Profielwerkstuk Scheikunde Bio-Ethanol

Transcriptie

1 Profielwerkstuk Scheikunde Bio-Ethanol Profielwerkstuk door een scholier woorden 14 december ,4 87 keer beoordeeld Vak Scheikunde Inhoudsopgave Voorwoord Probleemstelling Hypothese Inleiding over bio-ethanol Zelf bio-ethanol maken Economie Flexifuel motor Ethiek Conclusie Discussie Logboek Bronnenlijst Voorwoord Wij hebben dit onderwerp gekozen omdat het ons erg aan sprak. Het thema bio-ethanol is tegenwoordig er veel ter sprake door de schaarste van olie. Brandstof is onmisbaar, daarom is het ook zo belangrijk dat er een alternatief wordt gezocht voor olie. Ook vonden wij het erg leuk om zelf te onderzoeken hoe je bio-ethanol uit fruit kunt halen, en om dat zelf te zien gebeuren. Daarom was onze keuze al snel gemaakt, om voor dit onderwerp te kiezen. Het onderwerp lijkt ons vooral interessant omdat hier nog relatief weinig onderzoek naar is gedaan en het dus een heel origineel onderwerp is. Ons profielwerkstuk is bijna vlekkeloos verlopen. Het was leuk om verder onderzoek te doen naar een bepaald onderwerp en er wat dieper op in te gaan dan normaal. Ook de proeven die we gedaan hebben waren erg leuk, buiten de stank die er vanaf kwam. Pagina 1 van 15

2 Probleemstelling Hoofdvraag Hoe rendabel is het om de voertuigen die op benzine rijden, de benzine te vervangen door ethanol gewonnen uit groente of fruit? Om de hoofdvraag te kunnen beantwoorden hebben we deze opgesplitst in 5 deelvragen, verdeeld over de thema s, zelf maken, hoogste rendement, economie, Flexifuel motor en ethiek. Deelvragen 1. Kun je zelf bio-ethanol maken? 2. Welke groente of fruit heeft de hoogste ethanol opbrengst? 3. Is er een nieuwe motor nodig voor bio-ethanol? 4. Wat is de positie van bio-ethanol op de brandstofmarkt? 5. Brandstof winnen uit voedselplanten, mag dat? Hypothese Wij veronderstellen dat maïs als een van de beste grondstoffen telt bij het produceren van bioethanol als we kijken naar de huidige gang van zaken in Amerika, maar volgens onze berekeningen verwachten we van de druiven het meeste alcohol omdat er het meeste glucose in zit. Ook verwachten we dat bio-ethanol sterk op de markt staat, als we kijken naar Brazilië, waar bijna iedereen op bio-ethanol rijdt. Inleiding over bio-ethanol We produceren het bio-ethanol met de hulp van gist, een eencellige schimmel. In ons onderzoek gebruiken wij gist uit de Turkse winkel, deze gist is lang houdbaar. Deze gist is in staat om glucose om te zetten in ethanol en CO 2. Dit gebeurt alleen bij anaerobe dissimilatie, daarom gebruiken wij ook een waterslot om er voor te zorgen dat er geen O 2 bij de gist komt. Bij aerobe dissimilatie ontstaat er geen ethanol, maar CO 2 en H 2 O. Omdat er in het begin altijd een beetje O 2 aanwezig is in de erlenmeyer zal er altijd een klein gedeelte van het fruit aeroob gedissimeerd worden. Dat gebeurt volgens de volgende reactie vergelijking: C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O Als alle O 2 uit de erlenmeyer op is gereageerd zal het gist pas overgaan op anaerobe dissimilatie. De anaerobe dissimilatie gaat volgens het volgende proces: Eerst wordt met glycolyse de glucose omgezet in pyrodruivenzuur C 6 H 12 O O 2 2 C 3 H 6 O 3 Dit proces kost 2 ATP en maar levert ook 2 ATP op, dus een netto winst van 2 ATP. Het Pagina 2 van 15

