Wie wird Ethanol hergestellt?

Wie wird Ethanol hergestellt? Es erfordert etwas mechanisches Geschick, aber Sie können Kraftstoff herstellen, indem Sie geeignete Ausgangsstoffe zu 96-prozentigem Alkohol vergären.

Was wäre, wenn es einen Kraftstoff gäbe, der erschwinglich und erneuerbar wäre und direkt in Ihrer eigenen Gemeinde produziert würde? Wenn Sie vor 100 Jahren gelebt hätten, hätten Sie alles über einen solchen Brennstoff gewusst. Es hieß Alkohol und war eine sauber brennende Flüssigkeit, die im Allgemeinen als Lampenbrennstoff verkauft wurde. Erst kürzlich haben wir einen erneuten Blick auf Alkoholkraftstoff – heute besser bekannt als Ethanol – und sein Potenzial als inländischer Kraftstoff für den Transport geworfen.

Ich bin nicht hier, um Ihnen von der agrarindustriellen Agenda zur Produktion von Ethanol in großem Maßstab zu erzählen. Was ich Ihnen sagen werde, ist, wie Sie Ihren eigenen Kraftstoff herstellen, um ihn in Ihrem Fahrzeug oder in anderen Gasmotoren wie einem Motorrad, einer Motorhacke oder einem Rasentraktor zu verwenden. Sie können diese Gasmotoren so modifizieren, dass sie mit reinem Alkohol betrieben werden (mehr zu Motormodifikationen finden Sie weiter unten im Abschnitt „Betreiben Sie Ihr Auto mit Ethanol“).

Wenn es in kleinem Maßstab hergestellt wird, kann Ethanol aus Getreide hergestellt werden, das Sie selbst angebaut haben – oder aus einer Vielzahl anderer lokaler und nachhaltiger Rohstoffe, einschließlich Lebensmittelabfällen und Ernteabfällen. Mit ein wenig Spezialausrüstung und Know-how können Sie diese Materialien in Alkoholkraftstoff umwandeln, und das kostet weniger, als Sie an der Zapfsäule für Benzin oder kommerziell hergestelltes Ethanol bezahlen würden.

Sie können Ihr eigenes Ethanol zu laufenden Kosten von weniger als 2 US-Dollar pro Gallone herstellen. Wenn Sie Ihren eigenen Mais anbauen, können Sie aus 1 Hektar Mais mehr als 300 Gallonen Ethanol destillieren. Wenn Sie weniger als 10.000 Meilen pro Jahr fahren, könnten Sie Ihren gesamten Treibstoff aus 2 Hektar Mais produzieren – und zugegebenermaßen mit viel Arbeit. Kurz gesagt, wenn ich über Ethanol spreche, meine ich den selbstgemachten Kraftstoff und die Ausübung lokaler Eigenständigkeit auf individueller und gemeinschaftlicher Ebene.

Eines der stärksten Argumente für Ethanolkraftstoff ist, dass wir ihn selbst herstellen können, ohne auf ausländische Ressourcen angewiesen zu sein. Im Jahr 1925 sagte Henry Ford einem Reporter der New York Times: „Der Jahresertrag eines Hektars Kartoffeln enthält genug Alkohol, um die für die Bewirtschaftung der Felder notwendigen Maschinen hundert Jahre lang anzutreiben.“ Dieser Selfmade-Geschäftsmann erkannte den Wert der amerikanischen Farm und insbesondere die Bedeutung von Materialien aus dem Inland. Er stellte sich Bauernhöfe im ganzen Land vor, die die für die Herstellung von Treibstoff und Nahrungsmitteln benötigten Pflanzen liefern würden.

