Gewinnung, Aufbereitung und Analyse verschiedener Pflanzenöle auf ihre Eignung als Alternativtreibstoffe
Semesterarbeit der Studenten zur Korrektur:
Ein Artikel des Professor, finden Sie unter:
http://www.chanvre-info.ch/info/de/Pflanzenol-der-nachwachsende,3328.html
Durch das steigende Verkehrsaufkommen werden immer mehr Emissionen verursacht. Vor allem bezüglich der Senkung des CO2- Ausstosses sind möglichst wirksame und kostengünstige Massnahmen gefragt. Eine Möglichkeit, CO2-Emmissionen zu vermindern ist, Motoren anstelle von Dieselöl mit dem Alternativtreibstoff Pflanzenöl zu betreiben. Bereits gründlich analysiert und bestens bekannt in diesem Zusammenhang ist das Rapsöl. Es gilt deshalb bezüglich Qualität von Pflanzenölen, die als Kraftstoffe eingesetzt werden, als Referenz.
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Durch das steigende Verkehrsaufkommen werden immer mehr Emissionen
verursacht. Vor allem bezüglich der Senkung des CO2- Ausstosses sind möglichst
wirksame und kostengünstige Massnahmen gefragt. Eine Möglichkeit,
CO2-Emmissionen zu vermindern ist, Motoren anstelle von Dieselöl mit dem
Alternativtreibstoff Pflanzenöl zu betreiben. Bereits gründlich analysiert
und bestens bekannt in diesem Zusammenhang ist das Rapsöl. Es gilt deshalb
bezüglich Qualität von Pflanzenölen, die als Kraftstoffe eingesetzt
werden, als Referenz.
Ein Hauptanliegen ist die Schaffung von breiteren Grundlagen, die es der Landwirtschaft
ermöglichen, auf einem Teil ihrer Flächen nachwachsende Energieträger
anzubauen.
Das zweite Anliegen ist es, zusätzliche Ölpflanzen abzuklären,
die Raps ergänzen können, da dieser in einer Fruchtfolge nur alle
4 bis 6 Jahre erscheinen darf.
Das Ziel dieser Semesterarbeit war es, die Öle von Hanf, Lein, Leindotter
und Mohn zu pressen, aufzubereiten und auf ihre Kraftstoffeignung hin zu analysieren.
Es sollte ermittelt werden, wie weit diese Öle als Alternativkraftstoffe
für pflanzenöltaugliche Dieselmotoren geeignet sind.
Die Ölgewinnung geschah mit einer Komet Schneckenpresse des Typs CA 59
G. Nach dem Pressen wurden die Öle zum Absetzen einige Tage stehen gelassen.
Die auf Pflanzenöl spezialisierte ASG- Analytik GmbH in Neusäss- Täfertingen
unterstützte unsere Arbeit in grosszügiger Weise, indem uns das ASG-Team
den kostenlosen Aufenthalt organisierte, uns in die entsprechende Analytik einführte
und ebenfalls die Gesamtanalysen in ihrem Haus ohne Kostenfolge für die
SHL vollständig übernahmen.
Die Resultate ergaben ein mehr oder weniger zufriedenstellendes Bild.
Bei Parametern wie der Oxidationsstabilität, der Jodzahl und der Gesamtverschmutzung
werden die Grenzwerte von den untersuchten Ölen nicht erreicht beziehungsweise
teilweise massiv überschritten. Die übrigen Qualitätskriterien
(RK-Qualitätsstandard 05/2000) werden von den vier Ölen ohne weitere
technische Eingriffe erfüllt.
Die Laborergebnisse zeigen, dass zur Produktion der Öle von Hanf, Lein,
Leindotter und Mohn zur Kraftstoffnutzung teilweise noch technische Massnahmen
nötig sind, um die geforderte Qualität zu erreichen. Neben der der
Ölqualität sind aber auch noch Faktoren wie die Saatgutbeschaffung,
die Saatgutpreise, die Anbautechnik und die gültigen gesetzlichen Rahmenbedingungen
in die Betrachtung mit einzubeziehen.
Werden alle Faktoren von der Qualität über die Anbautechnik bis hin
zu den Gesetzesgrundlagen berücksichtigt, so haben lediglich Lein und Leindotter
reelle Chancen, in der Schweiz den Durchbruch als Ölpflanzen für die
technische Nutzung zu schaffen.
1.1 Ausgangslage
Das stets ansteigende Verkehrsaufkommen verursacht immer mehr Emissionen. Der
Sachzwang, vor allem den klimarelevanten CO2-Ausstoss zu vermindern, wurde in
den letzten Jahren zu einem zunehmend gewichtigeren Thema. Die Industrienationen
sind an den Weltklimakonferenzen Verpflichtungen zur CO2- Emissionssenkung eingegangen.
Damit wird die Politik zum Handeln gezwungen. Es sind also wirksame, möglichst
schnelle und kostengünstig umsetzbare Senkungsmassnahmen gefragt. Nach
Sergis [10] kann dies einerseits durch Einsparung von fossilen Energieträgern
geschehen und andererseits durch vermehrte Nutzung von regenerativen Energieträgern.
Eine Möglichkeit der Umsetzung ist das Betreiben von Dieselfahrzeugen mit
dem regenerativen Energieträger Pflanzenöl. Bis heute stand dabei
das Rapsöl im Zentrum. Diese im europäischen Raum bevorzugte Ölfrucht
wird seit Jahren intensiv auf ihre Eignung für technische Zwecke geprüft
und auch eingesetzt. Damit die erforderliche Qualität des Öls festgelegt
ist, wurde der Rapsölkraftstoff-Standard (RK-Qualitätsstandard 05/2000)
entwickelt (vgl. Kapitel 2.3.4). Darin sind die Qualitätsanforderungen
für Rapsöle zur Treibstoffnutzung festgehalten. Damit ist Rapsöl
der bis heute am besten erforschte, unveränderte Alternativkraftstoff und
wird damit auch zum Massstab für Öle anderer Pflanzen. Tatsache ist
aber, dass die Rapsanbauflächen aus fruchtfolgetechnischen Gründen
nicht beliebig erweitert werden können. So gilt es, andere potentielle
Ölpflanzen ausfindig zu machen und die Qualität deren Öle zu
untersuchen.
Die Produktion von Pflanzenölen in kleinen, oft dezentral gelegenen Anlagen
birgt ein Potenzial an Arbeitsplätzen und Einkommen in der Anbauregion.
Neben dem Vorteil der CO2-Entlastung beim Einsatz von Pflanzenölen schafft
ihre Produktion der Landwirtschaft willkommene Erwerbsnischen und die Chance
zur Partizipation im zukunftsträchtigen Sektor Energieerzeugung. Nebst
dem Eigenverbrauch lässt sich Pflanzenöl ebenfalls lokal verkaufen
und hilft somit einen Kundenstamm aufzubauen und generell für die Abnahme
landwirtschaftlicher Produkte zu erschliessen.
1.2 Ziele der Arbeit
Im Rahmen dieser Semesterarbeit wurden die Öle von Hanf, Lein, Leindotter
und Mohn durch Kaltpressung gewonnen, aufbereitet und auf ihre Kraftstoffeignung
hin analysiert. Ziel war es, die Analysenwerte mit den für Rapsöl
vorgegebenen Qualitätsnormen zu vergleichen und die Eignung dieser Öle
als weitere Alternativen neben dem nachwachsenden Treibstoff Rapsöl abzuklären.
2.1 Potentielle Ölpflanzen
Nach Sergis [10] ist kaltgepresstes, chemisch unbehandeltes Pflanzenöl
im Grundsatz vergleichbar aufgebaut wie Dieselöl, nämlich mit Kohlenwasserstoffverbindungen.
Ein Unterschied liegt in der entscheidend höheren Viskosität von Pflanzenölen
(Dieselöl: kinematische Viskosität 2,3 mm2/s; Rapsöl: kinematische
Viskosität 35 mm2/s).
Mit Pflanzenöl steht ein Kraftstoff zur Verfügung, dessen Produktion,
Verwendung und Entsorgung innerhalb regional geschlossener Stoff- und Energiekreisläufe
möglich ist [10]. Die Produktion umfasst einerseits den Anbau der Kultur
und andererseits das Verarbeiten der anfallenden Saat. Bei der Kaltpressung
der Saaten entstehen die zwei Produkte Öl und Presskuchen. Das Öl
kann als Kraftstoff oder für weitere technische Zwecke genutzt werden und
der Presskuchen eignet sich als Viehfutter. Damit lassen sich die Hauptargumente
für den Einsatz von kaltgepresstem Pflanzenöl in unserem Umfeld wie
folgt zusammenfassen:
- Nachgewiesene Eignung als weitgehend CO2-neutraler Dieselkraftstoffersatz
- Ökologische Verträglichkeit
- Regionaler Anbau und regionale Verwertung
Vor allem in Deutschland ist Rapsöl als Kraftstoff kein
Fremdwort mehr. Es gibt bereits Firmen, die in grösserer Zahl LKW, PKW,
Baumaschinen und landwirtschaftliche Nutzfahrzeuge mit Rapsöl anstatt mit
Dieselöl betreiben.
