Biofuels und alternative Energien Aus Stroh mach Sprit: Clariant packt die Sonne in den Tank

Redakteur: Dominik Stephan

Was Spezialchemie und Biokraftstoffe miteinander zu tun haben und warum ein Katalysatorspezialist auf Ethanol setzt. Wächst der Rohstoff der Zukunft auf dem Acker? Nachdem die Biokraftstoffe der zweiten Generation lange auf sich warten ließen, macht Clariant jetzt Nägel mit Köpfen. Zum Spatenstich der Sunliquid-Produktion nehmen wir das Verfahren unter die Lupe...

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Spatenstich für die neue Sunliquid- Anlage in Craiova/Rumänien.
Spatenstich für die neue Sunliquid- Anlage in Craiova/Rumänien.
(Bild: Clariant)

Über Straubing strahlt die Sonne – Kaiserwetter, wenn man so will. Auch der bayerische Himmel weiß, was von ihm erwartet wird und zeigt sich im tiefsten Blau durchsetzt mit weißen Wolken, wie mit dem Pinsel hingetupft. In der Ferne reicht der Blick weit über den Bayerischen Wald hinweg. Auf dem Gelände der Clariant-Pilotanlage spiegelt sich die Sonne im glänzenden Aluminium der Lagertanks.

Darinnen: Ethanol aus biotechnischer Produktion, bereit zur Verwendung als Lösemittel, in Haushaltsreinigern oder als Treibstoff für Autos und LKW – das ist die prosaische Erklärung. Poetischer formuliert steckt dahinter eine kleine Revolution: „Sunliquid“, also flüssiges Sonnenlicht, nennt die Firma ihr Vorzeigeprojekt – Fahren mit der Kraft der Sonne. Viele denken dabei zunächst an Photovoltaik und Elektromobile, doch setzen derzeit Batterietechnologie und nachhaltige Stromerzeugung den Entwicklern enge Grenzen.

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Bleiben die Biokraftstoffe, also die Erzeugung synthetischer Treibstoffe auf Basis energiereicher Biomasse – doch stehen diese seit der Food-vs.-Fuel-Debatte unter Generalverdacht, den Ärmsten der Welt sprichwörtlich das Essen vom Teller zu stehlen. Entsprechend fordern Experten seit Jahren die Entwicklung so genannter Bio-Fuels der zweiten Generation (auch Advanced Biofuels), die nicht aus Korn, Mais oder Zuckerrohr, sondern biologischen Rest- und Abfallstoffen gewonnen werden. Sprit aus Stroh, Laub und Sägemehl, also.

So könnte beispielsweise die Cellulose, die den Löwenanteil an der pflanzlichen Biomasse hat, zur Erzeugung von Ethanol genutzt werden – doch das langkettige Polysaccharid aufzubrechen, erweist sich als harte Nuss. „Im Halm ist fast so viel Zucker gebunden wie im Korn,“ erklärt Markus Rarbach, Sunliquid-Projektleiter bei Clariant. „Nur ist er dort wesentlich fester verpackt.“ Während die verschiedenen Einfachzucker sich biotechnisch hervorragend nutzen lassen, gibt sich die Cellulose verschlossen. Zwar wurden auf dem Höhepunkt der Biosprit-Diskussion vor etwa zehn Jahren große Vorhaben angekündigt – doch der Durchbruch auf breiter Front ist noch in weiter Ferne.

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Biosprit-Vorreiterprojekt in Rumänien

Jetzt schaltet sich mit Clariant ausgerechnet ein klassisches Spezialchemie-Unternehmen beim Biofuels-Rennen ein – und macht Nägel mit Köpfen. Die Firma mit Hauptsitz in Muttenz, Schweiz, baut in Craiova, Rumänien eine Produktionsanlage für 50.000 Jahrestonnen Ethanol auf. Damit wird das osteuropäische Land quasi über Nacht zum Technologie-Vorreiter – und Clariant vom Katalysatorspezialisten zum Hersteller von Bio-Kraftstoffen.

