Konzepte zu Anbau, Herstellung und Verwendung von Pflanzenölen

Projekte AUTARK 2000

Weltweit erstes 100%-erneuerbare-Energien-Inselnetz-Hybridkonzept

Geschäftsgegenstand von Autark 2000 ist die Konzeption und Umsetzung autarker Hybridsysteme mit 100 % erneuerbaren Energien. Dazu gehört auch die Versorgung mit Pflanzenölen aus nachhaltigen Anbaustrategien. Schließlich verlangt ein ganzheitlicher Denkanspruch auch, dass man sich an der Aufgabe orientiert, wie man den gesamten Kreislauf von der nachhaltigen Erzeugung des Kraftstoffes über dessen Verbrennung im Motor und den daraus entstehenden Emissionen soweit schließen kann, dass negative Änderungen für Natur und Mensch vermieden werden können. Im Rahmen der hierzu nötigen Forschungen vergibt Autark 2000 auch Promotionen und wissenschaftliche Arbeiten (vgl. Markus Brautsch, Promotion zum Thema „Eine vergleichende Gesamtenergiebilanz für Photovoltaik-Module und Pflanzenöl-Blockheizkraftwerke“, Erlangen 1997).

Die Zielvorstellung von Autark 2000 war, bis zum Jahr 2000 erstmals energetisch autarke Energieversorgungskonzepte im mobilen und stationären Sektor auf Basis 100 % erneuerbarer Energien auf hochalpinen Schutzhütten umzusetzen. Auf der Coburger Hütte des Deutschen Alpenvereins e.V. konzipierte, plante und installierte Autark 2000 weltweit die erste Inselanlage, die Strom aus 100 % erneuerbaren Energien generierte. Ausgangspunkt war eine Kooperation mit dem Freiburger Fraunhofer Institut für Solare Energieforschung (ISE), das erste netzferne Photovoltaik-Inselanlagen mit Gasmotoren als Back-up und Spitzenstromerzeuger einsetzte. Der Vorschlag von Autark 2000, den fossilen Gasanteil durch den regenerativen Kraftstoff Pflanzenöl in technisch angepassten Motoren zu ersetzen, wurde 1992 von Peter Weber, Hütten- und Wege-Referent des DAV, Prof. Dr. Jürgen Schmid (ISE), seinem Team und Autark 2000 auf der Coburger Hütte auf 2.000 m Höhe erstmalig projektiert und realisiert.

Das Elsbett-Prinzip direkt einspritzender Sondermotoren

Die erste Generation hierzu verwendeter speziell entwickelter pflanzenöltauglicher Elsbett-Sondermotoren auf der Coburger-, Nürnberger- und Glorer Hütte erwiesen sich als leistungslimitiert und aufgrund eines gewissen Prototypenstatus als zu fehleranfällig und zu teuer in Investition und Wartung.

Das VWP-Prinzip angepasster Serienmotoren

Die zweite Motorgeneration wurde von den Vereinigten Werkstätten für Pflanzenöltechnologie Dr. Gruber, Kaiser, Weigel GbR für alpine Anwendungen entwickelt. Indem weltweit erstmalig ein Serienmotor (Mercedes-Benz-OM-616) als Basis punktueller technischer Änderungen an Kraftstoffkreislauf, Einspritzung und Brennverfahren verwendet wurde, haben sich zur Verfügung stehende Leistung, Investitions- und Wartungskosten sowie die generelle Lebensdauer stark erhöht (Priener Hütte, Meiler Hütte).

