„Biodiesel“ – Versionsunterschied

Biodiesel
Biodieselprobe
Andere Namen	Fettsäuremethylester (FAME), „Fettsäuren, C16–18- und C18-ungesättigt, Methylester“
Kurzbeschreibung	Kraftstoff für selbstzündende Kolbenmotoren (Dieselkraftstoffe), Lösungsmittel
Herkunft	biosynthetisch
CAS-Nummer	67762-38-3
Eigenschaften
Aggregatzustand	flüssig
Viskosität	7,5 mm²/s (bei 20 °C)
Dichte	(0,875 … 0,885) kg/L (bei 20 °C)
Heizwert	37 MJ/kg
Brennwert	40 MJ/kg
Cetanzahl	54 - 56 CZ
Schmelzbereich	−10 °C
Siedebereich	etwa (176 … unbestimmt) °C
Flammpunkt	180 °C
Zündtemperatur	circa 250 °C
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung keine GHS-Piktogramme H- und P-Sätze H: keine H-Sätze P: keine P-Sätze
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Biodiesel (seltener Agrodiesel, chemisch Fettsäuremethylester) ist ein in der Verwendung dem mineralischen Dieselkraftstoff ähnlicher Kraftstoff, der durch Umesterung von pflanzlichen oder tierischen Fetten und Ölen mit Methanol gewonnen wird.

Er kann in geeigneten Motoren in reiner Form, als B100 bezeichnet, verwendet werden. Biodiesel ist mit Petrodiesel in jedem Verhältnis mischbar. In vielen Ländern hat dies dazu geführt, dass er als Blendkomponente für herkömmlichen Diesel verwendet wird. Seit 2009 wird in Deutschland herkömmlichen Diesel bis zu 7 % Biodiesel beigemischt. Der so modifizierte Diesel wird als B7 an Tankstellen kenntlich gemacht. Durch die Reduktion der steuerlichen Förderung seit Januar 2013 ist der Absatz von Biodiesel als Reinkraftstoff in Deutschland erheblich gesunken.

Biodiesel weist gegenüber Diesel auf Mineralölbasis bei ausgesuchten Werten weniger Emissionen auf (wobei die NO_x-Emissionen jedoch höher liegen) und wird aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen. Er ist biologisch abbaubar und hat gute Schmiereigenschaften, was beim Einsatz von schwefelarmen Diesel von Vorteil ist.

Für die gesellschaftliche Akzeptanz eines flächendeckenden Einsatzes ist es notwendig, dass die eingesetzten Rohstoffe nachhaltig bereitgestellt werden und keine Nutzungskonkurrenz mit der Nahrungs- und Futtermittelproduktion besteht.

Geschichte

Rudolf Diesel (1883)

Die Herstellung von Biodiesel durch Umesterung von pflanzlichen Ölen mit Methanol wurde bereits 1853 von E. Duffy und J. Patrick beschrieben, Jahre bevor der Dieselmotor entwickelt wurde. Das Zielprodukt war das bei der Umesterung freiwerdende Glycerin, das als Grundstoff für die Herstellung von Glycerinseife verwendet wurde.

Über den Einsatz von reinen Pflanzenölen (Pflanzenölkraftstoff) als Kraftstoff für Dieselmotoren im Rahmen der Weltausstellung im Jahr 1900 berichtete Rudolf Diesel auf einem Vortrag vor der Institution of Mechanical Engineers of Great Britain:

„Auf der Pariser Weltausstellung 1900 wurde ein kleiner Dieselmotor des Herstellers Otto gezeigt, der auf Anforderung der französischen Regierung auf Arachidöl (einem aus Erdnüssen gewonnenen Öl) lief, und er arbeitete so problemlos, dass nur sehr wenige Leute darauf aufmerksam wurden. Der Motor war für den Gebrauch von Mineralöl konstruiert und arbeitete dann ohne Änderungen mit Pflanzenöl.“

– Rudolf Diesel

Schlachtschiff Yamato

Verschiedene Nationen untersuchten den Einsatz von reinen Pflanzenölen besonders während des Zweiten Weltkriegs. Belgien,Frankreich, Italien, das Vereinigtes Königreich, Portugal, Deutschland, Brasilien, Argentinien, Japan und China testeten und verwendeten Pflanzenöle als Dieselersatz. Brasilien limitierte etwa die Ausfuhr von Rapsöl, China nutzte Tungöl als Brennstoffersatz. Das japanische Schlachtschiff Yamato, eines der größten Schiffe der japanischen Marine, wurde wegen der Kraftstoffknappheit teilweise mit raffiniertem Sojaöl betrieben.

Der Einsatz von reinen Pflanzenölen führte auf Grund der gegenüber Diesel höheren Viskosität zu motortechnischen Problemen, wie verminderte Brennstoffzerstäubung, die für erhöhte Rußablagerungen verantwortlich waren. Verschiedene technische Losungsansätze wie das vorherige Erwärmen des Kraftstoffs, die Mischung des Pflanzenöls mit anderen Kraftstoffen, die Pyrolyse, das Emulgieren und die Umesterung, die schließlich zum Biodiesel führte, wurden untersucht.

Auslöser für die erstmalige Nutzung von Biodiesel waren Arbeiten des Belgiers G. Chavanne, der am 31. August 1937 ein Patent zur Umesterung von Pflanzenölen mit Ethanol und Methanol anmeldete, um deren Eigenschaften zur Nutzung als Motorenkraftstoff zu verbessern (Belgisches Patent 422,877). Der nach diesem Verfahren erzeugte Biodiesel auf Palmölbasis wurde 1938 beim Betrieb einer Buslinie zwischen Brüssel und Leuven erfolgreich getestet.

Im Zuge der Ölkrise der 1970er Jahre geriet die Nutzung von Pflanzenölen als Kraftstoff wieder in den Fokus. Untersuchungen zu Biodiesel fanden in den 1970er Jahren in Brasilien und Südafrika statt. Im Jahr 1983 wurde der Prozess für die Produktion von Biodiesel in Kraftstoffqualität international veröffentlicht. Das Unternehmen Gaskoks in Österreich errichtete 1989 die erste kommerzielle Biodieselanlage mit einer Jahreskapazität von 30.000 Tonnen pro Jahr nach einem südafrikanischen Patent. Seit den 1990er Jahren wurden viele Biodieselanlagen in Europa gebaut, 1998 wurden in 21 europäischen Staaten kommerzielle Biodieselprojekte durchgeführt.

Im September 2005 führte der US-Bundesstaat Minnesota als erster Staat in den Vereinigten Staaten eine Beimischungspflicht von 2 % Biodiesel zum regulären Diesel ein. Seit Mai 2012 gilt dort eine zehnprozentige Beimischungspflicht; bis 2015 ist die Anhebung auf 20 % geplant.

In Deutschland wird der Einsatz von Biodiesel über die Beimischungsverpflichtung laut Biokraftstoffquotengesetz und über Kraftstoffnormen geregelt. Ab 2007 galt in Deutschland eine Beimischungspflicht von 4,4 % Biodiesel zu herkömmlichem Diesel, seit 2009 wird gemäß der Kraftstoff-Norm DIN 51628 herkömmlichem Diesel bis zu 7 % Biodiesel, als B7 bezeichnet, beigemischt. Im Jahr 2010 betrug der Verbrauch in Deutschland 3,255 Millionen Tonnen Biodiesel.

Im Zuge der politischen Bemühungen um die Senkung des Kohlenstoffdioxidausstoßes wurde in zahlreichen weiteren Ländern eine Beimischung eingeführt oder ist geplant. In der europäischen Union wurden im Jahr 2010 insgesamt 11,255 Millionen Tonnen Biodiesel verbraucht. Die größten Verbraucher waren neben Deutschland Frankreich mit 2,536 Millionen Tonnen und Spanien mit 1,716 Millionen Tonnen.

Nomenklatur

Die übergreifende Abkürzung aller Methylester auf Basis von Pflanzen- und Tierölen ist FAME, Fettsäuremethylester, nach EN 14214. Je nach Art des verwendeten Pflanzenöls wird unterschieden in PME (Palmölmethylester), wobei in Fahrzeughandbüchern der 1990er Jahre die Abkürzung PME auch für Pflanzenöl-Methyl-Ester verwendet wird, RME, Rapsölmethylester, auch Rapsmethylester oder Rapsdiesel genannt, Sonnenblumenmethylester und Sojaölmethylester. Daneben sind Methylester auf Basis von Altfetten und Tierfetten erhältlich, etwa AME, Altfettmethylester, und FME, Tierfettmethylester. Das Präfix Bio weist nicht auf eine Herkunft aus ökologischer Landwirtschaft hin, sondern auf den pflanzlichen Ursprung im Gegensatz zu Mineralöl. Biodieselblends mit mineralischen Diesel werden mit einem B und einer Zahl von 1 bis 99 bezeichnet, wobei die Zahl den prozentualen Anteil von Biodiesel im Blend angibt. B100 ist nach dieser Nomenklatur die Bezeichnung für reinen Biodiesel.

