Kohle aus dem Dampfkochtopf

Mit einem neu entwickelten Verfahren lässt sich pflanzliche Biomasse ohne Umwege vollständig in Kohlenstoff und Wasser umarbeiten.

Stroh, Holz, feuchtes Gras oder Laub über Nacht in Kohle umzuwandeln - das erinnert zunächst an den Stein der Weisen, mit dem die Alchemisten des Mittelalters mindere Stoffe zu Gold machen wollten. Doch es funktioniert tatsächlich: Markus Antonietti, Direktor am Potsdamer Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich pflanzliche Biomasse ohne Umwege und komplizierte Zwischenschritte vollständig in Kohlenstoff und Wasser umarbeiten lässt. Das Verfahren – „hydrothermale Karbonisierung“ genannt – könnte die Grundlage für eine nachhaltige und umweltneutrale Energiewirtschaft liefern.

Abb.: Der Erfolg liegt auf der Hand: Füllt man Biomasse, zum Beispiel Grünzeug, in ein Druckgefäß, gibt ein paar Brösel Katalysator dazu und erhitzt das Ganze unter Luftabschluss auf 180 Grad Celsius, erhält man nach zwölf Stunden das schwarze Pulver aus Kohle-Nanokügelchen. (Bild: Norbert Michalke)

Der Kohlenmeiler, den Markus Antonietti konstruiert hat, funktioniert im Prinzip wie ein Dampfkochtopf. Und das Kochrezept für Kohle ist verblüffend einfach: Das Druckgefäß wird mit beliebigen pflanzlichen Produkten gefüllt, also etwa mit Laub, Stroh, Gras, Holzstückchen oder Pinienzapfen. Dazu kommen noch Wasser und eine Prise Katalysator. Dann wird der Topf geschlossen und das Ganze unter Druck und Luftabschluss für zwölf Stunden auf 180 Grad erhitzt. Nachdem die Mischung abgekühlt ist, wird der Topf geöffnet: Er enthält eine schwarze Brühe – feinstverteilte kugelförmige Kohlepartikel in Wasser.

Sämtlicher Kohlenstoff, der in dem Pflanzenmaterial gebunden war, liegt nun in Form dieser Partikel vor, als kleine, poröse Braunkohle-Kügelchen: Sie können direkt oder (was effektiver wäre) in Brennstoffzellen verfeuert werden, aber auch zur Produktion von Benzin, Dieselöl oder anderen Chemikalien dienen. Da die hydrothermale Karbonisierung nicht schlagartig abläuft, lassen sich während des Prozesses außerdem interessante Zwischenprodukte gewinnen: Schon nach wenigen Minuten findet man in dem Druckgefäß eine Vorstufe von Erdöl, und während einer späteren Phase bildet sich reiner Humus.

Bestechend ist die Tatsache, dass all diese Umwandlungen ohne jeglichen Verlust an Kohlenstoff ablaufen, das Verfahren demnach mit hundertprozentiger Kohlenstoff-Effizienz arbeitet. Und dazu kommt noch, dass der Karbonisierungsprozess exotherm funktioniert, also selbst noch Energie liefert. Er ist damit allen anderen Methoden, aus Biomasse Energie zu ziehen, weit überlegen und könnte den Weg zu einer absolut umweltneutralen Energiewirtschaft eröffnen.

Was in Antoniettis Apparatur geschieht, die Bildung von Braunkohle, läuft auch in der Natur ab, dort allerdings ungleich langsamer, im Verlauf von Jahrmillionen. Diesen Prozess zu kopieren erforderte zunächst, ihn im Kern zu verstehen – auf molekularer Ebene, wie der Max-Planck-Direktor erläutert: „Pflanzliche Biomasse besteht letztlich aus Kohlenhydraten, aus Zuckerbausteinen, die sehr viel Energie enthalten. Es musste also gelingen, diese Zuckermoleküle in Kohlenstoff und Wasser zu zerlegen – in einem chemischen Prozess, der dann nicht nur Kohlenstoff als Energieträger liefert, sondern bei dem auch noch die in den Zuckermolekülen steckende Energie frei wird.“

Und weil dieser Prozess auch noch um einiges rascher als in der Natur ablaufen sollte, bedurfte es eines Katalysators, der die Aufspaltung der Zuckermoleküle in Kohlenstoff und Wasser um ein Vielfaches beschleunigte: In diesem Katalysator, der in kleinen Prisen dem Inhalt des Dampfkochtopfs zugesetzt wird, steckt das eigentliche Geheimnis der „Wunderkohle“ aus Potsdam. Zu wünschen bleibt nur noch, dass dieser Katalysator auch die Wende hin zu einer nachhaltigen und umweltneutralen Energiewirtschaft beschleunigen kann.

Quelle: MPG/[HOR]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  XJ. Cui, M. Antonietti, SH. Yu, Structural effects of iron oxide nanoparticles and iron ions on the hydrothermal carbonization of starch and rice carbohydrates, Small 2 (6), 756 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1002/smll.200600047
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de
• Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam:
  http://www.mpikg-golm.mpg.de

Weitere Literatur:

• SH. Yu, XJ. Cui, LL. Li, K. Li, B. Yu, M. Antonietti, H. Colfen, From starch to metal/carbon hybrid nanostructures: Hydrothermal metal-catalyzed carbonization, Advanced Materials 16 (18), 1636 (2004).