Instant-Kohle aus Biomasse

Sie dachten, es dauert hundert Millionen Jahre, bis aus Pflanzenresten Kohle entsteht? Ein neues Verfahren ahmt den natürlichen Prozess nach, verkürzt ihn aber auf zwölf Stunden. Die Instant-Kohle könnte in Kohlenstoff-Brennstoffzellen genutzt werden.

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Von
  • Veronika Szentpetery

Im Bauch der Erde hat es Hunderte von Jahrmillionen gedauert, bis aus verrottendem Pflanzenmaterial unter extremen Drücken und Temperaturen Braun- und Steinkohle-Lagerstätten entstanden sind. Diese Wartezeit haben Wissenschaftler um Markus Antonietti vom Potsdamer Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung auf einen halben Tag verkürzt. Ihr Verfahren, das sie hydrothermale Karbonisierung nennen, erlaubt ohne komplizierte Zwischenschritte die Umwandlung von pflanzlicher Biomasse in Kohle und Wasser – wenn auch vorerst nur im Labor.

Das Verfahren ist jedoch herkömmlichen Methoden zur Gewinnung von Brennstoffen aus Biomasse wie Ethanol oder Methan überlegen, weil es umweltfreundlich und gleichzeitig hoch effizient ist. Bei der hydrothermalen Karbonisierung entsteht nämlich kein Kohlendioxid sondern sämtlicher Kohlenstoff aus den Pflanzen kann als reine Kohle wieder gewonnen werden. Bei der Ethanolherstellung aus Biomasse und der Methanproduktion in Biogasanlagen hingegen geht ein Teil des Kohlenstoffs im Zuge der notwendigen Fäulnis- und Gärprozesse in Form von Kohlendioxid verloren.

Mit dem neuen Verfahren lässt sich neben Steinkohle auch Braunkohle oder Humus herstellen. Die Forscher glauben dabei nicht nur, dass sich eine Umsetzung in den Industriemaßstab lohnen würde. Sie hoffen auch, dass sich eines Tages auf diesem Wege auch Erdöl gewinnen lässt. Nicht zuletzt könnte aus der Instant-Kohle mit Hilfe von Kohlenstoff-Brennstoffzellen, die sich bereits in der Entwicklung befinden, direkt Strom gewonnen werden.

Um den Prozess der natürlichen Kohlebildung nachahmen zu können, mussten die Forscher zunächst auf der Ebene der Moleküle verstehen, was bei der Umwandlung Pflanzenresten in Kohle geschieht. „Pflanzliche Biomasse besteht letztlich aus Kohlenhydraten, aus Zuckerbausteinen, die sehr viel Energie enthalten. Es musste also gelingen, diese Zuckermoleküle in Kohlenstoff und Wasser zu zerlegen – in einem chemischen Prozess, der dann nicht nur Kohlenstoff als Energieträger liefert, sondern bei dem auch noch die in den Zuckermolekülen steckende Energie frei wird“, erklärt Antonietti, der das Potsdamer Max-Planck-Institut leitet.

Bislang wusste man nur grob, was bei der so genannten Inkohlung abläuft. Die heutigen großen Lagerstätten entstanden im Karbon-Zeitalter, ungefähr vor 280 bis 345 Millionen Jahren, als ein sehr warmes und feuchtes Klima eine üppige Pflanzenwelt hervorbrachte. Die abgestorbenen Pflanzen versanken in Sümpfen, wo Sauerstoffmangel ihren Abbau durch aerobe Mikroorganismen verhinderte. So entstand zunächst Torf. Als Meereseinbrüche die Sümpfe unter dicken Gesteinsschichten begruben, pressten die hohen Drücke und hohen Temperaturen solange Wasser aus dem Torf, bis ein Verbund aus Kohlenstoff, etwas Wasser und unbrennbaren Einschlüssen übrig blieb.