3 pyrodruivenzuur zou normaal aeroob gedissimileerd worden, wat nog eens 36 ATP oplevert. Maar omdat er door het waterslot geen zuurstof bij kan, wordt het omgezet in ethanol en CO 2. Dus de totale reactie verloopt als volgt: C 6 H 12 O 6 --> C 2 H 5 OH + 2 CO ATP Waterslot Een waterslot [foto] wordt gebruikt als ventiel op de erlenmeyer. Het waterslot zorgt er voor dat het gas wat in de erlenmeyer zit niet wordt gemengd met het gas in de buitenlucht. Zodat het gas in de erlenmeyer zuurstofarm blijft voor een optimale anaerobe omgeving. We zouden hier ook een kurk voor kunnen gebruiken, maar omdat er vrij veel CO 2 gas vrijkomt bij de anaerobe dissimilatie zou de kurk van de erlenmeyer af schieten en alsnog zou de lucht zich mengen. Het waterslot is gevuld met water, wij hebben demi-water gebruikt, zodat het gas wel uit de erlenmeyer kan maar er niet terug in. Glucose Glucose is een enkelvoudig suiker, een monosaccharide. Glucose wordt ook wel dextrose of druivensuiker genoemd. Om voorspellingen te doen over de verwachte ethanolopbrengst berekenen het gewicht glucose per 100 gram om in mol en daarna om naar ml ethanol. De reactievergelijking is zo dat er uit 1 mol glucose 2 mol ethanol ontstaat. Je neemt het aantal gram van een stuk fruit, en dan reken je dat om naar mol. Dan doe je dat maal twee, omdat de molverhouding 1:2 is. Dan weet je hoeveel mol ethanol ontstaat en dat kan je dan omrekenen naar gram en uiteindelijk naar liters. Appel: In appel zit 1.15 gram glucose. Glucose is 180,2 g/mol. Dus we hebben 0,0064 mol glucose. Dus 0,013 mol ethanol ontstaat uit 0,0064 mol glucose. Ethanol is 46,07 g/mol. Oftewel er moet 0,6 gram ethanol ontstaan. Dus 0,0006 kg met een dichtheid van 0,80*10^3 kg/m3 is 7,5*10^-7 m3. Dat omgerekend is 0,00075 liter. Er moet dus ongeveer 0,75 milliliter ontstaan uit 50 gram appel. Hetzelfde voor alle fruitsoorten. Uit onze berekeningen komt dan uit op de volgende tabel: Fruit Appel Kiwi Maïs Bramen Banaan Avocado Peer Tomaat Druiven Ethanol opbrengst 0,75 milliliter 1,60 milliliter 1,43 milliliter 0,99 milliliter 1,34 milliliter 0,92 milliliter 0,60 milliliter 0,35 milliliter 2,08 milliliter Pagina 3 van 15

4 Destilleren Destillatie berust op het verschil in kookpunt van een vloeistof. Alle vloeistoffen hebben een ander kookpunt. Wanneer een mengsel van vloeistoffen wordt verwarmd, zal de vloeistof met het laagste kookpunt als eerste gaan koken. Bij het koken verdampt de gewenste vloeistof en stijgt op. Een enkele destillatie is nooit zuiver, omdat er altijd een beetje van de rest van het mengsel ook mee verdampt. Het dampmengsel wordt door een dubbelwandige buis gestuwd, waardoor aan de buitenkant koud water wordt gepompt. Daardoor gaat de buis zich gedragen als een warmte wisselaar en condenseert het mengsel wat vervolgens als vloeistof in de kolf valt. Destilleren doen wij met behulp van een destillatie kolom (x). Wij willen de alcohol van het water en alle andere stoffen gaan scheiden. Omdat alcohol een kookpunt heeft van 80 C en water een kookpunt heeft van 100 C zal de alcohol dus als eerste gaan verdampen. Wij hebben hier gekozen voor een dubbele destillatie om toch zo nauwkeurig mogelijk onze metingen te kunnen verrichten zonder dat er veel water bij de alcohol zit. Azeotoop Water en ethanol vormen samen een azeotoop. Een azeotoop is een verzamelnaam voor alle mengsel van vloeistoffen die een afwijkend kookpunt hebben. Ethanol heeft namelijk een kookpunt van 78,3 C en water een kookpunt van 100 C, terwijl het mengsel een kookpunt heeft tussen de 78,1 C en de 100 C, afhangend van de concentratie. Het mengsel is een positieve azeotoop, oftewel een minimakookpuntmengsel, omdat het kookpunt lager kan liggen dan de beide stoffen afzonderlijk. Het mengsel bereikt zijn azeotooppunt als de verhouding (in massa) 95,63% ethanol en 4,37% water is. Vanaf deze verhouding zitten de curven in het snijpunt en zal de stof niet meer zuiverder worden. Na de eerste destillatie zal de verhouding ongeveer 80/20 zijn, omdat we met hele kleine hoeveelheden werken, gaat er waarschijnlijk meer ethanol verloren bij het opnieuw destilleren dan dat we aanvankelijk hadden, dus destilleren we maar een keer. Gist Gist is een eencellige bacterie die suikers om kan zetten in water en koolstofdioxide of in alcohol. De gist die wij hebben gebruikt is van de Turkse handelaar die een winkeltje heeft in Overdie. De gist is gedroogd en daardoor langer houdbaar. Zelf bio-ethanol maken Eerste proef Onze eerste proef is mislukt. Wij hadden te veel fruit genomen, namelijk ongeveer 120 gram per fruitsoort. Bij het toevoegen van het gist begonnen 4 van de 10 gelijk heel hard te werken, er ontstond heel veel CO 2. Toen we klaar waren met het opzetten van de proef, dus de erlenmeyers vullen met fluit en gist, hebben we erlenmeyers in de vensterbank van het Atomium gezet. Na 1 dag hebben we het even bekeken, alles ging gewoon rustig door. Even een klein beetje geschud en weer terug gezet. Pagina 4 van 15

