Durchbruch bei Biotreibstoff: HyFlexFuel wandelt Klärschlamm in Kerosin um

Jun 22, 2021 | Pressemitteilung

Im Rahmen des von der EU geförderten Forschungsprojekts HyFlexFuel ist es kürzlich gelungen, in einer kontinuierlichen HTL-Anlage im Pilotmaßstab an der Universität Aarhus (Dänemark) Biobrennstoffe mittels hydrothermaler Verflüssigung (HTL) aus einer Vielzahl von Biomassen zu produzieren, darunter Klärschlamm, Lebensmittelabfälle, Gülle, Weizenstroh, Maisstroh, Kiefernsägemehl, Miscanthus und Mikroalgen. „Es war ein echter Meilenstein für HyFlexFuel, die Biokraftstoffproduktion aus einer solchen Vielfalt von Rohstoffen im Hunderter-Kilogramm-Maßstab zu demonstrieren“, sagt Patrick Biller, der die HTL-Forschung im Pilotmaßstab an der Universität Aarhus leitet. Biocrude aus drei repräsentativen Rohstoffen, Spirulina (Mikroalgen), Klärschlamm und Weizenstroh, wurden an der Universität Aalborg (Dänemark) zu einem Gemisch aus Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen weiter veredelt. „Dank der Expertise mehrerer Projektpartner hat HyFlexFuel bewiesen, dass HTL-Bio-Brennstoffe in einer industriell relevanten Umgebung erfolgreich zu Drop-in-Kraftstoffen veredelt werden können, wobei Hunderte von Stunden Dauerbetrieb erreicht wurden“, ergänzt Daniele Castello von der Universität Aalborg. Analysen der Kerosinfraktionen des aufgerüsteten Biokraftstoffs zeigen vielversprechende Zusammensetzungen für eine Verwendung als Flugkraftstoff. „Die Herstellung von HTL-Kraftstoffen aus drei verschiedenen Rohstoffklassen zeigt die Flexibilität des Prozesses“, sagt Projektkoordinator Valentin Batteiger vom Bauhaus Luftfahrt (Deutschland). „Die Erfüllung der Spezifikationen für Flugzeugtreibstoff ist ein geeignetes Ziel, um zu validieren, dass Hochleistungs-Transportkraftstoffe tatsächlich aus einer breiten Palette von Rest- und Abfallströmen durch hydrothermale Verflüssigung hergestellt werden können.“

Sustainable aviation fuel components produced within the HiFlexFuel project
The research team at Aalborg University
Research plant for catalytic hydrothermal gasification of organic compounds

HTL als Schlüssel für eine nachhaltige Biokraftstoffproduktion

Die Dekarbonisierung des Transportsektors wird große Mengen an erneuerbaren Kraftstoffen erfordern. Bislang werden erneuerbare Diesel- und Düsenkraftstoffe hauptsächlich aus Pflanzenölen gewonnen, aber die EU-Richtlinie für erneuerbare Energien schränkt die Verwendung von Biokraftstoffen aus Nahrungs- und Futtermittelpflanzen ein, da sie bei einer Produktion in großem Maßstab nicht den Nachhaltigkeitsanforderungen entsprechen. Für die Zukunft wird es wichtig sein, fortschrittliche Biokraftstoff-Umwandlungstechnologien zu kommerzialisieren, die eine breitere und nachhaltigere Rohstoffbasis nutzen.

Das HTL-Verfahren

Die hydrothermale Verflüssigung (HTL) ist eine aufstrebende Biokraftstofftechnologie zur Herstellung von Transportkraftstoffen aus einer Vielzahl von Bioabfällen und anderen Biomassen.

HTL hat mehrere Schlüsselvorteile, von denen die wichtigsten sind:

  • Flexibles Produktionspotenzial: Die HTL-Konvertierungstechnologie zapft eine riesige globale Bio-Ressource mit einer lokalen Vielfalt an primären Biomassen an. Die Technologie ist mit einer Vielzahl von organischen Abfällen und Reststoffen, lignozellulosehaltigen Energiepflanzen oder aquatischen Biomassen kompatibel und kann an spezifische regionale Rohstoffverfügbarkeiten angepasst werden.
  • Kosteneffizienz: Sie kann fortschrittliche Biokraftstoffe, von Schiffskraftstoffen bis hin zu Kerosin, potenziell zu niedrigeren Kosten als die meisten konkurrierenden Wege für erneuerbare Kraftstoffe produzieren.
  • Nachhaltigkeit: Die HTL-Technologie hat das Potenzial, Kraftstoffe mit einem niedrigen Kohlenstoff-Fußabdruck über den gesamten Lebenszyklus zu produzieren, ohne mit der Nahrungs- und Futtermittelproduktion zu konkurrieren. Sie hat das Potenzial, Abfallströme zu recyceln und damit zu einer Kreislaufwirtschaft beizutragen.

