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Moderne Biokraftstoffe

ExxonMobil finanziert die Erforschung moderner Biokraftstoffe und führt eigene Forschungen auf diesem Gebiet durch. Dies erfolgt im Rahmen unserer zahlreichen Investitionen in neue Technologien mit dem transformativen Potential, die Versorgungsbasis zu vergrößern, Emissionen zu senken und betriebliche Effizienz zu steigern.

Wir finanzieren ein breites Spektrum an Forschungsprogrammen für Biokraftstoffe, darunter unser laufendes Engagement im Bereich Algen sowie Programme zur Umwandlung alternativer, nicht zum Verzehr geeigneter Rohstoffe, d. h. zellulosischer Biomasse, in moderne Biokraftstoffe. Wir glauben, dass sowohl bei der Optimierung von Biomasse als auch bei ihrer Verarbeitung in Kraftstoffe grundlegende technologische Verbesserungen und wissenschaftliche Durchbrüche nötig sind. Insbesondere um zu gewährleisten, dass die Produktion moderner Biokraftstoffe wirtschaftlich und mit dem gewünschten Nutzen für den Umweltschutz hochgefahren werden kann, den Ausstoß an Lebenszyklus-Emissionen zu senken. Bei dieser Art von bahnbrechender Forschung sind ein genaues Verständnis des Problems und dessen Aufteilung in überschaubare Fragestellungen, die wissenschaftlich untersucht werden können, die entscheidenden Schritte auf dem Weg zu Lösungen.

Wissenschaftler und Ingenieure in Universitäten, staatlichen Forschungslaboren und Unternehmen untersuchen eine breite Palette an Rohstoffen und Verfahren zur Entwicklung moderner Biokraftstoffe. Wir arbeiten mit einigen führenden Wissenschaftlern zusammen und haben unser Portfolio darauf ausgerichtet, diejenigen wissenschaftlichen Forschungsbereiche voran zu bringen, die unserer Meinung nach nötig sind, um moderne, für die Umwelt vorteilhafte Biokraftstoffe bereitzustellen.

Unser Forschungsportfolio für moderne Biokraftstoffe beinhaltet Partnerschaften mit Synthetic Genomics, Inc. (SGI), der Colorado School of Mines und der Michigan State University zur Erforschung algenbasierter Biokraftstoffe. Darüber hinaus erkunden wir eine Vielzahl von Biomasse-Umwandlungsverfahren, die auf Basis nicht zum Verzehr geeigneter Rohstoffe wie z.B. ganze zellulosische Biomasse, Algen und aus Zellulose gewonnener Zucker angewendet werden können. Diese Programme werden derzeit gemeinsam mit der Renewable Energy Group (REG), der Iowa State University, der Northwestern University und der University of Wisconsin durchgeführt.

Algen

Die Vorteile von Algen

Die Verwendung von Algen zur Herstellung von Biokraftstoffen bietet zahlreiche Vorteile. Algen können mit Wasser, das nicht für die Herstellung von Lebensmitteln verwendet werden kann, auf Landflächen kultiviert werden, die für andere Zwecke ungeeignet sind. Zusätzlich dazu, dass Algen auf unfruchtbarem Land angebaut werden können und dafür kein frisches Wasser benötigt wird, können auf derselben Fläche potenziell größere Biokraftstoffmengen als aus anderen Quellen erwirtschaftet werden. Wir wissen auch, dass Algen zur Herstellung von Biokraftstoffen verwendet werden können, die in ihrer Zusammensetzung den heute im Verkehrssektor verwendeten Kraftstoffen ähneln.

Darüber hinaus kann der Anbau von Algen auch für die Umwelt von Nutzen sein. Algen verbrauchen CO2 und haben im Gegensatz zu herkömmlichen Brennstoffen das Potential, Treibhausgase abzubauen. 2012 veröffentlichten Forscher des MIT, von ExxonMobil und von SGI in der Fachzeitschrift Environmental Science and Technology einen Bericht, der zu dem Schluss gelangte, dass Biokraftstoffe aus Algen, wenn entscheidende Forschungshindernisse überwunden werden, über den gesamten Lebenszyklus rund 50 Prozent weniger Treibhausgase ausstoßen als Kraftstoffe auf Erdölbasis.

