VALORKON
Die Innovation in VALORKON ist, neben der Konditionierung der Reststoffe zu einem hydrophoben Material zusätzlich wertvolle Basischemikalien hoher Qualität zu gewinnen. Dazu entwickelten Fraunhofer IGB und die Firma Heckmann eine Prozesskette, mit der diese Wertstoffe selektiv abgetrennt werden können.
Die Hochschule Reutlingen konnte im Rahmen dieses Forschungsprojektes zeigen, dass die Bioraffinerie ökologisch und ökonomisch sehr gut geeignet ist, das Ziel der Klimaneutralität bis 2050 im Rahmen des europäischen Green Deals zu unterstützen sowie den Wandel von linearen zu zirkulären Wertschöpfungsketten zu realisieren.
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 verwertet. Das wirtschaftliche Potential wird nicht ganzheitlich genutzt.
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, welches 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, 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
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 wurden Trennprozesse entwickelt, mit denen diese Plattformchemikalien in hoher Reinheit aus dem Kondensat der Torrefizierung von Buchenholz-Hackschnitzeln gewonnen werden können.
Für die Trennung der Kondensatströme in einzelne Wertstofffraktionen wurde 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.
Parallel zu den technischen Arbeiten führte die Hochschule Reutlingen eine ökologische und wirtschaftliche Bewertung des Gesamtprozesses, bestehend aus Trocknung, Torrefizierung und Wertstoffgewinnung aus dem Kondensat, durch. Auch Wettbewerbsverfahren wurden ökologisch und ökonomisch untersucht. Die Ergebnisse flossen in die Optimierung während der Entwicklung der neuen Bioraffinerie ein. Es zeigte sich, dass die neue Bioraffinerie im Vergleich zu konventionellen und biobasierten Verfahren sowohl ökonomisch als auch ökologisch konkurrenzfähig ist.
Die Hochschule Reutlingen empfiehlt einen schrittweisen Ansatz für eine erfolgreiche Kommerzialisierung in einem offenen Innovationssystem.
Es ist wichtig, öffentliche und private Partner aus dem Biomasse-Liefersektor und dem Endproduktsektor einzubeziehen und auch Partner außerhalb der Wertschöpfungskette zu berücksichtigen. Insbesondere die folgenden Sektoren sollten als innovative Partner für ein solches Netzwerk in Betracht gezogen werden, wobei die Reihenfolge keine Präferenz darstellt:
Versorgungsunternehmen mit hohem Innovationspotenzial (z. B. aus dem kommunalen Bereich), die bereits Erfahrungen mit der Nutzung von Biomasse haben
Unternehmen aus den Bereichen Spezialchemie, Pharmazie und Lebensmittel mit Bezug zur Bioökonomie
Innovative Ingenieurbüros mit Erfahrung in der Biomasseverarbeitung
Beratungsunternehmen, die in der Bioökonomie verwurzelt sind und über fundierte Kenntnisse in Bezug auf Aspekte der Lieferkette verfügen
Start-ups und KMU, die sich auf Anwendungs-Know-how und Kommerzialisierungsaspekte in der Bioökonomie spezialisiert haben
Unsere Projektpartner
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart: Das Fraunhofer IGB entwickelt Verfahren, Technologien und Produkte für Gesundheit, nachhaltige Chemie und Umwelt. Dabei wird auf die Kombination biologischer und verfahrenstechnischer Kompetenzen gesetzt, um mit dem Systemansatz der Bioökonomie und bioinspirierten, biointegrierten wie auch biointelligenten Lösungen zum Wohlergehen des Menschen, einer nachhaltigen Wirtschaft und einer intakten Umwelt beizutragen. Das Fraunhofer IGB ist eines von 75 Instituten und Forschungseinrichtungen der Fraunhofer-Gesellschaft, der weltweit führenden Organisation für anwendungsorientierte Forschung.
Heckmann Metall- und Maschinenbau GmbH, Verden: Schwerpunkt der Tätigkeiten ist die Herstellung, Wartung und Reparatur von Förderanlagen, Sterilisatoren, Pumpen, Antrieben und Produktionsmaschinen aller Art für die Nahrungsmittel-, Papier- und Chemieindustrie. Des Weiteren werden hier verschiedenste Automatisierungslösungen entwickelt. Auch Stahl- und Blechkonstruktionen aus Baustahl und Edelstahl gehören zum Portfolio. Das Unternehmen steht auch als Projektierungs- und Engineering-Partner zur Verfügung.
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