Hydrothermale Karbonisierung

Die hydrothermale Karbonisierung (etwa: „wässrige Verkohlung bei erhöhter Temperatur“) ist ein chemisches Verfahren zur einfachen und hocheffizienten Herstellung von Braunkohle, Synthesegas, flüssigen Erdöl-Vorstufen und Humus aus Biomasse unter Freisetzung von Energie. Der Prozess, der die in der Natur in 50.000 bis 50 Millionen Jahren ablaufende Braunkohle-Entstehung („Inkohlung“) innerhalb weniger Stunden technisch nachahmt, wurde von Markus Antonietti am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam entwickelt.

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Motivation

Bei den bisher gebräuchlichen Verfahren zur Umwandlung von Biomasse in Brennstoffe ist die Kohlenstoff-Effizienz, d. h. der Anteil des zu Beginn in der Biomasse enthaltenen Kohlenstoffs, der später im verwertbaren Endprodukt enthalten ist, relativ gering: bei der alkoholischen Gärung beträgt die Kohlenstoffeffizienz 67 %, bei der anaeroben Umsetzung zu Biogas 50 % und bei der Holzkohleherstellung durch Holzverkohlung ca. 30 %; bei der Erzeugung von Humus durch Kompostierung liegt die Kohlenstoffeffizienz lediglich bei 5 bis 10 %. Der nicht verwertete Anteil entweicht als Kohlenstoffdioxid bzw. bei der herkömmlichen Kompostierung auch als Methan in die Atmosphäre; beide Gase gelten als klimaschädlich. Zusätzlich wird bei diesen Verfahren Wärme frei, die bisher nicht genutzt wird.

Das Problem bei der Herstellung von Biodiesel aus Ölpflanzen ist die Tatsache, dass nur die in den Früchten enthaltene Energie genutzt werden kann; könnte man dagegen die ganze Pflanze zur Kraftstofferzeugung verwenden, so ließe sich beim Anbau schnell wachsender Pflanzen wie Weidenholz, Pappeln, Chinaschilf, Hanf, Schilfrohr oder Wald die Energieausbeute bei gleicher Anbaufläche um den Faktor drei bis fünf steigern unter gleichzeitiger Reduktion von Energie-, Düngemittel- und Herbizideinsatz und der Möglichkeit zur Nutzung von - für bisherigen Energiepflanzenanbau - zu kargen Böden. Die hydrothermale Karbonisierung ermöglicht es – ähnlich dem Biomass-to-Liquid-Verfahren –, nahezu den gesamten in der Biomasse enthaltenen Kohlenstoff zur Brennstofferzeugung zu nutzen.

Ablauf

In einem Druckgefäß wird Biomasse, insbesondere pflanzliches Material, (in der nachfolgenden Reaktionsgleichung vereinfachend als Zucker mit der Formel C₆ H₁₂ O₆ umschrieben) zusammen mit Wasser und einer geringen Menge eines Katalysators unter Luftabschluss auf 180 °C erhitzt. Als Katalysator verwendet Antonietti Zitronensäure. Die ablaufende Reaktion ist exotherm, d. h. es wird Energie freigesetzt. Nach 12 Stunden sind die Edukte vollständig umgesetzt und es liegt ein wässriger Schlamm aus porösen Braunkohle-Kügelchen (C₆H₂O) mit Porengrößen zwischen 8 und 20 nm vor. Die Reaktionsgleichung für diesen Fall lautet:

Die Reaktion kann in mehreren Stadien bei unvollständiger Wasserabspaltung abgebrochen werden, wobei man unterschiedliche Zwischenprodukte erhält. Bei Abbruch nach wenigen Minuten entstehen so genannte flüssige Intermediate, Vorstufen von Erdöl, deren Handhabung wegen ihrer hohen Reaktivität allerdings sehr schwierig ist. Im Anschluss daran bildet sich Humus, der nach ca. 8 Stunden als Zwischenprodukt vorliegt.

Anwendungsmöglichkeiten

Der entstandene Kohleschlamm ließe sich zur Verbrennung bzw. zum Betrieb neuartiger Brennstoffzellentypen mit einem Wirkungsgrad von 60 % verwenden, wie sie derzeit an der Harvard-Universität erforscht werden. Zur Erzeugung von herkömmlichen Kraftstoffen müsste das Kohlenstoff-Wasser-Gemisch zunächst stärker erhitzt werden, so dass so genanntes Synthesegas, ein Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, entsteht:

Aus diesem Synthesegas ließe sich über das Fischer-Tropsch-Verfahren Benzin herstellen. Alternativ könnten die flüssigen Intermediate, die bei der unvollständigen Umsetzung der Biomasse entstehen, zur Kraftstoff- sowie zur Kunststoff-Herstellung genutzt werden.