Im Gegensatz dazu gibt es in der akademischen Forschergemeinde eine raue Debatte über den Kohlenstoff-Rucksack" der Biokraftstoffe der ersten Generation, die die US-Umweltschutzbehörde EPA als solche definiert, die aus essbaren Feldfrüchten (wie z. B. Mais) gewonnen werden. Viele Beiträge in der wissenschaftlichen Literatur legen den Schluss nahe, dass der direkte Ausstoß von Treibhausgasen während des Lebenszyklus niedriger als bei fossilen Brennstoffen ist, indirekte Konsequenzen der Erschließung von Biokraftstoffen der ersten Generation einschließlich einer veränderten Nutzung von Forst- und Agrarflächen jedoch zu einem insgesamt höheren Ausstoß an Treibhausgasen als bei Kraftstoffen auf Erdölbasis führen könnten.

Aus diesem Grund treibt ExxonMobil die Erforschung von Biokraftstoffen der zweiten Generation voran und will herausfinden, wie man sie bestmöglich für die Zukunft unserer Energie nutzen kann. Biokraftstoffe der zweiten Generation sind als solche definiert, die aus nicht essbaren Feldfrüchten, aus Rückständen von Feldfrüchten oder aus biologisch erzeugtem Gas hergestellt werden und daher das Nahrungsmittelangebot nicht belasten. Beispiele hierfür sind Algen, Maisstengel, Rutenhirse oder Methan, das von Mikroben in Mülldeponien erzeugt wird.

So wachsen Algen

Algen können eine facettenreiche und hochgradig wünschenswerte, nicht essbare Quelle der wichtigen erneuerbaren Moleküle sein, die zur Herstellung von Biokraftstoffen der zweiten Generation verwendet werden können. Einige Algenarten können so optimiert werden, dass sie Biodiesel-Vorstoffe produzieren. Andere Algenarten können als Quelle fermentierbarer Zucker mit Zusammensetzungen optimiert werden, die denen ähneln, die man aus Maiskernen gewinnt und aus denen Biokraftstoffe der ersten Generation wie z. B. Ethanol hergestellt werden.

Grundlagenforschung zur Biologie der Algen mit Synthetic Genomics

Heute betreiben ExxonMobil und SGI gemeinsame Grundlagenforschung zur Entwicklung moderner Biokraftstoffe aus Algen. Unser Ziel ist es, Optionen für moderne Biokraftstoffe auf Algenbasis zu entwickeln und die besten Möglichkeiten zu finden, diese bahnbrechenden Technologien Verbrauchern zugänglich zu machen. Das Programm baut auf den vielen Erkenntnissen auf, die wir erarbeitet haben, seit wir unser Bündnis mit SGI 2009 bekannt gegeben haben, sowie auf den Fortschritten, die wir seitdem machten.

Mit Hilfe eines neu entwickelten zelltechnischen Verfahrens ist es einem gemeinsamen Forschungsteam von ExxonMobil und Synthetic Genomics vor kurzem gelungen, einen Algenstamm zu modifizieren und den Ölanteil der Algen von 20 auf mehr als 40 Prozent zu erhöhen. Die Forschungsergebnisse wurden in einem Peer-Review der Fachzeitschrift Nature Biotechnology veröffentlicht.

Forscher des Labors von Synthetic Genomics in La Jolla haben einen neuen Prozess zur Steigerung der Ölproduktion von Algen entdeckt, indem sie einen genetischen Schalter ausfindig gemacht haben, über den sich beim Algenstamm Nannochloropsis gaditana die Umwandlung von Kohlenstoff in Öl optimal einstellen lässt. Das Team führte eine Machbarkeitsstudie durch und kam zu dem Ergebnis, dass sich die Lipidfraktion des zellularen Kohlenstoffs der Alge im Vergleich zu den Elternpflanzen bei gleichbleibenden Wachstumseigenschaften - verdoppeln lässt.

