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Damit Biokraftstoffe mit Erd\u00f6l konkurrieren k\u00f6nnen, m\u00fcssen Bioraffinerien so konzipiert sein, dass sie Lignin besser nutzen k\u00f6nnen. Lignin ist einer der Hauptbestandteile der pflanzlichen Zellw\u00e4nde. Es verleiht den Pflanzen eine gr\u00f6\u00dfere strukturelle Integrit\u00e4t und Widerstandsf\u00e4higkeit gegen\u00fcber mikrobiellen Angriffen. Diese nat\u00fcrlichen Eigenschaften von Lignin machen es jedoch auch schwierig, es aus dem Pflanzenmaterial, auch Biomasse genannt, zu extrahieren und zu verwerten.<\/p>\n\n\n\n
“Die Verwertung von Lignin ist das Tor zu einer m\u00f6glichst wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Nutzung von Biomasse”, sagt Charles Cai, Associate Research Professor an der UC Riverside. “Die Entwicklung eines Prozesses, der sowohl das Lignin als auch die in der Biomasse enthaltenen Zucker besser nutzen kann, ist eine der spannendsten technischen Herausforderungen in diesem Bereich.”<\/p>\n\n\n\n
Um die Ligninh\u00fcrde zu \u00fcberwinden, erfand Cai das CELF-Verfahren, das f\u00fcr Co-Solvent Enhanced Lignocellulosic Fractionation steht. Es handelt sich dabei um eine innovative Technologie zur Vorbehandlung von Biomasse.<\/p>\n\n\n\n
“CELF verwendet Tetrahydrofuran oder THF, um Wasser und verd\u00fcnnte S\u00e4ure w\u00e4hrend der Biomasse-Vorbehandlung zu erg\u00e4nzen. Es verbessert die Gesamteffizienz und erm\u00f6glicht eine zus\u00e4tzliche Ligninextraktion”, so Cai. “Das Beste von allem ist, dass THF selbst aus Biomassezucker hergestellt werden kann.<\/p>\n\n\n\n
In einer wegweisenden Ver\u00f6ffentlichung in Energy & Environmental Science wird detailliert dargelegt, inwieweit eine CELF-Bioraffinerie wirtschaftliche und \u00f6kologische Vorteile gegen\u00fcber erd\u00f6lbasierten Kraftstoffen und fr\u00fcheren Methoden zur Herstellung von Biokraftstoffen bietet.<\/p>\n\n\n\n
Das Papier ist eine Zusammenarbeit zwischen Cais Forschungsteam an der UCR, dem Center for Bioenergy Innovation, das von den Oak Ridge National Laboratories verwaltet wird, und dem National Renewable Energy Laboratory, mit finanzieller Unterst\u00fctzung des U.S. Department of Energy’s Office of Science. Dabei ber\u00fccksichtigen die Forscher zwei Hauptvariablen: welche Art von Biomasse am besten geeignet ist und was mit dem Lignin geschehen soll, nachdem es extrahiert wurde.<\/p>\n\n\n\n
Bei Biokraftstoffen der ersten Generation werden Nahrungspflanzen wie Mais, Soja und Zuckerrohr als Rohstoffe verwendet. Da diese Rohstoffe Land und Wasser von der Nahrungsmittelproduktion abziehen, ist ihre Verwendung f\u00fcr Biokraftstoffe nicht ideal.<\/p>\n\n\n\n
Bei den Verfahren der zweiten Generation wird nicht essbare pflanzliche Biomasse als Ausgangsmaterial verwendet. Ein Beispiel f\u00fcr Biomasse-Rohstoffe sind Holzreste aus der M\u00fcllerei, Zuckerrohr-Bagasse oder Maisstroh, die allesamt reichlich und kosteng\u00fcnstig als Nebenprodukte der Forst- und Landwirtschaft anfallen.<\/p>\n\n\n\n
Nach Angaben des Energieministeriums k\u00f6nnten allein in den USA j\u00e4hrlich bis zu einer Milliarde Tonnen Biomasse f\u00fcr die Herstellung von Biokraftstoffen und Bioprodukten zur Verf\u00fcgung gestellt werden, wodurch 30 % unseres Erd\u00f6lverbrauchs ersetzt werden k\u00f6nnten und gleichzeitig neue Arbeitspl\u00e4tze im Land geschaffen w\u00fcrden.<\/p>\n\n\n\n
Da eine CELF-Bioraffinerie Pflanzenmaterial umfassender nutzen kann als fr\u00fchere Verfahren der zweiten Generation, haben die Forscher festgestellt, dass ein schwereres, dichteres Ausgangsmaterial wie Hartholzpappel dem weniger kohlenstoffreichen Maisstroh vorzuziehen ist, um gr\u00f6\u00dfere wirtschaftliche und \u00f6kologische Vorteile zu erzielen.<\/p>\n\n\n\n