Es liegt deshalb nahe, dass, wenn dies mit Rapsöl möglich ist, auch
Öle von anderen Pflanzen in Frage kommen. Anbautechnisch sind auch dem
Raps Grenzen gesetzt, da wegen Fruchtfolgekrankheiten Anbaupausen von mindestens
fünf Jahren eingehalten werden müssen und dadurch die Rapsanbaufläche
beschränkt ist. Raps kann also lediglich auf maximal etwa 1/5 der Fruchtfolgefläche
erzeugt werden.
Noch relativ unbekannt bezüglich ihrer Eignung als Kraftstoff sind die
Öle von Hanf, Lein, Leindotter und Mohn. Betrachtet man diese vier Kulturen
als potentielle Ölpflanzen und würden sie mit diesem Ziel angebaut,
so wären nach den Angaben des Bundesverbandes Pflanzenöle (Deutschland)
im Durchschnitt die in Tabelle 1 aufgeführten Erträge und Ölgehalte
realisierbar.
Würde Leindotter zur Ölproduktion in eine Fruchtfolge aufgenommen,
müsste beachtet werden, dass dieser wie Raps zur Familie der Brassicaceae
gehört (Tab. 1). In einer Fruchtfolge dürfen aber höchstens 20%
Kreuzblütler (Brassicaceae) vorkommen, um rotationsbedingte Krankheiten
und Schädlinge möglichst zu unterdrücken.
Tabelle 1: Ertrag und Ölgehalt von Hanf, Lein, Leindotter und Mohn [4]
| Deutscher Name |
wissenschaftlicher
Name |
Familie |
Ertrag [kg/ha] |
Ölgehalt Saat
[%] |
| Hanf
Faserlein Öllein
Leindotter
Mohn |
Cannabis sativa
Linum usitatissimum
Camelina sativa
Papaver somniferum |
Cannabinaceae
Linaceae
Brassicaceae
Papaveraceae |
860
200-1200
1000
1000-1500 |
35
34-37, 40-50
35-45
40-50 |
Da der Anbau dieser vier Kulturen in der Schweiz kaum verbreitet ist, fehlen Erfahrungen bezüglich Saat, Pflegemassnahmen und Ernte weitgehend. Die verfügbaren und auffindbaren Informationen zur Anbautechnik sind im folgenden Kapitel, zusammen mit je einer kurzen Beschreibung der Kultur, zusammengestellt.
2.1.1 Hanf (Cannabis sativa L.)
Gemäss dem Bundesverband für Pflanzenöle (Deutschland) [4] ist
die Wurzel der Kulturpflanze Hanf kräftig und hat viele Seiten- und Nebenwurzeln,
welche den Boden intensiv durchdringen. Seine Wuchshöhe liegt zwischen
2 und 4 m. In Ausnahmefällen sind Höhen bis über 5 m möglich.
Hanf ist eine sehr pflegeextensive Pflanze. Sie ist wenig anfällig auf
Schädlinge und Krankheiten und kann praktisch überall angebaut werden.
Auf Grund des hohen Trockenmasseertrages von bis zu 14`000 kg/ha hat Hanf aber
einen hohen Nährstoffbedarf. Er gedeiht am besten auf tiefgründigen,
nährstoffreichen Böden mit guter Wasserführung Die Vegetationszeit
von Hanf beträgt zwischen 120 und 160 Tagen. Hanf ist hervorragend geeignet
zur Gewinnung von Fasern und Ölfrüchten.
Die Aussaat erfolgt Ende April mit einer angestrebten Saatdichte von 2 Pflanzen
pro m2. Für das Dreschen im August steht derzeit noch keine ausgereifte
Technik zur Verfügung. Nach dem Mähen oder Häckseln wird der
Hanf getrocknet, eventuell entholzt, gepresst und verarbeitet. Der Gesamtertrag
an Pflanzenmaterial liegt bei 100-120 dt/ha (mit einem Fasergehalt von 25-35
%). In Deutschland betrug die Anbaufläche im Jahr 2000 rund 3100 ha [5].
In der Schweiz erlebte der Hanfanbau 1993 eine Art Wiedergeburt. In diesem Jahr
nahm die Forschungsanstalt Zürich-Reckenholz die Versuchstätigkeit
mit Hanf auf. Im Wallis wurden im gleichen Jahr die ersten Hanffelder gesät.
In den darauffolgenden Jahren nahm der Anbau zu und erreichte 1997 rund 200
ha (Tab. 2) [12].
Abbildung 1: Hanf
Tabelle 2: Anbaufläche (ha) und Verwendung von Hanf in der Schweiz [12]
| Jahr |
1993 |
1994 |
1995 |
1996 |
1997 |
1998 |
| Nachwachsender Rohstoff (1)
Andere Nutzungen (2) |
0
1 |
10
10 |
11
50 |
6
150 |
2
200 |
60
??? |
1) Nach Bundesamt für Landwirtschaft
(BLW)
2) Schätzungen aufgrund verschiedener Informationen
Zurzeit gibt es in der Schweiz einige Hanfläden, die auf Hanfprodukte spezialisiert sind. Der Verkaufsschlager vieler Läden besteht allerdings oft in Hanfduftkissen, die sich an der Grenze der Legalität befinden. Ausserdem werden oft Kleider, Lebensmittel, Kosmetika und Literatur angeboten. Obwohl in der Schweiz erwähnenswerte Arbeiten zur Entwicklung von Öl, Lebensmitteln, Duftessenzen und Kosmetika geleistet wurden, stammen sehr viele Hanfartikel aus dem Ausland. Insbesondere die Technik zum Aufschluss und zur Verarbeitung der Hanffasern existiert in unserem Lande noch nicht. Um Hanf sind mehrere Organisationen - wie zum Beispiel die Schweizerische Vereinigung Hanfproduzierender Bauern und die Schweizerische Hanf-Koordination - entstanden. Sie vertreten die Interessen von Landwirtschaft und Handel [12].
2.1.2 Lein/Flachs (Linum usitatissimum L.)
Der Lein hat seine Heimat in den Gebieten zwischen dem persischen Golf und dem
Kaspischen Meer. Lein ist einjährig und kommt bei uns nur als Kultur vor.
Die Pflanzen werden 50-70 cm hoch und besitzen prächtig blaue, gelegentlich
auch weisse Blüten. Man unterscheidet zwischen Faser- und Öllein.
Der Faserlein umfasst Sorten, die verhältnismässig lange und unverzweigte
Stängel haben, der Öllein niedrigere Sorten mit reicherer Verzweigung
die mehr Blüten und somit auch mehr Samen bilden. Öl- und Fasergehalt
korrelieren negativ miteinander, da der Faserlein weniger Samen produziert und
zu einem Zeitpunkt geerntet wird, zu dem die Entwicklung der reifenden Früchte
noch nicht völlig abgeschlossen ist. Es gibt aber auch Sorten, die beiden
Ansprüchen annähernd gerecht werden [2].
Da Lein eine anspruchslose Pflanze ist, kann er relativ extensiv angebaut werden.
Die Aussaat erfolgt mit üblichen Getreidedrillmaschinen im März auf
eine Saattiefe von 2.5 bis 3 cm [5]. Lein ist eine Langtagpflanze, welche bei
zu später Saat stark verästelt und nur kurze Stängel bildet [1].
Wegen der sogenannten Leinmüdigkeit ist eine Anbaupause von mindestens
5 Jahren notwendig. Dies vor allem wegen Pilzkrankheiten. Lein selbst hat einen
hohen Vorfruchtwert, stellt aber selbst hohe Anforderungen an seine Vorfrucht
[1]. Der Ertrag beim Dreschen Ende August beläuft sich auf 20-30 dt/ha
[5].
Seit Ende der 80er Jahre wird Lein in Deutschland wieder angebaut. Zurzeit beträgt
die Anbaufläche von Lein rund 2000 ha. Neuere Züchtungen streben eine
Erhöhung des Linolsäurgehalts an, was die industrielle Nutzbarkeit
des Öls verbessern würde [5].
Abbildung 2: Lein
2.1.3 Leindotter (Camelina sativa L.)
Leindotter hat eine dünne, spindelförmige Wurzel. Die Pflanze erreicht
eine Wuchshöhe zwischen 30 und 100 cm. Leindotter wächst zuerst eintriebig
und verzweigt sich dann im oberen Drittel. Die Triebe tragen traubige Blütenstände
mit hell- bis dunkelgelben Blüten. Die Frucht des Leindotters ist eine
7 bis 10 mm lange, birnenförmige Schote. Diese enthält 8 bis 10 gelbe
bis rötliche Samen mit einem Tausendkorngewicht von lediglich 0.7 bis 2.1
g. Der Rohfettgehalt von Leindotter liegt bei rund 38 %. Leindotter kann - wie
der Lein - extensiv angebaut werden, seine Spezialität ist die ausgesprochene
Anspruchslosigkeit. Er gedeiht auf sandigen und trockenen Böden gut. An
solchen Standorten ist er vergleichbaren Ölpflanzen im Ertrag deutlich
überlegen [4].