Der künstlich erzeugte Humus könnte zur Wiederbegrünung erodierter Flächen genutzt werden. Durch das auf diese Weise verstärkte Pflanzenwachstum könnte zusätzliches Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre gebunden werden, so dass im Endeffekt eine Kohlenstoffeffizienz größer als 1 bzw. eine negative CO₂-Bilanz erreichbar wäre.

Außerdem kann der entstandene Kohlenschlamm brikettiert und als umweltfreundliche - weil kohlendioxidneutrale - "Naturkohle" vermarktet werden, welche im Vergleich mit der Ausgangs-Biomasse mittels Abscheiden/Filtern/Verpressen mit niedrigerem Energieeinsatz zu trocknen sein sollte und durch ihren höheren Energiegehalt pro Volumen/Masse weniger Transportkosten verursachen sowie kleinere Lagerflächen erfordern würde.

Ein Vorteil der hydrothermalen Karbonisierung ist, dass die Verwendbarkeit pflanzlicher Biomasse nicht auf Pflanzen mit niedrigen Feuchtegehalten beschränkt und die ohne Kohlendioxid-Ausstoß gewinnbare Energie nicht durch notwendige Trocknungsmaßnahmen reduziert wird bzw. bei Bedarf direkt zur Trocknung der Endprodukte nutzbar ist. So kann selbst bisher kaum nutzbares Pflanzenmaterial wie Verschnitt aus Gärten und von städtischen Grünflächen zur Energieerzeugung dienen, wobei gleichzeitig Kohlendioxid eingespart wird, welches sonst - zusammen mit dem noch klimaschädlicheren Methan - bei der bakteriellen Umsetzung der Biomasse anfallen würde.

Alternativen zur energetischen Nutzung

Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich besteht in der Möglichkeit die Kohle dauerhaft abzulagern und somit den Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre abzusenken.

Laut Prof. Antonietti ist der wichtigste Punkt: "...dass man eine einfache Methode in der Hand hat, atmosphärisches CO2 über den Umweg von Biomasse in eine stabile und ungefährliche Lagerform, eine Kohlenstoff-Senke, zu verwandeln." Mit dem Verfahren der hydrothermalen Karbonisierung, wie auch mit anderen Verfahren zur Verkokung von Biomassen, ließe sich so überall auf der Welt dezentral eine große Menge an Kohlenstoff dauerhaft speichern. Wesentlich sicherer als die derzeit diskutierte flüssige oder gasförmiges Sequestrierung von Kohlendioxid. Bei ausreichender chemischer Stabilität der Kohle könnte sie auch sehr gut zur Verbesserung von Böden eingesetzt werden (s.a. Terra preta)

Kritik

Durch die exotherme Reaktion der hydrothermalen Karbonisierung werden etwa 3/8 des auf die Trockenmasse bezogenen Heizwertes der Biomasse freigesetzt (bei hohem Lignin-, Harz- und/oder Ölgehalt immer noch mindestens 1/4). Bei geschickter Prozessführung könnte es gelingen, mittels dieser Abwärme aus nasser Biomasse trockene Bio-Kohle herzustellen und eventuell einen Teil der umgewandelten Energie zur Energieerzeugung nutzen zu können. Ein Vorteil gegenüber trockenen thermischen Verfahren der Veredlung von Biobrennstoffen mit niedrigem Feuchtegehalt ist nicht so einfach erkennbar. Bereits Ende des 19. Jahrhunderts wurde eine nur schwach pyrolysierte Holzkohle, die noch mindestens 4/5 des Brennwertes des Holzes enthält, für thermische Prozesse propagiert.

Das große Problem bei der Herstellung von Synthesegas aus Biomasse ist die Teer-Bildung, die bei hydrothermaler Prozessführung in der Tat vermieden werden könnte. Allerdings ist dann nicht einzusehen, warum dafür der Umweg über Bio-Kohle gegangen werden soll. Ein Biomasse-Slurry sollte sich unter überkritischen Bedingungen bei 400 °C und einem Druck von mindestens 221,2 Bar (Kritische Temperatur von Wasser ist 374 °C) in CO₂ und H₂ zerlegen lassen, was allerdings einen hohen Energieeinsatz bedingt.

Siehe auch

• Biomasse
• Terra preta
• Schwarzerde
• Pyrogener Kohlenstoff

Literatur

• Cui, XJ.; Antonietti, M.; Yu, SH: Structural effects of iron oxide nanoparticles and iron ions on the hydrothermal carbonization of starch and rice carbohydrates; Small, 2 (6): 756-759 Jun 2006
• Yu, SH.; Cui, XJ.; Li, LL.; Li, K.; Yu, B.; Antonietti, M.; Colfen, H.: From starch to metal/carbon hybrid nanostructures: Hydrothermal metal-catalyzed carbonization; Advanced Materials, 16 (18): 1636 Sep 16 2004