Ein weiterer Grund, warum Ethanol eine so attraktive Kraftstoffoption ist, liegt darin, dass es sich im Wesentlichen um flüssige Energie handelt. Ethanol ist eine klare Flüssigkeit, die viel Energie in eine nutzbare, speicherbare und transportierbare Form verpackt – nur Erdöl kann mit Ethanol auf Energie-pro-Volumen-Basis konkurrieren. Aber Ethanol hat den zusätzlichen Vorteil, dass es mit Sauerstoff angereichert ist, was bedeutet, dass es Sauerstoff in seiner Molekülstruktur enthält, was zu einer saubereren Verbrennung führt. Im Vergleich zu Benzin emittiert Ethanol etwa 20 Prozent weniger Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid.

Möchtegern-Kraftstoffproduzenten müssen eine Genehmigung für die Herstellung ihres eigenen Kraftstoffs beantragen, aber nach der Energiekrise der 1970er Jahre hat die Bundesregierung das Genehmigungsverfahren erheblich vereinfacht. Das Finanzministerium erkannte den Unterschied zwischen Getränken und Spirituosen und stellte einen vereinfachten Antrag für eine Genehmigung als Hersteller von Alkoholkraftstoffen (Formular 5110.74) aus, der einen Kleinproduzenten als denjenigen bezeichnet, der bis zu 10.000 Proof-Gallonen Kraftstoff pro Jahr herstellen kann Jahr. (Eine Gallone Proof ist eine flüssige Gallone Spirituosen, die bei 60 Grad Fahrenheit zu 50 Prozent aus Alkohol besteht.) Das reicht aus, um 5.263 Gallonen 190-Prozent-Ethanolkraftstoff herzustellen. Jeder Staat hat seine eigenen Genehmigungsanforderungen, die sich im Allgemeinen an den Bundesvorschriften orientieren. Sie müssen sich über Steuern und alle geltenden staatlichen und lokalen Vorschriften informieren. In jedem Fall muss der Kraftstoffalkohol durch Zugabe von mindestens 2 Volumenprozent Kerosin oder bleifreiem Benzin „denaturiert“ bzw. trinkuntauglich gemacht werden.

Die Ethanolproduktion ist ein natürlicher Prozess, der durch die Fermentation von Kohlenhydraten – organischen Verbindungen, die Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthalten – zustande kommt. Pflanzen und Nutzpflanzen produzieren Kohlenhydrate in Form von Stärke, Zucker und Zellulose. Die Bindungen in der Molekülstruktur von Cellulosen sind schwer zu brechen, aber die meisten pflanzlichen Stärken und Zucker lassen sich durch Zugabe von Wärme, Wasser und Enzymen leicht in einfache Zucker zerlegen. Sobald die Einfachzucker hergestellt sind, wird Hefe hinzugefügt, um sich an dem Zucker zu erfreuen, sich zu vermehren und dabei Kohlendioxid und Alkohol auszutreiben.

Die Wahl des Rohmaterials ist ein wichtiger Faktor. Pflanzen mit einem hohen Zucker- oder Stärkegehalt sind ideal, aber nahezu jede Ernte oder jeder Ernteüberschuss kann funktionieren (wenn sie verwendet werden, bevor der Verderb einsetzt), sodass Sie die wirtschaftlichsten und nachhaltigsten Materialien wählen können, die Ihnen zur Verfügung stehen. Äpfel und andere kleine Früchte, Kartoffeln, Bohnen, Weizen, Roggen und Sorghumkörner sind potenzielle Kandidaten – ebenso wie Käsemolke, der Milchzucker, der bei der Verarbeitung übrig bleibt. Abfälle aus der Lebensmittelverarbeitung aus der Getränke-, Back-, Snack- und Süßwarenindustrie haben bekanntermaßen einen hohen Zucker- (oder Stärkegehalt) und können eine Alternative zu direkt vom Feld bezogenen Rohstoffen darstellen.

