Roland Kalb

Exner Lectures 2023 – Roland Kalb (proionic & Lawrence Berkeley National Lab)

Ab 2022 trägt die globale Luftfahrtindustrie zu etwa 2,5 % der gesamten vom Menschen verursachten CO2-Emissionen bei und könnte bis Mitte des 21. Jahrhunderts um mehrere 100 % ansteigen, wenn keine strengen Maßnahmen ergriffen werden. Die weltweite Luftfahrtindustrie hat sich zum Ziel gesetzt, die CO2-Emissionen bis 2050 um 50 % gegenüber dem Stand von 2005 zu senken. Um dieses Ziel zu erreichen, bezeichnet die International Air Transport Association (IATA) die Entwicklung und Verwendung von nachhaltigem Flugkraftstoff (SAF) als “zwingend erforderlich”. Bislang ist nur HEFA-SPK (SAF aus hydroverarbeiteten Estern und Fettsäuren) kommerziell verfügbar und wird als max. 50% Mischungsanteil eingesetzt. Andere derzeit kommerzialisierte SAFs basieren auf der Vergasung von Biomasse mit anschließender Fischer-Tropsch-Chemie (FT-SPK) und Alcohol-to-Jet Fuel (ATJ-SPK), bei dem biobasierte Alkohole dehydriert, isomerisiert und hydriert werden. Die beiden letztgenannten SAFs haben jedoch Nachteile in Bezug auf die eingeschränkte Variabilität der Rohstoffe und die Komplexität des Prozesses. Das Preisniveau all dieser drei Bio-Düsentreibstoffe liegt in der Größenordnung des 2-3fachen des Preises von herkömmlichem Flugbenzin.

Der plausibelste konkurrierende Rohstoff, der auf der Erde zur Verfügung steht, ist Lignozellulose. Die jährliche Verfügbarkeit von lignozellulosehaltigen Non-Food- und Abfall-Rohstoffen wird allein in den Vereinigten Staaten auf etwa 1 Milliarde Trockentonnen pro Jahr geschätzt4, was etwa 190 Milliarden Litern an umsetzbarem Biokraftstoff entspricht. Nur eine Technologie, die in Bezug auf Art, Qualität und Verunreinigung solcher Rohstoffe sehr flexibel ist, wird in naher Zukunft in der Lage sein, erhebliche Mengen SAF zu einem wettbewerbsfähigen Preis zu liefern.

Das Joint BioEnergy Institute (JBEI) des DOE, das vom Lawrence Berkeley National Laboratory geleitet wird, entwickelt seit 2007 solche Technologien. Die Vorbehandlung von Biomasse ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu einer hochleistungsfähigen, rohstoffunabhängigen SAF-Produktion. Heute ist das JBEI weltweit führend auf dem Gebiet der Vorbehandlung von Biomasse mit ionischen Flüssigkeiten (Ionic Liquid, IL) und der Entwicklung von Mikroben und Pflanzen für die Produktion von SAF durch synthetische Biologie. Ionische Flüssigkeiten sind eine neuartige Klasse von geschmolzenen Salzen bei Raumtemperatur, die seit mehr als 15 Jahren anderen Vorbehandlungsmedien für Biomasse deutlich überlegen sind. Heute setzt dieses IL-basierte Verfahren ≥ 90% der Zucker und Lignin-Zwischenprodukte frei, die anschließend von Mikroben in SAF und andere wertvolle Bioprodukte umgewandelt werden. Die Anwendung von ILs als Vorbehandlungsmittel hat jedoch auch Nachteile: Herkömmliche ILs haben einen vernachlässigbar niedrigen Dampfdruck, was ihre Abtrennung durch Destillation erschwert, aber entweder andere kostspielige Abtrennungstechnologien oder neuartige IL-kompatible Prozesse erfordert, um die nachgeschaltete Toxizität zu mindern.

JBEI unterhält eine langfristige Partnerschaft mit dem österreichischen Unternehmen proionic GmbH, einem weltweit führenden Unternehmen und anerkannten Pionier in der Entwicklung von IL-basierten Technologien und der Herstellung von ILs. Um die Nachteile herkömmlicher ILs zu überwinden, hat proionic eine spezielle Klasse kostengünstiger, flüchtiger ionischer Flüssigkeiten entwickelt, die destillierbar sind (DILs), sowie eine maßgeschneiderte Hochleistungstechnologie für die Rückgewinnung solcher DILs aus Biomasseschlämmen mit einem Wirkungsgrad von über 99 % (HIPE-REC®, zum Patent angemeldet). Dieser Vortrag gibt einen Überblick über die Aktivitäten des Joint BioEnergy Institute im Bereich nachhaltiger Flugkraftstoffe und die Bedeutung der HIPE-REC®-Technologie von proionic, um die Schlüssellücke bei der Rückgewinnung ionischer Flüssigkeiten aus vorbehandelten lignozellulosehaltigen Biomasse-Rohstoffen zu schließen.