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Biodiesel 08:11 min

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Transkript Biodiesel

Hallo und ganz herzlich willkommen!

Die Motivation Die Erdölvorräte der Erde neigen sich unweigerlich ihrem Ende. Es gilt, Alternativen zu finden. Der Begriff Ein neuer Begriff ist entstanden - Biodiesel. Was ist das? Bei Biodiesel handelt es sich um einen vollwertigen Ersatz für den Diesel aus Erdöl. Für die Unterscheidung nennen wir diesen Diesel "Petrodiesel". Zusammensetzung Petrodiesel ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen, die im Gegensatz zum Benzin aus größeren Molekülen bestehen und bei höheren Temperaturen sieden. Biodiesel ist ein Gemisch aus verschiedenen Fettsäuremethylestern. Häufig wird die Abkürzung des englischen Begriffs - FAME - verwendet.

Herstellung FAME erhält man aus pflanzlichen oder tierischen Fetten. Das sind Ester, die aus Fettsäuren und dem Alkohol Glycerin entstanden sind. FAME gewinnt man durch Umesterung dieser Ester. Methanol reagiert mit den Fetten. Dabei entstehen FAME und Glycerin. Die populärste Modifikation ist die Synthese in Anwesenheit von Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid als Katalysator. Umsetzung und Ausbeute sind dabei annähernd quantitativ. Als Alkohol benutzt man Methanol, weil er aus Erdgas oder Biogas kostengünstig zu gewinnen ist.

Fettquellen Prinzipiell sind alle pflanzlichen und tierischen Fette für die Synthese von Biodiesel geeignet. Verwenden kann man Fischöl, Leinsamen, die Öldistel oder die Sonnenblume. Auch die Öle der Gerste, der Kokosnuss, der Erdnüsse oder der Baumwolle liefern brauchbare Öle. Genau wie Tabak, Weizen, Reis und Lorbeer. Ein guter Rohstoff sind auch ungenießbare Öle: Vom Wunderbaum (das Rizinusöl) sowie die Öle der Purgiernuss und des Karanjabaums.

In den USA wird als Biodieselrohstoff hauptsächlich die Sojabohne verwendet. In Deutschland benutzt man meist den Raps. Eine kostengünstige Alternative stellt gebrauchtes Frittieröl dar. Biodiesel und Petrodiesel im Vergleich Beide Dieselsorten haben ähnliche Eigenschaften. Dennoch gibt es wichtige Unterschiede.

Was für den Biodiesel spricht Vorteilhaft ist die höhere Cetanzahl des Biodiesels. Das bedeutet, dass er ruhiger abbrennt. Von Nutzem ist die vergleichsweise höhere Schmierung im Vergleich zum Petrodiesel. Drei weitere Vorteile des Biodiesels sind folgende: - Er enthält weniger Aromaten als der Petrodiesel. - Der Schwefel - Anteil ist im Biodiesel geringer. - Biodiesel setzt von der Herstellung bis zum Verbrauch weniger Kohlenstoffdioxid als Petrodiesel frei. Und schließlich ist Biodiesel gut biologisch abbaubar.

Nachteile von Biodiesel Biodiesel ist in der Herstellung noch erheblich teurer (etwa um den Faktor 2) als Petrodiesel. In Deutschland wurde dieser Unterschied durch verschiedene Besteuerung stark vermindert. Leider wurde die Begünstigung für Biodiesel bis 2013 stark beschränkt. Der Brennwert von Biodiesel ist im Vergleich zu Petrodiesel etwas niedriger. Die Dichte von Biodiesel hingegen ist höher als die Dichte von Petrodiesel. Das hat Auswirkungen auf andere Eigenschaften. Biodiesel zeigt gegenüber dem Petrodiesel eine klar höhere Viskosität (das ist Zähigkeit). Daher kommt es zu Problemen beim Starten im Winter. (Hier bitte das Bild Winter einblenden.) Der Flammpunkt von Biodiesel ist nämlich höher als der Flammpunkt von Petrodiesel. Schließlich ist noch der vergleichsweise hohe Ausstoß von Stickstoffoxiden bei der Verwendung von Biodiesel ein ernsthaftes Problem. Die Entwicklung geeigneter Katalysatoren ist aufwendiger als bei den Benzinmotoren.

Gesättigte und ungesättigte Fettsäuren Die Moleküle der Fettsäuremethylester können Fragmente von gesättigten Fettsäuren als auch von ungesättigten Fettsäuren enthalten. Gesättigte Ketten werden zum Beispiel von der Palmitinsäure oder der Stearinsäure gebildet. Ungesättigte Ketten besitzen eine oder mehrere Doppelbindungen und können u. a. den Molekülen der Ölsäure oder Linolsäure entstammen. Gesättigte Verbindungen haben den Vorteil, dass sie länger gelagert werden können, da sie langsamer altern. Der Nachteil ist die höhere Zähigkeit im Winter bei niedrigen Temperaturen. Entsprechend ist die Lagerfähigkeit ungesättigter Verbindungen geringer. Dafür sind sie in den Wintermonaten weniger viskos (das bedeutet zäh).