Nach Abschluss der Fermentation muss das Ethanol aus dem Wasser destilliert werden. Dies gelingt am besten mit einem Rückflussdestillierapparat, der mit einer Destillationskolonne ausgestattet ist. Die Kolonne verwendet eine Reihe perforierter Platten oder gepackter Kammern, um das Wasser in einem Prozess namens Fraktionierung zu entfernen. Während die erhitzten Wasser- und Alkoholdämpfe durch jede Stufe aufsteigen, entsteht ein zunehmend stärkerer Alkoholdampf. Während der Destillation muss die Kolonnentemperatur kontrolliert werden, um die unterschiedlichen Siedepunkte der beiden Flüssigkeiten auszunutzen. Die Alkoholdämpfe steigen auf, während das Wasser kondensiert und zurückfällt, um als Dampfgemisch immer wieder wieder zugeführt zu werden.

Die stärksten Alkoholdämpfe treten am Kopf der Kolonne aus, werden von einem Wasserkondensator gekühlt und als 192-prozentiges (96 Prozent reines) Ethanol gesammelt. Obwohl es möglich ist, die letzten 4 Prozent aus der Mischung herauszuholen, erfordert dies zusätzliche Ausrüstung und ist für einen kleinen Betreiber in der Regel unerschwinglich. Außerdem beeinträchtigt die geringe Wassermenge die Motorleistung nicht.

Automotoren müssen für den Betrieb mit reinem Ethanol umgerüstet werden. Zu den einfachsten Motormodifikationen gehören das Vorverstellen des Zündzeitpunkts um mehrere Grad, das Neudüsen des Hauptkraftstoffkreislaufs des Vergasers, um den Düsendurchmesser um 30 bis 35 Prozent der Fläche zu vergrößern, und das Anpassen oder Vergrößern des Leerlaufkreislaufs, um einen größeren Kraftstofffluss zu ermöglichen. Bei Motoren mit Kraftstoffeinspritzung können die Einspritzdüsen ausgetauscht werden, um den Durchfluss zu erhöhen, oder der Kraftstoffdruck erhöht werden.

Es gibt auch Nachrüstsätze, die darauf ausgelegt sind, das Mikroprozessor-Steuergerät des Motors dazu zu bringen, den Kraftstoffimpuls länger offen zu halten oder einen künstlich mageren Zustand durch Anreicherung des Luft-Kraftstoff-Gemisches auszugleichen. Motoren können für Ethanol weiter optimiert werden, indem Kraftstoff und Luft vorgewärmt, der Wärmebereich der Zündkerzen variiert und das Verdichtungsverhältnis erhöht werden.

Was braucht es also, um eine kleine Brennerei zu gründen? Das hängt davon ab, wie klein die Operation sein soll. Ein einfacher Batch-Destillierapparat kann aus einem alten Warmwasserbereiter und einem 3-Zoll-Rohr hergestellt und mit Holz oder Erdgas beheizt werden. Ein Destillierapparat dieser Größe produziert etwa 1 1/2 Gallonen Ethanol in Kraftstoffqualität pro Stunde. Für eine Investition von weniger als 100 US-Dollar könnten Sie einen Rasentraktor oder ein kleines Motorrad mit vollständig erneuerbarem, selbst hergestelltem Kraftstoff betreiben.

Auf einer praktischeren Skala bringt Sie der Bau einer 6-Zoll-Säulenanlage in die Produktionsgrenze von 6 Gallonen pro Stunde – eine beträchtliche Ausbeute, die jedoch mit zusätzlichen Kosten verbunden ist. Bei dieser Größe sind Sie am besten mit einer Hammermühle oder Mühle zur Vorbereitung des Ausgangsmaterials, getrennten Koch- und Gärtanks, einem Lagerbehälter für Schlempe oder Bier mit Resten (zusammen mit einer Presse zum Trennen der marktfähigen Destillierkörner) ausgestattet Lagerung für das Ethanol selbst. Kreiselpumpen, Rohrleitungen und Ventile sind ebenso ein notwendiger Bestandteil des Plans wie ein Aräometer, mehrere Thermometer sowie Messgeräte für pH- und Zuckertests. Eine 6-Zoll-Säule, die an einen 500- bis 1.200-Gallonen-Tank gekoppelt ist, kann eine Charge in vier bis sieben Stunden verarbeiten.

