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Biokraftstoffproduktion integriert in die Lebensmittel- und Futtermittelproduktion

BioWanze – Teller, Trog und Tank

von Dipl.–Ing. Hanspeter Degelmann, Prof. Dr. Markwart Kunz

Während in Europa in nahezu allen Bereichen die Emission von Treibhausgasen in den vergangenen 20 Jahren zum Teil erheblich reduziert werden konnte, sind sie im Transportsektor deutlich ­gestiegen. Daher wurde im EU-Klimapaket vom Dezember 2008 ein Maßnahmenbündel initiiert, um auch in diesem Sektor Emissionsminderungen zu erreichen. Dazu gehören neben Verpflichtungen der Mineralölwirtschaft und der Automobilhersteller als weiteres unverzichtbares Element die Nutzung von Biokraftstoffen. Die Südzucker-Gruppe bzw. ihre Tochtergesellschaft CropEnergies hat eine erste Großanlage (Zeitz, Deutschland) zur Herstellung des Biokraftstoffes Bioethanol in 2005 in ­Betrieb genommen. Heraus­ragende Kennzeichen dieser Anlage sind eine Minimierung des Prozess­energieverbrauchs sowie eine Optimierung der ­gekoppelten Produktion von eiweißreichen Futtermitteln bei gleichzeitiger Produktion von „Bio-Kohlensäure" u.a. für die Lebensmittelindustrie.

Aufbauend auf diesen Erfahrungen war das Ziel für eine nächste ­Biokraftstoffanlage ­eine noch weiter gehende Integration in die Lebensmittel- und Futtermittelherstellung. Gleichzeitig sollte auch das Treibhausgasreduktionspotenzial für den Biokraftstoff erhöht werden.

In einer umfassenden Recherche wurden nochmals die Vor- ­und Nachteile der einzelnen Biokraftstoffe evaluiert.

// Die Herstellung von so genanntem Biokraft­stoff der zweiten Generation mithilfe der Fischer-Tropsch-Synthese auf Basis von ­Biomassereststoffen schied wegen ungelös­ter technologischer ­Risiken und fehlender Verfügbarkeit hinreichender Mengen von Biomassereststoffen aus. Sofern Ackerflächen zum Anbau reiner Energiepflanzen ohne die Integration der Produkte in die Wertschöpfungskette von Lebens- und Futter­-mitteln verwendet werden, wird dieses eher kritisch betrachtet.

// Aus klimatischen Gründen können in Europa im Weltmaßstab hohe Erträge bei Kohlenhydrat liefernden Agrar­pflanzen wie Getreide und Zucker­rüben erzielt werden. Für andere Feld­früchte wie Protein- und Ölpflanzen ist das europäische Klima weniger vorteilhaft, daher schied für Südzucker eine Produktion von Biodiesel ebenfalls aus.

// Bioethanol hat insbesondere als Beimischkomponente zu herkömmlichem Benzin erhebliche Vorteile [z.B. Oktanzahl: ­Superbenzin 95, Ethanol 113, ­höhere Verdampfungsenthalpie ­(„kühlere“ Verbrennung, ge­­rin­gere Abgastemperatur) und ­faktisch „monodispers verteilten Sauerstoff“]. Dies führt zu ­einer Verbesserung des effektiven Wirkungsgrades des Kraftstoffes im Verbrennungsmotor und bewirkt, wie z.B. auch in einer Reihe von Rollenprüfstandsuntersuchungen im Kfz gezeigt, dass sich zwischen einem E0- und einem E10-Kraftstoff praktisch keine volumetrischen Verbrauchs­unterschiede ergaben, obwohl zwischen diesen Kraftstoffen ein Heizwertunterschied von ca. 3% besteht.

