Naturwissenschaft und Technik können die globalen Energieprobleme nicht vollständig lösen – aber sie können ihren Beitrag zur Lösung liefern. Regionale biogene Rest- und Abfallstoffe, die synthetisches Erdgas für die Kommune liefern; heimische Biorohstoffe, die einer konsequenten Kaskadennutzung aus stoffl icher und energetischer Nutzung unterworfen werden; Landschaftsbiomassen, die über Vergaser und Mikroturbinen zur dezentralen Stromund Wärmeerzeugung beitragen – das alles greift nicht nach den Sternen, sondern zeigt regionale Möglichkeiten zur nachhaltigen Energiebereitstellung auf. Neben Strom und Wärme ist auch Mobilität längst zu einem Grundbedürfnis geworden. Darüber hinaus wird durch die weltweit voranschreitende Urbanisierung, verbunden mit einer wachsenden örtlichen Trennung von Wohn- und Agrarregionen, auch der Warenverkehr zunehmend essentiell. Die Substitution fossiler Energieträger im Segment der Kraftstoffe ist daher eine wichtige Säule im Prozess hin zur nachhaltigen Energiewirtschaft. Angesichts der aktuellen Diskussionen um Landnutzungsänderungseffekte und Tank-Teller-Trog-Problematik kommt hier reststoffbasierten Biokraftstoffen eine besondere Bedeutung zu. Auch wenn neue Fördermethoden für fossile Energieträger derzeit weltweit zu einer Diversifi zierung führen – das Grundsatzproblem der Treibhausgasemissionen und anderer Klima- und Umwelteffekte bleibt natürlich bestehen. Daher stellten die Biokraftstoffprojekte bisher einen wichtigen Bestandteil im BMU-Förderprogramm „Energetische Biomassenutzung“ dar, und darum war es 2010 auch angeraten, sie in einer eigenen „Fokusgruppe Biokraftstoffe“ zu bündeln. Zukünftig sollen reststoff- und abfallbasierte Biokraftstoffprojekte außerhalb des Förderprogramms unterstützt werden. Es ist zu wünschen, dass dieses gesellschaftlich wie wirtschaftlich bedeutende Themenfeld auch weiterhin in der Forschungslandschaft der Bundesrepublik verankert bleibt.

The influence of catalyst characteristics, i.e., acidity and porosity on the product distribution in the cracking of triglyceride-rich biomass under fluid catalytic cracking (FCC) conditions is reported. It has found that the degradation degree of triglyceride molecules is strongly dependent on the catalysts’ acidity. The higher density of acid sites enhances the conversion of triglycerides to lighter products such as gaseous products and gasoline-range hydrocarbons. The formation of gasolinerange aromatics and light olefins (propene and ethene) is favored in the medium pore channel of H-ZSM-5. On the other hand, heavier olefins such as gasoline-range and C4 olefins are formed preferentially in the large pore structure of zeolite Y based FCC catalyst (Midas-BSR). With both catalysts, triglyceride molecules are mainly converted to a mixture of hydrocarbons, which can be used as liquid fuels and platform chemicals. Hence, the utilization of the existing FCC units in conventional petroleum refineries for processing of triglyceride based feedstock, in particular waste cooking oil may open the way for production of renewable liquid fuels and chemicals in the near future. / Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu khả năng tích hợp sản xuất nhiên liệu sinh học và hóa phẩm từ nguồn nguyên liệu tái tạo sinh khối giầu triglyceride bằng công nghệ cracking xúc tác tấng sôi (FCC) trong nhà máy lọc dầu. Kết quả nghiên cứu cho thấy xúc tác có ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả chuyển hóa triglyceride thành hydrocarbon. Tính acid của xúc tác càng mạnh thì độ chuyển hóa càng cao và thu được nhiều sản phẩm nhẹ hơn như xăng và các olefin nhẹ. Xúc tác vi mao quản trung bình như H-ZSM-5 có độ chọn lọc cao với hợp chất vòng thơm thuộc phân đoạn xăng và olefin nhẹ như propylen và ethylen. Với kích thước vi mao quản lớn, xúc tác công nghiệp FCC dựa trên zeolite Y ưu tiên hình thành C4 olefins và các olefin trong phân đoạn xăng. Ở điều kiện phản ứng của quá trình FCC, triglyceride chuyển hóa hiệu quả thành hydrocarbon mà có thể sử dụng làm xăng sinh học cho động cơ và olefin nhẹ làm nguyên liệu cho tổng hợp hóa dầu.

