Wasserwerk Hamurg
In solchen Faultürmen wie diesen in einem Hamburger Klärwerk entsteht der Rohstoff für die Biokohle. Bildrechte: IMAGO

Hydrothermale Carbonisierung Aus Kacke wird Kohle

Was muss, das muss: Jedes Jahr kommen in den deutschen Kläranlagen rund zwei Millionen Tonnen Klärschlamm zusammen. Und die müssen entsorgt werden: möglichst kostengünstig und umweltfreundlich. Doch tatsächlich ist die Entsorgung von Klärschlämmen noch immer recht aufwändig und teuer. Dabei können sie auch ein Rohstoff sein: für die Herstellung von Biokohle. Die wäre dann so eine Art regionales Gemeinschaftsprodukt. Hydrothermale Carbonisierung heißt der Prozess, bei dem aus Kacke Kohle wird.

Wasserwerk Hamurg
In solchen Faultürmen wie diesen in einem Hamburger Klärwerk entsteht der Rohstoff für die Biokohle. Bildrechte: IMAGO

Es gibt einige Dinge, die bleiben einfach für immer wie sie sind. Der tägliche Gang zur Toilette gehört da wohl unzweifelhaft dazu. Jedes Jahr landen so Millionen Tonnen von Exkrementen in den deutschen Kläranlagen. Dort wird das Abwasser gereinigt und in sogenannten Faultürmen entsteht Klärschlamm. Im Jahr 2016 waren das dem Statistischen Bundesamt zufolge rund 1,8 Millionen Tonnen.

Eine Hand hält Granulat aus thermisch getrocknetem Klärschlamm.
Granulat aus getrocknetem Klärschlamm Bildrechte: IMAGO

Und die mussten entsorgt werden. Dafür haben sich in den vergangenen Jahren zwei hauptsächliche Entsorgungswege herauskristallisiert: Zum einen werden die Klärschlämme als Dünger in der Landwirtschaft genutzt - zum anderen wird ein großer Teil der getrockneten Klärschlämme in Kraftwerken verbrannt. Deutschlandweit wurden mit 1,1 Millionen Tonnen Klärschlamm-Trockenmasse im Jahr 2016 knapp zwei Drittel (65 Prozent) davon verbrannt. Wie das Statistische Bundesamt (Destatis) weiter mitteilte, hat sich der Anteil des verbrannten Klärschlamms innerhalb von zehn Jahren deutlich erhöht: 2006 waren es noch 47 Prozent des Klärschlamms. Als Dünger auf den Feldern landeten dagegen 2016 noch rund 35 Prozent des Abfallprodukts.

Doch die beiden Entsorgungswege stehen in der Kritik: Auf den Feldern etwa sind die Schadstoffe, die im getrockneten Klärschlamm noch enthalten sein können, ein Risiko für Böden und Grundwasser, auch wenn der Schadstoffgehalt dem Bundesumweltministerium zufolge in kommunalen Klärschlämmen in den vergangenen Jahren zum Teil bereits um mehr als 90 Prozent zurückgegangen ist. Bei der Verbrennung dagegen geht unter anderem der wertvolle Phosphor verloren. Doch gerade der wird in absehbarer Zeit knapp und sollte deshalb bestenfalls recycelt werden. Außerdem muss der Klärschlamm mit viel Energieaufwand getrocknet werden, bevor er verbrannt werden kann. Egal wie er also entsorgt wird, ist es in jedem Fall sehr teuer.

Klärschlamm Klärschlamm ist eine Mischung aus festen und flüssigen Schwebstoffen, die sich bei der Abwasserreinigung am Boden der Kläranlage absetzen, in denen vor allem Abwässer privater Haushalte gereinigt werden. Sie enthalten relativ viel Stickstoff und Phosphat. Insbesondere Phosphor ist ein wichtiger Nährstoff, der für alle Lebewesen essentiell und deshalb auch immer in Düngemitteln enthalten ist. Quelle: Bundesumweltministerium

Aus Klärschlamm wird Biokohle

Eine potentielle Lösung für dieses Dilemma liefert die Natur: Denn aus der Biomasse Klärschlamm lässt sich Biokohle herstellen, die so ähnlich ist wie Braunkohle. In der Natur dauert dieser Prozess von mehreren zehntausend bis zu einigen Millionen Jahren.

Im Labor dagegen sind es dank hydrothermaler Carbonisierung nur noch Stunden. Das Verfahren an sich ist nicht neu: Der Chemiker Friedrich Bergius hat es bereits 1913 beschrieben und bekam dafür später sogar den Chemie-Nobelpreis. Die hydrothermale Carbonisierung erlebte im Zuge der Ölkrise vor etwa zehn Jahren hierzulande eine Renaissance. Vorreiter war damals der Leiter des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Prof. Markus Antonietti. Er modernisierte das Verfahren erheblich.

