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Bioliq und der Charme des Dezentralen

Bei Eckhard Dinjus im Institut für Technische Chemie des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) geben sich die Besucher aus dem In- und Ausland die Klinke in die Hand. Der 66-jährige Chemiker hat das bioliq-Verfahren entwickelt, das wegen seines dezentral-zentralen Ansatzes das Zeug zum Exportschlager haben könnte und schon Jahre vor Inbetriebnahme der Pilotlinie Begehrlichkeiten im Badischen ebenso wie im fernen China weckt.

Mit dem Karlsruher Verfahren lässt sich aus dem Reststoff Stroh in drei Schritten ein nachhaltiger Biotreibstoff der zweiten Generation erzeugen. In einer Bioraffinerie könnten zusätzlich Chemikalien aus dem biomassebasierten Synthesegas hergestellt werden. Noch ist das Zukunftsmusik, die umso lauter tönt, als der Biosprit der ersten Generation (Biodiesel und Bioethanol) mit den Vorwürfen fehlender Nachhaltigkeit kämpft und beständig Marktanteile verliert.

„Biomasse ist nur einmal da“

Es wird noch einige Jahre dauern, bis aus Stroh Biotreibstoffe der zweiten Generation großtechnisch hergestellt werden können. © KIT

Der bioliq-Ansatz ist grundsätzlich nicht neu, wohl aber die Umsetzung. Biomasse als einziger erneuerbarer Kohlenstoffträger ist zur Wärme- und Stromgewinnung zu schade. Vielmehr muss nach Dinjus’ Überzeugung Biomasse über energiereiche Zwischenprodukte zu hochwertigen Energieträgern – sprich Designerkraftstoffen – und chemischen Grundstoffen wirtschaftlich verarbeitet werden. Zudem geht bioliq jeglicher Nutzungskonkurrenz aus dem Weg, indem es „So-da-Reststoffe“ aus der Land- und Forstwirtschaft, vorrangig Stroh und Holzreste, einsetzt.
Für China, zitiert Dinjus den Wissenschaftsminister, wäre bioliq die „beste friedenserhaltende Maßnahme“. Denn dort werden Jahr für Jahr rund 700 Millionen Tonnen Stroh (umgerechnet 120 Millionen Tonnen Krafstoff) auf dem Acker verbrannt und stellen ein beträchtliches Umweltproblem dar. Starkes Interesse am Karlsruher Verfahren gibt es auch in Südostasien, Südafrika und Südamerika.

Bioliq ist ein dreistufiges Verfahren, das aus Schnellpyrolyse, Flugstromvergasung und Synthesekraftstofferzeugung besteht. Der Charme von bioliq liegt in seinem ersten Schritt begründet, der Schnellpyrolyse, die dezentral durchgeführt werden kann und das logistische Problem der voluminösen, aber energiearmen Biomasse elegant löst. Damit lässt sich die Biomasse nicht nur energetisch verdichten, sondern man erhält ein transportfähiges Zwischenprodukt. Diese dezentrale Lösung ergab sich schon in einem frühen Stadium der Entwicklung, denn bei der Frage nach der großtechnischen Machbarkeit dürfen Transportkosten kaum ins Gewicht fallen und da wären bei einer zentralen Lösung schnell 20 Millionen Tonnen Stroh angefallen.

Fast jede Biomasse lässt sich damit verflüssigen

Prof. Dr. Eckhard Dinjus hat im Labor nahezu jede Biomasse getestet auf ihre Tauglichkeit für die Schnellpyrolyse. © Pytlik

Zusammen mit der Lurgi AG aus Frankfurt wurde inzwischen die vom Landwirtschaftsministerium geförderte Flash-Pyrolyse-Pilotanlage am Karlsruher Forschungszentrum aufgebaut, im Sommer 2007 in Betrieb genommen und seither optimiert. Sie ist auf einen Biomasse-Durchsatz von 500 Kilogramm pro Stunde ausgelegt. Mit dieser Pyrolyse lässt sich fast jede Art von Biomasse verflüssigen, „fast alles, was es auf der Welt gibt“, haben Dinjus und Mitarbeiter im Labor bei einem Umsatz von 20 Kilogramm pro Stunde getestet: Bambus, Soja, Palmwedel, Baumwollreste. 

