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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von cellulosehältigen Biomassen.
In den letzten Jahrzehnten wird versucht, mit Hilfe von schnellwachsenden Bäumen, mit einer kurzen Umtriebszeit sogenannte Energiewälder bzw. Energiefarmen zu schaffen. Diese be- ruhen auf der Möglichkeit, cellulosehaltige Biomasse, wie sie zum Grossteil die Grundsubstanz von Holz bildet, in riesigen Mengen zu schaffen. Als analytische Richtlinie kann angenommen wer- den, dass die Baummasse aus zirka 50% Alphacellulose, 20% Hemicellulose, 20% Lignin und 10% Restsubstanzen, wie Harzen, Ölen, ätherischen und aromatischen Stoffen usw. besteht.
Das Holz besitzt pro Kilogramm Trockenmasse in der Regel einen Heizwert von etwa 18 bis 20000 kJ. Durch Verbrennung kann die Wärme z. B. über Gasmotoren, Gasturbinen u. dgl. in elektrischen Strom übergeführt werden ; ähnliches durch Vergasung in CO, H., CH30H usw. Durch Hydrolyse oder Fermentation kann Äthylalkohol bzw. Methylalkohol hergestellt werden. All dies sind jedoch nachgeschaltete Anwendungen, deren Voraussetzung nach wie vor die cellulosehältige Grundmasse darstellt. Es geht in erster Linie darum, billige cellulosehältige Biomasse in kürzestmöglicher Zeit auf kleinsten Kulturflächen zu erzeugen.
Die bisher bekannten schnellwachsenden Baumkulturen können entweder durch Aussetzen von Saatgut oder Klonen (Stecklingen) kultiviert werden. Zu einer erhöhten Nutzung der Sonnenenergie ist es daher erforderlich, dass Pflanzen mit Hilfe ihrer Blätter (Photosynthese) möglichst optimal die elektromagnetische Strahlungsenergie der Sonne absorbieren und diese in Form von Polysacchariden (Polyosen) speichern. Bedenkt man, dass je nach Breitegrad zirka 1000 bis 2000 kWh/Jahr und m'einstrahlen und bei einer Holzgewinnung von zirka 1 bis 2 kg/m'-a lediglich 5, 2 kWh gebildet werden, ein 200-bis 400facher Überschuss an Einstrahlungsenergie vorliegt, erkennt man die Möglichkeit, dass mit Hilfe von entsprechend genetisch mutierten Pflanzenhybriden grössere Massen als 1 bis 2 kg/m'-a zu erreichen sind.
Es ist notwendig, neue Baumhybriden zu schaffen, welche die Forderung einer höheren Absorptionsmöglichkeit erfüllen.
Es reicht jedoch nicht aus, lediglich die Absorptionsfähigkeit bei zukünftigen Kultivationsmethoden zu berücksichtigen, sondern es müssen auch alle erforderlichen Umweltfaktoren entsprechend optimiert werden (Gesetze von Mitscherlich).
Um grosse Mengen organischer Energie (hölzerner Biomassen) zu erzeugen, sind durch Nutzung der Sonnenenergie einige tausend Quadratkilometer weite Freilandkulturflächen erforderlich. Ausserdem müssen Verfahren zur Anwendung kommen, welche die Kosten und den Energieaufwand der Infrastruktur weitgehend reduzieren.
Vor allem bereitet die Jungpflanzenproduktion oft Schwierigkeiten, erfordert hohe Kosten und ist in vielen Zonen schwer durchführbar. Traditionsgemäss werden z. B. Pappeln in mehrjährigen Kulturverfahren gezogen ; ausgehend von Einzelklonen mit mehrjährigem Zurückschneiden werden
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mass und erhöhen den Preis des Endproduktes, wie Äthylalkohol, erheblich.
Um jedoch die Erzeugungskosten der cellulosehaltigen Biomassen zu senken, wird bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäss die Kultivation von geeigneten Holzgewächsen in zwei oder mehreren Stufen durchgeführt, wobei in der ersten Stufe im Rahmen einer von der Aussenwelt unabhängigen, geschlossenen Fabriksanlage in an sich bekannten dreidimensional geführten Fliessbandsystemen, unter Anwendung eines an sich bekannten räumlichen Pflanzen- und Lichtgitterverfahrens Jungpflanzen aus Saatgut oder Stecklingen, sogenannten Solarstecklingen, ganzjährig hergestellt und mit entsprechenden Wurzelräumen zur Erlangung grosser Wurzelsysteme versehen werden, und dass in der zweiten Stufe, gegebenenfalls nach einer den Pflanzen entsprechenden Zwischenlagerung,
die Pflanzen in ein kontrolliertes Freiland zur Sonnenabsorption und Speicherung der entsprechenden Polyosen eingesetzt werden.