Biofuel production has grown considerably between 2004 and 2009. Global ethanol production more than doubled from 30 to 76 billion litres (1,609 PJ1) while global biodiesel grew eight-fold from 2 to 17 billion litres (550 PJ2) (REN21 Secretariat 2010, 13). In 2008, biofuels provided 2,109 PJ of fuel consumption, while global oil and natural gas consumption for the transport sector amounted to 93,282 PJ (International Energy Agency 2010). Mandatory blending of biofuels has been enacted in at least 41 states/provinces and 24 countries at the national level in 2009, and the EU Directive 2009/28/EC mandates the member states to ensure that at least 10% of the final consumption of energy in transport shall come from renewable sources (European Parliament 2009). Although specific framework conditions and objectives of these programmes differ from country to country, the following overall driving forces can be identified since they represent global challenges (International Transport Forum of the Organisation for Economic Co-operation and Development 2008a, 4). [... aus der Einleitung]

The influence of catalyst characteristics, i.e., acidity and porosity on the product distribution in the cracking of triglyceride-rich biomass under fluid catalytic cracking (FCC) conditions is reported. It has found that the degradation degree of triglyceride molecules is strongly dependent on the catalysts’ acidity. The higher density of acid sites enhances the conversion of triglycerides to lighter products such as gaseous products and gasoline-range hydrocarbons. The formation of gasolinerange aromatics and light olefins (propene and ethene) is favored in the medium pore channel of H-ZSM-5. On the other hand, heavier olefins such as gasoline-range and C4 olefins are formed preferentially in the large pore structure of zeolite Y based FCC catalyst (Midas-BSR). With both catalysts, triglyceride molecules are mainly converted to a mixture of hydrocarbons, which can be used as liquid fuels and platform chemicals. Hence, the utilization of the existing FCC units in conventional petroleum refineries for processing of triglyceride based feedstock, in particular waste cooking oil may open the way for production of renewable liquid fuels and chemicals in the near future. / Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu khả năng tích hợp sản xuất nhiên liệu sinh học và hóa phẩm từ nguồn nguyên liệu tái tạo sinh khối giầu triglyceride bằng công nghệ cracking xúc tác tấng sôi (FCC) trong nhà máy lọc dầu. Kết quả nghiên cứu cho thấy xúc tác có ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả chuyển hóa triglyceride thành hydrocarbon. Tính acid của xúc tác càng mạnh thì độ chuyển hóa càng cao và thu được nhiều sản phẩm nhẹ hơn như xăng và các olefin nhẹ. Xúc tác vi mao quản trung bình như H-ZSM-5 có độ chọn lọc cao với hợp chất vòng thơm thuộc phân đoạn xăng và olefin nhẹ như propylen và ethylen. Với kích thước vi mao quản lớn, xúc tác công nghiệp FCC dựa trên zeolite Y ưu tiên hình thành C4 olefins và các olefin trong phân đoạn xăng. Ở điều kiện phản ứng của quá trình FCC, triglyceride chuyển hóa hiệu quả thành hydrocarbon mà có thể sử dụng làm xăng sinh học cho động cơ và olefin nhẹ làm nguyên liệu cho tổng hợp hóa dầu.

Biokraftstoffe erweisen sich derzeit als eine der bedeutendsten erneuerbaren Alternativen im Mobilitätssektor und sollen künftig maßgeblich zu einer nachhaltigen Mobilität beitragen. Im Verkehrsbereich stellen die Bioethanolherstellung aus Getreide und Zuckerrüben sowie die Biodieselherstelllung aus Raps, Soja, Palmöl und anderen Pflanzenölen aus heutiger Sicht kommerziell verfügbare und langjährig erprobte Optionen dar, fossile Energieträger zu ersetzen. Die Herstellung und Verwendung von Biokraftstoffen ist in Europa seit 2011 an besondere Anforderungen bezüglich ihrer nachhaltigen Erzeugung gebunden. Im Zuge der Debatte um die Sicherstellung nachhaltiger Biokraftstoffproduktionssysteme müssen bestehende und neue Anlagen hohen Anforderungen gerecht werden. Durch die in der Biokraftstoff- Nachhaltigkeitsverordnung (Biokraft-NachV) geregelte Bemessung der Biokraftstoffquote anhand der Treibhausgas-Minderungspotenziale seit dem Jahr 2015 wird ein zusätzlicher Anreiz für die Optimierung der THG-Bilanz bestehender Biokraftstoffproduktionsanlagen gegeben. Diese Optimierungen sind mit zusätzlichen Investitionen verbunden und haben einen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Biokraftstoffanlagen. Vor diesem Hintergrund war das Ziel des Vorhabens, technische Optimierungspotenziale innerhalb der Produktionsanlagen zu untersuchen. Durch eine Bestandsaufnahme der Anlagen sowie eine Überprüfung der verfahrenstechnischen Möglichkeiten zur Senkung der THG-Emissionen und deren ökonomischen Auswirkungen sollten Verbesserungsmöglichkeiten aufgezeigt werden. Damit sollte in Bezug auf die Ökonomie, die Ökologie und den Klimaschutz eine nachhaltige Bereitstellung heimisch erzeugter Biokraftstoffe wirkungsvoll unterstützt werden. In diesem Sinne werden die Weichen für eine nachhaltige und gleichzeitig wettbewerbsfähige Ausrichtung der deutschen Biokraftstofferzeugung gestellt.

