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Jun 14, 2023

Letztes Jahr fuhr ein mit menschlichen Abfällen betriebenes Auto durch die ländlichen Gebiete Europas und legte dabei mehr als 2.000 Kilometer (1.200 Meilen) zurück. Es war der Höhepunkt von To-Syn-Fuel, einem bahnbrechenden Projekt, das eine vom deutschen Fraunhofer-Institut UMSICHT entwickelte Technologie nutzte, um aus 500 Tonnen Klärschlamm 50.000 Liter (13.200 Gallonen) Biorohöl herzustellen.

Laut Robert Daschner, Leiter der Abteilung für erneuerbare Energien am Fraunhofer UMSICHT, der das vom EU-Programm Horizon 2020 finanzierte Multipartnerprojekt leitete, stellte die Reise einen Meilenstein in den weltweiten Bemühungen dar, menschliche Abfälle in brauchbaren Transportkraftstoff umzuwandeln. Durch den Einsatz von To-Syn-Fuel können im Vergleich zu fossilen Brennstoffen CO2-Einsparungen von bis zu 85 % erzielt werden, schrieb er in einer E-Mail an Mongabay.

Doch dieser historische Roadtrip durch die EU war nur ein Zwischenziel: Als nächstes steht der Bau einer größeren Rohöl-zu-Rohöl-Anlage in Deutschland an, die auf den Erkenntnissen einer kleineren Demonstrationsanlage zur Machbarkeitsstudie aufbaut. Ziel sei es, bis zum Jahr 2030 bis zu 400.000 Tonnen Klärschlamm zu „nachhaltigem Flugtreibstoff“ zu verarbeiten, schrieb Daschner.

Wenn dieses oder andere vielversprechende Rohöl-zu-Rohöl-Pilotprojekte wirklich zum Erfolg führen, könnten Wissenschaft und Industrie eine der härtesten Nüsse für die Verwirklichung einer postfossilen Brennstoffwirtschaft knacken: einen flüssigen Transportkraftstoff mit CO2-armem Potenzial um Autos, Lastwagen, Jets und Schiffe anzutreiben.

Klärschlamm ist ein kohlenstoff- und nährstoffreicher schlammartiger Rückstand, der nach der Abwasserbehandlung zurückbleibt. Transportexperten betrachten diese Reste nicht als Abfall, sondern als eine Form von veredelbarem Gold: als erneuerbaren Rohstoff, aus dem flüssiger Biokraftstoff hergestellt werden kann.

Einige Experten sagen sogar, dass die Nutzung des Energiepotenzials von Abwasser und Klärschlamm im Rahmen einer Kreislaufwirtschaft von entscheidender Bedeutung für die Bekämpfung des Klimawandels sein könnte. Doch das Erreichen dieses Ziels bietet zwar große Chancen, birgt aber auch große Herausforderungen.

In Kläranlagen fallen jedes Jahr Millionen Tonnen Klärschlamm an, ein Großteil davon landet jedoch mittlerweile auf Mülldeponien oder wird verbrannt. Behandelter Schlamm, bekannt als „Biosolids“, wird ebenfalls kompostiert und kann als Zusatzstoff in der Landwirtschaft ausgebracht werden.

Nach Angaben der Environmental Protection Agency produzierten die USA im Jahr 2021 4,5 Millionen Tonnen Schlamm. Davon wurden fast 2 Millionen Tonnen auf dem Land ausgebracht; 633.000 Tonnen wurden verbrannt und 1,9 Millionen Tonnen auf Deponien entsorgt. Während die Europäische Union weniger Klärschlamm produziert, etwa 10 Millionen Tonnen pro Jahr, folgt dessen Verwendung einem weitgehend ähnlichen Muster.

Jeder Weg der Klärschlammentsorgung verursacht seine eigenen großen Umweltprobleme. Das Ausbringen von Schlamm auf landwirtschaftlichen Flächen kann beispielsweise Schadstoffe in den Boden freisetzen, weite Gebiete kontaminieren und sogar Menschen mit giftigen Schwermetallen, PFAS-„Chemikalien für die Ewigkeit“ und Mikroplastik vergiften. Dieses Problem führte im vergangenen Jahr zu einem Verbot der Klärschlammausbringung im US-Bundesstaat Maine.

