Energie für die Zukunft Mit Küchenabfällen das Klima retten

Die Kohle kehrt zurück - als erneuerbare Energiequelle. Wissenschaftler haben ein Verfahren entwickelt, um aus Biomüll den schwarzen Rohstoff zu machen. Was in der Natur Jahrmillionen dauert, schaffen sie über Nacht. Wie aus einer guten Idee eine kleine Revolution wurde.
  • Susanne Donner
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Energieträger der Zukunft: Aus Bioabfall wird im Labor Kohle. Foto: AP Quelle: ap

Energieträger der Zukunft: Aus Bioabfall wird im Labor Kohle. Foto: AP

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DÜSSELDORF. Markus Antonietti hat in der Chemie eine kleine Revolution ausgelöst. Der Leiter des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung bei Potsdam hat ein Verfahren entwickelt, mit dem nasse Biomasse zu Kohle wird. Ob Laub, Holz, Gülle oder Biomüll: fast jedes organische Material lässt sich dafür verwenden. Unter der Erde läuft der Prozess in etlichen Millionen Jahren ab. Im Potsdamer Labor passiert dies über Nacht.

Forscherkollegen und Firmen sind von der Erfindung angetan. Schüler ahmen bei "Jugend forscht" Antoniettis Experimente nach. Hobbygärtner möchten ihm Laub und Rasenschnitt liefern. "Sie glauben gar nicht, wie viele Anrufe wir jede Woche bekommen", sagt seine Sekretärin. Einer von Antoniettis größten Fans sitzt in Oldenburg: Thomas Greve, ein junger angehender Physiker, erfuhr im Studium zufällig von der "hydrothermalen Karbonisierung", der kalten Verkohlung.

Obwohl sie wenig mit Physik und viel mit Chemie zu tun hat, war er sofort begeistert: "Ich würde von mir selbst sagen, dass ich ein kritischer Mensch bin", meint Greve, "und ich habe bisher sehr wenige Nachteile des Verfahrens gefunden. Deshalb bin ich felsenfest davon überzeugt, dass ihm eine große Zukunft bevorsteht." Auf eigene Faust begann er eine Diplomarbeit über Biokohle, obwohl sein betreuender Professor in Oldenburg das Gebiet gar nicht erforscht.

Die Kohle kann aus nahezu jeder Art von Biomasse derart einfach erzeugt werden, dass sich selbst Entwicklungsländer der Technik bedienen können. Aus Bananenschalen oder Kaffeeresten könnte so in Afrika dezentral Energie bereitgestellt werden. Der einzige und wohl wichtigste Haken der kalten Verkohlung ist, dass die Biomasse mit Wasser und einem Katalysator in einem geschlossenen Topf zwischen sechs und zwölf Stunden auf 180 bis 230 Grad Celsius aufgeheizt werden muss. Zum Entleeren muss der Behälter jedoch abkühlen. Dieser Wechsel zwischen An- und Abschalten macht das Verfahren in großem Stil wenig praktikabel. Nur eine kontinuierliche Verkohlung könne sich in der Industrie durchsetzen, urteilt denn auch das Fraunhofer für Verfahrenstechnik und Verpackung-Institut in Freising. Das Kochtopfprinzip taugt nur fürs Labor.

Genau an diesem Punkt setzt Greve in seiner Diplomarbeit an. Er baut eine Anlage, die fortlaufend betrieben wird. Vorne wird Blattwerk hineingestopft, hinten rieselt - vereinfacht gesagt - ständig Kohlepulver heraus. Diese Verwandlung vollzieht sich in einem Rohr von einem Meter Länge und fünf Zentimeter Durchmesser. Große Mengen Brennstoff können darin freilich nicht gewonnen werden. Aber das sei auch gar nicht beabsichtigt, erläutert Greve: "Wir haben schließlich hier am Institut keine Kohlelagerstätte."

In den kommenden Wochen steht seiner Anlage die Feuertaufe bevor. Einmal angeworfen, sollte sie von selbst immer weiterlaufen. Denn bei der kalten Verkohlung wird so viel Wärme frei, dass die erforderliche Temperatur von rund 200 Grad Celsius von selbst gehalten wird. Je nach Dimensionen des Rohres und der Menge des Bioabfalls heizt sich die Masse ungekühlt sogar auf einige Hundert Grad Celsius auf.

Darin liegt der eigentliche Charme des Verfahrens: Statt Energie zu verschlingen, wird aus den Kohlenhydraten, den Zuckermolekülen des Biomaterials, ununterbrochen Wärme frei, mit der Häuser in der Nähe beheizt oder Strom erzeugt werden kann. Über die Nutzung der Wärme will sich Greve in seiner Diplomarbeit noch Gedanken machen.

Unterdessen findet Antonietti immer neue Anwendungen für die erzeugten Produkte. Wird die Reaktion nach sechs Stunden abgebrochen, erhält man ein torfähnliches Material, das sich als Superhumus für Ackerböden eignet, glaubt er. In seinem Büro gedeihen Zimmerpflanzen in der selbst fabrizierten Erde. "Sie wachsen ausgesprochen gut", weiß Mitarbeiterin Magdalena Titirici. Die Büroexperimente ersetzen allerdings nicht die systematischen Bodenanalysen, die derzeit laufen.

Die pulverförmige Kohle, die nach 16 Stunden im Reaktionsgefäß schwimmt, hat die gleiche Kristallstruktur wie das bergmännisch abgebaute Pendant. Die biologische Version ist dabei sogar reiner. Bei der Verbrennung entstehen deshalb weniger Schadstoffe, aber mehr Hitze.

