Gedanken zu Biokraftstoffen

Kraftstoff aus nachwachsenden Rohstoffen ist weder Allheilmittel noch moralisch verwerflich. Das Thema ist etwas komplizierter und erfordert eine differenzierte Betrachtung.

Die Argumente gegen Biokraftstoffe lassen sich in zwei Kategorien einteilen, „technische“ und „moralische“:

Bei den „technischen“ wird in der Regel vorgebracht:
– die Verträglichkeit sei ungeklärt (Beispiel: Pflanzenöl/Biodiesel und jetzt Ethanol)
– die Gesamtenergiebilanz sei dürftig
– für die Ethanolprodukton würde Regenwald abgeholzt, außerdem seien die entstehenden Monokulturen alles andere als umweltfreundlich.

Als „moralisches“ Argument wird angeführt, die Biokraftstoffproduktion treibe die Getreide- und damit langfristig alle Nahrungsmittelpreis auf dem Weltmarkt in die Höhe. Biokraftstoffe verschärften damit Armut und Hunger in der dritten Welt.
Die bisweilen unreflektierte Entrüstung gipfelt in pauschalen Aussagen wie „Ich tanke nichts, was andere essen könnten“.

Ich werde nun auf die Gegenargumente im einzelnen Eingehen.

1. technische Verträglichkeit.
Jeder Kraftstoff, der vom Normkraftstoff abweicht, erfordert mehr oder weniger tiefgreifende Anpassungen. Das ist nichts Neues.
Pflanzenöl ist bei Raumtemperatur zehnmal dickflüssiger als Diesel. In der Folge kommt es zu Problemen bei Verteilerpumpen (fressende Kolben, weil der Kraftsoff zu zähflüssig ist, um in die Schmierspalte eindringen zu können, abscherende Kolben, weil die Drück zu groß werden), zu Kaltstartproblemen aufgrund des weitaus höheren Flammpunktes und der schlechteren Zerstäubung, bis hin zu kapitalen Motorschäden bei Direkteinspritzern (Tröpchenbildung auf dem Kolben beim Kaltstart, dadurch Löcher im Kolben, verkokende Kolbenringen etc), tlw Leistungsverlust aufgrund des größeren Zündverzuges etc.
Die Lösungsansätze reichen von einfachem Ignorieren über höhere Düsenöffnungsdrücke und einen leicht vorverstellten Einspritzbeginn bei alten Mercedesvorkammermotoren mit Reiheneinspritzpumpe bis hin zu Zweitanklösungen mit Kraftstoffvorwärmung (Start auf Diesel, bei warmem Motor umschalten auf heißes, damit dünnflüssigeres Pflanzenöl, vor dem Abstellen spülen der Leitungen mit Diesel) bei empfindlicheren Fahrzeugen.

Ein weiterer Lösungsansatz neben der Anpassung des Motors an den Kraftstoff war die Anpassung des Kraftstoffes an den Motor: Biodiesel.
Biodesel ist nichts weiter als Pflanzenöl, das chemisch verändert (veresthert) wurde. Damit konnte man die Viskosität drastisch herabsetzen. Dadurch ergab sich aber ein weiteres Problem: Biodiesel entpuppte sich als so hervorragendes Lösungsmittel, daß fast alle Kunststoffteile im Kraftstofftrakt gegen Teile aus Viton ersetzt werden mußten.