Produkt

Biodiesel auf Basis von Sojaöl

Biodiesel ist je nach verwendetem Rohmaterial eine gelbe bis dunkelbraune, mit Wasser kaum mischbare Flüssigkeit mit hohem Siedepunkt und niedrigem Dampfdruck. Im Vergleich zu regulärem Diesel ist er schwefelärmer und enthält weder Benzol noch andere Aromaten. Im Gegensatz zum Dieselkraftstoff ist Biodiesel unter anderem wegen des höheren Flammpunktes kein Gefahrgut und trägt deshalb keine UN-Nummer. Die Schmiereigenschaften von Rapsmethylester sind besser als von mineralischem Diesel, wodurch sich der Verschleiß der Einspritzmechaniken vermindert. Das Europäische Komitee für Normung hat im Jahr 2003 für Biodiesel (Fettsäuremethylester – FAME) die Norm EN 14214 festgelegt. Dieser wurde im Jahr 2010 in einer neuen Fassung vorgelegt. Damit werden Grenzwerte unter anderem für die chemische Zusammensetzung, der Gehalt an anorganischen Bestandteilen wie Wasser, Phosphor oder Alkalimetallen, die Gesamtverschmutzung sowie physikalische Parameter wie Dichte oder Viskosität des Biodiesels definiert. Weiterhin sind über die Norm wichtige motortechnische Parameter wie die Oxidationsstabilität, der Cold Filter Plugging Point und der Cloud Point festgelegt. Biodiesel, der aus reinem Soja- oder Palmöl hergestellt wurde, kann die Norm EN 14214 bislang nicht erfüllen, im Gegensatz zu der in den Vereinigten Staaten von Amerika für Biodiesel gültigen Norm nach ASTM D 6751.

Chemische Zusammensetzung

Die EN 14214 legt den Gehalt an Fettsäuremethylestern, einem Maß für den Grad der Umesterung, die Reinheit und die Qualität des Biodiesels auf mindestens 96,5 % (mol/mol) fest. Der Gehalt an Fettsäuremethylestern wird nach EN 14103 mittels Gaschromatographie bestimmt. Mittels derselben Methode wird auch der Gehalt an Linolensäure, eine mehrfach ungesättigte Fettsäure, bestimmt. Der Anteil an ungesättigten Fettsäuren wird außerdem über die Iodzahl ermittelt. Nach EN 14214 ist der Anteil an ungesättigten Fettsäuren auf 120 Gramm Iod pro 100 Gramm Biodiesel limitiert. Der Anteil an ungesättigten Fettsäuremethylestern und strukturelle Merkmale wie die Kettenlängenverteilung der Fettsäuremethylester sind mit Kraftstoffeigenschaften wie der Cetanzahl und der Oxidationsstabilität verbunden. Freie Fettsäuren im Biodiesel verursachen Korrosion und bilden mit basischen Komponenten wie Alkali-oder Erdalkalisalzen Seifen. Diese können zu Verklebung und Verstopfung von Filtern führen. Der Anteil der freien Fettsäuren wird über die Säurezahl nach EN 14104 bestimmt, wobei der obere Grenzwert 0,5 Milligramm Kaliumhydroxid pro Gramm Biodiesel beträgt. Der Anteil an Partial- und Triglyceriden ist ein Maß für den Grad der Umesterung, deren Konzentration durch die Reaktionsführung beeinflusst wird. Der Anteil an Triglyceriden ist gewöhnlich am niedrigsten, gefolgt von Di- und Monoglyceriden. Nach EN 14214 darf Biodiesel maximal 0,80 % (mol/mol) Monoglyceride enthalten, die Konzentration an Di- und Triglyceriden sollte unterhalb von 0,2 % (mol/mol) liegen. Der Gehalt am freien Glycerin sollte kleiner als 0,02 % (mol/mol) sein.

Anorganische Bestandteile

Der Schwefelgehalt von Biodiesel darf einen Grenzwert von 10 ppm nicht überschreiten. Kraftstoffe, die einen Schwefelgehalt von weniger als 10 ppm aufweisen, gelten als schwefelfrei.

Der Wassergehalt von Biodiesel wird mittels Karl-Fischer-Titration gemäß EN ISO 12937 bestimmt. Da Biodiesel hygroskopisch ist, steigt der Wassergehalt s mit dem Transport und der Lagerdauer an. Biodiesel sollte nicht mehr als 300 ppm Wasser enthalten. Das Wasser reagiert mit dem Methylestern unter Freisetzung von Methanol und Fettsäure.

Der Gehalt der Alkalimetalle Natrium und Kalium wird mittels EN 14538 bestimmt und sollte in Summe einen Wert von 5 ppm nicht überschreiten. Die Metalle stammen aus dem basischen Katalysator des Herstellungsprozesses. Die Erdalkalimetalle Calcium und Magnesium stammen aus dem für den Waschprozess der Herstellung verwendetem Wasser. Der Grenzwert liegt in Summe ebenfalls bei 5 ppm. Die Prüfung erfolgt gemäß EN 14538.

Der nach EN 14107 bestimmte Phosphorgehalt darf laut EN 12214 einen Wert von 4 ppm im Biodiesel nicht überschreiten. Der Phosphor stammt hauptsächlich aus natürlich im Pflanzenöl vorkommenden Phospholipiden.

Die Gesamtverschmutzung, ein Mass für den Anteil an nicht filtergängigen Partikeln, wird nach EN 12662 bestimmt und muss unterhalb von 24 ppm liegen. Zur Bestimmung wird der Biodiesel filtriert und der Filterkuchen gewogen.

Physikalische und anwendungsspezifische Eigenschaften

Der Flammpunkt liegt über 130 °C und ist damit signifikant höher als bei regulärem Diesel. Als unterer Grenzwert sind 101 °C festgelegt. Die Dichte, der Quotient aus der Masse und dem Volumen eines Stoffes, liegt für Biodiesel bei 0,88 g/cm³, wobei die Spezifikationsunter- und Obergrenzen bei 0,86 und 0,9 g/cm³ liegen. Die Viskosität ist vergleichbar mit der von Diesel. Sie wird bestimmt nach EN 3104 und muss bei 40 °C zwischen 3,5 und 5 mm²/s liegen.

Die Oxidationsstabilität ist eine Kenngröße für die chemische Stabilität des Biodiesels während der Lagerung. Oxidative Abbauprodukte können zu Ablagerungen an den Einspritzpumpen oder zum Filterversatz führen. Die Oxidation des Biodiesels erfolgt durch Luftsauerstoff, der in Radikalreaktionen mit ungesättigten Fettsäuren reagiert und zu Folge- und Abbauprodukten wie Aldehyden, Ketonen, Peroxiden und niedermolekularen Carbonsäuren führt. Die Oxidationsstabilität wird durch die Induktionszeit definiert. Dabei wird eine Biodieselprobe im Luftstrom mehrere Stunden auf einer Temperatur von 110°C gehalten. Die organischen Bestandteile des Luftstroms werden in Wasser absorbiert, wobei die Leitfähigkeit des Absorbats gemessen wird. Ein auftretender Knickpunkt in der Leitfähigkeitkurve wird als Induktionszeit bezeichnet. Diese muss laut Norm kleiner als 6 h sein.

Der Cloudpoint bezeichnet eine Kälteeigenschaft von Dieselkraftstoff und Heizöl. Er bezeichnet die Temperatur in Grad Celsius, bei der sich in einem blanken, flüssigen Produkt beim Abkühlen unter definierten Prüfbedingungen die ersten temperaturbedingten Trübungen bilden. Die Grenzwerte der Spezifikation sind abhängig von der Jahreszeit und liegen zwischen -0,6 und 7,4 °C. Der Cloud Point von Biodiesel hängt vom eingesetzten Rohmaterial ab und kann ohne Zusatz von Additiven zwischen etwa -10 °C für Rapsmethylester und +16 °C bei Tierfettmethylestern.

Der Temperaturgrenzwert der Filtrierbarkeit (englisch Cold Filter Plugging Point, CFPP) ist die Temperatur, bei der ein Prüffilter unter definierten Bedingungen durch auskristallisierte Stoffe verstopft und somit ein Maß für die Verwendbarkeit bei Kälte ist. Er wird nach der Methode EN 116 bestimmt. Der Parameter lässt sich durch Zusatz geeigneter Additive beeinflussen. Die Grenzwerte sind jahreszeitabhängig und liegen im Winter bei -20 °C und im Sommer bei 7,9 °C.

