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Wissenschaftsjahr 2020 – BioökonomiePflanzenabfälle könnten erdölbasierte Produkte ersetzen

Herstellung von Biokohle im Labor
Mögliche Alternative zu Kohle und Erdöl: Ein Team der Universität Hohenheim erforscht Bioraffinerie-Verfahren, die pflanzliche Biomasse in hochmoderne Kohlenstoff-Materialien umwandeln. (Bildquelle: Universität Hohenheim / Astrid Untermann)

Alternativen zu Kohle und Erdöl gibt es in vielen Bereichen. Ein Team der Uni Hohenheim erforscht Bioraffinerie-Verfahren, die pflanzliche Biomasse in hochmoderne Kohlenstoff-Materialien umwandeln. Die werden bspw. in Energiespeichern verwendet.

27.06.2020 – In der Corona-Krise gibt es einen ersten Ausblick auf eine post-fossile Ära. Auch angesichts des fortschreitenden Klimawandels haben Öl, Kohle und Gas keine Zukunft, zudem ist es bei weiterer Ausbeutung fossiler Rohstoffe ohnehin eine Frage der Zeit, wann diese zu Ende gehen. Nicht nur zur Verbrennung und Stromerzeugung werden die fossilen Ressourcen verwendet – sondern auch zur Herstellung vieler High-Tech-Materialien, die teilweise auch im Bereich Energiespeicherung oder -effizienz ihren Einsatz finden.

Aber gibt es dazu denn Alternativen?

Aus Biomasse zukunftsfähige Produkte erzeugen

Eine unerschöpfliche Alternative könnten Pflanzenabfälle sein, die über spezielle Verfahren in hochwertige Kohlenstoff-Materialien umgewandelt werden“, sagen Wissenschaftler Universität Hohenheim. Im EU-geförderten Projekt GreenCarbon haben sie nun die Möglichkeit, die Herstellung derartiger Stoffe zu erforschen – mit dem Ziel herauszufinden, wie diese Stoffe dann später zu kommerziellen Produkten verarbeitet werden können.

Weg vom Öl, hin zu ökologischen Ressourcen

Die Forscher hoffen, dass in den kommenden Jahren Kohle und Erdöl – als Ausgangsstoffe für die Herstellung von Kunststoffen, Farbstoffen und weiteren Materialien – durch erneuerbare Ressourcen ersetzt werden könnten. „Vorausgesetzt“, sagen die Wissenschaftler, „sie sind einerseits einfach zu synthetisieren und kostengünstig, erfüllen andererseits aber auch spezifische Anforderungen.“

Kohlenstoffmaterialien, die aus nachwachsenden Rohstoffen wie etwa aus pflanzlicher Biomasse erzeugt werden, seien dafür ideale Kandidaten. „Pflanzen bauen chemische Strukturen auf, die Menschen als Ersatz für erdölbasierte Produkte nutzen können“, erklärt Professorin Andrea Kruse von der Uni Hohenheim in Stuttgart. Durch komplexe Verkohlungsprozesse, die Karbonisierung, können unterschiedlichste Biomassen zu Kohlenstoffmaterialien umgewandelt werden.“

Verschiedene Verfahren, zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten

Für trockene Biomassen mit nicht mehr als 10 Prozent Wassergehalt, wie Heu, Holz oder Stroh, könne dabei das sogenannte Pyrolyse-Verfahren eingesetzt werden, bei dem das Ausgangsmaterial unter Sauerstoffabschluss und hohen Temperaturen verkohlt wird –ähnlich wie in einem Holzkohlemeiler, erläutert Kruse. Feuchte Biomassen dagegen, die zu 80 bis 90 Prozent aus Wasser bestehen, würden in der sogenannten hydrothermalen Karbonisierung (kurz: HTC) in einen kohlenstoffhaltigen Feststoff umgewandelt. Bei Temperaturen zwischen 180 und 250 Grad Celsius unter leicht erhöhtem Druck – das sei wiederum vergleichbar mit einem Schnellkochtopf – entstehen dabei durch verschiedene chemische Prozesse Kohlenstoffnanostrukturen, die technologisch höchst interessante Eigenschaften aufweisen könnten.

