Prozesswärme und Dünger für die Kaffeeproduktion gewinnen und gleichzeitig der Atmosphäre CO2 entziehen. Möglich macht dies ein neuer Pyrolyse-Prozesses, der am Ökozentrum entwickelt wurde. Die Anlage verwertet auch andere, schwer verwertbare Ernterückstände und bietet auch für die hiesige Landwirtschaft Potenzial.
von Irene Bättig, im Auftrag von REPIC
Bei der Verarbeitung von Kaffee fallen grosse Mengen an Fruchtfleisch an – rund 1,8 Tonnen pro Tonne Rohkaffee. Diese sogenannte Kaffeepulpe ist schwer kompostierbar, lässt sich kaum zur Biogasgewinnung vergären und ist weder als Tierfutter noch als Brennstoff nutzbar. Die Abfallhaufen gefährden beim Verrottungsprozess das Grundwasser und belasten die Atmosphäre mit Treibhausgasen. Gleichzeitig enthält die Pulpe pro Kilogramm Trockensubstanz auch 53 Gramm Kalium, einen wertvollen Mineral-Dünger, der dem Boden entzogen wurde.
Wie liesse sich diese Kaffeepulpe sinnvoll entsorgen bzw. verwerten? Dieser Herausforderung stellte sich Martin Schmid vom Ökozentrum und besann sich auf eine alte landwirtschaftliche Tradition aus Südamerika, die „Terra preta“. Dieser menschengemachte, fruchtbare Boden enthält als wichtigen Bestandteil Pflanzenkohle. Solche Pflanzenkohle wollte das Ökozentrum aus Kaffeepulpe produzieren. Dazu entwickelte es zusammen mit einem peruanischen Hersteller von Kaffeeernte und -verarbeitungsgeräten einen neuartigen Pyrolyse-Reaktor. Unterstützt wurde das Projekt von REPIC, einer interdepartementalen Plattform zur Förderung von erneuerbaren Energien und Energieeffizienz in der internationalen Zusammenarbeit, vom Nationalen Cleaner Production Center Peru und von Blaser Trading, sowie Spenden von Stiftungen und GönnerInnen des Ökozentrums.
Vereinfachter Pyrolysereaktor
Der Reaktor lehnt sich an das Pyreg-Verfahren an. Bei diesem werden die Pyrolysegase in einen Flox-Brenner geleitet. Anschliessend strömen die rund 1000 °C heissen Abgase durch die Aussenwand des Pyrolyse-Reaktors und versorgen den Reaktor mit der nötigen Prozesswärme. Im nachfolgenden Abgaswärmetauscher wird Abwärme zur weiteren Nutzung gewonnen. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass zur Wärmeübertragung eine möglichst grosse Oberfläche erforderlich ist und der Reaktor entsprechend eine lange, schmale Form aufweist. Zweitens bedingen die sehr hohen Temperaturen, dass der doppelwandige Reaktor aus teurem Hochleistungsstahl gefertigt ist. „Bei unserem Verfahren wird ein Teil der Abgase als Prozesswärme direkt in den Pyrolysereaktor geführt“, erklärt Projektleiter Martin Schmid. Dabei sollte der Sauerstoffgehalt im Abgas möglichst tief sein, weil sonst anstatt einer Pyrolyse eine Vergasung stattfinden würde. Vorgesehen ist der Betrieb bei einem Sauerstoffgehalt von 2 bis 6 %, wobei der Prozess auch bei kurzzeitig deutlich höherem Sauerstoffanteil noch immer stabil läuft.
Wärme- oder Kohleproduktion im Vordergrund
Je nachdem, wie warm die Abgase sind, die dem Pyrolyse-Reaktor zugeführt werden, wird mehr Wärme oder mehr Biokohle produziert. Dies lässt sich mit dem Boudouard-Gleichgewicht erklären. Bei Temperaturen über 900 °C reagiert mehr als 85 % des CO2 mit Kohlenstoff zu CO, während unterhalb von 600 °C mehr als 85 % als CO2 und Kohlenstoff erhalten bleiben. Steht also die Biokohle-Produktion im Vordergrund, werden die Abgase vor dem Eintritt in den Reaktor gekühlt. Soll in erster Linie Wärme produziert werden, sind hingegen hohe Temperaturen erwünscht. „So können wir den Reaktor nach aktuellem Bedarf steuern“, erklärt Schmid.
(Bild: Ökozentrum)
Nur ein Teil der Abgase wird dem Pyrolyse-Reaktor zugeführt. Der Rest wird verwendet, um die Luft zur Trocknung der Kaffeebohnen zu erhitzen. Zudem prüfte das Ökozentrum Möglichkeiten, wie aus den Abgasen zusätzlich Strom produziert werden könnte. „Weil die Leistung für herkömmliche Turbinenkonzepte zu gering ist, kommt dabei eine inverse Gasturbine zum Einsatz. Die heissen Abgase werden dabei direkt in die Turbine eingesaugt und in ein Teilvakuum expandiert. Nach der Kühlung der Abgase werden diese wieder auf Umgebungsdruck zurück komprimiert. Die so gewonnene mechanische Energie könnte für den Betrieb des Lüfters zur Kaffeetrocknung verwendet werden, sowie im weiteren Strom für den Betrieb der weiteren Aggregate produzieren.
