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Bioraffinerie: Neue Wege für unser Morgen

Nachhaltigkeit liegt im Trend. Und dies ist auch keine Frage des Wollens, sondern des Müssens: Wie der letzte Bericht des Weltklimarates zeigt, verlangen Klima und Umwelt schnelles Handeln. In den Bioökonomie-Konzepten vieler Länder spielen Bioraffinerien zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe und der Kreislaufführung von Industrierohstoffen eine zunehmend wichtige Rolle – auch in Baden-Württemberg.

Erdöl ist nicht nur ein Energieträger, sondern seit mehr als einem Jahrhundert auch in sehr vielen Dingen unseres Alltags präsent - ob in Arzneimitteln oder in mehr oder weniger lebenswichtigen Produkten wie Verpackungen, Textilien, Reinigungsmitteln, Baumaterialien oder Kosmetika – und ist damit auch ein Garant für die Beschäftigung vieler Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmer in einem ganzen Industriezweig, der petrochemischen Industrie. Dank ständig weiterentwickelter Techniken während dieser langen Zeit ist es heutzutage möglich, eine solche Vielzahl an Produkten herzustellen. Dies bedeutet einen enormen technologischen Vorsprung vor nachhaltigen Technologien, die erst seit vergleichsweise wenigen Jahren im Aufbau sind.

Auch auf andere fossile Rohstoffe – Erdgas und Kohle – können wir im Moment noch nicht verzichten, denn gemeinsam mit dem Erdöl werden sie zur Energiebereitstellung benötigt, also für Strom, Wärme und Kraftstoffe wie Diesel, Benzin oder Kerosin. Der Verband der chemischen Industrie (VCI) gibt an, dass dieser Sektor in Deutschland über 80 Prozent des Bedarfs ausmacht, lediglich weniger als 20 Prozent der fossilen Rohstoffe werden stofflich genutzt.1)

Die Zukunft gehört den Naturstoffen und den recycelten Rohstoffen

Laut der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe ist die Erdölversorgung beim heutigen Welterdölverbrauch und Reserven von gut 244 Mrd. t noch für mehr als 50 Jahre gesichert.2) Für die meisten Erwachsenen ist das beruhigend, nicht aber für die kommenden Generationen. Die Zeit, nach Alternativen zu suchen, drängt also. Und nicht nur mit Blick auf die Reserven: Längst ist bekannt, dass sich beispielsweise Kunststoffe in großen Mengen in der Umwelt ansammeln. Mikroplastik, das durch den Zerfall von Kunststoffen durch z.B. Versprödung entsteht, ist zum ökologischen Problemfall geworden.

Höchste Zeit also für ernst zu nehmende nachhaltige Alternativen aus Naturstoffen und recycelten Wertstoffen. Allerdings ist eine der wichtigsten Vorgaben hierfür, keine Feldfrüchte zu nutzen, die als Nahrungsmittel auf den Tisch kommen könnten, oder sie ausschließlich für die Treibstoffproduktion anzubauen. Denn Nahrung ist in vielen Ländern ohnehin schon Mangelware, und landwirtschaftlich nutzbare Fläche ebenso.

Bioraffinerien sind ein Bestandteil des Lebens in einer nachhaltigen Bioökonomie. © Shinonome Production | Adobe Stock

Vor diesem Hintergrund hat die Bundesregierung bereits 2008 dazu aufgefordert, eine Strategie für die zunehmende Bereitstellung von Alternativen zu erarbeiten. Ein Jahr darauf wurde der „Aktionsplan der Bundesregierung zur stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe“3) verabschiedet. Hierin wurden verschiedene Handlungsfelder aufgezeigt. Eines davon beinhaltet als zentrales Thema Bioraffinerien mit der Möglichkeit, Biomasse als vielfältige Rohstoffquelle unter möglichst vollständiger Verwendung aller Komponenten zu nutzen. In den folgenden Jahren wurde dieser Aktionsplan noch durch zwei zusätzliche umfangreiche Forschungsstrategien erweitert4) 5) und durch die Potenzialanalyse „Roadmap Bioraffinerien“1) ergänzt, in der Experten 2012 betonten, dass auf dem Weg zum kommerziellen Einsatz von Bioraffinerien noch erheblicher Forschungsbedarf bestehe.