Daß eine Umstellung auf einen anderen Kraftstoff mit Problemen verbunden ist, verwundert angesichts der schon bei Dieselmotoren gemachten Erfahrungen nicht wirklich.
Bei Ethanol ergeben sich folgende Probleme:
Erstens verbrennt Ethanol anders. Eine Ethanolflamme ist unsichtbar. Aus Sicherheitsgründen und um Kaltstartproblemen vorzubeugen wird Ethanol deshalb nicht rein verbrannt, sondern immer ein gewisser Benzinanteil zugemischt (e85).
Zweitens der weitaus geringere Energiegehalt (38%!), der zu einer Veränderung von Lamda führt: es muß nun pro angesaugter Lufteinheit wesentlich mehr Kraftstoff eingespritzt werden. Bei den wenigsten Fahrzeugen liegt das im Regelfenster – die allermeisten Einspritzanlagen schaffen das nicht, der Motor magert ab. Bei lambdasondenlosen Einspritzern oder bei Vergasermotoren muß der Motor also auf den Kraftstoff eingestellt werden – was zur Folge hat, daß man dann kein Benzin mehr fahren kann, weil das Gemisch sonst wesentlich zu fett würde.
Bei modernen Einspritzanlagen wird man die maximal bereitstellbare Krafstoffmenge erhöhen und, will man sich die Option auf Benzinbetrieb erhalten, die Regelfenster vergrößern müssen. Das bedeutet in der Praxis andere Kennfelder und ggf größere Einspritzdüsen.
Des Weiteren hat Ethanol eine deutlich höhere Klopffestigkeit, was zum einen Effizienzgewinne durch veränderte Zündwinkel, bei Turbofahrzeugen auch Leistungssteigerungen durch erhöhten Ladedruck ermöglicht. Gleichzeitig neigt Ethanol eher zu Glühzündungen an heißen Brennraumstellen. Gefährlicher ist jedoch die Tatsache, daß aufgrund des anderen Verbrennungsablaufes Klopfen mt einem herkömmlichen Klopfsensor nicht sicher erkannt werden kann! Das geht derzeit nur über Ionenstrommessung an den Zündkerzen, d.h. zum Beispiel bei Saabs mit DI-Kassette.
Auch bei Ethanol hört man von Befürchtungen, der Kraftstoff könne wie Biodiesel zu Undichtigkeiten im Kraftstofftrakt führen. Dazu ist festzuhalten, daß es in der Tat bei Umrüstungen von Altfahrzeugen Probleme gab, gleichzeitig aber fast alle benzinbeständigen Kuntstoffe auch ethanolbeständig sind. Das Problem rührt daher daß von privaten Tüftlern naturgemäß mit alten, nahezu wertlosen Fahrzeugen experimentiert wurde. Dort waren die Kraftstoffleitungen nun durch das Alter porös, durch harzartige Ablagerungen aber noch dicht. Das Ethanol löste nun diese Ablagerungen, der Schlauch wurde undicht. Hier hat das Ethanol nur das Problem aufgedeckt, nicht aber verursacht.
Auch Korrosion an Metallteilen wird befürchtet. In Brasilien wird seit Jahrzehnten, in Schweden seit einigen Jahren Ethanol als Kraftstoff genutzt. Über Korrosionsschäden an Einspritzungsteilen habe ich im schwedischen Ethanolforum allerdings noch nichts gelesen. Problematisch könnten wegen des höheren Wasseranteils allenfalls lange Standzeiten bei Fahrezeugen mit mechanischen Einspritzanlagen (Bosch K-jet und KE-jet) werden, hier kommt es gelegentlich schon bei herkömmlichem Kraftstoff zu Problemen.
An modernen Fahrzeugen kann das durch die deutlich höheren Kraftstoffdrücke jedoch ganz anders aussehen. In modernen Direkteinspritzerbenzinern werden Einspritzdrücke gefahren, die von den bei Saugrohrbenzinern üblichen ca 3 bar erheblich abweichen und in Regionen vorstoßen, die bis vor wenigen Jahren noch Dieselmotoren vorbehalten waren. Die höheren Drücke und Temperaturen könnten durchaus Reaktionen des Kraftstoffs mit der Umgebung ermöglichen.*

In geringen Mischungsverhältnissen sollten sich sich bei lambdageregelten Saugrohreinspritzern diese Probleme noch nicht gravierend auswirken. Bei modernen, adaptiven Einspritzanlagen könnte sich jedoch gerade deren „Lernfähigkeit“ zum Problem entwickeln: Das Steuergerät paßt die im Kennfeld hinterlegte Einspritzmenge anhand der ermittelten Lambdawerte laufend an – zum einen, in dem es die Kennfelder ändert, zum anderen, indem es auf die in der Tabelle hinterlegten Werte eine globalen Multiplikator anwendet.
Unter Vollast wird aber die Lambdasonde ignoriert und stumpf nach dem (evtl mit dem globalen Multiplikator veränderten) Kennfeld gefahren. Wenn das Fahrzeug also auf herkömmlichen Kraftstoff adaptiert hat, dann wird das Gemisch mit e10 plötzlich zu mager! Die erste Vollgasfahrt könnte bei einer modernen Motorsteuerung somit für den Motor fatal enden. Die Betonung liegt auf könnte, die Kraftstoffmindermenge ist marginal. Eigentlich sollten die Hersteller ausreichend Sicherheitsreserven berechnet haben. Bei einem grenzwertig ausgereiztem Motor, beispielsweise nach Tuning, könnte es aber eng werden. **

