Popcorn-Effekt macht aus Kaffeesatz in nur 90 Sekunden wertvollen Brennstoff
Südkoreanische Forscher verwandeln nassen Kaffeesatz in 90 Sekunden in Biokohle. Die Feuchtigkeit hilft beim neuen Plasma-Verfahren.
Nasser Kaffeesatz gilt eigentlich als schwer verwertbar. Im neuen Plasma-Verfahren hilft die Feuchtigkeit jedoch dabei, poröse Biokohle mit hohem Heizwert zu bilden. (eigene Collage) © Unsplash / National Research Council of Science & Technology (KIGAM)
Kaffeesatz gehört zu den Resten, die jeden Tag fast beiläufig verschwinden. Er fällt in Küchen, Büros, Cafés und Kantinen an, landet im Biomüll oder in der Tonne und riecht nach kurzer Zeit streng. Wer Kaffeesatz verwerten will, denkt meist an Dünger für Pflanzen, Hausmittel gegen Gerüche oder Peeling. Südkoreanische Forscher sehen darin nun einen Rohstoff für festen Brennstoff.
In ihrer neuen Studie im Chemical Engineering Journal berichten Taejun Park, Gideok Park und Hyunseung Shin von einem Plasma-Verfahren, das nassen Kaffeesatz in nur 90 Sekunden in Biokohle verwandelt. Der Ansatz ist deshalb ungewöhnlich, weil frischer Kaffeesatz viel Wasser enthält. Diese Feuchtigkeit macht viele Formen der Verwertung teuer und technisch aufwendig.
Warum nasser Kaffeesatz schwer zu verwerten ist
Weltweit entstehen jedes Jahr mehr als zehn Millionen Tonnen gebrauchter Kaffeesatz. Ein großer Teil wird deponiert oder verbrannt. Beides ist problematisch, weil organische Abfälle Klimagase freisetzen können und wertvolle Restenergie verloren geht. Kaffeesatz enthält Kohlenstoff, Öle und einen vergleichsweise hohen Heizwert. Doch in der Praxis bremst der Wasseranteil die Nutzung aus.
Für die Versuche sammelte das Team Kaffeesatz aus einer Cafeteria des Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources. Das Material enthielt etwa 55 Prozent Feuchtigkeit. Anders als bei vielen anderen Verfahren trockneten die Forscher den Kaffeesatz vorher nicht. Sie legten jeweils 30 Gramm nasses Material direkt in eine Anlage mit Plasmaflamme.
Wie Forscher Kaffeesatz verwerten und Wasser zum Vorteil machen
Die Plasmaflamme entstand aus Flüssiggas und Druckluft. Am Material erreichte sie etwa 800 bis 900 Grad Celsius. Diese Hitze ließ das Wasser im Inneren der Kaffeesatz-Partikel sehr schnell verdampfen. Dadurch stieg der Druck in den kleinen Teilchen. Die Struktur brach auf, Poren entstanden, flüchtige Bestandteile traten aus.
Die Forscher beschreiben diesen Vorgang als „Popcorn-Effekt“. Das Wasser hilft, das Material aufzureißen und eine poröse Kohlestruktur zu bilden. Die Oberfläche wuchs dadurch stark. Beim unbehandelten Kaffeesatz lag sie bei 1,5 Quadratmetern pro Gramm. Nach 90 Sekunden erreichte sie 115,4 Quadratmeter pro Gramm.
Nach 90 Sekunden erreicht die Biokohle ihren besten Wert
Die besten Ergebnisse lieferte eine Behandlungszeit von 90 Sekunden. Die Masse des Materials sank dabei um 83,3 Prozent. Der Heizwert stieg von 21,8 auf 29,0 Megajoule pro Kilogramm. Das entspricht einem Plus von rund 33 Prozent. Die Forscher vergleichen diesen Wert mit Anthrazitkohle, die etwa 25,1 bis 29,3 Megajoule pro Kilogramm erreicht.
Auch die Zusammensetzung änderte sich deutlich. Der feste Kohlenstoffanteil nahm von 15,6 auf 46,2 Prozent zu. Die flüchtigen Bestandteile sanken von 74,6 auf 39,1 Prozent. Für die Nutzung als fester Brennstoff ist das relevant, weil mehr gebundener Kohlenstoff in der Regel mehr nutzbare Energie im Material bedeutet.
