Die Pyrolyse - eine Methode zur Herstellung von Diesel und Benzin aus organischen Abfallstoffen

Könnte die Pyrolyse unsere momentanen Energie-Engpässe beenden? Ein Überblick über ein weitgehend unbeachtetes Verfahren.

Teil 1: Die Zukunft der Energie-Versorgung

Den Anstoß, diesen Artikel zu schreiben, gaben Meldungen über ein bislang scheinbar erfolgreiches Start-Up, welches Pyrolyse nutzt, um Kunststoff-Abfälle in Treibstoffe zu verwandeln. Diese Treibstoffe sollen dann direkt wieder in Strom verwandelt werden. Ein gewöhnlicher Schiffscontainer beinhaltet die komplette Fabrik und diese Fabrik in vielfacher Ausführung soll genau dorthin geschickt werden, wo Menschen in Südost-Asien in ihren Slums die Kunststoffabfälle sonst achtlos in Flüsse und direkt ins Meer werfen. Die Anlagen sollen ferner auf Schiffen eingesetzt werden, die gemeinsam mit autonom fahrenden Satellitenschiffen Kunststoffschnipsel aus dem Meer in Mündungsnähe der verseuchtesten Flüsse fischen.

Das ist ein perfektes Konzept, an dem ich mit meinem kleinen Wissenshorizont nichts im Geringsten aussetzen könnte. Dieses Projekt verdient Unterstützung. Abgesehen von der Frage, ob nicht ebenfalls bereits mit überschaubarem Aufwand in den betreffenden Ländern verhindert werden könnte, dass die Menschen das Plastik ins Wasser verfrachten. Und abgesehen von der Frage, wie unser Plastikmüll früher nach China und jetzt zu den Philippinen, nach Indonesien und in andere Länder gelangen kann, die offenkundig keine geeignete Infrastruktur besitzen, um unsere Kunststoffabfälle adäquat zu verarbeiten. All das ist mindestens einen eigenen Artikel wert.

Trotz dieser famosen Geschäftsidee will ich hier auch noch auf etwas anderes hinaus. Für mich wäre es schade, wenn man aus flüssigen Treibstoffen Strom gewinnt (auch wenn es in besagten Zusammenhängen der beste Weg sein mag). Für mich sind flüssige Treibstoffe nach wie vor die beste Antriebsenergie für Autos und andere Verkehrsmittel und das ist etwas, was mich an dem Pyrolyse-Verfahren begeistert.

Künstlicher Prozess der Erdölentstehung oder der Kohleentstehung im Labor

Zunächst einmal will ich kurz erklären, was Pyrolyse ist: Pyrolyse ist, vereinfacht gesagt, der verkürzte und künstliche Prozess der Erdölentstehung oder der Kohleentstehung im Labor. Pyrolyse bedeutet das Erhitzen beliebiger organischer Stoffe unter Luftabschluss, je nach Verfahren und insbesondere bei feuchten Ausgangsstoffen auch unter Druck, auf Temperaturen zwischen 200°C und 800°C. In den meisten Fällen ist das Vorhandensein von Wasser in den organischen Stoffen nicht hinderlich.

Sie ermöglicht die Nutzung von Stoffen, die sonst nur schwer nutzbar gewesen wären. Die Erhitzung der Stoffe kann in der Regel durch gasförmige Brennstoffe erfolgen, welche beim Pyrolyse-Vorgang gewonnen werden. Der Wirkungsgrad der Pyrolyse ist im Vergleich zu fast allen anderen Umwandlungsvorgängen von organischer Substanz in technisch nutzbare Brennstoffe sehr hoch. Wirkungsgrade von 90% sind teilweise möglich, nur ungefähr 10% oder etwas mehr der erhaltenen Brennstoffe sind also erforderlich, um die Ausgangs-Stoffe entsprechend zu erhitzen.

Ein Blick auf Wikipedia erklärt die Technologie der Pyrolyse eingehender und zeigt, in welch vielfältiger Weise Pyrolyse grundsätzlich bereits seit Urzeiten genutzt wird. Bereits die Herstellung von Holzkohle ist im weitesten Sinne ein Pyrolyse-Prozess. Der Holzvergaser zum Antrieb von Autos zu Kriegszeiten funktioniert nach dem Prinzip der Pyrolyse. Die Pyrolyse wird in Raffinierien zum Cracking verwendet, bei dem längerkettige Verbindungen in flüssigere oder gasförmigere Vebrindungen aufgespalten werden.