Da die Sommerform kaum frostempfindlich ist, wird Leindotter im März-April
gesät. Mitte bis Ende Juli kann er dann gedroschen werden. Die Erträge
des Leindotters liegen bei 20-35 dt/ha. Zurzeit wird der Wiederanbau in der
Europäischen Union im Versuchsstadium auf 40 ha Fläche erprobt. Vor
allem in Mischkulturen ist Leindotter interessant. Zusammen mit einer anderen
Kultur (Erbsen, Getreide) kann ein höherer Hektarertrag erzielt werden
und die Krankheitsanfälligkeit beider Kulturen sinkt. Durch Züchtung
sollen der Gehalt an Linolensäure und damit die Nutzbarkeit für die
Industrie verbessert werden [5].
Abbildung 3: Leindotter
2.1.4 Schlafmohn (Papaver somniferum L.)
Auf der gemässigten Nordhalbkugel existieren rund 100 Mohnarten. Klatsch-
oder Feuermohn sind vor allem in Deutschland häufig als Beikräuter
auf Äckern zu finden. Die wichtigste kultivierte Mohnart ist der Schlafmohn.
Dies deshalb, weil er in Kleinasien, Indien und China zur Produktion von Mohnöl
und vor allem von Opium genutzt wird. [2]. Schlafmohn ist eine milchsaftführende,
einjährige Pflanze mit gräulichen, ledrigen und gebuchteten Blättern.
Die Pflanze hat eine kräftige Pfahlwurzel. Sie erreicht eine Wuchshöhe
zwischen 1 und 1.2 m. Am Stängelende bildet der Schlafmohn eine rote, violette
oder weisse Blüte. Die Blütezeit ist im Juli. Nach dem Blühen
bildet sich eine runde oder eiförmige Kapsel [4].
Mohn ist frostempfindlich und erfordert warm-milde Klimalagen und humusreiche
Böden. Gesät wird er ab Ende März mit Einzelkornsämaschinen.
Die sehr kleinen Mohnsamen bevorzugen ein feines Saatbett und eine sehr flache
Saat. Ende August, Anfang September wird gedroschen. Der Erntertrag liegt bei
10-15 dt/ha. Mohn eignet sich auch als Mischkultur mit anderen Kulturen, wie
zum Beispiel den Möhren [5]. In Deutschland wurde eine opiatarme Sorte
gezüchtet, die sich dadurch für die Ölgewinnung speziell anbieten
würde.
Abbildung 4: Mohn
2.1.5 Rahmenbedingungen
Hanf, Lein, Leindotter und Mohn sind, wie eingangs bereits erwähnt, als
landwirtschaftliche Kulturpflanzen in der Schweiz und im nahen Ausland relativ
selten bis kaum anzutreffen. Insbesondere bei Hanf stellt das Problem des Missbrauchs
als Betäubungsmittel eine im Moment kaum überwindbare Hürde dar.
Der Schweizer Sortenkatalog des Bundes (2004) umfasst zwar 14 Hanfsorten, welche
in der Schweiz problemlos angebaut werden könnten. Doch es zeigt sich,
dass Landwirte beim Anbau von Hanf immer wieder mit Diebstahl direkt ab dem
Feld und strengen Kontrollen durch die Polizei konfrontiert sind.
Mohn ist als landwirtschaftliche Kulturpflanze bei uns kaum bekannt. Sie wird
vorwiegend als Lieferant für Samen im Bäckereibereich (Brötchen)
oder als Zierpflanze verwendet.
Es ist beizufügen, dass die Samen von Hanf und Schlafmohn keine berauschenden
Stoffe enthalten. Das gleiche gilt infolge dessen auch für die Öle
dieser beiden Pflanzen.
Lein und Leindotter sind vorwiegend als Faserpflanzen bekannt. Durch das Aufkommen
der synthetischen Fasern ging ihre Bedeutung jedoch stark zurück. Die "Wiederbesinnung"
auf nachwachsende Rohstoffe führte in letzter Zeit dazu, dass das Interesse
an Faserpflanzen allgemein wieder zugenommen hat. Bis heute haben aber Lein
und Leindotter als landwirtschaftliche Kulturpflanzen keine bedeutende Stellung
eingenommen.
2.2 Kreuzblättrige Wolfsmilch (Euphorbia lathyris L.)
2.2.1 Botanik
Die Kreuzblättrige Wolfsmilch gehört zur Familie der Wolfsmilchgewächse
(Euphorbiaceae). Es ist eine zweijährige, krautige Pflanze, deren ursprüngliche
Heimat im Mittelmeerraum und in Westasien liegt. Die Pflanze erreicht eine Höhe
von über einem Meter. Sie besitzt einen oder mehrere aufrechte Stängel
mit kreuzweise gegenständigen, schmalen lanzettlichen Blättern. Die
Pflanze ist rötlich gefärbt und mit einer dünnen Wachsschicht
überzogen. Die Stängel und Blätter sind mit vielen Milchröhren
durchzogen, in denen ein weisser Milchsaft, der so genannte Latex, fliesst.
Im ersten Jahr wird nur Blattmasse gebildet. Nach dem Überwintern bildet
die Pflanze im zweiten Jahr an jedem Trieb einen grossen Blütenstand. Ihre
Blüten sind unscheinbar klein und werden teilweise durch Insekten fremdbestäubt
und teilweise durch Selbstbestäubung befruchtet. Aus den befruchteten Blüten
bilden sich Kapseln, von denen jede drei Samen enthält. Wenn sie reif sind,
springen diese Kapseln mit einem hörbaren Knall auf, so dass die Samen
weit verteilt werden [9].
Abbildung 5: Kreuzblättrige Wolfsmilch
2.2.2 Potential als Kulturpflanze
Im Gegensatz zu den Tropen und Subtropen wurde die Kreuzblättrige Wolfsmilch
in unseren Breitengraden in der Vergangenheit nicht in grösserem Umfang
als Kulturpflanze angebaut und genutzt. So sind noch viele Fragen bezüglich
des Anbaus offen. Unter unseren Klimabedingungen hat die Kreuzblättrige
Wolfsmilch eine sehr lange Vegetationszeit und wird so fast nicht von alleine
dreschreif. Dazu kommt, dass viele Kapseln schon reif sind, während im
oberen Teil der Pflanzen immer noch weiter Blüten gebildet werden. So müssen
die Bestände vor der Ernte mit Herbiziden abgespritzt werden.
Beim Anbau muss generell auf eine sorgfältige Saatbeetbereitung und eine
gewissenhafte Unkrautbekämpfung Wert gelegt werden. Da es momentan keine
geeigneten Herbizide für die Kreuzblättrige Wolfsmilch gibt, können
bei Herbizidspritzungen totale Ertragsausfälle auftreten.
Damit die Felderträge gesteigert werden können, muss es unbedingt
gelingen, die so genannten Springer (bei Reife aufspringende Kapseln) zu eliminieren
[9].
2.2.3 Kraftstoffeignung des Öls
Die Kreuzblättrige Wolfsmilch besitzt mit 50 bis 56 % einen relativ hohen
Gehalt an Samenöl. Früher wurde sie zeitweilig als Brennöllieferant
verwendet, indessen aber nie zur Kulturpflanze entwickelt. So weist sie noch
heute einige Wildtyp-Merkmale auf, die ihre Nutzung zur Samenölproduktion
einschränken und erschweren. Durch Selektion konnten solche Merkmale, wie
zum Beispiel das Aufspringen der vollreifen Kapseln oder der zweijährige
Wachstumszyklus, verbessert werden. So gibt es heute einjährige Formen,
deren Kapseln bei Vollreife nicht mehr aufspringen. Ziele der Züchtung
sind gegenwärtig vor allem kürzere Blüh- und Reifephasen. Momentan
befinden sich sowohl sommer- wie auch winterannuelle Formen im Versuchsanbau.
Bis jetzt lassen jedoch nur winterannuelle Typen befriedigende Samenerträge
erwarten.
Aus dem Samenertrag und dem Ölgehalt ergibt sich der Ölertrag. Dieser
ist letzten Endes das entscheidende Kriterium für die Anbauwürdigkeit
von Kreuzblättriger Wolfsmilch. Die N-Düngung und der Erntetermin
haben keinen eindeutigen Einfluss auf den Ölgehalt der Samen [9]. Angaben
bezüglich der Eigenschaften des Öls an sich konnten nicht gefunden
werden.