Herstellung

Blockdiagramm des Herstellungsprozesses

Pflanzliche und tierische Fette und Öle sind Ester des Glycerins mit unverzweigten, gesättigten und ungesättigten Monocarbonsäuren, den Fettsäuren. Die Umesterung dieser Triglyceride mit Methanol, also der Ersatz des dreiwertigen Alkohols Glycerins durch den einwertigen Alkohol Methanol, ist der gebräuchlichste Prozess zur Herstellung von Biodiesel. Der Einsatz von Methanol erfolgt hauptsächlich aus Kostengründen, technisch eignen sich auch andere einwertige Alkohole wie Ethanol, Propanole und Butanole zur Herstellung von Biodiesel. In Brasilien wird die Umesterung etwa mit dem in großen Mengen verfügbaren Bioethanol vorgenommen. Die Fettsäurebutylester weisen einen tieferen Stockpunkt auf, was besonders beim Einsatz von tierischen Fetten von Vorteil ist.

Die Umesterung wird durch Säuren und Basen katalysiert, wobei sich durch Basenkatalyse höhere Reaktionsgeschwindigkeiten erzielen lassen. Nach der Umesterung folgen als weitere Prozessschritte die Abtrennung von Glycerin und überschüssigem Methanol sowie die Aufarbeitung der Nebenprodukte wie die Reinigung des Glycerins. Die Wiedergewinnung von Einsatzstoffen erfolgt durch Destillation des überschüssigen Methanols und Rückführung von Restmengen nicht veresterter Fettsäuren.

Rohstoffe

Verschiedene Sojabohnensorten

Als Rohstoff für die Herstellung von Biodiesel eignen sich alle pflanzlichen und tierischen Fette und Öle. Die pflanzlichen Öle werden aus Ölsaaten oder anderen ölhaltigen Teilen von Pflanzen gewonnen. Je nach Klima, Niederschlagsmenge und Sonneneinstrahlung werden verschiedene Öle als Rohstoff bevorzugt.

In Europa wird vorwiegend Rapsöl verwendet, das aus dem Samen von Raps (Brassica napus oleifera) gewonnen wird. Dieser weist einen Ölgehalt von 40 bis 45 % auf. Die im Rapsöl vorliegenden Fettsäuren weisen eine enge Kohlenstoffkettenverteilung sowie einen konstanten Sättigungsgrad auf. Die Gewinnung des Öls erfolgt in Ölmühlen durch Pressen des Rapssamens, als Koppelprodukte fallen Rapsextraktionsschrot oder Rapskuchen für die Futtermittelindustrie an. In Deutschland betrug die Menge an so gewonnenen eiweißhaltigen Tierfutter im Jahr 2012 etwa 3,2 Millionen Tonnen, womit rund 37,6 % des deutschen Bedarfs gedeckt werden.

In Nordamerika stellt Sojaöl den Hauptrohstoff dar, nur ein geringer Teil des Biodiesels wird dort aus Rapsöl produziert. Palmöl ist der Hauptrohstoff für Biodiesel in Südostasien, ergänzend wird dort Kokosöl verwendet. Hinzu kommen geringe Mengen aufbereiteter Pflanzenölreste und in Mitteleuropa Tierfette. Viele weitere Pflanzenöle wurden untersucht und für die Biodieselproduktion eingesetzt, wie Rizinusöl, Sonnenblumenöl und Jatrophaöl. Der im Jahr 2012 in Deutschland produzierte Biodiesel bestand zu 84,7 % aus Rapsöl, zu 10,7 % aus Altspeise- und Tierfetten und zu 3 % aus Sojaöl. Palmöl wurde in Deutschland nur zu 1,6 % verarbeitet. Die Rohstoffe oder deren Mischungen sind so zu wählen, dass die Spezifikationen nach der europäischen Norm EN 14214 beziehungsweise der amerikanischen ASTM D 6751 Norm eingehalten werden.

Umesterung

Kalottenmodell von Linolsäuremethylester, einem typischen Bestandteil des Biodiesels

Im Jahr 2012 wurden weltweit etwa 20 Millionen Tonnen Biodiesel hergestellt, entsprechend einer Deckung von etwa 1 % des jährlichen Kraftstoffverbrauchs. Die Herstellung des Biodiesels erfolgt mittels Umesterung in Batch- oder kontinuierlichen Reaktoren unter saurer oder basischer Katalyse. Die allgemeine Reaktionsgleichung zur Herstellung von Biodiesel lautet:

Der erste Schritt der Herstellung beinhaltet die Umesterung unter Mischung der Methanol-, Katalysator- und Ölphase. Die Lösung wird für mehrere Stunden bei Temperaturen zwischen 50 und 70 °C gehalten um die Reaktion zu vervollständigen. Nach der Beendigung der Reaktion liegt das Gemisch in zwei Phasen vor. Die leichtere Phase enthält Biodiesel mit Beimengungen von Methanol, die schwerere Phase hauptsächlich Glycerin, überschüssiges Methanol und Nebenprodukte wie freie und neutralisierte Fettsäuren sowie Wasser. Die Biodieselphase wird abgetrennt und in weiteren Schritten gewaschen um Spuren von Lauge sowie das Methanol zu entfernen und durch Destillation getrocknet. Die gebildete Glycerinphase muss ebenfalls vor einer weiteren Verwendung gereinigt werden, das überschüssige Methanol wird zurückgewonnen. Die neutralisierte Fettsäure bildet eine Seife. Diese erschwert die Phasentrennung durch Bildung einer Emulsion und muss sauer gestellt werden unter Bildung freier Fettsäuren.

$\mathrm {\ CH_{3}(CH_{m})_{n}CO_{2}Na\ +\ H^{+}\longrightarrow \ CH_{3}(CH_{m})_{n}COOH\ +\ Na^{+}}$

Die Umesterung kann sauer oder basisch katalysiert werden, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit bei basischer Katalyse höher ist als bei der säurekatalysierten. Beim Einsatz von Rohstoffe mit einem geringen Gehalt an freien Fettsäuren werden in der technischen Praxis basische Katalysatoren bevorzugt. Als basischer Katalysator eignet sich besonders Natriummethanolat (NaOCH₃) oder andere Methanolate, die in Methanol gelöst verwendet werden.

Das Methanolat greift einen Carbonylkohlenstoff des Triglycerids nucleophill unter Bildung eines tetraedrischen Übergangszustands an. Unter Freisetzung des Glycerinats bildet sich der Methylester. Das Glycerinat reagiert mit dem im Überschuss vorhandenen Methanol weiter zu Glycerin und Methanolat. Die Reaktionsschritte sind zwar prinzipiell reversibel, durch die Unlöslichkeit des Glycerins in der Methylesterphase wird die Reaktion durch Phasentrennung jedoch auf die Seite des Methylesters verschoben.

Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid eignen sich weniger als Katalysator, da bei der Reaktion mit freien Fettsäuren oder Methanol Wasser freigesetzt wird. Das Wasser reagiert mit dem Zielprodukt Fettsäuremethylester zu freier Säure und Methanol. Daher sollte der Rohstoff nur geringe Mengen an freiem Wasser enthalten.

$\mathrm {\ CH_{3}(CH_{m})_{n}CO_{2}CH_{3}\ +\ H_{2}O\longrightarrow \ CH_{3}(CH_{m})_{n}COOH\ +\ CH_{3}OH}$

Rohstoffe mit einem hohen Gehalt an freien Fettsäuren, die mit einem basischen Katalysator und Bildung von Seife reagieren, werden mit sauren Katalysatoren wie Schwefelsäure oder Toluensulfonsäure verestert. Das Methanol wird über das stöchiometrische Verhältnis von Pflanzenöl zu Alkohol hinaus zugegeben, um die Reaktion auf die Seite des Methylesters zu verschieben. In der Praxis hat sich ein sechsfacher molarer Überschuss Methanol als geeignet erwiesen. Als Zwischenprodukte bilden sich teilumgeesterte Mono- und Dimethylglyceride, die zum Teil im Biodiesel verbleiben. Moderne Biodieselanlagen haben eine Kapazität von rund 200.000 Tonnen pro Jahr.

Ein Nachteil der derzeitigen Biodieselpoduktion ist die Verwendung homogener Katalysatoren, deren Abtrennung vom Endprodukt aufwendig ist und weitere Produktionsschritte erfordert. Daher wurde der Einsatz heterogener Katalysatoren, die sich leicht vom Endprodukt abtrennen laasen, eingehend untersucht.

Eine katalysatorfreie Alternative ohne Einsatz von Kalilauge bietet die Umesterung mit überkritischem Methanol in einem kontinuierlichen Prozess. In diesem Prozess bilden Öl und Methanol eine homogene Phase und reagieren spontan und schnell. Der Prozess ist unempfindlich gegenüber Wasserspuren im Rohmaterial und freie Fettsäuren werden zu Biodiesel verestert. Weiterhin entfällt der Schritt des Auswaschens des Katalysators. Der Prozess erfordert Anlagen für hohe Drücke und Temperaturen, der Gesamtenergieverbrauch ist aber vergleichbar mit dem herkömmlichen Prozess, da mehrere Prozessschritte entfallen. Ein Vorteil ist unter anderem der geringere Wasserverbrauch.

