DE102006060610A1 - Verfahren zur Herstellung von Butanol - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Butanol mit dem ersten Schritt (a) die Bereitstellung von Biomasse und mit dem zweiten Schritt (b) die chemische und/oder thermische Umsetzung der Biomasse zu Butanol. Es ist vorgesehen, dass Biomasse als Ausgangsstoff zum Einsatz kommt, die in mehreren thermochemischen Reaktionsschritten umgesetzt wird. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des so hergestellten Biobutanols als Additiv in Kraftstoffen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Butanol mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen. Als Ausgangsstoff kommt Biomasse zum Einsatz, die in mehreren thermochemischen Reaktionsschritten umgesetzt wird. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des so hergestellten Biobutanols als Additiv in Kraftstoffen.
  • Butanol (1-Butanol, n-Butanol, CH3-CH2-CH2-CH2OH) ist ein aliphatischer, gesättigter C4-Alkohol. Er wird vor allem als Lösungsmittel und Verdünner sowie als Acrylester in der Lack- und Kunststoffherstellung verwendet. Zudem findet 1-Butanol vielfältige Anwendungen im Kunststoff- und Textilsektor. So wird er beispielsweise als Koagulationsbad bei der Herstellung von Acrylfasern und beim Färben von Polyvinylalkoholfasern verwendet. Butanol wird auch als Ausgangsprodukt für die Synthese von Ester und Ethern eingesetzt, die als Weichmacher, Lösungsmittel und Duftstoffkomponenten dienen. Ein Gemisch von Aceton, Butanol und Ethanol (ABE) kann als Treibstoffzusatz für Kraftfahrzeuge verwendet werden. Es kann sowohl Benzin- als auch Dieseltreibstoffen beigemischt werden. Die Weltjahresproduktion dürfte in der Größenordnung von etwa 2 Mio. Tonnen liegen. 1998 wurden in Deutschland ca. 435.000 t 1-Butanol produziert.
  • Bereits 1861 wurde durch Louis Pasteur beschrieben, dass 1-Butanol mikrobiell herstellbar ist. Anfang des 20. Jahrhunderts wurden großtechnische Prozesse mit verschiedenen stärkehaltigen Substraten entwickelt, in denen Butanol und Aceton durch Clostridium acetobutylicum fermentativ produziert wurden. Die traditionelle ABE-Fermentation ist ein strikt anaerober Batch-Prozess, der von Melasse als C-Quelle ausgeht. An der fermentativen Umwandlung von Zuckern zu Aceton, Butanol und Ethanol durch Clostridium acetobutylicum sind mehrere Stoffwechselwege beteiligt, die auf komplexe Weise miteinander interagieren. Die Zucker werden zunächst über die Glycolyse zu Pyruvat abgebaut. Während des exponentiellen Wachstums der Zellen werden nahezu ausschließlich Säuren, insbesondere Lactat, Acetat und Butyrat, gebildet sowie Wasserstoff und Kohlendioxid (Acidogenese). Erst mit dem Übergang zur stationären Phase setzt die Solventogenese, das heißt die Produktion von Aceton, Butanol und Ethanol ein. Die H2-Produktion geht zurück. Hierbei werden auch die zuvor gebildeten Säuren wieder aufgenommen und zu Aceton, Butanol und Ethanol verstoffwechselt. Bei der Fermentation mit C. acetobutylicum werden Aceton, Butanol und Ethanol üblicherweise im Verhältnis 3:6:1 gebildet. Höhere Konzentrationen als 12 g/l Butanol können in der Regel wegen der Toxizität des Butanols für die Produktionsorganismen nicht erzielt werden. Dieser so genannte Weizmann-Prozess erlangte im 1. Weltkrieg und danach erhebliche industrielle, gesellschaftliche und historische Bedeutung. Jedoch ist das fermentative Herstellungsverfahren für Aceton und Butanol mit folgenden Schwächen behaftet, die bisher nicht überwunden werden konnten: niedrige Ausbeuten und Endproduktkonzentrationen, Prozessinstabilitäten und mangelnde Verlässlichkeit des Prozesses, unter anderem bedingt durch Phagenbefall und den Verlust der Fähigkeit zu hoher Produktivität in den Produktionsstämmen (so genannte „Degeneration"), die nicht zufrieden stellende und energieaufwändige Produktaufarbeitung sowie die unvollständige Nutzung sämtlicher Fermentationsprodukte. Damit spielt die fermentative Herstellung von Aceton und Butanol heute eine untergeordnete Rolle, da sie als nicht konkurrenzfähig zu petrochemischen Verfahren gilt.