Nicht erst seit den oben genannten ersten Strategien besteht Einigkeit darüber, dass Bioraffineriesysteme nicht völlig ohne Vorsicht und vorherige Risikoabschätzung zum Einsatz kommen dürfen: Zwar ist deren Hauptziel, durch Schonung von natürlichen Ressourcen, z.B. durch den Einsatz von sekundären Rohstoffquellen und der Reduzierung von Treibhausgasemissionen und anderen Schadstoffen zu einer nachhaltigen Industrie beizutragen. Dennoch können auch mit der Herstellung biobasierter Produkte Umweltschäden verbunden sein, z. B. Veränderung der Landnutzung oder Eutrophierung von Gewässern. Daher ist es wichtig, mithilfe von Methoden der Ökobilanz (Life Cycle Assessment; LCA) die Auswirkungen von Bioraffinerien auf die Umwelt schon im Vorfeld abzuschätzen und zudem zu analysieren, ob sie im Vergleich zu konventionellen Alternativen auch wirklich umweltfreundlicher sind. Diese Ökobilanz wird sehr stark vom Ausgangsmaterial bestimmt, aber auch andere Aspekte wie Produktionsverfahren und Energiebedarf spielen selbstverständlich eine Rolle bei der Wirkungsabschätzung. In diesem Zusammenhang ist ein zukunftsträchtiger Ansatz zum Beispiel die sogenannte „Grüne Bioraffinerie“, die sowohl abfall- als auch emissionsfrei Wertstoffe aus Gras und anderen grünen Pflanzen wie Klee oder Blättern gewinnen soll.

Deutschland weltweit ganz vorne dabei

Obwohl die Nutzung nachwachsender und sekundärer Rohstoffe im Vergleich mit den fossilen Pendants noch ganz am Anfang steht, ist sie innerhalb der kurzen Zeit, in der dieses Thema in den Fokus der Akteure gerückt ist, schon auf einem beachtlichen Weg. Wie Experten im „EU Biorefinery Outlook to 2030“ ausführen, generieren in der EU rund 300 Bioraffinerien bereits einen Umsatz mit biobasierten Produkten von mehreren Mrd. Euro – davon beispielsweise allein in der Papier- und Zellstoffindustrie laut der „Confederation of european paper industries“ 2,7 Mrd. Euro. Insgesamt werden in Europa derzeit 4,6 Mio. t biobasierte Chemikalien und Werkstoffe hergestellt, bis 2030 könnte die Produktion um gut eine bis drei Mio. t steigen.7) 8)

Die Anlagen konzentrieren sich vor allem im mitteleuropäischen Raum, besonders in Deutschland, Frankreich, den Beneluxstaaten und Norditalien. Die beiden Spitzenreiter Deutschland und Frankreich haben dabei sogar bereits einen großen Vorsprung vor China und den USA mit den meisten Bioraffinerien außerhalb der EU.

Ausgangsmaterialien sind vorrangig landwirtschaftlicher Herkunft, gefolgt von solchen aus der Forstwirtschaft, aus Abfällen und in vergleichsweise geringer Menge aus mariner Biomasse. Daraus werden überwiegend Chemikalien hergestellt, gefolgt von anderen Produkten wie Arznei-, Nahrungs- und Futtermitteln oder Kosmetika, und, nur mit relativ geringem Anteil, Treibstoffen.9) Es wird erwartet, dass die Nachfrage nach biobasierten Produkten in der EU im Jahr 2030 weit höher als das prognostizierte Angebot sein wird.7)

Bioraffinerie-Standorte bundesweit verteilt

In Deutschland werden derzeit 59 chemische/stoffliche Bioraffinerien betrieben – davon sieben in Baden-Württemberg, die noch von einigen weiteren Pilot- und Forschungsanlagen ergänzt werden. Hier werden praktisch alle gängigen Plattformen abgedeckt. Beispiele sind die Grasfabrik der Biowert Industrie GmbH im hessischen Brensbach, die Wiesengras zu Ökostrom, Dünger, Kunst- und Dämmstoffen verarbeitet, der deutsche Standort der Cargill Deutschland GmbH in Krefeld, wo verschiedene Stärken und Süßungsmittel für die Lebensmittel- und die technische Industrie aus Mais hergestellt werden, oder die Bioraffinerie des Schweizer Spezialchemiekonzerns Clariant in Straubing, die Zucker und Ethanol aus Stroh und Chinaschilf herstellt.

