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Biomasse, das Erdöl des 21. Jahrhunderts?

Von: Axel Borrenkott
Letzte Aktualisierung:

Aachen. Dass das Erdöl allmählich knapp wird, und dass dessen Verbrennung ohnehin nicht gut fürs Klima ist, haben wir inzwischen gelernt. Energie muss in Zukunft aus erneuerbaren und klimaneutralen Quellen gewonnen werden.

Erdöl ist aber auch Rohstoff für unzählige Produkte, auf die wir nicht mehr verzichten können: Kunststoffe, Medikamente, Kosmetik, Farben. All das und mehr kann man auch aus Pflanzen herstellen. Das erfordert allerdings völlig neue Verfahren. An der RWTH werden sie entwickelt, von der Aachener Verfahrenstechnik. Die AVT bündelt die Kompetenzen von sechs Lehrstühlen.

Die wenigsten Konsumenten können sich wahrscheinlich unter Verfahrenstechnik viel vorstellen. Dabei ist es ein recht anschaulicher Begriff für die Verfahren und Techniken, mit denen man einen Rohstoff so weit umwandelt, dass man aus ihm ein Verbrauchsgut herstellen kann.

Charme der Alchemie

Wie man also zum Beispiel Erdöl raffiniert und Benzin dabei herauskommt, oder es so umwandelt, dass man Hochleistungskunststoffe wie etwa für DVDs daraus machen kann. Oder wie aus Traubensaft durch Gärung Wein entsteht. Verfahrenstechnik heißt zerkleinern und reagieren, mischen und trennen, verflüssigen und verdampfen, zerkleinern und vergasen, erwärmen und kondensieren.

Verfahrenstechniker fügen also naturwissenschaftliche Kenntnisse und Methoden zu einer anwendungsorientierten ingenieurwissenschaftlichen Disziplin zusammen. Ihr Job ist es, Prozesse und Anlagen für die Herstellung von stofflichen Produkten zu entwerfen, zu verwirklichen und auch zu betreiben.

Etwas vom Charme der Alchemie mutet den High-Tech-Prozessen heutiger Stoffumwandlung noch an. Die Alchemie war ja getragen von dem, wenngleich philosophischen Gedanken, die Eigenschaften von „unedlen” Stoffen zu nutzen, um daraus ein „edles” Produkt herzustellen. Eben das leistet Verfahrenstechnik, indem sie die Eigenschaften von Naturmaterial analysiert und Ideen wie Methoden zu deren Verwertung entwickelt.

Umbau ganzer Industrien

„Im Prinzip kann man alle Produkte, die früher aus Erdöl hergestellt wurden, zukünftig auch aus Biomasse produzieren”, sagt Andreas Pfennig. Der ist Inhaber des Lehrstuhls für Thermische Verfahrenstechnik und derzeit Sprecher der Aachener Verfahrenstechnik. Und die wird nun zusammengeführt in einem „Zentrum für die Prozesse und Produkte der nächsten Generation” (NGP). In einem Gebäudekomplex gleichen Namens wird man künftig die komplette Wertschöpfungskette erforschen, wie man aus regenerativen Quellen zu neuen Produkten kommt.

Innerhalb der nächsten Jahrzehnte, daran gibt es weltweit keinen vernünftigen Zweifel mehr, wird und muss sich nämlich ein totaler Rohstoffwandel vollziehen. Dieser Wandel zu regenerativen Kohlenstoffen wird ebenso umfassend sein wie vor nicht einmal hundert Jahren der von Kohle zu Erdöl. Und er wird einen weitgehenden Umbau ganzer Industriezweige zur Folge haben.

Fast alles wird sich ändern, weil die Rohstoffe andere sind. „Es wird einen stetigen Wechsel zu immer komplexeren Rohstoffen geben”, und also werden sich auch die chemische Natur der Produkte ändern und entsprechend die Verfahren, mit denen sie hergestellt werden, so Pfennig: „Was wir aus Biomasse alles für neue Produkte mit neuen Eigenschaften machen können, das wissen wir heute noch gar nicht.”

Keine Nahrungskonkurrenz

Biomasse, das sind biogene Reststoffe, Grünpflanzen, Holz und Algen - also der Teil der Flora, der nicht zur Ernährung dient. Die dafür benötigte Landfläche beträgt nur etwa vier Prozent der für die Nahrungsproduktion benötigten Fläche. Und sie steht auch bei der voraussichtlichen Steigerung der Weltbevölkerung auf fast zehn Milliarden Menschen bis 2050 noch zur Verfügung - ohne die Ernährung der Menschen zusätzlich wesentlich zu gefährden, wie Pfennig vorrechnet.

