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Die Versorgung mit Energieträgern und chemischen Rohstoffen für die Industrie ist eines der zentralen Themen moderner Gesellschaften. Fossile Ressourcen werden auf absehbare Zeit zur Neige gehen – manche innerhalb der nächsten Generationen, andere innerhalb der nächsten Jahrhunderte.
Unabhängig davon, wann die Verknappung ihren Höhepunkt erreichen wird, belasten die Klimaauswirkungen des Erdölzeitalters schon heute die Menschen. Ein Umdenken ist also dringend erforderlich, doch woher kommen die Rohstoffkapazitäten der Zukunft? Und welche Technologien machen mit Blick auf ihre Marktreife das Rennen? Worauf sollten Unternehmen heute schon setzen, um in Zukunft gut aufgestellt zu sein?
01.02.2015, Dr. Thomas Aicher und Dr. Christian Müller / KIC InnoEnergy Germany

Das Problem ist einfach zu formulieren: Die fossilen Ressourcen und Reserven werden immer knapper. Die Klimaauswirkungen, die ihr Einsatz mit sich bringt, werden jedoch in der Gegenwart bereits immer deutlicher spürbar. Daher wird neben der Energie- und Rohstoffeinsparung, dem Rohstoffrecycling und der Effizienzsteigerung der Energie- und Stoffumwandlungsprozesse der verstärkte Einsatz erneuerbarer Energien (EE), biogener Rohstoffe (Biomasse) und daraus gewonnener chemischer Stoffe immer bedeutender.

Einen Überblick über die „prinzipiellen“ Routen (Umwandlungsprozesse), auf denen aus fossilen und biogenen Roh- und Abfallstoffen Energieträger (energetische Verwertung) oder Moleküle (Einsatzstoffe für die chemische Industrie) hergestellt werden können, gibt Abbildung 1.

Um von den Rohstoffen zu den Energieträgern und Chemikalien zu gelangen, müssen alle diese Ausgangsstoffe mehr oder weniger aufwendigen Umwandlungsprozessen unterzogen werden, zum Teil auch mehrere Schritte hintereinander. Die Energieträger und chemischen Grundstoffe können dann gelagert, transportiert und vermarktet werden. Es ist leicht ersichtlich, dass eine große Zahl an Bereitstellungsrouten existiert, die in Abbildung 1 nur stark vereinfacht wiedergegeben ist. Für viele dieser Rohstoffe werden derzeit weltweit Konversionstechnologien entwickelt und kommerzialisiert. KIC InnoEnergy investiert in die Entwicklung zur Marktreife und Kommerzialisierung innovativer Technologien, die auf der Erzeugung von Energieträgern und Grundchemikalien aus Biomasse, fossilen Rohstoffen und Wasserstoff basieren. Ziel ist die kommerzielle Nutzung dieser Technologien innerhalb der nächsten fünf Jahre. Basis für die folgenden Einschätzungen ist die unternehmenseigene Technologie-Roadmap, die in Zusammenarbeit mit führenden Marktteilnehmern aus Europa entwickelt wurde und die Grundlage für die eigenen Investitionen bildet.

Im Folgenden werden die Routen herausgegriffen, die schon nahe vor der Kommerzialisierung stehen. Eine erste Gruppe von Routen lässt sich unter dem Oberbegriff Kraft-Wärme-Kopplung mit stofflichen Ausgangsstoffen zusammenfassen. Eine zweite umfasst die stoffliche Nutzung von Biomasse zur Gewinnung von Biokraftstoffen und Chemikalien für die Industrie. Und schließlich wird noch die Gewinnung von Wasserstoff durch Wasserelektrolyse unter Einsatz von (regenerativ erzeugtem) Strom betrachtet.