  • Es ist bekannt, dass Butanol durch die Aldolkondensation des Acetaldehyds mit nachfolgender Hydrierung des Crotonaldehyds synthetisiert werden kann. Des Weiteren ist die Umsetzung von Propen mit CO und Wasser in Gegenwart eines Katalysators als Reppe-Verfahren beschrieben. Beide Verfahren sind mengenmäßig wenig bedeutend.
  • Das wichtigste Verfahren zur chemischen Synthese von Butanol ist die so genannte Oxosynthese, welche die Hydroformylierung von Propen mit anschließender Hydrierung beinhaltet. Der Ausgangsstoff Propen wird hierbei petrochemisch gewonnen, so dass dieses Verfahren unter Umweltgesichtspunkten als negativ einzustufen ist. Gas- und Öl decken derzeit rund 50% des Weltenergiebedarfs. Insbesondere Erdöl ist der Motor der Wirtschaft. Allein die Länder der Europäischen Union verbrauchten im Jahr 2004 etwa ein Fünftel der Welterdölproduktion. Dieser Rohstoff wird in absehbarer Zeit nicht mehr zu den gleichen Kosten zu fördern sein wie gegenwärtig, so dass der Preis weiter steigt. Gleichzeitig wird sich der Energiebedarf der Welt bis zum Jahr 2050 nahezu verdoppeln. Aufgrund des begrenzten Vorkommens an fossilen Rohstoffen ist deren Verbrauch als Ausgangsstoffe der Oxosynthese nachteilig und wird in naher Zukunft unwirtschaftlich. Ein weiterer Nachteil sind die anfallenden SO2-, NOx-, HC-, CO- und CO2-Emissionen während der petrochemischen Herstellung von Propen, dessen Weiterverarbeitung und der Verwertung der Endprodukte (wie z. B. Treibstoff oder Additive dafür). Beispielsweise muss der Schwefelgehalt im Treibstoff, dem bekanntlich Butanol beigemischt werden kann, aufgrund neuer Bestimmungen von derzeit 500 ppm auf 10 ppm sinken, um die SO2-Emissionen zu verringern.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik aufgezeigten Nachteile fossiler Brennstoffe sowie die Schwächen biotechnologischer Verfahren zu überwinden und ein kompetitives Herstellungsverfahren für Butanol zu entwickeln, das sich durch Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit auszeichnet.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche beinhalten bevorzugte Ausführungsformen. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von Butanol durchgeführt, das die folgenden Schritte umfasst:
    • (a) Bereitstellen von Biomasse und
    • (b) chemische und/oder thermische Umsetzung der Biomasse zu Butanol.
