In den Abfällen von Molkereien, Fruchtsaftherstellern, Keltereien, Schlachthöfen und Papierproduzenten stecken gewaltige energetische Schätze, die bisher nicht genutzt werden konnten, weil sie feucht sind. Der darin enthaltene Kohlenstoff lässt sich deshalb nicht sinnvoll nutzen.
Das haben Forscher der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften (ZHAW) gemeinsam mit österreichischen Partnern jetzt geändert. Sie stellen daraus Biomethan her, das ins Erdgasnetz eingespeist wird, und Biokohle, die verbrannt werden kann, um Prozesswärme ohne Belastung des Klimas zu erzeugen.
Sie lässt sich auch in Pulverform in die Böden von landwirtschaftlichen Betrieben einbringen, um sie zu verbessern, sie fruchtbarer zu machen. Auf diese Weise verschwindet der Kohlenstoff dauerhaft aus der Atmosphäre, hat also keine Chance mehr, das Klima zu beeinflussen.
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Verwertung direkt beim Verursacher
Das Projekt mit dem Namen ‚Valorisation of industrial residues for a sustainable industry‘ (VARESI) zielt darauf ab, organische Reststoffe direkt beim jeweiligen Industrieunternehmen zu verwerten, das die Prozesswärme abnehmen und das Biomethan direkt nutzen könnte, etwa zur klimaneutralen Stromerzeugung.
„Wir holen das Maximum an Energie heraus“
„Wir holen aus diesen Reststoffen mit einer Bioraffinerie das Maximum an Energie heraus“, verspricht ZHAW-Projektleiter Hajo Nägele. „Bioraffinerie steht dabei für ein gesamtheitliches Verwertungskonzept, das als zentrale Prozessstufe eine Biogasanlage einsetzt und diese mit weiteren Technologien ergänzt.“ In einer Demonstrationsanlage, betrieben am Institut für Chemie & Biotechnologie der ZHAW, haben die Forscher bereits gezeigt, dass sich ihre Idee umsetzen lässt.
Erste Komponente ist eine Biogasanlage, in der die flüssigen Abfälle vergoren werden. Dabei entsteht ein Mix aus Biomethan und Kohlenstoffdioxid (CO2). Dieses Gasgemisch kann verbrannt werden, um Wärme und Strom zu erzeugen, doch ohne aufwändige Abtrennung des CO2 ist dieser Prozess keineswegs klimafreundlich.
Biokohle entsteht unter Druck und Hitze
Besser ist es, den ersten Schritt auszulassen und gleich mit der Hydrothermalen Karbonisierung (HTC) zu beginnen, der auch die Reste aus Stufe eins unterzogen werden, wenn sie denn nicht eingespart wird. Bei einem Druck von 20 bar und einer Temperatur von 200 bis 220 Grad Celsius wird der Kohlenstoff aus den Abfällen in feste Biokohle umgewandelt, allerdings nicht komplett.
Im Restwasser ist noch eine Menge davon übrig, was sich in der dritten Stufe ändert. Diese ist identisch mit Stufe eins, der Biogasanlage. Darin tummeln sich Mikroorganismen, die den Kohlenstoff in Methan umwandeln. Der durch das HTC-Verfahren zusätzlich im Prozesswasser freigesetzte Kohlenstoff ist grundsätzlich sehr gut anaerob verwertbar.
Erfolgreicher Test in Wädenswil
Mikrobiologisch nicht verwertbarer, hochmolekularer Kohlenstoff wird über eine Membranfiltration abgetrennt und verbrannt. Zurück bleibt gereinigtes Wasser, das in der Industrie verwendet werden kann.
Diesen Verwertungsprozess in drei oder zwei Schritten hat das Forscherteam am ZHAW-Standort Wädenswil mit Papierschlämmen praktisch erprobt. Neben der Herstellung von HTC-Prozesswasser und dessen Charakterisierung lag der Schwerpunkt auf der konsequenten Verwertung dieses Reststoffstromes.
Das war eine besondere Herausforderung, da der Schlamm Fremdstoffe enthält, die den Gärprozess hemmen oder im Extremfall vollständig zum Erliegen bringen können. Durch eine geschickte Prozessführung gab es jedoch keine Störungen.
CO2-Emissionen könnten um 13 % sinken
Wenn die rund 20.000 t flüssiger Reststoffe pro Jahr mit dem Verfahren verwertet würden, könnten daraus rund 34.000 Megawattstunden (MWh) thermische Energie gewonnen werden. Das ist ein Mehrertrag von 12.600 MWh gegenüber dem herkömmlichen Verwertungsprozess mit Entwässerung und Verbrennung.
Der Mehrertrag entspräche sieben Prozent des Gesamtenergiebedarfs der Papierfabrik im Jahr 2023. Durch die Substitution von Erdgas könnten die jährlichen CO₂-Emissionen um rund 13 Prozent gesenkt werden.
Auch für Landwirtschaft und Kläranlagen
Das Konzept könnte auch zur Dekarbonisierung der Landwirtschaft und in der -Abwasserbehandlung eingesetzt und mit einer Rückgewinnung von wertvollem Stickstoff- und Phosphatdünger kombiniert werden. Bisher ist das Verfahren allerdings noch nicht wirtschaftlich, was sich ändern kann, wenn die Kosten für die Emission von CO2 steigen.
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