Jedes Jahr werden weltweit etwa 400 Milliarden Tassen Kaffee konsumiert, was zu etwa 18 Millionen Tonnen nassem Kaffeesatz führt, was ungefähr dem Gewicht von drei Pyramiden von Gizeh entspricht. Der überwiegende Teil des Kaffeesatzes landet auf Mülldeponien. Allerdings haben diese hochfeuchten organischen Abfälle selbst das Potenzial, in Kraftstoffe umgewandelt zu werden, ihr hoher Wassergehalt war jedoch schon immer ein wesentliches technisches Hindernis bei der wirtschaftlichen Nutzung.
Das wissenschaftliche Forschungsteam des Korea Institute of Geological Resources (KIGAM) gab kürzlich bekannt, dass es eine weltweit erste „Flame Plasma Pyrolysis“ (FPP)-Technologie entwickelt hat, die Kaffeesatz direkt und schnell in hochwertige feste Biobrennstoffe umwandeln kann, wenn er sich noch in einem Zustand mit hohem Wassergehalt befindet. Der gesamte Vorgang dauert frühestens etwa 90 Sekunden. Bei dieser Technologie wird Wasser sofort verdampft, indem eine Plasmaflamme mit einer Temperatur von 800 bis 900 Grad Celsius versprüht wird. Dadurch entsteht ein Popcorn-ähnlicher Quelleffekt im Inneren der Partikel, der die Struktur des Kaffeesatzes schnell in poröse Biokohle (Pflanzenkohle) umwandelt.
Das wissenschaftliche Forschungsteam stellte fest, dass die Brennstoffleistung dieser neuen Biokohle der von Anthrazitkohle nahe kommt, während der zeit- und energieaufwändige Vortrocknungsprozess im herkömmlichen Verfahren vollständig entfällt. Noch wichtiger ist, dass das FPP-Verfahren Feuchtigkeit stattdessen als günstigen Faktor betrachtet und in einen Dampfaktivator umwandelt, der Reaktionen fördert und die Produktqualität verbessert, wodurch eine integrierte Verarbeitung mit schneller Karbonisierung und Trocknung bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines hohen Feuchtigkeitsgehalts der Rohstoffe erreicht wird.
Die Forschungsarbeit wurde in der Zeitschrift Chemical Engineering veröffentlicht. Der Feuchtigkeitsgehalt des im Experiment verwendeten Kaffeesatzes beträgt etwa 55 %, was immer noch ein typischer Abfall mit hoher Luftfeuchtigkeit ist. Dabei verwendeten die Forscher Flammenplasma, das durch die Verbrennung von Flüssiggas (LPG) und Druckluft erzeugt wurde, um den nassen Kaffeesatz unter normalen Druckbedingungen zu verarbeiten. Die vollständige Trocknung und Karbonisierung dauerte nur 90 Sekunden, wodurch sich die Qualität des Rohmaterials um etwa 83,3 % verringerte und sich Pflanzenkohlepartikel mit lockerer Struktur und poröser Struktur bildeten.
Testergebnisse zeigen, dass der niedrige Heizwert der Pflanzenkohle etwa 29 MJ/kg beträgt, was bedeutet, dass jedes Kilogramm verbrannten Kraftstoffs 29 Megajoule Wärmeenergie freisetzen kann; Im Vergleich dazu beträgt der Heizwert von gewöhnlichem Holz normalerweise 15 bis 20 MJ/kg. Der Gehalt an festem Kohlenstoff in Pflanzenkohle hat sich von ursprünglich 15,6 % auf 46,2 % fast verdreifacht, was bedeutet, dass ein größerer Anteil des Materials in hochenergetische Kohlenstoffstrukturen umgewandelt wird, was sich positiv auf die Verbesserung der Verbrennungseffizienz und Haltbarkeit auswirkt.
