Nachhaltiges Kohlenstoff-Material aus Pflanzenabfällen

Eine unerschöpfliche Alternative zu Kohle und Erdöl könnten Pflanzenabfälle sein, die über spezielle Verfahren in hochwertige und dabei nachhaltige Kohlenstoff-Materialien umgewandelt werden. Neue wissenschaftliche Erkenntnisse und Technologien für die Herstellung derartiger Stoffe zu gewinnen, die dann zu kommerziellen Produkten verarbeitet werden können, ist das Ziel des von der Europäischen Union geförderten Projektes Green Carbon. Oder vereinfacht ausgedrückt: „Green Carbon untersucht Verfahren, um aus Biomasse interessante Produkte zu erzeugen“, fasst Prof. Dr. Andrea Kruse von der Universität Hohenheim in Stuttgart zusammen.

Die Vorstellung ist bestechend: Nach und nach könnten in den kommenden Jahren Kohle und Erdöl – Ausgangsstoffe für die Herstellung von Kunststoffen, Farbstoffen und Materialien – durch erneuerbare Ressourcen ersetzt werden. Vorausgesetzt, sie sind einerseits einfach zu synthetisieren und kostengünstig, erfüllen andererseits aber auch spezifische Anforderungen. Kohlenstoffmaterialien, die aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden, wie z. B. aus pflanzlicher Biomasse, sind hier ideale Kandidaten.

„Pflanzen bauen chemische Strukturen auf, die Menschen als Ersatz für erdölbasierte Produkte nutzen können“, erklärt Prof. Dr. Kruse. Durch komplexe Verkohlungsprozesse, die Karbonisierung, können unterschiedlichste Biomassen zu Kohlenstoffmaterialien umgewandelt werden.

• Für trockene Biomassen mit nicht mehr als 10 Prozent Wassergehalt, wie Heu, Holz oder Stroh, kann dabei das Pyrolyse-Verfahren eingesetzt werden, bei dem das Ausgangsmaterial unter Sauerstoffabschluss und hohen Temperaturen verkohlt wird, ähnlich wie in einem Holzkohlemeiler.
• Feuchte Biomassen dagegen, die zu 80 - 90 Prozent aus Wasser bestehen, werden in der so genannten hydrothermalen Karbonisierung (HTC) in einen kohlenstoffhaltigen Feststoff umgewandelt. Bei Temperaturen zwischen 180 und 250 Grad Celsius unter leicht erhöhtem Druck, vergleichbar einem Schnellkochtopf, entstehen dabei durch verschiedene chemische Prozesse Kohlenstoffnanostrukturen, die technologisch sehr interessante Eigenschaften aufweisen können.
• Anwendungsmöglichkeiten solcher Hydrokohlen sind z. B. Aktivkohlen zur Reinigung von Luft, Gasen oder (Ab-)Wasser, Speichermedien für Wasserstoff, Elektrodenmaterialien für Batterien und Brennstoffzellen oder Superkondensatoren, wie sie unter anderem für die Herstellung von E-Autos benötigt werden.

Um Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion zu vermeiden, setzt Prof. Dr. Kruse bevorzugt auf Ausgangsmaterialien, die in der Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion als Nebenprodukte oder Abfall anfallen, wie z. B. Gemüseblätter, Stroh oder auch Gärreste, die bei der Vergärung von Biomasse in einer Biogasanlage zurückbleiben. So können landwirtschaftliche Abfälle genutzt und gleichzeitig neue hochwertige Produkte hergestellt werden.

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

Allerdings erfordern die unterschiedlichen Anwendungen auch unterschiedliche Eigenschaften der Hydrokohlen: Für die Nutzung als Brennstoff soll der Asche- und Stickstoffgehalt möglichst niedrig sein, bei der Verwendung als Langzeitdünger hingegen ist ein hoher Mineralien- und Stickstoffgehalt wünschenswert.

Bisher sind die chemischen Prozesse der Verfahren und ihr Einfluss auf die Produkteigenschaften nicht genau bekannt. Die zielgerichtete Herstellung von Materialien mit definierten Eigenschaften ist daher schwierig, wenn nicht 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 entwickelt.