Während in herkömmlichen Saugrohreinspritzern ein möglichst homogenes Gemisch angestrebt wird, wird in Benzineinspritzern teilweise ein anders Konzept verfolgt. Im Teillastbetrieb versucht man, nur einen geringen Teil des Brennraumes mit einem genau definierten zündfähigen Gemisch zu füllen und die Gemischwolke vom Rest des Brennrauminhaltes sauber abzugrenzen.
Aufgrund des gänzlich anderen Verbrennungsablaufes (andere Abbrandgeschwindigkeit) mit Ethanol könnte es hier ebenfalls zu Problemen kommen.

2. Gesamtenergiebilanz und Umweltverträglichkeit
Auch hier ist eine differenzierte Betrachtung erforderlich. Ähnlich wie bei Biodiesel, bei dessen Verestherung große Mengen Prozeßenergie benötigt werden, lohnt sich ein kritischer Blick. Die Ethanolproduktion aus Getreide ist unter dem Gesichtspunkt der CO2-Einsparung sehr ineefizient. Die Ethanolpruktion aus Mais und Getreide in den USA erfolgt daher konsequenterweise nicht mit dem Ziel der CO2-Reduktion, sondern aus sicherheitspolitischer Zielstellung: es geht um die Verminderung der Abhängikeit von Ölimporten. (Nicht vergessen darf man auch, daß die nach der Vergärung und Ethanolgewinnung abfallenden „Restprodukte“ als eiweißreiches Futtermittel regen Absatz finden; es wird also auch bei der Ethanolproduktion aus Getreide die gesamte Pflanze genutzt; nur eben nicht ausschließlich zur Treibstoffproduktion.)
Anders sieht es bei der Ethanolproduktion aus brasilianischem Zuckerrohr aus: Hier stellt die Pflanze durch die Verbrennung der Bagasse sogar so viel Energie bereit, daß die Ethanolfabriken dazu übergegangen sind, die überschüssige Energie nicht nur als Prozeßwärme zu nutzen, sondern auch zur Stromversorgung der umliegenden Gemeinden einzusetzen.
Weitere Möglichkeiten der Ethanolerzeugung aus Biomasse werden erforscht: In Schweden arbeitet man an der Verwertung von Holzabfällen, in Deutschland an Algenkulturen. Weltweit wird daran geforscht, bei der Verwendung von Energiepflanzen nicht nur die Früchte, sondern die gesamte Biomasse nutzen zu können. Damit dürfte die Effizienz stark steigen.

Zur Umweltverträglichkeit.
Oftmals wird vorgetragen, für die Produktion von Energiepflanzen würde Regenwald abgeholzt. Es ist richtig, daß es dafür z.B. in Indonesien Beispiele gibt (Palmölplantagen). Der Großteil der weltweiten Ethanolproduktion stammt jedoch aus Brasilien. Zuckerrohr wächst dort in den südlicheren Landesteilen, eine Bedrohung des amazonischen Regenwaldes erfolgt wenn durch die industriellen Sojafarmen und durch die illegale Holzgewinnung, nicht aber durch den Zuckerrohranbau.
Perspektivisch böte sich durch die Schaffung von Arbeitsplätzen in der Ethanolerzeugung die Möglichkeit, das Problem der „Landlosen“ zu verringern und dadurch den Druck auf den Regenwald durch illegale, private Rodungen von Kleinbauern zu vermindern.

Die in den USA stattfindende Ethanolproduktion auf Basis von Getreide- und Maismonokulturen ist sicherlich auch unter ökologischen Aspekten bedenklich, wie jede andere Monokultur auch.

3. Ethische Aspekte.

Während der Biokraftstoffeuphorie 2007 kam es zu einem drastischen Anstieg der Getreide- und Weltmarktpreise. In mehreren Drittweltländern kam es zu Protesten.
Die Kraftstoffherstellung aus nachwachsenden Rohstoffen wurde plötzlich als in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion stehend gesehen. Überspitzt dargestellt gipfelte das in der Alternative „Tank oder Teller“.
Die Biokraftstoffproduktion treibe die weltweiten Preise für Grundnahrungsmittel in die Höhe. Damit sei sie für Hunger und Armut in der dritten Welt mitverantwortlich.

