Mit dem steigenden Energiebedarf der Welt wächst auch unser Verbrauch an fossilen Brennstoffen. Die Folge ist ein massiver Anstieg der Treibhausgasemissionen mit schwerwiegenden nachteiligen Auswirkungen auf die Umwelt. Um dem entgegenzuwirken, suchen Wissenschaftler nach alternativen, erneuerbaren Energiequellen.
Ein Hauptkandidat ist Wasserstoff, der aus organischen Abfällen, der so genannten Biomasse, von Pflanzen und Tieren gewonnen wird. Biomasse absorbiert, entfernt und speichert auch CO2 aus der Atmosphäre, während die Zersetzung von Biomasse uns auch Wege zu negativen Emissionen oder zur Beseitigung von Treibhausgasen eröffnen kann. Doch auch wenn Biomasse einen Weg in die Zukunft darstellt, stellt sich die Frage nach dem besten Weg, um ihre Umwandlung in Energie zu maximieren.
Vergasung von Biomasse
Derzeit gibt es zwei Hauptmethoden für die Umwandlung von Biomasse in Energie: Vergasung und Pyrolyse. Bei der Vergasung wird feste oder flüssige Biomasse bei Temperaturen um 1000 °C in gasförmige und feste Verbindungen umgewandelt; das Gas wird als "Syngas" bezeichnet, der Feststoff als "Biokohle".
Synthesegas ist ein Gemisch aus Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid und anderen Kohlenwasserstoffen, das als "Biokraftstoff" zur Stromerzeugung verwendet wird. Biokohle hingegen wird oft als fester Kohlenstoffabfall betrachtet, obwohl sie auch in der Landwirtschaft eingesetzt werden kann.
Pyrolyse von Biomasse
Die andere Methode, die Pyrolyse von Biomasse, ähnelt der Vergasung, mit dem Unterschied, dass die Biomasse bei niedrigeren Temperaturen (400-800 °C) und bei einem Druck von bis zu 5 bar in einer inerten Atmosphäre erhitzt wird. Es gibt drei Arten der Pyrolyse: die konventionelle, die Schnell- und die Flash-Pyrolyse. Die ersten beiden benötigen die längste Zeit und erzeugen die meiste Kohle.
Die Flash-Pyrolyse findet bei 600 °C statt, erzeugt das meiste Synthesegas und hat die geringste Verweilzeit. Leider werden dafür auch spezielle Reaktoren benötigt, die hohe Temperaturen und Drücke aushalten können.
Bananensplit für die Wasserstoffproduktion
Nun haben Wissenschaftler unter der Leitung von Professor Hubert Girault von der EPFL School of Basic Sciences eine neue Methode für die Photopyrolyse von Biomasse entwickelt, die nicht nur wertvolles Synthesegas erzeugt, sondern auch eine Biokohle aus festem Kohlenstoff, die für andere Anwendungen wiederverwendet werden kann. Die Arbeit ist in Chemical Science veröffentlicht.
Bei der Methode wird eine Blitzlichtpyrolyse mit einer Xenon-Lampe durchgeführt, die üblicherweise zum Aushärten von Metalltinten für gedruckte Elektronik verwendet wird. Die Gruppe von Girault hat das System in den letzten Jahren auch für andere Zwecke wie die Synthese von Nanopartikeln eingesetzt.
Das weiße Blitzlicht der Lampe liefert eine leistungsstarke Energiequelle sowie kurze Pulse, die photothermische chemische Reaktionen fördern. Die Idee besteht darin, einen starken Blitzlichtstrahl zu erzeugen, der von der Biomasse absorbiert wird und sofort eine photothermische Umwandlung der Biomasse in Synthesegas und Biokohle auslöst.
Diese Blitzlichttechnik wurde bei verschiedenen Biomassequellen angewandt: Bananenschalen, Maiskolben, Orangenschalen, Kaffeebohnen und Kokosnussschalen, die alle zunächst 24 Stunden lang bei 105 °C getrocknet und dann gemahlen und zu einem dünnen Pulver gesiebt wurden. Das Pulver wurde dann bei Umgebungsdruck und unter inerter Atmosphäre in einen Reaktor aus rostfreiem Stahl mit einem Standardglasfenster gegeben. Die Xenon-Lampe blinkt, und der gesamte Umwandlungsprozess ist in wenigen Millisekunden abgeschlossen.
"Jedes Kilogramm getrockneter Biomasse kann etwa 100 Liter Wasserstoff und 330 g Biokohle erzeugen, was bis zu 33 Gew.-% der ursprünglichen Masse der getrockneten Bananenschalen entspricht", sagt Bhawna Nagar, die an der Studie mitgearbeitet hat. Die Methode hatte auch ein positives berechnetes Energieergebnis von 4,09 MJ pro kg getrockneter Biomasse.
Das Besondere an dieser Methode ist, dass beide Endprodukte, Wasserstoff und Biokohle mit festem Kohlenstoffgehalt, wertvoll sind. Der Wasserstoff kann als grüner Brennstoff verwendet werden, während die Kohlenstoff-Biokohle entweder vergraben und als Dünger verwendet oder zur Herstellung leitfähiger Elektroden verwendet werden kann.
"Die Relevanz unserer Arbeit wird noch dadurch erhöht, dass wir indirekt CO2 einfangen, das seit Jahren in der Atmosphäre gespeichert ist", sagt Nagar. "Das haben wir mit einer Xenon-Blitzlampe in kürzester Zeit in nützliche Endprodukte umgewandelt."
Quelle:
Wanderson O. Silva, Bhawna Nagar, Mathieu Soutrenon, Hubert H. Girault; "Banana split: Biomass splitting with flash light irradiation"; Chemical Science; 25 January 2022