Der Ausbau von erneuerbaren Energien ist ein wesentlicher Baustein auf dem Weg zu einer nachhaltigen und sicheren Energieversorgung und zur Minderung von Treibhausgasemissionen. Auf europäischer und nationaler Ebene hat sich die Bundesregierung zur Umsetzung einer Reihe von energie- und klimapolitischen Zielen verpflichtet. Der Anteil von erneuerbaren Energien soll bis zum Jahr 2020 auf mindestens 18 Prozent und im Verkehrssektor auf mindestens 10 Prozent des Endenergieverbrauchs steigen. Bioenergie und Biokraftstoffe spielen hier eine wichtige Rolle. Um die gesellschaftliche Akzeptanz für den Ausbau von Bioenergie sicherzustellen, muss die Nutzung von Biomasse nachhaltig erfolgen. Im Bereich Bioenergie sind die europaweite zügige Umsetzung der Nachhaltigkeitsanforderungen für Biokraftstoffe und flüssige Biobrennstoffe sowie deren kontinuierliche Weiterentwicklung im Lichte neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse wichtig. Die Nutzung von – bislang ungenutzten – Rest- und Abfallstoffen im Bereich Biokraftstoffe bietet Vorteile: eine günstigere Klimabilanz sowie die Vermeidung von Nutzungskonkurrenzen und indirekten Landnutzungsänderungen. Stroh gehört zu den Reststoffen mit dem größten bislang ungenutzten Potenzial: In Deutschland fallen im langjährigen Durchschnitt insgesamt rund 30 Millionen Tonnen Getreidestroh pro Jahr an, wenngleich die Verfügbarkeit sich in den Regionen unterscheidet und vereinzelt regionale Knappheiten auftreten können. Ein Großteil des Getreidestrohs ist noch ungenutzt und bietet eine große Chance für die energetische Nutzung. Aus diesem Grund wird die Mobilisierung dieser Ressourcen von der Bundesregierung unterstützt, unter anderem durch die doppelte Gewichtung von Biokraftstoffen, die aus Reststoffen wie Stroh produziert werden. Die nachfolgenden Beiträge sollen weitergehende Informationen über landwirtschaftliche Reststoffe (Potenzial nachhaltig verfügbarer Reststoffe, Strohnutzungskonzepte, ökonomische Aspekte) vermitteln.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung geformter Adsorbentien aus den Agrarreststoffen Reisstroh und Bagasse. Dazu wurde eine neue Prozessroute entwickelt, anhand welcher die Ausgangsstoffe zunächst pelletiert und anschließend pyrolysiert werden. Ziel ist es ein Produkt mit hoher mechanischer Festigkeit (Ball Pan Hardness) > 80 % und spezifischer Oberfläche > 300 m2/g zu erzeugen. Dies ist durch die Auswahl geeigneter Mischungszusammensetzungen, die Anpassungen der Pelletierparameter und des Pyrolyseregimes möglich. Zusätzliche Aktivierungsschritte führen zu einer weiteren Verbesserung der spezifischen Oberfläche. Auf Basis der experimentellen Untersuchungen wurden mittels statistischer Methoden Einfluss- und Zielgrößen in Hinblick auf die anschließende empirische mathematische Modellentwicklung ausgewählt. Damit kann die spezifische Oberfläche anhand von validierten, nicht-linearen Regressionsmodellen mithilfe von Prozessparametern abgebildet werden kann.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Zusammensetzung und struktureller Aufbau biogener Reststoffe 2.1.1 Aufkommen biogener Reststoffe 2.1.2 Stoffliche Zusammensetzung biogener Reststoffe 2.1.3 Struktureller Aufbau biogener Reststoffe 2.2 Pelletierung biogener Rohstoffe 2.2.1 Wirkungsweise der Pelletierung 2.2.2 Stand der Forschung zur Einflussnahme auf die spezifischen Eigenschaften von Pellets aus biogenen Rohstoffen 2.3 Charakterisierung und Herstellung technischer Adsorbentien 2.3.1 Begriffsklärung, Einteilung und typische Eigenschaften technischer Adsorbentien 2.3.2 Stand der Forschung zu Wandlungsvorgängen und ihren Effekten bei der Herstellung kohlenstoffhaltiger Adsorbentien aus biogenen Rohstoffen 2.4 Ableitung der Aufgabenstellung zur Herstellung von geformten Adsorbentien aus Agrarreststoffen 3 Material und Methoden 3.1 Untersuchte biogene Reststoffe 3.2 Herstellung der Produkte und Begriffsklärung 3.2.1 Herstellung der Biomassepellets 3.2.2 Pyrolyse der biogenen Reststoffe und Pellets 3.2.3 Aktivierung der Biomassen und Formkohlen 3.3 Charakterisierung der Ausgangsstoffe, Zwischenprodukte und Produkte 3.3.1 Stoffliche Zusammensetzung 3.3.2 Mechanisch-physikalische Eigenschaften 3.3.3 Adsorptionsspezifische Eigenschaften 3.4 Vorgehensweise zur empirischen Modellentwicklung 3.5 Fehlerbetrachtung 4 Diskussion der experimentellen Ergebnisse 4.1 Charakterisierung der eingesetzten Rohstoffe 4.2 Auswahl geeigneter Mischungszusammensetzungen und Pelletierbedingungen zur Herstellung von Formkohlen 4.3 Einfluss der Pyrolysebedingungen auf die Eigenschaften der Formkohle 4.3.1 Einfluss des Pelletwassergehaltes auf die spezifische Oberfläche der Formkohlen 4.3.2 Einfluss des Pyrolyseregimes auf die spezifische Oberfläche der Formkohlen 4.4 Einfluss von Aktivierungsschritten auf die Eigenschaften der Formaktivkohlen 4.4.1 Einfluss der chemischen Aktivierung der Biomassen 4.4.2 Einfluss der Aktivierung der Formkohlen 5 Empirische mathematische Modellentwicklung 5.1 Auswahl relevanter Einflussgrößen und Zielgrößen für die empirische Modellentwicklung 5.2 Modellentwicklung zur Abbildung der spezifischen Oberfläche anhand ausgewählter Einflussgrößen 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Literatur 8 Anhang A. Recherche zur Zusammensetzung ausgewählter Agrarreststoff B. Übersicht über ausgewählte, wissenschaftliche Veröffentlichungen zur Herstellung von Biomassepellets C. Übersicht über ausgewählte, wissenschaftliche Veröffentlichungen zur Aktivierung von (pyrolysierten) Agrarreststoffen D. Übersicht über ausgewählte, wissenschaftliche Veröffentlichungen zur Herstellung (geformter) Kohlenstoffadsorbentien aus Reisstroh und Bagasse E. Übersicht über die Ball Pan Hardness und spezifische Oberfläche kommerziell erhältlicher Form(aktiv)kohlen F. Übersicht über die genutzten Messgeräte und die zugehörigen Messfehler G. Zusammensetzung der Aschen aus Bagasse und Reisstroh H. Übersicht über ausgewählte Charakteristika der hergestellten Formkohlen und kommerziell erhältlicher Produkte