Gute Emissionswerte
Im Verlauf der Entwicklung bis zum aktuellen Prototyp wurden verschiedene Emissionsmessungen durchgeführt. Die CO-Emissionen des Flox-Brenners lagen unter 10 ppm, auch bei weniger als 3 % Sauerstoff im Abgas. Umgerechnet auf einen Sauerstoffgehalt von 13 % ergibt dies Emissionswerte für CO von 10 mg/m3. Die NOx-Emissionen lagen unter 2 mg/m3 und Feinstaub unter 5 mg/m3. Auch ohne Abgasnachbehandlung zeigt die Anlage also sehr gute Abgaswerte, die selbst die strengen Grenzwerte von Schweizer Kehrichtverbrennungsanlagen um das 2- bis 3-fache unterschreiten. Auch die am Agroscope Reckenholz durchgeführten Analysen zum PAK-Gehalt in der Pflanzenkohle lieferten alle Werte weit unter 12 mg/kg Trockensubstanz.
Wirtschaftlich und ökologisch
Der Pyrolyse-Reaktor verarbeitet pro Stunde 40 kg Biomasse mit einem Wassergehalt von bis zu 55 %. Im Unterschied zu herkömmlichen Reaktoren kommt das Gerät des Ökozentrums mit deutlich weniger Spezialstahl aus und kann viel kompakter gebaut werden. Wird die Anlage in Peru hergestellt, sollten die Produktionskosten nur rund 20 000 Fr. betragen. Zum Vergleich: Die grössere deutsche Pyreg-Anlage kostet 350 000 Euro. «In zwei bis drei Jahren ist eine solche Kleinanlage amortisiert», ist Martin Schmid überzeugt. Einerseits kann die Anlage auf einen Pick-up geladen und von mehreren Kaffeebauern genutzt werden. Mit 20 Anlagen könnten schätzungsweise 1200 Fincas mit insgesamt 3000 Hektar Kaffeeplantagen bedient werden. Denn die Erntezeit ist aufgrund der unterschiedlichen Höhenlagen der Fincas auf über 10 Monate verteilt.
Andererseits können die Kaffeebauern einen Drittel der Kosten einspielen, weil sie zur Trocknung der Kaffeebohnen keinen Brennstoff mehr zukaufen müssen. Doppelt so hoch ist die finanzielle Einsparung beim Dünger: Da die Pflanzenkohle einen grossen Teil der in der Kaffeepulpe vorhandenen Nährstoffe wie Kalium und Kalzium enthält, kann sie als Dünger wieder im Kaffeeanbau eingesetzt werden und reduziert zudem den Bedarf an Stickstoff-Dünger. Zudem verbessert die Pflanzenkohle die Wasser- und Düngeraufnahme des Bodens und bindet Kohlenstoff dauerhaft im Boden. So wird der Atmosphäre CO2 entzogen. Der Einsatz von Pflanzenkohle in Ackerböden hat ein grosses Klimaschutzpotenzial. „Würden jedem Quadratmeter bewirtschafteten Ackerlands jährlich 40 Gramm Pflanzenkohle zugeführt, könnte der gesamte menschgemachte Ausstoss von Klimagasen kompensiert werden“, erklärt Schmid.
(Bild: Ökozentrum)
Technologietransfer nach Vietnam
In Zusammenarbeit mit dem Ökozentrum hat ein vietnamesischer Projektpartner kürzlich eine voll funktionsfähige Anlage fertiggestellt. Sie trocknet derzeit 100 kg Kaffeepulpe pro Stunde und heizt einen 4-Tonnen-Trockner für Kaffeebohnen.
Der neu entwickelte Prozess eignet sich aber nicht nur für die Pyrolyse von Kaffeepulpe. Auch Versuche mit Cashew-Nussschalen, Reisspelzen, Kirschsteinen oder Holzhäckseln waren erfolgreich. Grundsätzlich eignet sich die Technologie also für alle erdenklichen, schwer abbaubaren landwirtschaftlichen Reststoffe. Und dank der tiefen Abgaswerte ist die Pyrolyseanlage auch für die Landwirtschaft in Westeuropa eine interessante Option.
(Dieser Artikel wurde im Oktober 2016 aktualisiert)
Über REPIC
REPIC ist eine interdepartementale Plattform zur Förderung der erneuerbaren Energien und Energieeffizienz in der internationalen Zusammenarbeit. Sie wird vom Staatssekretariat für Wirtschaft (SECO), von der Direktion für Entwicklung und Zusammenarbeit (DEZA) sowie vom Bundesamt für Energie (BFE) gemeinsam betrieben. Die von REPIC geförderten Projekte erfolgen in Kooperation mit lokalen Trägern und sollen nach einer Anfangsphase von den lokalen Partnern eigenständig und selbsttragend weitergeführt werden. Damit leisten sie auch einen Beitrag zur wirtschaftlichen Entwicklung der Region.