CO2-arme Kraftstoffe

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Wissenschaftler gehen einen neuen Weg zur Gewinnung von Bioethanol aus trockener Biomasse wie Restholz oder Stroh. Dazu werden die Reststoffe gemeinsam mit Wasserstoff genutzt. Es gibt aber auch noch andere Verfahren.

Bioethanol aus Holz und Stroh


Biokraftstoffe sind umstritten: Während die Nachfrage weltweit immer größer wird und auch die Politik in CO2-armen Treibstoffen wie Bioethanol eine Lösung für die Mobilitätswende sieht, rufen Biokraftstoffe vielfach Kritik hervor: Bioethanol wird in Europa hauptsächlich aus Weizen und Zuckerrüben hergestellt, in Nordamerika aus Mais und in Südamerika aus Zuckerrohr, und steht damit in Konkurrenz zu Nahrungsmitteln. Forscher haben nun einen neuen Prozess zur Herstellung von Ethanol entwickelt. Ihre Ausgangsstoffe: Holzabfälle oder Stroh.

Bei dem an der Technischen Universität München in Zusammenarbeit mit finnischen Forschern entwickelten Prozess werden Reststoffe aus der Forstwirtschaft gemeinsam mit Wasserstoff genutzt. Wie es heißt, soll der Wasserstoff durch die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe von Strom – also per Wasserelektrolyse – hergestellt werden.

Pilotanlage angedacht

Bei dem Prozess soll grüner Strom zum Betrieb der Elektrolyse genutzt werden – und so ein CO2-armer Treibstoff hergestellt werden. Nach Angaben der Münchner Wissenschaftler hat der Treibstoff ein Treibhausgasminderungspotential von 75 Prozent im Vergleich zu fossilem Benzin. Künftig könne der Überschussstrom für die Herstellung von Ethanol genutzt werden.

„Der Gesamtprozess besteht überwiegend aus technisch ausgereiften Teilprozessen“, sagt Daniel Klüh vom Fachbereich Regenerative Energiesysteme am Campus der TU in Straubing. Neu sei die Zusammensetzung der einzelnen Prozessschritte und auch der finale Schritt, die Hydrierung von Essigsäure zur Ethanol-Gewinnung. Zur Kommerzialisierung müsse allerdings der Technologiereifegrad angehoben werden. Nächste Schritte wären beispielsweise weitere Katalysatorentwicklungen, ein Reaktordesign und der Bau sowie Betrieb einer Pilotanlage.

Im Rahmen ihrer Untersuchungen haben die Forscher auch die wirtschaftliche Machbarkeit bewertet. „Unsere errechneten Preise basieren auf Annahmen für Rohstoffe und Energie. Wir nutzen keine aktuellen Marktpreise. Die Berechnungsbasis unserer Preise für die chemischen Anlagenkomponenten ist das Jahr 2020“, erklärt Klüh. Die niedrigsten Kosten für Ethanol betrugen demnach in den Modellierungen 0,65 Euro pro Liter bei Biomassekosten von 20 Euro pro Megawattstunde, Stromkosten von 45 Euro pro Megawattstunde und einer Produktionsmenge von etwa 42 Kilotonnen Ethanol pro Jahr.

„Die Kosten sind damit wettbewerbsfähig mit den derzeitigen Herstellungsvarianten für Ethanol auf Basis von Lignozellulose“, fügt Kristian Melin von der Technischen Universität Lappeenranta-Lahti in Finnland hinzu. Der Ethanol-Preis reagiere empfindlich auf die Stromkosten und schwanke zwischen 0,56 und 0,74 Euro pro Liter.

1.400 Liter Ethanol aus einer Tonne Biomasse

Ein Grund für die Profitabilität des Prozesses sieht Melin darin, dass die Ethanol-Ausbeute im Vergleich zu fermentationsbasierten Prozessen auf Basis von Stroh oder Holz deutlich höher ist. Aus einer Tonne trockener Biomasse sollen mit dem neuen Prozess zwischen 1.350 und 1.410 Liter Ethanol hergestellt werden können. Mit den fermentationsbasierten Prozessen könnten aus einer Tonne trockener Biomasse hingegen nur zwischen 200 und 300 Liter Ethanol erzeugt werden.