Ausblick Biodiesel ist dem Petrodiesel durchaus gleichwertig. Beide Dieselsorten weisen Vorteile und Mängel auf. Die größten Vorzüge des Biodiesels gegenüber dem Petrodiesel sind seine Gewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen und seine biologische Abbaubarkeit. Daher ist der Biodiesel eine heute schon teilweise praktizierte Alternative zum Petrodiesel.

Und schon heißt es wieder Abschied nehmen. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg! Tschüs

Biodiesel Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Biodiesel kannst du es wiederholen und üben.

  • Unterscheide zwischen geeigneten und ungeeigneten Ölquellen für die Herstellung von Biodiesel.

    Tipps

    Generell ist jedes Pflanzenöl für die Herstellung von Biodiesel geeignet.

    Lösung

    Für die Herstellung von Biodiesel sind alle Rohstoffe geeignet, die aus Fettsäuren gebildete Triglyceride enthalten:

    • Fischöl,
    • Leinsamen,
    • Öldistel,
    • Sonnenblume,
    • Gerste,
    • Kokosnuss und
    • Erdnüsse.
    Die ungeeigneten Quellen enthalten keine Triglyceride:

    • Glycerin: Das ist ein Trialkohol.
    • Paraffin: Das ist ein Gemisch langkettiger Alkane.
    • Bienenwachs: Wachse sind langkettige Monoester.
    • Siliconöl: Das sind siliciumhaltige Verbindungen.
    • Erdöl: Es enthält keine Triglyceride und ist Rohstoff für Petrodiesel.
    • Vaseline: Das ist ein Gemisch aus flüssigen und festen Paraffinen.
  • Nenne Gründe für die Entwicklung von Biodiesel.

    Tipps

    Die grundlegenden chemischen Reaktionen wurden im 19. Jahrhundert entwickelt.

    Biodiesel ist durch die Polarität der Moleküle etwas zäher als Petrodiesel.

    Lösung

    Es mag sein, dass Bioprodukte im Trend liegen, aber das ist kein Grund für die Herstellung von Biodiesel. Biodiesel besitzt auch nicht nur positive Eigenschaften. Beide Dieselsorten besitzen gute wie auch weniger gute Eigenschaften.

    Allerdings sind die Erdölvorräte begrenzt. Das ist mit Sicherheit der Hauptgrund für die Entwicklung von Biodiesel. Außerdem steigt der Kraftstoffverbrauch auf der Erde. Diese Tatsache ist eine Triebkraft für die Entwicklung von Biodiesel.

    Leider ist die Herstellung des halbsynthetischen Diesels teurer als die Förderung herkömmlichen Diesels.

  • Vergleiche Petrodiesel mit Biodiesel.

    Tipps

    Die funktionelle Estergruppe führt zur Erhöhung der zwischenmolekularen Kräfte und zu einer Erhöhung der chemischen Reaktivität.

    Lösung

    Petrodiesel und Biodiesel sind Energiequellen. Sie unterscheiden sich allerdings in einigen Eigenschaften:

    • Petrodiesel besteht aus Kohlenwasserstoffen, Biodiesel aus Methylestern von Fettsäuren.
    • Die Cetanzahl des Petrodiesels ist niedriger als die Cetanzahl des Biodiesels.
    • Petrodiesel weist eine geringere Schmierung als Biodiesel auf.
    • Der Aromatenanteil im Petrodiesel ist ungleich höher als im Biodiesel.
    • Petrodiesel enthält mehr Schwefel als Biodiesel.
    • Petrodiesel liefert mehr $CO_2$ als Biodiesel.
  • Begründe die Unterschiede zwischen Biodiesel und Petrodiesel.

    Tipps

    Die meisten Unterschiede können an der molekularen Struktur erkannt werden.