Auch die im Prozess entstehenden Nebenprodukte sollen weiterverwendet werden – das erklärte Ziel der Entwickler ist die Unabhängigkeit der Anlage von fossilen Energiequellen.

Aus Reststoff mach Rohstoff: So werden Synergien nutzbar

So wurde die Firma Getec damit betraut, eine CO2-neutrale Energieerzeugungsanlage mit Wirbelschichtkessel zur Verbrennung von Lignin – welches bei der Ethanolerzeugung als Reststoff anfällt – zu errichten und zu betreiben. „Produktion und Energieversorgung gehen hier Hand in Hand und sind optimal aufeinander abgestimmt. Durch die Verwertung eines Reststoffes aus der Produktion von Clariant in unserer Energieerzeugungsanlage werden Synergien geschaffen und erhebliche Energieeffizienz-Potenziale gehoben.

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Die dezentrale Energieerzeugung erfolgt vollständig regenerativ und daher klimaneutral“, erklärt Thomas Wagner, CEO der Getec Group. Bei voller Kapazitätsauslastung verarbeitet die neue Anlage pro Jahr rund 250.000 t Weizen- und sonstiges Getreidestroh, das von lokalen Landwirten bezogen wird. Schon 2020 soll die erste Produktcharge ausgeliefert werden, sind die Beteiligten optimistisch.

Ethanol aus Sonnelicht: Das Enzym macht‘s

Hinter all dem steckt die Sunliquid-Technologie des Schweizer Spezialchemie-Unternehmens: Tatsächlich arbeitet Clariant schon seit Jahren daran, quasi flüssiges Sonnenlicht nutzbar zu machen. Als Schlüsseltechnologie erwies sich dabei einmal nicht die Chemie, sondern hochspezialisierte Hydrolasen. Diese Enzyme sind in der Lage, die langkettigen Substratmoleküle durch Anlagerung von Wasser aufzuspalten und zu Fünffach- und Sechsfachzuckern aufzubrechen. Biologische Katalysatoren also – kein Wunder, dass das Verfahren bei Clariant im Geschäftsbereich Catalysis angesiedelt ist.

„Eine Menge guter Ideen macht noch keinen effizienten Prozess“, so Rarbach. Entwickelt wurde die Technologie im Biotech-Forschungszentrum der Schweizer in Planegg vor den Toren Münchens. Hier wurden von 2009 an aus abertausenden in Frage kommender Mikroorganismen die passenden Stämme ausgewählt, durch Mutation und gezieltes Engineering auf den Einsatz in Sunliquid-Anlagen vorbereitet und ein mehrstufiges Verfahren zur Nutzung von agraischen Reststoffen entwickelt. Vom Mikrobiologie-Labor bis zur Pilotanlage im Untergeschoss des Forschungszentrums optimieren die Entwickler Verfahrensschritte, Enzyme und Organismen. Denn genauso, wie kein Rohstoff hundertprozentig identisch ist, passt Clariant auch die verwendeten Biokatalysatoren exakt an das angepeilte Einsatzgebiet potenzieller Kunden an. So soll immer eine optimale Effizienz sichergestellt werden, ganz egal, ob es darum geht, Weizenstroh, Bagasse, Reis- oder Kornstroh zu verarbeiten.

Ausgezeichnete Innovation: 2015 wurde das Sunliquid-Verfahren mit dem Deutschen Innovationspreises für Klima und Umwelt (IKU) 2015 in der Kategorie Prozessinnovation ausgezeichnet.

So kam auch der Standort in Rumänien ins Spiel, erklärt das Unternehmen. In der Region gibt es viele Weizenbauern – aber nur wenig Viehwirtschaft, die als Abnehmer für Stroh in Frage käme. Also verrotten die Reste ungenutzt, werden untergepflügt oder, was noch schlimmer ist, einfach verbrannt – mit entsprechenden Folgen für Luft- und Bodenqualität.

