Um fossile Brennstoffe zu sparen, können Kraftstoffe auch aus biologischen Quellen produziert werden. Forscher haben jetzt eine neue, besonders effiziente Methode entwickelt, um Ethanol-Kraftstoff aus Abfällen der Forstwirtschaft zu gewinnen. Für die Synthese wird neben Holzresten auch Wasserstoff aus Elektrolyse eingesetzt. Das Verfahren hat dadurch eine deutlich höhere Ausbeute als gängige Verfahren der Ethanolproduktion.
Bisher sind fossile Kraftstoffe in vielen Bereichen des Verkehrs fast unverzichtbar. Doch im Zuge des Klimaschutzes – und auch, um die Abhängigkeit von Erdöl- und Erdgasimporten zu verringern – muss sich der Verkehr auf alternative Antriebe umstellen. Als Übergangslösung auf dem Weg zu einer reinen Elektromobilität oder Brennstoffzellfahrzeugen gelten dabei synthetische Kraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen wie Biomasse. Einer dieser alternativen Kraftstoffe ist Ethanol. Er kann sowohl dem gängigen PKW-Treibstoffgemisch zugefügt werden, oder auch als ED95, mit 95 Prozent Ethanol, im Schwerlastverkehr als Dieselersatz eingesetzt werden.
Hergestellt wird dieser Alkohol in der Regel durch Fermentation von Zuckern aus stärkehaltigen Rohstoffen wie Mais oder aus lignozellulosehaltiger Biomasse wie Holz oder Stroh. Damit solche synthetischen Kraftstoffe aber möglichst umweltfreundlich sind, sollten als Biomassequelle möglichst Abfallstoffe verwendet werden. Denn baut man eigens dafür Energiepflanzen an, tritt dies in Konkurrenz zur Nahrungsproduktion und fördert zudem die intensive Landwirtschaft.
Vom Holz zum Ethanol
Forscher um Kristian Melin von der Technischen Universität Lappeenranta-Lahti (LUT) in Finnland und der Technischen Universität München haben deshalb nach Verfahren gesucht, mit der Abfälle aus der Forstwirtschaft möglichst nachhaltig und effizient zur Ethanolproduktion eingesetzt werden können. Ihre Lösung: Die Holzreste werden zunächst zu Synthesegas gemacht und daraus chemisch Methanol hergestellt. Dann wird das Methanol in Essigsäure umgewandelt und mittels Einleitung von Wasserstoff zu Ethanol umgesetzt.
„Der Gesamtprozess besteht überwiegend aus technisch ausgereiften Teilprozessen”, erklärt Co-Autor Daniel Klüh von der TU München. “Die Zusammensetzung der Prozessschritte und der finale Schritt, die Hydrierung von Essigsäure zur Ethanolgewinnung, sind allerdings neu.” Der Clou dabei: Der dafür nötige Wasserstoff stammt aus der Elektrolyse – der Zerlegung von Wasser mithilfe von Strom aus erneuerbaren Energien. Dies bietet die Möglichkeit, künftig Stromüberschüsse aus Sonne und Wind sinnvoll zu nutzen und spart fossile Energien für den Prozess ein.
Ausbeute höher als bei gängiger Fermentation
In ihrer Studie haben die Forscher auf Basis erster Tests ausgerechnet, dass dieses Verfahren zur Ethanolherstellung von seinen Kosten her nicht teurer ist als gängige Verfahren. Dafür ist jedoch die Ausbeute im Vergleich zu fermentationsbasierten Prozessen auf Basis von Stroh oder Holz deutlich höher: Aus einer Tonne trockener Biomasse können mit dem neuen Prozess zwischen 1350 und 1410 Liter Ethanol hergestellt werden. Mit den fermentationsbasierten Prozessen können aus einer Tonne trockener Biomasse hingegen nur zwischen 200 bis 300 Liter Ethanol erzeugt werden, wie das Team erklärt.
Besonders günstig und sinnvoll könnte dieses Verfahren der Ethanolproduktion überall dort sein, wo viel Holzreste anfallen: „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 Co-Autor Tuomas Koiranen von der LUT. „Länder wie Deutschland haben dafür in Zukunft hoffentlich einen grünen Strommix und können im eigenen Land die Hydrierung der Essigsäure zu Ethanol durchführen. Allerdings hat Deutschland nicht das Restholzpotential für eine großskalige Biomassevergasung zur Synthese von Essigsäure“, ergänzt Matthias Gaderer von der TU München.
Insgesamt kommt das Forschungsteam zu dem Schluss, dass ihr Prozess der Ethanolherstellung prinzipiell wettbewerbsfähig ist. Für die Kommerzialisierung muss die Technologie aber noch optimiert werden. “Nächste Schritte wären beispielsweise weitere Katalysatorentwicklungen, ein Reaktordesign und der Bau sowie Betrieb einer Pilotanlage“, erklärt Gaderer.
Quelle: Technische Universität München; Fachartikel: Frontiers in Energy Research, doi: 10.3389/fenrg.2022.796104
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