Holz ist ein uralter natürlicher Rohstoff, der Menschen von jeher Licht und Wärme spendet und als Baumaterial unverzichtbar ist. Auf dem Weg zu einer biobasierten Wirtschaft gewinnt Holz auch für andere Branchen zunehmend an Bedeutung. Die chemische Industrie will aus der nachwachsenden Ressource Plattformchemikalien gewinnen. Auch für die Energiewirtschaft ist das Potenzial von Holz noch nicht ausgeschöpft. Zum Beispiel, wenn es darum geht, daraus Strom und Wärme auf nachhaltige Weise zu erzeugen.
Buchenholz als Biomasse optimal nutzen
Die nachhaltige Nutzung von Biomasse aus Holz zur Herstellung von Plattformchemikalien für die grüne Chemie und zur Energieerzeugung ist ein Schwerpunkt des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Spitzenclusters „BioEconomy“. Im Teilprojekt „Energetische Nutzung und Optimierung im Gesamtzusammenhang der Kaskadennutzung“, das vom Deutschen Biomasseforschungszentrum (DBFZ) geleitet wurde, ist es den Experten erstmals gelungen, die anfallenden Reststoffströme aus einer Buchenholz-Bioraffinerie optimal energetisch als auch den eingesetzten Rohstoff vollständig in Koppelproduktion zu nutzen. Das Vorhaben wurde von 2012 bis 2015 vom BMBF mit rund 370.000 Euro unterstützt.
Biogas und Pellets aus Bioraffinerie-Reststoffströmen
Im Projekt ging es zum einen um die Nutzung flüssiger und pastöser Nebenströme aus dem Abwasser zur Erzeugung von Biogas. Zum anderen ging es um die Herstellung von Pellets als Festbrennstoff aus den festen ligninhaltigen Reststoffströmen. Die Forscher konzentrierten sich dabei auf Reststoffe, die bei der auf Buchenholz spezialisierten Bioraffinerie-Anlage am Fraunhofer CBP in Leuna entstehen. Hier wird die Biomasse zur Herstellung neuer Plattformchemikalien mithilfe einer neuartigen Methode, dem Organosolv-Verfahren, aufgeschlossen. „Dabei fallen viele flüssige Reststoffe an, die einen hohen Wassergehalt aufweisen und sich prinzipiell für die Erzeugung von Biomethan mit anaeroben Gärungsverfahren eignen. Dagegen wurden feste, ligninhaltige Reststoffe für die Pelletherstellung genutzt, da sie im Biogasprozess nicht verwertet werden können. Dafür fehlt die Technologie“, erklärt Romann Glowacki, der das Projekt am DBFZ koordinierte.
Kontinuierliche Gärversuche im Labormaßstab
Neue Plattformchemikalien für die grüne Chemie
Das neuartige Aufschlussverfahren, das vom Fraunhofer-Zentrum für Chemisch- Biotechnologische Prozesse (CBP) entwickelt wurde, wird in Leuna in der Bioraffinerieanlage genutzt, um Holz mithilfe organischer Lösungsmittel wie Ethanol in seine einzelnen Grundbausteine Lignin, Cellulose und Hemicellulose zu zerlegen und daraus Plattformchemikalien für die Chemie herzustellen. „Wir haben versucht, Prozesse für Bioraffinerien zu entwickeln, die in Koppelproduktion sowohl Chemikalien als auch Energieträger oder Prozessenergie bereitstellen, sodass am Ende alles verwertet wird und kein Reststoff mehr übrig bleibt“, sagt Glowacki.
Um das so genannte „Zero-Waste“-Ziel zu erreichen, entwickelte das Team eigens neue Biogasprozesse, deren Prozessparameter so abgestimmt sind, dass die zuckerhaltigen Reststoffe aus Cellulose und Hemicellulose energetisch optimal umgesetzt werden können. „Wir haben untersucht, welches Biogaspotenzial in den Reststoffen steckt und kontinuierliche Gärtests durchgeführt, um kritische Prozessparameter zu identifizieren, wie etwa, ob ausreichend Spurenelemente vorhanden sind, die Mikroorganismen zur Biogaserzeugung benötigen“, erläutert Glowacki.
Mikroben bevorzugen "Mischkost"
Dabei zeigte sich: Die zur Biogaserzeugung eingesetzten Mikroorganismen können ohne zusätzliche Spurenelemente die einseitige Holz-Kost nur schwer verdauen. Denn Mikroben ziehen Mischkost vor, wie sie in herkömmlichen Biogasanlagen eingesetzt wird. „Aber sie können an die holzige Nahrung gewöhnt werden und passen sich entsprechend an“, wie Glowacki sagt. „Das ist eine wichtige Erkenntnis. Wir wissen jetzt, welche Prozessparameter und Hilfsstoffe nötig sind, damit man optimale Gaserträge bekommt und Energie aus diesen neuartigen Substraten über Biogasprozesse bereitstellen kann.“
Auch die bisher nicht nutzbaren Lignin-Reststoffe, das sogenannte Hydrolyse-Lignin, konnte zu energiehaltigen und besonders formstabilen Brennstoffpellets verarbeitet werden. „Aus dem Ligninrest kann ein hochwertiger Pelletbrennstoff erzeugt werden, der gut verbrennt, eine höhere Energiedichte hat und auch im Pressvorgang eine bessere Performance hat“, sagt der Projektkoordinator. Darüber hinaus könnte das Lignin in Pulverform auch als biogener Brennstoff als Zusatz in Kohlekraftwerken eingesetzt werden und so den CO2-Ausstoß minimieren. Das Energieunternehmen Vattenfall New Energy, das zeitweise am Projekt beteiligt war, hatte den Einsatz des Ligninpulvers in Kohlekraftwerken simuliert.
Auf dem Weg zur klimaneutralen Bioraffinerie
Den Forschern vom DBFZ ist es nicht nur gelungen, völlig neue Reststoffströme wie das Hydrolyse-Lignin zur Energiebereitstellung nutzbar zu machen. Sie haben damit auch bewiesen, dass eine vollständige Verwertung der Biomasse Holz möglich und der Rohstoffkreislauf bei der Herstellung neuer Plattformchemikalien geschlossen werden kann. „Wir haben gelernt, wie man stoffliche und energetische Prozesse optimal verkoppeln kann. Wenn das Organosolv-Verfahren in großem Maßstab umgesetzt wird, können wir unsere Prozesse hochskalieren und dann eine klimaneutral arbeitende Bioraffinerie abbilden“, resümiert Romann Glowacki.
Autorin: Beatrix Boldt