Abbildung 1: Überblick über prinzipielle Routen

Route 1: Kraft-Wärme-Kopplung mit biogenen Ausgangsstoffen

In der ersten Gruppe der Routen stehen viele Varianten bereits nahe vor der Kommerzialisierung. Die Renewable Heating and Cooling European Technology Platform (RHC) hat in ihrer Technologie-Roadmap diese Routen eingehend betrachtet und Vorhersagen zur technologischen Reife bis zum Jahr 2020 gegeben. Sie stimmt in den wesentlichen Punkten mit der KIC-Technologie- Roadmap überein. Zur Übersicht sind in Abbildung 2 (Seite 36) die betrachteten Routen grafisch dargestellt. Hier gibt es wiederum drei Untereinheiten:

1. Biogene Rohstoffe wie Stroh, Holz, Energiepflanzen, Klärschlamm, Bioabfälle, ausgelaugte Algenbiomasse oder andere biogene Reststoffe aus der Wirkstoffproduktion werden durch Verfahren („upgrading conversion“) wie die Torrefizierung, langsame Pyrolyse und hydrothermale Karbonisierung thermochemisch vorbehandelt. Dabei entsteht hauptsächlich Biokohle. Diese muss zum Teil noch in eine Form gebracht werden, die die Handhabung, die Lagerung und den Transport erleichtert. Eine Möglichkeit ist das Pelletieren. Für diese Pfade sagt das RHC voraus, dass die zugehörigen Umwandlungstechnologien bis zum Jahr 2020 noch im Demonstrationsstadium sind. Auch das Mitverbrennen in konventionellen Feuerungen befindet sich noch im Demostadium. Eine interessante stoffliche Nutzung der Biokohle ist ihr Einsatz zur Bodenverbesserung (Terra Preta). Hier gibt es bereits erfolgreiche kommerzielle Ansätze.

2. Ein weiterer Energieträger, der aus den genannten Biomasserohstoffen gewonnen werden kann, ist Pyrolyseöl. Dieses Öl entsteht als Hauptprodukt bei der schnellen Pyrolyse, muss jedoch noch aufgearbeitet werden, bevor es gelagert und in Verbrennungsmaschinen genutzt werden kann. Die Technologien hinter dieser Route könnten das Demonstrationsstadium laut RHC bis zum Jahr 2020 abgeschlossen haben.

3. Eine dritte Route ist die Gewinnung von Biogas aus Maissilage, Grünschnitt, Klärschlamm, Algenresten und Biomasseabfallstoffen durch Vergärung. Diese Route ist schon lange marktreif. In Deutschland stieg die Anzahl der Anlagen auf mittlerweile über 7.500. Das Upgrading des Biogases zu synthetischem Erdgas (SNG) ist bereits marktreif, wie die vielen Anbieter kommerzieller Anlagen belegen.

Abbildung 2: Kraft-Wärme-Kopplung mit biogenen Ausgangsstoffen

Grafische Darstellung der Routen zur Bereitstellung biogener Rohstoffe zur Erzeugung von Strom und Wärme (KWK), die innerhalb der nächsten fünf Jahre kommerzialisiert werden könnten.

Route 2: Stoffliche Biomassenutzung und Biokraftstoffe

Eine zweite Gruppe von Routen, die in absehbarer Zeit kommerziell verfügbar sein werden, umfasst die stoffliche Nutzung von Biomasse und biogenen Abfallstoffen (wie z. B. Lignin) zur Herstellung von Biokraftstoffen, Ethanol, Wasserstoff, SNG und chemischen Grundstoffen (Chemikalien) wie Aromaten, Furfurale und organischen Säuren, Alkoholen und C5-/C6-Zuckern. Diese Substanzen können auf verschiedenen Routen gewonnen werden, wobei die Wahl der Route stark von der Ausgangsbiomasse abhängt. Abbildung 3 (Seite 36) gibt einen groben Überblick über die betrachteten Routen.