Pyrolyse unterscheidet sich von bekannten Technologien zur Herstellung "synthetischer Treibstoffe"

Ich durfte bei meinen jüngsten Recherchen feststellen, dass es offenbar viele kleine Projekte gibt, dass die Technik der Pyrolyse bereits eine gewisse Serienreife erlangt hat, dass aber alles, was hier passiert, eher auf einem privaten kleinen Level geschieht und dass das gigantische Potential der Pyrolyse-Technologie noch überhaupt nicht im öffentlichen Bewusstsein angelangt ist.

In jedem Fall kann das Potential der Pyrolyse grundlegend von bislang bekannten Technologien zur Herstellung "synthetischer Treibstoffe" unterschieden werden. Die bislang bekannten Technologien basierten fast ausnahmslos auf nachwachsenden Rohstoffen, die extra für die Treibstoff-Produktion angepflanzt, gedüngt und geerntet wurden und / oder sie werden mit sehr niedrigen Herstellungswirkungsgraden gewonnen - in der Größenordnung von einem Viertel der ursprünglich genutzten Energie (25% und weniger!).

Auch so genanntes "Windgas" oder Wasserstoff fallen in diese Kategorie von Brennstoffen, die mit exorbitant schlechten Gesamtwirkungsgraden aus ohnehin schon hochwertiger elektrischer Energie und mit sehr aufwändigen Verfahren hergestellt werden müssen (Elektrische Energie ist immer wesentlich wertvoller als Brennstoffe). All diese "synthetischen" Treibstoffe sind ökologisch nicht zu rechtfertigen und sie werden sich vermutlich auch aus wirtschaftlichen Gründen hoffentlich nicht durchsetzen.

Konkurrenz zwischen Tank und Teller

In Zeiten der Konkurrenz zwischen Tank und Teller, in denen von der UN ganz offiziell ein Ansteigen des Welthungers in Folge der Verwendung von Agrarprodukten für die Produktion von Energie-Produkten vermeldet wird - in diesen Zeiten ist auch eine Nutzung von Energiepflanzen auf Agrarflächen in keinem Fall zu vertreten, ebenso wie die Zerstörung der Urwälder zur Produktion von Bio-Diesel.

Ich habe vor einiger Zeit anhand einer einfachen Rechnung dargelegt, dass wir bei rechnerischer Nutzung aller Agrarflächen (ca. 15 Mio. km²) dieser Erde zur Produktion von Biodiesel aus Rapsöl nur etwa ein Fünftel oder Sechstel des Welt-Energiebedarfs decken könnten, aber dann nichts mehr zu Essen hätten (energiechanche.de).

Wenn wir also aus Bio-Masse Energie gewinnen wollten, dann kommen ausschließlich Vorkommen in Frage, die dauerhaft genutzt werden können, ohne Konkurrenz zur Nahrungsmittel-Anpflanzung. Und es ist zwingend erforderlich, dass die Mineralien und Dung-Stoffe der genutzten Biomasse dieser entzogen werden können und wieder in die Böden eingebracht werden können. Es ist erforderlich, dass die Biomasse-Nutzung keine eigene Düngung oder Pestizid-Einsatz erfordert.

Diese Kriterien treffen erst einmal möglicherweise auf alle pflanzlichen Abfälle zu, die entweder ohnehin bereits gesammelt werden (wie es in der Landwirtschaft vielfach der Fall ist) oder die anderweitig ohne besonderen Aufwand gesammelt und transportiert werden können.

Abfälle, nicht angepflanzte Bio-Masse

Es soll also an dieser Stelle ausschließlich über Abfälle gesprochen werden und nicht über angepflanzte Bio-Masse. Es soll an dieser Stelle ausschließlich über Vorgänge gesprochen werden, zu denen keine nennenswerte Menge an beispielsweise elektrischer Energie zugeführt werden muss.