Durch die Verwendung von Pappel in einer CELF-Bioraffinerie konnten die Forscher nachweisen, dass nachhaltiger Flugkraftstoff zu einem kostendeckenden Preis von nur 3,15 Dollar pro Liter Benzin\u00e4quivalent hergestellt werden kann. Derzeit kostet eine Gallone Flugzeugtreibstoff in den USA durchschnittlich 5,96 Dollar.<\/p>\n\n\n\n
Die US-Regierung vergibt Gutschriften f\u00fcr die Biokraftstoffproduktion in Form von Gutschriften f\u00fcr erneuerbare Energien (Renewable Identification Numbers), eine Subvention, die die heimische Biokraftstoffproduktion f\u00f6rdern soll. Die Stufe dieser Gutschriften, die f\u00fcr Biokraftstoffe der zweiten Generation ausgegeben werden, die D3-Stufe, wird in der Regel zu einem Preis von 1 $ pro Gallone oder mehr gehandelt. Bei diesem Preis pro Gutschrift kann man dem Papier zufolge eine Rendite von \u00fcber 20 % erwarten.<\/p>\n\n\n\n
“Wenn man etwas mehr f\u00fcr einen kohlenstoffreicheren Rohstoff wie Pappel ausgibt, hat man immer noch einen gr\u00f6\u00dferen wirtschaftlichen Nutzen als bei einem billigeren Rohstoff wie Maisstroh, weil man daraus mehr Kraftstoff und Chemikalien herstellen kann”, so Cai.<\/p>\n\n\n\n
Das Papier veranschaulicht auch, wie die Nutzung von Lignin einen positiven Beitrag zur Gesamtwirtschaftlichkeit der Bioraffinerie leisten kann, w\u00e4hrend der Kohlenstoff-Fu\u00dfabdruck so gering wie m\u00f6glich gehalten wird. In \u00e4lteren Bioraffineriemodellen, bei denen die Biomasse in Wasser und S\u00e4ure gekocht wird, ist das Lignin meist nur f\u00fcr den Heizwert nutzbar.<\/p>\n\n\n\n
“Bei den \u00e4lteren Modellen wurde das Lignin verbrannt, um W\u00e4rme und Energie f\u00fcr diese Bioraffinerien zu erg\u00e4nzen, da sie meist nur den Zucker in der Biomasse nutzen konnten – ein kostspieliges Unterfangen, bei dem viel Wert verloren geht”, so Cai.<\/p>\n\n\n\n
Neben der besseren Nutzung von Lignin sieht das CELF-Bioraffineriemodell auch die Herstellung erneuerbarer Chemikalien vor. Diese Chemikalien k\u00f6nnten als Bausteine f\u00fcr Biokunststoffe und Aromastoffe f\u00fcr Lebensmittel und Getr\u00e4nke verwendet werden. Diese Chemikalien nehmen einen Teil des Kohlenstoffs in der Pflanzenbiomasse auf, der nicht alsCO2<\/sub> in die Atmosph\u00e4re gelangen w\u00fcrde.<\/p>\n\n\n\n “Die Zugabe von THF hilft, die Energiekosten f\u00fcr die Vorbehandlung zu senken und Lignin zu isolieren, so dass man es nicht mehr verbrennen muss. Dar\u00fcber hinaus k\u00f6nnen wir erneuerbare Chemikalien herstellen, die uns dabei helfen, ein Treibhauspotenzial von nahezu Null zu erreichen”, so Cai. “Ich glaube, dass wir damit den Sprung von Biokraftstoffen der Generation 2 zu Biokraftstoffen der Generation 2+ schaffen.<\/p>\n\n\n\n Angesichts der j\u00fcngsten Erfolge des Teams hat das Department of Energy’s Bioenergy Technology Office den Forschern einen Zuschuss in H\u00f6he von 2 Millionen Dollar f\u00fcr den Bau einer kleinen CELF-Pilotanlage an der UCR gew\u00e4hrt. Cai hofft, dass die Demonstration der Pilotanlage zu gr\u00f6\u00dferen Investitionen in die Technologie f\u00fchren wird, denn die Nutzung von Energie aus fossilen Brennstoffen tr\u00e4gt zur globalen Erw\u00e4rmung bei und schadet dem Planeten.<\/p>\n\n\n\n “Ich habe mit dieser Arbeit vor mehr als einem Jahrzehnt begonnen, weil ich etwas bewirken wollte. Ich wollte eine brauchbare Alternative zu fossilen Brennstoffen finden, und das haben meine Kollegen und ich geschafft”, sagte Cai. “Mit dem CELF haben wir gezeigt, dass es m\u00f6glich ist, kosteng\u00fcnstige Kraftstoffe aus Biomasse und Lignin zu erzeugen und unseren Beitrag zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen in die Atmosph\u00e4re zu leisten.”<\/p>\n\n\n\n Bruno Colling Klein et al.; “Economics and global warming potential of a commercial-scale delignifying biorefinery based on co-solvent enhanced lignocellulosic fractionation to produce alcohols, sustainable aviation fuels, and co-products from biomass”; Energy & Environmental Science, Volume 17, 2024<\/p>\n\n\n\nORIGINALVER\u00d6FFENTLICHUNG<\/h3>\n\n\n\n