Und prinzipiell sei Erdöl zur Herstellung von Plastik, Kosmetik, Medikamenten oder Farbstoffen „zu 100 Prozent ersetzbar”. Übrigens auch durch die Umwandlung von CO2, das man aus dem Rauchgas abscheidet. Das verbessert die Ökobilanz allerdings kaum, weil davon nur Bruchteile genutzt werden können.

Grundprinzip der Prozesse der nächsten Generation ist es, „die Syntheseleistung der Natur gezielt zu nutzen”, um neue Stoffe und Materialien herzustellen. Vorrang haben, anders gesagt, nicht zerstörende Methoden, sondern grundsätzlich solche, die die chemische Struktur der Biomasse weitestgehend erhalten und die einen möglichst geringen Energieaufwand benötigen, häufig auch nur niedrige Temperaturen erfordern. Hier liegt auch eine große Zukunft für die Biokatalyse, also eine naturähnliche, aber effizientere chemische Stoffumwandlung.

Im Einzelnen ist eine ganze Reihe dieser Verfahren bereits in der Entwicklung. Das Wesentliche und Innovative des NGP-Konzepts wird aber der gemeinsame Blick aller sechs beteiligten Institute auf die gesamte Wertschöpfungskette „vom Rohstoff bis zum maßgeschneiderten Produkt” sein.

Während bisher tendenziell jeder Lehrstuhl „Schritt für Schritt” seine thermischen, chemischen, mechanischen oder biologischen Prozessteile entwickelt habe, werde man dies nun „ganzheitlich” tun. Andreas Pfennig: „Wir betrachten nun zusammen den Gesamtprozess. Wie müssen die optimalen Schritte zusammenspielen, damit wir auf bestmöglichem Weg vom Rohstoff zum Endprodukt kommen?”

Quasi-natürliche Querverbindungen dieses Projekts gibt es zum Exzellenzcluster „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse”, das Pflanzenreste tankbar machen will. Und selbstredend fügt sich NGP in das Zukunftskonzept 2020 ein, mit dem sich die RWTH „globalen Herausforderungen” stellt, und das ebenfalls Teil der Exzellenzinitiative ist.

Ziel des Ganzen ist demgemäß auch nichts weniger als „ein „weltweit einzigartiges Kompetenzprofil aufzubauen, das die nationale und internationale Sichtbarkeit der Forschungsregion Aachen stärkt” und außerdem noch zur „Sicherung des Chemiestandorts Deutschland” beiträgt.

Baubeginn im nächsten Jahr

Im Herbst 2014 soll auch der Bau sichtbar und bezugsfertig sein, das NGP-Zentrum auf Melaten, in dem die gesamte Aachener Verfahrenstechnik auf 6900 Quadratmetern Nutzungsfläche dann vereint forschen kann.

Bund und Land NRW geben dafür 48,3 Millionen Euro her, so hat es die Gemeinsame Wissenschaftskonferenz auf Vorschlag des Wissenschaftsrats beschlossen. Die Förderung schließt die Großgeräte ein, Herzstück ist eine Bioraffinerie. Der ursprünglich für diesen Herbst geplante Baubeginn soll nun Oktober 2012 sein.

Sechs Lehrstühle bilden den Verbund der Aachener Verfahrenstechnik (AVT). Die bislang verteilten Institute werden nun in einem Neubau räumlich und inhaltlich gebündelt, der auch Raum für Kooperationspartner bietet. Das aus dem Bund-Länder-Programm mit 48,3 Millionen Euro geförderte Gebäude soll ab 2012 in Aachen Melaten errichtet werden und im Herbst 2014 betriebsfertig sein.

Der Name des Neubaus ist gleichzeitig Forschungsprogramm „Center for Next Generation Processes and Products” (NGP, Zentrum für Prozesse und Produkte der nächsten Generation). Entwickelt werden die Verfahren der gesamten Wertschöpfungsketten von regenerativen Kohlenstoffquellen (Biomasse) zu neuen stofflichen Produkten.

Beteiligt sind die Lehrstühle für Bioverfahrenstechnik (Prof. Jochen Büchs); Chemische Verfahrenstechnik (Prof. Thomas Melin/Prof. Matthias Wesssling); Mechanische Verfahrenstechnik (Prof. Michael Modigel); Prozesstechnik (Prof. Wolfgang Marquardt); Thermische Verfahrenstechnik (Prof. Andreas Pfennig, der auch Sprecher der AVT ist); Enzymprozesstechnik (Professorin Antje Spieß).

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