Trotz dieser gesicherten Vorteile wird Bioethanol in der Öffentlichkeit z.T. kritisch diskutiert. Häufig werden in der öffentlichen ­Diskussion z.B. um Treibhausgaseinsparungen und „Tank oder Teller“ jedoch nur Teilaspekte betrachtet. So erfolgt bei der Elektromobilität vorrangig eine „Tank-to-wheel-Betrachtung“, also nur von der Steckdose bis zur Fahrt im Auto, wobei aufgrund der fehlenden Berücksichtigung der Stromproduktion behauptet wird, Elektromobilität verursache keine Emissionen. Ähnliche Argumentationsmuster lassen sich auch im Hinblick auf den „Wasserstoffantrieb“ beobachten. In der „Richtlinie Erneuerbare Energien“ der Kommission dagegen erfolgt durch kraftstoffenergiebezogene Emissionsvergleiche die Betrachtung ausschließlich von „Field-­to-tank“. Hier fehlen für Ethanol z.B. die oben beschriebenen motorischen Wirkungsgradverbesserungen.

Bei nüchterner Betrachtung ist dabei gerade für ein Beimischungskonzept – wie in Europa für die Treibhausgasminderungen im Transportsektor vorgesehen – Bioethanol als Kraft­stoffkomponente eine der wenigen zurzeit realen Optionen mit großem ­Treibhausgaseinsparungspotenzial („field to-wheel“).

Zur Produktion von Bioethanol auf Basis fermentativer Verfahren müssen Kohlen­hydrate als Biomasse zur Verfügung stehen. Hierfür gibt es grundsätzlich zwei Optionen:

Nutzung von vorrangig zellulose­haltigen Reststoffen

Hierfür kommt im Wesentlichen Stroh infrage, da Holzreststoff heute bereits in weitem Umfang genutzt wird. Die Verfügbarkeit von Stroh ist jedoch auch limitiert, da bei nachhaltiger Agrarpflanzenproduk­tion erhebliche Anteile des Getreidestrohs u.a. zum Humuserhalt im Mutterboden verbleiben müssen. In einer üblichen Fruchtfolge (2–3 Jahre Getreide, im 3. oder 4. Jahr eine Hackfrucht, Zuckerrüben oder Kartoffeln) können im Mittel der Jahre ca. 1 bis 1,5 Tonnen Stroh pro Hektar und Jahr für andere Nutzungen zur Verfügung gestellt werden. Für eine mittelgroße Bioethanolanlage auf der Basis von Stroh, die z.B. 200.000m3 Ethanol pro Jahr produziert, wäre die nutzbare Strohmenge von ca. 7–8% der in Deutschland angebauten ­Getreidefläche notwendig; abgesehen von noch nicht befriedigend gelösten technologischen Problemen ein nicht unerhebliches kostenintensives und logistisches Problem. Auch die Nutzung der anfallenden Reststoffe ist noch nicht ausreichend geklärt. Darüber hinaus ist der Einfluss auf den heute sehr kleinen „Strohmarkt“ preisseitig schwer kalkulierbar.