Eines der aktuell besonders im Fokus stehenden deutschen Vorzeigeprojekte ist die Bioraffinerie von Europas größtem Papierproduzenten, der finnischen Unternehmensgruppe UPM in Leuna. Hier sollen ab 2022 Chemikalien – vor allem Monoethylenglykol - für Textilien, Kunststoffe, Medikamente und anderes aus Holz produziert werden. Das Projekt wurde durch das World BioEconomy Forum als „The Bio Act of the Year 2020“ ausgezeichnet. Ausgangsstoff ist regionales, zertifiziertes Buchenindustrieholz; hier sollen auch Baumteile genutzt werden, die sonst nicht verwertet werden können, sowie Reststoffe aus Sägewerken. Damit wird dies die erste voll integrierte holzbasierte Bioraffinerie weltweit sein, die einen einzigen Rohstoff komplett zerlegt und daraus mehrere Zwischenprodukte und mehrere Endprodukte herstellt.

Am gleichen Standort forscht ebenfalls schon seit Jahren ein Akteur aus Baden-Württemberg: das Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP – ein Institutsteil des Stuttgarter Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, das mehrere Forschungsprojekte zur Nutzung nachhaltiger Rohstoffe bearbeitet und dort schon 2012 eine Lignocellulose-Bioraffinerie-Pilotanlage eröffnet hat. Auf dem Gelände der InfraLeuna, dem Betreiber des Chemieparks am Standort der früheren Leunawerke, ist zudem gemeinsam mit einem weiteren Institutsteil des IGB – dem Straubinger „Bio-, Elektro- und Chemokatalyse BioCat“ – seit 2018 im EU-Verbundprojekt LIBERATE eine stromgeführte Lignin-Bioraffinerie in der Entwicklung, die Reststoffe aus Holz mithilfe eines elektrochemischen Prozesses in biobasierte Chemikalien wie Vanillin oder Monomere für neue Biopolymere umwandeln soll.

Biofabriken werden in Baden-Württemberg gezielt gefördert

Auch Abwässer haben großes Potenzial als Rohstoffquelle. © DedMityay / Stock.adobe.com

Aber auch in Baden-Württemberg selbst wird am Thema „Bioraffinerie“ unter Hochdruck gearbeitet. 2019 wurde die Landesstrategie „Nachhaltige Bioökonomie für Baden-Württemberg“ von der Landesregierung beschlossen. In dieser Landesstrategie wurden unter anderem der Aufbau und die Entwicklung von Pilot- und Demonstrationsanlagen im ländlichen Raum aufgeführt und insbesondere die Förderung und Entwicklung von modularen „Biofabriken“ gezielt verankert, die auch schon konkret umgesetzt wird. Beispielsweise wurde vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg mit Mitteln des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) das Förderprogramm „Bio-Ab-Cycling: Bioraffinerien zur Gewinnung von Rohstoffen aus Abfall und Abwasser“ aufgelegt. Hier sollen aus den sekundären Rohstoffquellen Abfall und Abwasser möglichst viele Rohstoffe und Produkte gewonnen werden, sodass die Ausgangsstoffe effizient und nachhaltig in den Wirtschaftskreislauf („Cycling“) zurückgeführt werden können. Die Strategie beinhaltet außerdem den Biogasanlagenbestand weiterzuentwickeln, indem unter anderem die Einsatzstoffe und die Produktpalette variabler gestaltet werden sollen.10)

In einer vorausgegangenen Machbarkeitsstudie, die die BIOPRO Baden-Württemberg 2019 gemeinsam mit Expertinnen und Experten erarbeitet hatte, konnte bereits grundsätzlich gezeigt werden, dass beispielsweise Bioabfälle großes Potenzial und bislang ungenutzte Ressourcen haben, und zwar sowohl für neue als auch für bereits etablierte Wertschöpfungsnetze.11) Auch wurde in einer Machbarkeitsstudie, durchgeführt vom Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik sowie der Umwelttechnik BW, das große Potential von Abwasser als Rohstoffquelle untersucht und aufgezeigt, wie Rohstoffe mithilfe der Biotechnologie erfolgreich zurückgewonnen werden können.12)

Bioraffinerie-Bauernhöfe tragen zu regionaler Nachhaltigkeit bei

In einem weiteren Projekt - „Bioraffinerie für die Bioökonomie Baden-Württemberg (B4B) - wurde eine exemplarische Lignocellulose-Bioraffinerie im repräsentativen Technikumsmaßstab aufgebaut, betrieben und bewertet.13) Unter Beteiligung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Hohenheim und der BIOPRO Baden-Württemberg wurde eine Möglichkeit entwickelt, das Chinaschilf Miscanthus in Kohlenhydrate und eine Ligninfraktion zu spalten. Die dabei entstehenden Zucker wurden in weiteren Prozessschritten im Kilogrammmaßstab zu Basischemikalien für Produkte wie Verpackungen oder Textilien verarbeitet, das Lignin zu Phenolen zur Herstellung von Kunststoffen.

