Nachhaltige Energiegewinnung: Biowasserstoff aus Holzabfällen

Mit Holzschutzmitteln behandeltes Altholz muss derzeit in genehmigten Großkraftwerken verbrannt werden.

Foto: Fraunhofer IGB

Holzabfälle, die bislang überwiegend kostenintensiv entsorgt oder in Verbrennungsanlagen energetisch genutzt wurden, sollen künftig als wertvolle Ressource für die Herstellung von Biowasserstoff dienen. Im Rahmen des Verbundprojekts H2Wood – BlackForest entwickeln Forschende des Fraunhofer-Instituts in Kooperation mit Partnern zukunftsweisende biotechnologische Verfahren zur Produktion des grünen Energieträgers. Eine Pilotanlage, die diesen Prozess abbildet, soll bereits Anfang 2025 am Campus Schwarzwald in Betrieb gehen.

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Von Holzabfall zu Wasserstoff: Eine holzbasierte Kreislaufwirtschaft

Im Schwarzwald fallen große Mengen Holzabfälle an, insbesondere durch die holzverarbeitende Industrie, den Möbelbau sowie den Abbruch von Gebäuden. Viele dieser Abfälle enthalten Holzschutzmittel oder Lacke, die ihre Verbrennung aufwendig und teuer machen. Um eine umweltfreundlichere Alternative zu schaffen, haben Fraunhofer-Forschende ein Verfahren entwickelt, das Rest- und Altholz in Biowasserstoff umwandelt. Die Idee basiert auf der Nutzung der im Holz enthaltenen Zuckerstoffe. Diese werden durch biotechnologische Prozesse mithilfe wasserstoffproduzierender Mikroorganismen und Mikroalgen in Wasserstoff umgewandelt – ein zentraler Baustein für eine nachhaltige holzbasierte Kreislaufwirtschaft.

Im Projekt kooperieren mehrere Forschungseinrichtungen und Unternehmen, darunter das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB), das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) sowie die Universität Stuttgart. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das Vorhaben mit 12 Mio. Euro. Ziel ist es, bis 2025 eine skalierbare und modulare Pilotanlage zu realisieren.

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Biotechnologische Prozesse: Effiziente Nutzung von Holz

Der Herstellungsprozess startet mit der Vorbehandlung des Alt- und Restholzes. Hierbei werden Holzabfälle in einem Ethanol-Wasser-Gemisch bei Temperaturen von bis zu 200 °C unter Druck aufgeschlossen. Während Lignin, Klebstoffe und Lacke im Ethanol gelöst werden, bleibt eine Holzfaserfraktion zurück, die anschließend in Glucose und Xylose zerlegt wird. Diese Zuckermoleküle dienen als Substrat für anaerobe Bakterien, die in Fermentationsreaktoren Wasserstoff und CO₂ erzeugen. Das erzeugte CO₂ wird nicht ungenutzt freigesetzt, sondern im Photobioreaktor zur Kultivierung von Mikroalgen verwendet, die selbst Wasserstoff und wertvolle Nebenprodukte wie Stärke und Pigmente produzieren.

Die Forschenden betonen die hohe Effizienz dieses Verfahrens. Aus einem Kilogramm Altholz lassen sich etwa 0,2 kg Glucose gewinnen, die wiederum 50 l Wasserstoff produzieren können. Zusätzlich entstehen pro Kilogramm CO₂ aus der Fermentation bis zu ein Kilogramm Mikroalgenbiomasse, die vielseitig einsetzbar ist – etwa zur Herstellung von Kunststoffkomponenten.

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Mehrwert durch Koppelprodukte

Neben Wasserstoff generiert das Verfahren kohlenstoffbasierte Nebenprodukte wie Lignin und Carotinoide, die für verschiedene Industrien interessant sind. Lignin kann beispielsweise in Verbundwerkstoffen oder für die Automobilindustrie genutzt werden. Mikroalgenbiomasse enthält bis zu 50 % Stärke und Pigmente wie Lutein, die in der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie eingesetzt werden können. Dieses Kaskadenmodell zeigt, wie Abfallstoffe in wertvolle Materialien umgewandelt werden können, anstatt sie ungenutzt zu entsorgen.

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Pilotanlage und Wasserstoff-Roadmap

Die modulare Pilotanlage, die derzeit am Campus Schwarzwald aufgebaut wird, vereint drei Bioreaktoren und bietet die Möglichkeit, unterschiedliche Prozessschritte flexibel zu kombinieren und neue Technologien zu testen. Damit wird ein wichtiger Schritt zur praktischen Umsetzung der Technologie gegangen, die einen bedeutenden Beitrag zur regionalen Energiewende leisten soll.

Parallel dazu untersuchen die Projektpartner in einer Wasserstoff-Roadmap die lokale Verfügbarkeit von Holzabfällen und den Bedarf an Wasserstoff in der Region Schwarzwald. Die Analyse umfasst die Sektoren Industrie, Verkehr sowie Haushalte und Gebäude. Darauf aufbauend formulieren die Forschenden Handlungsempfehlungen, darunter die Förderung von Forschung und Entwicklung, den Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur und die Sektorkopplung. Ziel ist es, Wasserstoff als integralen Bestandteil der regionalen Energiewende zu etablieren.

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Ein Modell für die Energiewende

Das H2Wood-Projekt zeigt, wie lokale Ressourcen effizient für eine nachhaltige Energieerzeugung genutzt werden können. Die Verbindung von innovativen biotechnologischen Verfahren mit holzbasierter Kreislaufwirtschaft schafft eine zukunftsfähige Grundlage für die Produktion von grünem Wasserstoff. Die Erkenntnisse und Technologien aus dem Projekt haben nicht nur regional, sondern auch global das Potenzial, die Wasserstoffwirtschaft voranzutreiben und damit einen wesentlichen Beitrag zur Energiewende zu leisten.