Dieser wichtige Meilenstein unseres Programms für innovative Biokraftstoffe bestätigt uns in der Annahme, dass Algen eine sehr produktive Quelle für erneuerbare Energie sein und gleichzeitig einen positiven Beitrag für den Umweltschutz leisten können.

Vijay Swarup, Vice President ExxonMobil Research and Engineering Company

„Unsere Zusammenarbeit mit Synthetic Genomics ist weiterhin ein sehr wichtiger Teil unserer umfassenden Forschungstätigkeit im Bereich emissionsarmer Technologien zur Senkung der Gefahren durch den Klimawandel.“

Foto — Forscher von Synthetic Genomics nutzen ein neu entwickeltes zelltechnisches Verfahren

Algen werden bereits seit geraumer Zeit als mögliche Alternative für die nachhaltige Produktion von Kraftstoff angesehen, doch ist die Forschungsarbeit zur Entwicklung eines Algenstammes mit hohem Ölgehalt und schnellem Wachstum - die beiden entscheidenden Faktoren für eine skalierbare und kosteneffiziente Ölproduktion - in den letzten 10 Jahren auf Probleme gestoßen. Insbesondere das verlangsamte Wachstum war eine unerwünschte Nebenwirkung bei dem Versuch, die Ölproduktion der Algen zu steigern.

Ein wesentliches Ziel der Zusammenarbeit von ExxonMobil und SGI ist die Steigerung des Ölgehaltes von Algen und die gleichzeitige Verringerung der Stärke- und Proteinbestandteile, ohne dabei die Wachstumseigenschaften der Algen zu beeinträchtigen. Eine Möglichkeit, den Ölgehalt der Algen zu steigern, besteht darin, die Verfügbarkeit von Nährstoffen wie z. B. Stickstoff zu verringern. Dies kann jedoch die Photosynthese stark verlangsamen oder sogar zum Stillstand bringen, wodurch das Algenwachstum gehemmt und die Ölproduktion verringert werden.

Der entscheidende Fortschritt, der jetzt erreicht wurde, besteht in der erhöhten Ölproduktion der Alge bei gleichbleibenden Wachstumseigenschaften. Gegenüber herkömmlichen Biokraftstoffen haben Algen außerdem den Vorteil, dass sie in Salzwasser wachsen und auch bei schwierigen Umweltbedingungen gedeihen, ohne Flächen für die Lebensmittelproduktion oder große Mengen an Süßwasser zu beanspruchen.

Aus Algen gewonnenes Öl kann möglicherweise auch in normalen Raffinerien zu Kraftstoffen weiterverarbeitet werden, die sich nicht von herkömmlichem Dieselkraftstoff mit hoher Energiedichte unterscheiden. Das Öl lässt sich eventuell auch als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Chemikalien nutzen.

ExxonMobil und Synthetic Genomics arbeiten seit 2009 gemeinsam an der Erforschung und Entwicklung von algenbasiertem Öl als nachhaltiger, emissionsarmer Alternative zu den herkömmlichen Kraftstoffen für das Verkehrswesen. Swarup erklärt, dass dieser Meilenstein zwar ein wichtiger Schritt sei, die Technologie jedoch bis zu einer kommerziellen Nutzung noch einige Jahre benötigen werde.