Verwendung

Biodiesel für Mercedes 300D

Kleine Anteile von Biodiesel als Beimischung in herkömmlichem Diesel können von herkömmlichen Motoren problemlos genutzt werden. Seit dem 1. Januar 2007 war in Deutschland die Beimischung von 5 %, ab 2009 ist eine Quote von 7 % Biodiesel gesetzlich gefordert und wird von den Mineralölgesellschaften umgesetzt. Eine technische Freigabe der Fahrzeughersteller ist hierfür nicht erforderlich. Für höhere Beimischungen und reinen Biodieselbetrieb muss der Motor biodieselfest sein, belegbar durch technische Freigaben der Fahrzeughersteller.

Fahrzeugtechnik

Für die Anwendung von reinem Biodiesel als Treibstoff muss eine technische Freigabe des Fahrzeugherstellers vorliegen. Die mit dem Kraftstoff in Berührung kommenden Kunststoffteile, wie etwa Schläuche und Dichtungen, müssen beständig gegenüber Biodiesel sein. Auskunft erteilen Vertragswerkstätten, Werksvertretungen und Fahrzeughersteller.

Biodiesel stellt eine Anpassung eines Kraftstoffs an vorhandene Motortechnik dar, wohingegen der technisch wesentlich veränderte Elsbett-Motor eine Anpassung an den einfacher herstellbaren Pflanzenöl-Kraftstoff darstellt.

Biodiesel hat gute Lösungsmitteleigenschaften und kann daher im Dieselbetrieb entstandene Ablagerungen aus Tank und Leitungen lösen, die den Kraftstofffilter verstopfen können.

Ein Problem stellt der Kraftstoffeintrag ins Motoröl dar. Wie bei Normaldieselbetrieb gelangt unverbrannter Kraftstoff an die Zylinderwand und damit in den Schmierkreislauf. Reiner Dieselkraftstoff beginnt bei circa 55 °C zu verdampfen. Erreicht das Motoröl im Fahrbetrieb diese Temperatur, verdampft der Dieselkraftstoff aus dem Motoröl und wird über die Kurbelgehäuseentlüftung der Ansaugluft beigemengt und verbrannt. Da RME jedoch erst ab etwa 130 °C zu verdampfen beginnt und das Motoröl diese Temperatur nicht erreicht, reichert sich Biodiesel im Motoröl an. Durch hohe örtliche Temperaturen im Schmierkreislauf zersetzt sich RME allmählich (siehe auch Cracken, Verkokung, Polymerisation), was zu festen oder schleimartigen Rückständen führt. Dies und die Verschlechterungen der Schmiereigenschaften bei hoher Kraftstoffkonzentration im Motoröl kann zu erhöhtem Motorverschleiß führen, weswegen bei RME-Betrieb kürzere Ölwechselintervalle notwendig sind.

Fahrzeuge mit bestimmten Rußpartikelfiltern können technische Probleme bekommen, wenn diese Systeme darauf ausgelegt sind, alle 500 bis 1000 km die Einspritzmenge zwecks Verbrennung der Partikel im Filter zu erhöhen. Beim Einsatz von Biodiesel ist nach bisherigen Kenntnissen kein Nachbrennen des Filters notwendig.

Einspritztechnik

Erfahrungen im Pkw- und Nutzfahrzeugbereich zeigen, dass es je nach Einspritztechnik nach mehrjähriger Biodieselverwendung zu Schädigungen der Kraftstoffpumpe kommen kann. Das betrifft besonders die direkteinspritzenden Pumpe-Düse-Motoren. Da Biodiesel zähflüssiger ist als fossiler Diesel, stellen die feinen Schmierkanäle ein größeres Hindernis dar, so dass die Pumpe trocken laufen und dadurch zerstört werden kann. Dem widersprechen Prüfstandsversuche bei Porsche, die an einem Mercedes-Benz-Motor im Biodiesel-Betrieb nach 500 Stunden Laufzeit hohe Sauberkeit und eine Verschleißminderung um 60 % im Vergleich zum Normalbetrieb mit üblichem Dieselkraftstoff aufzeigten. Zudem werden technische Lösungen von Deutz und Fendt auf Basis fremdgeschmierter Einspritzpumpen angeboten, die keine diesbezüglichen Probleme aufweisen.

Motoren mit Common-Rail-Technologie, die für Biodiesel zugelassen sind, befinden sich bereits auf dem Markt. Die Optimierung von Einspritzzeit und -menge kann über einen Sensor erfolgen, der dem Motormanagement Informationen vermittelt, welcher Kraftstoff oder welches Kraftstoffgemisch aktuell eingesetzt wird. So wird es möglich, unabhängig vom verwendeten Kraftstoff und dessen Mischungsverhältnis die Abgasnormen einzuhalten.

Erfolgreicher Flotteneinsatz im Busbereich der Graz AG Verkehrsbetriebe (Biodiesel aus gebrauchten Pflanzenölen)

Verbrauch und Emissionen

Biodiesel senkt deutlich die Ruß-Emission (bis zu etwa 50 Prozent), doch der Gehalt an schädlichen Partikeln bleibt vergleichbar mit Mineralöl-Diesel. Demgegenüber verursacht er eine um bis zu etwa 40 Prozent höhere Kohlenwasserstoff- sowie teilweise höhere NO_x-Emissionen.

Es gibt Hinweise darauf, dass die durch Biodiesel bedingten Emissionen weniger krebserregend sein können als die durch herkömmlichen Diesel verursachten.

Wegen der etwas geringeren Energiedichte können Leistungseinbußen von etwa 5 bis 10 Prozent oder ein ebenso erhöhter Treibstoffverbrauch auftreten.

Beim Einsatz von Diesel in Motoren sind insbesondere die Partikel- und NO_x-Emissionen bedeutend. Diese Emissionen werden durch „Bio-Diesel“ nicht wesentlich gemindert. Zwar werden durch RME im Vergleich zu Mineralöldiesel die Emissionen an Partikeln verringert, doch der Gehalt an schädlichen Bestandteilen bleibt vergleichbar mit Mineralöl-Diesel.

Auch die Emission von Stickstoffoxiden (NO_x) ist bei RME eher höher.

Eine Studie schwedischer Wissenschaftler (2002) bescheinigt reinen Rapsölkraftstoffen (auch RME) gefährliche Umwelteigenschaften. Demnach werden bei der Verbrennung von Rapsöl bis zu zehn Mal mehr Krebs erregende Schadstoffe freigesetzt als bei herkömmlichem Diesel. Dabei handelt es sich um verschiedene Kohlenwasserstoffverbindungen: Ringförmige Benzolmoleküle, Äthylkohlenwasserstoff sowie Diolefine.

Ein Forschungsvorhaben (2003) der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft kam zu dem Ergebnis, dass die schwedischen Untersuchungen für die dieselmotorische Verbrennung von RME völlig irrelevant seien.

Im Mai 2010 publizierte das Journal „Angewandte Chemie“ erste Ergebnisse eines Forschungsteams aus Deutschland, den USA und China über die Bildung von schädlichen oder giftigen Verbrennungsprodukten von typischen Biokraftstoffen. Die Studie hebt hervor, dass dieses Thema bisher nicht ausreichend untersucht sei. Nach Aussage der Autorin Katharina Kohse-Höinghaus produzieren Biokraftstoffe deutlich mehr bedenkliche Carbonylverbindungen wie zum Beispiel Formaldehyd und Acetaldehyd; ihre Bewertung des aktuellen Wissenstandes lautet: „Wir öffnen damit die Büchse der Pandora. Wir verwenden Stoffe, ohne vorher unsere Hausaufgaben gemacht zu haben.“

Laut einer internen Untersuchung der EU-Kommission von 2011 erhöht sich der CO₂-Ausstoß gegenüber herkömmlichem Kraftstoff bei Herstellung von Biodiesel aus Raps um insgesamt 4,5 %, bei der Herstellung aus Soja um 11,7 %.

Nicht Biodiesel-taugliche Fahrzeuge

Wird ein für Biodiesel nicht taugliches Fahrzeug mit Biodiesel betrieben, so kann dieser in kurzer Zeit die treibstoffführenden Schläuche und Dichtungen zersetzen, wobei Dichtungen in der Einspritzanlage und Zylinderkopfdichtungen betroffen sein können. Der Grund liegt hier im guten Lösungsmittelverhalten des Biodiesels. Er löst die in Dichtungen und Schläuchen enthaltenen Weichmacher, die Teile verspröden und werden undicht. Auch wenn der Motor ab Werk für Biodieselbetrieb freigegeben ist, muss dies für Zusatzaggregate, wie etwa eine Standheizung, nicht gelten. Beim Kauf eines für den Biodieselbetrieb vorgesehenen Fahrzeugs ist also darauf zu achten, dass alle verbauten Komponenten biodieseltauglich sind.