Dritte Generation von Pflanzenölmotoren

DAV Stüdl-Hütte (Großglockner, 2.801m) mit Pflanzenöl BHKW, Photovoltaik und Batteriesystem Erst die dritte Generation von Pflanzenölmotoren auf alpinen Schutzhütten erzielte die von allen Akteuren erwünschte Synergie aus niedrigen Installations- und Wartungskosten bei höherer Leistung und hoher Lebensdauer > 15.000 Stunden. Der hierfür von VWP Dr. Gruber, Kaiser, Weigel GbR für Pflanzenöl entwickelte Kubota-Serienindustriemotor wurde erstmalig ab 1997 als BHKW im Flachland (Ölmühle Reuß, Kloster Benediktbeuern, Universität Freising – Weihenstephan, TFZ, Fa Brunner Ofenbau) und hochalpin in 100%-erneuerbare-Energien-Hybridkonzepten auf der Stüdl-Hütte (2.800 m) und Coburger Hütte (2.000 m) installiert.

Monte Rosa Hütte (Zermatt, 2.883m) des SAC mit autarker Energieversorgung mittels Pflanzenöl BHKW, Photovoltaik und BatteriespeichernAls quasi Serienmotor für 100%-erneuerbare-Energien-Hybridsysteme wurden von VWP Dr. Gruber, Kaiser, Weigel GbR einst entwickelte Pflanzenöl-BHKW mit Kubota-Motor heute bereits auf über 60 alpinen Standorten verbaut, u.a. auf den hochalpinen Musterhütten: 2.800 m ü.N. Stüdl-Hütte (DAV, Großglockner) und Monte-Rosa-Hütte (SAC, Zermatt, installiert von KW Energietechnik). (Quelle: „Den Boden bereiten für die Energiewende“, S. 54-58. / Dr. Georg Gruber: „Reines Pflanzenöl als umweltfreundlicher und nachhaltiger Kraftstoff auf alpinen Schutzhütten“ Powerpoint-Vortrag zum 14. Internationalen Hüttenfachsymposium „Alpine Infrastruktur im Wandel“ des DAV 2014 in Benediktbeuern.)

Forschungshütte von Autark 2000 in Leutasch/hohe Munde

Hybridtechnologie auf der ForschungshütteKonzepte und technische Bausteine der ersten 100%-erneuerbare-Energie-Hybridsystemen auf alpinen Schutzhütten umfassen letztlich die gleichen Anforderungen und Lösungen, die zur Energiewende ganzer Länder notwendig sind. Es ist das Ziel von Autark 2000, die Technologie der Energiewende von hochalpinen Schutzhütten zu immer größeren Flachlandprojekten zu transferieren. Um den intermittierenden Strombedarf eines Objektes mit dem Stromangebot unterschiedlichster erneuerbarer Energietechnologien ohne Frequenzstörung zu synchronisieren, betreibt Autark 2000 seit 2003 auf 1.700 m Höhe eine autarke Forschungshütte, auf der Entwicklung und Prototypentest unter extremen Bedingungen stattfinden.

Technologietransfer von hochalpinen Schutzhütten zu Flachlandprojekten

Zu Beginn der 1990er Jahre herrschte allgemein die Vorstellung, dass schwer verdampfbare Pflanzenöle in angepassten Serienmotoren nicht funktionieren können. Die Bedenken betrafen auch den Kraftstoff Pflanzenöl, dem eine Alltagstauglichkeit abgesprochen wurde. Insofern kam den ersten Alpenhütten Projekten eine mehrfache Pionier- und Demonstrationsfunktion, speziell für das Flachland zu. Einmal konnte man nirgendwo besser die gravierenden Gefahren studieren, die durch die Verwendung von Diesel auf Boden, Wasser, und Luft für exponierte, sensible alpine Ökosysteme drohen. Schließlich konnte das finanziell aufwendige erste 100%-erneuerbare-Energien-Hybridkonzept nur verwirklicht werden, nachdem im Zugspitze Karstgebiet die Coburger Hütte wegen Gefährdung des Trinkwassers der Gemeinde Ehrwald aufgrund Diesel Transport- und Betankungsverlusten von einem Schließungsverbot bedroht war. Der hochalpine Pilotprojektstandort war zwar eine große technische Herausforderung. Es wurden aber künftig keine Zweifel mehr an Funktionalität und Kraftstofftauglichkeit geäußert, nachdem die Pilotprojekte bei kältesten Temperaturen und komplexen Anforderungen im Zusammenspiel verschiedener erneuerbarer Energieträger im Inselnetz ohne Absicherung durch ein Stromkabel vom Flachland funktionierten.