2.3 Produktion von Pflanzenöl
2.3.1 Pressen
Die Herstellung von Pflanzenölen erfolgt entweder in industriellen Ölsaatenverarbeitungs-Anlagen
mit hohen Verarbeitungskapazitäten (oft zentrale Ölmühlen, Grossanlagen)
oder in dezentralen Ölmühlen. Dies sind häufig Kleinanlagen in
landwirtschaftlichem Umfeld, mit geringer Verarbeitungskapazität. Da bei
Kaltpressung keine Raffination erfolgt und damit die Reinigung am Ende der Produktionskette
steht, kommt ihr eine entscheidende Rolle bezüglich der Endqualität
des Öls zu (Abb. 5). Zur Reinigung des sogenannten Truböls (vgl. Kapitel
2.3.2) stehen drei verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Es kann
entweder sedimentiert, filtriert oder zentrifugiert werden, wobei das Zentrifugenverfahren
in Kleinanlagen nur wenig verbreitet ist. Meistens geschieht die Reinigung durch
Filtrieren, wobei das Öl in der Regel vorgängig durch das sehr wirksame
Sedimentieren und Dekantieren vorgereinigt wird [6].
Abbildung 6: Verfahrensablauf der Ölgewinnung in Kleinanlagen [6]
2.3.2 Truböl
Unter Truböl (Abb. 6) versteht man kaltgepresstes, ungereinigtes Pflanzenöl.
Es besteht aus der flüssigen Phase (Öl) und der festen Phase (Partikel),
den sogenannten Trubstoffen [6].
Abbildung 7: Charakterisierung von Truböl [6]
Wichtige physikalische Kenngrössen der flüssigen
Phase sind die kinematische Viskosität und die Dichte.
Die feste Phase beschreibt die im Öl suspendierten Partikel. Sie lassen
sich durch die Menge, die Form, die Grössenverteilung und die Dichte beschreiben.
Neben festen Verunreinigungen können in Ölen, zum Teil erst nach längerer
Lagerzeit, Trübungen festgestellt werden. Diese sind vor allem bei Speiseölen
von Bedeutung, da sie die Brillanz beeinträchtigen. Solche Trübungen
können zum Beispiel von Glyceriden, von Beimengungen von Wachsen oder nachträglich
ausgeschiedenen Schleimstoffen stammen, oder durch Oxidation entstehen. Bei
längerer Lagerung können sich die Trubstoffe absetzen und einen dunklen
Bodenbelag bilden [6].
2.3.3 Reinigen
Um die Partikel (feste Phase) vom Öl (flüssige Phase) zu trennen,
werden in Kleinanlagen verschiedene Verfahren der Fest/Flüssigtrennung
angewandt. Dazu gehören sowohl Sedimentations- wie auch Filtrationsverfahren.
In Kleinanlagen erfolgt die Reinigung meistens in zwei Stufen. Zuerst wird als
Vorreinigung eine Grobklärung durch Sedimentation oder Filtration gemacht
und danach folgt die Hauptfiltration. Die Vorreinigung dient dazu, die Feststoffe
bereits möglichst vollständig aus der flüssigen Phase zu entfernen.
Das Sedimentationsverhalten wird unter anderem beeinflusst durch die Dichtedifferenz,
die Partikelgrösse und -form, die Viskosität der Flüssigkeit
und die Wechselwirkung zwischen den Partikeln.
Die Hauptreinigung stellt die Reinheit einer Charge sicher. Die Hauptreinigung
wird ausschliesslich mit Filtrationsverfahren vollzogen. Diese Verfahren lassen
sich nach der Art der Feststoffabscheidung in kuchenbildende Filtration, Querstromfiltration
und Tiefenfiltration unterteilen. Die Querstromfiltration hat bei der Pflanzenölreinigung
keine Bedeutung. Bei der kuchenbildenden Filtration werden die Feststoffe in
der Suspension unter Wirkung eines Druckgefälles an einem porösen
Filtermaterial (z.B. Gewebe) zurückgehalten. Sie bilden dabei Brücken
und wachsen zu einem Filterkuchen zusammen. Bei der Tiefenfiltration sorgen
grobporige Filterhilfsmittelschichten dafür, dass sich die Feststoffe im
Innern dieser Filterschichten festsetzen. Häufig ist eine Regeneration
der Tiefenfilterschichten (z.B. Sand, Pappe, Zellstoffe) nicht möglich,
so dass diese ersetzt werden müssen, sobald die innere Oberfläche
besetzt ist [6].
2.3.4 Richtlinien/Grenzwerte
Für einen problemlosen Betrieb von pflanzenöltauglichen Dieselmotoren
ist die Einhaltung einer gewissen Ölqualität Voraussetzung. Zur Festlegung
der erforderlichen Qualität von Rapsölkraftstoffen wurden die wesentlichen
Parameter im „RK-Qualitätsstandard 05/2000“, bekannt als „Weihenstephaner-Standard“,
zusammengefasst (Abb. 8). Darin sind die Grenzwerte und Schwankungsbereiche
für die einzelnen Parameter verbindlich festgelegt [6]. Der Weihenstephaner
Standard umfasst die für Rapsöl typischen und variablen Eigenschaften.
Ihre Einhaltung ist für den störungsfreien Pflanzenölbetrieb
unumgänglich.
Anschliessend an Abbildung 8 wird kurz auf die einzelnen Parameter des RK-Standards
eingegangen und ihre Bedeutung beschrieben und erklärt.
Abbildung 8: RK- Qualitätsstandard 5/2000 für Rapsöl als Kraftstoff
Ölalterung zu. Die freien Fettsäuren führen zu Korrosion, Verschleiss und Rückstandsbildungen im Motor. Es kann zu Wechselwirkungen mit den basischen Bestandteilen des Motorenöls kommen, mit entsprechendem Ausfall der Motorenölfunktionen und Risiko von Motorenschäden. Durch die in Pflanzenölen vorkommenden Mikroorganismen, deren Enzyme und Wasser, wird die Säurebildung gefördert. [7]
Dichte: Die Dichte wird bei 15 °C gemessen. Sie wird vor allem für die Überprüfung der Reinheit eines Öles gebraucht.
Flammpunkt: Der Flammpunkt eines Stoffes nennt die Temperatur, bei welcher der zu untersuchende Stoff Dämpfe entwickelt, die entflammt werden können. [7] Der Flammpunktes ist eine wichtige sicherheitstechnische Grösse, die über Lager- und Transportvorschriften entscheidet
Unterer Heizwert: Er gibt Auskunft darüber, wie viel Energie bei einer vollständigen Verbrennung frei wird. Der untere Heizwert errechnet sich aus dem gemessenen oberen Heizwert, abzüglich der gemessenen Energie aus dem verdampften Wasser, das sich unweigerlich in den Ölen befindet. Für die motorische Verbrennung ist nur der untere Heizwert relevant. [7]
Kinematische Viskosität: Die Bestimmung der kinematischen Viskosität erfolgt durch Messung der Durchflusszeit eines bestimmten Flüssigkeitsvolumens durch die Glaskapillare eines kalibrierten Viskosimeters bei einer definierten Temperatur, unter Einfluss der Schwerkraft. Die kinematische Viskosität ist als Mass für das Fliessverhalten ein sehr wichtiger Faktor, um die Kraftstoffeignung eines Öls abzuschätzen, da sie über das Pumpverhalten, die Zerstäubung an der Einspritzdüse sowie das Kalt- und Warmstartverhalten entscheidet. Je höher der Wert, desto dickflüssiger der Stoff. [7]
Cetanzahl: Die Cetanzahl beschreibt die Zündwilligkeit eines Kraftstoffes. Die Zündwilligkeit, also die Eigenschaft eines Kraftstoffes, eine Selbstzündung einzuleiten, beeinflusst den Zündverzug. Eine tiefe Zündwilligkeit bewirkt einen hohen Zündverzug und somit auch ein schlechtes Kaltstartverhalten und höhere Emissionen in der Warmlaufphase. Bisher ermittelte Cetanzahlen für Rapsöl im Bereich von 39 sind mit derjenigen von Dieselöl nicht vergleichbar. Ein alternatives Messverfahren für die Cetanzahlbestimmung von Rapsöl wurde entwickelt, bedarf indessen noch der Homologierung. [7]
Koksrückstand: Der Koksrückstand gibt Auskunft über die zu erwartende Tendenz eines Kraftstoffes, namentlich bei einer ungenügenden Verbrennung kohlenstoffhaltige Ablagerungen zu bilden. Diese setzen sich an Einspritzdüsen, im Brennraum und in den Kolbenringnuten ab. Diese sogenannte Verkokung ist die meistgefürchtete Ursache für Motorenschäden. Die Hauptmassnahme jeder seriösen Motoradaptation ist denn auch auf die Verhinderung der Verkokung ausgerichtet. [7]