Das ist nicht richtig. Zwar lassen sich einige grundsätzliche Annahmen nicht von der Hand weisen (auf die ich in der Folge eingehen werde), aber diese Betrachtungsweise greift zu kurz.

Grundsätzlich ist es richtig, daß landwirtschaftliche Erzeugnisse in Konkurrenz um Anbauflächen treten. Es ist aber nicht jede Anbaufläche für jedes Erzeugnis gleich geeignet, auch ist die landwirtschaftlich nuzbare Anbaufläche der Erde zwar begrenzt, aber noch lange nicht ausgeschöpft. Drittens werden in der Diskussion die zu erwartenden Effizienzsteigerungen in der Produktion aus Energiepflanzen ignoriert, die zu geringeren benötigten Anbauflächen als prognostiziert führen werden. Der europäische Wald als Rohstofflieferant für Biomasse wird ignoriert, genauso wie alternative Verfahren (z.B. Algenkulturen auf Fabrikdächern). Viertens geht der Trend zu einer Reduzierung der für Getreideanbau genutzten Böden zu Gunsten einer Ausweitung des Weidelandes – eine Folge des steigenden Wohlstandes in Schwellenländern und des in der Folge wachsenden Fleischkonsums. Diese Konkurrenzbeziehung kommt in der Biokraftstoffdebatte zu kurz.

Weiterhin war, wie wir heute wissen, der drastische Preisanstieg bei Getreide nur zu einem kleinen Teil der Ausweitung der Nachfrage nach Biokraftstoffen geschuldet. Der weitaus größere Teil des Preisanstieges war schlicht Spekulation. Die Biokraftstoffproduktion war somit Auslöser, nicht aber Grund für die extreme Verteuerung.
Ich wage jedoch die Behauptung: sebst wenn Biokraftstoffe auf Dauer zu stark steigenden Weltmarktpreisen für Getriede führen, dann wird niemand stärker davon profitieren als die hungernde Bevölkerung.
Das klingt auf den ersten Blick paradox, erschließt sich jedoch bei genauerem Hinsehen.
Die entwickelte Welt erzeugt mit geringem Flächen- und äußerst geringem Personaleinsatz eine so große Menge Nahrungsmittel, daß diese auf den Heimatmärkten nicht abgesetzt werden können. Die subventioniert erzeugten Überschüsse in der europäischen Union wurden z.B. jahrelang zu Dumpingpreisen auf den Weltmarkt gebracht.
Dagegen kann eine rückständige Landwirtschaft in der Dritten Welt nicht ankommen. In Krisengebiete werden Lebensmittel geliefert und kostenlos verteilt.
So billig, daß er gegen kostenloses Getreide ankommen kann, kann auch der ärmste Bauer der Welt nicht produzieren!

Die Landwirtschaft der dritten Welt wurde durch uns, den Westen, zugrunde gerichtet, bis die dortige Bevölkerung von billigen Getreideimporten oder sogar von Hilfslieferungen abhängig war. Wo sie noch stattfindet ist die landwirtschaftliche Produktion rückständig und wenig nachhaltig. Die Landwirte haben weder die Möglichkeit noch Anreiz, in eine Modernisierung zu investieren.

Stark steigende Getreidepreise würden das jedoch ändern. Die landwirtschaftliche Produktion würde sich wieder lohnen, es würden Investitionen erfolgen, die Produktivität würde drastisch ansteigen. Stark steigende Getreidepreise sind perspektivisch für viele Entwicklungsländer der Ausweg aus Armut und Elend.
Problematisch wird sich unstrittig der der Übergang gestalten: wie ist die Ernährung im Drittweltländern sicherzustellen, wenn die Preise schon steigen, die eigene Produktion aber noch aufgebaut wird?
Wie ist sicherzustellen, daß die Profite aus der Landwirtschaft im Land bleiben? Investitionen in „Agrobusiness“ durch westliche Konzerne, die dann Kraftstoff produzieren, wären nicht hilfreich.
Es kommt also darauf an, die einheimische Bevölkerung zu einer nachhalltigen und produktiven Landwirtschaft zu befähigen. Sinnvolle Betätigungsfelder der Entwicklungshilfe wären intensivierte Bildungsanstrengungen, die auch den beruflichen Bereich abdecken, und Mikrokredite, um den einheimischen Investitionen überhaupt erst zu ermöglichen.

