20.04.2021 - Lawrence Berkeley National Laboratory

Vom verrauchten Himmel zum grünen Horizont: Wissenschaftler wandeln brandgefährliche Holzabfälle in Biokraftstoff um

Ein vereinfachtes neues Verfahren verwandelt Holzabfälle aus der Land- und Forstwirtschaft in Ethanol

Die Abhängigkeit von Erdölkraftstoffen und wütende Waldbrände: Zwei separate, groß angelegte Herausforderungen, die durch einen wissenschaftlichen Durchbruch gelöst werden könnten.

Teams des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der Sandia National Laboratories haben gemeinsam ein schlankes und effizientes Verfahren zur Umwandlung von holzigem Pflanzenmaterial wie Waldüberwuchs und landwirtschaftlichen Abfällen - Material, das derzeit entweder absichtlich oder unabsichtlich verbrannt wird - in flüssigen Biokraftstoff entwickelt. Ihre Forschung wurde kürzlich in der Zeitschrift ACS Sustainable Chemistry & Engineering veröffentlicht.

"Einem aktuellen Bericht zufolge werden bis 2050 jährlich 38 Millionen Tonnen trockener holziger Biomasse zur Verfügung stehen, was sie zu einer außerordentlich reichhaltigen Kohlenstoffquelle für die Biokraftstoffproduktion macht", sagte Carolina Barcelos, eine leitende Prozessingenieurin in der Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit (ABPDU) des Berkeley Lab.

Bemühungen, holzige Biomasse in Biokraftstoff umzuwandeln, werden jedoch in der Regel durch die intrinsischen Eigenschaften von Holz behindert, die es sehr schwierig machen, es chemisch abzubauen, fügte der ABPDU-Forscher Eric Sundstrom hinzu. "Unsere beiden Studien zeigen einen kostengünstigen Weg zur Umwandlung von Biomasse auf, die sonst auf dem Feld oder in Schredderhaufen verbrannt würde oder das Risiko und die Schwere saisonaler Waldbrände erhöhen würde. Wir haben die Möglichkeit, diese erneuerbaren Kohlenstoffquellen von Luftverschmutzung und Brandgefahr in einen nachhaltigen Brennstoff zu verwandeln."

In einer von Barcelos und Sundstrom geleiteten Studie verwendeten die Wissenschaftler ungiftige Chemikalien, handelsübliche Enzyme und einen speziell entwickelten Hefestamm, um Holz in einem einzigen Reaktor in Ethanol umzuwandeln. Eine anschließende technologische und ökonomische Analyse half dem Team, die notwendigen Verbesserungen zu identifizieren, die erforderlich sind, um über diesen Umwandlungsweg eine Ethanolproduktion zu einem Preis von $3 pro Benzin-Gallonen-Äquivalent (GGE) zu erreichen. Die Arbeit ist der erste End-to-End-Prozess für die Ethanolproduktion aus holzartiger Biomasse, der sowohl eine hohe Umwandlungseffizienz als auch eine einfache Ein-Topf-Konfiguration aufweist. (Wie jeder Koch weiß, sind Ein-Topf-Rezepte immer einfacher als solche, die mehrere Töpfe benötigen, und in diesem Fall bedeutet dies auch einen geringeren Wasser- und Energieverbrauch).

In einer ergänzenden Studie unter der Leitung von John Gladden und Lalitendu Das am Joint BioEnergy Institute (JBEI) hat ein Team das Ein-Topf-Verfahren so optimiert, dass es holzige Biomasse aus Kalifornien - wie z. B. Kiefern-, Mandel-, Walnuss- und Tannenbaumreste - mit der gleichen Effizienz umwandeln kann wie bestehende Verfahren zur Umwandlung von krautiger Biomasse, selbst wenn der Input eine Mischung aus verschiedenen Holzarten ist.

"Wenn wir holzige Biomasse aus Wäldern, wie den überwucherten Kiefern der Sierra, und aus landwirtschaftlichen Gebieten, wie den Mandelplantagen im kalifornischen Central Valley, entfernen, können wir mehrere Probleme auf einmal angehen: katastrophale Waldbrände in feuergefährdeten Bundesstaaten, Gefahren für die Luftverschmutzung durch das kontrollierte Verbrennen von Ernterückständen und unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen", sagt Das, ein Postdoktorand am JBEI und Sandia. "Darüber hinaus würden wir die Menge an Kohlenstoff, die in die Atmosphäre gelangt, deutlich reduzieren und neue Arbeitsplätze in der Bioenergie-Industrie schaffen."

Ethanol wird bereits als emissionsreduzierender Zusatz in herkömmlichem Benzin verwendet und macht typischerweise etwa 10 % des Benzins aus, das wir in unsere Autos und Lastwagen pumpen. Einige Spezialfahrzeuge sind für den Betrieb mit Kraftstoff mit höherer Ethanol-Zusammensetzung von bis zu 83 % ausgelegt. Darüber hinaus kann das aus pflanzlicher Biomasse gewonnene Ethanol als Zutat für die Herstellung komplexerer Diesel- und Düsenkraftstoffe verwendet werden, die zur Dekarbonisierung des schwer zu elektrifizierenden Flug- und Frachtverkehrs beitragen. Derzeit ist die gängigste Quelle für biobasiertes Ethanol Maiskörner - ein stärkehaltiges Material, das chemisch viel einfacher aufzuspalten ist, aber Land, Wasser und andere Ressourcen für die Produktion benötigt.

Diese Studien deuten darauf hin, dass holzartige Biomasse effizient aufgespalten und in einem integrierten Prozess in fortschrittliche Biokraftstoffe umgewandelt werden kann, die mit Maisethanol auf Stärkebasis kostenmäßig konkurrenzfähig sind. Diese Technologien können auch zur Herstellung von "Drop-in"-Biokraftstoffen verwendet werden, die chemisch identisch mit den bereits in Benzin und Diesel vorhandenen Verbindungen sind.

Die nächsten Schritte in diesem Projekt sind die Entwicklung, das Design und der Einsatz der Technologie im Pilotmaßstab, d.h. ein Prozess, der eine Tonne Biomasse pro Tag umwandelt. Die Teams des Berkeley Labs arbeiten mit Aemetis zusammen, einem Unternehmen für fortschrittliche erneuerbare Kraftstoffe und Biochemikalien mit Sitz in der Bay Area, um die Technologie zu kommerzialisieren und in größerem Maßstab einzuführen, sobald die Pilotphase abgeschlossen ist.

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