Iodzahl: Die Iodzahl ist ein charakteristisches Merkmal für unterschiedliche Pflanzenöle. Sie gibt die durchschnittliche Anzahl Doppelbindungen der Fettsäuremoleküle an. Dabei wird untersucht, wie viele Gramm Iod von 100g des zu untersuchenden Stoffes - beziehungsweise durch die darin enthaltenen Doppelbindungen - gebunden werden können. Die Iodzahl erlaubt also, Vermischungen mit unerwünschten Pflanzenölen und Fetten auszuschliessen und erlaubt Rückschlüsse auf die Neigung zu Ablagerungen und Verkokung durch Polymerisation. [7]
Schwefelgehalt: Der sehr tiefe Schwefelgehalt im Rapsöl ist als Vorteil gegenüber Dieselkraftstoff zu werten. Schwefel ist aus Umweltgesichtspunkten und als Katalysatorgift in Kraftstoffen unerwünscht. [7]
Gesamtverschmutzung: Bei der Gesamtverschmutzung wird der Anteil an nicht gelösten Stoffen gemessen, die eine Grösse von über 0,8 ?m aufweisen. Eine zu hohe Verschmutzung fördert Verstopfungen von Filtern und Einspritzdüsen und kann im weiteren zu vermehrter Verkokung führen. [7]
Neutralisationszahl: Wird auch als Säurezahl bezeichnet. Sie ist das Mass für den Gehalt an freien Fettsäuren und lässt Rückschlüsse auf die Raffination und den Fortgang der Ölalterung zu. Die freien Fettsäuren führen zu Korrosion, Verschleiss und Rückstandsbildungen im Motor. Es kann zu Wechselwirkungen mit den basischen Bestandteilen des Motorenöls kommen, mit entsprechendem Ausfall der Motorenölfunktionen und Risiko von Motorenschäden. Durch die in Pflanzenölen vorkommenden Mikroorganismen, deren Enzyme und Wasser, wird die Säurebildung gefördert. [7]
Oxidationsstabilität: Die Oxidationsstabilität bewertet den Alterungszustand und die Lagerfähigkeit von Pflanzenölkraftstoff. Zudem ist die Oxidationsstabilität eine Kenngrösse, die auf eventuelle Wechselwirkungen zwischen dem Kraftstoff und dem Motorenöl hinweist. Wird ein gealtertes Pflanzenöl mit hohem Säuregehalt als Kraftstoff verwendet, kann es mit den basischen Bestandteilen vom Motorenöl zu Wechselwirkungen kommen, deren Produkte zu Polymerisationen und Motorenschäden führen. [7]
Oxidasche: Der Oxidaschegehalt zeigt den Gehalt an anorganischen Feststoffen auf. Diese gelangen durch Staubeintrag oder durch beim Pressen anfallende Partikel ins Öl. Durch gewissenhaftes Filtrieren der Pflanzenöle können die Aschewerte entsprechend gesenkt werden. [7]
Wassergehalt: Der Wassergehalt wird in mg/kg angegeben. Er kann stark variieren, da er von vielen Faktoren abhängt, wie z.B. von Saatfeuchte, Lagerung und Transport. Wasser kann bei Kälte Kristalle bilden, die zu Filterverstopfungen führen. In den modernen Einspritzsystemen kommt es bei hohem Druck zu Wasserdampfbildung und Schäden am Einspritzsystem. Zudem können am Übergangsfilm Öl - Wasser Bakterien wachsen und eine schnellere Alterung des Treibstoffes sowie Schleimbildung und Filterverstopfungen auslösen. [7]
Phosphorgehalt: Der Phosphorgehalt des zu untersuchenden Pflanzenölskraftstoffes wird in mg/kg angegeben. Phosphor liegt in Pflanzenölen in Form von Phospholipiden vor. Phospholipide verringern die Oxidationsstabilität und können Filterverstopfungen veranlassen, da sie in Berührung mit Wasser quellen. Phosphor senkt zudem die Verbrennungstemperatur, verursacht im Verbrennungsraum Ablagerungen und setzt die Funktionsdauer des Katalysators herab. [7]
2.3.5 Bedeutung des Phosphors in naturbelassenen Pflanzenölen
Der Phosphorgehalt eines Pflanzenöls ist ein entscheidendes Qualitätskriterium
im Hinblick auf seine technische Verwendung. Der Phosphor, der hauptsächlich
in Form von Phospholipiden aus den Zellwänden stammt, kann den Motor stark
schädigen. Die Phospholipide quellen in Gegenwart von Wasser und führen
dadurch zu Ablagerungen in Tanks sowie zu Verstopfungen von Filtern und Düsen.
Die Ablagerungen in den Tanks bilden einen guten Nährboden für Mikroorganismen,
die das Öl zersetzen und es damit schneller altern lassen. Der Phosphor
beeinträchtigt die Oxidationsstabilität des Öls, ist an Korrosion,
Verschleiss sowie Verkokungen voar allem im Brennraumbereich beteiligt und verstärkt
die Schaumbildung des Öls. Phosphor ist Hauptursache der unerwünschten
Ablagerungen an Kolben, Kolbenringnuten (Festsitzen der Ringe), Einspritzdüsen
(Trompetenbildung) und Ventilen im Langzeitbetrieb. [11]
Oxidationskatalysatoren weisen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Phosphorverbindungen
auf. Diese schädigen den Katalysator, indem sie die Umsetzrate und damit
auch die Nutzungsdauer herabsetzen. [7]
Der Phosphorgehalt bei Rapsöl wird durch folgende Parameter beeinflusst:
Presskopftemperatur, Schneckendrehzahl, Abpressgrad, Feststoffgehalt, Saatdurchsatz,
Saatfeuchte und Saatreife. Die Presskopftemperatur und die Schneckendrehzahl
haben einen starken Einfluss auf den Phosphorgehalt. Mit steigender Presskopftemperatur,
im Bereich zwischen 60 und 120 C°, gelangen mehr Phospholipide ins Öl.
Die günstigen Temperaturwerte können durch Heizung oder Kühlung
des Presskopfes erreicht werden. [11]
Je nach Publikation sind die Aussagen über den Zusammenhang von Pressschneckendrehzahl
und Phosphorgehalt widersprüchlich, obwohl bei den Untersuchungen baugleiche
Pressen verwendet wurden. Dafür dürften unterschiedliche Saatfeuchten,
Saatreifen und sortenspezifische Merkmale verantwortlich sein. Eine Feinfiltration
entfernt die Feststoffe, in denen der Phophorgehalt zehnmal höher ist als
im Öl selbst. Je tiefer die Saatfeuchte, umso höher ist der Abpressgrad,
wodurch auch der Feststoffgehalt steigt. Mit zunehmender Saatreife nimmt der
relative Anteil an Phospholipiden an der gesamten Lipidmenge ab. [8]
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Öle von Mohnsamen (Papaver
somniferum), Leinsamen (Linum usitatissimum ‘Mac Gregor‘ und ‘Flanders‘
gemischt), Hanfsamen (Cannabis sativa ‘Fedora‘) und Leindottersamen
(Camelina sativa ‘Lindo‘) auf ihre Kraftstoffeignung als Dieselölersatz
untersucht.
Die Kaltpressung der Saaten erfolgte mit der Komet Schneckenpresse der SHL (Abb.
9), die bereits mehrmals für Pflanzenölversuche im Einsatz gestanden
hat.
Anschliessend wurden die Öle zuerst einige Tage stehen gelassen, damit
sich Partikel und Trubstoffe absetzen konnten. Das saubere Öl wurde dann
sorgfältig abgesaugt und dekantiert (Abb.10). Da Hanföl in genügend
grosser Menge vorhanden war, wurde dieses zusätzlich mit der schuleigenen
Filteranlage gereinigt (Abb. 11).
Abbildung 9: Komet Schneckenpresse
3.1 Versuchsapparaturen
3.1.1 Presse
Die Labor-Versuchspresse des Typs CA 59 G stammt von Fa. IBG Montforts GmbH,
D - Mönchengladbach. Die Pressschneckendrehzahl lässt sich über
ein Reibradgetriebe stufenlos verstellen. Ein Keilriementrieb bringt die erforderliche
Enduntersetzung des Schneckenantriebes. [8]
Tabelle 3: Drehzahl an der Schneckenpresse
| Stufe |
Umdrehungen der Keilriemenscheibe
antriebsseitig [min-1] |
Umdrehungen der Pressschnecke
[min-1] |
| 2
3
4
5
6 |
97
143
183
225
268 |
22.4
33.9
43.1
53.4
63.2 |
Mit der Wahl des Pressdüsendurchmessers und der Schneckendrehzahl
konnte der Abpressgrad APG eingestellt werden. Zur Verfügung standen Pressstempel
mit den Durchmessern 4, 5, 6, 8 und 10 mm.
Zur Optimierung des Abpressgrades mussten in Vorversuchen das Untersetzungsverhältnis
des Keilriementriebes sowie die Schneckendrehzahl bei unterschiedlicher Reibradeinstellung
gemessen werden
(Tab. 2). Die Drehzahlen der Antriebsscheibe wurden mit einem digitalen Infrarot-Handtachometer
des Typs Jaquet und die Drehzahlen der Press-Schnecke mit einem digitalen Drehzahlmesser
des gleichen Herstellers erfasst.
Abbildung 10: Dekantieren des Öls über mehrere Stufen
3.1.2 Filteranlage
Die benutzte Filteranlage (Abb. 11) wurde speziell für die vorliegende
Arbeit angefertigt.