Neuere Motoren, die nicht für Biodiesel freigegeben sind, können auf Grund der abweichenden Verbrennungseigenschaften des Biokraftstoffs darüber hinaus Probleme mit der Motorelektronik bekommen, die auf normalen Diesel eingestellt ist.

Korrosion

Eine Untersuchung der Darmstädter Materialprüfungsanstalt hat gezeigt, dass Korrosionsschutzschichten wie Verzinkung von Biodiesel angegriffen werden können. Kritisch war hierbei, dass Biodiesel leicht hygroskopisch wirkt und bei einem eventuellen Wassergehalt durch Esterhydrolyse freie Fettsäuren entstehen, die den pH-Wert senken und korrosiv wirken können. Siehe dazu auch den Artikel Dieselpest. Durch eine Beimischung konventionellen Diesels wird dieser Effekt vollständig verhindert.

Schienenverkehr

Eine Lok der Virgin Voyager Gesellschaft (Zug-Nr. 220007 Thames Voyager) von Richard Branson wurde zur Verwendung eines 20-prozentigen Biodieselgemisches umgebaut. Ein weiterer Zug, der während der Sommermonate auf einer Mischung mit 25 % Biodiesel auf Rapsölbasis laufen soll, wurde in östlichen Teil des US-Bundesstaates Washington eingesetzt.

Die gesamte Flotte der Prignitzer Eisenbahn GmbH fährt seit 2004 mit Biodiesel. Vorher wurde mit Pflanzenöl gefahren, welches aber mit den neuen Triebwagen nicht mehr genutzt werden konnte.

Schifffahrt

Die „Earthrace“ in Hamburg

Die Verwendung von Biodiesel statt herkömmlichen Diesel für die Berufsschifffahrt oder Wassersportaktivitäten auf Binnengewässern, die als Trinkwasserspeicher dienen, verringert wegen der schnellen biologischen Abbaubarkeit die Gefahr einer Trinkwasserverschmutzung. So wird das Ausflugsschiff Sir Walter Scott auf dem Loch Katrine in Schottland mit Biodiesel betrieben, damit bei einem möglichen Unfall die aus diesem See gespeiste Trinkwasserversorgung von Glasgow nicht durch Kontamination mit Kohlenwasserstoffen gefährdet ist, wie dies bei Diesel der Fall wäre. Für den Bodensee soll untersucht werden, ob sich Biodiesel als alternativer Kraftstoff einsetzen lässt. Damit ließe sich ein wesentlicher Beitrag für den Gewässerschutz des Bodensees erreichen. Auch das Umweltbundesamt empfiehlt die Verwendung von Biodiesel als Kraftstoff in Sportbooten unter Aspekten des Gewässerschutzes.

Um die generelle Einsatzfähigkeit von Biodiesel in der Schifffahrt zu demonstrieren, wurde der Trimaran Earthrace entwickelt. Dieser wurde ausschließlich von Biodiesel angetrieben und umrundete im Jahr 2008 die Erde in 60 Tagen, 23 Stunden und 49 Minuten.

Luftverkehr

Der Einsatz von Biodiesel im Luftverkehr befindet sich noch in der Entwicklung. Green Flight International führte die ersten Flüge durch, bei denen für den Großteil der Strecke reines Biodiesel zum Einsatz kam: 2007 mit dem Kurzstreckenjet Aero L-29 Delfin in Nevada, im folgenden Jahr etwa 4.000 Kilometer quer durch die Vereinigten Staaten. Bisherige Versuche mit Verkehrsmaschinen vom Typ Boeing 747 verwenden Biodiesel in Mischung mit fossilem Kerosin. Mit einer Biokraftstoff-Beimischung von 20 Prozent fand im Februar 2008 ein Testflug der Fluggesellschaft Virgin Atlantic von London Heathrow Airport nach Amsterdam statt, im Dezember 2008 führte Air New Zealand von Auckland aus einen Testflug durch, bei der ein Triebwerk von einer Mischung aus Flugzeugbenzin und 50 Prozent Biokraftstoff aus Jatrophaöl angetrieben wurde.

Heizöl

Biodiesel kann im Prinzip als Bioheizöl verwendet werden, wobei auf Grund der guten Lösungsmitteleigenschaften hohe Anforderungen an die chemische Beständigkeit der verwendeten Heizanlagenkomponenten gestellt werden. Anders als bislang bei Kraftstoffen kann Biodiesel als Heizölersatz keine Steuerermäßigung in vergleichbarer Höhe aufweisen, da Heizöl ohnehin geringer besteuert wird. Heizöl mit einer Beimischung von 5 bis 20 Prozent Biodiesel ist in Deutschland seit 2008 auf dem Markt, das Blockheizkraftwerk des Bundeskanzleramtes wird mit Biodiesel betrieben.

Marktentwicklung

Biodiesel-Verbrauch in der EU (in GWh)
Nr.	Staat	2005	2006	2007
1	Deutschland Deutschland	18.003	29.447	34.395
2	Frankreich Frankreich	4.003	6.855	13.506
3	Osterreich Österreich	920	3.878	4.270
4	Vereinigtes Konigreich Vereinigtes Königreich	292	1.533	3.148
5	Spanien Spanien	270	629	3.031
6	Portugal Portugal	2	818	1.847
7	Italien Italien	2.000	1.732	1.621
8	Schweden Schweden	97	523	1.158
9	Belgien Belgien	0	10	1.061
10	Griechenland Griechenland	32	540	940
11	Bulgarien Bulgarien	–	96	539
12	Litauen Litauen	87	162	477
13	Luxemburg Luxemburg	7	6	397
14	Tschechien Tschechien	33	213	380
15	Polen Polen	152	491	180
16	Slowenien Slowenien	58	48	151
17	Irland Irland	9	8	27
18	Lettland Lettland	29	17	0
19	Ungarn Ungarn	0	4	0
20	Danemark Dänemark	0	0	0
21	Niederlande Niederlande	0	172	n.a.
22	Slowenien Slowenien	110	149	n.a.
23	Rumänien Rumänien	–	32	n.a.
24	Malta Malta	8	10	n.a.
25	Finnland Finnland	0	0	n.a.
26	Estland Estland	0	7	n.a.
27	Zypern Republik Zypern	0	0	n.a.
27	EU Gesamt	26.110	47.380	67.154
1 t Öleinheit = 11,63 MWh; „n.a.“ = nicht angegeben

Nach mehreren Jahren mit steigenden Absätzen ist der Verkauf von Biodiesel-Reinkraftstoff in Deutschland seit 2008 rückläufig. Der kraftstoffbedingte Mehrverbrauch, technische Restrisiken und gegebenenfalls Umrüstungskosten sind nur durch einen Preisvorteil für Biodiesel auszugleichen. Der tatsächliche Preisvorteil von Biodiesel sinkt jedoch seit 2006 ab, als Folge der jährlich steigenden Steuerbelastung sowie zeitweise auch der Preisentwicklung auf den Pflanzenöl- und Rohölmärkten. Zeitweise liegt der Marktpreis für Biodiesel über dem des fossilen Diesels.

Durch die obligatorische Beimischung von Biodiesel zu fossilem Diesel erhöht sich der Absatz in diesem Segment, dies gleicht die Verluste beim Reinkraftstoff jedoch nicht aus. Die EU-Direktive 2003/30/EC von Mai 2003 fordert die Sicherstellung durch die EU-Mitgliedsstaaten, dass ab 31. Dezember 2005 mindestens 2 % und bis zum 31. Dezember 2010 mindestens 5,75 % der zum Transport bestimmten Kraftstoffe aus erneuerbaren Quellen stammen, im Wesentlichen also biogenen Ursprungs sind. Erreicht wurde eine Quote von 5,8 %. In Österreich wurde die EU-Direktive teilweise früher umgesetzt und ab 1. November 2005 nur mehr Diesel mit 5 % Zusatz aus biogenen Quellen angeboten. In Österreich werden Dieselkraftstoffen seit Februar 2009 sieben Prozent Biodiesel (B7) beigemischt, in Deutschland ist die Beimischung von B7 ebenfalls zulässig, bisher liegt die Beimischung hier noch bei 5 %.

Absatz und Kapazitäten

Der Absatz von Biodiesel ist im Jahr 2008 gegenüber dem Vorjahr von 3,3 auf 2,7 Millionen Tonnen gesunken. Dabei verringerte sich der Absatz von Biodiesel als Reinbiokraftstoff um 739.000 Tonnen, während die Verwendung von Biodiesel als Beimischkomponente in Dieselkraftstoff um 190.000 Tonnen stieg. Im Jahr 2007 wurde die Hälfte des Reinbiodiesels direkt an Speditionen abgesetzt, zu 7 % über Tankstellen verkauft, und 3 % an Landwirte.