5 Woensdag zag alles er nog normaal uit, de kleuren waren niet meer zo fel en levendig zoals in het begin maar verder niets opvallend. Weer rustig de erlenmeyers een voor een geschud. Donderdag zijn we in de 2 e pauze opnieuw naar het Atomium gegaan om even te kijken hoe het er mee stond. De erlenmeyers zaten onder de opgedroogde fruitresten en de watersloten waren helemaal verstopt. Volgens de technisch onderwijs assistente zat het fruit tot hoog op de ramen, hele vensterbank lag vol en op de grond lag ook nog. Door dit ongeval zijn 2 watersloten kapot gegaan. Bij de druif is het zo hard en snel gaan reageren dat het was gaan schuimen, er waren nog opgedroogde fruitschuimbellen te zien in de erlenmeyer aanwezig. Door het hele waterslot is het fijngeprakte druiven mengsel omhoog geperst. Bij de sinaasappel is er waarschijnlijk een stukje in het schuim mee omhoog gekomen, want daar was het hele waterslot ervan af gesprongen en op de vensterbank kapot gevallen. Ook de bramen en de banaan waren het veel te hard gegaan. Beide fruitprakjes waren ook door de watersloten omhoog geperst. Wat er bij deze proef fout is gegaan is dat we teveel fruit hebben genomen voor een erlenmeyer van 300ml. De kiwi die ook heel hard van start ging, zat in een erlenmeyer van 500 ml en daar is niets mee gebeurd. Wij gaan dit proefje opnieuw doen maar dan met de helft van de hoeveelheid fruit en dus ook met de helft van de hoeveelheid gist. Hierdoor hopen wij dat het fruit mengsel gewoon in de erlenmeyer blijft. Materiaallijst: Bijlage I Tweede Proef Bij proef 2 hebben we andere stukken fruit gebruikt dan bij de eerste proef, omdat niet alle fruitsoorten nog bij de supermarkt te verkrijgen zijn. We hebben voor deze proef 4 dagen staan, of 9 dagen, dat hangt af van hoe de toestand van het fruit is. Als het fruit weer heel druk bezig was met overactief reageren, destilleren we al op vrijdag, omdat we het dan niet in het weekend kunnen laten staan in verband met mogelijke uitbarstingen uit de erlenmeyers. Bramen De bramen hebben we in een eerst in een bekerglas van 250 ml gedaan en eerst met een mesje de grote delen kapot gesneden en geroerd. Nadat het een beetje op een prutje leek hebben we het met een vork nog even helemaal fijn geprakt zodat er geen hele stukjes braam meer inzaten. Tomaat De TastyTom trostomaat die we gebruikt hebben, hebben we eerst in vier stukken gesneden boven het bekerglas, zodat alle sap die er uit komt ook in bekerglas terecht komt. Daarna is het vruchtvlees in kleine stukjes gesneden op een snijplankje. Daarna hebben we de heel kleine blokjes tomaat in het bekerglaasje bij het sap gedaan. Het groene kroontje op de tomaat hebben we verwijderd. Pagina 5 van 15

6 Avocado De avocado was te groot om in 1x te gebruiken dus die hebben we verticaal doormidden gesneden en de pit er uit verwijderd. We hebben hem verticaal doormidden gesneden om een avocado radiaal symmetrisch is en we zo alle verschillende soorten vruchtvlees en vezels hebben. Op het snijplankje hebben we de avocado eerst in heel kleine stukjes gesneden, daarna in het bekerglas van 250 ml gedaan en het met een lepeltje tot moes gedaan. Ook met demiwater hebben we het sap ook van het plankje gespoeld in het bekerglas. Peer De conference peer die we gebruikt hebben was ook te groot om in zijn geheel te gebruiken. Deze hebben we ook verticaal doormidden gesneden omdat een peer ook radiaal symmetrisch is. De peer was nog redelijk vers en dus ook nog te hard om tot moes te maken. Daarom hebben we de peer in heel kleine stukjes gehakt en in het bekerglas van 250 ml gedaan. Om er voor te zorgen dat het gist straks toch wel bij alle fruitstukjes kan komen, hebben we er demiwater bij gedaan tot dat alle stukjes onder water lagen. Appel Wij hebben voor deze proef 2 keer appel genomen. Het is de zelfde appel die we verticaal doormidden hebben gedeeld. Hier mee willen we tegelijkertijd kijken of de manier van het fruit prepareren ook nog uitmaakt. We hebben namelijk de ene helft gewoon in kleine brokjes gehakt met een mes, in een bekerglas van 250 ml gedaan en water toegevoegd tot alle stukjes onderwater liggen. Met de andere helft hebben we helemaal fijngeprakt tot appelmoes. Daar hebben we ook een klein beetje demiwater aan toegevoegd. Banaan De banaan was ook te groot om in zijn geheel te gebruiken. Omdat in de banaan overal het zelfde vruchtvlees is als deze gewoon doormidden wordt gesneden hebben we een halve banaan tot moes geprakt in het beker glas door er eerst brokjes van te maken en daarna met de vork te prakken. Kiwi De kiwi was precies binnen de marges voor de gewichtseisen die we gesteld hebben dus die hebben we op een snijplankje in stukjes gesneden en tot moes geprakt met een vork. Met de vork hebben we de moes in het bekerglas gedaan en met demiwater de snijplank schoongespoeld zodat er geen stukjes kiwi op bleven liggen. Maïs De maïs die we hadden zat nog aan de kolf vast. Steven heeft het maïs er af zitten pulken. We hebben bewust een kolf maïs genomen omdat hier geen conserveringsmiddelen aan zijn toegevoegd. De conserveringsmiddelen zouden het gisten kunnen remmen. Nadat we de geschikte hoeveelheid maïs hadden verkregen hebben we dit met veel moeite een beetje kapot kunnen snijden en licht kunnen prakken. Het geheel hebben we ook weer in een bekerglas gedaan Pagina 6 van 15

