Abgeschlossenes Verbundprojekt "Biochemisch-katalytisch hergestellte Biotreibstoffe"
Zur Gewinnung von Biotreibstoffen für die Luftfahrt wurde eine neue Technologie entwickelt und deren Nachhaltigkeit bewertet.
Die Luftfahrt wird auch in Zukunft Flüssigtreibstoffe mit hoher Energiedichte benötigen. Zur Gewinnung solcher Treibstoffe aus lignocellulosehaltiger Biomasse wurde eine Technologie mit aufeinanderfolgenden biochemischen und katalytischen Umwandlungsverfahren entwickelt. Zudem wurde die wirtschaftliche und ökologische Nachhaltigkeit dieser Technologie bewertet.
Resultate
Zur Umwandlung aller Kohlenhydrat-Fraktionen von lignocellulosehaltiger Biomasse entwickelte das Projektteam unter der Leitung von Dr. Michael Hans-Peter Studer an der Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften HAFL eine Milchsäure-Plattform zur Herstellung von Carbonsäuren. Eine künstlich zusammengestellte mikrobielle Gemeinschaft verwertet die heterogenen Ausgangsstoffe zu Milchsäure als gemeinsame Zwischenstufe, die anschliessend in die angestrebten Säuren weiter umgewandelt wird. Die Machbarkeit dieses Konzepts wurde exemplarisch gezeigt durch die Produktion von 196,5 kg Buttersäure pro Tonne Buchenholz.
Beim katalytischen Aufwertungsprozess wurde mit einem Cu/SiO2-Al2O3-Katalysator eine selektive Synthese von Olefinen von > 90 Prozent bei einer Umwandlung von gegen 99 Prozent der Carbonsäuren erreicht. Bei der vollen Umwandlung wurde eine plötzliche Änderung der Selektivität von Olefinen zu hauptsächlich Alkanen beobachtet. Die Carbonsäuren konnten mit Cu/ZrO2 als Katalysator in einem einzigen Schritt zu einem organischen Öl aus C8- bis C16-Verbindungen von Aromaten und Cykloalkenen umgewandelt werden. Dieses Öl lässt sich bezüglich spezifischer Energie und Destillationseigenschaften bis zu einem Anteil von 10 Vol.-% mit dem Treibstoff Jet A-1 mischen.
Die Analyse zur Nachhaltigkeit zeigte, dass die potenziell verfügbare pflanzliche Biomasse in der Schweiz bis zu 500’000 Tonnen Trockensubstanz pro Jahr betragen könnte. Wenn Holz mitberücksichtigt wird, könnte diese Menge ein Mehrfaches erreichen. Das Ausgangsmaterial für eine mögliche Bioraffinerie in der Schweiz würde aus einer Mischung von Holzresten, Pflanzenmaterial aus extensivem Grasland, Ernterückständen aus der Landwirtschaft und Waldholz bestehen, das ohne Umweltbeeinträchtigung verwendet werden könnte, das heisst ohne die organische Substanz des Bodens zu reduzieren. Auf der Basis bestehender Labordaten (grundlegende Technologien, Ertrag, Rate) wurde der Mindestverkaufspreis von Flugzeugtreibstoff, der in einer Pilotanlage mit einer jährlichen Kapazität von 10’000 Tonnen verarbeiteter Biomasse aus Lignocellulose gewonnen wird, auf 3,60 CHF/Liter geschätzt. Das entspricht etwa dem doppelten aktuellen Kerosinpreis, aber den Preisprognosen für andere Ansätze der Treibstoffproduktion aus Biomasse.