H₂Wood – BlackForest – Biointelligente Wasserstoff-Erzeugung aus Holz und Altholz im Schwarzwald

Herausforderung und Ziel

Aufgrund seines hohen Waldanteils ist die Wirtschaft des Schwarzwald stark auf die Nutzung von Holz ausgerichtet. Dabei fallen bedeutende Mengen an Holzabfällen an, z. B. Restholz, Altholz und Produktionsabfälle, die derzeit teilweise kostenintensiv entsorgt werden müssen. Für eine nachhaltige und regionale Wertschöpfung will das Projekt »H₂Wood – BlackForest« diese Holzabfälle als lokale Ressource zur Herstellung von Biowasserstoff und biobasierten Produkten erschließen.

Lösungsansatz

Als Grundlage für die Umsetzung einer holzbasierten Kreislaufwirtschaft in der Region werden Aspekte und Potenziale einer wasserstoffbasierten Nachhaltigkeit im Schwarzwald sowie Szenarien für eine beschleunigte Reduzierung von CO₂‑Emissionen untersucht. Die durch Fraunhofer IPA und Universitäts Institut IFF durchgeführten Analysen richten sich an das holzverarbeitende Gewerbe, an Mobilitätsdienstleister, Technologieunternehmen sowie an Energieversorger, die Kommunen und die Land-/Stadtkreise und werden in einer Wasserstoff‑Roadmap für die Region Schwarzwald zusammengefasst.

Für die verfahrenstechnische Realisierung wird ein Anlagenkonzept zur Gewinnung von Biowasserstoff aus Holzabfällen mittels biotechnologischer Prozesse als Alternative zu thermochemischen Verfahren analysiert und bewertet. Der erste Schritt hierbei ist die Vorbehandlung des Alt- und Restholzes, um chemische Bestandteile aus Klebstoffen oder Lacken zu entfernen, gefolgt von der Fraktionierung des Holzes und der Spaltung der hierbei gewonnenen Cellulose in Zucker. Für die Umwandlung der Holzzucker in Wasserstoff werden am Fraunhofer IGB zwei Fermentationsverfahren mit wasserstoffproduzierenden Mikroalgen und Bakterien untersucht und miteinander verknüpft.

Zur Demonstration der technischen Machbarkeit und Gewinnung erster Betriebsdaten werden die Prozessstufen anhand der am Fraunhofer IGB im Labormaßstab ermittelten Auslegungsdaten als semi-mobile Module aufgebaut und in einer automatisierten Anlage am Campus Schwarzwald integriert.

Auswirkung und Anwendungspotenziale

Durch die Verminderung von CO₂‑Emissionen unterstützt das Vorhaben die Erreichung der Klimaschutzziele. Zum einen ersetzt der regenerativ hergestellte Energieträger Biowasserstoff bisherige fossile Energieträger, etwa in den Sektoren Mobilität und Industrie. Zum anderen verknüpft der biotechnologische Ansatz die energetische Verwertung der Holzabfälle mit einer stofflichen Nutzung, indem das bei der biotechnologischen Umwandlung aus dem Holz freigesetzte CO₂ in Form von kohlenstoffbasierten Koppelprodukten gebunden wird. Damit leistet die kombinierte stoffliche Verwertung von Altholz und Holz-Produktionsabfällen auch einen Beitrag zur Etablierung einer auf nachwachsenden Rohstoffen basierenden Kreislaufwirtschaft mit biobasierten Produkten für die Lebensmittel- und Futtermittelindustrie sowie die Chemie.

Vorbehandlung: Fraktionierung und Verzuckerung des Alt- und Restholzes

Der Hauptbestandteil von Holz ist Lignocellulose, Strukturmaterial in der Zellwand aller holzigen Pflanzen und der am häufigsten vorkommende nachwachsende Rohstoff. Lignocellulose besteht im Wesentlichen aus polymeren C6- und C5-Zuckern (Cellulose, Hemicellulose) sowie dem Biopolymer Lignin.

Um die Holzabfälle nutzbar zu machen, werden diese − beispielsweise Restholz, Paletten, Bauabfälle oder alte Gartenzäune − zunächst zerkleinert, gesiebt und von physikalischen Störstoffen, welche die Bioraffinerieanlage im weiteren Prozess beschädigen können, getrennt. Anschließend findet ein chemisch-thermischer Aufschluss statt. Hierzu wird das Holz unter Druck bei bis zu 200 °C in einem Ethanol-Wasser-Gemisch gekocht. Lignin sowie Klebstoffe, Lösemittel und Lacke aus den Holzabfällen lösen sich in Ethanol, sodass die chemischen Störstoffe hierbei von der Holzfaser getrennt werden.

Die beim Kochen übrigbleibende Holzfaserfraktion, die Cellulose und Hemicellulose enthält, wird im Schritt der Verzuckerung in ihre einzelnen Zuckermoleküle – Glucose und Xylose – gespalten. Diese dienen den wasserstoffproduzierenden Mikroorganismen als Substrat und Kohlenstoffquelle.

Aus der flüssigen Fraktion lässt sich als Koppelprodukt Lignin gewinnen. Es ist vielseitig einsetzbar, unter anderem als biobasiertes Material in Verbundwerkstoffen.

Konversion der Zucker zu Wasserstoff

Für die Umwandlung der gewonnenen Zucker in Wasserstoff hat das Fraunhofer IGB zwei miteinander verknüpfte Fermentationsverfahren mit wasserstoffproduzierenden Bakterien und Mikroalgen etabliert.

Bakterielle Fermentation: Umwandlung von Zucker in Wasserstoff

Für die Umwandlung der Zucker untersucht  das Fraunhofer IGB eine anaerobe Fermentation mit dem Bakterium Clostridium. Diese Bakterien produzieren während ihres Wachstums neben dem Zielprodukt Wasserstoff auch CO₂.und organische Säuren

Mikroalgen: Umwandlung von CO₂ in Koppelprodukt Lutein

Mikroalgen sind durch die Photosynthese in der Lage, CO₂ als Kohlenstoffquelle zu nutzen. Um CO₂ aus der bakteriellen Fermentation als Kohlenstoffquelle für die Mikroalgen nutzen zu können, wird es aus dem Gasgemisch abgetrennt und einem Photobioreaktor zugeführt, in dem die Mikroalgen kultiviert werden. Mit der Mikroalge Chlorella sorokiniana können daraus unter Lichteinfluss Speicherstoffe wie Stärke und Carotinoide wie Lutein als weitere, von unterschiedlichen Industriebranchen verwertbare Koppelprodukte synthetisiert werden.

In einem zweiten Schritt überführen wir die Mikroalgen in einen speziell dafür entwickelten Reaktor, in dem sie mittels direkter Photolyse Wasserstoff freisetzen.

Bioraffinerie-Pilotanlage für holzbasierte Kreislaufwirtschaft

Einige Module des Pilotanlagenkomplexes wurden bereits 2024 am Fraunhofer IGB aufgebaut und getestet. Die Planung für den Aufbau am Campus Schwarzwald ist im vollen Gange. Die Anlage soll im Sommer/Herbst 2025 in Betrieb genommen werden. Damit wird der Weg bereitet, die biotechnologische Erzeugung von Wasserstoff erstmals in einem größeren Maßstab zu demonstrieren.

Durch den neuen biotechnologischen Ansatz wird die energetische Verwertung der Holzabfälle zu Wasserstoff mit einer stofflichen Nutzung verknüpft. Das aus dem Holz freigesetzte CO₂ wird in Form von kohlenstoffbasierten Koppelprodukten gebunden und damit zurück in den natürlichen Kohlenstoffkreislauf geführt.