Das deutsch-finnische Forscherteam hat sich auch nach möglichen Produktionsstätten für das Bioethanol aus Altholz umgeschaut. Fündig geworden sind sie unter anderem in Kanada oder Finnland. Denn diese Länder hätten ein hohes Restholzpotenzial und könnten als Produzenten von Essigsäure dienen, die im letzten Prozessschritt hydriert wird, um Ethanol zu gewinnen. Deutschland hat laut der Forschenden nicht das Restholzpotential für eine großskalige Biomassevergasung zur Synthese von Essigsäure.

Fraunhofer-Forscher nutzen Weizenstroh als Ausgangsmaterial

An der Herstellung von Bioethanol aus trockener Biomasse forschen auch Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts Umsicht. Das Forschungsteam hat sich bei seinem Bioethanol für Weizenstroh als Rohstoff entschieden. Als Ausgangsrohstoff für das Bioethanol sollen aber auch Laub, Sägemehl oder Restholz verwendet werden können.

Bei dem Umsicht-Prozess fließt der Alkohol aus dem Stroh aus einem Metallfass durch Rohrleitungen in einen Verdampfer. Dort wird er auf 350 Grad Celsius erhitzt, und unter einem Druck von 20 bar entsteht gasförmiger Alkohol. Der strömt dann in einen röhrenförmigen Reaktor. In diesem Reaktor befindet sich laut Forschern Aktivkohle, die mit einem neu entwickelten Katalysatormaterial beschichtet ist. Hier entsteht jetzt in einer chemischen Reaktion Diesel, Benzin oder Kerosin.

Der neue Biosprit soll gegenüber dem Biokraftstoff E10 einen entscheidenden Vorteil haben: Er kann den Tank komplett füllen – und mache so fossile Kraftstoffe überflüssig. Bei E10 dagegen werde Bioethanol nur zwischen 5 und 10 Prozent dem fossilen Benzin beigemischt. Auch gegenüber herkömmlichen Kraftstoffen soll der neue Biokraftstoff punkten können. Tests hätten ergeben, dass der Biosprit eine etwas höhere Energiedichte als herkömmliche Kraftstoffe habe.

Großanlage für Ethanol aus Agrarreststoffen in Rumänien

Einen Schritt weiter als die Wissenschaft ist das Spezialchemieunternehmen Clariant. Im vergangenen Herbst hat die Firma eine kommerzielle Großanlage für die Produktion von Zellulose-Ethanol aus Agrarreststoffen fertiggestellt. In der Anlage im rumänischen Podari sollen den Angaben zufolge pro Jahr ungefähr 250.000 Tonnen Stroh zu 50.000 Tonnen Zellulose-Ethanol verarbeitet werden.

Das Stroh wird im sogenannten Sunliquid-Verfahren zunächst vorbehandelt. Daran schließen sich eine enzymatische Hydrolyse und eine Fermentation an. Für sein Verfahren nutzt Clariant eigenen Angaben zufolge optimierte Mikroorganismen. In diesem sogenannten One-Pot-System werden demnach gleichzeitig C5- und C6-Zucker in Ethanol umgewandelt. Dadurch sollen sich um zu 50 Prozent mehr Ethanol-Erträge erzielen lassen als bei herkömmlichen Verfahren, mit denen nur C6-Zucker umgewandelt würden.

Im Prozess entstehende Nebenprodukte würden zur Erzeugung erneuerbarer Energie verwendet. Das mache die Anlage unabhängig von fossilen Energiequellen. Das entstehende Zellulose-Ethanol sei somit ein praktisch kohlenstoffneutraler Biokraftstoff der zweiten Generation, wie Clariant betont. Neben der Anwendung als Drop-in-Lösung beim Mischen von Kraftstoffen könne das Bioethanol für nachgeschaltete Anwendungen in biobasierten Chemikalien und in nachhaltigem Flugzeugtreibstoff genutzt werden.

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