  • Dadurch, dass in einem ersten Schritt (a) Biomasse als Ausgangsstoff bereitgestellt und in einem zweiten Schritt (b) thermisch/chemisch zu Butanol reagiert, werden die Kriterien der Umwelt und Energieeffizienz mit der Leistungsfähigkeit der chemischen Verfahrenstechnik kombiniert. Die Erfinderin konnte überraschenderweise zeigen, dass Biomasse geeignet ist, über mehrere Reaktionsschritte Zwischenprodukte zu generieren, die wiederum als Ausgangsstoffe einer Oxosynthese zugänglich sind, an deren Ende das Produkt Butanol steht. Die chemische Zusammensetzung dieses so genannten Biobutanols ist identisch mit der von Butanol aus den im Stand der Technik skizzierten Verfahren. Vorliegend wird also durch ein technisches Verfahren Biomasse zum industriell nutzbaren Energieträger und Rohstoff Butanol umgewandelt. Da Biomasse durch Photosynthese entsteht, die der Atmosphäre Kohlendioxid (CO2) entzieht und bei der Nutzung der Energie- und Rohstoffe diese letztlich wieder in CO2 umgewandelt werden, entsteht ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf, der in der Bilanz den CO2-Gehalt der Atmosphäre nicht erhöht.
  • Im Sinne der Erfindung bezeichnet Biomasse eine Masse an organischem Material, das biochemisch synthetisiert wurde. Sie enthält also die Masse von Lebewesen, abgestorbener Organismen und/oder organische Stoffwechselprodukte. Biomasse wird zunächst von pflanzlichen Primärproduzenten erzeugt, die durch Photosynthese in der Lage sind, aus für die Energiegewinnung nicht nutzbaren Stoffen, wie Kohlendioxid, Wasser und Mineralstoffen, unter Energiezufuhr vor allem Kohlenhydrate aufzubauen. Die Primärproduzenten wiederum werden von höheren (tierischen) Organismen (Konsumenten) als Nahrung zur Produktion tierischer Biomasse genutzt. Biomasse ist also an die Bedingung des Lebens gebunden und unter dieser Voraussetzung nachwachsend.
  • Die bevorzugte Biomasse für die Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren ist pflanzlichen Ursprungs. Die Biomasse kann dabei in einem beliebigen Aggregatzustand zur Verfügung gestellt werden, vorzugsweise jedoch in fester oder flüssiger Form. Feste Biomasse basiert im Wesentlichen auf den Bestandteilen Cellulose bzw. Hemicellulose, während flüssige Biomasse insbesondere auf Pflanzenöle, d. h. Ölfrüchte zurückgreift.
  • Es ist bevorzugt, dass in Schritt (a) des vorliegenden Verfahrens die Biomasse in ganzen Pflanzen (Ganzpflanzen) bereitgestellt und anschließend umgesetzt wird. Diese Vorgehensweise garantiert eine besonders effiziente Nutzung des Biomasse-Ausgangsstoffes im Vergleich zu biotechnologischen Verfahren. Bei der fermentativen Butanolproduktion kann lediglich die vergärbare Substanz unter Anfall von Abwasser genutzt werden, so dass im Ergebnis nur Lösungsmittelausbeuten von 29–33%, bezogen auf den eingesetzten fermentierbaren Zucker erreicht werden.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. In einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens werden die Ganzpflanzen Löwenzahn, Kreuzblättrige Wolfsmilch, Kopaiva-Baum, Eukalyptus, Purgiernuss, Zuckerrohr, Jojoba, Gras, Klee, Mais, Raps, Sonnenblumen und/oder Schilfrohr als Biomasse eingesetzt. Hierbei handelt es sich insbesondere um so genannte Energiepflanzen, die sich schon für andere Synthesen aus Biomasse in der Praxis bewährt haben. Hierbei sei an die Biomassevergasung von Gras, Klee und Mais als Inputmaterial zur Energieerzeugung, wie es beispielsweise in der Biogasanlage Strem (Burgenland, Österreich) praktiziert wird, oder die Herstellung von Biodiesel aus Raps gedacht. Sämtliche Inputpflanzen sind schnell wachsend und anspruchslos.