7 en demiwater toegevoegd tot het mengsel van maïsmeel en maïsbrokjes geheel onder water lag. Druiven De druiven hebben we in het bekerglas gedaan en voorzichtig eerst lek geprikt met het mesje. Vervolgens hebben we door het mesje steeds vanaf het midden naar de buitenkant van het bekerglas te bewegen alle grote stukken druif doormidden gehakt en met een lepel de laatste stukjes nog even helemaal leeg geperst en fijn geprakt. Na alle vruchten zijn geprepareerd Toen alle vruchten geprakt waren hebben we ze allemaal in een erlenmeyer van 500 ml gedaan. Met uitzondering van de braam, die hebben we in een erlenmeyer van 800 ml gedaan omdat deze het snelst reageert van alle vruchten en deze dan ook de vorige keer het ergst ontploft was. Nadat alle vruchten in hun erlenmeyer zaten hebben we de watersloten met water gevuld en klaar gezet naast de erlenmeyers. Voor de hoeveelheid gist hebben we telkens 10% van de massa van het fruit gebruikt. Daarna hebben we na het ingooien van het gist zo snel mogelijk het waterslot er op gezet om te voorkomen dat het gist overbodig aeroob gaat dissimileren. Tot slot hebben we de alle erlenmeyers met het mengsel van demi-water, fruit en gist op de vensterbank gezet, zo dicht mogelijk bij elkaar zodat alle externe factoren zoals zonlicht en warmte bij alle erlenmeyers het zelfde waren. Van dinsdag t/m de volgende week dinsdag hebben we elke dag 2 keer alle erlenmeyers met waterslot voorzichtig gezwenkt, voor het eerste uur en na het laatste uur, zodat het gist niet naar de bodem zou zakken. Op zaterdag en zondag hebben de erlenmeyers niet geschud, want de school was dicht. Op dinsdag zijn we alles in 1 keer gaan destilleren om verschil in gistingstijd te voorkomen. Voor het destilleren hebben we eerst al het gegiste fruit door een heel fijn zeefje gehaald om te voorkomen dat er nog hele stukken als schil mee gaan in de destillatie kolom. Het destilleren hebben we volgens de standaard procedure gedaan. Dus eerst snel verwarmen tot ongeveer 80 C en daarna de tempratuur constant gehouden voor ruim een kwartier, zodat we er zeker van waren dat we alle ethanol zouden verdampen. We hebben de ethanoldamp laten neerslaan in de koelbuis die werkt als warmte wisselaar. De druppels ethanol hebben we opgevangen in een maatcilinder en gemeten met een pipet van 1 ml. We hebben het eerste decimaal afgelezen en het 2 e decimaal geschat. Om te controleren hebben we de druppel op de rand van het gaas gedruppeld en met de gasbrander aangestoken. Als het bleef branden zonder brander er bij wisten we dat het een heel hoge concentratie ethanol was. Bij al onze metingen was dit het geval. Resultaten van de proef Pagina 7 van 15

8 Oplossing na Alcohol filtreren Appelmoes 103 0,41 Avocado 80 0,32 Banaan 110 1,25 Braam 104 0,95 brokjes appel 61 1,32 Druiven 62 1,42 Kiwi 98 0,18 Maïs 56 1,68 Peer 50 1,95 Tomaat 58 0,82 Alle waarden die hiernaast staan zijn reeds omgerekend met behulp van een verhoudingstabel naar alcoholopbrengst per 50 gram fruit. Materiaallijst: Bijlage II Economie Bio-ethanol wordt beschouwd als één van de belangrijkste alternatieven voor brandstoffen in Europa voor nu en ook voor in de toekomst. De productie is tegenwoordig het meest gebruikt door middel van fermentatie. In 2005 is in Europa ton bio-ethanol geproduceerd voor de transportsector. Als je dat vergelijkt met het jaar ervoor, is het met een grote 50% toegenomen. De EU streeft naar een vervanging van 5.75% van benzine en diesel, als dan de helft wordt gevuld met bio-ethanol, zal de vraag naar bio-ethanol ongeveer 14,5 miljoen ton bedragen. Daarom is het belangrijk dat de kosten van het maken van bio-ethanol zo laag mogelijk komt te liggen, zodat bio-ethanol een nog aantrekkelijkere brandstof is. Je hebt vier verschillende manieren om aan ethanol te komen: Thermoschemisch Biologisch Fysisch Chemisch Deze vier methodes hebben allemaal hun eigen economische voor- en nadelen. Ook is het moeilijk om ze te kunnen vergelijken met elkaar om de volgende redenen: - De tijd die het proces duurt - Hoe meer er over geleerd is, hoe makkelijker de productie zal gaan. Waardoor de kosten lager worden. Pagina 8 van 15