Nutzung von Zucker und Stärke aus Agrarpflanzen

Anbau von zucker- und stärkehaltigen Pflanzen mit hohen Kohlenhydraterträgen, die problemlos zu Bioethanol fermentiert werden können, erfolgt in Europa in großem Umfang. Als Argument gegen die Biokraftstoffproduktion aus „Nahrungsmittelpflanzen“ wird in der „Tank-oder-Teller-Dis­kussion“ immer eine Verknappung der Agrar­flächen für die menschliche Ernährung ­postuliert. Vergessen wird in dieser Diskussion jedoch, dass weltweit in den vergangenen Jahrzehnten erhebliche Ackerflächen, insbesondere aus ökonomischen Gründen, aus der Nutzung genommen wurden. In den vergangenen 20 Jahren z.B. in ­Europa, den USA und der ehemaligen Sowjetunion zusammen über 50 Mio. Hektar. Weltweit besteht agrarisches Produktionspotenzial allein durch Reaktivierung früherer Acker- und Weideflächen in Höhe von 385 bis 472 Mio. Hektar bei einer zurzeit genutzten Ackerfläche von ca. 1,5 Mrd. Hektar. Die UN-Unterorganisation FAO geht weltweit von 3,9 Mrd. Hektar potenzieller Ackerfläche mit genügender Regenwasser­versorgung aus, ohne dass schützenswerte Regenwälder oder Feuchtgebiete genutzt werden müssen. Bei der Bioethanolproduktion aus europäischen Nutzpflanzen verbleibt der Proteinanteil der Feldfrüchte zu 100?% in der Nahrungsmittel- bzw. Futtermittelkette. So lassen sich in einer Fruchtfolge in Deutschland z.B. aus angebautem Futtergetreide und Zuckerrüben pro Jahr und Hektar ca. 4.000 Liter Bioethanol produzieren. Mit den anfallenden proteinreichen Kuppelprodukten, die v.a. aus Brasilien stammendes Soja bzw. Sojaschrot ersetzen, lassen sich zusätzlich pro Hektar 5.000 Liter Milch herstellen; ­eine deutlich höhere Milchmenge als sich aus in Brasilien je Hektar produziertem ­Soja, das nach Deutschland exportiert wird, ergibt. Die Minderung des Importbedarfs bewirkt einen messbaren positiven Landnutzungseffekt in Brasilien, der höher ist als die in Deutschland für Biokraftproduktion „genutzte Fläche“.

Dieses Konzept war in der ersten Groß­anlage erfolgreich umgesetzt, dennoch war die Frage, ob in einer neuen Anlage neben einer verbesserten Treibhausgasbilanz auch eine weitere Integration in die Nahrungs- und Lebensmittelkette möglich wäre. So entstand für BioWanze ein Konzept zur integrierten Lebensmittel-, Futtermittel- und Biokraftstoff­produktion bei gleichzeitiger Erzeugung von „grünem“ elektrischen Strom unter Maximierung der Treibhausgasminderung des produzierten Bioethanols auf Basis von Futterweizen.

Die stärkearmen Weizenschalen dienen als Brennstoff zur Energieversorgung des Prozesses, wobei ergänzend zur Maximierung der Stromausbeute Erdgas eingesetzt werden kann. Auch in Belgien wird – wie in anderen europäischen Ländern – die politisch gewollte Stromproduktion aus erneuerbaren Rohstoffen gefördert. Die anfallende Asche recycelt durch Nutzung als Düngemittel wertvolle Pflanzeninhaltsstoffe wie insbesondere Kalium und Phosphat.

Der von den Schalen befreite Mehlkörper wird so aufbereitet, dass ein Großteil des Weizenproteins (Gluten) separiert wird. Dieser Gluten wird nach Trocknung insbesondere in die Lebensmittelindustrie zur Verbesserung der Backeigenschaften von Weizenmehlen verkauft. Ein weiteres wichtiges Absatzgebiet ist Fischfutter. Die Verwendung von pflanzlichen Proteinen zur Fischfütterung wird weltweit vorangetrieben, um den Fischmehlbedarf für die Fischzüchtung zu reduzieren; also auch dies ­eine ökologisch erfolgreiche Nutzung.

Der kleberarme stärkereiche Rest wird nach Stärkeaufschluss und Verzuckerung zu Bioethanol fermentiert, Bioethanol wird durch Destillation/Rektifikation abgetrennt, die verbleibende Fermentermaische wird nach Eindickung als proteinreiches flüssi­ges Futter (ProtiWanze®) für die Schweine- und Rindermast bzw. zur Milchproduktion verwendet.

