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Abstract

Lignin und Lignocellulose haltige Restbiomassen sind vielversprechende Rohstoffe zur Gewinnung von Treibstoffen und Grundstoffen für die chemische Industrie. Bislang konnte dieses große Potential aufgrund fehlender Verfahren allerdings noch nicht abgerufen werden. Im Rahmen dieser Arbeit gelang es jedoch nach dem Vorbild der direkten Verflüssigung von Braunkohle ein Verfahren zu entwickeln, welches erstmals eine effiziente Umwandlung von Lignin und Restbiomassen zu flüssigen Rohstoffen für die Herstellung von Treibstoffen und aromatischen Grundchemikalien ermöglicht. Zur Realisierung einer Parameterstudie und zur Untersuchung des Prozesses wurden Versuchsanlagen im Labormaßstab, sowie im Technischen Maßstab entwickelt und erprobt. Die Hydrogenolyse von technischen Ligninen konnte damit, sowohl im Labormaßstab, als auch in Technikumsmaßstab erfolgreich realisiert werden. Beim Einsatz von technischen Ligninen aus der Papierindustrie konnten die Ausbeuten an organischem Flüssigprodukt auf über 70 m.% optimiert werden. Den größten Einfluss auf die Umsetzung zeigte die Wahl der Reaktionstemperatur. Es konnte nachgewiesen werden, dass eine gezielte Steuerung der Zusammensetzung des Produktes durch Wahl der Temperatur möglich ist. Das organische Flüssigprodukt besteht zum überwiegenden Teil aus aromatischen Komponenten. Bei Reaktionstemperaturen unter 400 °C erhält man größere Anteile an Methoxy- sowie Hydroxy-substituierte Aromaten, während für Temperaturen über 400 °C der Anteil der sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen sukzessive abnimmt, bis bei 500 °C fast ausschließlich Benzen und dessen Alkylderivate vorliegen. Als wirksame Katalysatoren konnten Eisen- und Molybdänkomponenten identifiziert werden. Besonders Eisen-Schwefelmineralien wie Pyrrhotit sind dabei aufgrund der leichten und günstigen Verfügbarkeit für den Einsatz in einem großtechnischen Prozess geeignet. Da die eigentliche Spaltung der Ligninstruktur vorwiegend thermisch stattfindet, beläuft sich die Wirkung des Katalysators vor allem auf den Transfer von Wasserstoff aus der Gasphase und dessen Bereitstellung in aktivierter Form zur Absättigung der radikalischen, thermochemischen Fraktionierungsprodukte und verhindert so eine Polymerisierung zu koksartigen Feststoffprodukten. Bei der Umsetzung ausgewählter, biogener Reststoffe konnten Flüssigproduktausbeuten von bis zu 65 m.% erreicht werden. Bedingt durch die enthaltenen Polysaccharide entstehen bei der Hydrogenolyse von Biomassen mehr aliphatische Produkte, sowie Kohlenstoffoxide. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen konnte eine theoretische Maßstabsvergrößerung durchgeführt werden. Die Auslegung der Anlage erfolgte für eine gemeinsame Verarbeitung von Lignin und erdölstämmigem Vakuumdestillationsrückstand mit einer Kapazität von 500 kt/a. Daraus ergibt sich ein Durchsatz von 65,5 t/h. Das empfohlene Anlagenbudget wurde mit 360 Mio. EUR berechnet. Dabei entfallen die Hauptkosten auf das Reaktionssystem, gefolgt von der Vakuum-Flash-Kolonne und dem Kreislaufgassystem. Die ökologische Bewertung des Verfahrens ergab eine starke Abhängigkeit des Treibhauspotentials und des kumulierten nicht-regenerativen Energieaufwandes von der Art der Wasserstoffquelle. Besonders die Biomassevergasung, als auch die Wasserelektrolyse mit regenerativ gewonnenem Überschussstrom zeigen in Zukunft das Potential die Ökobilanz des Prozesses deutlich zu verbessern, ohne gleichzeitig die Kosten erheblich zu steigern.