Tot nu toe moest houtafval met hoge kosten worden afgevoerd en werd het in het beste geval gebruikt voor het opwekken van energie in verbrandingsinstallaties. Fraunhofer-onderzoekers gebruiken deze waardevolle hulpbron nu om biowaterstof te produceren in de regio van het Zwarte Woud in Duitsland. In het gezamenlijke project H2Wood — BlackForest zijn fermentatieprocessen met waterstofproducerende bacteriën en microalgen speciaal ontwikkeld voor de biotechnologische productie van deze groene energiedrager. Een pilotinstallatie voor de productie van biowaterstof moet al in 2025 in gebruik worden genomen. Een in het kader van het project gepubliceerde studie onderzoekt ook de mogelijkheden, barrières en maatregelen voor regeneratieve waterstofproductie uit afvalhout en oud hout in de regio van het Zwarte Woud.
Biowaterstof uit houtafval – In de regio Zwarte Woud zijn veel houtverwerkende bedrijven gevestigd, waaronder veel meubelfabrikanten. Bij de meubelverwerking, palletverwerking en sloop van gebouwen ontstaan grote hoeveelheden houtafval. Tot nu toe werd dit afval in verbrandingsinstallaties afgevoerd. Omdat oud hout vaak houtconserveringsmiddelen bevat die al lang verboden zijn vanwege hun schadelijke effecten op de gezondheid van de mens, moet het afvalgas van het verbrandingsproces ook nog eens met hoge kosten worden gereinigd. Dit motiveerde de Fraunhofer-onderzoekers om op zoek te gaan naar alternatieve toepassingen voor het regionale houtafval.
Het idee was dat afvalhout en oud hout gebruikt konden worden om regeneratieve waterstof te produceren, en dat biowaterstof uit het afval geproduceerd kon worden met behulp van biotechnologische processen – perfect in lijn met een circulaire economie op basis van hout. De truc is dat de onderzoekers suiker uit het hout gebruiken om waterstof te produceren met behulp van bacteriën. De resulterende CO2 wordt vervolgens gebruikt om microalgen te kweken die ook waterstof kunnen produceren. Naast het Fraunhofer Instituut voor Interfaciale Engineering en Biotechnologie IGB en het Fraunhofer Instituut voor Productietechniek en Automatisering IPA zijn ook de Universiteit Stuttgart, met haar Instituut voor Industriële Productie en Management IFF, en Campus Schwarzwald betrokken bij de uitvoering van het project H2Wood – BlackForest, dat in 2021 werd gestart. Het Duitse Federale Ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) financiert het project met 12 miljoen euro.
Voorbewerking
Het productieproces van biowaterstof begint met de voorbewerking van oud en afvalhout. Eerst wordt het houtafval, zoals pallets of oude tuinhekken, verpulverd en afgebroken tot de basiscomponenten. Hiervoor koken de onderzoekers het hout onder druk tot 200 °C in een mengsel van ethanol en water. Lignine en lijmen, oplosmiddelen en verf uit het houtafval lossen op in de ethanol, waardoor de chemische verontreinigingen van de houtvezels worden gescheiden. In de volgende stap worden de houtvezelfractie die overblijft na het koken, de cellulose en een deel van de hemicellulose afgebroken tot afzonderlijke suikermoleculen (glucose en xylose), die dienen als voedsel of substraat voor de waterstofproducerende micro-organismen.
“Het scheiden van hout in zijn fracties is een proces dat ervaring vereist. Hier putten we uit de jarenlange expertise die we hebben opgedaan bij de bouw van onze lignocellulosebioraffinaderij in Leuna”. Dit zegt Dr. Ursula Schliessmann, adjunct-instituutsdirecteur bij Fraunhofer IGB in Stuttgart, die verantwoordelijk is voor de projectcoördinatie en technologieontwikkeling. Om de geproduceerde suiker om te zetten in waterstof, hebben de onderzoekers van Fraunhofer IGB twee onderling verbonden fermentatieprocessen opgezet met behulp van waterstofproducerende bacteriën en microalgen.
