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CAScade deoxygenation process using tailored nanoCATalysts for the production of BiofuELs from lignocellullosic biomass

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Ein neues Verfahren zur Herstellung von Biokraftstoffen aus Forst- und Landwirtschaftsabfällen

Die Verwendung maßgeschneiderter Katalysatoren für die Herstellung fortschrittlicher Biokraftstoffe aus Forst- und Landwirtschaftsabfällen wird zu geringeren Umweltauswirkungen und niedrigeren Kosten führen.

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Die Umwandlung von Lignozellulose in verschiedene Kraftstoffe kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Dies ist jedoch aufgrund ihrer chemischen Komplexität und erhöhten Stabilität sowie ihres hohen Sauerstoffgehalts keine einfache Aufgabe. Unter den verschiedenen thermochemischen Umwandlungsprozessen hat sich gezeigt, dass die Pyrolyse von Biomasse eine vielversprechende Option für die Herstellung von flüssigen Biokraftstoffen darstellt. Pyrolyse beschreibt die Behandlung von Biomasse in einer inerten Atmosphäre, um drei Komponenten zu erhalten: nicht-kondensierbare Gase, Flüssigkeiten (Bio-Öl) und einen festen Rückstand (Holzkohle). Das CASCATBEL-Projekt entwickelte ein kostengünstiges Verfahren zur Umwandlung des Ausgangsstoffs Lignozellulose in flüssige Biokraftstoffe der zweiten Generation, wobei maßgeschneiderte Nanokatalysatoren zum Einsatz kommen, um Erzeugnisse mit Eigenschaften herzustellen, wie sie in Kraftstoffen aus Erdöl vorkommen. „Wir begannen mit der Untersuchung von Biomasse durch die sequentielle Kopplung von drei katalytischen Schritten, um so eine kontrollierte Umwandlung von Biomasse in verbesserte flüssige Biokraftstoffe (Bio-Öle) zu realisieren“, so Projektkoordinator Dr. David Serrano Granados. „Durchgeführt wurden eine katalytische Pyrolyse, intermediäre Desoxygenierung und Hydrodesoxygenierung.“ In den ersten beiden katalytischen Schritten wird ein großer Teil des im Pyrolyse-Bio-Öl enthaltenen Sauerstoffs entfernt. Dadurch wird der Wasserstoffverbrauch während der letzten Behandlung minimiert, was sich sowohl sehr positiv auf die Prozessökonomie als auch auf die Umwelt auswirkt. „Neben fortschrittlichen Biokraftstoffen wird der geplante Prozess ebenfalls erneuerbare Elektrizität durch die Verbrennung der Holzkohle, die in der ersten Pyrolyse gebildet wird, erzeugen“, erklärt Dr. Serrano. „Im Hinblick auf den Klimaschutz beläuft sich auch die geschätzte THG-Reduzierung des entwickelten Verfahrens in den meisten der betrachteten Szenarien auf mehr als 90 % im Vergleich zu fossilen Brennstoffen.“ Verwendung von Bio-Öl in Kraftstoffen Das schließlich hergestellte Bio-Öl enthielt wenig Sauerstoff und wies verbesserte Eigenschaften auf, wie z. B. einen höheren Heizwert sowie eine größere Stabilität und verbesserte Mischbarkeit mit Kohlenwasserstoffen. „Dies ermöglicht die Verwendung des Bio-Öls in der Kraftstoffformulierung, und zwar indem es mit konventionellen Benzin- und Dieselfraktionen gemischt wird“, kommentiert Dr. Serrano. Die Erweiterung des Prozesses erlaubte es den Forschern, die katalytische Dynamik sowie die Reaktionsdynamik vollständig zu erforschen und zu verstehen und zudem das Katalysatorverhalten in einer relevanten Umgebung zu bewerten. Die Versuche wurden in drei verschiedenen Maßstäben (Labor, Prüfstand und Versuchsanlage) durchgeführt, wobei sowohl Modellverbindungen als auch echte Biomasse als Ausgangsmaterial verwendet wurden. Dr. Serrano behauptet: „Es war nicht gerade einfach, da viele Katalysatoren, die eine gute Leistung mit Modellsubstraten zeigten, eine schlechte katalytische Aktivität bei der Zufuhr von echten Biomassematerialien aufwiesen. Darüber hinaus verschärfte die Verwendung von echter Biomasse als Ausgangsmaterial die Probleme bezüglich der Katalysatordeaktivierung aufgrund des extensiven Abscheidens von kohlenstoffhaltigen Rückständen und/oder der Auslaugung während der aktiven Phasen in den Katalysatoren.“ Diese Herausforderungen wurden durch die Prüfung einer breiten Palette von katalytischen Materialien, Betriebsmodi und Reaktionsbedingungen überwunden. „Die Forscher fanden heraus, dass die Modifizierung mikroporöser Katalysatoren wie Zeolith durch Zugabe ausgewählter Komponenten sehr effektiv bei der Abschwächung unerwünschter Sekundärreaktionen war, was zu einem besseren Ertrag an aufbereitetem Bio-Öl führte“, so Dr. Serrano. Es wird erwartet, dass das CASCATBEL-Projekt einige Aufmerksamkeit auf sich ziehen wird, vor allem auf dem europäischen Markt für fortschrittliche Biokraftstoffe. Andere Industriezweige werden ebenfalls an Entwicklungen wie dem katalytischen System interessiert sein, das so konzipiert wurde, in einem einzigen Schritt sowohl die katalytische Pyrolyse als auch die Zwischenreaktionen bei der Desoxygenierung der Bio-Öl-Dämpfe zu unterstützen. „Daher könnte dieses Material, das aus einem modifizierten Zeolith besteht, zur Mitverwertung von anderem Ausgangsmaterial als nur Lignozellulose verwendet werden, wie z. B. von Kunststoffabfällen“, sagt Dr. Serrano abschließend.

Schlüsselbegriffe

CASCATBEL, Desoxygenierung, Biomasse, fortschrittliche Biokraftstoffe, Nanokatalysator

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