Die Abwasserbehandlung selbst ist ein kohlenstoffintensiver Prozess, der Schätzungen zufolge bis zu 5 % der Treibhausgasemissionen der Menschheit ausmacht. Derzeit werden nur 20 % des weltweiten Abwassers behandelt, was bedeutet, dass mit der Ausweitung der Abfallbehandlungsdienste auch der ökologische Fußabdruck wachsen könnte.

„Betreiber von Kläranlagen müssen den Schlamm oft verbrennen, was zu enormen Treibhausgasemissionen führt“, sagte Frédéric Pitre, Professor an der Universität Montreal in Kanada, in einem Interview mit Mongabay. „Es ist eine Herausforderung, Wege zu finden, diesem Schlamm einen Mehrwert zu verleihen.“

Die Erzeugung von Energie (in Form von Biogas) und die Rückgewinnung von Nährstoffen (wie Stickstoff und Phosphor, die als Düngemittel nützlich sind) sind zwei weitere Alternativen zur Gewinnung dieses „Wertes“, wobei Abfallbehandlungsbetreiber bereits Strom aus Kot erzeugen, um ihren CO2-Fußabdruck zu verringern, heißt es Lillian Zaremba, Programmmanagerin für kollaborative Innovationen für den Flüssigabfalldienst von Metro Vancouver. Mithilfe eines Prozesses, der als anaerobe Vergärung bekannt ist, wird Klärschlamm manchmal als Ausgangsstoff für die Produktion von Biogas in Form von Methan verwendet, das typischerweise zurück in Aufbereitungsanlagen gepumpt wird, um deren Energieerzeugungsbedarf zu decken.

„Wir nutzen das Biomethan, das bei der anaeroben Vergärung in den [Abfallbehandlungs-]Anlagen entsteht, und alles, was wir nicht verwenden können, reinigen wir für den Verkauf“, erklärt Zaremba. „Es verdrängt den Einsatz von fossilem Gas.“

Derzeit wird eine Vielzahl von Technologien untersucht, um Klärschlamm in kommerziell nutzbare flüssige Biokraftstoffe umzuwandeln, um den Transportbedarf zu decken. Ein letztes Jahr veröffentlichtes Übersichtspapier skizziert Optionen, darunter „biologische Prozesse, thermochemische Technologien, bioelektrochemische Verarbeitung, Bioraffinerien und andere“.

Obwohl kleine Demonstrationen zur Erzeugung von flüssigem Biokraftstoff aus Schlamm erfolgreich waren, sind noch keine großen Industrieanlagen in Betrieb. „Obwohl die verschiedenen Verarbeitungstechniken im Labor- oder Pilotmaßstab getestet und validiert wurden, stecken sie im Hinblick auf die industrielle Anwendung noch in den Kinderschuhen“, heißt es in dem Übersichtsartikel.

Befürworter loben die Vorteile schlammbasierter Biokraftstoffe und weisen darauf hin, dass sie viele der häufigen Kritikpunkte an anderen flüssigen Biokraftstoff-Rohstoffen wie Mais, Palmöl oder Pflanzenöl vermeiden können. Schlamm als Rohstoff bietet keinerlei Konkurrenz zu Nahrungsmitteln oder landwirtschaftlicher Flächennutzung, und Landumwandlung wird vermieden – Probleme, die die Nachhaltigkeit verschiedener Biokraftstoffe beeinträchtigen und die Kohlenstoffintensität erhöhen können.

Laureano Jiménez, Chemieingenieur an der spanischen Universität Rovira i Virgili, und sein Team führten eine Nachhaltigkeitsanalyse verschiedener flüssiger Biokraftstoff-Rohstoffe durch; Abfallquellen wie Klärschlamm schnitten am besten ab. „Wir sagen nicht, dass die Herstellung von Biokraftstoffen aus Abwasser die beste Option ist, aber es ist eine davon“, betonte er.