Das sind die wichtigsten Laborwerte im Überblick:
- 55 Prozent Feuchtigkeit im Ausgangsmaterial
- 90 Sekunden Behandlungszeit beim besten Ergebnis
- 29,0 Megajoule pro Kilogramm Heizwert der Biokohle
- 83,3 Prozent Masseverlust nach der Behandlung
- 115,4 Quadratmeter Oberfläche pro Gramm nach 90 Sekunden
Kaffeesatz verwerten klappt nur im richtigen Moment
Mehr Hitze und mehr Zeit verbesserten das Ergebnis nicht weiter. Nach 110 Sekunden fiel der Heizwert auf 26,6 Megajoule pro Kilogramm. Der Ascheanteil stieg auf 8,3 Prozent. Die Oberfläche sank wieder auf 65,6 Quadratmeter pro Gramm. Nach Einschätzung der Forscher wurde die Kohlenstoffstruktur bei zu langer Behandlung teilweise geschädigt.
Die Zeitspanne ist deshalb ein wichtiger Aspekt für eine spätere Anwendung. Hydrothermale Karbonisierung braucht meist eine bis sechs Stunden. Torrefizierung dauert oft mindestens 30 Minuten und verlangt trockenes Material. Das Plasma-Verfahren schaffte den stärksten Umwandlungsschritt im Labor in anderthalb Minuten. Es kommt außerdem ohne Vortrocknung und ohne Entfettung aus.
Schwefel verschwindet aus dem fertigen Brennstoff
Auch bei möglichen Emissionen liefert die Studie interessante Werte. Der ursprüngliche Kaffeesatz enthielt geringe Mengen Schwefel. Nach der Behandlung fand das Team im Produkt keinen Schwefel mehr. Das könnte Schwefeloxide bei einer späteren Verbrennung verringern. Während des Prozesses beobachteten die Forscher zudem kaum Rauch und kaum Ölbildung.
Noch ersetzt die Technik keine industrielle Anlage. Die Tests liefen mit kleinen Mengen und unter Laborbedingungen. Für eine breite Nutzung zählen später Kosten, Sicherheit, Dauerbetrieb und die gesamte Energiebilanz. Die Plasmaflamme arbeitet mit Flüssiggas. Deshalb lässt sich aus den Laborwerten noch keine einfache Klimarechnung ableiten.
Aus Bioabfall könnte vor Ort Energie entstehen
Der Nutzen reicht aus Sicht der Forscher über Kaffee hinaus. Viele organische Abfälle enthalten viel Wasser. Dazu gehören Lebensmittelreste, Klärschlamm oder landwirtschaftliche Rückstände. Solche Stoffe zu transportieren und zu trocknen kostet Energie. Ein kompaktes Verfahren vor Ort könnte diese Hürde senken.
„Diese Technologie steht für ein neues Konzept, in dem Abfall nicht länger als Entsorgungsproblem betrachtet wird, sondern als wertvolle Energiequelle“, sagt Erstautor Dr. Taejun Park. Sein Team will das Verfahren auf weitere feuchte organische Abfälle übertragen und für eine industrielle Nutzung weiter verbessern.
Kurz zusammengefasst:
- Weltweit entstehen jedes Jahr mehr als zehn Millionen Tonnen Kaffeesatz, doch sein hoher Wasseranteil erschwert bisher die Verwertung.
- Südkoreanische Forscher verwandelten nassen Kaffeesatz in einer Studie in 90 Sekunden in Biokohle mit einem Heizwert von 29,0 Megajoule pro Kilogramm.
- Die Feuchtigkeit wird dabei zum Vorteil: Sie verdampft schlagartig, öffnet die Struktur des Materials und hilft so bei der Bildung poröser Biokohle.
Übrigens: Kaffee bleibt nicht nur nach dem Aufbrühen interessant. Auch im Körper könnte er länger wirken als gedacht. Eine Studie verbindet regelmäßigen Kaffeekonsum mit fast zwei zusätzlichen gesunden Lebensjahren. Mehr dazu in unserem Artikel.
Bild: © Unsplash / Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM)