Um diesen Prozess nachzuahmen, füllte Antonietti Blätter, Gras, Stroh und sogar Holz in einen etwa einen Liter fassenden Druckbehälter, gab noch etwas Wasser hinzu und würzte das ganze mit einer Prise Zitronensäure. In dem Autoklaven, der in etwa wie ein Dampfkochtopf funktioniert, erhitzte er das ganze unter Druck und Luftausschluss 12 Stunden lang auf 180 Grad. Damit der Prozess, der sonst Jahrmillionen dauert, so radikal beschleunigt werden kann, braucht es die Zitronensäure als Katalysator. Alternativ kann man auch Eisensalze nehmen, dann entsteht auch Kohle, die aber eine etwas andere Struktur hat. Mit Hilfe von Katalysatoren können die Zuckermoleküle mit viel weniger Energie viel schneller aufgespalten werden.

Dabei unterschätzten Antonietti und seine Mitarbeiter zunächst, welche Energien bei dem Prozess frei werden. Als er die Mischung auf 200 Grad erhitzte, flog der Labor-Dampfkochtopf seinem Team buchstäblich um die Ohren. Erst bei 180 Grad ließ sich der Prozess unter Kontrolle bringen. Das Ergebnis nach zwölf Stunden Kochen war eine schwarze Brühe – in Wasser gelöster Kohlenstoffstaub. Der lässt sich herausfiltern und liegt anschließend in Pulverform vor.

Aber das ist noch nicht alles. „So wie es in der Gastronomie möglich ist, ein Steak blutig zu lassen oder durchzubraten, so können wir die Kohle einstellen, quasi von angegart bis zur Steinkohle verkocht“, schmunzelt Antonietti. Als er die Garzeit etwas kürzer wählte, entstand nicht Stein- sondern Braunkohle. Stoppte er den Prozess gar schon nach fünf Stunden, erhielt er feinsten Humus, also nährstoffreichen Mutterboden. Ob das Wasser, das dann noch die übrigen in den Pflanzen vorkommenden Elemente wie Phosphor, Stickstoff oder Kalium sowie im Fall der Eisensalzkatalysators auch diese Substanz enthält, die Umwelt belasten würde, muss noch untersucht werden.

Ginge es nach Antonietti, bliebe es nicht bei den kleinen Mengen. Aus 50.000 Tonnen Pflanzenabfällen, wie sie jährlich zum Beispiel allein in Berlin anfallen, könnten etwa 20.000 Tonnen Kohle gewonnen werden. Deutschlandweit fallen jährlich etwa vier Millionen Tonnen Pflanzenabfälle an. „Das Verfahren rechnet sich auch im Großmaßstab, die Infrastruktur könnte in zwei bis fünf Jahren etabliert sein – ingenieurwissenschaftliche Unterstützung vorausgesetzt. Es ist ganz einfach, es muss nur der Wille da sein“, gibt sich Antonietti überzeugt. Die Rohstoffe müssten auch nicht immer zwingend Grünpflanzen sein. „Die Bauern wissen nicht wohin mit ihren Zuckerrüberschnitzeln, die bei der Zuckergewinnung übrig bleiben.“

Um nun aus der Laborkohle Energie zu gewinnen, denkt Antonietti bereits über die schnöde Verbrennung hinaus. „Wir träumen von Kohlenstoff-Brennstoffzellen, das wäre eine direkte Verstromung der Kohle“, sagt Antonietti. Während moderne Steinkohlekraftwerke eine Effizienz von etwa 45 Prozent haben, weisen erste Versuche von George Whitesides an der Harvard University darauf hin, dass Kohlenstoff-Brennstoffzellen auf einen Wirkungsgrad von bis zu 60 Prozent kommen könnten.

Darüber hinaus hat Antonietti mit seinem Verfahren noch ein weiteres, bisher unbekanntes Detail des Inkohlungsprozesses aufgedeckt. So gibt es offenbar eine flüssige Zwischenphase, die unter Laborbedingungen nach etwa vier bis sechs Stunden auftritt. Hier vermutet der Forscher die Möglichkeit zur Erdölgewinnung. Erdöl ist nicht ein Zwischenprodukt bei der Inkohlung, sondern sozusagen eine chemische Abzweigung. Passt man den Zeitpunkt genau ab und gibt einen noch zu bestimmenden Katalysator hinzu, ließe sich aus Pflanzenresten auch Erdöl herstellen.

Erste Interessenten aus der Industrie haben sich bereits bei Antonietti gemeldet, hauptsächlich Maschinenbaufirmen, die ungenannt bleiben wollen. Aber es gab auch schon Anfragen von Bauern, die ihre Biomasseabfälle anbieten wollten. (vsz)