Herausforderung für die Forschung

Bevor die Herstellung von Biokraftstoffen aus Algen in einer wirtschaftlich sinnvollen Größenordnung möglich ist, müssen wir noch einige entscheidende Hürden überwinden. Deshalb arbeiten wir daran, einige grundlegende Fragen zu beantworten, wie z. B.:

  • Warum nutzen Algen nur einen relativ kleinen Teil der verfügbaren Lichtenergie?
  • Mit welchen Hilfsmitteln kann man den Wirkungsgrad von Algen bei der Ausnutzung des Lichts erhöhen und die Produktionscharakteristika verbessern?
  • Wie entwickelt man einen Organismus, der erheblich mehr Bio-Öl produziert?

Die zentrale Schwierigkeit besteht darin, dass Algen von Natur aus wesentlich mehr Licht einfangen, als sie schließlich in Biokraftstoffe umwandeln können. Nur eine begrenzte Menge Licht erreicht die Oberfläche eines Teichs, und wir wollen die Algen dazu bringen, dieses Licht so effizient wie möglich zu nutzen. Die Menge an ungenutztem Sonnenlicht fällt je nach Algenart und Wachstumsbedingungen stark unterschiedlich aus, kann aber 80 Prozent und mehr betragen. ExxonMobil und SGI betreiben Grundlagenforschung mit dem Ziel, die Menge an nicht genutztem Sonnenlicht zu verringern und die Biomasse-Produktivität durch die Steigerung des Photosynthese-Wirkungsgrads einzelner Algenzellen zu erhöhen. Zur Verwirklichung dieses Ziels arbeitet SGI an Algenzellen, die nur die Menge an Licht absorbieren, die sie auch wirklich nutzen können.

Forschung und Entwicklung im Bereich der Biokraftstoffe aus Algen ist ein langfristiges Unterfangen. Seit dem Beginn der Zusammenarbeit haben ExxonMobil und SGI viel gelernt und wir arbeiten weiter am Aufbau der biologischen Instrumente, Kompetenzen und Kenntnisse, die zur Überwindung der technischen Hürden notwendig sind.

Das Problem der großtechnischen Herstellung

"Wir wissen, dass bestimmte Algenarten Bio-Öle produzieren. Die Herausforderung besteht nun darin, Algen zu finden und zu entwickeln, die Bio-Öle kostengünstig und in großen Mengen produzieren können.", bestätigt Swarup.

Man bräuchte sehr viele Algen, um so viel Kraftstoff zu produzieren, dass damit auch nur ein kleiner Teil des Bedarfs für den Straßenverkehr gedeckt werden könnte. Die Bevölkerung und die Wirtschaft werden, genauso wie der Energiebedarf und die CO2-Emissionen, weiter wachsen. Bei ExxonMobil wissen wir, dass zur Steigerung der Effizienz, der Ausweitung des Angebots und der Senkung der Emissionen ein Paket aufeinander abgestimmter Lösungen notwendig ist. Technische Durchbrüche werden entscheidend sein und Biokraftstoffe auf Algenbasis könnten ein Teil dieses Lösungspakets sein.

Das Ziel sind Bio-Öle auf Algenbasis, die in unseren Raffinerien verarbeitet werden und unsere Palette an herkömmlichem Benzin, Diesel, Flugbenzin und Schiffskraftstoffen ergänzen.

Was kommt als Nächstes?

Wir werden im Rahmen unseres breiteren, über Algen hinausgehenden Portfolios an Forschungs- und Entwicklungsprogrammen im Bereich der Biokraftstoffe auch weiterhin unsere besten Optionen für die Fortsetzung der Algenerforschung prüfen.

ExxonMobil ist an zahlreichen Forschungsprojekten zu innovativen Biokraftstoffen beteiligt und arbeitet dabei mit Hochschulen, öffentlichen Forschungseinrichtungen und Wirtschaftsunternehmen eng zusammen. Die weltweite Nachfrage nach Kraftstoffen für den Verkehrsbereich wird bis zum Jahr 2040 voraussichtlich um etwa 25 Prozent steigen. Gleichzeitig ist eine schnelle Senkung transportbedingter Emissionen für die Reduzierung der weltweiten Treibhausgasemissionen von entscheidender Bedeutung.