Die Ziele der vorliegenden Studie sind es, sowohl die Faktoren zu identifizieren, die den Ethanol-Kraftstoffmarkt der EU27 und der USA bis zum Jahr 2023 entscheidend beeinflussen werden, als auch die Bildung unterschiedlicher Szenarien, die den jeweiligen Markt im Jahr 2023 beschreiben. Anlass der Untersuchung war die Erkenntnis, dass die etablierten Forschungsinstitute ein weiteres Wachstum des Ethanolmarktes der EU27 und der USA prognostizieren, obwohl derzeitig eine starke Verunsicherung der Märkte vorherrscht und es im Jahr 2012 zu einem Rückgang der Ethanolproduktion in beiden Regionen gekommen ist. Die Verunsicherung des Ethanolmarktes der EU27 ist auf eine mögliche Änderung der politischen Förderung von Bi-okraftstoffen zurückzuführen, um einen Wandel des momentanen Ethanolmarktes der ersten Generation hin zu einem Markt der zweiten Generation zu erreichen. Der US-amerikanische Ethanolmarkt wird durch die „Blend Wall“-Problematik und einer möglichen Absenkung der Verbrauchsmandate des RFS 2 verunsichert. Die Erfüllung der beiden genannten Untersuchungsziele erfolgt mittels eines optimierten Ver-fahrens der Szenario-Technik, welches sich in die drei Kernschritte „Szenariofeld-Analyse“, „Szenario-Prognostik“ und „Szenario-Bildung und -Konsistenzprüfung“ untergliedert. Für den Ethanolmarkt der EU27 wird nach Durchführung des ersten Kernschritts ersichtlich, dass der Markt entscheidend von politischen Faktoren beeinflusst werden wird. Auch der US-amerikanische Markt wird in Zukunft erheblich durch die Politik und die „Blend Wall“-Problematik bestimmt sein. Die Erstellung der Szenarien erfolgt mithilfe der Kernschritte 2 und 3. Der Ethanolmarkt der EU27 im Jahr 2023 wird durch vier Szenarien beschrieben, die sowohl einen starken Anstieg des Ethanolmarktes der ersten Generation als auch einen Wandel des Marktes hin zur zwei-ten Generation prognostizieren. Infolge des Wandels würde der Markt schrumpfen und keine Nachfrage mehr nach Biokraftstoffen der ersten Generation in der EU27 bestehen. Eine sol-che Entwicklung würde die bereits bestehende Ethanolindustrie der ersten Generation in ihrer Existenz bedrohen. Der US-amerikanische Ethanolmarkt im Jahr 2023 wird ebenfalls durch vier Szenarien dar-gestellt. Beschreiben diese auf der einen Seite einen sehr starken Anstieg des Marktes, da der RFS 2 unverändert bleibt, prognostizieren sie auf der anderen Seite aufgrund einer star-ken Kürzung des RFS 2 ein nur moderates Marktwachstum. Im Gegensatz zur EU27 wird die bereits bestehende Ethanolindustrie in den USA jedoch nicht in Frage gestellt.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz biogener Ersatzbrennstoffe bei der motorischen Verbrennung. Zum einen wurden die laminaren Brenngeschwindigkeiten von Ethanol und iso-Butanol sowie Gemischen mit iso-Oktan bestimmt. Es konnten Messwerte für die Validierung von numerischen Mechanismen sowie Parameter für die Abbildung der Temperatur- und Druckabhängigkeit der Brenngeschwindigkeit bestimmt werden. Der Vergleich der Messverfahren zeigt eine gute Übereinstimmung. Zum anderen wurden die Auswirkungen der Beimischung von Wasserstoff auf die Abgaszusammensetzung und den Wirkungsgrad an einem Verbrennungsmotor ermittelt. Die Erhöhung des Wasserstoffanteils führt zur Erhöhung des Wirkungsgrades. Die Abgasbestanteile Kohlenstoffmonoxid, Formaldehyd und Methan werden reduziert, während Stickoxide zunehmen. Mit den begleitenden Simulationen kann gezeigt werden, dass höhere Wasserstoffanteile die Oxidation durch einen erhöhten Anteil an OH-Radikalen begünstigen. Der Grund für das verstärkte Auftreten von Stickstoffmonoxid liegt in der Verlängerung der Verweilzeit der verbrannten Gase in der Oxidationszone.

