Schnell und energiesparend: Wissenschaftler haben mithilfe von kurzen Lichtpulsen Biomasse in energetisch nutzbare Bestandteile gespalten. Durch fünf nur wenige Millisekunden lange Lichtblitze konnten sie die Reaktionskammer auf über 500 Grad aufheizen und so aus getrockneten Bananenschalen unter anderem Wasserstoff und Biokohle erzeugen. Wahrscheinlich ist das Verfahren sogar für industrielle Anwendungen geeignet.
Im Zuge der Energiewende ist die Menschheit im Moment auf der Suche nach nachhaltigen und verlässlichen Energiequellen. Ein heißer Kandidat hierfür ist Wasserstoff, der aus der Verwertung von Biomasse gewonnen wird. Durch die CO2-speichernde Wirkung des pflanzlichen Materials kann so auch Wasserstoff mit einer neutralen Treibhausgas-Bilanz hergestellt werden.
Bei der Umwandlung von Biomasse zu nutzbarer Energie gibt es derzeit verschiedene Ansätze. Biomasse wird hauptsächlich entweder über eine Vergasung oder eine Pyrolyse nutzbar gemacht. Unter den Pyrolyse-Verfahren, die im Gegensatz zur Vergasung ohne den Zusatz eines Oxidationsmittels auskommen, gibt es wiederum drei Arten, die auf Basis der Zeit, die sie in Anspruch nehmen, unterschieden werden.
Bei der sogenannten schnellen Pyrolyse wird die Biomasse bei etwa 600 Grad Celsius in Biokohle und Synthesegas, eine Mischung aus Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid und anderen Kohlenwasserstoffen, gewandelt. Der Wandlungsvorgang dauert bei der schnellen Pyrolyse nur wenige Sekunden und benötigt meist spezielle Reaktorkammern, die neben der hohen Temperatur auch einen hohen Druck erzeugen können.
Xenonlampe als Reaktionsstarter
Ein Team um Wanderson Oliveira Silva von der Eidgenössischen Technischen Hochschule EPFL in Lausanne hat nun eine Methode entwickelt, mit der eine schnelle Pyrolyse auch ohne hohen Reaktionsdruck durchgeführt werden kann. Das Team nutzt stattdessen eine Xenonlampe, die normalerweise für Aushärtungsprozesse von gedruckter Elektronik verwendet wird.
Als Testmaterial dienten den Wissenschaftlern Bananenschalen, die 24 Stunden lang bei 105 Grad Celsius getrocknet und anschließend zu einem feinen Pulver verarbeitet wurden. Dieses wurde dann in Portionsgrößen von zwei und zehn Milligramm in einer kleinen Reaktionskammer aus Stahl platziert. Schließlich wurde noch die Luft in der Kammer durch Argon ausgetauscht, bevor die Forscher das getrocknete Bananenschalen-Pulver mit fünf je knapp 15 Millisekunden lang andauernden Lichtpulsen aus der Xenonlampe beschossen.
Zwölf Sekunden – 500 Grad Celsius
Da sich die Kondensatoren zwischen den Pulsen drei Sekunden lang aufladen, dauert der gesamte Pyrolysevorgang letztlich zwölf Sekunden. Die Xenon-Lampe heizt die Reaktionskammer in dieser Zeit ordentlich auf. „Nach zwölf Sekunden erreicht der Stahl eine simulierte Temperatur von 500 Grad Celsius, die experimentelle Temperatur ist aber wahrscheinlich höher. Hierdurch entstehen hauptsächlich Wasserstoff- und Kohlenmonoxid-Gase“, schreiben die Forscher.
Das Ergebnis dieses Prozesses sind Synthesegas und die zu Kohle gewordenen organischen Restkomponenten des Pflanzenmaterials. „Aus einem Kilo getrockneter Biomasse können wir etwa 100 Liter Wasserstoff und 330 Gramm Biokohle erzeugen“, erklärt Koautor Bhawna Nagar, ebenfalls von der EPFL. Beide Endprodukte können laut den Wissenschaftlern gut weiterverwertet werden. So könne das Synthesegas, insbesondere der Wasserstoff, als grüner Antrieb und die Biokohle entweder als Düngemittel oder zur Herstellung von Elektroden genutzt werden.
„nur durch die Oberflächengröße eingeschränkt“
Nach den Berechnungen der Forscher bleibt nach Abzug der verbrauchten Lichtenergie durch die Umwandlung letztlich ein Zugewinn an nutzbarer Energie in Höhe von gut vier Megajoule pro Kilogramm getrockneter Biomasse. „Der Prozess ist jedoch durch das System begrenzt, das die Lichtblitze erzeugt. Dieses weist zurzeit einen elektrischen Wirkungsgrad von rund 28 Prozent aufweist“, so die Wissenschaftler. Dadurch sinkt dementsprechend auch das Kosten-Nutzen-Verhältnis des gesamten Vorgangs.
Dennoch betonen die Wissenschaftler die Vorteile ihrer Methodik: „Unser Ansatz benötigt keinen Katalysator, um die photo-thermale Umwandlung durchzuführen, sondern kann in einem Stahl-Reaktor bei Normaldruck durchgeführt werden. In der reaktionsträgen Atmosphäre ist die Umwandlung der Biomasse lediglich durch die Größe der Oberfläche eingeschränkt. Im Moment bewegen wir uns im Bereich von Quadratzentimetern, dies kann aber für industrielle Anwendungen vergrößert werden.“ (Chemical Science, 2022; doi: 10.1039/d1sc06322g)
Quelle: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
