Biobasierte Produkte und Kraftstoffe

"Bioökonomie ist ein zentraler Baustein für eine nachhaltige klimaneutrale Kreislaufwirtschaft. Unser Beitrag hierfür umfasst die Forschung und Entwicklung von innovativen und wettbewerbsfähigen Technologien für biobasierte Produkte und Kraftstoffe."

Dr. Franziska Müller-Langer, Leiterin des Forschungsschwerpunkts

Zielstellung

Der Forschungsschwerpunkt ist ein wichtiger Bestandteil der Gesamtprozessketten vom Rohstoff Biomasse zu Biokraftstoffen und chemischen Bioenergieträgern als Produkte von Bioraffinerien. Er umfasst neben der Verfahrens- und Konzeptentwicklung auch die Umsetzung im Labor- und Technikumsmaßstab sowie die Technikbewertung. Übergeordnetes Ziel ist es, mit innovativen Technologieansätzen zu flexibel arbeitenden, hocheffizienten und nachhaltigen Bioraffineriekonzepten beizutragen und damit auch den Anforderungen im Kontext der Bioökonomie Rechnung zu tragen.

Dazu werden chemische Veredlungsverfahren mit Fokus auf hydrothermale Prozesse (HTP) weiterentwickelt. Die Entwicklung von Fraktionierungsverfahren zur Fest-Flüssig- und Flüssig-Flüssig- Trennung spielt eine wichtige Rolle als Verbindungsglied zwischen den einzelnen Forschungsschwerpunkten (insbesondere in Verbindung mit anaeroben Verfahren und HTP-Zwischenprodukten). Ein weiterer Baustein ist die Entwicklung von Synthesegasverfahren für die Erzeugung hochwertiger Produkte, wobei Biomethan in Form von Bio-Synthetic Natural Gas (Bio-SNG) im Mittelpunkt steht. Kurzfristig soll ein beispielhaftes HTP-basiertes Bioraffineriekonzept entwickelt werden. Dazu konzentrieren sich die Arbeiten im Forschungsschwerpunkt auf (i) die Analyse von relevanten Einzelverfahren und erforderlichen Systemkomponenten, (ii) Vorversuche für ausgewählte Einzelverfahren (z. B. HTP, Vergasung, Methanisierung zu SNG) und (iii) die Vorbereitung einer begleitenden Technikbewertung (Fokus: Stoff- und Energiebilanzierung, Kosten und Wirtschaftlichkeit, Umwelteffekte).

Hintergrund

Unter dem Begriff Bioraffinerie wird ein integratives, multifunktionelles Gesamtkonzept verstanden, welches Biomasse als vielfältige Rohstoffquelle für die nachhaltige Erzeugung unterschiedlicher Produkte wie z. B. Chemikalien, Werkstoffe sowie auch Bioenergie inklusive Biokraftstoffe nutzt. Als Koppelprodukte können hier zusätzlich auch Nahrungs- und/oder Futtermittel anfallen. Dabei gibt es nicht das eine Bioraffineriekonzept. Das Prozess-/Technologiedesign ist abhängig von den jeweiligen Einsatzstoffen, Zielprodukten und den regionalen Gegebenheiten.

Heute fungieren Biokraftstoffanlagen für Biodiesel und Bioethanol als Multiproduktanlagen, wo neben Biokraftstoffen auch Futtermittel und weitere Energieträger produziert werden. Für zukünftige, innovative und nachhaltige Bioraffineriekonzepte mit Fokus auf eine bedarfsgerechte Biokraftstoffbereitstellung müssen neben der Erweiterung der zu verarbeitenden Rohstoffbasis (z.B. Lignocellulose, Rest-/Abfallstoffe, Algen) und des Produktportfolios auch Ansätze hin zu einem flexiblen Anlagenbetrieb entwickelt werden.

In der Gesamtprozesskette vom Rohstoff Biomasse zu Biokraftstoffen und chemischen Bioenergieträgern stellt der Forschungsschwerpunkt "Biobasierte Produkte und Kraftstoffe" einen wesentlichen Bestandteil dar. Er umfasst neben der theoretischen Verfahrens- und Konzeptentwicklung auch die Umsetzung im Labor- und Technikumsmaßstab sowie die Technikbewertung. Übergeordnetes Ziel des Schwerpunkts ist es, mit innovativen Technologieansätzen zu flexibel arbeitenden, hocheffizienten und nachhaltigen Bioraffineriekonzepten beizutragen und damit auch den Anforderungen im Kontext der Bioökonomie Rechnung zu tragen.

 

Ausblick

Im Schwerpunkt "Biobasierte Produkte und Kraftstoffe" werden Ansätze hinsichtlich der Weiterentwicklung chemischer Veredlungsverfahren mit Fokus auf hydrothermale Prozesse (HTP) verfolgt. Weitere Arbeitsthemen sind die Entwicklung von Fraktionierungsverfahren zur Abtrennung wertvoller Produkte aus wässrigen Lösungen und Suspensionen sowie die Entwicklung von Synthesegasverfahren für die Erzeugung hochwertiger Produkte (z.B. Synthetic Natural Gas, SNG). Begleitend dazu werden gemeinsam mit Forschungsschwerpunkt "Systembeitrag von Biomasse" die bestehenden methodischen Ansätze und Werkzeuge der Technikbewertung (z.B. Einordnung von technischem Entwicklungsstand und weiterer technischer Kriterien, Kosten- und Wirtschaftlichkeit, Umwelteffekte) weiterentwickelt und auf beispielhafte Bioraffineriekonzepte angewendet.