Energieautarker Reichstag

Energiekonzept des Deutschen Reichstages mit Pflanzenöl BHKW zur Strom- und Wärmeerzeugung, mit Aquifer-Speichern unterhalb des ReichstagesDie 100%-erneuerbare-Energiekonzepte von Aurark 2000 auf hochalpinen Schutzhütten waren Vorbild bei der Energiekonzeption des Deutschen Reichstages auf ca. 50 m. Ab 1996 war Autark 2000 Berater des ausführenden Ingenieurbüros Sir Norman Forster, Kaiser Bautechnik, und führte Vertreter des Bundestages und der Bundesbaukommissionen Ost und West zu Referenzhütten, die mit Pflanzenöl-BHKW und Photovoltaik energetisch betrieben wurden. Der Deutsche Reichstag sollte energetisch ebenfalls vorbildhaft und (auch aus Sicherheitsgründen) autark gestaltet werden. Der Strom- und Wärmebedarf wird über eine Kombination aus Solartechnik, mechanischer Belüftung, Pflanzenöl-BHKW und Geothermie bereitgestellt, wobei der Untergrund als saisonaler Kälte- und Wärmespeicher über einen sogenannten Aquifer (Grundwasserstrom) zusätzlich genutzt wird. Der Deutsche Reichstag wird heute mit Biodiesel betrieben.

Zero Fossil Fuel Initiative for Galapagos Islands

Puerto Velasco Ibarra auf Floreana/GalapagosAusgehend von Tankerunglücken bei der Dieselversorgung von Galapagos mit über 10.000 toten Meeresechsen und anderen marinen Spezies, drohten 2007 die Vereinten Nationen Ecuador mit der Aberkennung des Welterbe-Status, wenn die Energieversorgung der Galapagosinseln nicht auf erneuerbare Energien umgestellt wird. Aufbauend auf die von der Ecuadorianischen Regierung verkündeten „Zero Fossil Fuel Initiative for Galapagos Islands“ wurde Autark 2000 im Jahre 2007 vom Deutschen Entwicklungsdienst (DED) des Deutschen Bundesentwicklungsministeriums zur Mithilfe bei der Konzeption einer Studie zur Stromversorgung von Floreana und den anderen drei bewohnten Inseln des Galapagos Archipels mit ausschließlich erneuerbaren Energien beauftragt. Als Lösungsvorschläge verblieben nur variierende Hybridkonzepte aus Photovoltaik, Windenergie, Batteriespeichern und mit Jatrophaöl betriebenen Pflanzenölgeneratoren. Industrielle Lösungen waren entweder nicht anwendungsreif (Wasserstoff) oder bei Biokraftstoffen strategisch weltweit auf Mischungen mit fossilen Kraftstoffen ausgelegt.

Landung der beiden Jatrophaöl-Generatoren von VWP auf Floreana/GalapagosVon 2010 bis 2015 installierte und betreute VWP Gruber auf der Galapagos-Insel Floreana zwei 69 kWel. Stromgeneratoren mit Flex-Fuel-Motoren für Jatrophaöl, Diesel und Kraftstoffmischungen, die zusammen mit einer 25kWpeak Photovoltaik und einem Batteriespeicher das weltweit erste Inselnetz Off-grid-Hybridsystem auf Basis von 100 % erneuerbarer Energie bildete. Das 100%-erneuerbare-Energie-Hybridkonzept auf Floreana dient dabei als Modellprojekt für die anderen drei bewohnten Galapagos-Inseln mit deutlich mehr Bewohnern und Touristen und daher deutlich höherem Strombedarf.

