Ein weiteres Nebenprodukt ist Kohlenstoffdioxid, das in großen Mengen entsteht. Große Anlagen verkaufen das gesammelte und verflüssigte Kohlenstoffdioxid an Getränkehersteller, dort dient es als Kohlensäure. Es werden ebenso Treibhäuser beliefert, um die Pflanzen schneller wachsen zu lassen. (vgl. Kaltschmitt, 2009: 850)

3.2 Ethanolgewinnung aus zucker-, stärke -und zellulosehaltigen Pflanzen

Für die Bioethanolproduktion werden überwiegend Pflanzen verwendet, die primär für die Lebensmittelproduktion bestimmt waren. Zuckerrohr ist eine der Pflanzen, die zur Ethanolproduktion genutzt wird. Aufgrund des hohen Rohzuckeranteils der Pflanze ist diese ein hoch effizienter Zuckerlieferant und ist eins der wichtigsten Exportgüter Brasiliens. Zuckerrohr wird nahezu das gesamte Jahr über geerntet. Bei der üblichen manuellen Ernte werden die Blätter abgebrannt, sodass nur noch die Halme des Zuckerrohrs verbleiben. Die Nutzung von Erntemaschinen wird immer beliebter, diese ersparen das Abbrennen durch eine maschinelle Blattentfernung. Die Halme werden gereinigt und mit Walzenpressen bearbeitet, wodurch der Zuckersaft gewonnen wird. Die einfache, immer noch weitverbreitete Variante mit nur einmaligen Walzen ist im Vergleich zu einem modernen Extraktionsverfahren wenig effektiv. Bei einem mehrstufigen Extraktionsverfahren durchläuft das Zuckerrohr mehrere Walzen und wird mit im Gegenstrom geführtem Wasser ausgewaschen. So entsteht eine vergärbare Zuckerlösung und Bagasse, das faserige Material wird zur Energiegewinnung oder für die Prozesswärme verbrannt. (vgl. Kaltschmitt, 2009: 801) Die Zuckerlösung kann in zentralen Anlagen zu Zucker verarbeitet oder zu Ethanol vergoren (siehe Kap. 3.1.1).

Zuckerrüben sind in Europa die Lieferanten des Rohzuckers. Aufgrund eines Überangebots von Rohzucker und damit fallender Marktpreise entschlossen sich Unternehmen, wie z. B. Südzucker, diesen zu Ethanol zu verarbeiten. Die Zuckerrübe enthält im Vergleich zum Zuckerrohr weniger Rohzucker und muss zu Beginn des Prozesses aufwendig von anhaftender Erde, rund 15 Gew.-%, Steinen und Blättern befreit werden. In Schnitzeln zerkleinert gelangt das Zuckerrüben-Material in Extraktionstürme, hierdurch gewinnt man einen Rohsaft mit 16 % Zuckergehalt, der vergoren werden könnte. Aufgrund einer Rübenerntekampagne von 100 Tagen und einer schlechten Lagerfähigkeit muss der Rohsaft von restlichen Begleitstoffen gereinigt und durch energieintensive Dampfprozesse eingedickt werden. Die zuckerfreien Schnitzel werden energieintensiv getrocknet und als Viehfutter genutzt. (vgl. Kaltschmitt, 2009: 800f)

In Schweden und den USA werden schon seit einigen Jahren kommerzielle Anlagen betrieben, die nur zellulosereiche Pflanzen vergären. Die höhere Ethanolausbeute rechtfertigt die gehobenen Kosten der Umwandlungsprozesse im Vergleich zu Zucker- und Stärkevergärung. Auch wenn die Verfahren der Zellulosevergärung die teuersten sind, so werden durch stetige Bemühungen der Forschung die Kosten des Verfahrens immer weiter gesenkt. Ethanol aus Zellulose wird als biogener Kraftstoff der zweiten Generation gesehen, der ökologisch und ökonomisch sinnvoll produziert werden kann und somit eine Alternative zu fossilen Kraftstoffen bietet.

4 Herstellung von Ethanol aus Industrieabfällen

Viele Rest- und Abfallstoffe aus der Industrie eignen sich für die Ethanolproduktion. Industrieabfälle, die Entsorgungskosten verursachen, wären kostengünstige (theoretisch kostenlose) Rohstoffe für die Ethanolproduktion. Kakaobohnenschalen aus der Schokoladenherstellung erzielen oft nur geringe Erlöse als Dünger, hier könnte eine Ethanolproduktion ökonomisch vorteilhafter sein.

