Nowe życie odpadów drewnianych

Region Schwarzwaldu obfituje w zakłady zajmujące się obróbką drewna, w tym liczne fabryki mebli. W trakcie produkcji mebli, utylizacji palet i rozbiórki budynków powstają znaczne ilości odpadów drewnianych. Do tej pory trafiały one głównie do spalarni. Jednakże stare drewno często zawiera środki ochronne, które zostały zakazane z powodu szkodliwego wpływu na zdrowie ludzi. Gazy odpadowe powstające w procesie spalania wymagają kosztownego oczyszczania.

To zainspirowało naukowców z Fraunhofer Institute do poszukiwania alternatywnych zastosowań dla tych regionalnych odpadów. Pomysł polega na wykorzystaniu drewna odpadowego i starego do produkcji regeneracyjnego wodoru przy użyciu procesów biotechnologicznych, wpisując się w ideę gospodarki o obiegu zamkniętym. Kluczowym elementem procesu jest pozyskiwanie cukru z drewna, który następnie wykorzystywany jest przez bakterie do produkcji wodoru. Powstały w trakcie tego procesu CO₂ jest następnie wykorzystywany do hodowli mikroalg, które również mogą produkować wodór.

Projekt H2Wood – BlackForest, zainicjowany w 2021 r., realizują wspólnie Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB, Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation IPA, Uniwersytet w Stuttgarcie oraz Campus Schwarzwald. Projekt jest finansowany przez niemieckie Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych (BMBF) kwotą 12 milionów euro.

Proces produkcji bio-wodoru

Produkcja biowodoru rozpoczyna się od wstępnej obróbki starego i odpadowego drewna. Odpady drzewne, takie jak palety czy stare ogrodzenia, są najpierw rozdrabniane i rozkładane na podstawowe składniki. W tym celu drewno gotowane jest pod ciśnieniem w temperaturze do 200°C w mieszaninie etanolu i wody. W trakcie tego procesu lignina oraz kleje, rozpuszczalniki i farby obecne w odpadach drzewnych rozpuszczają się w etanolu, oddzielając chemiczne zanieczyszczenia od włókien drzewnych. W kolejnym etapie włókna drzewne, czyli celuloza i część hemicelulozy, są rozkładane na pojedyncze cząsteczki cukru (glukoza i ksyloza), które stanowią pożywkę dla mikroorganizmów produkujących wodór.

– Separacja drewna na poszczególne frakcje to proces wymagający doświadczenia. W tym celu korzystamy z wieloletniej wiedzy zdobytej podczas budowy naszej biorafinerii lignocelulozowej w Leuna – wyjaśnia dr Ursula Schliessmann, zastępca dyrektora Fraunhofer IGB w Stuttgarcie, odpowiedzialna za koordynację projektu i rozwój technologii. Aby przekształcić cukry w wodór, naukowcy opracowali dwa połączone procesy fermentacyjne z wykorzystaniem bakterii i mikroalg produkujących wodór.

Produkcja dodatkowych produktów na bazie węgla

Podczas wstępnej obróbki drewna powstają produkty uboczne, takie jak lignina, a proces biotechnologiczny uwalnia wodór i CO₂. Ten ostatni wykorzystywany jest w hodowli mikroalg, gdzie przekształcany jest w produkty takie jak skrobia czy karotenoidy.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Rynek

Wodór i metanol przyspieszą dekarbonizację w Polsce

Jak zielone paliwa syntetyczne, takie jak e-metanol czy eSAF, mogą zastąpić paliwa kopalne, przyczyniając się do transformacji energetycznej i zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego Polski i Europy?

Ochrona środowiska

Zielony wodór sposobem na dekarbonizację

Wodór wytwarzany przy użyciu energii słonecznej mógłby w przyszłości w dużej mierze zastąpić paliwa kopalne, pomagając obniżyć emisję dwutlenku węgla. Problemem są wciąż jeszcze dość kosztowne i mało wydajne instalacje, które wytwarzają to zielone paliwo. Powstaje jednak sporo testowych technologii, które pozwalają mieć nadzieję, że w niedalekiej przyszłości możliwe będzie istnienie fabryk całkowicie neutralnych dla klimatu.

– Podczas frakcjonowania drewna włókna drzewne uwalniają się od ligniny, która stanowi 20-30% ściany komórkowej drewna. Lignina, będąca produktem ubocznym, znajduje zastosowanie np. w materiałach kompozytowych, takich jak panele samochodowe – opisuje dr Schliessmann.

Tymczasem cząsteczki cukru uzyskane z celulozy trafiają do fermentora, gdzie bakterie przekształcają je w wodór i CO₂. Dwutlenek węgla jest przekazywany do fotobioreaktora, w którym mikroalgi wykorzystują go jako źródło węgla, jednocześnie produkując karotenoidy pod wpływem światła. W kolejnym etapie mikroalgi uwalniają wodór poprzez bezpośrednią fotolizę w specjalnie zaprojektowanym reaktorze.

Wysoka wydajność procesu biotechnologicznego

Partnerzy projektu przewidują wysoką wydajność procesu. Z jednego kilograma starego drewna można uzyskać około 0,2 kg glukozy. 

– Dzięki temu możemy wyprodukować 50 litrów H₂ za pomocą mikroorganizmów beztlenowych – mówi dr Schliessmann.

Podczas fermentacji bakterii beztlenowych CO₂ powstaje w równych ilościach, co wodór. Po oddzieleniu wodoru z mieszanki gazowej około dwa kilogramy CO₂ w fotobioreaktorze mogą posłużyć do wytworzenia jednego kilograma biomasy mikroalg o zawartości skrobi do 50%. Biomasa ta zawiera również pigment luteinę, która może być używana do produkcji komponentów plastikowych z udziałem bakterii.

Obecnie trwa budowa modułowo rozbudowywanej pilotażowej instalacji z trzema bioreaktorami. Biorafineria ma rozpocząć działalność w Campus Schwarzwald na początku 2025 r. W przyszłości możliwe będzie modułowe łączenie różnych etapów procesów, co stworzy idealne warunki do testowania nowych technologii.

Mapa drogowa dla wodoru w Schwarzwaldzie

W ramach projektu Fraunhofer IPA wraz z Instytutem Produkcji Przemysłowej i Zarządzania IFF opracowuje studium analizujące lokalne zapotrzebowanie na zielony wodór w sektorach przemysłowym, transportowym, mieszkaniowym i budowlanym oraz dostępne ilości odpadów drzewnych do jego produkcji. Na podstawie wyników powstała mapa drogowa wodoru, zawierająca rekomendacje dotyczące rozwoju gospodarki wodorowej w Schwarzwaldzie. W proponowanych działaniach uwzględniono m.in. promowanie badań i rozwoju, rozbudowę regionalnej infrastruktury wodorowej oraz integrację systemów energetycznych w celu ustanowienia wodoru jako integralnej części transformacji energetycznej.

– Badanie pokazuje, że region Schwarzwaldu ma znaczący potencjał do produkcji wodoru z lokalnych zasobów, jednak jego pełne wykorzystanie wymaga dalszego rozwoju technologii i rozbudowy infrastruktury – podkreśla Vladimir Jelschow, naukowiec z Fraunhofer IPA i współautor mapy drogowej wodoru.

Źródło: Fraunhofer IGB