Regenerativer Wasserstoff aus regionalen Holzabfällen
Grüner Wasserstoff gilt als Schlüsselelement der Energiewende. Ungelöst ist bisher allerdings die Frage, wie ausreichende Mengen nachhaltig produziert und bedarfsgerecht zum Verbrauchsort gelangen können. Ein alternativer, regionaler Ansatz wird derzeit im Südwesten Deutschland erprobt: die Erzeugung von Wasserstoff unter Nutzung von Holzabfällen.
Im Rahmen des Verbundprojekts „H2Wood – BlackForest“ werden Holzabfälle für die Produktion von grünem Wasserstoff genutzt.
Foto: imago images/Ulmer
Holz ist das wichtigste Wirtschaftsgut des Schwarzwalds. Bei der Verarbeitung zu Möbeln und Baustoffen, aber auch beim Abbruch von Gebäuden fallen alljährlich beachtliche Mengen an Holzabfällen an. Diese werden aktuell teilweise kostenintensiv entsorgt und in Holzverbrennungsanlagen allenfalls energetisch genutzt. Doch es gibt mögliche Alternativen: Im Rahmen des Verbundprojekts „H2Wood – BlackForest“ arbeiten Forschende des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) an einem biotechnologischen Verfahren, um aus Holzabfällen Wasserstoff und biobasierte Koppelprodukte herzustellen. Beim Projektpartner Campus Schwarzwald wird das Verfahren in einer eigens dafür ausgelegten Anlage erprobt. Um aufzuzeigen, wie der regenerative Energieträger durch lokale Betriebe und Energieversorger genutzt werden kann, erstellen das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) und die Universität Stuttgart im Projekt eine Wasserstoff-Roadmap für die Schwarzwaldregion.
Weniger CO2-Emissionen durch die Nutzung von Biowasserstoff
„Nach dem Ansatz der Bioökonomie wollen wir durch die Nutzung biotechnologischer Prozesse klimaneutralen Biowasserstoff sowie zusätzlich verwertbare Stoffe wie Carotinoide oder Proteine aus Altholz und Holzabfällen herstellen“, erläutert Dr. Ursula Schließmann vom Fraunhofer-IGB, welches das im August 2021 gestartete Verbundvorhaben koordiniert. „Ziel der Initiative ist es, mithilfe eines umfassenden Konzepts für eine nachhaltige und innovative Versorgung des Schwarzwalds mit Biowasserstoff CO2-Emissionen einzusparen und die Region bei der Erreichung ihrer Klimaziele zu unterstützen“, ergänzt Stefan Bogenrieder, Geschäftsführer von Campus Schwarzwald, aus.
Kohlenstoffdioxid wird dabei auf zweierlei Wegen eingespart: Zum einen ersetzt der regenerative Biowasserstoff bisherige fossile Energieträger, zum anderen werden Rest- und Altholz nicht nur Wasserstoff liefern. Durch den neuen biotechnologischen Ansatz wird die energetische Verwertung der Holzabfälle zu Wasserstoff mit einer stofflichen Nutzung verknüpft: „Das aus dem Holz freigesetzte CO2 wird in Form von kohlenstoffbasierten Koppelprodukten gebunden und damit zurück in den natürlichen Kohlenstoffkreislauf geführt“, erklärt Schließmann.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt bis Mitte 2024 mit rund zwölf Millionen Euro. Partner im Forschungsverbund sind neben dem Fraunhofer IGB und dem Fraunhofer-IPA auch das Institut für industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) der Universität Stuttgart sowie das Centrum für Digitalisierung, Führung und Nachhaltigkeit Schwarzwald gGmbH (Campus Schwarzwald).
Analysen münden in einer Wasserstoff-Roadmap für den Schwarzwald
Zunächst gilt es aber einige Fragen zu klären: Welche Mengen an Rest- und Altholz fallen im holzverarbeitenden Gewerbe und den Kommunen überhaupt an, wieviel Wasserstoff ließe sich daraus erzeugen und wie groß wäre das Einsparpotenzial an CO2-Emissionen? Antworten sollen Potenzialanalysen liefern. Zugleich untersuchen die Partner, wie der erzeugte Wasserstoff am besten gespeichert, transportiert und genutzt werden kann. „Hierzu analysieren und bewerten wir den Energieverbrauch der Industrie, der Haushalte sowie des Nah- und Fernverkehrs und leiten daraus Potenziale einer dezentralen Wasserstofferzeugung und -nutzung ab“, so Dr. Erwin Groß vom Fraunhofer IPA. Die Ergebnisse aller Erhebungen und Berechnungen werden in einer Wasserstoff-Roadmap für die Region Schwarzwald zusammengefasst.
Pilot-Anlage zur biotechnologischen Wasserstoffproduktion
Bislang existiert keine Anlage, die Biowasserstoff in größerem Maßstab herstellt. Am Fraunhofer IGB werden daher die dazu notwendigen Prozesse entwickelt und experimentell untersucht, bevor sie in einer integrierten Anlage am Campus Schwarzwald in Freudenstadt umgesetzt werden können. Der erste Schritt und Voraussetzung für die biotechnologische Umwandlung ist die Vorbehandlung des Alt- und Restholzes. „Wir stehen hier vor einer ziemlichen Herausforderung, denn Holzabfälle aus Hausabbruch, Möbelbau und Baustoffproduktion, darunter Span- oder MDF-Platten, enthalten Klebstoffe wie Harze und Phenole oder auch Lacke. Diese chemischen Bestandteile müssen wir zunächst entfernen, damit die Bakterien und Mikroalgen, also die Akteure der biotechnologischen Wasserstoffproduktion, ihre Arbeit erledigen können“, berichtet Schließmann. Zudem muss das Holz in seine Bausteine zerlegt und die hierbei gewonnene Cellulose in einzelne Zuckermoleküle gespalten werden, welche den wasserstoffproduzierenden Mikroorganismen als Futter dienen.
Für die biotechnologische Umwandlung der Holzzucker werden am Fraunhofer IGB zwei Fermentationsverfahren etabliert und miteinander verknüpft. Das eine setzt auf wasserstoffproduzierende Bakterien, welche die Zuckerarten zu CO2, organischen Säuren und Ethanol verstoffwechseln. Die Stoffwechselprodukte der Bakterien stellen die Nahrung für die Mikroalgen dar. Diese synthetisieren daraus Carotinoide oder Proteine als Koppelprodukte und setzen dabei ebenfalls Wasserstoff frei.
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