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Via Litterarum

FORSCHUNGSBERICHT AGRARTECHNIK

448

des Arbeitskreises Forschung und Lehre der Max-Eyth-Geselschaft Agrartechnik im VDI (VDI-MEG)

Produktion von Biodiesel in ßahia, Brasilien: Planungskonzept einer Anlage unter Berücksichtigung technologischer, ökologischer und sozioökonomischer Aspekte ULB Darmstadt 16708399

}os6 A d o l f o d e A l m e i d a N e t 0

Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis

XV

Tabellenverzeichnis

:

Kurzfassung Abstract

XVII XXIII

'.

XXV

1 Einleitung

27

1.1 Der Kontext 1.2 Problemstellung 1.3 Fragestellung und Ziel des Vorhabens 1.4 Prämissen 2 Stand des Wissens 2.1 Die Suche nach Alternativen 2.1.1 Alternative Antriebstechniken 2.1.2 Konventionelle Antriebstechnik 2.1.3 Alternative Treibstoffe 2.2 Bereitstellung und Nutzung von Treibstoffen aus Pflanzenöl 2.3 Triglyceride als Energierohstoffe 2.3.1 Die Ölpflanzen 2.3.2 Pflanzenöle: Zusammensetzung und Eigenschaften 2.3.2.1 Zusammensetzung

27 33 35 36 37 37 38 39 41 44 44 46 47 47

2.3.2.2 Chemisch-physikalische Kenngrößen für Kraftstoffe aus Pflanzenöl 2.3.3 Pflanzenöl als Treibstoff. 2.3.3.1 Direkte Nutzung von Pflanzenölen 2.3.3.2 Additivierungen und Beimischung zu Dieselkraftstoff.

49 54 57 61

2.3.3.3 Mikroemulsionen mit Wasser und/oder Alkohol

62

2.3.3.4 Zumischung von Pflanzenöl zu Mineralöl

63

2.3.3.5 Umesterung von Pflanzenöl zu Fettsäureester

65

2.3.3.6 Fazit 2.4 Umgeestertes Pflanzenöl als Treibstoff. 2.4.1 Technologie der Biodieselproduktion 2.4.1.1 Mindestanforderungen an die Rohstoffqualität 2.4.1.2 Hilfsstoffe 2.4.1.2.1 Alkohol 2.4.1.2.2 Katalysator

66 68 68 71 73 73 74

IX

2.4.1.2.3 Dieselkraftstoff. 2.4.2 Verwertung von Fettsäureestern als Treibstoff. 2.4.3 Pflanzenöltreibstoffe aus der Sicht der Nachhaltigkeit 2.4.3.1 Pflanzenöltreibstoffe und Flächennutzung..;

74 75 75 76

2.4.3.2 Pflanzenöltreibstoffe und Klimaschutz

76

2.4.3.3 Anforderungen an die Rohstoffe bzw. Treibstoffe

77

3 Methoden und Vorgehensweise 3.1 Datenerhebungen 3.1.1 Überblick über Projektphasen und Organisation 3.2 Projektdefinition und Lastenheft 3.2.1 Anpassung des Verfahrens 3.3 Konzeption und Planung der Anlage 3.4 Bewertung des Vorhabens 3.4.1 Bewertung von Planungsalternativen 3.4.2 Umweltbewertung 3.4.2.1 Methoden der Ökobilanzierung 3.4.2.2 Theorie und Methode der Energiebilanzierung 3.4.3 Ökonomische Bewertung 3.4.3.1 Methodisches Vorgehen bei der ökonomischen Analyse 3.4.3.2 Basisannahmen der ökonomischen Analyse 3.4.4 Soziokulturelle Bewertung 4 Konzeption und Planung der Biodieselanlage 4.1 Zielregion und Rahmenbedingungen 4.1.1 Allgemeine Informationen über Bahia 4.1.2 Wirtschaft 4.1.3 Sozioökonomische Bedingungen 4.1.4 Geopolitische und ökonomische Regionen 4.2 Infrastruktur 4.2.1 Wasser und Abwassersystem 4.2.1.1 Verkehr 4.2.2 Energieversorgung 4.2.3 Fazit 4.3 Rohstoffe für Biodiesel in Bahia 4.3.1 Altfett 4.3.2 Rizinusöl 4.3.3 Sojaöl 4.3.4 Fazit X

80 80 81 82 84 84 85 85 88 88 91 96 97 98 100 101 101 101 103 104 107 108 108 108 110 114 115 115 119 124 126

4.4 Lastenheft 4.4.1 Anforderungen bei der Anlagekonzeption und -planung 4.4.2 Standort 4.4.2.1 Zeitlich-räumliche Abgrenzung