Sie besteht aus einem Kerzenfilter und einer Zahnradpumpe. Als Kerzenfilter
wurde eine Baumwollfilterpatrone des Typs SW 10/P005 mit einer Porengrösse
von 5 ?m benutzt (Abb. 11). Bei den Kerzenfiltern ist ein Faden aus gebleichter
Baumwolle diagonal um einen Kern gewickelt, so dass die Poren nicht durchgehend,
sondern wegen der diagonalen Wicklung versetzt sind. Dies hat den Vorteil, dass
radial auftreffende Partikel, die den Porendurchmesser unterschreiten, trotzdem
das Filtermaterial nicht passieren können. Die Filterkerze wurde ursprünglich
für Wasser vorgesehen, bewährt sich indessen nun ebenfalls für
Pflanzenöle.
Bei der Pumpe handelt es sich um eine Zahnradpumpe Marzocchi P D 115 des Typs
SEM Kg 80-4C der Firma Unitec AG. Ihr Fördervolumen beträgt 7,8 cm3
pro Umdrehung, die Förderleistung 11 l pro Minute bei 1360 min-1 und ca.
15 bar Betriebsdruck. Dieser Pumpentyp wird zur Reinigung von Hydraulikölen
nach Reparaturen an Fahrzeugen oder in stationären Anlagen verwendet.
 |
 |
Abbildung 11: Filteranlage |
Abbildung 12: für Hanföl verwendeter Kerzenfilter |
3.2 Vorversuche und Vorabklärungen
3.2.1 Phosphorgehalt
Um den Phosphorgehalt der vier zu analysierenden Öle bei möglichst
realistischen Abpressgraden zu ermitteln, wurden an der vorhandenen Presse der
Düsendurchmesser und die Drehzahl variiert. Schliesslich konnten zehn verschiedene
Ölproben abgefüllt und zum Versand bereit gestellt werden. Diese 10
Proben gingen anschliessend zur Analyse an die Firma ASG-Analytik-Service-GmbH
nach Neusäss-Täfertingen (Deutschland).
Die Ergebnisse des Labors (Tab. 4) dienten als Grundlage zur Entscheidung, mit
welchen Einstellungen der Presse in den Hauptversuchen welches Öl gepresst
werden sollte.
Tabelle 4: Probenanzahl, Pflanzenart und Presseneinstellungen in Gegenüberstellung mit den Öl- und Presskuchenerträgen, dem Abpressgrad (APG) und dem im Labor analysierten Phosphorgehalt.
Nr. |
Pflanzen- art |
Stempel- Durch- messer [mm] |
Dreh- zahl [min-1] |
Saat- menge [g] |
ausge- presstes Öl [g] |
Press- kuchen [g] |
Öl- anteil [%] |
APG [%] |
P-Gehalt [mg/kg] |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
Hanf Hanf Hanf Leinsaat Leinsaat Leinsaat Leindotter Leindotter Leindotter Hanf |
8 8 8 8 8 8 8 8 8 10 |
22.3 43.1 63.2 22.3 43.1 63.2 22.3 43.1 63.2 22.3 |
500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 |
147.2 140.7 139.2 177.1 163.1 150.3 157.0 140.2 129.9 141.1 |
344.3 348.5 349.8 317.2 331.6 343.4 337.2 355.1 367.0 352.9 |
29.4 28.1 27.8 35.4 32.6 30.1 31.4 28.0 26.0 28.2 |
93.3 89.2 88.3 93.2 85.8 79.2 82.6 73.7 68.2 89.6 |
31.2 27.5 21.6 8.3 7.9 9.1 18.1 18.2 15.6 16.5 |
Alle drei mit der 8 mm Düse gepressten Hanfproben übertrafen
den nach RK- Standard maximal erlaubten Phosphorgehalt von 15 mg/kg massiv (Tab.
4). Sie schieden deshalb sofort aus und es blieb lediglich noch auf Probe 10
abgestützt werden.
Bei der Leinsaat und beim Leindotter lag der Phosphorgehalt der 8er Proben zwischen
7,9 und 18,2 mg/kg in einem akzeptablen Bereich. Somit wurde entschieden, mit
der 8 mm-Düse und der kleinsten Drehzahl von 22,3 min-1 weiterzuarbeiten.
Dies erschien als Optimum bezüglich hoher Ölausbeute und Einhaltung
des P-Grenzwertes. Damit stand fest, dass für die Hauptversuche die Presseeinstellungen
gemäss den Proben Nr. 4, 7 und 10 verwendet werden sollten.
3.3 Hauptversuche
Nach ihrer Kaltpressung wurden die Pflanzenöle im Labor der ASG Analytik-Service
GmbH, Neusäss-Täfertingen, Deutschland untersucht. Wir durften drei
Tage bei den Analysen dabei sein, diese zum Teil selber ausführen, oder
dabei mithelfen. Die Analyseverfahren sind hingegen weitgehend automatisiert,
so dass es schwierig ist, den gesamten Versuchsvorgang nachzuvollziehen. Unsere
Arbeit bestand hauptsächlich aus Einwägen und Erfassen der Resultate
nach Ablauf der Analyse.
Die Prüfverfahren und die Prüfgeräte sind von der Deutschen Akkreditierungsstelle
Mineralöl GmbH unter der Registriernummer MIN-P-01/98 zugelassen. Davon
ausgenommen ist das Verfahren zur Ermittlung der Cetanzahl. Dieses Prüfverfahren
ist noch nicht offiziell zugelassen.
Als Prüfparameter werden sowohl für Pflanzenöle, als auch für
Mineralöle dieselben verwendet.
Folgende 14 Werte werden analytisch bestimmt:
|
|
Als Referenz werden die Werte von Raps verwendet (vgl. Kapitel 2.3.4).
In Tabelle 5 sind die Resultate der Laboranalysen der ASG Analytik-Service GmbH zusammengestellt. Zum Vergleich sind in der letzten Spalte die Grenzwerte für Rapsöl aus dem Qualitätsstandard RK 05/2000 aufgeführt. Die erste Spalte zeigt die jeweilige Einheit des gemessenen Parameters der untersuchten Pflanzenöle.
Tabelle 5: Resultate der im Labor der ASG Analytik-Service GmbH analysierten Öle von Hanf, Lein, Mohn und Leindotter, im Vergleich zu den Werten des RK-Qualitätsstandards 05/2000
| Prüfparameter |
Einheit |
1 Hanföl |
2 Leinöl |
3 Mohnöl |
4 Leindotteröl |
RK-Standard |
| Dichte 15 °C Flammpunkt nach Pensky-Martens Heizwert, unterer Kinematische Viskosität (40° C) Cetanzahl (1) Koksrückstand Iodzahl Schwefelgehalt Gesamtverschmutzung Neutralisationszahl Oxidationsstabilität (110° C) Oxidasche Wassergehalt nach Karl Fischer Phosphorgehalt |
kg/m3 °C MJ/kg mm2/s - Gew. -% g Iod/100 g mg/kg mg/kg mg KOH/g h Masse-% Masse-% mg/kg |
927.4 308 36.2 27.48 39.5 0.51 161 (2) < 0.5 177 (2) 2.273 (2) 2.9 2) 0.011 (2) 0.0736 9.0 |
931.9 (2) 254 36.2 25.46 38.9 0.62 192 (2) < 0.5 51 (2) 2.385 (2) 2.0 (2) 0.010 0.1007 (2) 4.2 |
924.4 267 35.9 29.02 37.0 0.39 145 (2) < 0.5 35 (2) 1.131 4.2 (2) 0.010 0.0869 (2) < 0.5 |
924.2 254 36.2 30.57 38.5 0.52 (2) 150 (2) < 0.5 127 (2) 1.649 3.4 (2) 0.016 (2) 0.0631 9.6 |
900-930 min. 220 min. 35 max. 38 - max. 0.4 100-120 max. 20 max. 25 max. 2.0 min. 5 max. 0.01 max. 0.075 max. 15 |
1) Prüfverfahren noch nicht standardisiert
2) Werte, die den Grenzwert nicht erreichen bzw. überschreiten
Dichte: Die Dichte des Leinöls übersteigt den oberen Grenzwert gemäss RK- Standard ganz leicht.. Die übrigen drei Öle von Mohn, Leindotter und Hanf liegen alle im Standardbereich. Mohn- und Leindotteröl weisen etwas tiefere Dichten auf, als die anderen beiden Öle.
Flammpunkt: Alle vier untersuchten Öle erfüllen die Mindestanforderungen von 220 °C. Hanföl unterscheidet sich mit über 300 °C Flammtemperatur wesentlich von den drei anderen Ölen.
Heizwert: Die Heizwerte der untersuchten Öle erreichen alle das geforderte Minimum von 35 MJ/kg. Bei diesem Parameter weichen die vier Öle nur geringfügig voneinander ab.
Kinematische Viskosität: Die untersuchten Pflanzenöle liegen alle unter dem Maximalwert des RK- Standards von 38 mm2/s. Das Lein- und auch das Hanföl sind leicht dünnflüssiger als das Mohn- und das Leindotteröl.
Cetanzahl: Die vier untersuchten Öle ergaben Cetanzahlen von 37 bis 39.5. Damit sind sie dem Rapsöl mit der Cetanzahl von knapp 40 sehr ähnlich.