Biofuel production has grown considerably between 2004 and 2009. Global ethanol production more than doubled from 30 to 76 billion litres (1,609 PJ1) while global biodiesel grew eight-fold from 2 to 17 billion litres (550 PJ2) (REN21 Secretariat 2010, 13). In 2008, biofuels provided 2,109 PJ of fuel consumption, while global oil and natural gas consumption for the transport sector amounted to 93,282 PJ (International Energy Agency 2010). Mandatory blending of biofuels has been enacted in at least 41 states/provinces and 24 countries at the national level in 2009, and the EU Directive 2009/28/EC mandates the member states to ensure that at least 10% of the final consumption of energy in transport shall come from renewable sources (European Parliament 2009). Although specific framework conditions and objectives of these programmes differ from country to country, the following overall driving forces can be identified since they represent global challenges (International Transport Forum of the Organisation for Economic Co-operation and Development 2008a, 4). [... aus der Einleitung]

Land ist eine kritische Ressource für nachhaltige Entwicklung, doch ihre relative Knappheit erfordert Abwägungen, die für eine Gestaltung von nachhaltiger und gerechter Politik identifiziert werden müssen. Diese ist empirisch herausfordernd, da Landressourcen in verschiedenen abgelegenen lokalen Bedingungen genutzt werden und über voneinander abhängigen globalen Märkten gehandelt werden. Diese Dissertation trägt mit drei empirischen Studien zu dieser Identifizierungsbemühung bei. Das erste Kapitel hinterfragt das Potenzial von Preisanreizen zur Eindämmung der Entwaldung für Ölpalmplantagen in Indonesien. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass machbare marktbasierte Eingriffe in der vorgelagerten Palmöl-Lieferkette die nicht regulierte Entwaldung effektiv und gerecht reduzieren könnten, die ansonsten dem globalen Bedarf folgen würde. Das zweite Kapitel untersucht die Ausbreitungsmechanismen, durch die Schocks auf globalen Landressourcenmärkten indirekt zu Landnutzungsänderungen führen. Die Ergebnisse bestätigen einen globalen Verdrängungsmechanismus und etablieren einen kausalen Zusammenhang zwischen den Renewable Fuel Standards (RFS) in den Vereinigten Staaten und der Ausweitung bedeutender landwirtschaftlicher treibender Kräfte der Entwaldung in pan-tropischen Gebieten. Das dritte Kapitel erforscht die Auswirkungen der RFS auf internationale Unterernährung. Die Ergebnisse zeigen, dass der disruptive Effekt der Nachfrage-Schocks durch die RFS dank ihrer Vorhersehbarkeit abgemildert wird. Dennoch werden Bedenken bezüglich der Ernährungssicherheit in Ländern erhoben, in denen die Lebensmittelversorgung von Importen abhängt, insbesondere im Falle unerwarteter Schocks auf den globalen Märkten für Landressourcen. / Land is a critical resource for sustainable development, but its relative scarcity implies trade-offs that need to be identified to design sustainable and fair policy. This task is challenging empirically, because land resources are used in a variety of remote local conditions, and they are traded through interdependent global markets. This thesis contributes three empirical studies to this identification effort. The first chapter questions the potential of price incentives to mitigate deforestation for oil palm plantations in Indonesia. The results indicate that feasible market interventions upstream the palm oil supply chain could effectively and equitably mitigate unregulated deforestation otherwise left to follow global demand. The second chapter tests the propagation mechanisms through which shocks on global markets for land resources indirectly cause land use change. The results corroborate a global scale displacement mechanism specifically, and they establish a causal link between the Renewable Fuel Standards (RFS) in the United States and the expansion of major agricultural drivers of deforestation in pan-tropical areas. The third chapter explores the impact of the RFS on international undernourishment. The results indicate that the disruptive effect of the demand shocks by the RFS is mitigated by their predictability. Yet, this raises concerns about food security in countries where calorific supply depends on imports, in the case of unexpected shocks on global markets for land resources.