Jeden Tag landen weltweit große Mengen Kaffeesatz im Abfall. Dabei steckt in den feuchten Rückständen mehr als nur Biomasse für die Biotonne. Forschende des Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM) haben ein Verfahren entwickelt, das Kaffeesatz innerhalb von nur 90 Sekunden in energiereiche Biokohle umwandeln kann. Das Besondere: Die Abfälle müssen vorher weder getrocknet noch anderweitig aufbereitet werden. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Chemical Engineering Journal.
Millionen Tonnen Kaffeesatz bleiben bislang ungenutzt
Kaffee gehört zu den beliebtesten Getränken weltweit. Entsprechend groß sind die anfallenden Reststoffe. Nach Angaben der Forschenden entstehen jedes Jahr mehr als 10 Mio. t Kaffeesatz. Ein erheblicher Teil davon wird entsorgt oder verbrannt.
Dabei besitzt Kaffeesatz grundsätzlich ein beachtliches Energiepotenzial. Die Nutzung scheiterte bislang jedoch häufig an seinem hohen Wassergehalt. Frischer Kaffeesatz besteht oft zu mehr als der Hälfte aus Feuchtigkeit. Wer daraus Brennstoffe oder Kohlenstoffmaterialien herstellen will, muss das Material normalerweise zunächst trocknen. Dieser Schritt kostet Zeit und Energie und macht viele Verfahren wirtschaftlich unattraktiv. Genau hier setzt die neue Technologie aus Südkorea an.
Plasmaflamme verarbeitet feuchte Biomasse direkt
Die Forschenden entwickelten ein Verfahren, das sie Flammenplasma-Pyrolyse nennen. Dabei trifft feuchte Biomasse direkt auf eine Plasmaflamme, die durch die Verbrennung von Flüssiggas und Druckluft erzeugt wird. Die Temperaturen liegen bei etwa 800 bis 900 °C.
Anders als bei klassischen Pyrolyseverfahren entfällt die energieaufwendige Vortrocknung. Selbst Biomasse mit einem Feuchtigkeitsgehalt von rund 55 % lässt sich direkt verarbeiten.
Die Feuchtigkeit wird dabei nicht als Störfaktor behandelt. Im Gegenteil: Sie übernimmt eine aktive Rolle im Prozess.
Wenn Kaffeesatz wie Popcorn aufplatzt
Während der Behandlung verdampft das im Kaffeesatz eingeschlossene Wasser innerhalb kürzester Zeit. Der entstehende Dampf erzeugt einen starken Druck im Inneren der Partikel.
Die Folge sind winzige Explosionen, die die Forschenden als „Popcorn-Effekt“ bezeichnen. Die Partikel reißen auf und bilden eine poröse Struktur. Gleichzeitig wird die Verkohlung beschleunigt.
Dadurch entstehen mehrere Vorteile:
- die Reaktionsgeschwindigkeit steigt,
- die Oberfläche des Materials vergrößert sich deutlich,
- zusätzliche Aktivierungseffekte werden ausgelöst,
- die Umwandlung erfolgt in sehr kurzer Zeit.
Die Feuchtigkeit, die bislang als Hindernis galt, unterstützt somit den Prozess.
Heizwert erreicht Kohle-Niveau
Unter optimalen Bedingungen gelang die vollständige Umwandlung des Kaffeesatzes innerhalb von nur 90 Sekunden. Die Masse verringerte sich dabei um rund 83 %.
Die entstandene Biokohle erreichte einen Heizwert von 29 MJ/kg. Zum Vergleich: Der ursprüngliche Kaffeesatz kam auf 21,8 MJ/kg. Damit liegt der Heizwert in einem Bereich, der mit Anthrazitkohle vergleichbar ist.
Auch weitere Eigenschaften verbesserten sich deutlich:
- Der Anteil des gebundenen Kohlenstoffs stieg von 15,6 % auf 46,2 %.
- Schwefelhaltige Verbindungen wurden entfernt, wodurch Schwefeloxid-Emissionen bei einer späteren Verbrennung reduziert werden könnten.
- Die spezifische Oberfläche erhöhte sich von 1,5 auf 115,4 m²/g.
- Die Bildung von Rauch und Teer blieb gering.
Vor allem die stark vergrößerte Oberfläche macht die Biokohle auch für andere Anwendungen interessant. Denkbar wäre beispielsweise der Einsatz als Ausgangsmaterial für Aktivkohle oder als Adsorptionsmaterial in Filtersystemen.
Schneller als etablierte Verfahren
Besonders auffällig ist die Geschwindigkeit. Bei der hydrothermalen Karbonisierung dauert die Behandlung typischerweise zwischen einer und sechs Stunden. Die neue Methode erledigt die Umwandlung innerhalb von anderthalb Minuten.
Auch gegenüber der Torrefizierung, einem etablierten Verfahren zur Biomasseaufbereitung, ergibt sich ein deutlicher Zeitvorteil. Dort sind häufig mindestens 30 Minuten erforderlich.
Nach Ansicht der Forschenden könnte zudem der Gesamtenergiebedarf sinken. Einer der Hauptgründe dafür ist der Wegfall der energieintensiven Trocknung. Ob sich dieser Vorteil auch im industriellen Dauerbetrieb vollständig bestätigt, müssen jedoch weitere Untersuchungen zeigen.
Potenzial weit über Kaffeesatz hinaus
Die Forschenden sehen die Technologie nicht ausschließlich für Kaffeeabfälle. Grundsätzlich könnte sie auch bei anderen feuchten organischen Reststoffen eingesetzt werden.
Dazu zählen unter anderem:
- Lebensmittelabfälle,
- Klärschlamm,
- landwirtschaftliche Rückstände,
- organische Industrieabfälle.
Gerade für dezentrale Anlagen könnte das interessant sein. Dort verursachen Transport und Trocknung oft einen erheblichen Teil der Kosten.
Allerdings handelt es sich bislang um ein Verfahren, das seinen wirtschaftlichen Nutzen erst noch im größeren Maßstab beweisen muss. Fragen zu Investitionskosten, Energieverbrauch, Emissionen und Dauerbetrieb sind noch nicht abschließend geklärt.
Studienleiter Taejun Park sieht dennoch großes Potenzial: „Diese Technologie stellt ein neues Paradigma dar, bei dem Abfall nicht mehr als Entsorgungsproblem, sondern als wertvolle Energieressource betrachtet wird.“
Die nächsten Schritte stehen bereits fest. Das Team will die Technologie auf weitere feuchte Reststoffe übertragen und für den industriellen Einsatz weiterentwickeln.