Dabei wäre hier ein kleiner Schatz zu heben – ließen sich doch mit dem Stroh von einem Hektar Anbaufläche 3 bis 3,5 Tonnen Zellulose-Zucker gewinnen. Und auch für die Arbeitnehmer der Region wäre einiges zu holen: Etwa 100 bis 120 Mitarbeiter würden direkt in Craiova beschäftigt, rund 300 zusätzliche Arbeitsplätze erwartet man in regionalen Betrieben durch den neuen Standort.

Aus Stroh mach Sprit: So gelingt der Zellulose-Aufschluss

Doch natürlich kann man – trotz hochspezialisierter Hydrolasen – nicht einfach einen Strohballen in den Bioreaktor stopfen. Zunächst muss das Ausgangmaterial vorbereitet und die Ligno-Zellulose-Struktur geöffnet werden. Dazu wird das Stroh zunächst gehackt, bevor es in einem Druckbehälter mit Dampf beaufschlagt wird. Durch eine plötzliche Druckentlastung wird das Material förmlich zerrissen – und bietet so dank Feuchtigkeit und großer Oberfläche den Enzymen optimale Angriffsmöglichkeiten. Bei Clariant ist man besonders stolz darauf, dass dieser Prozess vollkommen ohne chemische Lösungsmittel auskommt – das schont nicht nur Umwelt und Ressourcen, sondern erlaubt auch, das Prozesswasser wieder zu gewinnen.

Und so stapeln sich im ersten Prozessschritt der High-Tech-Biosprit Anlage in Niederbayern die Strohballen bis unter die Decke – ein seltsamer Kontrast zu dem glänzenden Edelstahl der Röhren und Reaktoren. Manchmal, berichtet Rarbach, seien es gerade solche scheinbar banalen Faktoren, die das ausgeklügelte Verfahren ins Stocken bringen, etwa wenn sich der Häcksler an einem zusätzlichen Knoten in der Ballenschnürung verschluckt.

Aus dem Labor in die Praxis

Anschließend erfolgen die Hydrolyse und eine Fermentation durch spezielle Hefepilze, während der begehrte Alkohol entsteht. Der Clou dabei: Anders als herkömmliche Gärprozesse verstoffwechselt der genutzte Hefestamm simultan C5- und C6-Zucker. Das Ergebnis: Bis zu 50 Prozent mehr Ethanol im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, die nur C6-Zucker verwerten können.

Und die Hefe kann noch mehr: Es handelt sich dabei um exakt den Mikroorganismus, der zur Erzeugung der Hydrolase genutzt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Biokatalysatoren vor Ort in der Anlage zu produzieren anstatt sie aufwändig von der Fertigung bei Clariant zum Endkunden zu bringen. „Wer nicht die ganze Wertschöpfungskette versteht, und weiß, wie er Nebenprodukte nutzen kann, hat keinen ausgereiften Prozess“, ist sich der Sunliquid-Projektleiter sicher.

Nichts wird verschwendet: Sogar der bei der Fermentation zurückbleibende Holzzucker, das Lignin, wird abfiltriert und als Brennmaterial in einer Kraft-Wärme-Anlage genutzt. Auf diese Weise sollen Sunliquid-Anlagen quasi energieautark arbeiten können. Die nährstoffhaltige „Schlempe“, der wässrige Prozessrückstand, kann als Düngemittel wieder aufs Feld ausgebracht werden.