Weitgehend unerforscht ist noch das Zwischenprodukt Pyrolyse-Öl. Aus diesem Gemisch ließen sich womöglich weitere Wertstoffe gewinnen, die getrennt nutzbar wären. Denkbar wäre nach Dinjus’ Worten, das Öl für die Kraftstoffproduktion und Koks anderweitig zu nutzen. Hier sieht der bioliq-Erfinder noch ein „breites Feld der Entwicklung“.

Seit Sommer 2007 ist die Schnellpyrolyse-Pilotanlage in Karlsruhe in Betrieb und wird seither optimiert. © KIT

Die zerkleinerte Biomasse wird in einem Doppelschnecken-Reaktor mit heißem Sand (noch besser wären wegen des fehlenden Abriebs Stahlkügelchen) auf 500° C aufgeheizt. Unter Luftabschluss reagiert sie in Sekunden zu Gasen und Koks. Der größte Teil des Gases kondensiert nach seiner Abkühlung zu Flüssigkeiten, in die der gebildete Koks eingemischt wird. Damit steht ein energiereiches und technisch gut handhabbares Gemisch zur Verfügung, das auf Wasser, Schiene oder Straße gut transportierbar ist und ohne großen Energieaufwand in die nächste Verfahrensstufe eingebracht werden kann.

Planspiele zur dezentralen Pyrolyse wurden schon durchgeführt. In Baden-Württemberg wären beispielsweise drei bis vier Schnellpyrolyse-Anlagen nötig. Interessiert an dieser Reststoff-Umwandlung sind zum Beipiel auch Winzergenossenschaften, die ihren Rebschnitt nicht im Weinberg lassen können. In einem 25 Kilometer großen Radius um Obrigheim, berichtet Dinjus, fielen 200.000 bis 250.000 Tonnen Rebschnitt im Jahr an. 20 solcher dezentralen Anlagen wären nach Berechnungen von Dinjus nötig, um eine Kraftstoffproduktion im großtechnischen Maßstab zu ermöglichen.

Wichtig wäre es, die Zwischenzeit mit anderen Verwertungslösungen zu überbrücken; so ließe sich das Gemisch problemlos in Zementfabriken oder Biomasse heizkraftwerken verfeuern. Die Flash-Pyrolyse schafft laut Dinjus keine Abfallstoffe, verfügt über einen geschlossenen Wärmekreislauf und muss bei laufendem Prozess nur eine Temperaturdifferenz von 50 Grad überwinden. Viele Gespräche hat Dinjus auch mit der nahen Karlsruher Mineralölraffinerie geführt, um mögliche Synergieeffekte beim Einsatz des Pyrolyseöls zu identifizieren.

2011 kommt der Flugstromvergaser

Was im energiereichen biogenen Slurry an weiterer Verwertung schlummert, müssen Forscher erst untersuchen. © Pytlik

Dieses energiereiche Gemisch gelangt in einen großen Flugstromvergaser, der 2011 ebenfalls von der Firma Lurgi auf dem Gelände des Karlsruher Forschungszentrum errichtet werden soll. Der Vergaser basiert auf einer am DDR-Brennstoffinstitut für qualitativ schlechte Braunkohle entwickelten Technik und löst das Ascheproblem durch einen Kühlschirm. Bei hohem Druck und hohen Temperaturen schmilzt die Asche, schlägt sich auf den Kühlschirm nieder, die heiße Schlacke läuft ab, während die kalte Schlacke auf dem Kühlschirm vor Korrosion schützt. Das heißt: alle Produkte aus der Pyrolyse bis auf die nicht kondensierbaren Gase, die zum Aufheizen des Prozesses genutzt werden, können direkt im Vergaser verarbeitet werden.

