Neues Blitzlicht-Verfahren
Zwar war schon zuvor bekannt, dass sich aus Biomasse auch Wasserstoff, Methan und Biokohle gewinnen lässt, allerdings waren die bisher bekannten Verfahren sehr aufwändig. Mit dem neuen Verfahren lässt sichaus 1 Kilogramm Bananenschale 100 Liter Wasserstoff gewinnen, wie ein Forscherteam der EPFL nun zeigt – ein Artikel am 02.03.2022 von Marian Willuhn auf pv magazine.
Bananenschale: Wegen ihres hohen Energieanteils sind Bananen nicht nur bei Sportlern beliebt. Neben Kohlenhydraten steckt auch noch Wasserstoff in der Obsthülle – Foto © Alexas_Fotos, pixabay.com
Es gibt viele Wege, Wasserstoff zu gewinnen. Das Aufspalten von Methan oder Wasser dürften die zwei bekanntesten sein. Doch auch aus Biomasse lässt sich Wasserstoff gewinnen. In einem Projekt entwickelte ein Team Forschender der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) das Prinzip der Photo-Pyrolyse. Durch das Verfahren kann Biomasse zu Wasserstoff, Biokohle und anderen Kohlenwasserstoffverbindungen, die als Brennstoffe genutzt werden können, umgewandelt werden – und zwar deutlich schneller und einfacher als das bisher der Fall war.
Das Verfahren setzt an der Biomasse-Pyrolyse an. Dabei wird Biomasse unter einem Druck von fünf Bar mit Temperaturen von 400 bis 800 Grad Celsius behandelt. Als Produkt entstehen dabei Biokohle und Syngas. Bei Syngas handelt es sich um ein Gasgemisch, was hauptsächlich aus Wasserstoff, aber auch Methan und Kohlenmonoxid besteht. Um die notwendigen Temperaturen und den Druck für die Reaktion zu erreichen, muss der Prozess unter hohem energetischem und technischem Aufwand ablaufen. Das macht die gewonnen Gase teuer und unattraktiv.
Bei dem Verfahren, das die Forschenden in Lausanne jetzt neu entwickelt haben, wird die Biomasse mit einer Xenonlampe geblitzt, um eine photo-thermische Reaktion zu provozieren. Dabei entsteht binnen Millisekunden Syngas und Biokohle. Zudem erfolgt die Reaktion unter normalem atmosphärischem Druck und bei Zimmertemperatur.
Um an die Brennstoffe zu kommen, muss die Biomasse zunächst 24 Stunden bei 105 °C trocknen und anschließend zu einem feinen Pulver gemahlen werden. Das Team verwendete im Experiment hierfür Bananenschalen, Maiskolben, Orangenschalen, Kaffeebohnen und Kokosnussschalen. Im Experiment breiteten die Forschende das Pulver in einer dünnen Schicht in einem Edelstahlgefäß aus. 200° heißes Argon ersetzte anschließend die Luft in dem Gefäß, um eine Oxidation zu vermeiden. Eine Xenonlampe blitzte das Pulver dann mit 13,1 Joule pro Quadratzentimeter für 14,5 Millisekunden. Die Forschenden wiederholten den Blitz einmal, dreimal und fünfmal.
„Jedes Kilogramm getrockneter Biomasse kann etwa 100 Liter Wasserstoff und 330 Gramm Biokohle erzeugen, was bis zu 33 Gewichtsprozent der ursprünglichen Masse der getrockneten Bananenschalen entspricht“, sagt Bhawna Nagar, die an der Studie mitgearbeitet hat. Etwa 70 Prozent der gewonnen Energie war nach dem Prozess in Flüssigkeiten gebunden. 24 Prozent der Energie war in Feststoffen, also Biokohle gebunden. Die verbleibenden sechs Prozent der Energie war in gasförmigen Produkten gebunden.
Durch das Verfahren konnten die Forschenden den spezifischen Brennwert von Bananenschalen von 18,87 Megajoule pro Kilogramm zu 87 Prozent binden. Die Bruttoenergieausbeute betrug demnach 16,41 Megajoule pro Kilogramm. Ein Kilogramm Bananen hat nach Gewicht einen Anteil von fünf Prozent Wasserstoff Atomen. Davon konnten 18,6 Prozent auch als reiner Wasserstoff eingefangen werden – 102,5 Liter pro Kilogramm Bananenschalen. Bei Zimmertemperatur und in Form von Gas entspricht das etwa neun Gramm Wasserstoff.
Abzüglich der aufgewendeten Energie für das 24-stündige Trocknen und das Blitzen der Biomasse erzielt die Methode ein positives berechnetes Energieergebnis von 4,09 Megajoule pro Kilogramm getrockneter Biomasse. Neben der Energieausbeute lässt sich Biokohle als Dünger, Elektrodenmaterial oder Kohlenstoffspeicher einsetzten. Die Forschenden sagen, dass ihre Arbeit den Anfang einer Möglichkeit bietet auch Industrieabfälle und alte Autoreifen zu Wasserstoff und Biokohle zu verarbeiten.
„Die Relevanz unserer Arbeit wird noch dadurch erhöht, dass wir indirekt das über Jahre gespeicherte CO2 aus der Atmosphäre auffangen“, sagt Nagar. „Das haben wir mit einer Xenon-Blitzlampe in kürzester Zeit in nützliche Endprodukte umgewandelt.“