„Wir verwenden Abfälle, die auf jeden Fall verbrannt oder deponiert werden“, fügte Salvador Ordoñez vom Fachbereich Chemie- und Umweltingenieurwesen der Universität Oviedo, Spanien, hinzu. Das könne schlammbasierten Biokraftstoff nachhaltiger machen, glaubt er.

Die hydrothermale Verflüssigung (HTL) unter Verwendung von Druck und Hitze ist eine Möglichkeit, Siedlungsabfälle in Biorohstoffe umzuwandeln, und sie gilt als eine der Optionen mit dem größten Potenzial zur Herstellung von Treibstoffen für die Schifffahrt und möglicherweise nachhaltigen Flugkraftstoffen. Letztes Jahr kündigten Forscher, die an einem Pilotprojekt an der dänischen Universität Aarhus arbeiteten, einen „Durchbruch“ an, als Biorohöl erfolgreich aus Rohstoffen wie Klärschlamm hergestellt werden konnte.

In Kanada soll bis 2025 ein von Metro Vancouver entwickeltes HTL-Demonstrationsprojekt in Betrieb genommen werden, bei dem täglich etwa 10 Tonnen nasser Klärschlamm in fünf Fässer Biorohöl umgewandelt werden. Auch wenn das im Vergleich zum weltweiten Treibstoffbedarf ein Tropfen auf den heißen Stein ist, ist ein kleiner Anfang ein entscheidender Proof of Concept, bevor man weiter expandiert, sagte Zaremba. Ähnliche Pilotprojekte laufen auch andernorts.

Stian Hegdahl, Ph.D. Kandidat an der norwegischen Universität Bergen glaubt auch, dass HTL vielversprechend für die Umwandlung menschlicher Abfälle in Biokraftstoff ist. Seine Forschung im Labormaßstab verwendet Schlamm, der bereits den anaeroben Vergärungsprozess durchlaufen hat.

Er warnt davor, dass die Produktion von Biokraftstoffen nicht ohne Umweltprobleme sei. Bei der Umwandlung von Schlamm in Brennstoff entstehen sowohl feste als auch flüssige Abfälle, die entsorgt werden müssten, und man „musste überlegen, wie dies [sicher] geschieht“, sagte er.

Eine weitere Hürde: Rohöl-zu-Rohöl-Raffinerien müssen je nach geografischer Lage möglicherweise Schlamm aus zahlreichen Abfallbehandlungsanlagen transportieren, um den großen Bedarf decken zu können. Hegdahl führte „sehr grobe“ Berechnungen über die Menge an Biorohstoffen durch, die seine Heimatstadt Bergen produzieren könnte, und kam zu dem Ergebnis, dass der gesamte Abfall ihrer 300.000 Einwohner nur „Tausende Tonnen“ Kraftstoff produzieren könnte – eine Zahl, die im Vergleich zur aktuellen Produktion fossiler Brennstoffe in den Schatten gestellt wird. Dies könnte die logistischen Kosten in die Höhe treiben und es wirtschaftlich unrentabel machen.

„Man muss [Klärschlamm] an mehreren Orten in einer [Biokraftstoff-]Anlage sammeln, um genug produzieren zu können, damit sich jeder wirklich darum kümmern kann“, erklärte er.

Ein kanadisches Projekt verfolgte einen alternativen Ansatz zu HTL und testete stattdessen die Fähigkeit schnell wachsender Weiden, Abwasser als naturbasierte Lösung zu behandeln. ein Zweck, für den es sich als wirksam erwiesen hat. Die Forscher fanden dann heraus, dass diese Abfallbehandlungslösung auch eine nachhaltige Quelle für Biokraftstoffe darstellen könnte. Die Abwasserbehandlung mit Weiden hat die Biomasse der Pflanze erheblich erhöht, erklärt Pitre, der Teil des Forschungsteams war. Diese Biomasse könnte dann in flüssigen Kraftstoff oder andere Produkte wie Biokunststoffe umgewandelt werden, ein Ergebnis, das er als Win-Win-Lösung bezeichnet.