  • Es versteht sich, dass diese Pflanzen vor der thermisch/chemischen Umsetzung physikalisch aufbereitet werden können, womit insbesondere eine Änderung von Volumen, Gestalt und/oder Wasserhalt gemeint ist. Vorzugsweise werden Ganzpflanzen zu Holzhackschnitzel, Grasschnitt, Stroh, Maissilage, Sonnenblumen- oder Rapspresskuchen verarbeitet. Durch eine Zerkleinerung vergrößert sich die Oberfläche, was eine verbesserte Kontakt- und Reaktionsfläche bei der nachfolgenden Umsetzung zum Butanol zur Folge hat. Eine Dehydrierung bewirkt das kompakte Anbieten der wertvollen, umzusetzenden Ausgangsstoffe.
  • In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden organische Abfälle als Biomasse verwendet. Bevorzugte Abfälle sind lignocellulosehaltige Reststoffe, Speisereste, Biotonnenmaterial, Tiermehl, Fettabscheiderrückstände, Molkereischlamm und/oder Gülle.
  • Diese Aufzählung erhebt keinen Anspruch auf Vollzähligkeit. Dem Fachmann sind weitere organische Abfälle bekannt bzw. er kann anhand seines Fachwissens weitere Abfälle auswählen, die als Ausgangsstoff im erfindungsgemäßen Verfahren dienen können. Gleiches gilt für die oben genannten Ganzpflanzen.
  • Die Biomasse wird im folgenden Schritt (b) in einem Gesamtprozess umgesetzt, der eine Kombination von Einzelschritten von Verfahren umfasst und am Ende in Butanol resultiert. Die jeweiligen Verfahrensschritte sind thermischer oder chemischer Natur oder beides. Bei einer chemischen Reaktion handelt es sich um jede Spaltung und/oder Neuverknüpfung von chemischen Bindungen, in deren Ergebnis mindestens eine chemische Verbindung entsteht, die im Vergleich mit der chemischen Struktur des beziehungsweise der Ausgangsverbindungen eine andere chemische Strukturformel und gegebenenfalls Summenformel aufweist. Chemische Reaktionen sind dann thermochemischer Natur, wenn aus der Umgebung Wärme aufgenommen (endotherme Reaktionen) oder an die Umgebung abgegeben (exotherme Reaktionen) wird.
  • Unter einer thermischen Umsetzung im Sinne der Erfindung ist eine Pyrolyse und/oder Vergasung zu verstehen, welche die thermische Spaltung chemischer Verbindungen bezeichnet, wobei bei hohen Temperaturen ein Bindungsbruch innerhalb von Molekülen erzwungen wird. Durch andauernde Zufuhr eines bestimmten Wärmebetrags, der Summe aus Aktivierungsenergie und Reaktionsenthalpie, wird das chemische System gespalten. Meistens geschieht die Pyrolyse unter Sauerstoffausschluss und/oder Zusatz von Dehydrierungs- oder Dehydratisierungsmitteln, um die Oxidation zu verhindern (Verschwelung). Thermisch ist hierbei jede Wärmeeinwirkung, die zu einer Temperatur der Ausgangsstoffe über der Raumtemperatur führt.
  • Biotechnologische Verfahrensschritte unter Ausnutzung der Stoffwechselleistungen von Mikroorganismen oder unter Verwendung von Bestandteilen von Mikroorganismen (wie zum Beispiel Enzymen) sind insoweit im erfindungsgemäßen Verfahren ausgeschlossen, dass zumindest nicht der gesamte Prozess der Umsetzung von Biomasse zu Butanol biochemisch erfolgt. Vorzugsweise enthält Schritt (b) keine biochemische Reaktion.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird in Schritt (b) die Biomasse durch Verfahrensschritte der Biomassevergasung (b1), der Methanolsynthese (b2), der Propensynthese (b3) und der Oxosynthese (b4) in der angegebenen Reihenfolge umgesetzt. Es werden also verschiedene Prozessbausteine an sich bekannter Verfahren zu einem neuen Gesamtverfahren gekoppelt, an dessen Ende das Produkt Butanol erzeugt wird. Es ist nicht zwingend notwendig, dass die genannten Verfahren vollständig in das erfindungsgemäße Verfahren integriert werden. Stattdessen ist es gerade notwendig und bevorzugt, Einzelschritte auszuwählen und zu einem sinnvollen, ausführbaren und effizienten Gesamtverfahren zusammenzusetzen.