In einem Anschlussprojekt im aktuell laufenden Wissenschaftsjahr 2021 soll diese On-Farm-Bioraffinerie aus mehreren Modulen auf dem Unteren Lindenhof in Eningen, dem Versuchsgut der Universität Hohenheim, nun ausgebaut und zur Herstellung von Chemikalien, Energie und Dünger so weiterentwickelt werden, dass die Biomasse möglichst vollständig genutzt wird. Um energie- und kostenaufwendige Transportwege zu vermeiden, kombinieren die Forscher zudem ein im KIT eigens erarbeitetes Verfahren, das bioliq©-Konzept mit der Produktion des energiereichen, leicht transportierbaren Zwischenprodukts Biosyncrude, mit der Umwandlung zu Synthesegas und damit zur Herstellung einer Vielzahl von Endprodukten. Ein solcher „Bioraffinerie-Bauernhof“ der Zukunft soll allerdings nicht alle Verfahrensschritte selbst abdecken: Ziel sind möglichst kleine Anlagen, aus denen nicht benötigte Nährstoffe direkt wieder auf die Felder gebracht werden. Damit aber auch diese kleinen Anlagen wirtschaftlich arbeiten, sollen ihre Zwischenprodukte in größeren Fabriken weiterverarbeitet und so Nachhaltigkeit auf regionaler Ebene gewährleistet werden.

Zahlreiche Bioraffineriestandorte in Baden-Württemberg

Baden-Württemberg hat aber noch mehr Konkretes zum Thema zu bieten: Das Ministerium für Ernährung, Ländlichen Raum und Verbraucherschutz Baden-Württemberg fördert die Entwicklung von Bioraffinerie-Konzepten als Forschungs-, Innovations- und Investitionsschwerpunkt. Dazu wurden die Förderprogramme „Nachhaltige Bioökonomie als Innovationsmotor für den ländlichen Raum“ und „Bioökonomie Innovations- und Investitionsprogramm für den Ländlichen Raum (BIPL-BW)“ auf den Weg gebracht, in denen unterschiedliche Entwicklungsschritte bis zum Scale-up abgebildet werden können. Ein wichtiger Ansatzpunkt ist dabei die Weiterentwicklung der bestehenden Biogasanlagen zu Bioraffinerien, die mehrere Produkte herstellen. So könnten auch Bioenergiedörfer als Bioökonomiedörfer zukünftig dezentrale Bioraffinerien betreiben. Über die vielversprechenden Forschungs- und Entwicklungsprojekte hinaus sind einige Firmen am Standort vertreten, die bereits Umsätze verzeichnen können. Unter ihnen ist die deutschlandweit zu den größten Bioraffinerie-Unternehmen gehörende CropEnergies AG der Südzucker-Gruppe in Mannheim mit einer Produktionskapazität von fast 1 Mio. m3 Bioethanol und vielen Hunderttausend t Lebens- und Futtermitteln pro Jahr plus Neutralalkohol und biogenem CO2. Über die reine Herstellung der vermarktbaren Produkte sind hier in Forschungsprojekten auch weitere Erzeugnisse aus Ethanol in der Entwicklung.

Aus der Pflanze „Durchwachsene Silphie“ (Silphium perfoliatum) kann Energie und auch Verpackungsmaterial gewonnen werden. © Edmund Hochmuth / Pixabay

Es sind jedoch nicht nur die großen Unternehmen, die das Projekt „Bioraffinerie“ im „Bundesland der Tüftler und Denker“ auszeichnen. Im Aufbau sind und betrieben werden am Standort auch schon eine ganze Reihe kleinerer Anlagen, die oft auf Eigeninitiativen von Landwirten, Genossenschaften oder jungen Gründern aufbauen. Als ein weiteres unternehmensgetriebenes Leuchtturmvorhaben made in BW wäre die Implementierung eines integrierten Wertschöpfungsnetzes im Sinne einer dezentralen Bioraffinerie „vom Feld bis ins Regal“ rund um die mehrjährige Pflanze „Durchwachsene Silphie“ zu nennen. Ganz im Sinne einer modularen und dezentralen Bioraffinerie werden hier in einer Kaskadennutzung zuerst Fasern zur Papierherstellung und aus den Restströmen Biogas zur energetischen Nutzung gewonnen. Und noch mehr ist möglich: So kann das in der Biogasanlage fermentierte und getrocknete nährstoffreiche Gärprodukt aus Bioreststoffen als Dünger eingesetzt werden, wie es beispielweise die Agro Energie Hohenlohe GmbH & Co. KG in Kupferzell-Füßbach umsetzt.14) 15) Ein weiteres Beispiel ist die Insektenzucht unter Nutzung von Lebensmittelabfällen zur Herstellung von Ausgangsstoffen für die chemische Industrie. Werden alternativ zur Fütterung der Insekten ungenießbare Erntenebenprodukte wie z.B. Blätter, also keine Abfälle, verwendet, dann kommt in wahrscheinlich nicht mehr allzu ferner Zukunft auch eine Verwendung im Bereich der menschlichen Ernährung in Betracht.16)