Die Pyrolyse ist mit aller Wahrscheinlichkeit das nahezu einzige Verfahren, welches in der Lage ist, aus diesen Bio-Masse-Abfällen Treibstoffe, brennbare Gase und festere wachsförmige und koks-artige Brennstoffe herzustellen. Die Betreiber und Hersteller von Pyrolyse-Anlagen geben auch alle an, dass die Mineralien und Düngstoffe bei diesem Prozess automatisch wieder zurückgewonnen werden und als Dünger genutzt werden können. Somit treffen auf die Pyrolyse die oben genannten Anforderungen offenbar zu.

Auch wird von der Pyrolyse gesagt, dass sie quasi jede Art organischer Substanz in technisch nutzbare Brennstoffe umwandeln könne. Auch feuchte organische Abfälle seien, wie gesagt, zur Nutzung geeignet. Möglicherweise ist dann der Anteil nutzbarer flüssiger Brennstoffe nicht so groß, die anderen Brennstoffe sind jedoch in jedem Fall nutzbar.

Kunststoffe sind natürlich das ideale Material, um eine große Ausbeute an flüssigen Brennstoffen zu gewinnen, und es fallen ja weiterhin noch erhebliche Mengen an Kunststoff-Abfällen an, die offenbar nicht auf oberster Wertebene genutzt werden können, weil sie nicht sortenrein vorliegen, weil sie aus untrennbaren Objekten mit verschiedenen Stoffen bestehen, weil sei bereits verwittert sind und verschiedene Gründe mehr.

Das theoretische Potential der insgesamt verfügbaren organischen Abfälle ist immens

Laut Wikipedia würde alleine in den Wäldern der Erde die 25-fache Menge an Energie in Form von organischer Substanz nachwachsen (und damit auch wieder als tote Biomasse abfallen), welche wir jährlich weltweit an Energie verschwenden. Aber gerade die Wälder sollten wir besser in Frieden lassen, denn eine systematische Ernte aller abfallenden organischen Abfälle aus den Wäldern wäre ein schrecklicher Eingriff in das lebendige System der Wälder. Aber auch in der Landwirtschaft fallen laut Wikipedia jährlich 42,5 Tonnen Biomasse-Abfälle pro Hektar jährlich an. Und im Gegensatz zur Biomasse aus den Wäldern ist diese Biomasse auf den Feldern direkt verfügbar und kann vermutlich in großen Mengen genutzt werden.

Aber was hat bislang verhindert, dass die Pyrolyse im großen Maßstab zur Treibstoff-Herstellung genutzt wird, wenn sie so vorteilhafte Eigenschaften besitzt? Natürlich können wir als Verschwörungstheoretiker erst einmal annehmen, dass dem die Interessen der Erdölindustrie entgegen stünden. Aber das ist eine Theorie, an die wir glauben können oder nicht, konkrete Hinweise sind mir keine bekannt.

Hingegen bekannt ist, dass das Verfahren der Pyrolyse sich unterschiedlich gestaltet, je nach dem, mit welchen Abfällen ich in dieses Verfahren hinein gehe. Und in gleicher Weise erhalte ich unterschiedliche Produkte aus dem Verfahren, je nach dem, mit welchen Ausgangsstoffen ich die Anlagen füttere. Freilich spielen die weiteren Parameter der Anlage wie Druck, Temperatur, Zeit und eventuelle Zusatzstoffe noch eine entscheidende Rolle für das Ergebnis.

Für die Treibstoffe beispielsweise für Autos gelten jedoch mittlerweile extrem präzise Anforderungen bezüglich der Eigenschaften. Ohne die Einhaltung dieser Normen ist der Betrieb der hoch komplexen Motoren und das Erzielen der geforderten reinen Abgase nicht mehr möglich. Grundsätzlich wäre es durchaus möglich, durch Pyrolyse Treibstoffe mit diesen Eigenschaften herzustellen. Dazu wären jedoch enorm große Mengen sehr vergleichbarer Abfall-Arten erforderlich. Die Pyrolyseanlagen müssten in langwieriger Entwicklungsarbeit auf die Gewinnung bestimmter Treibstoff-Qualitäten hin optimiert werden. Die Treibstoffe müssten anschließend zum Teil noch raffiniert und anderweitig nachbehandelt werden, was auch nur in großtechnischen Anlagen möglich wäre und was ebenfalls einen langwierigen Eintwicklungsprozess erfordern würde.