9 - De grootte van de fabriek. Al heb je een grote fabriek zal je door schaalvoordelen minder kosten maken dan als je een kleine fabriek hebt. - Elke installatie is anders. Er zullen bijna nooit identieke installaties staan bij twee fabrieken. Degene die wij zullen gaan bespreken is de biologische kant, dus door middel van fermentatie en destillatie. Omdat er veel factoren komen kijken bij het produceren van bio-ethanol, is er ook nooit een vaste kostprijs. Het tot stand komen van de prijs van bio-ethanol De belangrijkste bijdragen aan de productiekosten van bio-ethanol is de grondstofprijs % van de kostprijs komt tot stand door de grondstofprijs. Daarnaast zijn de kapitaalkosten erg belangrijk, kapitaalkosten voor een fabriek die bio-ethanol produceert hangt af van de plaats en de grootte van de fabriek. Over het algemeen heeft een grote fabriek lagere kapitaalkosten en kleine fabrieken hogere kapitaalkosten. Zoals je in de grafiek hiernaast ziet, wordt de productiekosten steeds kleiner na mate de fabriek groter wordt. Er zit alleen een maximum aan gebonden, voor grote fabrieken zijn er veel meer transportkosten nodig, daardoor worden de schaalvoordelen minder. Als laatste komt de waarde van bijproducten (afvalstoffen) als kosten bij de kostprijs. De waarde van de bijproducten hangen af van de marktprijs. Bijproducten van graan kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden als voedsel voor dieren. Voor kleine fabrieken is het vaak voordeliger om de bijproducten tot biogas om te zetten. Je hebt ook bijproducten die voor meerdere doeleinden gebruikt kunnen worden, zoals suikerbieten. Het bijproduct kan worden gebruikt als voedsel, maar ook als mest. Om te zorgen dat je bijproducten goed worden benut en niet zomaar weggegooid wordt, is er ook nog energiekosten nodig en bepaalde investeringen. Daardoor is het vaak niet zo voordelig als het lijkt, maar toch kan er een kleine winst uit gehaald worden. De tabel hieronder geeft de productiekosten van bio-ethanol in Europa weer. De hogere kosten van het sap van de suikerbiet vergeleken met stroop komt omdat de kosten van de bijproducten die ontstaan erbij zijn berekend. Om het sap tot iets bruikbaars te kunnen veranderen is veel energie nodig. De productiekosten uit aardappelen zijn het hoogst, terwijl de grondstof het laagst kost. Dat komt omdat aardappelen voor 75% uit water bestaan, en daardoor niet efficiënt zijn om bioethanol te verkrijgen door de hoge transportkosten. Bio-ethanol vergeleken met ruwe olie De laatste jaren is de olie erg in prijs gestegen. In het begin van 2002 was de olieprijs $23/ton, terwijl het in 2005 steeg naar $63/ton. Tegenwoordig is de huidige olieprijs $71/ton. De ton komt van het vat waar de olie in zit, ook wel barrel genoemd. De productiekosten van olie varieert van 0,29-0,62/l. Dan zou je denken dat bio-ethanol een grote concurrent is voor olie, alleen helaas is dat niet zo. De productiekosten van olie is ook in begrepen met opslag (±0.06 /l) en de kosten van degene die het verkoopt (±0.05 /l). De werkelijke productiekosten zouden dan tussen de 0,18-0,51 bedragen. Pagina 9 van 15

10 Bio-ethanol kan niet worden gebruikt zonder dat er benzine in wordt gemixt. De brandstof met het hoogste percentage Bio-ethanol is E85, met 85% bio-ethanol. E85 kan door het hoge percentage Bio-ethanol niet worden gebruikt in normale motoren. Het hoogste percentage wat niet voor schade brengt aan de normale motor is 10%. Doordat benzine altijd nodig zal zijn, in ieder geval tot er nieuwe technieken worden uitgevonden, is benzine nog steeds erg belangrijk. Breakeven Er is nu niet een echte concurrentie tussen ruwe olie en bio-ethanol. Dat komt omdat de vraag groter is dan het aanbod wat er is aan brandstoffen. Er is ook nog niet genoeg technologie om bio-ethanol als ware concurrent te zien. Toch kan het bio-ethanol afkomstig uit Brazilië aardig meedoen. Om uit te kunnen rekenen wanneer je ongeveer dezelfde kosten en opbrengsten maakt ten opzicht van bio-ethanol en olie, bereken je de breakeven. De breakeven komt tot stand uit de prijs van bio-ethanol tegenover de prijs van olie. Om de breakeven van bio-ethanol en olie te berekenen moeten we eerst uitrekenen hoeveel een auto rijdt op 1 barrel bio-ethanol vergeleken bij olie. Bio-ethanol produceert 70% van de energie die olie produceert. Dus een auto kan bij olie langer rijden op een volle tank dan bij bio-ethanol. Hieruit volgt dat de productiekosten van bio-ethanol /l moeten bedragen om überhaupt te kunnen concurreren met olie. Bio-ethanol in Nederland De laatste jaren zijn er veel manieren gezocht om bio-ethanol in Nederland te gebruiken. Er zijn tegenwoordig ongeveer 30 tankstations die bio-ethanol hebben. Er zijn ook al veel auto s geproduceerd door autobedrijven die op bio-ethanol rijden. Maar is bio-ethanol een waardige vervanger van de benzine in Nederland? Ten eerste moet je kijken naar de hoeveelheid grond nodig is om alle auto s te kunnen laten rijden. Daarom nemen we suikerbieten als voorbeeld door het hoge suikerpercentage. 1 hectare suikerbieten is ongeveer kilogram per jaar wat ongeveer kilogram suiker per hectare per jaar geeft. Die kilogram geeft ongeveer kilogram bio-ethanol, en dat is ongeveer liter bio-ethanol. Per jaar kunnen hier 2,6 auto s op rijden. Nederland heeft een oppervlakte van 4 miljoen hectare, waarvan 2 miljoen landbouwgrond is. In Nederland zijn er ruim 7 miljoen auto s, dus Nederland zou nooit zelf alle benzine kunnen vervangen met de huidige technieken die gebruikt worden. Bio-ethanol in Brazilië In het gebied rond Piracicaba, een stad zo n 180 kilometer ten noordwesten van São Paulo, is bijna driekwart van de landbouwgrond beplant met suikerriet. Ongeveer 30 jaar geleden begon hier de productie van bio-ethanol door het bedrijf Cosan. De laatste jaar groeide de omzet van Pagina 10 van 15