„Wir müssen zunächst vor allem die wesentlichen Prozesse des Verfahrens verstehen“, sagt Prof. Dr. 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 in Hohenheim und im Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse (CBP) in Leuna, einem der Projektpartner, durchgeführt werden, um die am besten geeigneten Betriebsbedingungen hinsichtlich der Energieeffizienz sowie der Eigenschaften der hergestellten Kohle zu ermitteln.

Gerade bei der HTC zeigte sich, dass der Prozess so gesteuert werden kann, dass die verwendete Biomasse praktisch keinen Einfluss auf das Endprodukt hat. „Trotz großer Unterschiede im Ausgangsmaterial entstehen bei der HTC immer ähnliche Spektren an Endsubstanzen,“ freut sich Prof. Dr. Kruse. Damit ist das Verfahren nicht auf eine Quelle beschränkt, sondern es können viele verschiedene Ausgangsmaterialien verwendet werden. Noch bessere Ergebnisse werden erreicht, wenn die Hydrokohle anschließend auch noch einer Pyrolyse unterzogen wird.

Auch bei dem zweiten großen Ziel von Green Carbon, der Ausbildung von Doktoranden, können sich die Ergebnisse sehen lassen: Insgesamt resultieren aus den Forschungsarbeiten der beiden Doktoranden, Pablo J. Arauzo Gimeno und Maciej Olszewiski, die Prof. Dr. Kruse betreute, zwölf Veröffentlichungen.

Der internationale Forschungsverbund Green Carbon beschäftigt sich mit der Frage, wie moderne, hoch entwickelte Materialien aus Bioabfällen hergestellt werden können. Unter der Leitung der Universität von Saragossa untersuchen acht Forschungsinstitute und sieben Industriepartner alle Aspekte der Herstellung von maßgeschneiderten Kohlenstoffmaterialien, angefangen beim Ausgangsmaterial über dessen Verarbeitung bis hin zu seinen Anwendungsmöglichkeiten. Die gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnisse und Technologien sollen es ermöglichen, kommerzielle Produkte auf Kohlenstoff-Basis zu entwickeln, die z. B. als Energiespeicher, als Bodenverstärker oder als CO2-Abscheider eingesetzt werden können.

In einem speziellen Ausbildungsprogramm werden gleichzeitig 14 Doktoranden gefördert. Sie sollen dazu befähigt werden, neue Technologien innerhalb und außerhalb des akademischen Bereichs einsetzen zu können.

Projektbeginn war der der 1. Oktober 2016, Projektende für das Gesamtprojekt ist der 30. September 2020. Die Arbeiten in Hohenheim wurden bereits zum 30. April 2020 abgeschlossen.

Die Europäische Union finanziert Green Carbon über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen im Rahmenprogramm für Forschung und Innovation „Horizont 2020“ mit insgesamt über 3,5 Mio. Euro. Mit rund 500.000 Euro für die Universität Hohenheim gehört Green Carbon dort zu einem der Schwergewichte der Forschung.

33,9 Millionen Euro an Drittmitteln akquirierten Wissenschaftler der Universität Hohenheim 2019 für Forschung und Lehre. In loser Folge präsentiert die Reihe „Schwergewichte der Forschung“ herausragende Forschungsprojekte mit einem finanziellen Volumen von mindestens 350.000 Euro für apparative Forschung bzw. 150.000 Euro für nicht-apparative Forschung.

2020 steht das Wissenschaftsjahr im Zeichen der Bioökonomie – und damit einer nachhaltigen, biobasierten Wirtschaftsweise. Es geht darum, natürliche Stoffe und Ressourcen nachhaltig und innovativ zu produzieren und zu nutzen und so fossile und mineralische Rohstoffe zu ersetzen, Produkte umweltverträglicher herzustellen und biologische Ressourcen zu schonen. Das ist in Zeiten des Klimawandels, einer wachsenden Weltbevölkerung und eines drastischen Artenrückgangs mehr denn je notwendig. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ausgerichtete Wissenschaftsjahr Bioökonomie rückt das Thema ins Rampenlicht.

Die Bioökonomie ist das Leitthema der Universität Hohenheim in Forschung und Lehre. Sie verbindet die agrarwissenschaftliche, die naturwissenschaftliche sowie die wirtschafts- und sozialwissenschaftliche Fakultät. Im Wissenschaftsjahr Bioökonomie informiert die Universität Hohenheim in zahlreichen Veranstaltungen Fachwelt und Öffentlichkeit zum Thema.