Kein Trocknen nötig: Neues Plasmapyrolyse-Verfahren macht Kaffeesatz zu hochwertigem Biochar

Kaffeesatz gilt als ärgerlicher Abfall. Dabei steckt in dem braunen Rückstand, der täglich in Millionen Küchen landet, eine beachtliche Energiemenge. Das Problem liegt nicht im Potenzial, sondern in der Feuchte: Kaffeesatz enthält nach der Zubereitung rund 55 Prozent Wasseranteil. Wer dieses Material in Biochar oder andere Festbrennstoffe umwandeln wollte, musste es zuerst aufwendig trocknen, was den wirtschaftlichen Nutzen der Verwertung meist zunichtemachte. Forschende am Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM) haben dieses Hindernis jetzt mit einem Verfahren beseitigt, das die störende Feuchte kurzerhand in einen Prozessvorteil verwandelt.

Kaffee Kraftstoff — Foto: dumping into portafilter, David Joyce, Flickr, CC BY-SA 2.0

Plasma statt Trockner

Das KIGAM-Team entwickelte ein Verfahren namens Flame Plasma Pyrolysis (FPP), das feuchten Kaffeesatz ohne jeden Vorbehandlungsschritt direkt verarbeitet. Eine Plasmaflamme, die durch die Verbrennung von Flüssiggas und Druckluft entsteht, erhitzt das Material auf 800 bis 900 Grad Celsius. Unter diesen Bedingungen verdampft das eingeschlossene Wasser schlagartig. Der entstehende Druckanstieg innerhalb der Biomassepartikel löst mikroskopisch kleine Explosionen aus, die die Forscher:innen als „Popcorn-Effekt“ bezeichnen. Diese Miniaturexplosionen zerstören die ursprüngliche Struktur des Kaffeesatzes, erhöhen seine Porosität und beschleunigen die Karbonisierung. Was als störende Feuchte galt, treibt also den Prozess aktiv voran, anstatt ihn zu behindern.

Heizwert auf Steinkohleniveau

Die Leistungswerte des erzeugten Biochars sind bemerkenswert. Nach einer Behandlungszeit von 90 Sekunden liefert das Verfahren ein Material mit einem Heizwert von 29,0 MJ/kg. Das entspricht einem Anstieg von rund 33 Prozent gegenüber unbehandeltem Kaffeesatz und liegt im Bereich von Anthrazit, der qualitativ hochwertigsten Steinkohle. Der Fixkohlenstoffgehalt kletterte von 15,6 auf 46,2 Prozent, ein Anstieg auf fast das Dreifache des Ausgangswerts. Schwefelverbindungen wurden vollständig entfernt, was Schwefeldioxidemissionen bei der späteren Verbrennung von vornherein ausschließt. Gleichzeitig stieg die spezifische Oberfläche des Materials von 1,5 auf 115,4 Quadratmeter pro Gramm stark an. Diese hohe Porosität öffnet Anwendungsfelder weit über den Brennstoffeinsatz hinaus: Das entstehende Material eignet sich als Ausgangsstoff für Aktivkohle, für industrielle Filtersysteme und als Adsorptionsmaterial. Rauch und Teeremissionen während der Behandlung blieben minimal, was das Verfahren auch aus Umweltsicht gegenüber konventioneller Biomasseverarbeitung begünstigt.

Faktor 40 schneller als die Konkurrenz

Was das Verfahren von bestehenden Technologien trennt, ist vor allem die Prozessgeschwindigkeit. Hydrothermale Karbonisierung benötigt je nach Konfiguration ein bis sechs Stunden. Torrefizierung, ein weiteres thermisches Behandlungsverfahren, braucht mindestens 30 Minuten. Die Flame Plasma Pyrolysis schafft denselben Schritt in 90 Sekunden, das heißt 40- bis 240-mal schneller als die hydrothermale Variante. Da das System seine Plasmaflamme durch Verbrennung erzeugt statt durch stromintensive Plasmageneratoren, fällt auch der Energieeinsatz vergleichsweise gering aus.

Kaffeesatz als Modellfall für feuchte Abfallströme

Weltweit fallen jährlich mehr als zehn Millionen Tonnen verbrauchter Kaffeesatz an. Der größte Teil landet auf Deponien oder wird verbrannt, beides verbunden mit erheblichen Treibhausgasemissionen. Das KIGAM-Team sieht in seinem Verfahren aber keinen reinen Kaffeesatz-Spezialisten. Studienautor Dr. Taejun Park betont, dass die Technologie auf andere feuchte organische Abfallströme übertragbar ist, darunter Lebensmittelabfälle, Klärschlamm und landwirtschaftliche Rückstände. Die kompakte Bauweise des Systems macht es außerdem für dezentrale Anlagen interessant, bei denen Transport- und Trocknungskosten eine Verwertung bisher unwirtschaftlich machten. Die Forschungsgruppe plant, das Verfahren auf weitere Abfalltypen auszuweiten und auf industriellen Maßstab zu skalieren. Die Studie erschien im Chemical Engineering Journal.

via TechXPlore