Da eine herkömmliche Gasreinigung bei tiefen Temperaturen abläuft, wurde am KIT-Institut für thermische Abfallbehandlung ein neues Verfahren zur Heißgasreinigung entwickelt. Damit befindet sich das Gas auf dem für die Synthese nötigen Druck- und Temperaturniveau.

Ursprünglich sollte die Gesamtsynthese extern von drei Industriepartnern umgesetzt werden, letztlich musste das KIT auch dies übernehmen und entschied sich für die sogenannte einstufige DME(Dimethylether)-Synthese (ohne Isolierung von Methan ol) und gegen das bereits etablierte Fischer-Tropsch-Verfahren, für das es keine Fördergelder gegeben hätte. Die Synthese führt Dinjus jetzt mit einem mittelständischen Industrieunternehmen durch, das sich damit ein neues Geschäftsfeld aufzubauen erhofft.

Eigentlich sollte die gesamte Pilotlinie schon dieses Jahr stehen. Bis der Prozess aber raffineriefertig entwickelt ist, werden nach Dinjus’ Worten noch zwei bis drei Jahre ins Land ziehen. Die Gründe, die Eckhard Dinjus für diese Verzögerung aufführt, lesen sich wie ein Lehrstück über energiepolitisches Zuständigkeitswirrwarr und risikoscheue Industrie.

2011 soll der Flugstromvergaser mit 5 Megawatt Leistung errichtet werden. Die Synthese großtechnisch umzusetzen hält der Karlsruher Wissenschaftler für gut machbar. Läuft die Pilotlinie vernünftig, lasse sich die bioliq-Technologie von Industriepartnern und anderen Interessenten „relativ schnell“ nutzen.

Auch die stoffliche Verwertung spielt eine Rolle

"Die Probleme bei der Entwicklung des bioliq-Verfahrens haben das Karlsruher Forschungszentrum nach langen Diskussionen dazu bewogen, die gesamte Pilotlinie selbst zu bauen um zu zeigen, dass das Verfahren vom Rohstoff Biomasse bis zum Kraftstoff oder der Chemikalie funktioniert", erzählt Dinjus. Mengenmäßig überwiegt natürlich der Kraftstoff-Ansatz und damit die energetische Verwertungsschiene, was aber nicht heißt, dass bestimmte Chemikalienmengen nicht in kleineren Anlagen herstellbar wären. So trägt sich ein deutsches Chemieunternehmen mit dem Gedanken, die Pyrolyseprodukte im Ausland herzustellen und sie am Heimatstandort zu Chemieprodukten weiterzuverarbeiten.

Die verarbeitende Industrie, sagt Dinjus, hoffe mit dem bioliq-Verfahren ihr Reststoffproblem in den Griff zu bekommen. In Malaysia, berichtet der Forscher, würden riesige Biomassemengen auf Palmölplantagen auf eine Verwertung warten. Palmölblätter bleiben dort ohne jeden Nutzen bis zu zehn Jahre liegen, ähnlich verhält es sich mit leeren Palmölkapseln. "Der Chemieriese Dow Chemical, nennt Dinjus ein anderes Beispiel, möchte in Peru, wo er die Biomasse aus einer Schnellumtriebsplantage energetisch nutzt, künftig mit der Flash-Pyrolyse umsetzen und in Deutschland weiterverarbeiten." Auch die Zuckerindustrie hat für den Reststoff Bagasse nach Dinjus’ Worten noch keine vernünftige Verwertung gefunden.

Auch am KIT selbst gibt es inzwischen ernsthafte Überlegungen, den sich abzeichnenden Forschungs- und Entwicklungsbedarf mit einem neuen Institut zu begleiten. Ursprünglich wollte Eckhard Dinjus schon den Ruhstand genießen, jetzt will er noch zwei Jahre dranhängen, um die komplette Pilotanlage abzuschließen. 2015 soll das Verfahren bis zur Markteinführung weiterentwickelt sein, heißt es zumindest auf der Homepage des KIT.