  • In einem ersten Schritt (b1) wird die Biomasse einer konventionellen Biomassevergasung unterzogen. Diese Vergasung kann technisch im Festbett, Wirbelbett oder im Flugstrom realisiert werden, wobei die Biomasse in ein Gas umgewandelt wird. Dieser Vorgang soll im Folgenden anhand eines Gleichstromvergasers kurz skizziert werden: Die Biomasse wird von oben in den Vergaser gegeben und das vorhandene Wasser durch Aufwärmung verdampft (Trocknung). Bei der weiteren Aufheizung auf 800°C bis 1000°C in der sauerstofffreien Pyrolysezone spalten sich aus der Biomasse die flüchtigen Bestandteile ab. Es entstehen ein teerhaltiges Pyrolysegas und Kohlenstoff in Form von Holzkohle. Der Kohlenstoff und das Pyrolysegas oxidieren unter Wärmefreisetzung mit dem seitlich in die Oxidationszone eintretenden Vergasungsmittel (zum Beispiel Luft, Sauerstoff oder Wasserdampf) bei Temperaturen bis 1200°C zu Kohlendioxid (CO2). Die Sauerstoffmenge ist so bemessen, dass für die Vergasung ausreichend Wärme zur Verfügung gestellt wird. Das CO2-haltige Gas strömt nach unten. Da kein Sauerstoff zur weiteren Oxidation vorhanden ist, reagiert das heiße CO2 in der Reduktionszone mit dem noch vorhandenen Kohlenstoff (C) zu Kohlenmonoxid (CO). Sowohl in der Oxidationszone als auch in der Reduktionszone reagiert Wasserdampf (H2O) aus dem Inputmaterial und/oder zusätzlich eingebrachter Wasserdampf unter Wärmeaufnahme mit dem Kohlenstoff (C) zu Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2). Da bei diesen Reaktionen Wärme verbraucht wird, sinkt die Gasaustrittstemperatur auf ca. 600–800°C. Die Vergasung liefert Wärme und ein Produktgas, das als Hauptkomponenten CO, H2, aber auch CO2, Stickstoff (N2) und gebildetes Methan (CH4) enthält. Die finale Zusammensetzung des Produktgases ist abhängig von der eingesetzten Biomasse und dem Vergasungsmittel sowie den Prozessparametern Temperatur, Reaktionszeit und Druck. C + O2 → CO2 (exotherm) CO2 + C → 2 CO (endotherm) H2O + C → H2 + CO (endotherm )
  • Als unerwünschte Nebenprodukte entstehen langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen (Teere); jedoch ermöglichen moderne Verfahren, wie das Carbo-V-Verfahren, bereits ein fast teerfreies Rohgas. Dieses Verfahren beruht auf einem zweistufigen Prozess, wobei zuerst bei cirka 450°C die stückige Biomasse in Koks und teerhaltiges Schwelgas zerlegt wird. Während der Biokoks ausgeschleust und zermahlen wird, erfolgt bei cirka 1500°C eine Flugstromvergasung, so dass die längerkettigen Kohlenwasserstoffe des Schwelgases in einfache Moleküle und damit in ein teerfreies Gas zerlegt werden können. Die hohe Temperatur dieses Gases wird anschließend benutzt, um den ausgeschleusten Biokoks bei 900°C ebenfalls zu vergasen. Das damit entstandene Rohgas ist teerfrei und nach dem Entstauben und Waschen von gleicher Qualität wie Erdgas.