Literatur:

1) Roadmap Bioraffinerien im Rahmen der Aktionspläne der Bundesregierung zur stofflichen und energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe: https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Publikationen/Energie/roadmap-bioraffinerien.html

2) Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe 2020: BGR Energiedaten 2019 – Daten zu Entwicklungen der deutschen und globalen Energieversorgung; DOI: 10.25928/es-2019-tab

3) Aktionsplan der Bundesregierung zur stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoff: https://dserver.bundestag.de/btd/16/140/1614061.pdf

4) Nationale Forschungsstrategie BioÖkononie 2030, https://www.bmbf.de/upload_filestore/pub/Nationale_Forschungsstrategie_Biooekonomie_2030.pdf

5) Nationale Politikstrategie Bioökonomie, https://biooekonomie.de/sites/default/files/files/2016-09/npsb.pdf

6) IEA Bioenergy Task 42 Biorefining: Sustainable and synergetic processing of biomass into marketable food & feed ingredients, chemicals, materials and energy (fuels, power, heat). https://www.ieabioenergy.com/wp-content/uploads/2014/09/IEA-Bioenergy-Task42-Biorefining-Brochure-SEP2014_LR.pdf

7) EU biorefinery outlook to 2030: Studies on support to research and innovation policy in the area of biobased products and services. https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/7223cd2e-bf5b-11eb-a925-01aa75ed71a1

8) Cepi Confederation of European Paper Industries, http://www.cepi.org; https://www.euwid-papier.de/news/einzelansicht/Artikel/neue-cepi-studie-ueber-bioraffinerien-in-europa-veroeffentlicht.html

9) Baldoni, E.; Reumerman, P.; Parisi, C.; Platt, R.; González H., Hugo; Vikla, K.; Vos, J.; M'barek, R. (2021): Chemical and material biorefineries in the EU. European Commission, Joint Research Centre (JRC). http://data.europa.eu/89h/24e98d11-ef06-4233-8f69-1e123938e891

10) 1. Förderaufruf im Förderprogramm Bioökonomie – Bioraffinerien zur Gewinnung von Rohstoffen aus Abfall und Abwasser: „Bio-Ab-Cycling“. https://2021-27.efre-bw.de/foerderaufruf/1-foerderaufruf-im-foerderprogramm-biooekonomie-bioraffinerien-zur-gewin-nung-von-rohstoffen-aus-abfall-und-ab-wasser-bio-ab-cycling/

11) BIOPRO Baden-Württemberg GmbH: Machbarkeitsstudie „Bioabfall als Ressource“. https://um.baden-wuerttemberg.de/de/wirtschaft/biooekonomie/gefoerderte-projekte/studie-bioabfall-als-ressource/

12) Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB und Umwelttechnik BW GmbH: Machbarkeitsstudie „Abwasser als Ressource“. https://um.baden-wuerttemberg.de/de/wirtschaft/biooekonomie/gefoerderte-projekte/machbarkeitsstudie-abwasser-als-ressource/

13) Lignozellulose Bioraffinerie für die Bioökonomie in Baden-Württemberg (B4B): https://biooekonomie-bw.uni-hohenheim.de/tp184 und https://www.bio-pro.de/aktivitaeten/abgeschlossene-projekte/bioraffinerie-fuer-die-biooekonomie-baden-wuerttemberg-b4b

14) In einem Kreislauf: Ökopapier, Energie und Dünger aus Silphie. https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/einem-kreislauf-oekopapier-energie-und-duenger-aus-silphie

15) Energiepark & Donau-Silphie: Symbiose zum Wohle der Natur. https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/energiepark-donau-silphie-symbiose-zum-wohle-der-natur

16) Insektenfarm im Dienst der Nachhaltigkeit. https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/insektenfarm-im-dienst-der-nachhaltigkeit

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/dossier/bioraffinerie-neue-wege-fuer-unser-morgen