Hydrothermale Prozesse

Hydrothermale Prozesse (HTP) wandeln unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur stark wasserhaltige Biomasse in feste, flüssige oder gasförmige Kohlenstoffträger um. Die wichtigste Zutat hierfür ist Wasser oder Wasserdampf. HTP sind insbesondere für die Veredelung von Biomasse und als innovativer Entsorgungsweg feuchter biogener Reststoffe Gegenstand aktueller Untersuchungen. Sie tragen somit nachhaltig zum Ressourcenschutz bei und sind ein essentieller Baustein der Bioökonomie.

 

 

Da mit steigenden Temperaturen und Drücken unterschiedliche Produkte entstehen, unterscheidet man bei hydrothermalen Prozessen zwischen hydrothermaler Carbonisierung (HTC Link = hydrothermal carbonization), hydrothermaler Verflüssigung (HTL Link = hydrothermal liquefaction) und hydrothermale Vergasung (HTG = hydrothermal gasification).

 

 

Die Arbeiten am DBFZ konzentrieren sich hauptsächlich auf die Carbonisierung und Verflüssigung. Durch den Einsatz zahlreicher Versuchsanlagen (Link) konnte bereits eine Vielzahl von Forschungsprojekten (Link) erfolgreich bearbeitet werden. Die erworbene Expertise am DBFZ beruht vor allem auf der Nutzung biogener Reststoffe (Link).

Hydrothermale Carbonisierung (HTC)

Die hydrothermale Carbonisierung (HTC) wandelt feuchte biogene Reststoffe in sogenannte HTC-Kohle (Link) um. Der Prozess nutzt dabei die veränderten Eigenschaften flüssigen Wassers bei erhöhten Temperaturen (180-280 °C) und erhöhtem Druck (10-65 bar). Neben der Eigenschaft als Lösungsmittel, fungiert Wasser auch als Reaktionspartner und Wärmeträger.

Biomasse ist reich an chemisch gebundenem Sauerstoff. Während der HTC finden v.a. sog. Dehydratisierungsreaktionen statt, bei denen der chemisch gebundene Sauerstoff in Form von Wasser abgespalten wird. Zurück bleibt der in der Biomasse ebenfalls enthaltene Kohlenstoff, jedoch in deutlich erhöhter Konzentration, weswegen man von Kohle sprechen kann.

Die so entstandene HTC-Kohle kann für unterschiedliche Anwendungen genutzt werden. Neben der energetischen Nutzung (Verbrennung oder Vergasung) kann sie auch stofflich genutzt werden, z. B. als Aktivkohle oder Bodenhilfsstoff (Link). Bei der Verwertung von nährstoffreichen, biogenen Reststoffen wie Klärschlamm oder Gülle (Link) ermöglicht der HTC-Prozess überdies die Rückgewinnung wertvoller Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor. Klärschlamm und tierische Güllen stellen die größte heimische Phosphorquelle für die Landwirtschaft dar, verursachen jedoch durch ihre Ausbringung auf landwirtschaftliche Nutzflächen hohe Stickstoff- und Phosphoremissionen in Gewässer und Luft. Eine Nährstoffrückgewinnung würde helfen, Stoffkreisläufe nachhaltig zu schließen und die Umwelt zu schonen.

Während der HTC entstehen im Prozesswasser auch biobasierte Grundchemikalien (Link). Durch gezielte Prozessführung lassen sich so interessante Verbindungen wie 5‑Hydroxymethylfurfural (HMF), Furfural und Lävulinsäure gewinnen. Diese eignen sich zum Beispiel für die Herstellung von Kunststoffen oder dienen als Kraftstoffvorprodukte oder Additive (Link) und können fossile Produkte ersetzen. Das HTC-Prozesswasser kann darüber hinaus für die Biogasproduktion genutzt werden.

Hydrothermale Verflüssigung (HTL)

Die hydrothermale Verflüssigung läuft im Vergleich zur HTC bei höheren Temperaturen (250-400 °C) und Drücken (30-250 bar) und kürzeren Reaktionszeiten (5-60 min) ab. Durch die deutlich drastischeren Reaktionsbedingungen wird die Biomasse nahezu vollständig verflüssigt. Die verflüssigte Biomasse besteht aus zwei Phasen: einer wässrigen sowie einer öligen Phase, auch Biorohöl (bio-crude oil) genannt. Während die wässrige Phase überwiegend organische Säuren enthält, befinden sich in der öligen Phase unpolare und aromatische Kohlenwasserstoffe. Das Biorohöl kann so in Abhängigkeit vom eingesetzten Ausgangsmaterial einen Brennwert zwischen 30 und 36 MJ kg-1 erreichen. Jedoch enthält das Öl noch einen Sauerstoffanteil zwischen 10 und 20 %. Durch Entfernung des Sauerstoffs mittels Wasserstoff (Hydrierung) und anschließender Fraktionierung (Rektifikation), kann so das Biorohöl in die verschiedenen Kraftstoffe (Kerosin, Benzin, Diesel etc.) aufbereitet werden. (Link).