Unsere Forschungsarbeit zu Biokraftstoffen

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.

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Unsere Forschungsarbeit zu Biokraftstoffen

In unserem jährlich erscheinenden Energy Outlook prognostizeren wir bis 2040 einen Anstieg der weltweiten Nachfrage nach Kraftstoffen für den Verkehrsbereich um etwa 25 Prozent. Gleichzeitig ist eine schnelle Senkung transportbedingter Emissionen für die Reduzierung der weltweiten Treibhausgasemissionen von entscheidender Bedeutung.

Deshalb finanzieren wir 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. 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.

Unser Forschungsportfolio

Algenforschung

Seit 2009 arbeiten ExxonMobil und Synthetic Genomics gemeinsam an der Erforschung und Entwicklung von algenbasiertem Öl als nachhaltiger, emissionsarmer Alternative zu den herkömmlichen Kraftstoffen für das Verkehrswesen. In 2017 ist es den Unternehmen gelungen, einen modifizierten Algenstamm zu entwickeln, der einen mehr als doppelt so hohen Ölgehalt wie herkömmliche Algen hat, ohne dabei die Wachstumseigenschaften der Algen nennenswert zu beeinträchtigen, was eine der größten Herausforderungen auf dem Weg zur großtechnischen Produktion ist.

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.

Die Vorteile von Biokraftstoffen aus Algen

Gegenüber herkömmlichen Biokraftstoffen haben Biokraftstoffe aus Algen 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.

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.

Algen: Biokraftstoff der zweiten Generation

Zu Biokraftstoffen der ersten Generation, die aus essbaren Feldfrüchten wie zum Beispiel Mais gewonnen werden, gibt es unter Wissenschaftlern es eine rege Debatte über den Kohlenstoff-„Rucksack". 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 zukünftig bestmöglich 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.

Forschungsdurchbruch in 2017

Mit Hilfe eines neu entwickelten zelltechnischen Verfahrens ist es dem gemeinsamen Forschungsteam von ExxonMobil und SGI gelungen, einen Algenstamm zu modifizieren und den Ölanteil der Algen von 20 auf mehr als 40 Prozent zu erhöhen. Dafür konnten Forscher einen genetischen Schalter ausfindig machen, 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.

Eintritt in neue Phase in 2018

In 2018 trat das gemeinsame Forschungsprogramm von ExxonMobil und SGI zu Biokraftstoffen aus Algen in eine weitere, entscheidende Phase ein, die dazu beitragen kann, dass bis 2025 die Produktion von 10.000 Barrel Biokraftstoff aus Algen pro Tag technisch realisierbar ist.

Bei einem PKW Kraftstoffverbrauch von 7,3 Liter auf 100 km und einer durchschnittlichen Fahrleistung von 13.400 km pro Jahr (Daten Umwelt-/Kraftfahrtbundesamt) könnten ungefähr 580.000 Autos pro Jahr mit Biokraftstoff aus Algen angetrieben werden. Dies entspräche ca. 1,2 Prozent aller in Deutschland zugelassenen Pkw. Zum Vergleich: Am 1.1.2018 waren in Deutschland knapp 54.000 (0,1%) Elektrofahrzeuge zugelassen.

Zu der neuen Phase gehört unter anderem eine Feldstudie in Kalifornien, bei der in mehreren in sich geschlossenen Freilandbecken das Wachstum natürlicher Algenstämme erforscht wird. Die Studie wird ExxonMobil und SGI ein besseres Verständnis zu grundlegenden verfahrenstechnischen Parametern wie Viskosität und Fließverhalten geben, die sich in einem Labor nicht problemlos nachbilden lassen. Die Ergebnisse dieser Studie werden wichtige Erkenntnisse dazu liefern, wie sich die Technologie für eine Produktion auf kommerziellem Niveau skalieren lässt.

Die Freilandtests der neuen Programmphase sind ein bedeutender Schritt zur Bestimmung des weiteren Wegs hin zu einer Produktion in industriellem Maßstab.
Vijay Swarup

Vice President ExxonMobil Research and Engineering Company

Herausforderung für die Forschung

Bevor die Herstellung von Biokraftstoffen aus Algen in einer wirtschaftlich sinnvollen Größenordnung möglich ist, müssen noch einige entscheidende Hürden überwunden werden. 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 Beckens, 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.