Koksrückstand: Der Grenzwert von max. 0.4 Masse.- % wird alleine vom Mohnöl mit 0.39 Masse - % erfüllt. Die übrigen Öle liegen mit Werten von 0,51 bis 0,62 Masse - % darüber.
Iodzahl: Die vier untersuchten Öle überschreiten mit ihrer Iodzahl alle den Grenzbereich von 100 bis 120 g Iod/100 g. Leinöl und auch Hanföl sogar deutlich, was auf einen tiefen Sättigungsgrad dieser Pflanzenöle schliessen lässt.
Schwefelgehalt: Der Schwefelgehalt liegt für alle vier analysierten Öle unter der Nachweisgrenze.
Gesamtverschmutzung: Alle vier Öle übersteigen
bei der Gesamtverschmutzung den Grenzwert von 25 mg/kg. Auffallend ist, dass
Hanföl einen massiv höheren Wert aufweist, obwohl es als einziges
Öl schon vorgefiltert wurde. Am besten schneidet das Mohnöl mit
35 mg/kg ab.
Neutralisationszahl: Während Mohnöl und Leindotteröl den Grenzwert mit einiger Reserve erfüllen, überschreiten Hanföl und Leinöl die Limite von 2.0 mg KOH/g deutlich.
Oxidationsstabilität: Keines der vier analysierten Öle erfüllt die Mindestanforderungen von 5 h. Mit 4.2 h kommt das Mohnöl dem Grenzwert am nächsten. Die anderen drei Öle liegen mit Werten von 2.0 bis 3,4 h ungünstiger.
Oxidasche: Mohnöl, Leinöl und Hanföl schöpfen den Grenzwert von 0.01 Masse - % aus. Beim Leindotteröl ergibt sich mit 0.016 Masse - % eine Überschreitung.
Wassergehalt: Mohnöl und Leinöl weisen einen zu hohen Wassergehalt auf. Hanföl liegt im Grenzwertbereich und Leindotteröl einiges darunter.
Phosphorgehalt: Keines der von uns vorbereiteten Öle nähert sich dem kritischen Gehalt von 15 mg/kg Phosphor. Mohnöl fällt mit einem auffallend tiefen Phosphorgehalt sogar unter dem messbaren Bereich.
5.1 Diskussion
5.1.1 Parameter-Diskussion
Dichte: Die Dichte dient v. a. zur Bestimmung der Reinheit und Charakterisierung eines Öles. Die Werte der vier untersuchten Öle liegen mit ca. 930 kg/m3 leicht höher als bei Rapsöl. Eine molekülbedingtehöhere Dichte - nicht durch unerwünschten Wasseranteil verursacht - dürfte als Verbesserung der Energiedichte interpretiert werden.
Flammpunkt: Der Flammpunkt von Dieselöl liegt bei 80° C. Die hohen Flammpunkte der vier geprüften Pflanzenöle von 254° C bis sogar 308° C beim Hanföl, bringen ganz wesentliche Erleichterungen bezüglich den Sicherheitsvorkehrungen bei Transport und Lagerung. Interessant vielleicht der Hinweis, dass eine Beimischung von lediglich 5 % Dieselöl zu reinem Rapsöl dessen Flammpunktemperatur bereits etwa halbiert. Beimengungen mineralischer Kraftstoffe veranlassen schon ab 0,5 Masseprozenten nachweisbare Unterschreitungen des Flammpunkt-Grenzwertes.
Heizwert: Alle vier Öle liegen mit ca. 36’000 kJ/kg über dem geforderten minimalen Heizwert, allerdings leicht hinter den für Rapsöl typischen 38’000 kJ/kg. Interessant ist der Einbezug der Dichte, die in allen Fällen diejenige von Rapsöl leicht übertrifft. Falls diese höhere Dichte nicht mit einer Überschreitung des Grenzwertes für den Wassergehalt zusammenhängt, würde sie eine kleine Kompensation des tieferen Heizwertes bedeuten.
Kinematische Viskosität: Die untersuchten
Pflanzenöle unterschreiten alle den Grenzwert des RK-Standards von 38 mm2/s.
Dieser Vorteil hängt offensichtlich mit ihrem geringeren Sättigungsgrad
zusammen. Bezüglich Treibstoffführung sind deshalb die für Rapsöl
getroffenen Umrüstmassnahmen ebenfalls für die vier untersuchten Öle
ausreichend.
Verbrennungstechnisch muss hingegen von einer erhöhten Ablagerungsgefahr
ausgegangen werden.
Cetanzahl: Die Bestimmung der Cetanzahl von Pflanzenölen erfordert eine derart weitgehende Veränderung der Prüfbedingungen gegenüber denjenigen für Dieselöl, dass die CZ-Werte von Pflanzenöl und Dieselkraftstoff nicht miteinander vergleichbar sind. Innerhalb der Pflanzenöle ist der Vergleich hingegen aussagekräftig. Die vier untersuchten Öle erreichen in etwa die CZ von Rapsöl (?40) und fallen somit in die gleiche Zündwilligkeitsklasse.
Koksrückstand: Ausser beim Mohnöl liegen alle Werte für den Koksrückstand über dem Grenzwert von 0.4 Masse-%. Zusammen mit den hohen Jodzahlen ist dies ein Hinweis auf erhöhte Neigung zu Rückstandsbildung im Brennraum. Die hohe Gesamtverschmutzung lässt indessen erwarten, dass sich der Koksrückstand durch Optimierungsmassnahmen beim Abpressgrad und der Filtration noch reduzieren lässt, weil dadurch Feststoffpartikel vermieden oder entfernt werden, die mit ihren organischen und anorganischen Stoffen Ablagerungen begünstigen.
Iodzahl: Keines der untersuchten Öle
erreicht den Grenzwert für die Jodzahl. Wie bei der Cetanzahl bereits erwähnt,
lassen die über den Erfahrungswerten für Rapsöl liegenden, hohen
Jodzahlen auf einen tiefen Sättigungsgrad der vorliegenden Fettsäuren
schliessen.
Der Einfluss ist einerseits günstig, weil ein abnehmender Sättigungsgrad
die Dünnflüssigkeit tendenziell verbessert, andererseits unerwünscht,
weil von Ölen mit Jodzahlen über 120 erhöhte Verkokungsgefahr
im Motorbrennraum ausgeht.
Näher zu prüfen bleibt die Frage, wieweit sich die Jodzahl durch Absenken
der allzu hohen Gesamtverschmutzung reduzieren lässt.
Schwefelgehalt: Pflanzenöle haben von Natur aus einen tiefen Schwefelgehalt. So auch die vier untersuchten Öle. Die faktische Abwesenheit von Schwefel ist ein wesentlicher kraftstofftechnischer Vorteil der Pflanzenöle, speziell auch hinsichtlich Katalysatorbetrieb.
Gesamtverschmutzung: Die Überschreitungen des Grenzwertes von 25 mg/kg sind bei Mohn- und Leinöl beträchtlich und beim Leindotter- und speziell beim Hanföl massiv, obwohl es als einziges Öl an der SHL bereits vorfiltriert wurde. Eine Erklärung dazu kann sein, dass der Filter unserer Anlage einen Porendurchmesser von 5 µm hat, die Laboranalyse aber auf 0.8 µm genau gemacht wird. Weil indessen Gewinnung und Aufbereitung der geringen Ölmengen für die vorliegende Arbeit nicht professionellen Standards entsprechen konnten, waren bezüglich Gesamtverschmutzung Einschränkungen unvermeidbar.
