15. 11. 2021
Verfasst von: Manuel Nowotny, Michael Wark

Wertvolle Biokohle aus Biomasse herstellen

Das Bild zeigt Getreidespelzen, Maispflanzen, Gülle, Lebensmittelreste. — Vom Abfall zum Wertstoff – aus Ernterückständen, Gülle oder Lebensmittelabfällen kann Biokohle hergestellt werden, die erdölbasierte Produkte ersetzt.

Die Herstellung alternativer Kohlenstoffmaterialien aus biogenen Reststoffen ist ein vielversprechender, ressourcenschonender Lösungsansatz für ein effektives Abfallmanagement. Biokohle dient der Abwasserreinigung, als Katalysatorträger in Brennstoffzellen, als Pflanzsubstrat und Torfersatz. Die Biokohle leistet damit einen wichtigen Beitrag, die Ziele des Pariser Klimaabkommens zu erreichen.

Klimaschutz und effiziente Abfallverwertung

Hochwertige alternative Kohlenstoffmaterialien aus biogenen Reststoffen herstellen – das ist das Ziel einiger internationaler Drittmittelprojekte an der Universität Oldenburg. Die Arbeitsgruppe Technische Chemie 1 von Prof. Michael Wark forscht intensiv an den Prozessen zur Hydrothermalen Carbonisierung der Bioreststoffe. Je nach Beschaffenheit können die resultierenden aktivierten Hydrokohlen in verschiedenen Bereichen erdölbasierte Produkte ersetzen. Sie konnten zum Beispiel schon erfolgreich als Adsorbentien zur Aufreinigung von Abwässern, als Katalysatorträger in Brennstoffzellen oder als leitfähige Ruß-Schichten in Kondensatoren und Akkumulatoren getestet werden. Ferner weist die Biokohle ein hohes Potenzial als Pflanzsubstrat auf, womit sie Torf ersetzen kann und dem Erhalt von Moorgebieten dient. In einfachen Mischungen mit Kompost erzielte sie ein sehr gutes Pflanzenwachstum. Es stehen nur noch rechtliche Einschränkungen dem breiten Einsatz der Hydrokohlen als Torfersatz im Wege; als „Abfall“ deklarierte Biomassen dürfen nur eingeschränkt wieder in den Kreislauf gebracht werden, das betrifft auch die daraus resultierenden Hydrokohlen.

Wässrige Verkohlung von Pflanzenresten

Die mehrstufige Umwandlung der biogenen Reststoffe beginnt mit einer Hydrothermalen Carbonisierung (HTC). Dieser chemisch-technische Prozess ähnelt der natürlichen Bildung von Braunkohle und entspricht einer wässrigen Verkohlung bei erhöhter Temperatur. Während der HTC wird die Ausgangsbiomasse in einer wässrigen Umgebung bei Temperaturen zwischen 180 und 250 °C und einem sich im Reaktionsgefäß einstellenden Druck von etwa 20 bar umgewandelt. Als Ausgangssubstrat können somit auch biogene Reststoffe genutzt werden, die einen hohen Wasseranteil aufweisen, beispielsweise Gülle, Gärreste, Lebensmittelreste oder Klärschlamm. Eine aufwändige Entwässerung ist hingegen bei einem alternativen Verfahren, der thermochemischen Pyrolyse, zwingend erforderlich. Die resultierende Hydrokohle wird in einem anschließenden Prozess bei hohen Temperaturen (650 °C – 800 °C) in einer Dampfatmosphäre aktiviert beziehungsweise veredelt. Auf diese Weise können Kohlen mit großen inneren Oberflächen von mindestens 500 m²/g hergestellt werden.

Prozessschema — Aus Bioreststoffen wird über den Prozess der Hydrothermalen Carbonisierung Hydrokohle erzeugt. Diese lässt sich vielseitig einsetzen.

Schadstoffe eliminieren

Der wesentliche Vorteil der HTC gegenüber der Kompostierung besteht darin, dass weniger CO₂ emittiert, da es in der Hydrokohle fixiert wird. Weiterhin ist eine hydrothermale Behandlung der Ausgangsbiomasse bedeutend schneller als eine Kompostierung. Neben der Hydrokohle fallen bei dem Prozess allerdings auch große Mengen an kontaminiertem Wasser an, welches aufgereinigt werden muss. Ein vielversprechender Ansatz ist die Aufreinigung mithilfe von Mikroalgen. Diese bauen die Schadstoffe ab und reichern gleichzeitig wertvolle Fettsäuren an. Aktuelle Herausforderungen bestehen noch in der gezielten Einstellung der Porosität der gebildeten Hydrokohle und die Optimierung ihrer Leitfähigkeit für elektrochemische Anwendungen.