Photopyrolyse: Wie aus Biomüll blitzschnell Wasserstoff und Biokohle wird

Forscher aus Lausanne stellen „Schnelle Photopyrolyse“ als neuartige Lösung vor, um das begehrte Gas etwa aus Bananen- und Orangenschalen oder Maiskolben zu gewinnen.

Blitzschnell per Blitz Wasserstoff erzeugen: Was wie Science-Fiction aus fernerer Zukunft klingt, ist Forscher aus der Schweiz jetzt geglückt: Innerhalb von Millisekunden machen sie nach eigenen Angaben aus Biomüll mit der Technologie der schnellen Photopyrolyse einerseits Wasserstoffgas und andererseits leitfähigen Kohlenstoff.

Grundsätzlich gibt es zwei Methoden, um Biomasse in Energie umzuwandeln: Einerseits die Vergasung, andererseits die sogenannte Pyrolyse. Bei der Vergasung wird feste oder flüssige Biomasse auf etwa 1000 Grad Celsius erhitzt und in Gas und feste Verbindungen umgewandelt – das Gas wird Synthesegas oder Syngas genannt, während der Feststoff als Biokohle bezeichnet wird.

Syngas ist eine Mischung aus Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid und anderen Kohlenwasserstoffen, die als „Biokraftstoff“ zur Stromerzeugung verwendet werden. Pflanzenkohle wird oft als fester Kohlenstoffabfall angesehen, obwohl sie in der Landwirtschaft zur Speicherung von Kohlenstoff im Boden verwendet werden kann.

Das zweite Verfahren ist die Biomassepyrolyse. Diese ähnelt der Vergasung, allerdings wird hierbei die Biomasse bei niedrigeren Temperaturen zwischen 400 und 800 Grad Celsius und bei Drücken bis zu fünf bar in einer inerten Atmosphäre erhitzt. Die Forscher unterscheiden drei Arten von Pyrolyse: konventionelle, schnelle und Flash-Pyrolyse. Von diesen brauchen die ersten beiden am längsten und haben die meiste Char-Produktion. Die Flash-Pyrolyse findet bei 600 Grad Celsius statt und produziert das meiste Syngas, hat die niedrigste Verweilzeit. Leider benötigt sie aber spezielle Reaktoren, die mit hohen Temperaturen und Drücken umgehen können.

Bananenschalen für die Wasserstoffproduktion

Nun haben Wissenschaftler unter der Leitung von Professor Hubert Girault von der School of Basic Sciences der Eidgenössische Technische Hochschule Lausanne ETHL eine neue Methode zur Photopyrolyse von Biomasse entwickelt, die nicht nur wertvolles Synthesegas produziert, sondern auch eine Biokohle aus festem Kohlenstoff, die für andere Anwendungen wiederverwendet werden kann. Die Arbeit ist in Chemical Science veröffentlicht.

Das Verfahren führt eine sogenannte Blitzlichtpyrolyse unter Verwendung einer Xenonlampe durch, die üblicherweise zum Aushärten von metallischen Tinten für gedruckte Elektronik verwendet wird. Giraults Gruppe hat das System in den letzten Jahren auch für andere Zwecke genutzt, etwa zur Synthese von Nanopartikeln.

Das weiße Blitzlicht der Lampe bietet eine leistungsstarke Energiequelle sowie kurze Impulse, die photothermische chemische Reaktionen fördern. Die Idee ist, einen starken Blitzlichtschuss zu erzeugen, den die Biomasse absorbiert und der sofort eine photothermische Umwandlung der Biomasse in Synthesegas und Biokohle auslöst.

Blitztechnik auf verschiedene Arten Biomasse angewendet

Diese Blitztechnik wurde auf verschiedene Biomassequellen angewendet: Bananenschalen, Maiskolben, Orangenschalen, Kaffeebohnen und Kokosnussschalen, die alle zunächst 24 Stunden bei 105 Grad Celsius getrocknet und dann zu einem dünnen Pulver gemahlen und gesiebt wurden. Das Pulver wurde dann in einen Edelstahlreaktor bei Umgebungsdruck und unter einer inerten Atmosphäre gegeben. Die Xenon-Lampe blinkt, und der gesamte Umwandlungsprozess ist in wenigen Millisekunden vorbei.

„Jedes Kilogramm getrocknete Biomasse kann etwa 100 Liter Wasserstoff und 330 Gramm Biokohle erzeugen, was bis zu 33 Volumenprozent der ursprünglichen getrockneten Bananenschalenmasse entspricht“, sagt Bhawna Nagar, die an der Studie gearbeitet hat. Das Verfahren hatte auch ein positives berechnetes Energieergebnis von 4,09 Megajoule pro Kilogramm getrockneter Biomasse.

Was bei dieser Methode der Photopyrolyse hervorsticht, ist, dass beide Endprodukte, Wasserstoff und feste Kohlenstoff-Biokohle, wertvoll sind. In diesem Punkt ist die Photopyrolyse vergleichbar mit der ungleich energieintensiveren Methanpyrolyse hat. Der Wasserstoff kann als grüner Brennstoff verwendet werden, während die Kohlenstoff-Biokohle entweder vergraben und als Dünger verwendet oder zur Herstellung von leitfähigen Elektroden verwendet werden kann.

„Die Relevanz unserer Arbeit wird noch dadurch erhöht, dass wir Kohlendioxid speichert sie jahrelang von der Atmosphäre“, sagt Nagar. „Das haben wir mit einer Xenon-Blitzlampe im Handumdrehen in brauchbare Endprodukte umgewandelt.“

Zukunftschance der Photopyrolyse

Grundsätzlich kann man die Erfindung der Photopyrolyse nicht hoch genug einschätzen. Es zeigt – wie auch das Beispiel H2Pro -, dass heutige Elektrolyse-Arten zur Herstellung von grünem Wasserstoff längst nicht die einzige Methode ist, die sich durchsetzen könnte. Zwar haben die Forscher aus Lausanne keine Energiebilanz vorgelegt, und auch nichts zur Skalierbarkeit ihres Reaktors verlauten lassen – trotzdem erscheinen die Ergebnisse absolut aussichtreich und sollten Gegenstand weiterer Forschung sein.

Ein Knackpunkt könnte sein, den Prozess der Entnahme von Gas und Zuführung der Biomasse zu automatisieren – denn, was hilft es, wenn der Prozess in Millisekunden abgeschlossen ist, aber der Mensch mehrere Minuten braucht, um diese Arbeitsschritte auszuführen. Aber das ist sicherlich zu früh, darüber nachzudenken.

Ein anderer Aspekt ist: Bananenschalten werden immer anfallen, aber wo in großen Mengen? Ein Kernaspekt könnte also die Frage sein, wo überhaupt ein solcher Reaktor mit genügend Inputstoffen versorgt werden könnte. Womöglich ideal für eine Stadt, die ihren Biomüll zentral sammelt. Da Städte und Kommunen zunehmend nach Autarkie in allen Facetten streben, eine denkbare Perspektive.