Gegebenenfalls müssten auch die Autohersteller ihre Motorenentwicklung auf Treibstoffe mit geringfügig veränderten Eigenschaften einstellen, was ebenfalls mit hohen Entwicklungsbudgets verbunden wäre.

Nicht nur flüssige Treibstoffe

All diese Anstrengungen vorausgesetzt könnten wir annehmen, dass wir aus diesen Verfahren etwa ein Drittel der Energie in Form von flüssigen Treibstoffen (Benzin und Diesel) erhalten würden. Ein Drittel wären Schweröle und Wachse, die beispielsweise weiterhin in der Schifffahrt Anwendung finden könnten. Und etwa ein Drittel wäre gasförmig, wobei daraus dann wieder Flüssig-Gas (Propan und Butan) gewonnen werden könnte, ein Teil ins Erdgas-Netz gespeist und ein Teil zum Betrieb der Pyrolyse-Verfahren genutzt werden könnte.

Mit anderen Worten: Die Gewinnung von Benzin oder Diesel kann unmöglich durch mittelständische Unternehmen entwickelt werden. Möglicherweise hätten selbst mittelgroße Konzerne nicht die Macht, dies zu leisten, wenn nicht die Politik und/oder ein Verbund einiger Konzerne und Verbände ein echtes Interesse an dieser Entwicklung zeigen würde. Und um dieses Interesse zu wecken ist möglicherweise eine gewisse öffentliche Aufmerksamkeit zu diesem Thema erforderlich.

Eine Alternative wäre vermutlich die Nutzung von Pyrolyse-Treibstoffen in Ländern mit weniger strengen Abgas-Anforderungen. Ich schätze, dass bei Motoren mit Pumpe-Düse-Einspritzung oder einer Common-Rail-Einspritzung mit geringeren Drücken und größeren Düsen und bei Abgasanforderungen auf dem Niveau von Euro IV oder geringfügig strenger auch Treibstoffe mit weniger exakt definierten Eigenschaften verwendbar wären. Ich halte ohnehin das Niveau von Euro IV oder geringfügig strenger (aber unterhalb von Euro V und VI) für ein Optimum an Nachhaltigkeit.

All den Ärger mit dem Diesel-Skandal bräuchten wir nicht, wenn man mit vernünftigem Aufwand Motoren herstellen könnte, die diese Grenzwerte einhalten könnten und das Stickstoffdioxid ist bei weitem nicht so bedrohlich, wie vielfach dargestellt. Telepolis berichtete mehrfach dafüber. Das nur am Rande...

Im Vergleich zum Potential der Treibstoffgewinnung aus Biomasse nimmt sich das rein energetische Potential zur Treibstoffgewinnung aus Kunststoff-Abfällen eher bescheiden aus. Dafür sind Kunststoffabfälle vermutlich ein Rohstoff, aus dem leichter hochwertige Treibstoffe hergestellt werden können, als aus undefinierten Agrar-Abfällen. Zudem sind die Europäer nach dem Wegfall von China als Abnehmer für Kunststoff-Abfälle und nach dem zunehmenden Bekanntwerden von Kunststoff-Abfall-Export-Skandalen in Europa zunehmend angehalten, Verwertungsmethoden für Kunststoff-Abfälle zu finden, die sonst nicht mehr in geeigneter Weise recykelt werden können.

Die Pyrolyse ist hier fast die einzige Chance, noch in irgendeiner Weise eine stoffliche Verwertung vorzuzeigen, und sich nicht die Blöße zu geben, eine rein energetische Verwertung gehen zu müssen ("Müllverbrennungsanlagen"). Die Verwendung von Abfall in Müllverbrennungskraftwerken kann insbesondere trockenen organischen Abfall (und das ist Kunststoff-Müll) zwar mit dem gleichen Wirkungsgrad in Strom verwandeln wie dies mit anderen Brennstoffen auch der Fall ist. Aber bei der Pyrolyse entsteht eben wie gesagt potentiell ein flüssiger Treibstoff.

Und flüssige Treibstoffe haben aus meiner Sicht in Zukunft auch aus Sicht der Umwelt eine besondere Bedeutung, weil sie, wenn sie mit geringen Umweltbelastungen hergestellt werden können, die Verwendung von umweltschädlich erzeugten nicht konventionellen Erdölprodukten ersetzen können ("Fracking" etc.). Aus diesem Grunde hoffe ich, dass wir auch in Europa in naher Zukunft Pyrolyse-Anlagen stehen haben, die aus Kunststoff-Abfällen Diesel und Benzin erzeugen.