ExxonMobil beteiligt sich aktiv an der Erforschung weiterer emissionssenkender Technologien wie z. B. der CCS-Technologie (Abtrennung und Einlagerung von Kohlendioxid). 2016 verkündete ExxonMobil die Zusammenarbeit mit dem in Connecticut ansässigen Unternehmen FuelCell Energy, die das Ziel hat, die Nutzung von Karbonat-Brennstoffzellen weiterzuentwickeln, um die CO2 Emissionen von Kraftwerken auf wirtschaftliche Weise abzuscheiden und gleichzeitig Wasserstoff und zusätzlich Strom zu erzeugen. Seit 2000 hat ExxonMobil etwa 8 Mrd. USD in die Entwicklung von emissionsarmen Energielösungen und deren Einsatz im gesamten Unternehmen investiert.

Viel Zeit, Geld und wissenschaftliche Expertise sind nötig, um den großen Herausforderungen zu begegnen, die mit der Entwicklung wirtschaftlicher und großtechnisch hergestellter moderner Biokraftstoffe verbunden sind. Darüber hinaus sind Erfolgsprognosen schwierig, denn sie hängen direkt vom Tempo technologischer Innovationen ab. Es könnte potenziell Jahrzehnte oder länger dauern, bis moderne Biokraftstoffe ein Volumen erreichen, das einen wesentlichen Beitrag zur Deckung des Verbrauchs im Verkehrssektor zu leisten vermag.

  • Die Erforschung des Photosynthese-Wirkungsgrads durch ExxonMobil liefert die grundlegenden Erkenntnisse, mit denen die Hürden auf dem Weg zu einer höheren Produktivität von Biomasse überwunden werden können.

  • SGI arbeitet mit Verfahren der synthetischen Biologie und betreibt weitere Grundlagenforschung zur Entwicklung hochproduktiver Algensorten.

Zelluloseforschung mit REG

ExxonMobil hat mit der Renewable Energy Group (REG) einen Vertrag unterzeichnet, um die Produktion von Biodiesel durch die Fermentierung erneuerbarer zellulosischer Zucker zu untersuchen, die beispielsweise aus landwirtschaftlichen Abfallstoffen stammen. REG hat ein patentiertes Verfahren entwickelt, bei dem Mikroben ähnlich wie bei der Herstellung von Ethanol Zucker in einem einfachen Fermentationsprozess in Biodiesel umwandeln. Im Mittelpunkt der Forschung von ExxonMobil und REG Life Sciences steht die Verwendung von Zuckern aus nicht zum Verzehr geeigneten Quellen.

REG verfolgt seit langem Innovationen in der Herstellung moderner Biokraftstoffe aus weniger kohlenstoffintensiven Grundstoffen aus Abfällen. Gemeinsam werden wir die Frage angehen, wie reale erneuerbare zellulosische Zucker fermentiert werden können, die viele verschiedene Zuckerarten, z.B. Glukose und Xylose, aber auch Verunreinigungen enthalten, welche die Fermentierung behindern können.

Unsere erste Herausforderung besteht darin, die technische Machbarkeit und die potenziellen Umweltvorteile zu bestimmen. Fallen die Ergebnisse positiv aus, können wir in einem nächsten Schritt das Potential zur Ausweitung unserer Bemühungen und die Skalierbarkeit ausloten.

Partnerschaften mit Universitäten

Colorado School of Mines / Biokraftstoffe auf Algenbasis

ExxonMobil und die Colorado School of Mines haben einen Forschungspakt geschlossen – unter der Leitung des Professors für Bergbauchemie und Geochemie Matthew Posewitz, der seit 13 Jahren in der Algenforschung tätig ist –, der auf die Entwicklung grundlegender neuer Erkenntnisse zur Photosynthese und zur Bindung von Kohlenstoff in Algen ausgerichtet ist. Diese Erkenntnisse werden das Verständnis für die wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen verbessern, die zur Herstellung von Biokraftstoffen aus Algen zu meistern sind.