Die HTL-Anlage im Pilotmaßstab verarbeitet wässrige Biomasseaufschlämmungen (~20% Trockenmasse) bei Temperaturen bis zu 350°C und Drücken um 200 bar, wobei das Wasser nicht kocht, sondern im flüssigen Zustand bleibt. Unter diesen Bedingungen wird die Biomasse in ein rohes Bioöl umgewandelt, das hinter dem Reaktor vom Prozesswasser getrennt wird. In einem zweiten Schritt wird das HTL-Bioöl durch katalytische Behandlung mit Wasserstoff bei hoher Temperatur und hohem Druck (Hydrotreating) zu Transportkraftstoffprodukten veredelt. Dabei werden Sauerstoff und Stickstoff aus dem Biocrude entfernt, das wiederum in ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen umgewandelt wird. Die Destillation der aufbereiteten HTL-Biofette ergibt drop-in-fähige Kraftstoffe im Bereich Benzin, Kerosin und Diesel.

Labordemonstration der wichtigsten Prozessschritte durch europäisches Konsortium

Im Rahmen des EU-Projekts HyFlexFuel werden alle wichtigen Schritte entlang einer HTL-Kraftstoffproduktionskette in den Räumlichkeiten mehrerer europäischer Forschungseinrichtungen und Unternehmen untersucht. Die potenzielle Verfügbarkeit von Rest- und Abfallströmen in ganz Europa wird vom DBFZ, dem deutschen Institut für Biomasseforschung, mit einem georäumlichen Ansatz analysiert. Die Universität Aarhus entwickelt und optimiert die HTL-Konvertierung im Labormaßstab weiter und überträgt die Ergebnisse auf eine kontinuierliche HTL-Anlage im Pilotmaßstab, in der auch alle Proben für die nachgeschalteten Prozesse hergestellt werden. Die Universität Aalborg realisierte mit Unterstützung von Haldor Topsøe (Dänemark) die Veredelung verschiedener Biofette zu Transportkraftstoffen durch katalytische Hydrobehandlung, während Eni (Italien) die Perspektive der Mitverarbeitung von HTL-Biofetten in konventionellen Erdölraffinerien untersuchte.

Feststoffpartikel und Prozesswässer, die bei der HTL-Konvertierung ebenfalls anfallen, enthalten einen erheblichen Anteil des Kohlenstoffs und der Nährstoffe aus der ursprünglichen Biomasse. Zwei Optionen zur Erzeugung von Biogas aus den organischen Bestandteilen dieser Prozesswässer werden vom Paul Scherrer Institut (Schweiz) mittels katalytischer hydrothermaler Vergasung auf ihrer Energy System Integration Platform und von OWS (Belgien) mittels anaerober Vergärung untersucht. Die Rückgewinnung von Phosphor ist besonders wichtig für die HTL von Klärschlamm, um Nährstoffkreisläufe zu schließen. Die Universität Hohenheim (Deutschland) hat die Ausfällung von Struvit, einem Düngemittelprodukt, aus HTL-Feststoffen und Prozesswässern demonstriert. Das Bauhaus Luftfahrt koordiniert das Projekt und analysiert die wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen der HTL-Kraftstoffproduktion. Die ARTTIC Innovation GmbH (Deutschland) dient als Projektmanagement-Partner und unterstützt die Verbreitungsaktivitäten.

Auf dem Weg zu einer Zulassung von HTL-Kerosin für die zivile Luftfahrt

Bislang sind sieben alternative Kraftstoffherstellungswege als Mischungsbestandteil für die zivile Luftfahrt durch die ASTM D-7566-Spezifikation [1] zugelassen worden. Das HyFlexFuel-Konsortium bereitet die Zulassung von HTL-Kerosinen in Zusammenarbeit mit wichtigen Partnern in Europa und den USA vor. Kerosinproben aus dem HyFlexFuel-Projekt wurden vom H2020-Projekt JETSCREEN (koordiniert vom DLR, Deutschland) und der University of Dayton analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass alle grundlegenden physikochemischen Eigenschaften von Kerosin, wie z.B. die Energiedichte oder die Kaltfließeigenschaften, bereits erfüllt sind, während die Konzentration bestimmter Spurenkomponenten weiter reduziert werden muss, um die strengen Spezifikationen für Kerosin zu erfüllen.

[1]: Standardspezifikation für Flugturbinenkraftstoff, der synthetische Kohlenwasserstoffe enthält

Projekthintergrund

HyFlexFuel ist ein vierjähriges Projekt (10/2017 – 9/2021), das durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert wird. An HyFlexFuel beteiligen sich führende europäische Forschungsorganisationen und Unternehmen auf dem Gebiet der HTL-Forschung, nämlich die Aarhus Universität, die Aalborg Universität, das Paul Scherrer Institut, die Universität Hohenheim, das DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH, Haldor Topsøe, Eni und OWS. Das Bauhaus Luftfahrt e.V. koordiniert das Projekt und die ARTTIC Innovation GmbH unterstützt das Forschungskonsortium mit Projektmanagement und Kommunikation.

Weitere Informationen finden Sie unter www.hyflexfuel.eu.

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