Kostengünstige, kohlenstoffneutrale Biokraftstoffe sind endlich möglich
Innovative Biomasse-Vorbehandlungstechnologie sieht neben einer besseren Ligninverwertung auch die Produktion von erneuerbaren Chemikalien vor
Wenn es um die Herstellung von Kraftstoff aus Pflanzen geht, war der erste Schritt immer der schwierigste - die Aufspaltung des Pflanzenmaterials. Eine neue Studie zeigt, dass die Einführung einer einfachen, erneuerbaren Chemikalie in den Vorbehandlungsschritt die Biokraftstoffproduktion der nächsten Generation endlich sowohl kosteneffizient als auch kohlenstoffneutral machen kann.
Charles Cai, Associate Research Professor an der UC Riverside, ist der Erfinder von CELF, einer Technologie zur Vorbehandlung von Biomasse, die Biokraftstoffe der nächsten Generation wettbewerbsfähig mit Erdöl machen könnte.
Stan Lim / UCR
Damit Biokraftstoffe mit Erdöl konkurrieren können, müssen Bioraffinerien so konzipiert sein, dass sie Lignin besser nutzen können. Lignin ist einer der Hauptbestandteile der pflanzlichen Zellwände. Es verleiht den Pflanzen eine größere strukturelle Integrität und Widerstandsfähigkeit gegenüber mikrobiellen Angriffen. Diese natürlichen Eigenschaften von Lignin machen es jedoch auch schwierig, es aus dem Pflanzenmaterial, auch Biomasse genannt, zu extrahieren und zu verwerten.
"Die Verwertung von Lignin ist das Tor zu einer möglichst wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Nutzung von Biomasse", sagt Charles Cai, Associate Research Professor an der UC Riverside. "Die Entwicklung eines Prozesses, der sowohl das Lignin als auch die in der Biomasse enthaltenen Zucker besser nutzen kann, ist eine der spannendsten technischen Herausforderungen in diesem Bereich."
Um die Ligninhürde zu überwinden, erfand Cai das CELF-Verfahren, das für Co-Solvent Enhanced Lignocellulosic Fractionation steht. Es handelt sich dabei um eine innovative Technologie zur Vorbehandlung von Biomasse.
"CELF verwendet Tetrahydrofuran oder THF, um Wasser und verdünnte Säure während der Biomasse-Vorbehandlung zu ergänzen. Es verbessert die Gesamteffizienz und ermöglicht eine zusätzliche Ligninextraktion", so Cai. "Das Beste von allem ist, dass THF selbst aus Biomassezucker hergestellt werden kann.
In einer wegweisenden Veröffentlichung in Energy & Environmental Science wird detailliert dargelegt, inwieweit eine CELF-Bioraffinerie wirtschaftliche und ökologische Vorteile gegenüber erdölbasierten Kraftstoffen und früheren Methoden zur Herstellung von Biokraftstoffen bietet.
Das Papier ist eine Zusammenarbeit zwischen Cais Forschungsteam an der UCR, dem Center for Bioenergy Innovation, das von den Oak Ridge National Laboratories verwaltet wird, und dem National Renewable Energy Laboratory, mit finanzieller Unterstützung des U.S. Department of Energy's Office of Science. Dabei berücksichtigen die Forscher zwei Hauptvariablen: welche Art von Biomasse am besten geeignet ist und was mit dem Lignin geschehen soll, nachdem es extrahiert wurde.
Bei Biokraftstoffen der ersten Generation werden Nahrungspflanzen wie Mais, Soja und Zuckerrohr als Rohstoffe verwendet. Da diese Rohstoffe Land und Wasser von der Nahrungsmittelproduktion abziehen, ist ihre Verwendung für Biokraftstoffe nicht ideal.
Bei den Verfahren der zweiten Generation wird nicht essbare pflanzliche Biomasse als Ausgangsmaterial verwendet. Ein Beispiel für Biomasse-Rohstoffe sind Holzreste aus der Müllerei, Zuckerrohr-Bagasse oder Maisstroh, die allesamt reichlich und kostengünstig als Nebenprodukte der Forst- und Landwirtschaft anfallen.
Nach Angaben des Energieministeriums könnten allein in den USA jährlich bis zu einer Milliarde Tonnen Biomasse für die Herstellung von Biokraftstoffen und Bioprodukten zur Verfügung gestellt werden, wodurch 30 % unseres Erdölverbrauchs ersetzt werden könnten und gleichzeitig neue Arbeitsplätze im Land geschaffen würden.
Da eine CELF-Bioraffinerie Pflanzenmaterial umfassender nutzen kann als frühere Verfahren der zweiten Generation, haben die Forscher festgestellt, dass ein schwereres, dichteres Ausgangsmaterial wie Hartholzpappel dem weniger kohlenstoffreichen Maisstroh vorzuziehen ist, um größere wirtschaftliche und ökologische Vorteile zu erzielen.
Durch die Verwendung von Pappel in einer CELF-Bioraffinerie konnten die Forscher nachweisen, dass nachhaltiger Flugkraftstoff zu einem kostendeckenden Preis von nur 3,15 Dollar pro Liter Benzinäquivalent hergestellt werden kann. Derzeit kostet eine Gallone Flugzeugtreibstoff in den USA durchschnittlich 5,96 Dollar.
Die US-Regierung vergibt Gutschriften für die Biokraftstoffproduktion in Form von Gutschriften für erneuerbare Energien (Renewable Identification Numbers), eine Subvention, die die heimische Biokraftstoffproduktion fördern soll. Die Stufe dieser Gutschriften, die für Biokraftstoffe der zweiten Generation ausgegeben werden, die D3-Stufe, wird in der Regel zu einem Preis von 1 $ pro Gallone oder mehr gehandelt. Bei diesem Preis pro Gutschrift kann man dem Papier zufolge eine Rendite von über 20 % erwarten.
"Wenn man etwas mehr für einen kohlenstoffreicheren Rohstoff wie Pappel ausgibt, hat man immer noch einen größeren wirtschaftlichen Nutzen als bei einem billigeren Rohstoff wie Maisstroh, weil man daraus mehr Kraftstoff und Chemikalien herstellen kann", so Cai.
Das Papier veranschaulicht auch, wie die Nutzung von Lignin einen positiven Beitrag zur Gesamtwirtschaftlichkeit der Bioraffinerie leisten kann, während der Kohlenstoff-Fußabdruck so gering wie möglich gehalten wird. In älteren Bioraffineriemodellen, bei denen die Biomasse in Wasser und Säure gekocht wird, ist das Lignin meist nur für den Heizwert nutzbar.
"Bei den älteren Modellen wurde das Lignin verbrannt, um Wärme und Energie für diese Bioraffinerien zu ergänzen, da sie meist nur den Zucker in der Biomasse nutzen konnten - ein kostspieliges Unterfangen, bei dem viel Wert verloren geht", so Cai.
Neben der besseren Nutzung von Lignin sieht das CELF-Bioraffineriemodell auch die Herstellung erneuerbarer Chemikalien vor. Diese Chemikalien könnten als Bausteine für Biokunststoffe und Aromastoffe für Lebensmittel und Getränke verwendet werden. Diese Chemikalien nehmen einen Teil des Kohlenstoffs in der Pflanzenbiomasse auf, der nicht alsCO2 in die Atmosphäre gelangen würde.
"Die Zugabe von THF hilft, die Energiekosten für die Vorbehandlung zu senken und Lignin zu isolieren, so dass man es nicht mehr verbrennen muss. Darüber hinaus können wir erneuerbare Chemikalien herstellen, die uns dabei helfen, ein Treibhauspotenzial von nahezu Null zu erreichen", so Cai. "Ich glaube, dass wir damit den Sprung von Biokraftstoffen der Generation 2 zu Biokraftstoffen der Generation 2+ schaffen.
Angesichts der jüngsten Erfolge des Teams hat das Department of Energy's Bioenergy Technology Office den Forschern einen Zuschuss in Höhe von 2 Millionen Dollar für den Bau einer kleinen CELF-Pilotanlage an der UCR gewährt. Cai hofft, dass die Demonstration der Pilotanlage zu größeren Investitionen in die Technologie führen wird, denn die Nutzung von Energie aus fossilen Brennstoffen trägt zur globalen Erwärmung bei und schadet dem Planeten.
"Ich habe mit dieser Arbeit vor mehr als einem Jahrzehnt begonnen, weil ich etwas bewirken wollte. Ich wollte eine brauchbare Alternative zu fossilen Brennstoffen finden, und das haben meine Kollegen und ich geschafft", sagte Cai. "Mit dem CELF haben wir gezeigt, dass es möglich ist, kostengünstige Kraftstoffe aus Biomasse und Lignin zu erzeugen und unseren Beitrag zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen in die Atmosphäre zu leisten."
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Originalveröffentlichung
Bruno Colling Klein et al.; "Economics and global warming potential of a commercial-scale delignifying biorefinery based on co-solvent enhanced lignocellulosic fractionation to produce alcohols, sustainable aviation fuels, and co-products from biomass"; Energy & Environmental Science, Volume 17, 2024
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