11 Cosan met 45 procent. En twee jaar geleden nam het alle benzinestations in Brazilië over. In totaal heeft Brazilië meer dan 300 ethanolfabrieken en het heeft de laagste productiekosten van ethanol in de wereld. De productiekosten staan nu ongeveer op 18 tot 23 dollarcent. Heel Brazilië rijdt tegenwoordig op bio-ethanol, maar toch staat het in Europa nog ter discussie. Veel mensen vinden dat het ten koste gaat van de landbouwgrond en de voedselketen,toch is dat niet helemaal waar. In Brazilië groeit het suikerriet op zo n 7.8 miljoen hectare, wat ongeveer 2.3 procent van al het landbouwgrond is. Dus vergeleken met al het landbouwgrond is dat zo n laag percentage dat het niet zo veel invloed op de voedselketen heeft. In Brazilië staat ethanol niet ter discussie, zoals in Europa. Brazilië consumeert nu al meer dan 30 jaar bio-ethanol, een liter benzine bestaat hier standaard voor 20 tot 25 procent uit ethanol en kost 1,12 euro per liter (in Nederland kost benzine 1,66 euro per liter). In totaal heeft 26% van de bevolking in Fleximotor. Een Fleximotor is een motor waarmee je op benzine en op bio-ethanol kunt rijden. Brazilië verwacht ook dat het de komende jaren tot 50 procent moet gaan groeien. Flexifuel motor Een nieuwe soort brandstof gaat gepaard met een nieuwe soort motor. In een gangbare motor is op het huidige onderzoeksniveau geen ethanol te verbranden. Het is echter wel mogelijk om ethanol met benzine te mengen. Het ethanol/benzine mengsel wat nu op de markt is heet E85. Oftewel een 15% benzine met 85% ethanol gemengd, de percentages zijn in volumeprocent. Dit mengsel is alleen te verbranden in aangepaste motoren. Het wil niet zeggen dat deze 'Flexifuel' motoren alleen dat ene mengsel kunnen verbranden. Deze motoren kunnen maximaal een mengsel verbranden van 85% ethanol, dus ook lager gemengde concentraties, of gewoon normale benzine. De normale benzine motoren die de meeste auto's op dit moment hebben kunnen maximaal een mengsel verbranden van 90% benzine en 10% ethanol. Algemene aanpassingen Er zijn een paar algemene aanpassingen nodig voor het gebruik van E85: De materialen die in contact komen me de brandstof moeten worden vervangen in een hoogwaardigere kwaliteit, want E85 is corrosiever dan reguliere benzine. De Engine Control Unit, de computer die het motormanagement onderhoudt, moet worden aangepast, want E85 heeft een grotere expansie dan reguliere benzine. Dat wil zeggen dat E85 na verbranding groter is dan benzine. Het gasmengsel neemt dus een groter volume aan. De Flexifuel motoren hebben daarom een sensor bij de brandstofslang naar de motor, die de brandstof herkend, hierop past de motor van zelf zijn stuursysteem aan. Daarom kunnen de Flexifuel motoren op reguliere benzine en op E85 werken. Er moet op de Engine Control Unit ook de hoeveelheid zuurstoftoevoer worden aangepast. Benzine ontbrandt het best op 1:14 en E85 het best op 1:6. De verhouding moet dus veel rijker zijn op E85 Er moet een sterkere brandstof pomp in de auto, want ethanol heeft een hoger octaan en verbrand dus beter bij een hogere druk. Een sterkere pomp zal er voor zorgen dat de E85 met Pagina 11 van 15

