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Biomasse-Umwandlung: Karlsruher Verfahren beschreitet pragmatischen Weg

„Was die Natur in Millionen Jahren macht, das machen wir in zehn Minuten." So beschreibt Henning Bockhorn vom Engler-Bunte-Institut am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ein für den Energieversorger Energie Baden-Württemberg entwickeltes und patentiertes Verfahren, das Rest-Biomasse zu einer Art Braunkohle umwandelt. „Biomass steam processing“ (BSP) heißt das Verfahren, das derzeit in einer Pilotanlage beim Karlsruher Energieversorger optimiert wird.

Professor Henning Bockhorn zeigt die homogene Biokohle, die aus Holz (v. l.), Orangenschalen und Stroh mit BSP gewonnen wurde. © Pytlik

Bis Mitte nächsten Jahres soll das Verfahren so weit ausgereift sein, dass es zwei Jahre später in die Serienfertigung gehen könnte. Erste ökonomische Berechnungen von Henning Bockhorn zeigen, dass sich diese Biomassekonversionstechnik rechnet, wenn entsorgungspflichtige Biomasse eingesetzt wird. Ziel wären mobile Karbonisierungs-Anlagen, die dort, wo Biomasse anfällt, zum Einsatz kommen sollten.

Eigentlich sollten Bockhorn und Mitarbeiter vor rund vier Jahren hydrothermale Verfahren untersuchen, weil das Interesse an Verfahren zur Verkohlung von Abfallbiomassen wuchs. Anders als beim jetzt entwickelten und patentierten "Biomass steam processing" (BSP) erfordern Verfahren wie Pyrolyse oder eben hydrothermale Verfahren lange Reaktionszeiten. Bei der Pyrolyse wird die Biomasse tagelang bei rund 450 Grad Celsius gehalten. Bei hydrothermalen Verfahren beträgt die Reaktionszeit auch bis zu 24 Stunden. Überdies ist der verfahrensbedingte Aufwand durch das flüssige, heterogene Reaktionsgemisch und den hohen Druck beträchtlich höher.

Es war keine Überraschung, dass Bockhorn und Mitstreiter bei der Untersuchung des hydrothermalen Verfahrens auf Varianten stießen, die leichter durchzuführen waren und ohne hohen Druck auskamen. Ursprünglich hatten die Erfinder des hydrothermalen Verfahrens vom Max-Planck-Institut in Potsdam nämlich wertvolle Kohlenstoffmaterialien im Sinn, die sich dank ihrer sehr hohen spezifischen Oberflächenstruktur als Katalysator einsetzen ließen.

Biokohle, die der Braunkohle gleicht

Schematischer Aufbau der Pilotanlage, die auf dem Betriebsgelände der EnBW optimiert wird. © Bockhorn/KIT
Die von Bockhorn entwickelte Alternative der atmosphärischen Dampfkonditionierung behandelt die Restbiomasse unter Atmosphärendruck mit Wasserdampf bei Temperaturen zwischen 250 und 400 Grad Celsius bei Reaktionszeiten von Minuten bis wenigen Stunden. Da der Reaktor unter Atmosphärendruck arbeitet, lässt er sich kontinuierlich mit Restbiomasse befüllen. Für das Verfahren nutzt man überhitzten Wasserdampf, der „trocken" ist, also keine Wassertröpfchen enthält. Damit lässt sich der chemische Prozess besser steuern. Außerdem wird die Korrosion im Reaktor minimiert, da die Biomasse im trockenen Zustand verarbeitet wird. Bei deutlich geringerem verfahrenstechnischen Aufwand entsteht eine Biokohle, die der Braunkohle, die im Lauf von Jahrmillionen entstanden ist, weitgehend gleicht. Die anhand von Thermogravimetrie, Spektroskopie, Gas-, Flüssigkeits- und Elementaranalyse, Heizwertbestimmung und Elektronenmikroskopie charakterisierte Biokohle ist Bockhorns Worten zufolge nahezu identisch mit natürlich entstandener Braunkohle. Der Energiegehalt der Biokohle ist sogar etwas höher als der von natürlicher und beträgt etwa 25 bis 30 MJ/kg. Das BSP-Produkt enthält bis zu 70 Prozent des Biomasse-Kohlenstoffs.

Feuchtegehalt der Biomasse ohne Belang

Professor Bockhorn und Doktorand Johannes Steinbrück erläutern, wo die Pilotanlage noch verbessert werden muss. © Pytlik

Die Projektgruppe am KIT erforschte das BSP-Verfahren mit Stroh, Holz, Gras, Orangenschalen und auch Klärschlamm sowohl theoretisch als auch experimentell in Laborreaktoren und Technikums-Anlagen im Gramm- bis Kilogramm-Maßstab. Der Feuchtegehalt der Restbiomasse, die einen 60-prozentigen Anteil von chemisch gebundenem Wasser enthält, spielt beim BSP-Verfahren keine Rolle - ein Vorteil gegenüber anderen Verfahren, die mit den daraus resultierenden Korrosions-Problemen kämpfen.

Das Verfahren ist relativ einfach: Die Restbiomasse wird aus dem Vorratsbehälter auf einer Förderschnecke in den Reaktor transportiert, wobei die Förderschnecke eine Vorrichtung enthält, die den Rückstrom von Gas verhindert. In der von außen beheizten Doppelschnecke findet die Reaktion statt, wird die cellulosehaltige Biomasse zu Kohle umgesetzt. 