4.1 Verwertbare Industrieabfälle /- reststoffe

Eine Vielzahl von Industriezweigen, wie beispielsweise die Lebensmittelindustrie, die Landwirtschaft, die Forstwirtschaft, die Holzindustrie, die Papierindustrie und sogar Energieerzeuger, bieten ein weites Spektrum von direkten oder indirekt gärfähigen Abfall- oder Reststoffen, wie in Abbildung 3 zusehen. Entscheidend für die Eignung ist nur, dass Glucose oder Substrate enthalten sind, die in Glucose überführt werden können. Sogar Treibhausgase, wie Kohlenstoffdioxid, können mithilfe von Algen in Bioethanol umgewandelt werden.

Abbildung 3: Abfall- und Reststoffe für die Ethanolherstellung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung

4.1.1 Abfall - und Reststoffaufkommen

Im Verhältnis zu vielen anderen Industrienationen produziert Deutschland wenige Abfälle, die keinen weiteren Nutzen erfüllen können. Dies soll nicht bedeuten, dass Deutschland nicht als Standort für eine Bioethanolproduktion auf Industrieabfallbasis in Betracht kommt. Die Land- und Forstwirtschaft sowie die Lebensmittelindustrie produzierten im Jahre 2010 insgesamt 5,03 Mio. t Reststoffe (vgl. Statistisches Bundesamt Abfallentsorgung, 2010). Ein großer Teil dieser Reststoffe wird auf unterschiedlichsten Wegen genutzt, sei es als Viehfutter, Kompost, Dünger oder als Rohstoff in Biogas- und Verbrennungsanlagen zu Erzeugung von Strom. Ein geringer Teil der Abfälle ist nur bedingt nutzbar, aufgrund von Schadstoffbelastungen oder sonstigen Behandlungen, die herkömmliche Wiederverwertungsmaßnahmen nicht ermöglichen. Alternativ könnte sich die Verwertung dieser Reststoffe zu Ethanolproduktion als ökonomisch bessere Option für viele Industriebetriebe darstellen.

4.1.1.1 Lebensmittelindustrie

Die Molkereiindustrie produziert im Jahre 2008 annährend 20 Mio. t Käse, Tendenz steigend, dabei entsteht in etwa 15 Mio. t Molke. (vgl. BMLEV, 2008) Abhängig von der Molkenart enthält Molke im Durchschnitt einen gärfähigen Lactosegehalt von 4,8 % und weitere wertvolle Rohstoffe. Die Molke durchläuft mehrere Verfahren, um möglichst alle sich in ihr befindenden Nährstoffe, darunter vor allem die Laktose, herauszulösen. Dies ist nur bis zu einem gewissen Grad wirtschaftlich und so verbleiben 10 % der Laktose in der s. g. Melasse (vgl. Benecke, 2011: 15ff). Diese 10 % Laktose können zu Ethanol vergoren werden und würden dem Unternehmen anstelle einer kostenpflichtigen Entsorgung eine Nebeneinnahme ermöglichen. Bei einer jährlichen Produktion von 15 Mio. t Molke entsprechen die restlichen 10 % Laktose ca. 72000 t, und aus diesen ließe sich rechnerisch ca. 46 Mio. l Ethanol produzieren, siehe Berechnung 3a.

Berechnung 3a: Erzeugte Menge Ethanol aus Molkenmelasse

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Erläuterung der Berechnung 3a in Anhang 1 unter Gleichung 3.

Die Schokoladenindustrie stellte aus Kakaobohnen im Jahre 2011 fast 225000 t Kakaomasse her (vgl. Statistisches Bundesamt, 2011). Schalen mindern den Wert der Kakaobohne und so ist der Schalenanteil vertraglich abgesichert nie höher als 5 % (vgl. Ice-Köln, 1998). Daraus folgend entstehen 11250 t Kakaobohnenschalen. Dieser biogene Abfall findet wegen einiger qualitätssenkender Inhaltstoffe nur bedingt Verwendung als Futtermittel und muss kostenpflichtig entsorgt werden. Die Inhaltsstoffe haben keine Auswirkung auf die Produktivität der Bioethanolerzeugung. Die Kakaobohnenschalen enthalten im Durchschnitt folgende gärfähige Substrate: 5 % verschiedene Zuckersorten, 1 % Stärke und 41 % Cellulose (vgl. Mahro, et al., 2008). So ließen sich nach der Berechnung 4a aus der Schalenmasse ca. 2,1 Mio. l Ethanol herstellen.

Berechnung 4a: Erzeugte Menge Ethanol aus Kakaobohnenschalen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Erläuterung der Berechnung 4a in Anhang 1 unter Gleichung 4.

Die Fruchtsafthersteller produzierten im Jahre 2011 ca. 732 Mio. l Apfelsaft, dabei entstanden etwa 220.000 t Apfeltrester. Die Trockenmasse des Apfeltresters dient den Lebensmittelzusatzstofferzeugern als Rohstoff für die Pektingewinnung.

