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High-Tech-Materialien aus Pflanzenabfällen

Kohle und Erdöl gehen irgendwann zur Neige. Eine unerschöpfliche Alternative könnten Pflanzenabfälle sein, die in hochwertige Kohlenstoff-Materialien umgewandelt werden. Das von der EU geförderte Projektes GreenCarbon untersucht Verfahren, um aus Biomasse solche Produkte zu erzeugen.

„Pflanzen bauen chemische Strukturen auf, die Menschen als Ersatz für erdölbasierte Produkte nutzen können“, erklärt Prof. Dr. Andrea Kruse von der Universität Hohenheim in Stuttgart. Durch komplexe Verkohlungsprozesse, die Karbonisierung, kann man unterschiedlichste Biomassen zu Kohlenstoffmaterialien umwandeln.

Pyrolyse …

Für trockene Biomassen mit nicht mehr als 10 % Wassergehalt, wie Heu, Holz oder Stroh, kann dabei das Pyrolyse-Verfahren eingesetzt werden, bei dem das Ausgangsmaterial unter Sauerstoffabschluss und hohen Temperaturen verkohlt wird, ähnlich wie in einem Holzkohlemeiler.

… oder hydrothermale Karbonisierung

Feuchte Biomassen dagegen, die zu 80 – 90 % aus Wasser bestehen, werden in der so genannten hydrothermalen Karbonisierung (HTC) in einen kohlenstoffhaltigen Feststoff umgewandelt. Bei Temperaturen zwischen 180 und 250 °C unter leicht erhöhtem Druck, vergleichbar einem Schnellkochtopf, entstehen dabei Kohlenstoffnanostrukturen, die technologisch sehr interessante Eigenschaften aufweisen können.

Mögliche Anwendungen

Anwendungsmöglichkeiten solcher Hydrokohlen sind z. B. Aktivkohlen zur Reinigung von Luft, Gasen oder (Ab-)Wasser, Speichermedien für Wasserstoff, Elektrodenmaterialien für Batterien und Brennstoffzellen oder Superkondensatoren, wie sie unter anderem für die Herstellung von E-Autos benötigt werden.

Alternative für Resthölzer

Um Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion zu vermeiden, setzt Prof. Dr. Kruse bevorzugt auf Ausgangsmaterialien, die in der Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion als Nebenprodukte oder Abfall anfallen. In der Forst- und Holzwirtschaft wären das Resthölzer aus dem Wald oder der Holzindustrie.

Forschungsbedarf

Bisher sind die chemischen Prozesse der Verfahren und ihr Einfluss auf die Produkteigenschaften nicht genau bekannt. Die zielgerichtete Herstellung von Materialien mit definierten Eigenschaften ist daher schwierig, wenn nicht unmöglich. Deswegen untersucht das Team nicht nur, welchen Einfluss welche Stellgröße auf das Endergebnis hat, sondern hat auch ein neuartiges kaskadiertes HTC-Verfahren mit anschließender Pyrolyse entwickelt.

Gerade bei der HTC zeigte sich, dass der Prozess so gesteuert werden kann, dass die verwendete Biomasse praktisch keinen Einfluss auf das Endprodukt hat. „Trotz großer Unterschiede im Ausgangsmaterial entstehen bei der HTC immer ähnliche Spektren an Endsubstanzen,“ freut sich Prof. Dr. Kruse. Damit ist das Verfahren nicht auf eine Quelle beschränkt, sondern es können viele verschiedene Ausgangsmaterialien verwendet werden. Noch bessere Ergebnisse werden erreicht, wenn die Hydrokohle anschließend auch noch einer Pyrolyse unterzogen wird.

Projekt GreenCarbon

Der internationale Forschungsverbund GreenCarbon beschäftigt sich mit der Frage, wie moderne, hoch entwickelte Materialien aus Bioabfällen hergestellt werden können. Unter der Leitung der Universität von Saragossa untersuchen acht Forschungsinstitute und sieben Industriepartner alle Aspekte der Herstellung von maßgeschneiderten Kohlenstoffmaterialien, angefangen beim Ausgangsmaterial über dessen Verarbeitung bis hin zu seinen Anwendungsmöglichkeiten. Die gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnisse und Technologien sollen es ermöglichen, kommerzielle Produkte auf Kohlenstoff-Basis zu entwickeln, die z. B. als Energiespeicher, als Bodenverstärker oder als CO2-Abscheider eingesetzt werden können.

Projektbeginn war der der 1. Oktober 2016, Projektende für das Gesamtprojekt ist der 30. September 2020. Die Arbeiten in Hohenheim wurden bereits zum 30. April 2020 abgeschlossen.

Die Europäische Union finanziert GreenCarbon über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen im Rahmenprogramm für Forschung und Innovation „Horizont 2020“ mit insgesamt über 3,5 Mio. Euro. Mit rund 500.000 Euro für die Universität Hohenheim gehört GreenCarbon dort zu einem der Schwergewichte der Forschung.

Uni Hohenheim/Red.

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