Unser Forschungsansatz: Entdeckung, Erschließung und Einsatz

Wir sind davon überzeugt, dass Einfallsreichtum und Innovationen entscheidend sind, um die stetig steigenden Anforderungen unserer Kunden an unsere Produkte zu erfüllen.

Deshalb engagiert sich ExxonMobil sehr stark in den Bereichen Wissenschaft und Technologie. Wir beschäftigen mehr als 2.200 Wissenschaftler und 5.000 Mitarbeiter in unseren Forschungs- und Technologiebereichen auf der ganzen Welt. Jedes Jahr investieren wir rund eine Milliarde US-Dollar in Forschung und Entwicklung. Unser Ziel ist die Entwicklung innovativer Technologien, von der sowohl unser Unternehmen als auch die Gesellschaft und die Umwelt profitieren können. Wir betreiben Forschung und Entwicklung (F&E) auf allen Ebenen im Unternehmen. Intern, über Partnerschaften und durch die Finanzierung akademischer und privater Forschungsvorhaben. Wir sind stolz darauf, als Ergebnis dieser Forschungs- und Entwicklungsinitiativen im Jahr 2015 von Thompson Reuters als einer der globalen Top 100 Innovatoren benannt worden zu sein.

2007 haben wir einen "Weißbuch"-Prozess zur Erkundung neuer Technologien eingeführt. Diese Studien liefern dem Unternehmen neue Erkenntnisse zu neuen Technologien, definieren unseren möglichen Beitrag zur Wissenschaft und bewerten die künftige Relevanz der Technologien für unser Geschäft. ExxonMobil hat Fachleute aus verschiedenen Disziplinen in Forschungslabors damit beauftragt, wissenschaftliche Beiträge zu Themen von Biokraftstoffen bis Nanotechnologie zu verfassen. Bei der Bewertung dieser Beiträge befindet das verantwortliche Management darüber, ob eine bestimmte Technologie weitere Investitionen rechtfertigt. So flossen zum Beispiel die Erkenntnisse unseres Teams zum Thema "Photovoltaik" in unsere neue globale Energieprognose Energy Outlook ein.

Unser Standardverfahren für Investitionen in neue Technologien verlangt die Bewertung der technischen Machbarkeit mithilfe von F&E. Die Forschungsfunktionen von ExxonMobil folgen bei der Steuerung der Forschung dem Stage-Gate-System, von den ersten Stadien der Innovation bis hin zum Einsatz. Die Forscher gehen Partnerschaften mit den Geschäftsbereichen ein, um die Vorteile einer Technologie zu bestimmen, Forschungs- und Entwicklungsziele sowie Zeitpläne festzulegen, unabhängige Beurteilungen einzuholen und die Finanzierung des Projekts zu bewilligen.

Die Zeithorizonte für diese Projekte fallen unterschiedlich aus. Zum Beispiel begannen wir 2007 mit der Evaluierung der Fern-Gaserkennung und brachten die Technologie 2014 zur Anwendung. Die Entwicklung bahnbrechender Technologien kann aber viel länger dauern.

Vor über 30 Jahren stellten Forscher bei ExxonMobil die Hypothese auf, dass das Einfrieren des Kohlendioxids (CO2), das manchmal aus unterirdischen Erdgasvorkommen gefördert wird, ein effizienter Ansatz zu dessen Abscheidung, und nicht ein Hindernis, sein könnte. Jetzt ist diese Hypothese Wirklichkeit geworden. Die ExxonMobil Upstream Research Company hat die Tests der Controlled Freeze Zone™(CFZ™)-Technologie in einer kommerziellen Demonstrationsanlage an unserem Gasstandort in LaBarge, Wyoming abgeschlossen. Diese Anlage verarbeitete ein breites Spektrum an Sauergaseinspeisungen erfolgreich und kostengünstig und schied das CO2 aus dem Erdgas als Hochdruckstrom ab, was ideal für die Verwendung zur Abscheidung oder für die tertiäre Ölgewinnung ist. Nach dem Erfolg in LaBarge wird die CFZ™-Technologie jetzt im kommerziellen Maßstab eingesetzt. 

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