VALORKON – Valorisierung von Kondensatströmen aus der Torrefizierung von Biomasse

Land- und forstwirtschaftliche Reststoffe wie Heu, Stroh, Holz- und Pflanzenreste werden bisher nur unzureichend stofflich genutzt. Im Projekt VALORKON wird ein fermentationsfreies Bioraffinerie-Konzept entwickelt, bei dem das am IGB entwickelte Verfahren zur Trocknung und Torrefizierung mit überhitztem Wasserdampf zum Einsatz kommt. Mit einer neuen Prozesskette werden selektiv werthaltige Wertstoffe wie Essigsäure, Furfurale und Phenole abgetrennt, die bei der Torrefizierung als volatile Phase freigesetzt werden.

Gewinnung von Plattformchemikalien aus Kondensaten der Torrefizierung von Biomasse mittels überhitztem Wasserdampf

Gesamtkonzept der Bioraffinerie für forst- und landwirtschaftliche Reststoffe (Biomasse).

Ausgangssituation

Heu, Stroh, Holz- und Pflanzenreste stellen in Deutschland mit über 100 000 GWh bzw. 370 PJ (Basisdaten Bioenergie Deutschland 2017, Fachverband Nachwachsende Rohstoffe e.V.) ein bisher nur unzureichend genutztes energetisches und stoffliches Potenzial dar. Bei einer direkten Verbrennung oder Torrefizierung nach dem Stand der Technik werden werthaltige organische Inhaltsstoffe wie Säuren (Essigsäure, Lävulinsäure, Ameisensäure), Furfurale oder aromatische Verbindungen (Phenol, Vanillin) jedoch nicht ganzheitlich im Sinne einer Bioraffinerie verwertet; die Wirtschaftlichkeit der energetischen Nutzung bleibt begrenzt.

 

Projektziel und Lösungsansatz

Mit VALORKON wird ein vollständig neues – fermentationsfreies – Bioraffinerie-Konzept für Biomasse aus land- und forstwirtschaftlichen Reststoffen entwickelt. Hierbei kommt ein Verfahren zur Trocknung und Torrefizierung mit überhitztem Dampf (superheated steam, SHS) zur Anwendung, das das Fraunhofer IGB gemeinsam mit dem Projektpartner Heckmann in vorangegangenen Projekten entwickelt hat. Das SHS-Verfahren eignet sich hervorragend dazu, aus lignocellulosehaltigen Reststoffen hocheffiziente, lagerstabile Feststoffe herzustellen, die eine Nutzungsvielfalt als hoch qualitative Brennstoffe, Adsorbenzien, Bodenverbesserer oder Eingangsmaterial für Pyrolyse- oder Vergasungsprozesse ermöglichen.

Die Innovation in VALORKON ist es, neben der Konditionierung der Reststoffe zu einem hydrophoben Material zusätzlich wertvolle Basischemikalien hoher Qualität (Reinheit > 95 Prozent) zu gewinnen. Dazu entwickeln Fraunhofer IGB und Heckmann eine Prozesskette, mit der diese Wertstoffe selektiv aus der bei der Torrefizierung freigesetzten volatilen Phase abgetrennt werden können.

Projektergebnisse

Kondensat aus der Torrefizierung von Buchenholz-Hackschnitzeln.
© Fraunhofer IGB
Kondensat aus der Torrefizierung von Buchenholz-Hackschnitzeln.
Aus dem Kondensat gewonnene Wertstofffraktionen.
© Fraunhofer IGB
Aus dem Kondensat gewonnene Wertstofffraktionen.

Zusätzliche Wertschöpfung durch Valorisierung der kondensierbaren Volatilen

Als Nebenprodukt der SHS-Torrefizierung entsteht ein Kondensat aus Wasser und potenziellen Wertstoffen wie organischen Säuren, Methanol oder Furfural. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt VALORKON entwickelt das Fraunhofer IGB Trennprozesse, mit denen diese Plattformchemikalien in hoher Reinheit aus dem Kondensat der Torrefizierung von Buchenholz-Hackschnitzeln gewonnen werden können.

 

Auftrennung der Kondensatströme

Für die Trennung der Kondensatströme in einzelne Wertstofffraktionen wurde am Fraunhofer IGB eine Batch-Rektifikationsanlage in Betrieb genommen. In Kombination mit weiteren Trennverfahren wie Extraktion und Elektrodialyse konnte Furfural mit einer Reinheit von ca. 95 Prozent aus dem Kondensat gewonnen werden. Die Aufreinigung weiterer Wertstofffraktionen, beispielsweise organischer Säuren, ist Teil der noch laufenden Arbeiten.

 

Ökologische und wirtschaftliche Bewertung

Parallel zu den technischen Arbeiten am Fraunhofer IGB führte die Hochschule Reutlingen eine ökologische und wirtschaftliche Bewertung des Gesamtprozesses, bestehend aus Trocknung, Torrefizierung und Wertstoffgewinnung aus dem Kondensat durch. Diese zeigt bereits für den derzeitigen Prozess eine positive CO2-Bilanz sowie vielversprechendes wirtschaftliches Potenzial.

 

Ausblick: Bioraffinerie-Gesamtprozess     

Die nächsten Schritte hin zu einer vorindustriellen Entwicklung beinhalten die Gewinnung weiterer Produkte aus dem Kondensat, die Übertragung in einen kontinuierlichen, skalierbaren Gesamtprozess sowie die Verwertung weiterer biogener Reststoffe.

Weiterhin ist eine gemeinsame Veröffentlichung mit der Hochschule Reutlingen zum ökologischen und wirtschaftlichen Potenzial des gesamten Bioraffinerie-Konzeptes geplant.

 

Publikationen

Roy, B.; Kleine-Möllhoff, P.; Dalibard, A. Superheated Steam Torrefaction of Biomass Residues with Valorisation of Platform Chemicals—Part 1: Ecological Assessment. Sustainability 2022, 14, 1212. https://doi.org/10.3390/su14031212

Roy, B.; Kleine-Möllhoff, P.; Dalibard, A. Superheated Steam Torrefaction of Biomass Residues with Valorisation of Platform Chemicals Part—2: Economic Assessment and Commercialisation Opportunities. Sustainability 2022, 14, 2338. https://doi.org/10.3390/su14042338

Projektinformationen

Projekttitel

VALORKON – Valorisierung von Kondensatströmen aus der Torrefizierung von Biomasse

 

Projektlaufzeit

März 2019 – Februar 2022

 

Kooperationspartner

  • Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart
  • Heckmann Metall-und Maschinenbau GmbH, Verden
  • Hochschule Reutlingen, Reutlingen

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung des Projekts »VALORKON«, Förderkennzeichen 031B0664A, im Rahmen der »Technologieinitiative Bioraffinerien«.

Bundesministerium für Bildung und Forschung.