Auf diese Weise kann Biokraftstoff mit etwa 70%igem Treib hausgaseinsparungspoten­zial (Field-to-tank-Berechnung) hergestellt werden. Berücksichtigt man noch den „Tank-to-wheel-Effekt“, also die energetische ­Wirkungsgradverbesserung von E10 zu E0, ergibt sich ein Treibhausgaseinsparungspotenzial – auf Bioethanol bezogen – von über 100%.
Diese Grundkonzeption wurde von einem Südzucker/CropEnergies-Team aus Belgien und Deutschland entwickelt und sollte zusammen mit einem Generalplaner in ein Anlagendesign umgesetzt werden. Dabei waren folgende Randbedingungen zu berücksichtigen:

// Ein hoher Zeitdruck, um angemessen am belgischen ­Bioethanol-Programm beteiligt zu sein.

// Wegen zeitgleicher Planung weiterer Wettbewerbs-Bioethanol-Anlagen in Europa waren die erfahrenen Planungs­firmen knapp bzw. nicht verfügbar.

// Es sollte eine Synergie mit den ­vorhandenen Produktions­anlagen der SZ-Gruppe in Belgien erreicht werden und eine gute logistische Anbindung vorhanden sein. Daher war die Errichtung praktisch nur auf oder am ­Gelände einer Zucker­fabrik mit Flussanbindung möglich.

// Am vorgesehenen Standort in Wanze nahe Lüttich in Belgien gab es ausreichende, aber nicht optimale Bauflächen. Berücksichtigt werden musste auch die große Nähe zu den benachbarten Wohnsiedlungen der Gemeinde Wanze.

Nach intensiver Suche und umfangreichem „Abtasten“ konnte eine belgische Planungsfirma aus dem Umfeld der Zuckerindustrie als Generalplaner gewonnen werden. Zusam­men mit den Experten aus dem Unternehmen wurde so ein Team von Fachfirmen und externen Experten mit dem erforderlichen Know-how zusammengestellt.

Dem Generalplaner oblagen in Zusammen­arbeit mit den Experten aus der SZ-Gruppe insbesondere:

// Die Lay-out-Planung unter verfahrenstechnischen, sicherheitstechnischen und nachbarschaftlichen Gesichtspunkten.

// Die Zusammenstellung der Gesamtmassen- und Energiebilanz im Zusammenspiel mit den liefernden Fachfirmen.

// Die Erstellung der PFDs und PIDs sowie die Rohrtrassen-
und Rohrleitungs­planung inklusive Rohrstatik unter ­Berücksichtigung der unternehmens­eigenen Erfahrungen und der Vorgaben und Anforderungen der verschiedenen Fachlieferanten.

// Die Koordination der verfahrenstechnischen Diskussionen im Zusammenwirken mit internen und externen Fachkräften.

// Die Durchführung bzw. Steuerung und Zusammenführung des Detail-­Engineerings.

// Die Erstellung der Sicherheitsanalyse für die verschiedenen Prozessabschnitte sowie für die Gesamtanlage.

// Die Überwachung der verschiedenen ­Lieferanten im Hinblick auf Einhaltung der europäischen und landes­spezi­fischen ­Anforderungen an Hygiene und Produktsicherheit ­(Lebensmittel und Futtermittel).

// Erstellung aller Gebäudestatik und die Realisierung ­aller baulichen Maßnahmen (Civil Works).

// Die Erstellung und Optimierung eines Zeitplans für das Gesamtprojekt.

//Gewährleistung einer einheitlichen ­Dokumentation während der Bauphase in Englisch und als finale ­(As-Built-) Dokumente in Französisch.

So wurden verschiedenste Fachfirmen und Länder integriert, um eine gut abgestimmte Gesamtanlage zu erhalten:

// Getreide-Handling aus Frankreich.

// Getreidevermahlung aus Italien.

// Glutenabtrennung aus Deutschland, Schweden und den Niederlanden.

// Glutentrockner aus Großbritannien.

// Alkoholanlage mit Fermentern, ­Maischebehandlung, Destillation, ­Rektifikation und Entwässerung aus ­Indien.