© Fraunhofer IGB
Naast waterstof worden ook koolstofhoudende bijproducten geproduceerd
Voorbewerking produceert bijproducten zoals lignine, en de biotechnologische omzetting van het hout geeft waterstof en CO2 vrij. Dit laatste wordt vervolgens omgezet in bijproducten zoals zetmeel en carotenoïden tijdens de productie van microalgen. Dr. Schliessmann legt het cascadeproces uit. “Wanneer het hout wordt gefractioneerd, worden de houtvezels bevrijd van lignine, dat naast cellulose en hemicellulose twintig tot dertig procent van de celwandsubstantie van het hout uitmaakt. Als een van de bijproducten heeft deze lignine veel toepassingen, bijvoorbeeld in composietmaterialen. Een voorbeeld van het gebruik ervan is in autopanelen”, aldus Dr. Schliessmann.
De lange suikerketenmoleculen van de cellulose worden gebruikt om glucose te produceren, dat met bacteriën aan de fermentor wordt toegevoegd en dient als koolstofbron voor bacteriegroei. De bacteriën produceren vervolgens waterstof en CO2. De onderzoekers scheiden de CO2 uit het gasmengsel en brengen het over naar de algenreactor, een fotobioreactor. De microalgen kunnen CO2 als koolstofbron gebruiken en zich vermenigvuldigen. In tegenstelling tot bacteriën hebben ze geen suiker nodig. De metabolische producten van de bacteriën, oftewel de schijnbare afvalstroom van CO2, zijn voedsel voor de microalgen en komen daarom niet als schadelijk broeikasgas in de uitlaat terecht. De microalgen gebruiken dit om onder invloed van licht carotenoïden of pigmenten te synthetiseren. Dit zijn verdere bijproducten die door verschillende industriële sectoren kunnen worden gebruikt. In een tweede stap worden de microalgen overgebracht naar een speciaal ontworpen reactor waar ze waterstof vrijgeven via directe fotolyse.
Biotechnologisch proces met een hoge waterstofopbrengst
De projectpartners verwachten een hoge opbrengst. In eerste instantie kan uit één kilo oud hout ongeveer 0,2 kilogram glucose worden geproduceerd. “Daarmee kunnen we dan met behulp van anaërobe micro-organismen 50 liter H2 produceren”, zegt Dr. Schliessmann. Bij de fermentatie met anaërobe bacteriën ontstaat CO2 in gelijke delen, d.w.z. 50 procent. Nadat de waterstof uit het gasmengsel is gescheiden, kan in de fotobioreactor uit ongeveer twee kilogram CO2 één kilogram microalgenbiomassa worden geproduceerd. Deze biomassa heeft een zetmeelgehalte van maximaal 50 procent. Het bevat ook het pigment luteïne. De bijproductalgenbiomassa zou bijvoorbeeld met behulp van bacteriën kunnen worden gebruikt voor kunststofcomponenten.
De modulair uitbreidbare pilotplant met drie bioreactoren is momenteel in aanbouw. De bioraffinaderij moet begin 2025 in bedrijf gaan op Campus Schwarzwald. In de toekomst is het mogelijk om verschillende processtappen modulair te combineren – een ideale voorwaarde om nieuwe technologieën te testen.
© Fraunhofer IGB
Waterstofroutekaart voor de regio Zwarte Woud
In dit project voert Fraunhofer IPA samen met het Institute of Industrial Manufacturing and Management IFF een studie uit om te bepalen hoe aan de lokale vraag naar groene waterstof in de industriële, transport-, huishoudelijke en bouwsector kan worden voldaan. En welke hoeveelheden afvalhout en oud hout beschikbaar zijn voor de productie ervan. Als resultaat van deze waterstofroutekaart zijn aanbevelingen gedaan voor de ontwikkeling van de waterstofeconomie in de regio van het Zwarte Woud.
De voorgestelde maatregelen omvatten het bevorderen van onderzoek en ontwikkeling, de uitbreiding van de regionale waterstofinfrastructuur en de versterking van de integratie van energiesystemen om waterstof te vestigen als een integraal onderdeel van de energietransitie. “De studie toont aan dat de regio van het Zwarte Woud een aanzienlijk potentieel heeft om waterstof te produceren uit lokale bronnen. Maar dit potentieel kan alleen volledig worden benut door de technologieën verder te ontwikkelen en de infrastructuur uit te breiden”, zegt Vladimir Jelschow, onderzoeker bij Fraunhofer IPA en een van de auteurs van de waterstofroutekaart.
- Fraunhofer Instituut voor grensvlaktechniek en biotechnologie IGB (igb.fraunhofer.de)
- Fraunhofer Instituut voor Productietechniek en Automatisering IPA (ipa.fraunhofer.de)
- Link naar de studie (ipa.fraunhofer.de)