128 128 130 130

4.4.2.2 Auswahl der Standortalternativen

130

4.4.2.3 Auswahl der Zielkriterien

130

4.4.2.4 Gewichtung der Zielkriterien

131

4.4.2.5 Bestimmung der Zielerträge

134

4.4.2.6 Fazit

137

4.4.3 Rohstoffe

138

4.4.3.1 Steuerliche Rahmenbedingungen

138

4.4.3.2 Kampagnen potenzieller Rohstoffe der Anlage

139

4.4.3.3 Szenarien für die Rohstoffversorgung der Anlage

140

4.4.4 Anlagenkapazität und Verfahrenstechnik 4.4.4.1 Verfahrensweise 4.4.4.2 Markt für Biodiesel 4.4.5 Anlagenkapazität 4.4.6 Fazit 4.5 Konzeption und Planung der Anlage 4.5.1 Verfahrensschritte 4.5.2 Wahl des Umesterungsverfahrens 4.5.2.1 Reinheit des Reagenz 4.5.2.2 Alkoholmenge

141 142 143 145 147 147 148 149 152 152

4.5.2.3 Katalysatormenge

153

4.5.2.4 Intensität der Durchmischung

154

4.5.2.5 Reaktionszeit und Temperatur

155

4.5.2.6 Anpassung des Trockenverfahrens

156

4.5.2.7 Lösungsansatz

157

4.5.2.8 Versuchsdurchführung

157

4.5.2.9 Ergebnisse und Diskussion

158

5 Bewertung und Diskussion

162

5.1 Umweltbewertung 5.1.1 Ziel und Systemabgrenzung 5.1.1.1 Ziel der Ökobilanzierung 5.1.1.2 Systemgrenzen

162 162 162 164 XI

5.1.2 Referenzszenarien 5.1.2.1 Dieselkraftstoff.

165 165

5.1.2.2 Biodiesel \ 5.1.3 Energetische Bewertung 5.1.3.1 Energieeinsatz zur Gewinnung von Biodiesel

168 171 171

5.1.3.2 Energiebilanz des Biodiesels

174

5.1.3.3 Fazit 5.1.4 Treibhauseffekt

177 178

5.1.4.1 THG-Emissionen beim Dieselkraftstoff.

178

5.1.4.2 THG-Emissionen beim Biodiesel

179

5.1.4.3 Vergleich der THG-Emissionen zwischen den Kraftstoffen

182

5.1.4.4 Fazit 5.1.5 Versauerungspotenzial 5.1.5.1 Emissionen Säure bildender Gase bei Dieselkraftstoff.

183 184 184

5.1.5.2 Emissionen Säure bildender Gase beim Biodiesel

185

5.1.5.3 Vergleich der SO2eq.-Emissionen der Kraftstoffe

187

5.1.5.4 Sensitivitätsanalysen

188

5.1.5.5 Fazit

189

5.1.6 Qualitative Bewertung von ausgewählten

Umweltauswirkungen

189

5.1.6.1 Stratosphärischer Ozonabbau

190

5.1.6.2 Eutrophierung

191

5.1.6.3 Ressourcenschonung

192

5.1.6.4 Fazit der Umweltbewertung 5.2 Ökonomische Bewertung 5.2.1 Produktionskosten von Rizinusöl der verschiedenen Anbauszenarien... 5.2.1.1 Kosten der Bereitstellung für Biodiesel 5.2.2 Substitutionswerte und Kostenunterdeckung 5.2.2.1 Kostenunterdeckung bzw. Wettbewerbsfähigkeit

193 194 194 196 197 197

5.2.2.2 Schwellenpreise für Dieselkraftstoff.

199

5.2.2.3 Fazit 5.3 Soziokulturelle Bewertung 6 Zusammenfassung und Schlussfolgerung 7 Literaturverzeichnis Anhang 1 Vertreter der Rede Baiana de Biodiesel Anhang 2 Datenblätter der Hilfsstoffe

200 201 206 213. 230 231

XII

Anhang 3 Datenblatt des Kationenaustauscherharzes Amberlite BDlODry (Rohm & Haas)

233

Anhang 4 Mindestanforderungen und Prüfverfahren für Biodiesel

234

Anhang 5 Gesprächs- bzw. Interviewleitfaden

236

Anhang 6 Verteilung der IDH-Bezirkswerte (2000) in den Zielregionen Anhang 7 Decreto 5.297 von 06.12.2004 über die Perzentualreduktion des Beitrages von PIS/PASEP/COFINS für die Biodieselproduktion (DOU,2004)

237

Anhang 8 Fließdiagramm der Baugruppen einer Biodieselanlage

242

Anhang 9 Lebenslauf.

243

XIII

239