// Schlempe-Eindickanlagen aus den ­Niederlanden.
Kesselanlagen aus Dänemark bzw. Frankreich.

// Abwasseranlagen aus Belgien und Wasserauf­bereitungsanlagen aus Deutschland.

// Tanklager aus Belgien und Italien.

// Elektro- und Leittechnik aus Belgien und Deutschland.

Beim Kosten- und Zeitplan-Controlling wurde ein spezialisiertes Ingenieurbüro als „Owners-Engineer“ dem Generalplaner zur Seite gestellt.

Während der Cold-Commissioning-Phase wurden die Inbetriebnahmeaktivitäten Stück für Stück von der zwischenzeitlich verfügbaren und eingearbeiteten Produktionsmannschaft der CropEnergies BioWanze SA übernommen. Unterstützend waren Spezia­listen aus allen technischen Bereichen der SZ-Gruppe eingebunden.

Die Inbetriebnahme in der Winterzeit bereitete wegen einer ­ungewöhnlich langen Frostperiode einige Mühen und erforderte zusätzlichen Aufwand (z.B. Beheizung). Die teilweise neuartige Technologie und das insgesamt neuartige Zusammenspiel der ­verschiedenen Prozess- und Energieströme, aber auch einige – zwischenzeitlich behobene – Designfehler erforderten das ganze Engagement der Verantwortlichen, der Produktionsmannschaft und des unterstützen­den Teams. Vor allem das durch den großen Biomassekessel erforderliche Wechselspiel zwischen Energie- und Rohstofferzeugung bedurfte einiger Übung. So konnte die Anlage erfolgreich auf Designwerte hochgefahren werden und zeigen, dass die beschriebenen Ideen und Anforderungen in Produktionstechnik umsetzbar sind.

Zusammenfassung

Ziel war es, aufbauend auf den Erfahrun­gen der ersten Bioethanolgroßanlage in Zeitz (D), eine noch weiter gehende Integration der Produktion von Biokraftstoff in die ­Lebensmittel- und Futtermittelherstellungskette zu erreichen. Gleichzeitig sollte unter Wahrung ökonomischer Aspekte auch das Treibhausgasreduktionspotenzial für den Biokraftstoff erhöht werden. In einer umfassenden Recherche wurden nochmals die Vor- und Nachteile der einzelnen Biokraftstoffe evaluiert; am Ende kam Südzucker zu dem Schluss, dass unter den zurzeit geltenden Rahmenbedingungen und vor dem Hintergrund des agrarischen Potenzials die Produktion von Bioethanol integriert in die Herstellung von Lebensmittel- und ­Futtermittel bei gleichzeitiger Produktion von „grünem“ elektrischen Strom ein für Belgien bzw. Europa optimales Anlagendesign erlaubte. Dieses Konzept wurde in Zusammenarbeit mit einem Generalplaner und verschiedenen Fachfirmen als Subunternehmer am Standort Wanze in der Nähe von Lüttich erfolgreich umgesetzt. So entstand eine Anlage, in der neben „grünem“ elektrischen Strom bis zu 300.000m³ Bio­ethanol als Biokraftstoff mit einem konventionell gerechneten Treibhausgaseinsparpotenzial von ca. 70% bei gleichzeitiger Herstellung von ca. 55.000 Tonnen Protein für die Lebensmittel- und Futtermittelindustrie und einem flüssigen proteinreichen Futtermittel (ProtiWanze®) in einer Menge von über 200.000 Tonnen pro Jahr produziert werden können.

Die Umsetzung eines neuartigen Konzeptes bedarf neben dem Mut des Unternehmens vor allem engagierter Mitarbeit aller Beteiligten. Dem Team aus Generalplaner, Fachfirmen, externen Experten, insbesondere von CropEnergies/BioWanze und aus der Südzucker-Gruppe, sei hier nochmals für die erfolgreiche Realisierung gedankt.