Die Biodieselindustrie in Deutschland hat ihre Kapazitäten zwischen 2004 und 2007 von 1,2 auf 4,8 Millionen Tonnen vervierfacht. In Deutschland produzieren rund 40 Hersteller Biodiesel. Mehr als die Hälfte der Unternehmen ist in den neuen Bundesländern ansässig, rund ein Drittel in Norddeutschland. Aufgrund der politischen Rahmenbedingungen und der Marktlage werden die Kapazitäten vielfach nicht ausgelastet, erste Biodieselhersteller sind bereits insolvent, die Biokraftstoffbranche befürchtet bei weiteren politischen Einschnitten einen Zusammenbruch der Branche. Von zeitweise 1.900 ist die Zahl der Biodiesel-Tankstellen bis 2011 auf 200 gesunken.

Eine ehemalige Biodiesel-Tankstelle

Biodieselabsatz in Deutschland

Jahr	Reinkraftstoff (in Mio. Liter)	Gesamt (in Kilotonnen)
2000	keine Angaben	340
2001	163,2	450
2002	189,6	550
2003	360,2	810
2004	476,6	1.180
2005	589,3	1.970
2006	538,7	2.870
2007	1.819	3.300
2008	1.080	2.700

Mitten in der Rapsernte 2012 teilte die EU-Kommission mit, dass es nun ein europäisches Zertifikat gebe und der deutsche Nachhaltigkeitsnachweis damit ab sofort nicht mehr anerkannt wird.

Umweltverträglichkeit

Vorteile

Biologische Abbaubarkeit

Biodiesel ist biologisch leicht abbaubar und fördert die Abbaubarkeit von regulärem Diesel. Daher wurde Biodiesel für die Reinigung ölverschmutzter Strände in Betracht gezogen.

Die schnelle biologische Abbaubarkeit des Biodiesels kann sich im praktischen Einsatz in Kraftfahrzeugen als Nachteil auswirken, da sie einhergeht mit einer schlechten Alterungsbeständigkeit. Nach unsachgemäßer und zu langer Lagerung können Bakterienbefall, Oxidation und Wasseranreicherung die Eigenschaften des Biodiesels verschlechtern.

Kuppelprodukte

Bei der Produktion von Biodiesel aus Ölpflanzen gibt es zudem keine Abfallprodukte, da alle Nebenprodukte dieser Reaktion weiterverwertet werden: Rapskuchen und Sojakuchen, die bei der Pressung anfallen, werden als Futtermittel benutzt. Das bei der Umesterung entstehende Glycerin kann in der chemischen Industrie weiterverwertet werden (etwa für Kosmetik). Das auf dem Feld verbleibende Stroh trägt zum Erhalt des Humuskörpers und damit der Bodenfruchtbarkeit bei.

Bei Leckagen ist Biodiesel weniger umweltbelastend als herkömmlicher Diesel. Letzterer gehört in die Wassergefährdungsklasse 2 (wassergefährdend), Biodiesel in die Wassergefährdungsklasse 1 (schwach wassergefährdend). Reines Pflanzenöl gilt als nicht wassergefährdend.

Wirtschaft und Energie

Da Biodiesel aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt wird, ersetzt sein Gebrauch Kraftstoffe auf Erdölbasis, dessen künftige Verfügbarkeit bereits mittelfristig als begrenzt angesehen wird (siehe Peak Oil). Zudem mindert Biodiesel als erneuerbarer Energieträger die Importabhängigkeit der deutschen Energieversorgung im Kraftfahrsektor, da momentan kein Alternativantrieb in ausreichender Menge und Effizienz zur Verfügung steht. Biokraftstoffe trugen 2010 so mit 182.000.000 GJ zum Primärenergieverbrauch in Deutschland bei.

Pflanzenbau

Die Produktion von Ölpflanzen im Mischfruchtanbau oder im Rahmen der Fruchtfolge kann die Auslaugung von Böden verhindern und den Ertrag an Lebensmitteln auf Dauer steigern und der Einsatz von Herbiziden kann dadurch verringert werden. Entsprechende Versuche wurden bereits in der Praxis durchgeführt und sind positiv verlaufen. Die in Deutschland hauptsächlich verwendete Biodieselquelle Raps kann z.B. nur alle 3-4 Jahre auf demselben Feld angebaut werden.

Klimawirkung

Die Klimaneutralität bei der Verbrennung von Biodiesel ist umstritten. Der CO₂-Bindung beim Wachstum der Pflanze müssen nicht nur die CO₂-Freisetzung bei der Verbrennung gegenübergestellt werden, ebenso wie bei allen Klimabilanzen sind zudem die bei Anbau, Herstellung und Nutzung anfallenden Emissionen klimarelevanter Stoffe zu berücksichtigen. Neben Kohlendioxid spielen hier vor allem die in ihrer Höhe umstrittenen Lachgas-Emissionen eine Rolle. Je nach Studie wird die Klimabilanz von Biodiesel um 20 bis 80 % günstiger eingeschätzt als die von Mineralöl-Diesel, werden durch den Ölpflanzenbau verursachte Landnutzungsänderungen betrachtet (z. B. Rodung von Regenwald oder Moorgebieten), so kann die Gesamtbilanz gegenüber Mineralöl negativ ausfallen.

Laut einer Ökobilanzierung aus dem Jahr 2006 liefert Biodiesel aus Sojaöl 193 % der in seiner Produktion eingesetzten Energie und reduziert Treibhausgasemissionen gegenüber Erdöl um 41 %. Damit ist es deutlich effizienter als Ethanol aus Mais. Die Luftverschmutzung ist zudem geringer als bei Ethanol aus Mais.

Nachteile

Allgemein

Das Umweltbundesamt lehnt in einem Bericht vom 1. September 2006 die Herstellung von Biodiesel ab und stellt fest:

„Potenzial Biodiesel: Wegen der beschränkten Ackerflächen kann mit in Deutschland angebautem Raps maximal etwa fünf Prozent des im Verkehrssektor benötigtem Dieselkraftstoff ersetzt und ein bis vier Prozent der Treibhausgasemissionen in diesem Bereich vermieden werden. Hierzu müsste aber bereits die Hälfte der gesamten deutschen Ackerfläche zum Biodiesel-Rapsanbau in vierjähriger Fruchtfolge genutzt werden, was eher unrealistisch ist. Das tatsächliche Potential liegt deshalb eher in der Größenordnung von 1 bis 2 % der Dieselmenge.“

In den USA würde die Verarbeitung der gesamten Sojaernte zu Biodiesel lediglich 6 % der Nachfrage decken.

Biodiesel produziert mehr ozonfördernde Abgase als aus Erdöl gewonnener Treibstoff. Kritiker bemängeln zudem, dass durch staatliche Subventionen und damit günstigere Preise für Spediteure der Schwerlastverkehr gefördert wird, was einer geringeren Umweltbelastung entgegenwirkt.

Noch nicht vollständig gelöst ist bislang die Nutzung des Glycerins, bei der Umesterung fallen prozessbedingt 100 kg Glycerin pro Tonne Biodiesel an. Bisher stehen zu wenige wirtschaftliche Verwertungswege für das Kuppelprodukt Glycerin offen.

Flächen- und Fremdenergiebedarf

siehe auch: Liste der Ölpflanzenerträge

Bezogen auf den Weltbedarf an dieselähnlichen Kraftstoffen könnte Palmölmethylester sowohl von der Ölergiebigkeit der Pflanze als auch von der Größe des potentiellen Anbaugebiets ein wichtiger Kraftstoff werden. Dies wird mit der großflächigen Abholzung von Urwäldern in Indonesien zwecks Anlage von Ölpalmen-Monokulturen erkauft.

Eine Studie von Forschern der Universität Minnesota weist darauf hin, dass es unwahrscheinlich ist, durch Alternativ-Kraftstoffe den weltweit zunehmenden Spritbedarf in nennenswertem Umfang abdecken zu können. Diese Studie beruht auf der allgemeinen Annahme des Pro-Kopf-Verbrauchs der US-Bürger und der Verwendung amerikanischer Fahrzeuge.

Der erforderliche Flächenbedarf, um zum Beispiel die 1 kg Dieselkraftstoff entsprechende Energiemenge als Biodiesel zur Verfügung zu stellen, ergibt sich aus folgender Rechnung:

Pro Quadratmeter beträgt der Ertrag an Biodiesel etwa 0,115 l Dieseläquivalent. Bei einer Dichte von 0,9 kg/l sind dies etwa 0,104 kg. Um 1 kg Dieseläquivalent bereitzustellen, wird also der Ertrag von 9,66 m² Anbaufläche benötigt.

Die Produktion der 1 kg Dieseläquivalent entsprechenden Menge an Biodiesel erfordert selbst erhebliche Energiemengen (Methanol, eventuell Düngemittel, Transport, Verarbeitungsprozess). Um auszuschließen, dass die für die Produktion nötige Energiemenge wiederum durch fossile Energieträger beschafft wird, wird die Anbaufläche entsprechend so weit vergrößert, dass die für die Produktion selbst benötigte Energiemenge auf der Anbaufläche mit erzeugt wird.