Fazit:

Biokraftstoffe sind weder Allheilmittel noch Teufelswerk. Sie erfordern eine differenzierte Betrachtung. Sowohl unter umwelt- wie auch sicherheitspolitischen Gesichtspunkten ist der Einsatz möglichst großer Mengen Biokraftstoffe zur Vermeidung von Erdölprodukten anzustreben. Dabei ist jedoch den Produktionsweisen besondere Beachtung zu schenken.

Sinnvoll ist die Verwendung von e85 in dafür ausgelegten oder umgerüsteten Fahrzeugen, wie sie von allen Fahrzeugherstellern für den brasilianischen und schwedischen Markt angeboten werden. Die Technologie ist vorhanden und wird beherrscht.
Die Beimischung größerer Mengen Ethanol unter regulären Treibstoff ist dagegen nur sinnvoll, solange man sich in den Bereichen der Regelfenster moderner Einspritzanlagen bewegt und für die wenigen ungeeigneten Fahrzeuge weiterhin „Ausweichkraftstoffe“ zur Verfügung stehen.
Um die Auswirkungen steigender Nahrungsmittelpreise auf die ärmere Weltbevölkerung zu dämpfen ist die Spekulation einzudämmen, der Aufbau einer modernen, nachhaltigen Landwirtschaft in der dritten Welt durch Entwicklungshilfe zu fördern und zugleich die Forschung an alternativen, effizienteren Herstellungsverfahren zu intensivieren.

* Ein mir familär bekannter Chemiker pflegte dafür den Ausdruck „Im Bombenrohr kommt alles vor“ zu benutzen.
** Mündliche Äußerung eines mit Einspritzanlagen beruflich befaßten Diplom-Informatikers.

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Über turboseize

Das Leben ist zu kurz für langweilige Autos.
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6 Antworten zu Gedanken zu Biokraftstoffen

  1. MOK24 schreibt:

    Klopferkennung per Ionenstrommessung kann der Bugatti Veyron auch. Ob das Ethanol allerdings überhaupt in Thema ist, weiss ich nicht 😉

  2. turboseize schreibt:

    Stimmt, da war was. Wenn ich das richtig im Kopf habe, kriegen einige moderne BMW das heutzutage auch hin.
    Das Saab-Patent ist ja glaube ich 2008 oder so ausgelaufen.

  3. MOK24 schreibt:

    Es gab – als der Veyron neu war – das Gerücht, einer der Motorenbauer von Saab sei zu Bugatti gegangen und habe das bereits angefangene System „zu Ende“ entwickelt. Ob was dran ist? Ich weiß es nicht.

  4. dr. motte schreibt:

    hallo, sehr interessanter artikel. leider fahren wir immer noch mit verbrennungsmotoren. das sind motoren in denen ein gasgemisch explodiert. eine alternative währen implosionmotoren. da könnte man einfach wasser tanken und ab geht er. das will aber keiner, weil die ölindustrie und die lobbies international am hahn der steuern gierig saugen! nachaltig ist das alles nicht. man braucht sich nur mal auf google earth die monokulturen auf sumtra ansehen! die dort wohnenden ureinwohner und die tiere und die pflanzenwelt wird durch den anbau von der auch so guten ölpalme vernichtet. wie sollen wir das verhindern. der regenwald ist ein teil der lunge dieses planeten! aufwachen ihr menschen dieses planeten! entwickelt endlich alternativen!

  5. turboseize schreibt:

    Nachtrag: halbwegs intelligente Motorsteuerungen adaptieren an den verwendeten Kraftstoff und wenden dann im open-loop Betrieb einen Korrekturfaktor an, so daß das im Artikel befürchtete Abmagern unter Vollast eigentlich nicht vorkommen dürfte.
    Die stumpfe LH 2.2 eines 85er 900 turbo kann das allerdings noch nicht. Trotzdem ist noch nichts kaputtgegangen… Das APC freut sich aber über die dank Alkohol leicht erhöhte Klopffestigkeit. 😉

  6. Pingback: Saab Bilmuseum – Back to the Future | Schneewittchensaab

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