Wenn Sie Weichstahl verwenden, können Sie die Komponenten schweißen und Ihre Säule bauen, ohne dass besondere Fähigkeiten oder Ausrüstung erforderlich sind – obwohl das Metall mit der Zeit irgendwann oxidiert. Edelstahl ist eine bessere Wahl, wird aber wahrscheinlich auf Bottiche und Lagertanks beschränkt sein, es sei denn, Sie verfügen über ein beträchtliches Budget für die professionelle Fertigung. Gebrauchte Destillationskolonnen sind manchmal bei landwirtschaftlichen und industriellen Auktionshändlern erhältlich.

Die Kosten für die Herstellung von Ethanol hängen davon ab, wie viel Aufwand Sie in den Prozess stecken. Selbst die Verwendung ausgesonderter Rohstoffe garantiert kein wirtschaftliches Produkt, wenn bei der Produktion Energie verschwendet wird. Quelle, Dauer und Grad des Wärmeeintrags sind wesentliche Faktoren, die durch den Einsatz effizienter Enzyme und Wärmerückgewinnungskonzepte eingespart werden können. Die Verwendung alkoholtoleranter Hefen mit Nährstoffen verbessert auch die Umwandlungseffizienz, und die optimale Nutzung nützlicher Nebenprodukte (z. B. proteinreiches Destilliergetreide) trägt zum Endergebnis bei.

Wenn Sie sich in einer ländlichen Umgebung befinden und sich dafür entscheiden, einen Hektar oder mehr Ackerland für die Ethanolproduktion zu nutzen, müssen Sie bestimmen, welche lokal geeignete Kulturpflanze das beste Gleichgewicht zwischen Winterhärte, Wassertoleranz, Ernteaufwand und Alkohol (Zucker und Zucker) bietet Stärke) Ausbeute. Der vergärbare Anteil gewöhnlicher Getreide- und Hackfrüchte schwankt drastisch zwischen 16 und fast 80 Prozent. Wahrscheinlich wichtiger ist der Alkoholertrag pro Hektar, der von etwa 300 Gallonen für Feldmais über 400 Gallonen für Zuckerrüben bis hin zu fast 600 Gallonen für Zuckerrohr, Sorghum und Topinambur reichen kann. Andere Nutzpflanzen haben möglicherweise geringere Erträge, bieten aber Vorteile bei der Umwandlung, Lagerung oder Verarbeitung. In der folgenden Tabelle finden Sie eine Aufschlüsselung der repräsentativen Kosten und der Erstattung für eine kleine Operation, die je nach Ihrer speziellen Situation variieren kann.

Und bedenken Sie: Ob man Ethanol in kleinem Maßstab für weniger als die heutigen Benzinkosten herstellen kann, ist nicht die einzige Frage. Sie haben außerdem die Gewissheit, dass Sie einen sauber verbrennenden, nachhaltig produzierten Kraftstoff verwenden und dass Sie unabhängig davon, wie hoch die Gaspreise in Zukunft steigen werden, Ihren eigenen Kraftstoff zu einem vernünftigen Preis herstellen können.

Ursprünglich veröffentlicht als „Make Your Own Gas! Alcohol Fuel Basics“ in der April/Mai-Ausgabe 2010 von MOTHER EARTH NEWS.

Richard Freudenberger leitete von 1980 bis 1990 die Forschungseinrichtungen von MOTHER EARTH NEWS und koordinierte in dieser Zeit unser Alcohol Fuel-Programm. Er lebt in Hendersonville, NC, und ist Herausgeber und technischer Redakteur des BackHome Magazine. Er ist außerdem Autor von Alcohol Fuel: Making and Using Ethanol as a Renewable Fuel.