    Lösung

    Durch die strukturellen Unterschiede der Inhaltsstoffe der Dieselsorten sind auch ihre Eigenschaften unterschiedlich:

    • Ruhiges Abbrennen wird durch die Cetanzahl charakterisiert. Es erfolgt dann, wenn die Reaktion über relativ stabile Radikale verläuft. Die Cetanzahl des Biodiesels ist höher als die Cetanzahl des Petrodiesels, denn im Biodiesel werden die radikalischen Bruchstücke durch die funktionelle Gruppe stabilisiert.
    • Biodiesel und Petrodiesel unterscheiden sich erheblich in ihrem Gehalt an aromatischen Verbindungen, da im Erdöl bereits aromatische Verbindungen enthalten sind. Das Spektrum der Inhaltsstoffe im Petrodiesel ist im Vergleich zum Biodiesel erheblich breiter.
    • Biodiesel kann im Winter beim Starten Probleme bereiten. Die höhere Viskosität ist das Ergebnis stärkerer zwischenmolekularer Wechselwirkungen. Estermoleküle sind polarer als Alkanmoleküle. Daher halten die Teilchen im Biodiesel fester zusammen. Der Stoff ist daher zäher als Petrodiesel. Er ist in der Sprache der Wissenschaft viskoser.
    • Es gibt erhebliche Unterschiede in den Produktionskosten. Der Aufwand der physikalischen Trennung von Stoffen ist geringer als der Aufwand für eine chemische Reaktion. Erdöl wird rektifiziert. Es kommt direkt aus der Erde. Für die Herstellung von Biodiesel muss zunächst das Öl oder Fett gewonnen werden. Dann schließt sich noch eine chemische Reaktion an. Der Biodiesel ist daher in der Herstellung teurer als der Petrodiesel. Daran ändern auch die Kosten für eventuelles Cracking des Erdöls wenig.
    • Biodiesel produziert einen relativ hohen Anteil an Stickstoffoxiden. Der Stickstoff der Erdatmosphäre wird vom gebundenen Sauerstoff des Esters besser angegriffen als vom Luftsauerstoff. Er kann sich leichter atomarisieren und ist daher reaktionsfähiger.
  • Ermittle, bei welchen Verbindungen es sich um Fettsäuren handelt.

    Tipps

    Fettsäuren sind fast ausschließlich langkettige aliphatische Säuren.

    Lösung

    Fettsäuren sind meist langkettige und unverzweigte Carbonsäuren, die ungesättigt oder gesättigt sein können. Sehen wir uns die einzelnen Verbindungen an und entscheiden, ob es sich dabei um eine Fettsäure handeln kann.

    Erste Zeile:

    • Oxalsäure: Eine zweibasische Säure. Das Molekül ist viel zu klein.
    • Essigsäure: Die Alkylkette des Moleküls ist viel zu kurz.
    • Stearinsäure: Das ist eine lupenreine Fettsäure.
    • Ölsäure: Auch das ist eine waschechte Fettsäure.
    Zweite Zeile:
    • Eine aromatische Säure: Das ist natürlich keine Fettsäure.
    • Linolensäure: Das ist die vielleicht berühmteste Fettsäure.
    • Linolsäure: Ein zweites Mal. Allerdings ist die Darstellung des Moleküls dieser Fettsäure etwas anders.
    • Pikrinsäure: Das ist ein gelber Stoff mit gewisser Sprengkraft und natürlich keine Fettsäure.

  • Erläutere Eigenschaften und Herstellung des Biodiesels.

    Tipps

    Zwei Hydroxygruppen an einem Kohlenstoffatom sind nach der Erlenmeyer-Regel nicht erlaubt.

    Die Moleküle von Fettsäuren sind meist langkettig.

    Lösung

    1. Allgemeines
    Biodiesel ist durchaus ein vollwertiger Ersatz für den Petrodiesel. Die Eigenschaften beider Dieselsorten sind ähnlich. Die Moleküle des Biodiesels sind meist größer. Daher siedet er höher als der Petrodiesel.

    2. Herstellung
    Fette sind Ester, deren Bausteine der Dreifachalkohol Glycerin und verschiedene Fettsäuren sind. Der systematische Name für Glycerin ist Propan-1,2,3-triol. Die Verbindung ist abgeleitet vom Propan. Das Molekül besitzt drei Kohlenstoffatome in der Kette. An jedem dieser Atome (1, 2 und 3) sitzt eine Hydroxygruppe.
    Die Herstellungsreaktion für Biodiesel ist eine Umesterung. Aus einem Ester, dem Triglycerid, entstehen Fettsäuremethylester. Dafür verwendet man Methanol. Ethanol kann man ebenfalls einsetzen. Für Methanol hingegen spricht die Wirtschaftlichkeit seiner Herstellung. Die Katalysatoren Ätznatron oder Ätzkali wurden hier mit ihren technischen Namen genannt. Sie heißen mit systematischen Namen Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid. Natron (Natriumhydrogencarbonat) und Ammoniak hingegen sind viel zu schwache Basen. Starke basische Ionenaustauscher sind ebenfalls als Katalysatoren geeignet, Säuren oder Salze hingegen nicht.

    Glycerin ist bei Raumbedingungen flüssig. Gasförmige Alkohole gibt es nicht. Im Winter kann Glycerin fest werden.