12 hogere druk in de cilinders wordt gepompt. Motor specifieke aanpassingen Er zijn 2 verschillende soorten brandstofmotoren, met carburateur en met injectie. Bij de carburateur wordt het mengsel eerst gemengd met lucht, waarna een slangenstelsel het mengsel naar de cilinders brengt. Bij injectie wordt het mengsel direct met lucht in de cilinder gepompt. Carburateur Voor motoren met een carburateur een grotere sproeier nodig en de ontsteking moet wat later worden gezet. Anders is het gas- en lucht mengsel niet optimaal. Injectie Voor motoren met een injectie is een grotere injector noodzakelijk. Ook moet er een andere lambadasensor (de sensor die de verhouding tussen het gas en het lucht meet) worden gezet. De sensor zal een groter bereik moeten hebben omdat de zuigers verder worden ingedrukt door de grotere expansie. De turbodruk, ontsteking, inspuiting en alle andere settingen van de motor kunnen bij een injectie motor wel door de Engine Control Unit geregeld worden. Er is dus voor het gebruik van bio-ethanol geen nieuwe motor nodig. Zelf voor een licht mengsel E10 is zelfs geen aanpassing nodig. Het meest gangbare mengsel is E85, daar zijn echter wel een paar aanpassingen voor nodig. Al deze aanpassingen bij elkaar maken de Fleximotor. Er zijn al autoleveranciers die een Fleximoter auto voor de zelfde prijs verkopen als die van de reguliere benzine motor. Biobrandstof Er zitten voor en nadelen aan ethanol en biobrandstof. Het is vaak zo dat de nadelen vele malen zwaarder wegen voor het kabinet bij het overwegen dan de voordelen. Daarom behandelen wij vooral de nadelen. In het rijke westen verbouwen wij voedsel speciaal voor onze auto s, terwijl een paar duizend kilometer verderop volwassenen en kinderen honger leiden en zelfs sterven van de honger. Dat is een van de sterkste argumenten die zullen worden gebruikt tegen de massaproductie van bio-ethanol. Sommige humanitaire organisaties zullen zwaar verzet leveren tegen het vergisten van groente en fruit voor brandstof. Het gebruiken van voedselplanten voor brandstof is de eerste generatie bio-ethanol. Dat is de techniek die we ook bij onze proef hebben gebruikt. Hierbij worden suikers omgezet in ethanol. De techniek die nu nog verder ontwikkeld wordt is van de tweede generatie. Hierbij worden snel groeiende bomen gebruikt voor de cellulose. Dit zijn dus geen planten die ook worden gebruikt voor voedsel. Uiteraard heeft dit wel effect op de voedselproductie, want de grond die wordt gebruikt voor de brandstofgrondstof had ook kunnen worden gebruikt voor de productie van groentes. Maar het zijn uiteindelijk niet meer de appels en peren die worden gebruikt voor de brandstof. Ten tweede is er ook nog een verlies van biodiversiteit. Dat wil zeggen het aantal verschillende planten en dieren per oppervlak. Als er vele hectares grond gebruikt gaan worden voor de Pagina 12 van 15

13 productie van brandstof, zal er naaste de bestaande grond bestemd voor voedsel ook nog extra kale grond voor de brandstofbomen gemaakt worden. Hierdoor gaat er een stukje natuur verloren. Als dit stuk natuur precies geschikt was voor een aantal speciale dieren en planten, zal de kans groter zijn dat ze sneller uitsterven. Wanneer er in een ecosysteem in eens een hele boel nieuwe bomen komen, zullen er insecten of andere vogels die van deze planten kunnen leven naar dit gebied trekken en hun oude woonplaats verlaten. Er wordt dus een schakel uit de voedselketen van het vorige gebied gehaald. Hierdoor wordt het de natuurlijke voedselketen verstoord en zullen sommige dieren hier niet kunnen overleven en sterven uit in het gebied. Er is hier natuurlijk wel een kans op nieuwe diersoorten, doordat bestaande diersoorten gunstige mutaties krijgen en zo uitgroeien tot nieuwe dieren. Maar dit proces duurt tientallen jaren en weegt niet zwaar genoeg op tegen het verdwijnen dier- en plantensoorten. Ten derde zal door de ontbossing die nodig is voor het aanleggen van landbouw grond voor de biobrandstof het koolstofdioxide gehalte toenemen in de lucht, omdat de bomen die daar stonden veel groter zijn en dus meer koolstofdioxide uit de lucht opnemen dan de nieuwe brandstof bomen. Dus in plaats van het verlagen van het koolstofdioxide gehalte door het gebruik van biobrandstof, zal het koolstofdioxide gehalte juist eerst even toenemen voor het gaat afnemen. Het zijn duurzame investeringen, dus na verloop van tijd zal de investering in biobrandstof productie zichzelf terugwinnen. Ten vierde zullen ook de voedselprijzen stijgen, omdat de vruchtbare en beschikbare grond die nu vooral gebruikt wordt voor het verbouwen van voedsel, deels zal worden gebruikt om brandstof bomen te verbouwen (in de 2e generatie biobrandstof). In de eerste generatie zullen de voedselprijzen harder stijgen. Dit komt puur door de marktwerking, als er meer vraag naar groente en fruit is, zullen de prijzen stijgen. Als de prijzen voor de afnemer stijgen, bijvoorbeeld voor de supermarkt, zal deze de extra kosten doorberekenen aan de consument. Dus uit eindelijk zal de consument hiervoor moeten betalen. Deze explosieve prijsstijging is alleen op te vangen met overheidssubsidies. In Brazilië zijn die subsidies er al. Het huidige kabinet ziet er nog geen toekomst in, maar een nieuw groen kabinet zal zeker subsidies gaan geven. Ten vijfde is er ook nog het probleem met de auto's en de tankstations. Een standaard motor kan alleen biobrandstof rijden als er maximaal 10 ethanol bijgemengd is, bij hogere concentraties doet de motor het niet. De gangbare biobrandstof bevat momenteel 85% ethanol. Er is dus een aanpassing in de motor nodig. Het is een kip-en-het-ei-constructie. Waarom zou de consument een auto kopen die op biobrandstof kan rijden, als de biobrandstof nergens te tanken is? En waarom zou een pompstation een extra pomp bouwen voor biobrandstof als er toch geen auto's op rijden? Dit probleem komt vaker voor bij nieuwe uitvindingen. Daarom werken Ford en Shell samen en proberen ze via de bedrijfsauto's hun biobrandstof auto's en biobrandstof op de markt te Pagina 13 van 15

