H-BRS erstellt Ökobilanz Kerosin aus Klärschlamm und Biomüll

Hier setzt das Forschungsprojekt Return an. Darin soll ein Verfahren zur Herstellung CO₂-neutraler synthetischer Kraftstoffe demonstriert werden, also von Kraftstoffen, die nicht auf Erdöl basieren. Die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (H-BRS) berechnet die CO₂-Bilanz für jeden einzelnen Schritt - von den Rohstoffen bis zum fertigen Produkt. CO₂-neutral Fliegen mit Hilfe von Klärschlamm und Biomüll – so lässt sich sehr vereinfacht die Idee hinter dem Forschungsprojekt Return (Recycling organischer Reststoffe und CO₂ zu Kraftstoffen) beschreiben.

Indem klimaneutral hergestellter synthetischer Kraftstoff fossilen Kraftstoff ersetzt, soll die Energiewende vorangetrieben und ein Beitrag zum weltweiten Klimaschutz geleistet werden. „Die Luftfahrtbranche lässt sich nicht komplett elektrifizieren“, sagt Professorin Stefanie Meilinger, die das Projekt an der H-BRS leitet. „Außerdem lassen sich Flüge vielleicht reduzieren, aber nicht komplett verhindern. Da brauchen wir andere Lösungen.“ Das gelte auch für manche Bereiche des Lastkraftverkehrs oder der Schifffahrt.

Drei Verfahren in drei Schritten

Eine Technologie für die Herstellung synthetischer Treibstoffe hat das Unternehmen Caphenia entwickelt. In einem einzigen Reaktor sollen drei bekannte chemische Verfahren in drei Schritten hintereinander und miteinander kombiniert werden, um ein Synthesegas herzustellen. Ausgangsmaterialien sind aus organischen Abfällen und Klärschlämmen erzeugtes Biogas (bestehend aus Methan und Kohlenstoffdioxid), Wasser und Strom aus erneuerbaren Energien.

Zunächst wird das Methan mithilfe von regenerativem Strom in seine Komponenten Kohlenstoff und Wasserstoff zerlegt. In einem zweiten Verfahrensschritt reagiert der Kohlenstoff mit dem Kohlenstoffdioxid und bildet Kohlenstoffmonoxid aus. In Schritt drei entsteht aus weiterem Kohlenstoff und Wasserdampf ebenfalls Kohlenstoffmonoxid, aber auch Wasserstoff – es ergibt sich insgesamt also eine Mischung aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Dieses Synthesegas kann danach mittels bekannter Konversionstechnologien in beliebige Kraftstoffe wie Kerosin, Diesel oder Benzin umgewandelt werden. 2021 war das Unternehmen für die Entwicklung dieses Verfahrens für den Deutschen Innovationspreis nominiert.

Reaktor-Prototyp getestet

Nun geht das Verfahren im Projekt Return in den vierjährigen Praxistest: In Frankfurt-Höchst wird ab 2023 ein Prototyp des Reaktors gebaut und das Verfahren erprobt, um seine technische Machbarkeit und Massenmarkttauglichkeit zu beweisen. Als zweiter Projektbeteiligter konzipiert das Institut für Verbrennungstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) Messverfahren am Reaktor und Simulationen. Die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg entwickelt ein Modell zur Bestimmung des CO₂-Fußabdruckes im gesamten Prozess und in der Testanlage.

„Wir begleiten den Bau des Testreaktors mit einer Ökobilanz und erstellen eine vollständige Lebenszyklusanalyse“, sagt H-BRS-Professorin Meilinger. Die benötigten Materialen für den Bau des Reaktors werden ebenso auf ihre CO₂-Bilanz hin untersucht wie die Bereitstellung des Biogases und die Synthesegasproduktion selbst. Die ökologische Nachhaltigkeitsbetrachtung geht aber noch darüber hinaus. Die H-BRS entwickelt ein Modell, das nicht nur den Ist-Zustand des Testreaktors abbildet, sondern auch die Abhängigkeiten aller Parameter untereinander berücksichtigt und damit für unterschiedliche Standortbedingungen variabel angepasst werden kann.

„Unsere Hoffnung ist, dass bei diesem neuen Verfahren wesentlich weniger Energie eingesetzt werden muss als bei anderen Verfahren“, sagt die H-BRS-Professorin, deren Forschungsschwerpunkte die en Technologien sind. „Und vom Biogas wird nicht nur das Methan genutzt, sondern auch das Kohlenstoffdioxid, was die Bilanz weiter verbessert.“

Grundsätzlich ist es Meilinger wichtig, dass technologische Entwicklungen und ökologische Bewertungen zusammengebracht werden. „Um die Energiewende zu schaffen, müssen wir jede Technologie konsequent untersuchen, die Alternativen diskutieren und ihre Ökobilanzen berechnen“, sagt sie. „Wir müssen uns immer anschauen, wie die Verfahren im Vergleich aussehen.“ Das ist auch etwas, das sie ihren Studierenden der en Ingenieurwissenschaft beim „Life Cycle Assessment“ (LCA), also der Ökobilanzierung, die ein Spezialgebiet der Hochschule ist, näherbringen will.

Hintergrund der Forschung

Der 3-in-1-Zonenreaktor ist ein chemischer Reaktor, der physikalische Effekte nutzt, um aus verschiedenen Rohstoffen ein Synthesegas zu erzeugen – ein Zwischenprodukt, aus dem synthetische Kraftstoffe, aber auch andere chemische Produkte hergestellt werden können.

Der Reaktor ist in drei übereinander liegende Bereiche aufgeteilt. Der Prozess beginnt im oberen Bereich, in der sogenannten Plasmazone, mit dem thermischen Verfahren der Plasmapyrolyse. Hier wird Methan (CH₄) eingeleitet und auf circa 2.000 °C erhitzt. Das Erhitzen erfolgt mit einem Lichtbogen, also durch das Anlegen von Strom. Bei der Plasmapyrolyse zerfällt jedes Methanmolekül zu je einem Kohlenstoffatom (C) und zwei Molekülen Wasserstoff (H₂).

Diese Reaktionsprodukte werden in die mittlere Kammer geführt. Hier, in der Boudouard-Zone, wird Kohlenstoffdioxid (CO₂) eingeleitet, um eine von Octave Leopold Boudouard (1872 bis 1923) entdeckte Reaktion auszunutzen. Das Kohlenstoffdioxid reagiert dabei mit dem Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid (CO).

In der hetWGS-Zone (heterogene Water-Gas-Shift-Reaktion) wird Wasser eingeleitet, das ebenfalls mit dem heißen Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) reagiert – den beiden Bestandteilen des Synthesegases. Das CO-H₂-Verhältnis ist einstellbar.