  • Das Synthesegas dient im nächsten Schritt (b2), der Methanolsynthese als Ausgangsmaterial. Das Synthesegas sollte die gleichen Reinheitsanforderungen erfüllen und die gleiche Zusammensetzung (d. h. H2/CO = 2) wie bei einer FT-Synthese besitzen. Die folgende Umsetzung des Synthesegases zu Methanol (b2) ist exotherm. Die beispielsweise von der Lurgi AG entwickelte Variante der Methanol-Synthese arbeitet bei Drücken von 50 bis 100 bar und bei Temperaturen zwischen 220°C und 280°C mit einem Cu-Zn-Al2O3-Katalysator analog der folgenden Reaktionen: CO + 2 H2 → CH3OH CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O CO + 1 H2O → CO2 + H2
  • Der Methanolsynthese schließt sich nun die Olefin-Produktion an (b3), indem Methanol zunächst katalytisch zu Dimethylether (DME) und anschließend zu Kohlenwasserstoffen reagiert. Der für diesen Schritt verwendete zeolithische Katalysator zeichnet sich durch seine hohe Selektivität für Olefine aus. Eines der bekanntesten Methanol-zu-Olefin-Verfahren ist das MTP-Verfahren (Methanol-to-Propylen; Methanol-zu-Propen) der Lurgi AG (Frankfurt am Main, Deutschland). Die MTP-Umsetzung läuft bei Temperaturen zwischen 300°C und 550°C sowie Drücken von 1 bis 20 bar ab. 2 CH3OH → DME + H2O DME → 2/3 C3H6 + H2O
  • Das gebildete Propylen (Synonym: Propen) wird nun umgehend der Oxosynthese (b4) zugeführt. Die Oxosynthese ist ein großtechnisches Verfahren zur Herstellung von Aldehyden aus den Ausgangsstoffen Kohlenmonoxid und Wasserstoff sowie Alkenen (wie zum Beispiel Propen). Das benötigte Synthesegas kann wiederum durch Biomassevergasung gewonnen werden. Die Bestandteile werden zunächst thermisch aufgespaltet. Dabei entstehen an einem Kobalt-Katalysator bei cirka 120–300°C und einem Druck von mindestens 150 bar ein Wasserstoffradikal und eine radikalische COH-Gruppe. Die beiden Radikale können an der Doppelbindung von Propen angreifen, wobei ein Isomerengemisch der Aldehyde n-Butanal und i-Butanal im Verhältnis 7:3 gebildet wird. Die Aldehyde werden separiert und anschließend zu Alkoholen hydriert oder umgekehrt. CO + H2 → *H + *COH 10 *H + 10 *COH + 10 C3H6 → 7 C3H7-CHO + 3 CH3-CH-CHO-CH3 C3H7-CHO + H2 → C4H9OH
  • Gegenstand der Erfindung ist auch Butanol, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Die vorherige Lehre der Erfindung und deren Ausführungsformen betreffend das Verfahren zur Herstellung von Butanol sind gültig und ohne Einschränkungen auf das Endprodukt Butanol anwendbar, sofern es sinnvoll erscheint.
  • Die Erfindung lehrt ferner die Verwendung von Butanol, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist, als Kraftstoffzusatz. Die wichtigste Ressource der heutigen Kraftstoffe, das Erdöl, ist begrenzt, und die vielfältigen Umweltbelastungen werden durch den zunehmenden Verkehr zu einem wachsenden Problem. Die Vorgaben der Bundesregierung und der europäischen Union sehen deshalb vor, dass bis zum Jahr 2010 5,75% Biokraftstoffe am Markt verfügbar sind, wofür verschiedene Konzepte verfolgt werden. Beispielsweise werden Rapsöl und Methanol in Gegenwart eines Katalysators (cirka 0,5% wasserfreie Natronlauge) erwärmt. Dabei entstehen mit Methanol veresterte Fettsäuren, genauer Fettsäure-Methylester, der so genannte Biodiesel. Synthetische Kraftstoffe aus fossilen Energieträgern (SynFuels) oder Biomasse (SunFuel) werden in einem zweistufigen Verfahren aus Synthesegas hergestellt. Das Synthesegas wird in der Fischer-Tropsch-Synthese zu flüssigem Kohlenwasserstoff umgewandelt. Daraus kann durch Fraktionierung ein Kraftstoff für Diesel- und Ottomotoren gewonnen werden. In Abhängigkeit vom verwendeten Rohstoff wird von Gas-to-Liquid (GtL; Gas-zu-Flüssigkeit) oder Biomass-to-Liquid (BtL; Biomasse-zu-Flüssigkeit) gesprochen, da aus einem Gas bzw. Biomasse ein flüssiger Kraftstoff entsteht. Für die Herstellung von GtL bieten sich vor allem solche Erdgasvorkommen an, die sich in abgelegenen Gebieten befinden und nach herkömmlichen Verfahren nicht wirtschaftlich ausgebeutet werden können. Direkt an der Förderstelle produziertes GtL muss im Gegensatz zu Erdgas nicht aufwendig und kostspielig durch Pipelines zu den Absatzmärkten gepumpt werden, sondern lässt sich problemlos in Tankfahrzeugen transportieren.