Der Pektinanteil in der Trockenmasse beträgt zwischen 10-17 % (vgl. Schalow, 2009: 6), der entpektinisierte Apfeltrester wird meist als Zusatz für Viehfutter genutzt. Alternativ kommt dieser Reststoff als relevanter Rohstoff für die Ethanolerzeugung infrage. Abhängig von den Verfahren der Pektinherstellung ergeben sich folgende Werte: 1 % Stärke, 4,7 % Arabinose, 3 % Xylose, 1 % Glucose, 2,3 % Fructose und 25,1 % unlöslicher Glucose (in Form von Cellulose) (vgl. Schalow, 2009: 95). Ausgehend davon, dass trotz aller biotechnologischen Möglichkeiten nicht alle Zucker fermentiert werden können, lassen sich nach Berechnung 5a aus 187.000 t entpektinisierten Apfeltrester ca. 29 Mio. l Ethanol erzeugen.

Berechnung 5a: Erzeugte Menge Ethanol aus entpektinisierten Apfeltrester

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Erläuterung der Berechnung 5a in Anhang 1 unter Gleichung 5.

4.1.1.2 Energieversorger

Kohle- und Gaskraftwerke werden in naher Zukunft, nachdem alle Atomkraftwerke bis 2022 abgeschaltet sind (vgl. BMU, 2012: 22), den größten Anteil an elektrischer Energie in Deutschland liefern. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um fossile oder biologische Brennstoffe handelt, beide erzeugen Kohlenstoffdioxid (COAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten). Dies wird zwangsläufig dazu führen, dass die im Jahre 2009 relativ niedrigen und durch die Energieversorger erzeugten COAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten-Emissionen von 335,6 Mio. t jährlich (vgl. Statistisches Bundesamt, 2009) weiter ansteigen werden. Das anfallende COAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, das selten eine weitere Verwendung findet und das mengenmäßig häufigste Treibhausgas darstellt, könnte kombiniert mit Sonnenlicht ein Nährmedium für eine Algenanlage bilden. COAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten wird von fototropen Organismen fixiert und mittels Sonnenenergie zur Erzeugung von Nährstoff genutzt. Dazu zählen unter anderem Algen, die jährlich die Hälfte der aus COAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenerzeugten Biomasse auf der Erde generieren. Aus 2 t COAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten entsteht ca. 1 t Algenbiomasse (vgl. Bley Acatech, 2011: 89). Vor allem Mikroalgen mit ihrem extrem schnellen Wachstum und Stoffwechselprozessen erzeugen das Vierfache an Biomasse im Vergleich zu landwirtschaftlichen Pflanzen. Es bestehen zwei generelle Möglichkeiten, Algen zur Ethanolherstellung zu nutzen. Die direkte Methode nutzt die natürlichen und genetisch veränderten Eigenschaften der Cyanobakterien. Diese erzeugen nicht nur mittels Fotosynthese Energiesubstrate in Form von Zucker, sondern vergären diesen direkt zu Ethanol.

Diese kleinen Ethanolfabriken konnten unter Versuchsanlagenbedingungen jährlich aus einer Tonne COAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten rund 520 1 Ethanol herstellen (vgl. USDE, 2010). Jedoch besitzt Deutschland nicht genug Fläche (nach Berechnung 6a werden 111 Mio. ha benötigt, Deutschland besitzt nur insg. 35.7 Mio. ha), darüber hinaus ist die Sonneneinstrahlung in Deutschland nicht ausreichend, um eine ähnliche Produktivität der Cyanobakterien zu erreichen, was dazu führt, dass die benötigte Fläche sich verdoppeln würde. Aber unterstellt man eine Nutzung von nur 0,01 % des im Jahre 2009 anfallenden COAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltender Energieversorger und eine wetterbedingte Minderung der Produktivität der Cyanobakterien um 50 %, so entstehen nach Berechnung 7a aus 33560 t COAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenrund 8,7 Mio. l Ethanol.

Berechnung 6a: Flächenbedarf für Cyanobakterien

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Erläuterung der Berechnung 6a in Anhang 1 unter Gleichung 6.

Berechnung 7a: Ethanolproduktion durch Cyanobakterien in Deutschland

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Erläuterung der Berechnung 7a in Anhang 1 unter Gleichung 7.