„Wir nutzen kein Ackerland, wir nutzen keine Lebensmittel und wir behandeln ein Umweltproblem“, sagte er. Forschungsergebnissen zufolge ist die Weide nur eine von mehreren Pflanzenarten, die für solche Zwecke genutzt werden könnten. „Entweder behandeln wir Abwasser zu deutlich geringeren Kosten als herkömmliche Abwasseraufbereitungsanlagen, oder wir entziehen dem Boden Schadstoffe und produzieren Biomasse, die sonst ungenutzt bleiben würde.“

Unabhängig davon, ob es sich bei dem Ausgangsstoff um Klärschlamm, Weiden oder anderes organisches Material handelt, stellt die Regulierung der Biokraftstoffproduktion eine weitere Hürde für die Umsetzung dar. Jedes „Demonstrationsprojekt“ müsste von der örtlichen Gerichtsbarkeit und der lokalen Regierung als geeignete Option für die Abwasserbehandlung akzeptiert werden, bevor es in den Mainstream übergeht, bemerkte Pitre.

Während Unternehmer daran arbeiten, Demonstrationen im Labor- und Pilotmaßstab in Projekte im industriellen Maßstab umzuwandeln, fragen sich Analysten, wie viel CO2-Einsparungen diese verschiedenen Biokraftstoffe bieten.

In einigen Fällen müssen die angepriesenen Einsparungen im Zusammenhang mit diesen neuen „kohlenstoffarmen“ Kraftstoffen noch bestätigt werden. Ihre Effizienz hänge vielleicht am meisten davon ab, wo in der Buchhaltung die Grenze gezogen werde, argumentiert Zaremba.

„Wir sehen, dass die Kohlenstoffintensität des Biorohöls um 90 % niedriger ist als die von fossilem Rohöl“, sagte sie. Diese hohe Zahl ist jedoch darauf zurückzuführen, dass die Vorteile berechnet werden, nachdem das Abwasser „bereits gesammelt und behandelt“ wurde. Das bedeutet, dass die „zusätzlichen Kohlenstoffemissionen aus diesem Teil des Prozesses“ bei der Reduzierung um 90 % nicht berücksichtigt werden.

Ebenso erfordert die Herstellung von Treibstoff mithilfe des HTL-Verfahrens Wasserstoff, und die Herstellung von Wasserstoff hat ihren eigenen CO2-Fußabdruck. Die Produktion von „grünem Wasserstoff“ aus erneuerbaren Quellen ist eine Möglichkeit, CO2-Einsparungen zu erzielen, doch derzeit wird der überwiegende Teil des Wasserstoffs mit fossilen Brennstoffen hergestellt; Im Jahr 2021 erzeugte erneuerbare Energie nur 1 % des weltweiten Wasserstoffs.

„Das ist etwas, das wir gerade lösen wollen, aber es ist noch weit entfernt“, sagte Carlos Pozo, Dozent an der Universität Rovira I Virgili. „Der Großteil der derzeitigen Wasserstoffproduktion ist keineswegs umweltfreundlich, daher wird dies eine weitere Umweltherausforderung sein.“

Im Fall von To-Syn-Fuel könnten die Kohlenstoffeinsparungen durch die Sequestrierung fester Kohlenstoffabfälle in Form von Biokohle, die bei der Umwandlung von Schlamm in Biokraftstoff entstehen, gesteigert werden, schrieb Daschner. Eine vollständige CO2-Bilanzierung müsse allerdings noch geprüft werden: „Da es sich um eine Forschungs- und Demonstrationsanlage handelt, können nur begrenzte Aussagen zur Ökobilanz einer volltechnischen Produktionsanlage gemacht werden.“ Er weist jedoch darauf hin, dass die Bewertung „des Ausgangsmaterials und eventueller Vorbehandlungsschritte des Ausgangsmaterials“ der Schlüssel zur Bestimmung der CO2-Einsparungen sein wird.

Ein weiteres Rätsel: die giftigen Schadstoffe im Abwasser. Schlamm enthält nicht nur extrahierbaren Kohlenstoff und landwirtschaftliche Nährstoffe, sondern auch unerwünschte Schadstoffe. Abhängig von der Methode zur Herstellung von Biokraftstoffen bereiten diese Schadstoffe weiterhin Kopfschmerzen und müssen möglicherweise deponiert oder verbrannt werden.

