H2Wood – BlackForest: Biowasserstoff aus Holz | BMBF fördert Vorhaben zur Einsparung von CO2 mit 12 Millionen Euro

Eine klimaneutrale Kreislaufwirtschaft auf der Basis von Holz ist das Ziel
des Verbundprojekts »H2Wood – BlackForest«, das vom BMBF mit 12 Millionen
Euro gefördert wird. Hierfür entwickelt das Fraunhofer IGB ein
biotechnologisches Verfahren, um aus Holzabfällen Wasserstoff und
biobasierte Koppelprodukte herzustellen. Beim Projektpartner Campus
Schwarzwald in Freudenstadt wird das Verfahren in einer eigens dafür
ausgelegten Anlage demonstriert. Um aufzuzeigen, wie der regenerative
Energieträger durch lokale Betriebe und Energieversorger genutzt werden
kann, erstellen Fraunhofer IPA und die Universität Stuttgart im Projekt
eine Wasserstoff-Roadmap für die Schwarzwaldregion.

Holz ist das wichtigste Wirtschaftsgut des Schwarzwalds. Bei der
Verarbeitung zu Möbeln und Baustoffen, aber auch beim Abbruch von Gebäuden
fallen regional beachtliche Mengen an Holzabfällen an. Diese werden
derzeit zum Teil kostenintensiv entsorgt und in Holzverbrennungsanlagen
allenfalls energetisch genutzt.

Auf der anderen Seite gilt »grüner« Wasserstoff (H2), der mittels
Elektrolyse von Wasser mit erneuerbaren Energien hergestellt wird, als
Schlüsselelement der Energiewende. Der Bedarf an regenerativ erzeugtem
Wasserstoff für eine klimafreundliche Wirtschaft in Industrie, Verkehr und
Wärmeversorgung ist enorm. Deutschland und Europa setzen daher vor allem
auf Wasserstoffimporte aus südlichen Ländern mit ganzjährig ausreichender
Sonneneinstrahlung.

Seit August 2021 schlägt die Region Schwarzwald einen neuen Weg ein, der
die Nutzung regionaler Holzabfälle mit der Herstellung von regenerativem
Wasserstoff verbindet. »Nach dem Ansatz der Bioökonomie wollen wir
mithilfe biotechnologischer Prozesse klimaneutralen Biowasserstoff sowie
zusätzlich verwertbare Stoffe wie Carotinoide oder Proteine aus Altholz
und Holzabfällen herstellen«, erläutert Dr. Ursula Schließmann vom
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, die
das Verbundvorhaben »H2Wood – BlackForest« koordiniert. Das
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt zur
Kreislaufwirtschaft regionaler Ressourcen in der Region Schwarzwald bis
Mitte 2024 mit rund 12 Millionen Euro. Partner im Forschungsverbund sind
neben dem Fraunhofer IGB auch das Fraunhofer-Institut für
Produktionstechnik und Automatisierung IPA, das Institut für industrielle
Fertigung und Fabrikbetrieb IFF der Universität Stuttgart sowie das
Centrum für Digitalisierung, Führung und Nachhaltigkeit Schwarzwald gGmbH
(Campus Schwarzwald).


Kaskadennutzung von Holz ermöglicht Klimaneutralität

»Ziel der Initiative ist es, mithilfe eines umfassenden Konzepts für eine
nachhaltige und innovative Versorgung des Schwarzwalds mit Biowasserstoff
CO2-Emissionen einzusparen und die Region bei der Erreichung ihrer
Klimaziele zu unterstützen«, führt Stefan Bogenrieder, Geschäftsführer von
Campus Schwarzwald, aus. Kohlenstoffdioxid wird dabei auf zweierlei Wegen
eingespart: Zum einen ersetzt der regenerative Biowasserstoff bisherige
fossile Energieträger, zum anderen werden Rest- und Altholz nicht nur
Wasserstoff liefern. Durch den neuen biotechnologischen Ansatz wird die
energetische Verwertung der Holzabfälle zu Wasserstoff mit einer
stofflichen Nutzung verknüpft. »Das aus dem Holz freigesetzte CO2 wird in
Form von kohlenstoffbasierten Koppelprodukten gebunden und damit zurück in
den natürlichen Kohlenstoffkreislauf geführt«, erläutert Umweltexpertin
Schließmann.


Eine Wasserstoff-Roadmap für die Region Schwarzwald

Welche Mengen an Rest- und Altholz fallen im holzverarbeitenden Gewerbe
und den Kommunen überhaupt an, wieviel Wasserstoff ließe sich daraus
erzeugen und wie groß wäre das Einsparpotenzial an CO2-Emissionen? Diesen
Fragen geht das Projektteam in Potenzialanalysen auf den Grund. Zugleich
untersuchen die Partner, wie der erzeugte Wasserstoff am besten
gespeichert, transportiert und genutzt werden kann. Denn Wasserstoff ist
nicht nur flexibler Energiespeicher, sondern auch als Kraftstoff für
Fahrzeuge, Brennstoff für Hochöfen und Brennstoffzellen sowie als
Grundstoff für zahlreiche industrielle Prozesse und chemische
Folgeprodukte einsetzbar.

»Hierzu analysieren und bewerten wir den Energieverbrauch der Industrie,
der Haushalte sowie des Nah- und Fernverkehrs und leiten daraus Potenziale
einer dezentralen Wasserstofferzeugung und -nutzung innerhalb der Region
Schwarzwald ab«, sagt Dr. Erwin Groß vom Fraunhofer IPA. »Die Ergebnisse
aller Erhebungen und Berechnungen fassen wir in einer Wasserstoff-Roadmap
für die Region Schwarzwald zusammen«, so Groß.