Die indirekte Möglichkeit, Ethanol aus Algen zu erstellen, besteht darin, die stark wachsende Algenzuchtindustrie zu nutzen. Das wichtigste wirtschaftliche Erzeugnis ist das Algenöl, aus dem hochwertige Lebensmittelzusätze, Beta - Carotin, Omega -3- Fettsäuren und der vom deutschen Markt favorisierte Biodiesel entstehen (vgl. Luguel, 2011: 40). Die Algen enthalten neben den Ölen auch gärfähige lösliche und unlösliche Zucker, die relevante Rohstoffe für die Bioethanolproduktion darstellen. Das Ethanol wäre ein Koppelprodukt aus der anfallenden entölten Algenbiomasse. (vgl. oilgae, 2012) Die Algenarten haben einen Kohlenhydratanteil von 12–32 % bezogen auf die Algenbiomasse (vgl. Bley, 2011: 89). Angenommen ein durchschnittlicher 20 %-Kohlenhydratanteil in der Algenbiomasse würde in Ethanol vergoren werden, es wird unterstellt, dass die Kohlenhydrate vollständig aus Cellulose bestehen und es würden wieder nur 0,01 % des COAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltender Energieversorger verwendet, so entstünden nach Berechnung 8a aus 3356 Tonnen Kohlenhydraten der Algenbiomasse rund 1,3 Mio. l Ethanol als Nebenprodukt zum Diesel und anderen hochwertigen Algenprodukten.

Berechnung 8a: erzeugte Ethanolmenge aus restlichen Kohlenhydraten der Algenbiomasse

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Erläuterung der Berechnung 8a in Anhang 1 unter Gleichung 8.

4.1.2 Einflussfaktoren auf die Planung einer Abfallstoff-Ethanolanlage

Die Planung einer Abfallstoff-Ethanolanlage richtet sich nach der generellen Verfügbarkeit und der zentral anfallenden Menge eines Abfall- oder Reststoffes. Für eine ökonomisch und ökologisch sinnvolle Ethanolproduktion müssen viele Aspekte beachtet werden. Dieses Kapitel gibt einen kurzen Überblick über wichtige Faktoren. Die Preise für viele Reststoffe sind gering, meistens decken die Erlöse, z. B. in Form von Viehfutter, annähernd die Kosten einer alternativen Entsorgung. Es existieren auch kostengünstige Reststoffe (Abfallstoffe), deren Kosten der Aufbereitung, z. B. zu Tierfutter, die Erlöse aus deren Verkauf übersteigen. In diesen beiden Fällen würden im Wesentlichen die Transportkosten bis zur Ethanolanlage den Endpreis des Reststoffes bestimmen. Dies wiederum bedeutet, dass der Transportweg möglichst kurz sein sollte, um den Vorteil des geringen Rohstoffpreises wirtschaftlich auszunutzen. Ein weiterer Vorteil von Industrieabfällen, besonders jene aus großen Industrieanlagen, liegt in dem zentralen und in großen Mengen bestehenden Aufkommen. Die Errichtung einer Ethanolanlage in unmittelbarer Nähe zur Produktionsstätte und die Integration in die Produktionsabläufe bieten sich an.

Ein weiterer Aspekt ist die Energiedichte bzw. die Menge des gärfähigen Materials innerhalb des Reststoffes. Ein geringer Anteil gärfähigen Materials im Rohstoff (z. B. durch einen hohen Wasseranteil) führt zu erhöhten Transportkosten. Deshalb sind weite Transportwege bei Rest- und Abfallstoffen meist ökonomisch nicht sinnvoll, selten besteht ein hoher Anteil an gärfähigem Material mit niedrigem Wasseranteil (z. B. Presskuchen). Ein Transport solcher Reststoffe sollte nur in Betracht gezogen werden, wenn eine energieintensive Trocknung durch ungenutzte Prozesswärme aus der Produktionsstätte eine sehr hohe Trockenmasse ermöglicht. Findet bei einem hohen Wasseranteil des Reststoffes keine Trocknung statt, droht der Verlust von gärfähigen Energiesubstraten, ein Befall mit Fremderregern und Schädlingen. Dies kann dazu führen, dass die Fermentation des Reststoffes später verlangsamt oder gänzlich unmöglich wird. Die Lagerfähigkeit ist von ähnlichen Problemen betroffen. Bei Abfallstoffen ist mit Kontaminationen durch Erreger zu rechnen, ein langfristiger Schutz vor Befall und Verderbnis ist mit hohen Kosten verbunden. Das Kontaminationsrisiko sinkt durch die Integration in die Prozessabläufe der Produktionen. Es entfallen langfristige Lagerungen und die gleichmäßigen Reststoffströme können direkt verarbeitet werden. Nach der Fermentation entstandene Koppelprodukte können meist als Viehfutter verwertet werden, wenn die vorherigen Reststoffe ebenso als solches geeignet waren. Ihre Wertigkeit steigt zudem durch die enthaltene Hefebiomasse mit einem höheren Proteinanteil.

Aufgrund der vorteilhaften Integration der Ethanolherstellung in die Produktionsprozesse bietet es sich an, dass Lebensmittelunternehmen die Anlagen selbst betreiben. Dadurch erschließt sich eine neue Absatzmöglichkeit für die Reststoffe.

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