Die Zero Fossil Fuel Initiative for Galapagos Islands sah vor, dass erst nach langjährigen Erfahrungen mit dem Floreana-Pilotprojekt die deutlich größere Insel Isabela mit dem gleichen Hybridkonzept aus Photovoltaik, Batterieanlage und Jatrophaöl betriebenen Generatoren ausgestattet werden soll. Von dem für die Projektierung verantwortlichem Ingenieurbüro Lahmeyer International GmbH erhielt Autark 2000 einen ab 2009 laufenden Beratervertrag, der sich auf die verantwortliche Beratung zu Pflanzenöl-Motortechnik und Pflanzenöl-Kraftstoffqualität und Beschaffung richtet. Den Auftrag zu Lieferung und Installation des Hybridsystems erging an die Fa. Siemens AG.  Fünf 325 KWel. Scania Generatoren mit Motortechnik von DTS Design und VWP Gruber wurden im März 2018 auf Isabela installiert. Das fertige Hybridsystem mit Jatropha-Generatoren, Photovoltaik und Batteriespeicher wurde im September 2018 an den Kunden ElecGalapagos übergeben.

Durchführung von Verbrauchs- und Emissionstests an fünf Isabela Generatorcontainern am Prüfstand der Fa. ABZ Generatorenbau

Nachhaltige Jatrophaöl-Erzeugung in Manabi/Ecuador

Pilotprojekt: Jatropha-Öl von ManabiParallel dazu leitete VWP Gruber von 2011 bis 2014 ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt in Manabi/Ecuador zur Produktion von DIN 51605 Jatrophaöl als Qualitätskraftstoff für Galapagos und zwar in einer dezentralen Ölmühle im Besitz einer Jatropha-Produktionsgenossenschaft mit 3000 Kleinbauern.

Weltweite Anbaustrategie von Jatropha in semi-ariden Gebieten

Semi-aride Flächen Weltweit (Quelle: Köppen-Geiger climate classification)Ausgehend von den positiven Erfahrungen mit Anbau und Verwendung von Jatrophaöl für die Energieversorgung von Galapagos beschäftigt sich Autark 2000 mit einer weltweiten Anbaustrategie, die strengen nachhaltigen Kriterien folgt. Heutzutage wird der Begriff „Biokraftstoff“ häufig mit negativen Aspekten wie Regenwaldabholzung, „Land Grabbing“ und „Teller-Tank-Konflikt“ in Verbindung gebracht. Einen Gegenentwurf hierzu bietet der Anbau von nicht essbaren Rohstoffen wie Jatropha Curcas für eine Biokraftstoffproduktion auf Flächen, die nicht für die Nahrungsmittelproduktion verwendet werden. Die Abbildung anbei zeigt eine Weltkarte, in der semi-ariden Flächen weltweit aufgezeichnet sind.

Für eine nachhaltige Produktion mit positiven sozialen und ökologischen Auswirkungen ist der Anbau der Jatropha auf marginalen Grenzertragsflächen eine nachhaltige Lösung. Dadurch können auf einer vorher agrarwirtschaftlich benachteiligten Fläche neue Arbeitsplätze, Einkommen und bessere Lebensräume für benachteiligte Bevölkerungsschichten in semi-ariden Gebieten geschaffen werden. Durch die Entwicklung der Landwirtschaft in diesen Ländern kann zudem Migration in reichere Länder entgegengewirkt werden. Vom German Watch Institut wurde Autark 2000 im Jahr 2017 beauftragt, eine Studie zum weltweiten Anbau von Jatropha auf degradierten semi-ariden Flächen zu erstellen. Das Ergebnis dieser Studie ist ein Beitrag einer größeren wissenschaftlichen Studie, die sich mit einer Umstellung der weltweiten Energieversorgung mit 100 % erneuerbaren Energien bis zum Jahr 2050 beschäftigt.