Für die Energiemengen $E_{\mathrm {g} es}$ (Gesamtenergie), $E_{\mathrm {p} rod}$ (Energiebedarf der Biodieselproduktion selbst) und $E_{\mathrm {n} etto}$ (tatsächlich verfügbare Energiemenge an Biodiesel) gilt dann

$E_{\mathrm {g} es}=E_{\mathrm {p} rod}+E_{\mathrm {n} etto}=E_{\mathrm {n} etto}\cdot {\frac {k}{k-1}}$,

wobei das Verhältnis k vergleichbar ist zum Carnot-Wirkungsgrad einer Wärmepumpe.

Bei der Gewinnung, einschließlich der Weiterverarbeitung zu Biodiesel (Pflügen, Säen, Behandeln mit Pflanzenschutz, Düngen, Ernten, Verestern), muss eine Energiemenge von 25 MJ/kg aufgewendet werden. Demgegenüber hat Biodiesel einen Heizwert von 37 MJ/kg.

Das Verhältnis k (vgl. Erdöl: k etwa 10 ) beträgt demnach

$k_{\text{PME}}={\frac {37\,\mathrm {MJ \over kg} }{25\,\mathrm {MJ \over kg} }}=1{,}48$        im Gegensatz zu        $k_{\text{Dieselkraftstoff}}={\frac {43\,\mathrm {MJ \over kg} }{5\,\mathrm {MJ \over kg} }}=8{,}21$.

Bei dieser Darstellung wird nicht berücksichtigt, dass beim herkömmlichen Diesel zusätzlich chemisch gebundene Energie (Rohöl) zugeführt werden muss, die aus einem endlichen Reservoir entnommen wird. Beim Biodiesel wird im Gegenzug die Strahlungsenergie der Sonne vernachlässigt, die aber sowieso vorhanden und praktisch unerschöpflich ist.

Unter der Annahme k = 1,48 verdreifacht sich die benötigte Anbaufläche in etwa; es werden dann etwa 29,8 m² Anbaufläche für 1 kg bereitgestelltes Dieseläquivalent benötigt.

Ein Grund dafür, dass die Energieausbeute verhältnismäßig gering ist, liegt darin, dass nur die Ölfrüchte verwendet werden und der verbleibende Biomassenrest (Rapsstroh und Rapsschrot) nicht energetisch genutzt wird. Bei einer alternativen Form der Kraftstoffgewinnung aus Biomasse zu Sundiesel wird die gesamte Pflanze verwendet, wodurch sich der Energieertrag pro Fläche (siehe hierzu: Bruttokraftstoffertrag) in etwa verdoppelt (siehe Abschnitt Alternativen).

Pro Jahr werden in Deutschland etwa 50 Mio. t Heizöl der Sorte EL (Abkürzung für extra leicht(flüssig)) und des chemisch verwandten Dieselkraftstoffs verbraucht (2005 waren es 53 Mio. t). Diesel oder Heizöl EL hat einen Heizwert von 43 GJ/t, der um etwa 16 % höher als der von Biodiesel ist. Um den gesamten Jahresverbrauch Deutschlands durch Biodiesel zu ersetzen, wäre also eine Jahresproduktion von etwa 58 Mio. t Biodiesel bereitzustellen. Hierzu würde 29,8 m²/kg•50.000.000.000 kg = 1.490.000 km² benötigt. In der Zahl von 29.8 m²/kg Dieseläquivalent ist die um 16 % geringere Energiedichte bereits berücksichtigt, daher wird in der Flächenberechnung der Jahresverbrauch an Heizöl eingesetzt.

Die Mengen an Ölpflanzen aus heimischer Landwirtschaft sind für die Eigenversorgung zu gering, weshalb Importe notwendig würden um größere Mengen Treibstoff zu ersetzen. So wird beispielsweise für eine Fahrt von Stuttgart nach Hamburg (668 km mit einem Verbrauch von 47,4 Liter Biodiesel) der Rapsertrag aus 445,56 m² Anbaufläche benötigt.

2006 wurden etwa 50 % der Fläche der Bundesrepublik Deutschland für die landwirtschaftliche Produktion genutzt, also wäre das Zehnfachen der landwirtschaftlichen Nutzfläche von Deutschland erforderlich um aus Raps ausreichend Biodiesel zu gewinnen. Da Raps nicht in den zwei bis drei Folgejahren angebaut werden kann (selbstunverträglich), müsste die vierzigfache landwirtschaftliche Nutzfläche der Bundesrepublik in den Anbau einbezogen werden.

Auch wenn ein Teil des deutschen Heizölverbrauches zukünftig durch Solarkollektoren auf den Dächern einsparbar ist, sieht das EEWärmeG andererseits ausdrücklich die Verwendung von Pflanzenölen für Heizzwecke vor.

Schon 2006 überschritt der Bedarf an Pflanzenölen (als Biodiesel und Pflanzenölkraftstoff) mit 3,4 Mio t die mögliche inländische Anbaukapazität von Raps von 1,5 Mio t, sodass der Rest importiert werden musste.

Andere Pflanzen, die zur Ölproduktion geeignet sind, mit geschätzten Ölmengen (in Litern pro Hektar):

• Raps: 157
• Sonnenblumen: 126

Flächenkonkurrenz

Ein Kritikpunkt an Biodiesel ist die Auswirkung auf Naturlandschaften und hierbei besonders auf Regenwälder. Vor allem Umweltverbände wie Rettet den Regenwald e. V kritisieren, dass für die Pflanzenölproduktion als Grundlage der Biodieselherstellung große Regenwaldflächen gerodet werden, besonders für den Anbau von Ölpalmen in Indonesien, Malaysia und Papua Neuguinea. Dabei wird häufig übersehen, dass nicht einmal 5 % des weltweit genutzten Palmöls für die Biodieselherstellung verwendet wird.

Darüber hinaus kann der Anbau von Ölsaaten auf bestehenden Ackerflächen oder die Verwendung von Pflanzenölen zur Herstellung von Biodiesel zu einer Verknappung oder Verteuerung von Lebensmitteln führen, wobei die genauen Auswirkungen selbst in der Fachwelt umstritten sind.

Dennoch gilt es an erster Stelle, den illegalen Holzeinschlag von Regenwald zu unterbinden und an deren Stelle die Kultivierung von bereits gerodetem und brachliegenden Land zu fördern. In Indonesien alleine liegen mehrere Millionen Hektar bereits gerodeter Landflächen brach. Durch Kultivierung und nachhaltige Bewirtschaftung dieser bereits zerstörten „Steppen-Landschaften“ könnte Biodiesel für viele arme Menschen eine Einkommensquelle schaffen.

Umweltverbände wie Rettet den Regenwald e. V. weisen sowohl auf den Zusammenhang von EU-Importen und Regenwaldzerstörung als auch auf die hohen Emissionswerte bestimmter Anbaumethoden oder -produkte wie Palmöl hin. Sie beziehen sich auf Untersuchungen von Wetlands International, Delft Hydraulics und Alterra, die nachweisen, „dass die Palmöl-Nutzung von südostasiatischen Torfböden zehnmal mehr Kohlendioxid-Emissionen bedeutet als der Einsatz einer vergleichbaren Menge von Mineralöl.“ In der Kritik steht hierbei die EU Biotreibstoff-Direktive. Letztendlich würde ein Vielfaches mehr CO₂ freigesetzt werden, als später durch die Pflanzen wieder gebunden werden kann. In Deutschland werden jedoch nur 7 % des beigemischten Biodiesels aus Palmöl hergestellt.

Auswirkungen auf die Nahrungsmittelproduktion

Die Nutzung von Ackerfläche zur Erzeugung nachwachsender Rohstoffe verringert die Anbaufläche für Nahrungsmittel. Die Verwendung von Pflanzenschutzmitteln beim Rapsanbau wird als problematisch für die Umwelt gesehen. Forschungen zur Genveränderung von Raps, um Resistenzen gegen den Rapsglanzkäfer und Kohlhernie zu erreichen, sind ebenfalls umstritten. Des Weiteren stellen großflächige Monokulturen eine Bedrohung für Tierarten, insbesondere bodenbrütende Vögel dar. Durch die intensive Nutzung von Stickstoffdüngern kommt es zu einer Überdüngung der Gewässer und einer Versauerung des Bodens. Zudem wird Distickstoffoxid (Lachgas) freigesetzt – ein 310-fach stärkeres Treibhausgas als CO₂. Distickstoffoxid gilt noch vor den Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW), als die bedeutendste Quelle ozonschädlicher Emissionen des 21. Jahrhunderts.

Die Verteuerung von Nahrungsmitteln ist ein zentrales Problem der Biodieselgewinnung, zum Teil als Agflation bezeichnet. In vielen Entwicklungsländern wie Mexiko, Kolumbien, Afghanistan und Indien verteuern sich einfache Lebensmittel wie Mais oder Soja, da Anbauflächen und andere Ressourcen für die Gewinnung von Biodiesel benutzt werden. Eine Verschärfung des Hungers und der Unterernährung ist die Folge.