Biotreibstoffe der dritten Generation?

Auch die biogene Rohstoffbasis ist wahrscheinlich einem Wandel unterworfen, wie eine aktuelle Meldung (K. Bullis, Technology Review: TR 10: Solar Fuel. Designing the perfect renewable fuel May/June 2010, https://www.biooekonomie-bw.dewww.technologyreview.com/energy/25077/) andeutet: Einem US-Unternehmen ist demnach ein fundamentaler Fortschritt in der Biotreibstoffproduktion gelungen: gentechnisch modifizierte photosynthetisch aktive Mikroorganismen wandeln in Photobioreaktoren Kohlendioxid in Ethanol oder Diesel um, ohne frisches Wasser und herkömmliches Biomasse-Substrat zu benötigen. Die Ausbeute sei hundertfach größer als die herkömmliche Fermentation von Mais und zehnfach höher als die von biogenen Reststoffen.

Literatur/Quellen:

International Energy Agency (ed.): Sustainable Production of
SECOND -Generation Biofuels. Potential and perspectives in major economies
and developing countries, Paris 2010.

A. Wille: Biokraftstoffe – eine langfristige Energiequelle, in: Chemie Ingenieur Technik 2007, 79, N0. 5., S. 613-616

S. Fürnsinn/H. Hofbauer: Snythetische Kraftstoffe aus Biomasse: Technik, Entwicklungen, Perspektiven, in: Chemie Ingenieur Technik, 2007, 79, Nr. 5, S. 579-590

H. Schöne/M. Rüsch gen. Klaas: Biogene Kraftstoffe – Potentiale und Grenzen, in: Chemie Ingenieur Technik, 2009, 81, Nor. 7, S. 901-908.

Glossar

  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Gentechnik ist ein Sammelbegriff für verschiedene molekularbiologische Techniken. Sie ermöglicht, DNA-Stücke unterschiedlicher Herkunft neu zu kombinieren, in geeigneten Wirtszellen zu vermehren und zu exprimieren.
  • Fermentiation ist die Bezeichnung für die Umsetzung von biologischen Materialien mit Hilfe von Mikroorganismen oder durch Zusatz von Enzymen (Fermenten). Im eigentlichen Sinn handelt es bei der Fermentation um die anaerobe Oxidation von Zuckern zum Zwecke der Energiegewinnung des metabolisierenden Organismus.
  • kb ist die Abkürzung für Kilobase. Diese Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • Biodiesel ist ein Fettsäuremethylester, der aus Pflanzenölen (z. B. aus Raps) oder tierischen Fetten hergestellt und als Kraftstoff oder Kraftstoffkomponente verwendet wird (Biokraftstoffe).
  • Bioethanol (Ethylalkohol) gehört zu den Biokraftstoffen. Es handelt sich dabei um Ethanol, das ausschließlich aus nachwachsenden Kohlenstoffträgern, nämlich auf Basis zucker- oder stärkehaltiger Feldfrüchte oder aus zellulosehaltigen Pflanzenbestandteilen (Zuckerrübe, Rohrzucker, Getreide) hergestellt wurde. Die Stärke wird enzymatisch in Glukose aufgespalten und diese anschließend mit Hefepilzen zu Ethanol vergoren.
  • Als Biomasse wird die gesamte Masse an organischem Material in einem definierten Ökosystem bezeichnet, das biochemisch – durch Wachstum und Stoffwechsel von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen – synthetisiert wurde. Damit umfasst sie die Masse aller Lebewesen, der abgestorbenen Organismen und die organischen Stoffwechselprodukte.
  • Ein Stoff aus der Gruppe der Kohlenwasserstoffe und somit eine chemische Verbindung. Es ist geruchslos, farblos und brennbar. In der Industrie wird es oft als Heizgas verwendet.
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