In jedem Falle hätte die Pyrolyse das Potential, so viel Erdöl zu ersetzen, dass wir uns die extrem umwelt-zerstörerischen unkonventionellen Ölproduktions-Methoden sparen könnten, wie das Fracking, die Tiefseebohrungen oder die Ölgewinnung aus Sand. Und wir könnten auf Treibstoffen aus Nahrungsmitteln verzichten, wenn wir einen Teil des Potentials an Biomasse-Abfall-Stoffen für die Pyrolyse nutzen würden.

Pyrolyse und Kohleherstellung

So viel über die Pyrolyse zur Herstellung von Treibstoffen. Ich wollte am Schluss noch ein paar Worte zur Nutzung der Pyrolyse zur Kohleherstellung anbringen, auf die ich bei meinen Recherchen ebenfalls stieß: Aus unterschiedlichsten pflanzlichen Abfällen (und nur solche sollten hierfür wegen der chemischen Reinheit verwendet werden) kann durch ein darauf angepasstes Pyrolyse-Verfahren eine sehr poröse Kohle hergestellt werden. Wir sprechen von Aktiv-Kohle oder einer vergleichbaren Kohle. Vielfach wird auch der Begriff "Terra Preta" verwendet, wobei zur Terra Preta noch weitere Bestandteile gehören, die von Menschen einzubringen sind, wie Kot und Kompost.

Die Kohle wird dann fein vermahlen und dem Boden beigemengt. So können unfruchtbare Böden fruchtbar gemacht werden oder die Fruchtbarkeit der Böden kann gesteigert werden. Das Feuchtigkeitsspeichervermögen von Böden wird gesteigert, ebenso wie die Fähigkeit, Stickstoff und Phosphor zu binden und Mikroorganismen aufzunehmen. Und nicht zuletzt können so große Mengen an Kohlenstoff über viele Jahrzehnte oder länger in den Boden gebunden und somit CO₂ gespart, welches nicht in die Atmosphäre gelangt. Diese Thema wäre einen eigenen Artikel wert und auch hierauf gehe ich hier noch nicht weiter ein, nicht zuletzt weil ich selbst noch eine Menge zu diesem Thema forschen müsste. (Zwei schöne Youtube-Beiträge zu dem Thema: Biokohle - Bleibt die Frage warum erst jetzt? und First Industrial Biochar Unit in Europe).

Wenn die Herstellung von Pyrolyse-Kohle und die Einarbeitung dieser Kohle in die Erde nicht nur den Vorteil hat, die Erde fruchtbarer zu machen und die Feuchtigkeit besser in der Erde zu halten, sondern wenn auf diesem Wege auch noch große Mengen CO₂ in Form von Kohlenstoff in der Erde auf lange Zeit gebunden werden können, dann stellt sich auch die Frage, ob dieses Verfahren nicht um Welten besser wäre, als die unsinnige des öfteren besprochene direkte Einlagerung von CO₂ in unterirdische Bunker.

Die direkte CO₂-Einlagerung wäre nämlich im Gegensatz zur Verwendung von Pyrolyse-Kohle mit enormem zusätzlichem Energieaufwand verbunden und sie birgt immense Gefahren für den Fall, dass das CO₂ durch ein Erdbeben oder einen Unfall in größeren Mengen austreten sollte. Dann nämlich würde das CO₂ wirklich als tödliches Gift für Menschen und Tiere wirken, die mit solchen kurzzeitig hohen Konzentrationen nicht zurecht kämen.

Wollten unsere Nationen ihrer Verantwortung für die Umwelt und für die Zukunft nachkommen, wäre eine ordentliche Förderung von Pyrolyse-Verfahren zur Treibstoffgewinnung und die Koordination mit der Industrie ein wünschenswerter Schritt in diese Richtung. Gleichzeitig sollte wie immer ein besonderes Augenmerk darauf gerichtet sein, dass hierbei keine neuen Umweltbelastungen entstehen und dass der Kreislauf der für den Boden wichtigen Mineralien und Düng-Stoffen in behutsamer Weise erhalten wird.