  • Darüber hinaus können verschiedene Additive dem normalen Kraftstoff zugemischt werden. Als Bioethanol bezeichnet man Ethanol, das aus regenerativer Biomasse hergestellt wird. Chemisch gesehen gibt es keinen Unterschied zwischen Bioethanol und anders hergestelltem Ethanol. Die in der als Rohstoff dienenden Biomasse enthaltene Stärke wird enzymatisch zu Glucose aufgespaltet und diese anschließend mit Hefepilzen zu Ethanol vergoren. Bioethanol kann allein oder im Gemisch von Aceton, Butanol und Ethanol (ABE) im Verhältnis 3:6:1 als Treibstoffzusatz für Kraftfahrzeuge verwendet und sowohl Benzin- als auch Dieseltreibstoffen beigemischt werden. ABE als Treibstoffzusatz unter Verwendung des Biobutanols aus dem Verfahren der vorliegenden Erfindung weist in Ergänzung zur positiven Ökobilanz der Herstellung weitere Vorteile auf: ein ähnlich hoher Heizwert wie Kohlenwasserstoffe, vollständige Mischbarkeit mit Kohlenwasserstoffen (selbst in Anwesenheit von Wasser), Erhöhung der Klopffestigkeit des Treibstoffes sowie Förderung der vollständigen Kraftstoffverbrennung (Beitrag zur Verminderung der CO-Emission). Gleiches gilt für die ausschließliche Verwendung der Biokomponente Butanol als Kraftstoffadditiv, insbesondere für Ottokraftstoffe. Die Etablierung von Butanol als Beimischungskomponente im Allgemeinen bzw. der ABE-Mischung im Speziellen wird in naher Zukunft zu einer verstärkten Nutzung des Biobutanols des erfindungsgemäßen Verfahrens führen.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird also erstmalig ein Verfahren zur Herstellung von Biobutanol aus Biomasse bereitgestellt. Die Nutzung nachwachsender Rohstoffe ermöglicht eine ausgeglichene CO2-Bilanz, da nur die Menge CO2 ausgestoßen wird, die zuvor biochemisch gebunden wurde. Das vorliegende Verfahren ist damit ein Baustein innerhalb der Diversifikation der Primärenergie. Damit wird nicht nur ein Beitrag zur Sicherstellung der Versorgungssicherheit durch die Nutzung mehrerer Rohstoffe geleistet, sondern die zu verwendende Biomasse stellt zugleich für die Landwirtschaft eine neue Einkommensperspektive dar, aus der sich Chancen ergeben, um Überproduktionen und die zusätzlichen Herausforderungen der zukünftigen Agrarwirtschaft zu meistern. Die Umsetzung der Biomasse geschieht in einer neuartigen Verschaltung von einzelnen Anlagenkomponenten, deren zugrunde liegende Einzelschritte in anderen Verfahren bereits erfolgreich erprobt und heute kommerziell genutzt werden (wie zum Beispiel Carbo-V-Verfahren, MegaMethanolanlagen). Die erfindungsgemäße Kombination der Verfahrensschritte hat daher keinen negativen Effekt auf den hier vorgestellten Gesamtprozess. Mit dem genannten Herstellungsverfahren können die Stoffeigenschaften exakter eingestellt werden, als es bei einer heutigen Raffinerie möglich ist. So weist Biobutanol nur geringe Schwefel- und Aromatenanteile auf. Damit können die Emissionen von modernen, aber vor allem auch älteren Fahrzeugen deutlich gesenkt werden, wenn Biobutanol als Treibstoffadditiv eingesetzt wird. Die vorteilhafte