Im Hinblick auf die Umweltleistung entfernt das FPP-Verfahren Schwefelverbindungen vollständig aus den Rohstoffen und vermeidet die Emission von Schwefeloxiden, die leicht zu saurem Regen und Luftverschmutzung an der Quelle führen können. Die spezifische Oberfläche des Materials hat sich deutlich von nur 1,5 m²/g auf 115,4 m²/g erhöht, was nahe am Niveau von Aktivkohle liegt. Neben Kraftstoff gibt es auch potenzielle Anwendungen wie Wasserreinigung, Luftfiltration und industrielle Adsorption. Gleichzeitig entsteht bei dem Verfahren nahezu kein Rauch und Teer, was dazu beiträgt, die sekundären Schadstoffemissionen, die bei herkömmlichen Biomasseumwandlungsprozessen üblich sind, deutlich zu reduzieren.
Geschwindigkeit ist ein weiteres Highlight dieser Technologie. Herkömmliche Methoden zur Umwandlung von Biomasse wie die hydrothermale Karbonisierung und Torrefizierung erfordern in der Regel Verarbeitungszeiten zwischen 30 Minuten und 6 Stunden. Der FPP-Prozess von KIGAM benötigt nur etwa 90 Sekunden, um eine ähnliche Konvertierung abzuschließen, und die Effizienz ist bis zu etwa 240-mal schneller als bei herkömmlichen Prozessen. Diese ultrahohe Verarbeitungsrate macht die Nutzung von Abfallressourcen in großem Maßstab realistischer und praktikabler.
Es ist erwähnenswert, dass dieses System auch das häufige Problem des „hohen Stromverbrauchs“ bei der herkömmlichen Plasmaverarbeitungstechnologie vermeidet. Das Forschungsteam verwendete keine energieintensiven elektrischen Plasmageräte, sondern nutzte LPG-Verbrennung und Druckluft zur Erzeugung von Flammenplasma, wodurch der Gesamtenergieverbrauch gesenkt und gleichzeitig die extrem hohen Temperaturen bereitgestellt wurden, die für eine schnelle Umwandlung erforderlich sind. Dieses Design verbessert die Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz des Prozesses weiter.
Das wissenschaftliche Forschungsteam wies darauf hin, dass der größte Vorteil dieser Technologie darin besteht, dass „nasse Materialien direkt dem Ofen zugeführt werden“, wodurch der Trocknungsprozess vollständig entfällt und der Energieverbrauch und die Betriebskosten des gesamten Systems voraussichtlich gesenkt werden. Obwohl sich der aktuelle Forschungsgegenstand auf Kaffeesatz konzentriert, ist der Anwendungsbereich der FPP-Technologie nicht darauf beschränkt. In Zukunft kann es auf eine Vielzahl von organischen Abfällen mit hohem Feuchtigkeitsgehalt wie Lebensmittelabfälle, landwirtschaftliche Rückstände und sogar Schlamm ausgeweitet werden und so zu einer weit verbreiteten Lösung zur Umwandlung von Abfällen in Energie werden.
Dr. Park Taijun (Transliteration), der Erstautor des Papiers, sagte: „Diese Technologie stellt ein neues Paradigma dar, sodass Abfall nicht mehr nur als zu behandelnde Belastung, sondern als wertvolle Energiequelle betrachtet wird. Wir planen, diesen Prozess auf mehr Kategorien organischer Abfälle mit hohem Feuchtigkeitsgehalt auszuweiten und den Prozess weiter zu optimieren, um seine kommerzielle Anwendung im industriellen Maßstab zu fördern.“ Das Forschungsteam betonte außerdem, dass die Ausrüstung des FPP-Systems relativ kompakt ist und voraussichtlich in einem Vor-Ort-System zur „Abfallenergie-Integration“ an der Quelle eingesetzt werden soll, um eine Verarbeitung vor Ort und eine Energieversorgung vor Ort zu erreichen.
Nach Angaben des Korea Institute of Geological Resources über die EurekAlert-Plattform wird sich die weitere Entwicklungsrichtung dieser Technologie auf Prozessstabilität, kontinuierliche Betriebsfähigkeiten und Parameteroptimierung verschiedener Abfallarten konzentrieren. Ziel ist es, es in ein modulares Energiegerät einzubauen, das mittel- und langfristig in verschiedenen Szenarien wie der Behandlung fester Siedlungsabfälle, der Bewirtschaftung landwirtschaftlicher Abfälle und Kläranlagen gefördert werden kann und einen neuen technischen Weg für den Aufbau eines saubereren und effizienteren erneuerbaren Festbrennstoffsystems bietet.