Michigan State University / Biokraftstoffe auf Algenbasis

ExxonMobil hat auch eine Forschungskooperation mit der Michigan State University zum Thema Biokraftstoffe aus Algen, die sich schwerpunktmäßig mit Grundlagenforschung der Photosynthese in Algen befasst. Prof. David Kramer, John Hannah Distinguished Professor an der MSU für Photosynthese und Bioenergetik, leitet die Arbeiten. Das übergeordnete Ziel der Partnerschaft besteht darin, den Wirkungsgrad der Photosynthese von Algen zu erhöhen, um die Produktion von Biokraftstoffen zu steigern.

Iowa State University / Schnellpyrolyse von Biomasse

Das Biokraftstoff-Programm von ExxonMobil an der Iowa State University wiederum konzentriert sich auf die grundlegenden wissenschaftlichen und technischen Fragen im Umfeld der chemischen and physischen Prozesse bei der Pyrolyse von Biomasse. Forscher an der Iowa State University studieren die Schnellpyrolyse seit mehr als 15 Jahren.

Die Projekte von ExxonMobil werden von vier Forschern geleitet. Robert C. Brown, Maschinenbauprofessor und Leiter des Bioeconomy Institute an der Iowa State University, und James Michael, Lehrbeauftragter für Maschinenbau, werden die Grundlagen der Pyrolyse studieren. Brent Shanks, Professor für chemische und biologische Verfahrenstechnik und Leiter des technischen Forschungszentrums für erneuerbare Bio-Chemikalien der National Science Foundation, und Xianglan Bai, Lehrbeauftragter für Maschinenbau, werden Prozesse studieren, welche die Stabilität und Qualität von Bio-Ölen beeinflussen.

Northwestern University / Schnellpyrolyse von Biomasse

Das Biokraftstoff-Programm von ExxonMobil an der Northwestern University befasst sich mit dem Einsatz moderner mechanistischer Modellierung zur Erforschung der technischen Herausforderungen und potenziellen Chancen der Schnellpyrolyse von Biomasse. Prof. Linda J. Broadbelt, Sarah-Rebecca-Roland-Professorin und Leiterin der Fakultät für biologische und chemische Verfahrenstechnik an der Northwestern University, leitet die Arbeiten. In einem früheren Forschungsprojekt ihrer Gruppe wurde ein Modell für die Pyrolyse von Zellulose entwickelt, eine der Schlüsselkomponenten von zellulosischer Biomasse. Das Modell wird derzeit ausgebaut, um mehr über die komplizierteren Bestandteile zellulosischer Biomasse herauszufinden.

Dieses Forschungsprojekt wird die Reaktionen und Mechanismen bei der Pyrolyse beleuchten und könnte Erkenntnisse darüber liefern, wie man unerwünschte Reaktionen unterdrücken kann.Dieses fundamentale Wissen ist entscheidend, um das Potential der Pyrolysetechnologie bestimmen zu können.

University of Wisconsin / Biomasseveredlung

Gemeinsam mit der University of Wisconsin hat ExxonMobil ein Forschungsprogramm über Biomasse-Veredlungsprozesse aufgelegt. Das Programm wird von Professor George Huber geleitet, einem führenden Forscher und Innovator im Bereich der Umwandlung von Biomasse. Das Programm befasst sich mit der Umwandlung der zunächst bei der Zersetzung von Biomasse entstehenden Produkte in wertvollere Endprodukte. So können mithilfe primärer Zersetzungsprozesse wie z. B. der Schnellpyrolyse oder einer Behandlung mit Säure und Enzymen Zucker oder mit Zucker verwandte Stoffe aus Biomasse hergestellt werden. Das Programm mit der University of Wisconsin untersucht katalytische Reaktionen zur Umwandlung dieser Zucker in kohlenwasserstoffhaltige Kraftstoffe wie z. B. Benzin und Diesel.