Pflanzenkohle

Kohlenstoff aus Pflanzenabfällen

Die Universität Hohenheim forscht daran, mithilfe von Pyrolyse und Hydrothermaler Karbonisierung aus Reststoffen wertvolle Ersatzstoffe für Erdöl und Kohle zu erzeugen.

Es ist nur eine Frage der Zeit, bis Kohle und Erdöl zur Neige gehen. Eine unerschöpfliche Alternative könnten Pflanzenabfälle sein, die über spezielle Verfahren in hochwertige 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 GreenCarbon. „GreenCarbon untersucht Verfahren, um aus Biomasse interessante Produkte zu erzeugen“, fasst Prof. Dr. Andrea Kruse von der Universität Hohenheim in Stuttgart zusammen. Unter ihrer Leitung beteiligen sich seit 2016 Mitarbeiter des Fachgebietes Konversionstechnologien nachwachsender Rohstoffe an dem internationalen, multidisziplinären Forschungsprojekt.

Verkohlung macht aus Reststoffen Kohlenstoff

„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 %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 bis 90 % 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.

Fokus auf Nebenprodukte

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 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.

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.

Produktergebnis unabhängig von verwendeter Biomasse

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 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.

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