Bei dem Prozess bilden sich organische, gasförmige Komponenten, die Kohlenstoff enthalten. Diese werden über die Kohle zurückgeführt, damit sie sich nochmals zersetzen und möglichst viel Kohlenstoff in der festen Phase und möglichst wenig in der Gasphase verbleibt. 

Karlsruher Biokohle hält viele Optionen bereit

Karlsruher Biokohle lässt sich im Grundsatz vielfach nutzen, auch als Kohlenstoffspeicher einlagern. © Pytlik

Die Biokohle aus dem BSP-Verfahren ist  geruchlos, leicht vermahlbar und lässt sich grundsätzlich noch weiter behandeln, thermisch zum Beispiel zu Aktivkohle oder zu katalytisch aktiven Kohlenstoffmaterialien. Diese Kohle lässt sich natürlich ebenso gut verbrennen.

Die Karlsruher Pilotanlage ist auf einen Biomasse-Durchsatz von 50 kg/h ausgelegt. Das nächste Upscale wäre eine Anlage mit einem stündlichen Durchsatz von einer Tonne Biomasse. Noch allerdings muss nach Bockhorns Worten vor allem der Gaskreislauf optimiert werden. So könnte die Menge des in die feste Phase überführten Kohlenstoffes noch erhöht werden.

Bringt Abfallbiomasse Geld mit, rechnet sich das Verfahren

Biogene Abfälle lassen sich mit diesem Verfahren karbonisieren. © Bockhorn/KIT

Technisch lässt sich das Biomass Steam Processing wohl relativ rasch umsetzen. Bockhorn hat mit seinen Daten hochgerechnet, dass der Prozess kostenfrei wäre, wenn man Entsorgungskosten gutschreibt, das heißt, wenn entsorgungspflichtige Biomasse für den Prozess genommen wird. Für eine Serienfertigung wären laut Bockhorn Reaktoren mit 10.000 Tonnen Umsatz pro Jahr eine anzupeilende Größe.

Für das entwickelte Verfahren sprechen nach Ansicht des Verbrennungsexperten  Henning Bockhorn einige Argumente. Zum einen wird die Energiedichte eines biogenen Energieträgers wesentlich erhöht: von 10-15 MJ/kg auf 25-30 MJ/kg. Das erleichtert das Handling des Brennstoffs erheblich, weil die Masse um 60 Prozent verringert wird. Die Biokohle lässt sich ebenso sequestrieren, also einlagern, oder zeitlich gestaffelt speichern durch Einarbeitung im Boden. Hier laufen Versuche mit Forschern der Universität Hohenheim, die die Karlsruher Biokohle als Bodenverbesserer testen.

Selbst bei bloßer Verbrennung wird der Kohlenstoffkreislauf nicht nachhaltig gestört, weil nur in der Geschwindigkeit Kohlenstoff freigesetzt wird, wie er assimiliert wird. Obendrein lässt die Biokohle die Option offen, sie als Eingangstor für die ganze Kohlenstoffchemie zu nutzen (Kohlehydrierung, Synthesegas, Methanierung). Im Grundsatz ist sie auch in den verschiedenen Bioraffineriekonzepten einsetzbar.  

Deutlich positive Energiebilanz

Der Ansatz mit biogenen Abfällen erspart dem Karlsruher Verfahren eine ethische Debatte. © Pytlik

Das Verfahren des Biomass Steam Processing hat eine deutlich positive Energiebilanz. "Im Wesentlichen benötigt dieser Prozess keine Energie", fasst Bockhorn zusammen. Denn die frei werdende Energie (über die Gasrückführung) wird in den Prozess zurückgeführt. Zum Aufheizen der Biomasse und Feuchtigkeit auf Reaktionstemperatur müssen nur etwa drei Prozent der eingebrachten chemischen Energie zugeführt werden.

Bei der herkömmlichen Holzkohlegewinnung geht hingegen viel Energie verloren. Zwar gibt es Vorbehandlungsverfahren bei Holz (Torrefizierung), dabei aber geht relativ viel Kohlenstoff an die Gasphase verloren. Dazu Bockhorn: „Wir hingegen sind daran interessiert, möglichst wenig nutzbaren Kohlenstoff in die Gasphase zu entlassen. Wir wollen allen Kohlenstoff im Festbrennstoff haben, damit wir den Kreislauf schließen können und möglichst wenig Kohlenstoff in die Umwelt entlassen."

Eine ganzheitlichere Betrachtung im Rahmen einer Ökobilanz erstellt Henning Bockhorn zusammen mit dem Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse Karlsruhe (Ludwig Leible). Finanziert wird das Forschungsvorhaben von der Stiftung Energieforschung Baden-Württemberg.

Glossar

  • Ein Katalysator ist ein Stoff, der selektiv eine bestimmte chemische oder biochemische Reaktion beschleunigt, indem er die Aktivierungsenergie herunter setzt. Der Katalysator selbst wird dabei nicht verbraucht.
  • Heterogenität bedeutet Ungleicheit bzw. Verschiedenheit in der Struktur.
  • 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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