Zukunftsfähige Anwendungsmöglichkeiten solcher Hydrokohlen wären etwa Aktivkohlen zur Reinigung von Luft, Gasen oder (Ab-)Wasser, oder auch Speichermedien für Wasserstoff, zudem Elektrodenmaterialien für Batterien und Brennstoffzellen oder Superkondensatoren, wie sie auch für die Herstellung von Elektroautos benötigt werden.

Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion vermeiden

Um Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion zu vermeiden, setzt das Forscherteam bevorzugt auf Ausgangsmaterialien, die in der Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion als Nebenprodukte oder Abfall anfallen: Gemüseblätter, Stroh oder auch Gärreste, die bei der Vergärung von Biomasse in einer Biogasanlage zurückbleiben wären geeignet.

Für ihre Forschung verwendet Kruse vor allem Biertreber – das sind die bei der Bierherstellung anfallenden Rückstände des Braumalzes, die sich durch einen hohen Eiweißgehalt auszeichnen. Bei der hydrothermalen Karbonisierung wird der im Eiweiß enthaltene Stickstoff dann in das Kohlenstoffgerüst eingebaut. So entstünden Materialien, die unter Umständen sogar besser seien als die auf dem Markt befindlichen und die z. B. in Energiespeichern als Superakkumulatoren eingesetzt werden können.

Die Forschung steht noch ziemlich am Anfang

Bislang sei es allerdings nicht ganz einfach, das richtige Verfahren für das gewünschte Produkt zu finden, berichten die Wissenschaftler, dennbislang seien die chemischen Prozesse der Verfahren und ihr Einfluss auf die Produkteigenschaften nicht genau bekannt. Die zielgerichtete Herstellung von Materialien mit definierten Eigenschaften sei daher schwierig – wenn nicht gar unmöglich. Deswegen untersucht das Team nicht nur, welchen Einfluss welche Stellgröße auf das Endergebnis hat, sondern hat auch ein „neuartiges kaskadiertes HTC-Verfahren mit anschließender Pyrolyse“  - also der thermischen Spaltung chemischer Verbindungen – entwickelt.

Von der Grundlagenforschung in die Praxis kommen

„Wir müssen zunächst vor allem die wesentlichen Prozesse des Verfahrens verstehen“, sagt Professorin Kruse. Dabei ist es ihr allerdings wichtig, nicht nur reine Grundlagenforschung zu betreiben: „Bei allen unseren Untersuchungen ist das langfristige Ziel immer, die Prozesse aus dem Labormaßstab auch im großen, industriellen Maßstab anwenden zu können.“ So konnten bisher sowohl im Labor- als auch im Pilotanlagenmaßstab bereits eine große Anzahl von Experimenten durchgeführt werden, bei denen die am besten geeigneten Betriebsbedingungen hinsichtlich der Energieeffizienz sowie der Eigenschaften der hergestellten Kohle ermittelt werden konnten.

Produktergebnis weitgehend unabhängig von Art der Biomasse

Insbesondere bei der hydrothermalen Karbonisierung (HTC) zeigte sich ein hoffnungsvolles Ergebnis: Der Prozess könne so gesteuert werden, dass die verwendete Biomasse praktisch keinen Einfluss auf das Endprodukt habe „Trotz großer Unterschiede im Ausgangsmaterial entstehen bei der HTC immer ähnliche Spektren an Endsubstanzen“, erläutert Wissenschaftlerin Kruse. Erfreulich, denn damit sei das Verfahren nicht auf eine Quelle beschränkt, sondern es könnten viele verschiedene Ausgangsmaterialien verwendet werden. Noch bessere Ergebnisse werden erreicht, wenn die Hydrokohle anschließend auch noch einer Pyrolyse unterzogen wird.

Wissenschaftsjahr 2020 im Zeichen der Bioökonomie

Im Wissenschaftsjahr 2020 steht die Bioökonomie im Fokus – mit dem Ziel, eine nachhaltige, biobasierte Wirtschaftsweise zu fördern. Das ist auch dringend notwendig und natürlich ganz im Sinne der Forscher der Uni Hohenheim, die nach Wegen suchen, natürliche Stoffe und Ressourcen nachhaltig und innovativ zu produzieren und zu nutzen – um damit fossile und mineralische Rohstoffe zu ersetzen, Produkte umweltverträglicher herzustellen und biologische Ressourcen zu schonen. Dafür ist es in Anbetracht des Klimawandels, einer wachsenden Weltbevölkerung und abnehmenden Biodiversität auch höchste Zeit. na