Technologie: Wissenschaft

Kraftstoff aus Abfällen und Elektrizität?

Kraftstoff-Produktion | Fuel Production
© UFZ / André Künzelmann

Wie man aus Biomasse und elektrischer Energie drop-in Kraftstoff produziert

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ), der Universität Tübingen, der amerikanischen Cornell University und des Deutschen Biomasse-Forschungszentrums (DBFZ) zeigen, dass durch die Kombination von mikrobieller und elektrochemischer Stoffumwandlung aus Biomasse hochwertige Produkte wie etwa Kraftstoff entstehen können. In ihrem Experiment nutzten die Forscher ein Abfallprodukt der Bioethanolherstellung und Maissilage, um Alkane mit hoher Energiedichte und dieselähnlichen Eigenschaften herzustellen. Die Arbeit wurde in Energy & Environmental Science, dem am höchsten klassifizierten Journal der Umweltwissenschaften veröffentlicht.

Ob Klimawandel, wachsende Nachfrage nach Ressourcen oder umweltbelastende Stoffströme – wir brauchen nicht nur eine Energiewende, sondern eine Kehrtwende hin zu einem produktorientierten und integrativen Umweltschutz. Kreisläufe müssen geschlossen werden, umweltschädliche Einsatzstoffe müssen durch ökologisch verträgliche ersetzt werden, der Verbrauch fossiler und anorganischer Rohstoffe muss reduziert werden. Eine Schlüsselrolle bei der Suche nach Lösungen spielen neue Verfahren der Biotechnologie.

Dazu zählt auch die bioelektrochemische Synthese, die von Chemiker Dr. Falk Harnisch und seiner Arbeitsgruppe am UFZ in Leipzig erforscht wird. Deren Ziel ist es, durch die Kombination von Mikrobiologie und Elektrochemie aus nachwachsenden Ressourcen und Abfallprodukten Energieträger und Chemikalien zu gewinnen. Harnisch ist überzeugt: „Durch die Kombination von mikrobieller und elektrochemischer Stoffumwandlung könnten zukünftig Bioelektroraffinerien entstehen, die Kraftstoffe, Energie und Chemikalien durch integrierte Biomassenutzung produzieren“.

Vereinfachte Darstellung des kombinierten mikrobiellen elektrochemischen Verfahrens. | Process line of the proposed combined microbial electrochemical conversion to yield drop-in fuel from biomass. © UFZ / Carolin Urban, Falk Harnisch

In einer aktuellen Studie, die unter seiner Leitung und in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Tübingen, der Cornell University und des Deutschen Biomasse-Forschungszentrums entstanden ist, zeigen die Forscher, dass Biomasse in Alkane mit hoher Energiedichte und dieselähnlichen Eigenschaften überführt werden kann. So wurde auf der Basis von Corn Beer, einem Abprodukt der Bioethanolherstellung aus Mais, im Laufe des kombinierten mikrobiologisch-elektrochemischen Prozesses bereits eine Biomasse/Kraftstoff-Ausbeute von 50 % erreicht.

Prof. Lars Angenent von der Universität Tübingen, ein Mitautor der Studie, hebt hervor: „Mit dem Corn Beer haben wir in diesem Experiment einen relativ hochwertigen Ausgangsstoff genutzt. Weiterführende Versuche zeigen uns jedoch deutlich, welch großes Potenzial in dem Verfahren steckt – sowohl im Hinblick auf die mögliche Vielfalt der Ausgangsstoffe und der erhaltenen Produkte als auch den gekoppelten Ablauf von Mikrobiologie und Elektrochemie.“ Denn während die mikrobielle Synthese kontinuierlich abläuft, kann die schnellere elektrochemische Stoffumwandlung Überschuss-Strom verarbeiten. Damit kann Kraftstoff als effektiver Speicher für elektrische Energie dienen.

Falk Harnisch betrachtet diese Studie als ersten Schritt in der Verfahrensentwicklung. „Wir haben im Labormaßstab gezeigt, dass ein solcher Prozess durchführbar ist. Die Herausforderung ist nun, jeden Teilschritt zu optimieren und eine Skalierung entlang des gesamten Prozesses bis in den Pilotmaßstab durchzuführen.“ Dabei wird sich auch zeigen, inwiefern das Verfahren ökonomisch wettbewerbsfähig ist. Dies sei, so Harnisch, allerdings auch eine Frage der politischen Rahmenbedingungen zur Förderung von Mobilität.


Publikation: Urban, C., Jiajie, X., Sträuber, H., dos Santos Dantas, T. R., Mühlenberg, J. Härtig, C., Angenent, L. T., Harnisch, F. (2017): Production of drop-in fuel from biomass at high selectivity by by combined microbial and electrochemical conversion. Energy & Environmental Science doi: 10.1039/C7EE01303E
Die Studie wurde gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) (BMBF-Initiative „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren – Biotechnologie 2020+“), die Helmholtz Gemeinschaft (Young Investigators Group & Research Program Renewable Energie) und das NSF SusChemProgram.

Weiterführende Links:
Arbeitsgruppe „Mikrobielle Bioelektrokatalyse und Bioelektrotechnologie“
E-Fuels – Synthetische Kraftstoffe als Brückentechnologie
Biokraftstoff für konventionelle Dieselmotoren


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