Dass das Verfahren funktioniert, zeigt sich 150 Kilometer weiter östlich: In Straubing betreibt Clariant seit 2012 eine Testanlage für 28 Millionen Euro, die mit Sunliquid bis zu 1000 Tonnen Ethanol erzeugen kann. Natürlich wird der gewonnene Ethanol erst durch Destillation aufkonzentriert, bevor er in Tanks auf dem Gelände für die weitere Nutzung gelagert wird. Kaufen kann man Sunliquid-Produkte jetzt schon: So setzt die Firma Frosch den „Bio-Ethanol“ in einem Reinigungsspray ein. Auch die Nutzung als Biokraftstoff wird in Pilotprojekten in Deutschland und Scania in Brasilien erprobt – damit dürfte Clariant eines der ganz wenigen Unternehmen sein, dass Ethanol nach Brasilien exportiert.

Pack die Sonne in den Tank: Ethanol im Flottentest bei Mercedes

In Straubing wurde in einem gemeinsamen Flottentest mit Mercedes ein Gemisch aus 20 % Bioethanol und 80 % Superbenzin im täglichen Dauereinsatz in Serienfahrzeugen erprobt. Das Ziel dabei: zu beweisen, dass der Ethanol/Benzin-Mix „ohne Probleme in bestehenden Motoren und mit bestehender Infrastruktur verwendet werden kann“, sagt Uwe Nickel, Chef der HCS-Group, einer Tochter des am Projekt beteiligten Mineralöl-Unternehmens Haltermann.

20 % Ethanol bedeutet 20 % weniger CO2-Emissionen, betont Nickel. Doch dass sich der Bio-Anteil an der Kraftstoffmischung ohne weiteres beliebig erhöhen lässt, darf bezweifelt werden.

Ein 700-Millionen-Tonnen-Potenzial

„Von einem Nobody zu einem Anführer in Sachen Nachhaltigkeit in nur einer Dekade,“ so Rarbach. Das Potenzial für Sunliquid sei jedenfalls da, ist man sich bei Clariant sicher: Durch die Nutzung von Lignozellulose ließen sich weltweit über 700 Millionen Tonnen Ethanol herstellen, ergaben aktuelle Berechnungen. Alleine in der EU stünden etwa 225 Millionen Tonnen Agrarabfälle bereit – und das jedes Jahr. Daraus könnten 36,7 Millionen Tonnen Ethanol gewonnen werden – genug um etwa 16 % des für das Jahr 2030 erwarteten Treibstoffbedarfs zu decken.

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Weit mehr, als die 3,5 %, die die EU in ihren Nachhaltigkeitszielen für die kommenden zehn Jahre festgeschrieben hat. Vielleicht ließe sich durch die Verwendung von Rest- und Abfallstoffen auch das Akzeptanzproblem der Bio-Kraftstoffe lösen, hoffen die Beteiligten. So fördert auch die EU das Sunliquid-Projekt mit zweistelligen Millionenbeträgen.

Die Vision: Bioplastik aus Zellulose

Wagen der Mercedes-Benz Flotte vor der Sunliquid Demonstrationsanlage zur Produktion von Zellulose-Ethanol aus Agrarreststoffen in Straubing
Wagen der Mercedes-Benz Flotte vor der Sunliquid Demonstrationsanlage zur Produktion von Zellulose-Ethanol aus Agrarreststoffen in Straubing
(Bild: Clariant)

Dabei ist die „Sonne im Tank“ gar nicht das einzige Anwendungsfeld, das die Entwickler im Visier haben. Clariant arbeitet bereits an chemischen und biotechnischen Verfahren zur Gewinnung von Basisrohstoffen für die Chemie aus Zellulose. Damit wollen die Schweizer der Nachfrage nach „nachhaltigen“ Kunststoffen aus der Industrie begegnen.

Plastik dank Sonnenlicht also – tatsächlich rechnet auch in Muttenz niemand damit, dass Clariant in Zukunft groß ins Biosprit-Geschäft einsteigen wird. Zwar hat die Firma beschlossen, Biofuels in einer neuen Geschäftslinie als Teil des Geschäftsbereichs Catalysis zu etablieren, die rumänische Vorzeigefertigung soll jedoch vor allem die Leistungsfähigkeit des Verfahrens demonstrieren und klarmachen, welches Potenzial die Firma in Sunliquid sieht. Das lässt sich die Unternehmenszentrale etwa 100 Millionen Euro kosten – auch ein Beweis für das viel zitierte „commitment“ in die neue Technologie.

