Die Herstellung von Kraftstoffen aus erneuerbaren Quellen wie Holz- und Strohresten oder erneuerbarem Strom ist eine Möglichkeit, die Kohlenstoffemissionen des Verkehrssektors zu verringern. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben gemeinsam mit der Technischen Universität Lappeenranta-Lahti (LUT) in Finnland einen neuen Prozess zur Herstellung von Ethanol entwickelt.


Überschussstrom für die Kraftstoffsynthese

Ethanol wird in der Regel durch Fermentation von Zuckern aus stärkehaltigen Rohstoffen wie Mais oder aus lignozellulosehaltiger Biomasse wie Holz oder Stroh hergestellt. Bei dem neuen Prozess werden Reststoffe aus der Forstwirtschaft gemeinsam mit Wasserstoff genutzt. Der Wasserstoff soll durch die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe von Strom – also per Wasserelektrolyse – hergestellt werden. Damit kann zukünftig der Überschussstrom für die Herstellung von Ethanol genutzt werden.

 „Der Gesamtprozess besteht überwiegend aus technisch ausgereiften Teilprozessen. Die Zusammensetzung der Prozessschritte und der finale Schritt, die Hydrierung von Essigsäure zur Ethanolgewinnung, sind allerdings neu“, sagt Daniel Klüh, Doktorand an der Professur für Regenerative Energiesysteme am TUM Campus Straubing.



Kosten sind wettbewerbsfähig



Auch die wirtschaftliche Machbarkeit haben die Forschenden 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 in den Modellierungen 65 ct/l bei Biomassekosten von 20 €/Megawattstunde (MWh), Stromkosten von 45 €/MWh und einer Produktionsmenge von etwa 42.000 t Ethanol pro Jahr.

„Die Kosten sind damit wettbewerbsfähig mit den derzeitigen Herstellungsvarianten für Ethanol auf Basis von Lignozellulose. Der Ethanolpreis reagiert sehr empfindlich auf die Stromkosten und schwankt zwischen 0,56 und 0,74 €/l“, sagt Kristian Melin, Assistant Professor an der finnischen LUT. Ein Grund für die Profitabilität des Prozesses ist, dass die Ethanolausbeute im Vergleich zu fermentationsbasierten Prozessen auf Basis von Stroh oder Holz deutlich höher ist: Während sich bei den fermentationsbasierten Prozessen aus einer Tonne trockener Biomasse nur zwischen 200 bis 300 Liter Ethanol erzeugen lassen, liegt die Ausbeute bei dem neuen Prozess zwischen 1.350 und 1.410 l.

Einsatz in Pkw und im Schwerlastverkehr

Mit dem Prozess kann unter Einsatz von grünem Strom zum Betrieb der Elektrolyse ein CO2 -armer Treibstoff hergestellt werden, der ein Treibhausgasminderungspotenzial von 75 % im Vergleich zu fossilem Benzin hat. Ethanol ist als Treibstoff schon etabliert. Er kann sowohl, wie schon praktiziert, in Form von E-10 Benzin, mit 10 % Ethanol im PKW-Treibstoffgemisch, oder auch als ED95, mit 95 Prozent Ethanol, im Schwerlastverkehr als Dieselersatz eingesetzt werden.



Wo Produktionsstätten entstehen könnten



Ein Teil der Studie widmet sich der variablen geografischen Anordnung der Produktionsstätten, wodurch eine gewisse Unabhängigkeit von Zulieferern erreicht werden könnte. „Länder mit einem hohen Restholzpotenzial und grünem Strom, zum Beispiel Finnland oder auch Kanada, können als Produzenten von Essigsäure dienen, die im letzten Prozessschritt hydriert wird, um Ethanol zu gewinnen“, sagt Prof. Tuomas Koiranen von der LUT.
Deutschland hat nach Ansicht der Wissenschaftler zwar nicht das Restholzpotential für eine großskalige Biomassevergasung. Allerdings könnte hier mithilfe von grünem Strom die Hydrierung der Essigsäure zu Ethanol stattfinden. 
Nächste Schritte wären jetzt weitere Katalysatorentwicklungen, ein Reaktordesign und der Bau sowie Betrieb einer Pilotanlage.

Weitere Informationen finden Sie unter www.cs.tum.de