Dieser Effekt ist keine Besonderheit der Biodieselproduktion: Sämtliche Energieerzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen, die nicht nur Abfälle verwertet (etwa Bioethanol aus Zuckerpflanzen, Biogasanlagen auf Mais-Basis, Holzhackschnitzel aus Pappel- oder Weidenplantagen usw.), konkurrieren weltweit mit Nahrungsmittelproduktion. Denn oftmals bieten die Produktion und Vermarktung von Energiepflanzen für die Erzeuger bessere Einkommensmöglichkeiten. Jedoch wird das Ausmaß dieses Effektes durch die staatliche Subventionierung beim Biodiesel weltweit spürbar. Regierungen propagieren den Einsatz von Biodiesel als umweltschonend und nachhaltig, dabei geht es um die Unabhängigkeit von Erdöl produzierenden Ländern und um langfristige Marktstrategien großer Mineralöl- und Energiekonzerne, die den Energiemarkt dominieren.

Nach Berechnungen Michael Schmitz, Professor für Agrar- und Entwicklungspolitik an der Justus-Liebig-Universität Gießen, sind die Preisanstiege bei Nahrungsmitteln jedoch nur zu einem geringen Teil auf die erhöhte Nachfrage nach Biokraftstoffen zurückzuführen. Für eine Studie simulierte er die Auswirkungen der erhöhten Biokraftstoffproduktion auf das Preisniveau von neun Agrarprodukten in 16 Ländern bis zum Jahr 2020. Der ermittelte Preisunterschied betrug etwa bei Weizen 2,1 %, bei Futtergetreiden 7,3 %, bei Ölsaaten 7,1 % und bei Rohzucker 21,2 %. Bei Reis war überhaupt kein Einfluss festzustellen.

Kritiker wie der internationale Kleinbauernverband Via Campesina meiden den Begriff „Bio“-Diesel und werten ihn als Euphemismus. Sie bevorzugt daher Agrodiesel.

Politik

Europäische Union

Die Europäische Union gab in ihrer Biokraftstofftrichtlinie einen Zeitplan in Stufen vor. Alle Mitgliedsstaaten sollten ihren Kraftstoffverbrauch im Verkehrssektor bis zum Jahr 2005 zu 2 % mit Biokraftstoffen abdecken. Ab 2010 sollten es 5,75 %, bis 2020 sollten es 10 % sein. Dies konnte durch Verwendung von Biotreibstoffen in Reinform, als Beimischung oder durch Einsatz anderer erneuerbarer Energien erfolgen. Die Biokraftstoffrichtlinie wurde durch die Erneuerbare-Energien-Richtlinie vom 23. April 2009 ersetzt und aufgehoben. Mit dieser Richtlinie wurden für die Mitgliedstaaten der Europäischen Union verbindlich der bis zum Jahr 2020 zu erreichende Anteil von erneuerbaren Energien am Gesamtenergieverbrauch festgelegt. Als Ziel soll bis zu diesem Jahr der Anteil von erneuerbaren Energien bei mindestens 20 % liegen.

Deutschland

Das 2006 vom Bundestag verabschiedete Biokraftstoffquotengesetz schrieb vor, dass der Anteil an Biokraftstoffen bis 2010 auf 6,75 % und bis 2015 auf 8 % steigen sollte. Durch das Gesetz zur Änderung der Förderung von Biokraftstoffen vom 15. Juli 2009 wurde beschlossen, diese Quote 2009 bei 5,25 % zu belassen und ab 2010 bei 6,25 % einzufrieren. Bereits seit 2004 darf herkömmlicher (Mineralöl-)Diesel mit bis zu 5 % Biodiesel vermischt werden, seit Februar 2009 erlaubt eine neue Dieselnorm die Beimischung von bis zu 7 %.

Der Bundestag verabschiedete am 29. Juni 2006 das Energiesteuergesetz, das die schrittweise Besteuerung von Biodiesel und Pflanzenöl-Kraftstoff vorsieht. Für beide Stoffe sollte ab 2012 der volle Mineralölsteuersatz gelten. Reiner Biodiesel wurde ab August 2006 mit neun Cent pro Liter besteuert, eine jährliche Erhöhung um sechs Cent war im EnergieStG 2006 verankert. Dies führte zu einem Absinken des Biodieselanteils am Diesel-Gesamtbedarfsvolumen. Hatte Biodiesel im Jahr 2007 noch einen Marktanteil von rund 12 Prozent am Gesamtdieselmarkt, so ist dieser durch die Besteuerung auf unter sieben Prozent in 2011 gesunken. Deswegen wurde im Juni 2009 das Energiesteuergesetz geändert. Es war weiterhin eine jährliche Erhöhung vorgesehen, jedoch sollte der volle Steuersatz erst ab 2013 greifen. Bereits im Dezember 2009 wurde die Besteuerung von Biodiesel im Zuge des Wachstumsbeschleunigungsgesetzes erneut geändert. Die jährliche Erhöhung für 2011 und 2012 wurde ausgesetzt, so dass nach jetziger Gesetzeslage die Steuer auf Biodiesel Anfang 2013 in einem großen Sprung von 18,6 ct auf 45,03 ct pro Liter steigen wird. Da der Brennwert von Biodiesel unter dem von Mineralöl liegt, wird der volumenbezogene Steuersatz um zwei Cent unter dem Satz für fossile Brennstoffe bleiben. Die Steuerermäßigung für reine Biokraftstoffe wird gem. §50 Abs. 1 Satz 5 EnergieStG nur für die Mengen Biokraftstoffe gewährt, welche die in §37a Abs. 3 BImSchG für die Beimischung genannten Mindestanteile überschreiten (so genannte „fiktive Quote“).

Vergleich von Biokraftstoffen in Deutschland

Biokraftstoff	Ertrag/ha	Kraftstoffäquivalenz [l]	Kraftstoffäquivalent pro Fläche [l/ha]	Fahrleistung [km/ha]
Pflanzenöl (Rapsöl)	1590 l	0,96	1526	23300 + 17600
Biodiesel (Rapsmethylester)	1550 l	0,91	1411	23300 + 17600
Bioethanol (Weizen)	2760 l	0,65	1794	22400 + 14400
Biomethan (mit Mais)	3540 kg	1,4	4956	67600
BtL (aus Energiepflanzen)	4030 l	0,97	3909	64000
BtL (aus Stroh)	1361 l	0,97	1320	21000

Österreich

Die Biokraftstoffrichtlinie wurde in Österreich im November 2004 durch eine Novelle der Kraftstoffverordnung in nationales Recht umgesetzt und im Juni 2009 angepasst. Demnach gab es seit Oktober 2005 eine Beimischungspflicht von 2,5 % Biokraftstoffen für alle Otto- und Dieselkraftstoffe. Als Bemessungsgrundlage der Beimischungsquote dient der Energiegehalt der Kraftstoffe. Der Anteil erhöhte sich im Oktober 2007 auf 4,3 % und im Januar 2009 wurde die Möglichkeit der Beimischung von Biodiesel auf maximal 7 % erhöht.

Die Umsetzung der Biokraftstoffrichtlinie wurde in Österreich im Wesentlichen durch die Beimischung von Biodiesel erreicht. Österreich verfügte 2011 über 14 Biodieselanlagen mit einer Produktionskapazität von knapp 700.000 Jahrestonnen.

Schweiz

Die Schweiz hat sich im Rahmen des Kyoto-Protokolls zu einer Verringerung des Kohlenstoffdioxidausstoßes verpflichtet. Biodiesel ist in der Schweiz flächendeckend als B5 und B100 verfügbar, eine gesetzliche Beimischungspflicht für Biodiesel besteht jedoch nicht. Seit 2008 ist Biodiesel in der Schweiz von der Mineralölsteuer befreit, sofern er gesetzlich festgelegte ökologische und soziale Kriterien erfüllt.

Literatur

• Sven Geitmann: Erneuerbare Energien und alternative Kraftstoffe. Hydrogeit Verlag, 2. Aufl., Jan. 2005, ISBN 3-937863-05-2.
• Sven Geitmann: Alternative Kraftstoffe. Hydrogeit Verlag, 2008, ISBN 978-3-937863-12-2.
• Philipp Dera: „Biodiesel“ – Wachstumsmarkt mit Nachhaltigkeitsgarantie? Sozioökonomische Dimensionen der Palmölproduktion in Indonesien Berlin: regiospectra 2009, ISBN 978-3-940132-10-9.

Weblinks

Commons: Biodiesel – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Prima Klima mit Biokraftstoffen? Interview mit einem Verkehrsexperten beim Umweltbundesamt
• Focus Online: Die Klimaneutralität des Biosprits entpuppt sich zunehmend als Mär
• www.bio-kraftstoffe.info Infoseite der Fachagentur nachwachsende Rohstoffe e.V. und des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz