Neue Aktivkohle-Speicher aus chemischer Teil-Verbrennung von Bambus – Bioökonomie-Forschung der Uni Hohenheim ermöglicht hocheffiziente Speicherung
Leichte und kleine Wasserstoffspeicher aus Bambus könnten die mobile Nutzung von Brennstoffzellen vorantreiben. Die nahezu drucklosen Aktivkohle-Speicher bieten ungefährlich Platz für große Gasmengen. Zwei Forscherinnen des Fachgebiets Konversionstechnologie und Systembewertung nachwachsender Rohstoffe der Universität Hohenheim in Stuttgart entwickelten und beschrieben [1] neuartige chemische Verfahren, mit denen sich aus Bambus eine besondere Aktivkohle herstellen lässt.
Aktivkohle-Plätzchen aus Bambus
Das Ergebnis: ein etwa handgroßes, poröses Aktivkohle-Plätzchen (siehe [2]). Prof. Dr. Andrea Kruse: „Die aufbereitete Aktivkohle ist in der Lage, unterschiedliche Gase zu speichern. Es bietet bei 1 bar Druck pro 20 Gramm Gewicht eine Fläche von rund sechs Fußballfeldern. Damit lassen sich über 60 Gramm Wasserstoff speichern.“ Noch hat die Sache allerdings einen Haken: Es funktioniert nur bei sehr tiefen Temperaturen von minus 196 Grad Celsius.
„Mit den neuen Speichern können wir die dreifache Gasmenge des Filtergewichts speichern“, so Prof. Kruse. „Zusätzlich sind die Speicher wesentlich weniger gefährlich, weil sie statt mit 300 bar in herkömmlichen Gasflaschen bei nur 1 bar Druck arbeiten. Die tiefe Temperatur schränkt die Anwendungsbreite zwar ein, aber die Ergebnisse machen uns sehr optimistisch in Hinblick auf neue Materialien für die Wasserstoff-Wirtschaft.“ Die Erkenntnisse seien wichtig für das Entwicklungsziel: biobasierte Elektroden für Brennstoffzellen.
Der aktuelle Prototyp ist mit einem 3D-Drucker aus hochreinem Kohlenpulver gedruckt. „Wir haben herausgefunden, dass die Aktivkohle-Speicher sich auch in herkömmlichen Pressverfahren herstellen lassen“, sagt Dr. Catalina Rodriguez Correa, ebenfalls vom Fachgebiet Konversionstechnologie und Systembewertung nachwachsender Rohstoffe der Universität Hohenheim.
Aktivkohle entsteht bei chemischer Teil-Verbrennung
Die beiden Forscherinnen der Universität Hohenheim testeten zwei Verfahren: die Pyrolyse und die Hydrothermale Karbonisierung (HTC) von Bambus.
- Die sogenannte „langsame Pyrolyse“ ist ein trockenes Verfahren. Hier wird der zermahlene Bambus bei 500°C drei Stunden lang in einem Stickstoffstrom erhitzt, bis sich Kohlenpulver, das Karbonisat, bildet.
- Das andere Verfahren ist die Hydrothermale Karbonisierung, ein sogenanntes nasses Verfahren. Das bedeutet, dass der Bambus mit Wasser versetzt und in einem Druckbehälter, dem Autoklav, drei Stunden bei 250°C erhitzt wird.
„In diesem Fall können wir die grünen Blätter gleich mit verwerten. Die Herstellung der Kohle erreichten wir mit relativ verbreiteten chemischen Verfahren, die wir auf nachwachsende organische Rohstoffe anwendeten“, erklärt Dr. Rodriguez Correa weiter.
Mikroporen bieten Platz für dreifache Gasmenge
Sowohl aus dem trockenen als auch aus dem nassen Verfahren entstehen sogenannte Karbonisierungsprodukte. Diese werden danach mit wässriger Kalilauge imprägniert. Das heißt, sie werden mit der Lauge versetzt und anschließend filtriert.
Dann werden die imprägnierten Kohlen im Stickstoffstrom auf 600°C erhitzt. Beim Erhitzen erzeugt jedes Kalium-Ion letztendlich ein sehr kleines Loch, eine sogenannte Mikropore. Anschließend werden die so erzeugten Aktivkohlen mit saurem Wasser gespült, um die Reste der Kalilauge zu entfernen. Nach dem Trocknen ist die Aktivkohle fertig. Die Mikroporen bilden den Raum, in dem sich das bis zu dreifache Gasgewicht speichern lässt.
Noch gilt es, Kinderkrankheiten der vielversprechenden Methode auszumerzen. „Wir möchten noch bessere Kohlen herstellen und werden weiter daran forschen“, sagt Prof. Kruse. „Wir hoffen, dass wir zusammen mit unserem Industriepartner HTCycle in wenigen Jahren ein wirtschaftliches Verfahren daraus entwickeln können.“ Weil die beiden Wissenschaftlerinnen nachwachsende Rohstoffe einsetzen, tragen sie zur Bioökonomie-Forschung bei, die an der Universität Hohenheim seit mehreren Jahren als Schwerpunkt intensiv bearbeitet wird [3].
[1] Die Publikation: C. Rodriguez Correa, C. Ngamying, D. Klank, A. Kruse: Investigation of the textural and adsorption properties of activated carbon from HTC and pyrolysis carbonizates; in: Biomass Conversion and Biorefinery. Processing of Biogenic Material for Energy and Chemistry (2017), ISSN 2190-6815 (in Druck). Online: ISSN 2190-6823
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[2] Forschung vor Ort am Samstag, den 17. November 2018: Im Rahmen der Jubiläums-Veranstaltungsreihe „Forschung vor Ort“ laden die beiden Forscherinnen die Öffentlichkeit ein, sich direkt über ihre Arbeit zu informieren. Am Samstag, dem 17.11.2018, öffnen sie zwischen 14 und 18 Uhr am Institut für Agrartechnik der Universität Hohenheim die Labortür für Interessierte. Die Teilnahme ist kostenfrei und ohne Anmeldung möglich.
Mehr Infos: www.uni-hohenheim.de/forschung-vor-ort
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[3] Hintergrund: Bioökonomie
Neue Lebens- und Futtermittel (z.B. aus Algen), Energie aus Ernteabfällen, Chemikalien und Kunststoffe aus Pflanzen: Die Bioökonomie eröffnet Wege zu neuen Produkten, neuen Produktionsverfahren und zu einer modernen, nachhaltigen Wirtschaft. Denn ihre Rohstoffe sind bio-basiert, das heißt, sie stammen von Pflanzen, Tieren oder Mikroorganismen. Auch bei der Pflanzen- und Tierproduktion nutzt die Bioökonomie biologische Prozesse, die nachhaltiger, energie- und ressourcenschonender sind. Die Universität Hohenheim beherbergt ein eigenes Forschungszentrum für Bioökonomie und bietet einen entsprechenden, disziplin- und fakultätsübergreifenden Studiengang an.
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