1. Trockene Biomasse wie Stroh, Holz, Biokohle aus der langsamen Pyrolyse oder hydrothermalen Karbonisierung (HTC) eignet sich für die thermochemische Umwandlung wie z. B. die Vergasung. Das dabei entstehende Synthesegas kann nun direkt einer energetischen Verwertung zugeführt werden oder es kann stofflich genutzt werden, wie in der chemischen Industrie weit verbreitet. Interessante Produkte dabei sind Fischer-Tropsch-Kraftstoffe, Methanol oder Dimethylether (DME). Die Verfahren dazu befinden sich noch in der Demonstrationsphase (siehe stellvertretend das Karlsruher „bioliq-Verfahren“) oder noch im Stadium der Forschung und Entwicklung, siehe z. B. die Arbeiten zur kleinskaligen Fischer-Tropsch- Synthese. Eine Prognose, ab wann diese Verfahren marktreif sein werden, ist schwierig. Selbst wenn die Marktreife gegeben sein sollte, ist bei den derzeitigen Preisen für die konventionellen fossilen Rohstoffe und den Kosten für die Biomasseausgangsstoffe die Wirtschaftlichkeit solcher Ansätze nicht unmittelbar gegeben.

Abbildung 3: Stoffliche Biomassenutzung und Biokraftstoffe

2. Zucker- und stärkehaltige Pflanzen werden schon seit langer Zeit durch Fermentation in Ethanol vergoren. Der entstehende Alkohol wird als Lösungsmittel in der chemischen Industrie und als Kraftstoff genutzt. Da dieser Weg auf Nahrungsmittel als Ausgangsbiomasse zurückgreift, werden weltweit viele Anstrengungen unternommen, auch lignozellulosehaltige Biomasse durch Fermentation aufzuschließen und in Ethanol oder andere flüssige Energieträger umzuwandeln. Viele Verfahren hierzu befinden sich in der Demonstrationsphase, erste jedoch schon im Stadium der kommerziellen Anwendung.

3. Die Nutzung von Ölsaaten zur Produktion von Kraftstoffen durch Auspressen und anschließende Aufbereitung ist seit einigen Jahren Stand der Technik. Der Wirkungsgrad dieser Route zur Gewinnung von Biokraftstoffen ist groß, wenn die entstehenden Nebenprodukte, wie z. B. der Presskuchen, ebenfalls genutzt werden.

4. Viel diskutiert wird seit einiger Zeit die energetische Nutzung von Algenbiomasse, konkret die Erzeugung von Kraftstoffen aus Algen. Diese Route ist zurzeit jedoch mit vielen Vorbehalten behaftet, weil es viele Autoren gibt, die für die Erzeugung von Kohlenwasserstoffen aus Algen eine negative Energiebilanz angeben. Diese Aussagen werden jedoch in der wissenschaftlichen Community kontrovers diskutiert. Auch der hydrothermale Aufschluss von Biomasse via Hydrolyse wird seit vielen Jahren erforscht. Diese Verfahren zerlegen die Biomasse-Polymere nicht in ihre kleinsten Bausteine wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid und -dioxid, sondern erhalten die Biomassemonomere, wie organische Säuren, Furfurale und Aromaten. Viele dieser Ansätze sind noch im Stadium der Entwicklung, doch gibt es erste Verfahren, die bereits kommerzialisiert werden.

Route 3: Wasserstoff aus erneuerbarem Strom

wodurch er zu einem saisonalen Speichermedium für große Energiemengen wird. Erste Demoprojekte dazu laufen, dennoch dürfte die Kommerzialisierung noch viele Jahre auf sich warten lassen. Der Grund: Die Elektrolyseure in den erforderlichen Größenklassen sind noch nicht marktreif und zudem sehr teuer (Größenordnung 1.000 Euro pro kWel).

Wasserstoff aus Biomasse zu gewinnen ist ebenfalls möglich, jedoch gibt es Autoren, die vorschlagen, aus Biomasse ohne den Umweg über Wasserstoff direkt Fischer-Tropsch-Kraftstoffe zu gewinnen

„Die Nutzung von Ölsaaten zur Produktion von Kraftstoffen durch Auspressen und anschließende Aufbereitung ist seit einigen Jahren Stand der Technik.“

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Dieser Beitrag ist im Februar 2015 im Printmagazin perspectives #2 erschienen. Die vollständige Ausgabe erhalten Sie hier.

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