Wird Clariant zum Biosprit-Hersteller?

Dass soll auch potenzielle Kunden überzeugen – in Zukunft will Clariant Sunliquid nämlich als Technologie-Paket auf den Markt bringen. Vom Enzym bis zur Anlagenkonzeption reicht das Angebot – wobei keine Anlage exakt der anderen gleichen soll. Für jeden Kunden und jeden Rohstoff würden individuell die passenden Enzyme und Hefestämme ausgewählt, um eine optimale Umsetzung zu garantieren, erklären die Entwickler.

Ob Weizenstroh, Hackschnitzel oder Laub – die Entwickler in Planegg versprechen, für jedes Material die optimale Kombination aus Mikroorganismen und Prozessführung zu finden. Mit einer Lösung von der Stange müsse sich also niemand zufrieden geben. „Unser Geschäft ist es, am Ende des Tages Enzyme zu verkaufen – und die sind Katalysatoren“, so Rarbach.

Eine erste Partner-Anlage mit Sunliquid-Technologie wird derzeit in der Slowakei gebaut. Dort plant Enviral, der größte Hersteller von Bioethanol des Landes, Sunliquid in Lizenz für eine 50.000-Tonnen- Produktion (entsprechend 16,7 Millionen Gallonen oder 63,4 Millionen Liter) am bestehenden Standort Leopoldov einzusetzen. In der Anlage sollen die Sunliquid-Technologie sowie Starterkulturen von Clariants eigenen Enzym- und Hefeplattformen zum Einsatz kommen, um aus Envirals Rohstoffen Zellulose-Ethanol herzustellen.

Lohnt sich das? Welche Zukunft hat Ethanol und Bioplastik?

„Dieser Schritt ist die logische Folge von Clariants erfolgreicher Innovationsstrategie und ermöglicht zusätzliches Wachstum über das aktuell starke Portfolio von Clariant hinaus. Zellulose-Ethanol verfügt über ein erhebliches Potenzial zur Reduzierung von Treibhausgas-Emissionen, “ kommentierte Christian Kohlpaintner, Mitglied des Executive Committee von Clariant, die Vertragsunterzeichnung 2017.

Markus Rarbach, Leiter Start-up Business Project Biofuels & Derivatives (Clariant), und Andre Koltermann, Leiter Group Biotechnology (Clariant), nahmen von Bundesumweltministerin Barbara Hendricks und Holger Lösch, Mitglied der BDI-Hauptgeschäftsführung, den Deutschen Innovationspreis für Klima und Umwelt in der Kategorie Prozessinnovation entgegen.
Markus Rarbach, Leiter Start-up Business Project Biofuels & Derivatives (Clariant), und Andre Koltermann, Leiter Group Biotechnology (Clariant), nahmen von Bundesumweltministerin Barbara Hendricks und Holger Lösch, Mitglied der BDI-Hauptgeschäftsführung, den Deutschen Innovationspreis für Klima und Umwelt in der Kategorie Prozessinnovation entgegen.
(Bild: Clariant)

Natürlich ist Ethanol derzeit noch teurer als ölbasierte Kraftstoffe – doch könnten die ehrgeizigen Klimaschutzziele, die sich die Staaten der Welt gegeben haben, anders unter Umständen nicht zu erreichen sein. Und natürlich sollte auch der Boom von Shale-Öl und -Gas sowie die Entdeckung neuer Tiefsee-Felder nicht darüber hinweg täuschen, dass Erdöl eine endliche Ressource ist. Wer im Rennen um die Zukunft gut aufgestellt sein will, braucht den richtigen Technologie-Turbo – oder einfach die Sonne im Tank.

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