Verfahren und Demonstrationsanlage zur Produktion von Biowasserstoff

Bislang existiert keine Anlage, die Biowasserstoff in größerem Maßstab
herstellt. Am Fraunhofer IGB werden daher die dazu notwendigen Prozesse
entwickelt und experimentell untersucht, bevor sie in einer integrierten
Anlage am Campus Schwarzwald in Freudenstadt umgesetzt werden können. Der
erste Schritt und Voraussetzung für die biotechnologische Umwandlung ist
die Vorbehandlung des Alt- und Restholzes.

»Wir stehen hier vor einer ziemlichen Herausforderung, denn Holzabfälle
aus Hausabbruch, Möbelbau und Baustoffproduktion, darunter Span- oder MDF-
Platten, enthalten Klebstoffe wie Harze und Phenole oder auch Lacke. Diese
chemischen Bestandteile müssen wir zunächst entfernen, damit die Bakterien
und Mikroalgen, also die Akteure der biotechnologischen
Wasserstoffproduktion, ihre Arbeit erledigen können«, erläutert
Schließmann. Zudem muss das Holz noch in seine Bausteine zerlegt und die
hierbei gewonnene Cellulose in einzelne Zuckermoleküle gespalten werden,
welche den wasserstoffproduzierenden Mikroorganismen als Futter dienen.

Für die biotechnologische Umwandlung der Holzzucker werden am Fraunhofer
IGB zwei Fermentationsverfahren etabliert und miteinander verknüpft. Das
eine setzt auf wasserstoffproduzierende Bakterien, welche die Zuckerarten
zu CO2, organischen Säuren und Ethanol verstoffwechseln. Die
Stoffwechselprodukte der Bakterien stellen die Nahrung für die Mikroalgen
dar. Diese synthetisieren daraus Carotinoide oder Proteine als
Koppelprodukte und setzen dabei ebenfalls Wasserstoff frei.

Zum Projekt

Das Projekt H2Wood – BlackForest wird vom 1. August 2021 bis zum 31. Juli
2024 mit einer Gesamtsumme von 12 Millionen Euro durch das
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des
Ideenwettbewerbs »Wasserstoffrepublik Deutschland« gefördert.

Projektpartner

- Campus Schwarzwald
Der Campus Schwarzwald ist in der Region Schwarzwald der Ansprechpartner
für Lehre, Forschung und Technologietransfer der Maschinenbau- und
produzierenden Industrie mit Kompetenzen im Bereich der Digitalisierung,
Führung und Nachhaltigkeit. Gemeinsam mit der Universität Stuttgart führt
der Campus die Experteninterviews zur Datenerhe-bung der
Wasserstoffkreislaufwirtschaft im Schwarzwald durch. Diese Interviews
bilden die Basis für weitere Konzepte der technischen Realisierung zur
Erzeugung von grünem Wasserstoff sowie deren wirtschaftlichen Verwertung.
Das im Projekt H2Wood – BlackFo-rest entstehende Umsetzungskonzept sieht
den Aufbau und den Verbundbetrieb der vom Fraunhofer IGB konzipierten
Anlage zur Erzeugung von Biowasserstoff zentral am Campus Schwarzwald in
Freudenstadt vor.

- Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB,
Stuttgart
Das Fraunhofer IGB entwickelt Verfahren, Technologien und Produkte für
Gesundheit, nachhaltige Chemie und Umwelt. Mit der Kombination
biologischer und verfahrenstech-nischer Kompetenzen und dem Systemansatz
der Bioökonomie trägt das Institut zu einer nachhaltigen
Kreislaufwirtschaft und intakten Umwelt bei. Im Projekt ist das Institut
für die Entwicklung und Realisierung der Demonstratoren zur Fraktionierung
und Verzucke-rung von Holz sowie zur biotechnologischen Konversion zu
Wasserstoff und CO2-basierten Koppelprodukten zuständig.

- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA,
Stuttgart
Organisatorische und technologische Aufgaben aus der Produktion sind
Forschungs-schwerpunkte des Fraunhofer IPA. Methoden, Komponenten und
Geräte bis hin zu kompletten Maschinen und Anlagen werden entwickelt,
erprobt und umgesetzt. Ziel der Forschung des Instituts ist die
wirtschaftliche Produktion nachhaltiger und personalisierter Produkte. 16
Fachabteilungen arbeiten interdisziplinär, koordiniert durch sechs Ge-
schäftsfelder, vor allem mit den Branchen Automotive, Maschinen- und
Anlagenbau, Elektronik und Mikrosystemtechnik, Energie, Medizin- und
Biotechnik sowie Prozessin-dustrie zusammen.

- Universität Stuttgart, Institut für Industrielle Fertigung und
Fabrikbetrieb IFF
Das IFF ist eng mit dem Fraunhofer IPA verbunden und arbeitet in
gemeinsamen Projek-ten institutsübergreifend zusammen. Zudem lehrt und
forscht das IFF u. a. im Bereich der industriellen Produktion und
betrachtet hier verschiedene Energiesysteme. Hierbei spielen
Produktionsstrategien sowie Wertschöpfungsnetze eine ebenso große Rolle
wie neue Methoden der KI zur Flexibilisierung der Produktion und wie KI im
Produktionsum-feld flächendeckend zum Einsatz kommen kann. Das
Projektportfolio des IFF erstreckt sich dabei von der Erarbeitung
konkreter technologischer Lösungen über Simulationen und Konzeptstudien
bis zu Stakeholderprozessen und der Politikberatung.