Neutralisationszahl: Die Neutralisationszahlen von Hanföl und Leinöl liegen deutlich über, diejenigen von Mohnöl und Leindotteröl unter dem Grenzwert. Dies bedeutet, dass Hanf- und Leinöl eher sauer und auf den Motor verschleissfördernd reagieren und im weiteren Reaktionen mit den basisch wirkenden Motorölanteilen möglich sind. [7]
Oxidationsstabilität: Bei den vier Pflanzenölen unserer Semesterarbeit stellten wir eine eher schlechte Oxidationsstabilität fest. Das heisst, die Öle tendieren bei der Lagerung zu schnelleren Oxidations- und Polymerisationsvorgängen, die unlösliche Verbindungen und Verstopfungen in der Kraftstoffführung veranlassen können. Ausserdem sind Wechselwirkungen mit den basischen Anteilen des Motorenöls möglich. Eine Verringerung des Wassergehaltes verlangsamt die Oxidation und wirkt deshalb stabilisierend. [7]
Oxidasche: Wie bereits bei der Gesamtverschmutzung überschreiten Hanf- und Leindotteröl auch hier den Grenzwert von 0.01 Masse-%, allerdings nur unwesentlich. Mohn- und Leinöl nutzen den Grenzwert aus. Auf diesem Niveau sind im Vergleich zum Rapsölbetrieb keine verschärften Probleme zu erwarten. Auch hier darf erwartet werden, dass der Oxidaschegehalt mit einer professionellen Filteranlage beträchtlich gesenkt werden kann. [7]
Wassergehalt: Generell ist Wasser für
den Motor nicht schädlich. Für die Senkung des
NOx - Ausstosses ist Wasser sogar förderlich, da es die Verbrennungstemperatur
senkt. Für die Pflanzenöllagerung ist indessen die Einhaltung des
begrenzten Wassergehaltes wichtig, weil dieser für die Mikroorganismenaktivität
entscheidend ist. Ein ungünstig hohes Wasserangebot beschleunigt unerwünschtes
Einsetzen von Hydrolyse und Oxidationsvorgängen. Der Wassergehalt kann
durch günstige Lagerung ohne grosse Temperaturschwankungen und die Raffination
beeinflusst werden. Die zu hohen Wassergehalte des Mohn- und Leinöls stellen
in diesem Rahmen kein grosses Problem dar. [7]
Phosphorgehalt: Trotz erstaunlich hohen Abpressgraden im Bereich von 80 % blieben alle vier Öle deutlich unter dem Grenzwert von 15 mg/kg. Beim Mohnöl fiel der Phosphorgehalt sogar unter den messbaren Bereich. Erfreulicherweise konnte dieser entscheidende Qualitätsparameter sogar auf der labormässigen Gewinnungs- und Aufbereitungsstufe mit einem Sicherheitspolster eingehalten werden. [7]
5.1.2 Gesamtdiskussion
Die Analysenwerte zeigen insgesamt ein zufriedenstellendes Bild und geben gut
verständliche Hinweise auf die Kraftstoffeignung. So wird rasch ersichtlich,
dass Hanföl ungünstig dasteht, während der mischfutterfreundliche
Leindotter durchaus rapsölähnliche Kraftstoffeignung erreicht.
Für die verfahrensabhängigen Grössen die die Grenzwerte nicht
erfüllten, darf sicher gelten, dass sie in einer professionellen Anlage
in den Griff gekriegt, oder zumindest verbessert werden. Die Gesamtverschmutzung,
die Oxidationsstabilität, die Iodzahl und die Neutralisationszahl hängen
entweder vom Partikelgehalt ab, der durch gute Filtration reduziert wird, oder
vom Wassergehalt, der durch Ausgangsfeuchtigkeit und Lagerung beeinflusst werden
kann.
Auf eine chemische Weiteraufbereitung, wie sie in Grossanlagen geschieht, wird
bei der dezentralen Gewinnung von kaltgepresstem Pflanzenöl, als umweltschonendem
Alternativkraftstoff, ausdrücklich verzichtet.
Neben der Ölqualität sind ebenfalls anbautechnische Faktoren zu berücksichtigen.
So ist beispielsweise die Erntetechnik für Hanf noch keinesfalls generell
verfügbar oder ausgereift. Zudem stehen dem Anbau wegen der THC-Problematik
behördenseitig - zumindest vorläufig - noch fast unüberwindbare
Hürden im Weg. Leider ist es auch die Regel, dass Hanfkulturen - unabhäng
von Sorte und Gehalt - von Diebstahl heimgesucht werden.
Bei der Kreuzblättrigen Wolfsmilch sind nach wie vor züchterische
Massnahmen unabdingbar, um einen effizienten Anbau zu ermöglichen. Angaben
zur Kraftstoffeignung des Öls sind nur spärlich vorhanden. Das Saatgut
ist nur schwer erhältlich und sehr teuer.
Eine ähnliche Situation gilt beim Schlafmohn. Das Saatgut ist ebenfalls
nur schwer erhältlich und vor allem sehr teuer, da es bei uns hauptsächlich
zu Speisezwecken - etwa in Bäckereien - verwendet wird. Der Anbau
könnte zudem ähnliche Probleme wie beim Hanf mit sich bringen.
Interessant sind Lein und Leindotter. Diese Ölfrüchte offerieren kein
Missbrauchspotential. Ihr Anbau setzt vor allem die Lösung agronomischer
Probleme voraus. Das Saatgut ist leicht erhältlich und erschwinglich. Die
Ernte kann mit herkömmlichen Getreidemähdreschern geschehen und die
Kulturen sind allgemein in der Bevölkerung akzeptiert.
5.2 Folgerungen
Werden alle Faktoren berücksichtigt wird ersichtlich, dass unter den gegenwärtigen
Bedingungen in unserem Land lediglich Lein und Leindotter wirklich ein Potential
zur Produktion und Nutzung von pflanzlichem Alternativkraftstoff aufweisen.
Als Weiterführung unserer Arbeit könnte es interessant sein, die untersuchten
Öle nun im täglichen Gebrauch zu testen. Im weiteren wäre die
Wirtschaftlichkeit einer Lein- und Leindotterölproduktion für alternativen
Treibstoff abzuklären.
Der Anbau der bearbeiteten Kulturen und gegebenenfalls auch der Kreuzblättrigen
Wolfsmilch, müsste unter schweizerischen Verhältnissen weiter untersucht
werden, um die agronomischen, landtechnischen und ertragsbezogenen Fragen beantworten
zu können, beziehungsweise um bereits existierende Angaben zu überprüfen.
- [1] Alsing I. et al, 1992. Lexikon Landwirtschaft. BLV Verlagsgesellschaft mbH, München.
- [2] Bertelsmann Lexikothek, die Grosse; 1996. Band 5 und Band 10. Verlagsgruppe Bertelsmann GmbH. Gütersloh (A).
- [3] Duke A. J., 1983. Handbook of Energy Crops. Unpublished.
- [4] http://www.bv-pflanzenoele.de/oel_l.... abgerufen am 08.12.2003.
- [5] Pude R., 2001. Broschüre Pflanzen - Rohstoffe - Produkte, Pflanzen für die Industrie. Fachagentur nachwachsende Rohstoffe, Gülzow.
- [6] Remmele E. et al., 2002. Reinigung kaltgepresster Pflanzenöle aus dezentralen Anlagen. Bayerisches Staatsministerium für Landwirtschaft und Forsten. Gelbes Heft 75. Druckhaus Kastner GmbH, Wolnzach.
- [7] [Remmele E. et al., 2002. Begleitforschung zur Standardisierung von Rapsöl als Kraftstoff für pflanzenöltaugliche Dieselmotoren in Fahrzeugen und BHKW. Bayerisches Staatsministerium für Landwirtschaft und Forsten. Gelbes Heft 69. Druckhaus Kastner GmbH, Wolnzach.
- [8] Rindisbacher T., 2003. Rapsöl als Treibstoff - Auswirkungen verschiedener Abpressgrade auf das Rapsöl und den Rapspresskuchen. Semesterarbeit. Schweizerische Hochschule für Landwirtschaft (SHL), Zollikofen.
- [9] Rossbach E., 1990. Der Anbau von Euphorbia lathyris L. unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses von Bestandesdichte, Stickstoffdüngung und Erntetermin auf den Samenertrag und die Ölqualität. Diplomarbeit. Universität Hohenheim, Stuttgart-Hohenheim.
- [10] Sergis L., 1999. Jahrbuch 2. Tarmstedter Forum 1999. Erneuerbare Energie in der Landwirtschaft.
- [11] Widmann B., 1994. Verfahrenstechnische Massnahmen zur Minderung des Phosphorgehaltes von Rapsöl bei der Gewinnung in dezentralen Anlagen, Dissertation, Institut für Landtechnik der Technischen Universität München in Weihenstephan
- [12] Eidg. Forschungsanstalt für Agrarwirtschaft und Landtechnik (FAT), 1998. FAT-Bericht Nr. 516. Landwirtschaftliche Beratungszentrale, Abt. Landtechnik, 8315 Lindau.
Herzlich danken möchten wir unserem Betreuer Martin Meyer.
Er nahm sich die Zeit, uns wo immer möglich zu unterstützen und machte
uns seine Beziehungen zu Fachleuten auch im Ausland zugänglich.
Herzlich danken wir Herrn Juergen Bernath und Herrn Thomas Wilharm für
das grosszügige Angebot, in ihrem Labor drei Tage bei den Analysen mitzuarbeiten
und uns so eine gute Voraussetzung zum Verständnis der Analyseergebnisse
zu schaffen.
Ebenfall einen sehr herzlichen Dank richten wir an das Team der ASG, das sich
während unserem Laboraufenthalt um uns gekümmert, uns die Analyseverfahren
erklärt hat und uns auch mitarbeiten liess.
Herzlich danken wir auch Frau Alice Tzinoglou und Herrn Werner Glink, die uns
während des Aufenthaltes in Deutschland bei sich aufgenommen und so grosszügig
bewirtet haben.
Schliesslich geht ein herzliches Dankeschön an Herrn Armin Tschanz, dass
er sich immer Zeit genommen hat, um unsere Anlagen einzurichten und uns jederzeit
mit Rat und Tat bei Problemen beizustehen.
Herrn Daniel Böhler danken wir recht herzlich für seine Hilfe bei
der Saatgutbeschaffung.
Anhang 1: Prüfbericht ASG Analytik-Service GmbH, Neusäss-Täfertingen (Deutschland)