14 brengen. Er is ook nog een derde generatie biobrandstof op komst, deze zal worden gewonnen uit algen. Daar wordt momenteel nog heel veel onderzoek naar gedaan en is momenteel nog niet rendabel. Conclusie Onze hoofdvraag was: Hoe rendabel is het om de voertuigen die op benzine rijden de benzine te vervangen door ethanol gewonnen uit groente of fruit? Conclusies van de deelvragen Ethanol is zelf te maken, alleen is er wel benzine nodig om het tot een brandstof te maken. Maar in tijden van crisis is het mogelijk om tot maximaal 10 volume procent bij de benzine te mengen zonder schade aan de auto te doen. Het is het meest rendabel wanneer de fruitsoort met de hoogste ethanol opbrengst wordt gebruikt. Uit onze gemeten fruitsoorten zouden we daarvoor dus peer moeten gebruiken. Terwijl uit onze berekeningen blijkt dat we als beste druiven kunnen nemen voor grootschalige productie. Er is geen totaal nieuwe motor nodig voor de verbranding van E85, alleen een paar aanpassingen. Die aanpassingen zijn reeds gerealiseerd en er zijn al personenauto s op de markt die op E85 kunnen rijden. De positie van bio-ethanol op de brandstofmarkt is nog erg laag, omdat de overheid op het moment nog niet voldoende investeert in duurzame energie voor transport. Nederland is als land niet groot genoeg om zelfstandig te produceren en er voertuigen op te laten rijden. Brandstof winnen uit voedselplanten dat is niet de manier waarop de hele transportsector van bio-ethanol kan worden voorzien. Daar is de tweede generatie bio-ethanol voor. Het begin moet ergens zijn, dus kleinschalig met de eerste generatie bio-ethanol. Conclusie voor de hoofdvraag Alle voertuigen die op benzine rijden, te laten rijden op bio-ethanol is nog niet rendabel genoeg voor een land als Nederland. Nederland zou dan de bio-ethanol moeten importeren, dat is niet rendabel. Grotere landen kunnen echter wel op bio-ethanol draaien, zoals Brazilië. Voordat alle voertuigen in Nederland van benzine overstappen naar E85, moet er eerst nog veel meer onderzoek gedaan worden om dit rendabel te maken. Discussie Onze proef heeft wat verassende resultaten opgeleverd. Vergeleken met onze berekeningen zitten er toch een aantal verschillen met de hoeveelheid ethanol die we kregen van het destilleren. Onze berekeningen hadden aangetoond dat druiven het meeste alcohol opleverden, terwijl wij na het destilleren bij de druiven één van de minste ethanol er uit kregen. Dit zal misschien hebben gelegen aan het prakken van de druiven, of we hadden druiven met minder suiker dan in de gegevens van de bron. Toch zaten er veel resultaten dichtbij het berekende resultaat. Ook bleef er een klein beetje alcohol hangen in de destilleerbuis, wat op kleine verschillen kan uitkomen. Pagina 14 van 15

15 Ook verassend was de appel, we hebben de appel tot moes geprakt en de appel in stukjes gelaten. Uit de resultaten bleek de moes minder alcohol hebben opgeleverd dan de stukjes appel. Wij hadden verwacht dat de moes meer alcohol zou opleveren dan de stukjes omdat het gist zich makkelijker overal kon verspreiden. Voor een vervolgonderzoek zouden we betere manieren moeten vinden om al het sap uit het fruit te laten komen zonder dat er suiker verdwijnt, zoals bij het maïs die al gedeeltelijk uiteen spatten bij het verwijderen. Ook hadden we in plaats van prakken, het fruit door middel van een koffiefilter kunnen filtreren om alle stukjes er uit te halen. Tijdens het destilleren hadden we ook kleine problemen opgemerkt, zoals dat er nog stukjes in bleven zitten die er uit moesten, wat dan wel ten koste gaat van een kleine hoeveelheid glucose in die stukjes. Tijdens het destilleren kwamen we er ook achter dat hoe langer je destilleert, hoe meer ethanol je er uit kreeg. Daarom was het misschien handiger om nog langer te destilleren, wat wel veel tijd had gekost. We waren ook er achter gekomen dat bij een bepaalde kookpunt de temperatuur een tijdje bleef hangen. We kwam toen tot de conclusie dat het door de gist kwam dat eerst kapot moest worden gemaakt. Dus we hebben de proef redelijk goed uitgevoerd, alleen om nauwkeurigere antwoorden te krijgen hadden we misschien toch het een en ander beter moeten doen. Bronnenlijst t_maiuml_s_voor_bio-ethanol e_wereld_nog t_maiuml_s_voor_bio-ethanol an+goed/check=y/identify=y ortbrandstoffen/ethanol/ Handbook of Bioethanol: Production and Utilization, Charles E Wyman Binas voor havo/vwo bovenbouw Pagina 15 van 15