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Verfahren für chemische Bioenergieträger und Kraftstoffe

"Wichtige Bausteine für die Umsetzung der Ziele der Bioökonomiestrategie sind die Erforschung und Entwicklung innovativer Technologieansätze für möglichst flexibel arbeitende, hocheffiziente und nachhaltige Bioraffineriekonzepte."
(Dr. Franziska Müller-Langer, Leiterin des Forschungsschwerpunkts "Verfahren für chemische Bioenergieträger und Kraftstoffe")

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 Verfahren für chemische Bioenergieträger 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.

Aktuelle Forschungsthemen in den Arbeitsgruppen

Chemische Biomasseveredelungsverfahren
Komponentenentwicklung mit Fokus auf thermo-chemische Verfahren (z. B. Vergasungsprozesse mit gravimetrischen Rektionsretorten, katalytische Prozesse mit Rohrreaktor und Plattenreaktor)
Analyse und versuchstechnische Optimierung der Biomassevergasung (z. B. innovative Biomassekonditionierungsverfahren, mehrstufige Prozessführung unter Berücksichtigung der Effekte für die Gaskonditionierung und Produktsynthese)
Untersuchung von Prozessen und Technologien für die hydrothermale Biomassekonversion
Kraftstoff- und Fraktionierungsverfahren
Analyse und Optimierung bestehender Biokraftstoffanlagen und einzelner Systemkomponenten
Weiterentwicklung von Biokraftstoffanlagen zu Bioraffinerien, zur optimalen Überführung biogener Rohstoffe in Energieträger und weitere Produkte
Entwicklung innovativer Konzepte und Technologien zur Erschließung alternativer Rohstoffquellen (z. B. Lignozellulose, Reststoffe und Algen)
Synthesegasverfahren
Demonstration und Katalysatorprüfung ausgewählter chemischer Synthesen (Fokus Methanisierung)
Entwicklung innovativer Reaktorkonzepte für dezentrale Anwendungen (strukturierte Reaktoren, etc.)
Optimierung von dynamischen Reaktorverhalten (dynamische Simulation, CFD-Simulation, Messungen)
Gesamtsystembewertung
Strategieentwicklung und Politikberatung, Monitoring
Bewertung von Biokraftstoff- und Bioraffineriekonzepten nach (i) singulären Kriterien (technologisch, ökologisch, betriebs- und volkswirtschaftlich) und (ii) multikriteriellen Zielsetzungen
Machbarkeitsstudien
Initiierung und Begleitung von Demonstrationsprojekten

Ausblick

Im Schwerpunkt "Verfahren für chemische Bioenergieträger 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.

Wichtige Referenzprojekte und Veröffentlichungen (Auswahl)

  • Projekt: "Demonstrationsvorhaben KomBiChemPro – Fein- und Plattformchemikalien aus Holz durch kombinierte chemisch-biologische Prozesse – Teilvorhaben B", Bundesministerium für Bildung und Forschung/Projektträger Jülich, 15.11.2015–14.05.2018 (FKZ: 031B0083B)
  • Projekt: Spitzencluster BioEconomy, TG 4, Bioraffinerie zur integrierten hydrothermalen Produktion von Brennstoff sowie der Grundchemikalien Phenol und Furan aus Biomasse, Bundesministerium für Bildung und Forschung/Projektträger Jülich, 01.11.2014–30.09.2017 (FKZ: 031A445A)
  • Projekt: Spitzencluster-BioEconomy: "TG 5, Begleitforschung: Nachhaltige wettbewerbsstrategische Handlungskonzepte und Steuerungsinstrumente des BioEconomy-Cluster in Mitteldeutschland, TP 5.1.1", Bundesministerium für Bildung und Forschung/Projektträger Jülich, 01.07.2012–30.06.2017 (FKZ: 031A078B)
  • Projekt: Verbundvorhaben FEBio@H2O Flüssige Energieträger aus einer integrierten hydrothermalen Umwandlung von Biomasse, Teilprojekt "Biomasseabbau und Gesamtprozess", Bundesministerium für Bildung und Forschung/ Projektträger Jülich, 01.01.2013–31.12.2015 (FKZ: 03EK3508A)
  • Projekt: GRAIL – Glycerol Biorefinery Approach for the Production of High Quality Products of Industrial Value, EU-Projekt, 01.11.2013–31.10.2017 (GA 613667)
  • Veröffentlichung: Köchermann, J.; Schneider, J.; Matthischke, S.; Rönsch, S. (2015): Sorptive H2S removal by impregnated activated carbons for the production of SNG. In: Fuel Processing Technology. Bd. 138. S. 37–41. doi: 10.1016/j.fuproc.2015.05.004 – ISSN 0378-3820.
  • Veröffentlichung: Müller-Langer, F.; Dahmen, N. (2015): Biofuels for transport in Germany. In: IEA Task39 Newsletter. S. 4–12. Newsletter Issue 41. Datum: 12/2015.
  • Veröffentlichung: Müller-Langer, F.; Klemm, M. (2015): Liquid and gaseous biofuels for the transport sector. In: Thrän, D. (Hrsg.): Smart Bioenergy – Technologies and concepts for a more flexible bioenergy provision in future. S. 107–120. Springer-Verlag. Heidelberg – ISBN 978-3-319-16192-1.
  • Veröffentlichung: Rönsch, S.; Schneider, J.; Matthischke, S.; Schlüter, M.; Götz, M.; Lefebvre, J.; Prabhakaran, P.; Bajohr, S. (2015): Review on methanation – From fundamentals to current projects. In: Fuel. Bd. 166. S. 276–296. doi: 10.1016/j.fuel.2015.10.111 – ISSN 0016-2361.
  • Veröffentlichung: Zech, K.; Oehmichen, K.; Grasemann, E.; Michaelis, J.; Funke, S.; Seiffert, M. (2015): Technical, economic and environmental assessment of technologies for the production of biohydrogen and its distribution: Results of the Hy-NOW study. In: International Journal of Hydrogen Energy. Bd. 40 (Nr. 15). S. 5487–5495. doi: 10.1016/j.ijhydene.2015.01.177 – ISSN 0360-3199.

Ansprechpartnerin

Dr. Franziska Müller-Langer
Leiterin des Forschungsschwerpunkts Verfahren für
chemische Bioenergieträger und Kraftstoffe
Tel. +49 (0)341 2434-423
Fax +49 (0)341 2434-133
E-Mail: franziska.mueller-langer(at)dbfz(dot)de