Antonietti entwickelte ein Verfahren, das im Prinzip wie ein Dampfkochtopf funktioniert: In einen Behälter wird dazu Biomasse - also etwa der Klärschlamm - gefüllt. Dann wird der Deckel geschlossen und der Inhalt auf circa 140 Grad Celsius erhitzt. Dadurch steigt der Druck im Inneren des Behälters auf bis zu 20 bar. Nun sorgen Katalysatoren dafür, dass eine ganze Reihe chemischer Reaktionen den Biomüll zu Biokohle umwandeln. Diese Umwandlung nennen die Chemiker dann hydrothermale Carbonisierung - kurz HTC. Das einzige Problem an diesem Verfahren ist, dass es noch immer verhältnismäßig teuer und aufwändig ist.

Hydrothermale Carbonisierung (HTC) Die Hydrothermale Carbonisierung (HTC) ist ein Verfahren, bei dem Biomasse in wässriger Suspension bei Temperaturen zwischen 180-250ºC und erhöhtem Druck (...) in Biokohle (HTC-Kohle) überführt wird. Die entstehende HTC-Kohle hat Braunkohle-ähnliche Eigenschaften und kann somit als Energieträger aber auch zur Bodenverbesserung oder als Sorbens in der Abwasserreinigung eingesetzt werden. (...) Als Ausgangsmaterialien können biogene Reststoffe und Abfallbiomassen, wie z. B. Klärschlamm, kommunale Abfälle, Destillationsrückstände etc. eingesetzt werden. Quelle: Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)

Ungeachtet aller anderen Vorteile lohnt sich dieser Prozess schon allein für denn besseren Brennwert der Biokohle im Vergleich zum getrockneten Klärschlamm. Denn der entspricht in etwa dem der Braunkohle. Allerdings mit dem Unterschied, dass die Biokohle mittelfristig betrachtet CO2-neutral ist. Die enthaltene Kohlenstoffdioxidmenge wurde zuvor der Atmosphäre entnommen. Die Biokohle wäre also sogar ein CO2-Speicher, wenn man sie einlagern würde.

Die Lösung für jeden Haushalt?

Israelische Forscher an der Ben-Gurion-Universität arbeiten mitterweile an einer Version, bei der der Prozess direkt hinter der Toilette stattfindet. Das Prinzip ist das gleiche - die hydrothermale Carbonisierung. Die menschlichen Exkremente werden erhitzt, heraus kommen Biokohle und eine Flüssigkeit, die nach Angaben der Forscher möglicherweise als Dünger genutzt werden kann.

Doch es gibt Zweifel an der Entwicklung. Vor allem die hohen Kosten bei solchen Kleinanlagen könnten verhindern, dass sich die Idee durchsetzt.

Neues HTC-Verfahren aus Österreich

An mehreren Forschungsstandorten wird derzeit zur weiteren Verbesserung dieses chemischen Biokohle-Verfahrens geforscht - unter anderem auch am Umweltforschungszentrum in Leipzig. Eine Erfolgsmeldung kam jetzt allerdings aus Österreich: Forscher der Universität für Bodenkultur haben ein neues HTC-Verfahren entwickelt. Dazu machen sie sich einen sogenannten Extruder zunutze - ein Gerät, bei dem feste bis dickflüssige Massen unter hohem Druck und hoher Temperatur gleichmäßig aus einer Öffnung herausgepresst werden. Diese Anlagen werden eigentlich vor allem in der Kunststoff- und Lebensmittelindustrie verwendet, schreibt der ORF. Der Extruder funktioniere demnach so ähnlich wie ein Fleischwolf.

Der Klärschlamm kommt auf der einen Seite hinein und wird verdichtet und erhitzt. Am Ende wird Wasser abgetrennt und auf der anderen Seite kommt die Hydrokohle heraus.

Dipl.-Ing. Dr. Gregor Tondl, Universität für Bodenkultur Wien

Der große Vorteil des "Fleischwolf"-Prinzips gegenüber dem "Druckkochtopf"-Prinzip ist den Österreichern zufolge, dass ständig neuer Ausgangsstoff zugeführt werden könne. Außerdem sei die Anlage kleiner, was das ganze Verfahren wiederum schneller und billiger mache.

Auch Bill Gates ist dabei

Microsoft-Gründer Bill Gates steckt Millionen in die Technologie, die bei ihm OmniProcessor heißt. Dessen Ziel ist allerdings weniger die Energiegewinnung. Bei der Aufbereitung der menschlichen Exkremente muss nur so viel entstehen, um die Anlage selbst zu versorgen. Denn die soll vor allem die flüssigen Ausscheidungen verarbeiten und daraus am Ende Trinkwasser machen.

Dieses Thema im Programm: MDR THÜRINGEN | Thüringen Journal | 15. September 2017 | 19:00 Uhr

Zuletzt aktualisiert: 09. Februar 2018, 16:25 Uhr