Ökobilanz ist durch eine starke Verringerung von Treibhausgasen (COx), Sommersmog (CH4), Versauerung (SO2) und Eutrophierung (NOx) gekennzeichnet. Die Verwendung des Biobutanols in herkömmlichen, insbesondere aber synthetischen Kraftstoffen, die aus Biomasse erzeugt werden, eröffnet ein großes ökonomisches und ökologisches Potenzial. In Zukunft werden Kraftstoffe nicht nur mit besonderen Eigenschaften aufwarten, weshalb sie auch als Designerkraftstoffe bezeichnet werden, sondern sie werden auch als konstruktives Element bei der Motorenentwicklung eingesetzt. Neue Motoren, die den Verbrauch und die Emissionen nochmals deutlich reduzieren, werden hierdurch ermöglicht. Aus einer Kraftstoffstrategie wird eine Kraftstoff- und Antriebsstrategie.
  • Es versteht sich, dass diese Erfindung nicht auf die spezifischen Methoden, Zusammensetzungen und Bedingungen beschränkt ist, wie sie hierin beschrieben sind, da solche Dinge variieren können. Es versteht sich des Weiteren, dass die vorliegend verwendete Terminologie ausschließlich dem Zweck der Beschreibung besonderer Ausführungsformen dient und nicht den Schutzumfang der Erfindung einschränken soll. Wie vorliegend in der Spezifikation einschließlich der anhängigen Ansprüche verwendet, schließen Wortformen im Singular, wie zum Beispiel "ein", "eine", "einer", "der" oder "das" die Entsprechung im Plural ein, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorgibt. Beispielsweise enthält der Bezug auf "eine Ganzpflanze" eine einzelne oder mehrere ganze Pflanzen, die wiederum identisch oder verschieden sein können, oder der Bezug auf "ein Verfahren" schließt äquivalente Schritte und Verfahren ein, die dem Fachmann bekannt sind.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung von Butanol mit den Schritten: (a) Bereitstellen von Biomasse und (b) chemische und/oder thermische Umsetzung der Biomasse zu Butanol.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (a) die Biomasse in ganzen Pflanzen und/oder als Holz und/oder als organischer Abfall bereitgestellt wird, vorzugsweise in ganzen Pflanzen.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Ganzpflanzen Löwenzahn, Kreuzblättrige Wolfsmilch, Kopaiva-Baum, Eukalyptus, Purgiernuss, Zuckerrohr, Jojoba, Gras, Klee, Mais, Raps, Sonnenblumen und/oder Schilfrohr und/oder die organischen Abfälle lignocellulosehaltige Reststoffe, Speisereste, Biotonnenmaterial, Tiermehl, Fettabscheiderrückstände, Molkereischlamm und/oder Gülle sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Pflanzen aufbereitet werden, vorzugsweise zu Holzhackschnitzel, Grasschnitt, Stroh, Maissilage, Sonnenblumen- oder Rapspresskuchen.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt (b) die Biomasse durch Verfahrensschritte der (b1) Biomassevergasung, (b2) Methanolsynthese, (b3) Propensynthese und (b4) Oxosynthese umgesetzt wird.
  6. Butanol hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
  7. Verwendung von Butanol nach Anspruch 6 als Kraftstoffzusatz.
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