Zu den kurzfristigen Forschungsziele zählen die Entwicklung beispielhafter Bioraffineriekonzepte, die auf hydrothermalen Prozessen basieren. Dazu zählen die Analyse von relevanten Einzelverfahren und erforderlichen Systemkomponenten, Vorversuche für ausgewählte Einzelverfahren (z.B. hydrothermale Prozesse, Vergasung, Methanisierung zu Synthetic Natural Gas) sowie die technische Bewertung (Stoff- und Energiebilanz, Kosten- und Wirtschaftlichkeit, Umwelteffekte). Mittelfristig stehen die Abbildung ausgewählter Bioraffineriekonzepte im Labor- und Technikumsmaßstab und die Weiterentwicklung im Fokus. Die experimentelle Umsetzung der Einzelverfahren und Kopplung unter Ausnutzung der Laborinfrastruktur für hydrothermale Prozesse, Fraktionierungsverfahren, Vergasung, Gasreinigung/-konditionierung und Methanisierung soll hierbei ebenso vollzogen werden, wie die Modellierung und Bilanzierung der Einzelverfahren und des auf hydrothermalen Prozessen basierenden Bioraffineriekonzeptes. Ziel ist die Weiterentwicklung und Optimierungsansätze für das gesamte Bioraffineriekonzept.

Flyer Bioraffinerietechnikum (3.42 MB)

Der Flyer zum Bioraffinerietechnikum fast die wichtigsten Prozesse (Hydrothermale Prozesse, Vergasung, Gasreinigung, Synthesen, Fraktionierungsverfahren) und die vorhandenen technischen Kapazitäten zusammen.

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Wichtige Referenzprojekte (Auswahl)

  • CapAcidy – Bio-basierte Capron- und Caprylsäure - Herstellung, Aufreinigung, Vermarktungsstrategie, Bundesministerium für Bildung und Forschung/Projektträger Jülich, 01.07.2017 - 30.09.2019 (FKZ: 031B0389A) 
  • DEMO-SPK – Forschungs- und Demonstrationsvorhaben: Einsatz von erneuerbarem Kerosin am Flughafen Leipzig/Halle, Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (Inhouse), 04.11.2016 - 30.04.2019
  • HTC-liq – Entwicklung eines hocheffizienten Kaskadenprozesses zur Aufbereitung von Prozesswässern aus hydrothermalen Prozessen, insbes. der hydrothermalen Carbonisierung mit Gewinnung von org. Säuren, anschließender energetischer Nutzung und Prozesswasserreinigung, Sächsische Aufbaubank, 01.04.2017 - 31.03.2020 (FKZ: 100283030)
  • Fermenthen – Alkenproduktion aus Biogas zur Nutzung von Überschussstrom, Sächsische Aufbaubank, 01.10.2016 - 30.09.2019 (FKZ: 100244827)
  • BBCHEM – Aufwertung von kohlehydrathaltigen Stoffströmen zu bio-basierten Chemikalien. Teilvorhaben 2: Hydrothermale Umsetzung, Bundesministerium für Bildung und Forschung/Projektträger Jülich, 01.03.2016 - 28.02.2018 (FKZ: 033RK031B)

Wichtige Veröffentlichungen (Auswahl)

  • Köchermann, J.; Görsch, K.; Wirth, B.; Mühlenberg, J.; Klemm, M. (2018). "Hydrothermal carbonization: Temperature influence on hydrochar and aqueous phase composition during process water recirculation". Journal of Environmental Chemical Engineering (ISSN: 2213-3437), Vol. 6, H. 4. S. 5481–5487. DOI: 10.1016/j.jece.2018.07.053.
  • Kröger, M.; Klemm, M.; Nelles, M. (2018). "Hydrothermal Disintegration and Extraction of Different Microalgae Species". Energies (ISSN: 1996-1073), Vol. 11, H. 2. DOI: 10.3390/en11020450.
  • Matthischke, S.; Roensch, S.; Güttel, R. (2018). "Start-up Time and Load Range for the Methanation of Carbon Dioxide in a FixedBed Recycle Reactor". Industrial & Engineering Chemistry Research (ISSN: 0888-5885), Vol. 57, H. 18. S. 6391–6400. DOI: 10.1021/acs.iecr.8b00755.
  • Schneider, J.; Struve, M.; Trommler, U.; Schlüter, M.; Seidel, L.; Dietrich, S.; Rönsch, S. (2018). "Performance of supported and unsupported Fe and Co catalysts for the direct synthesis of light alkenes from synthesis gas". Fuel Processing Technology (ISSN: 0378-3820), H. 170. S. 64–78. DOI: 10.1016/j.fuproc.2017.10.018.
  • Zech, K.; Dietrich, S.; Reichmuth, M.; Weindorf, W.; Müller-Langer, F. (2018). "Techno-economic assessment of a renewable biojet-fuel production using power-to-gas". Applied Energy (ISSN: 0306-2619), H. 231. S. 997–1006. DOI: 10.1016/j.apenergy.2018.09.169.