„In diesem Sinne entfernen wir [Schadstoffe] nicht aus der Umwelt“, sagte Jiménez. „Es gibt keine einfachen Lösungen.“

Zaremba ist sich des Schadstoffproblems bewusst, berichtet jedoch, dass HTL „sehr vielversprechend im Hinblick auf die Zerstörung umweltbedenklicher Verbindungen“ sei. Es werde derzeit geforscht, um zu verstehen, was mit den Schadstoffen während des Biokraftstoffumwandlungsprozesses passiert, sagte sie. „Dieses Pilotprojekt ist eine großartige Gelegenheit, das zu lernen.“

In einem im letzten Jahr veröffentlichten Papier wurde festgestellt, dass einige PFAS-Forever-Chemikalien bei der HTL-Umwandlung nicht vollständig eliminiert werden, was darauf hindeutet, dass „andere Behandlungsansätze für die PFAS-Entfernung aus Klärschlamm identifiziert werden müssen“.

Abgesehen von den ökologischen und technologischen Schwierigkeiten verweisen Experten auf wirtschaftliche und politische Hürden bei der Einführung schlammbasierter Biokraftstoffe. Beispielsweise könnte es schwierig sein, Betreiber kommunaler Kläranlagen und Steuerzahler davon zu überzeugen, Anlagen mit potenziell kostspieliger Technologie auszustatten, um die Herstellung von Biokraftstoffen zu erleichtern, sagt Ordoñez.

„Wenn man versucht, eine neue Technologie zu entwickeln, ist der Markt wichtig“, bemerkte er. „Wir bilden uns als Wissenschaftler aus, um den technologischen Teil [des Problems] zu lösen, aber auch der Markt ist wichtig.“

Eine Vielzahl von Rohöl-zu-Rohöl-Optionen befindet sich derzeit in der Entwicklung, aber ob sich eine davon durchsetzen und ausreichend Treibstoff produzieren wird, um die CO2-Emissionen im Transportwesen deutlich zu reduzieren, bleibt abzuwarten.

Es scheint wahrscheinlich, dass Rohöl zu einer Reihe von Lösungen werden könnte, die das wachsende Abfallentsorgungsproblem der Menschheit im 21. Jahrhundert angehen – Lösungen, die jetzt die Verwendung von Klärschlamm zur Herstellung von Biogas, Düngemitteln und Bodenverbesserungen oder die Entsorgung durch Verbrennung oder Deponierung umfassen auf Mülldeponien.

„Wir müssen eine geeignete Behandlung finden, um [Klärschlamm] in eine Kreislaufwirtschaft einzubinden“, sagte Jiménez. Die Produktion von „Biokraftstoffen ist eine dieser Alternativen.“

Die Hoffnungen hängen von den Ergebnissen verschiedener Expansionsbemühungen ab: „Wir hatten großes Interesse von unseren Kollegen in ganz Nordamerika und Leute in Europa haben sich an uns gewandt“, sagt Zaremba. „Jeder wartet darauf, dass jemand den Anfang macht, damit er dann selbst für die Umsetzung plädieren kann … dieser Pilotmaßstab – [dieser] Zwischenschritt, [der] es uns ermöglichen wird, ein wirklich überzeugendes [Biokraftstoff-]Geschäftsszenario zu entwickeln.“

Bannerbild: Während seines fünfjährigen Projekts wandelte To-Syn-Fuel mehr als 500 Tonnen getrockneten Klärschlamms in 50.000 Liter (13.200 Gallonen) Öl um. Der gleiche Prozess könne eine Quelle für „grünen“ Wasserstoff sein, sagt das Projektteam. To-Syn-Fuel wurde von der EU finanziert und umfasste eine Reihe von Partnern aus Wissenschaft, Forschung und Industrie. Bild © Fraunhofer UMSICHT.

Innovative Abwasserlösungen: Das globale Problem des menschlichen Abfalls angehen

Zitate:

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