Der biologische Rohstoff kann ohne weiteres den ältesten fossilen Energieträger ablösen, rechnet Antonietti vor: Wenn man die in Deutschland vorhandene Biomasse von Zuckerrübenresten bis hin zum Bioabfall aufsummiert, käme man auf ein Potenzial für Biokohle, das in der Größenordnung des Verbrauchs mineralischer Kohle liegt. Derzeit werden jährlich rund 120 Millionen Tonnen Stein- und Braunkohle für die Energiegewinnung verbraucht. Der neue Rohstoff wäre vor allem klimaneutral, da die Pflanzen das freiwerdende Kohlendioxid zuvor aus der Luft aufgenommen und gebunden haben.

Doch Antonietti wehrt sich dagegen, die Biokohle zu verbrennen. Das sei viel zu schade, betont er immer wieder. Die Brühe aus Kohle und Wasser, die bei seinem Verfahren entsteht, könnte viel sinnvoller direkt in eine Brennstoffzelle eingespeist werden. Forscher der Harvard-Universität haben einen Prototyp einer solchen Zelle entwickelt, die aus Kohlematsch Strom gewinnt. Mit einem Wirkungsgrad von 60 Prozent arbeitet sie weitaus effizienter als deutsche Kohlekraftwerke.

Ungewiss ist allerdings noch, wie sich die Zusammensetzung der verwendeten Biomasse auswirkt. Titirici konnte schon feststellen, dass sich zum Beispiel Algen nicht in brauchbare Kohle umwandeln lassen. "Sie enthalten zu viel kristalline Cellulose. Diese schmilzt noch nicht bei 200 Grad." Die Cellulose wird folglich unverändert in der Kohle eingeschlossen und mindert deren Qualität. Pferdemist, Bananenschalen und Kaffeeblätter werfen dagegen einen exzellenten Rohstoff ab. Ungünstig verhält sich wiederum Eichenlaub, ebenfalls wegen eines hohen Gehalts an kristalliner Cellulose.

Trotz solcher Einschränkungen kommen immer noch die meisten organischen Ausgangsstoffe für Antoniettis Verfahren infrage. Es müssen keineswegs ausgewählte Feldfrüchte oder gar Nahrungsmittel sein wie beim Biosprit der ersten Generation, der deshalb in den Ruf geraten ist, die steigenden Nahrungsmittelpreise mit zu verursachen.

Verglichen mit der Gewinnung von Bioethanol und Biogas ist die kalte Verkohlung überdies mit Abstand der schnellste und effizienteste Prozess, versichert Antonietti. Bei der Bioethanolherstellung wird nur ein Zehntel des Zuckerrohrs verwendet. Biogasanlagen nutzen maximal die Hälfte des Kohlenstoffs. Antoniettis Verfahren bringt es dagegen auf eine maximale Effizienz von 100 Prozent.

In diesem Sinne wäre es in Antoniettis Augen das Beste, die Biokohle nie zu verbrennen. Denn dann wäre in ihr Kohlendioxid hocheffektiv und dauerhaft gebunden. Auf Halden gestapelt, könnte sie die Klimasünden der Menschen wiedergutmachen. Antonietti hält diesen Ansatz für weitaus sinnvoller als die Kohlendioxidsequestrierung, bei der das Treibhausgas aus Kraftwerksabgasen abgetrennt und unterirdisch gelagert wird. Dieses Verfahren zum Zweck des Klimaschutzes wird von der EU in großem Stil forciert und großzügig finanziert.

Wenn man nur 8,5 Prozent der Biomasse in Form von Biokohle "wegschließen" würde, könnte das das gesamte Kohlendioxid aus der Verbrennung von Erdöl wettmachen, rechnet Antonietti vor. "Das erreicht die Größenordnung einer wirklichen Klimaschutzmaschine", schreibt er in einem Artikel in der "Chemischen Rundschau". Kohle, heute einer der schädlichsten Energieträger für das Klima, würde in Antoniettis Vision zum Klimaretter.

Die kalte Verkohlung

Biomasse unter Druck Bei der kalten Verkohlung - oft auch als Hydrothermale Karbonisierung bezeichnet - wird Biomasse mit Wasser vermischt und bei hohem Druck auf 180 bis 230 Grad Celsius erhitzt. Dieses Verfahren haben die Chemiker Friedrich Bergius und Hugo Specht bereits 1913 beschrieben. Allerdings dauerte es bei ihnen Tage bis Wochen, bis das organische Material in Kohle umgewandelt war.

Stunden statt Tage Markus Antonietti vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm gelang es, den Vorgang um mehr als das Hundertfache zu beschleunigen: auf sechs bis zwölf Stunden. Dazu werden Katalysatoren eingesetzt, beispielsweise Zitronensäure oder Eisensalze, die die Entstehung zur Kohle immens forcieren. Sie unterstützen die Abspaltung von Wasser aus den Kohlenhydraten der Biomasse.

Kohle plus Dünger Nach Ablauf der Reaktion verbleibt ein Schlamm aus pulverförmiger Kohle und Wasser in der Reaktionskammer. Der Brennstoff kann gefiltert und als Pulver abtransportiert werden. In den Pflanzen enthaltene Mineralstoffe wie Phosphor- und Ammoniumsalze bleiben im Wasser gelöst, können abgetrennt als Landwirtschaftsdünger vermarktet werden.

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