Wohl ist durch die AT-PS Nr. 342359 ein Pflanzenkultivationsverfahren bereits bekanntgeworden, bei dem die Kultivation in zwei Stufen erfolgt. Überdies ist es auch durch die AT-PS Nr. 350830 und Nr. 334127 bekannt die Jungpflanzenaufzucht unter Anwendung eines räumlichen Pflanzen- und Lichtgitterverfahrens durchzuführen. Dieser Stand der Technik ist jedoch allein
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nicht in der Lage eine Anregung für das erfindungsgemässe Verfahren zu geben.
Es wird daher folgendes vorgeschlagen :
1. Genetik :
Im Rahmen genetischer Forschungsarbeiten (z. B. forstgenetischer Institute), welche eventuell auch international abgestimmt sein sollen, werden cellulosehaltige Pflanzenhybriden kultiviert, die sich durch grossblättrige morphologische Gestaltung zwecks höchster Sonnenlichtabsorption und Polyosenbildung auszeichnen, wobei berücksichtigt werden muss, dass diese Hybride, je nach anschliessendem Verwendungszweck, in kürzester Zeit einen hohen Anteil an speziellen energietragenden Substanzen bilden, so z.
B. für Hydrolyse, Alphacellulosen, und dass die Struktur des Holzes ein lockeres Gefüge (lockeres Weichholz) besitzt.
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Dass in vom Standort und dessen natürlicher Umwelt, somit auch von der Sonne, unabhängi- gen, allseitig lichtdicht geschlossenen, kontinuierlich arbeitenden Pflanzenfabriken mittels hydro- ponischer Kultursysteme und inerten Wurzelsubstraten im dreidimensionalen Fliessbandverfahren So- larstecklinge erzeugt werden. Diese Kultivation erfolgt in bereits bekannten Lichtgitterpflanzen- systemen, welche in grösstem Ausmass (d. h. z. B. vielmillionenfach) ganzjährig produzieren können.
Die erzeugten Pflanzen können, wenn erforderlich, in Kühlhäusern, je nach Pflanzenart auch lange
Zeit gelagert werden.
3. Solarstecklingskultivation
Diese Jungpflanzenproduktion erfolgt in mehreren Wachstumsstufen, wodurch eventuell erfor- derliche Jahreszeiten mittels gesteuerten Umweltfaktorenprogrammen simuliert werden. Es wird somit ermöglicht, z. B. eine dreijährige Wachstumszeit von Jungpflanzen auf wenige Monate zu reduzieren. Durch einen ständigen Rückschnitt der Ruten wird durch eine Vielzahl von Knospenbildung die Rutenzahl wesentlich erhöht, insbesondere wird die Bildung von ruhenden Knospen (Augen) und eines. entsprechend starken Wurzelsystems gefördert. Jeder dieser Einzelstecklinge kann eine Anzahl, etwa bis zu 30 Ruten besitzen. Ausserdem ist es möglich, verschiedenartige Klone zu vergesellschaften, was eine Reduktion der Infektionsgefahr von seiten der Mikroben, Pilze und Insekten ermöglicht.
Ausserdem können stickstoffabsorbierende Pflanzensysteme, wie z. B. Erlen oder Leguminosen, eingebunden werden, um den Stickstoffbedarf der schnellwachsenden Pflanzen teilweise zu decken. Nicht zuletzt ist es möglich, Nährstoffe in fester Form, Hormone und Pflanzenschutzmittel dem Wurzelsystem beizufügen.
4. Solarverbundstecklinge
Diese nunmehr gewonnenen einzelnen Stecklinge werden im Verbund zu einem sogenannten"So- larsteckling" mehrfach zusammengefügt. Dies bedeutet, dass nach dem Aussetzen in das Freiland eine grosse Anzahl, 80 bis 120 Ruten pro Verbundsteckling, gebildet werden, welche eine hohe Sonnenlichtabsorption pro kleinster Flächeneinheit ermöglicht.
5. Freilandkulturen
Die Pflanzenkultivation im Freiland erfolgt derart, dass die Solarstecklinge von der Aussetzung zur Sonnenlichtabsorption ins Freiland entsprechend dem Standortklima adaptiert werden.
Während in warmen subtropischen Zonen die Aussetzung bei entsprechendem Umweltfaktorenangebot fast ganzjährig kontinuierlich möglich ist, sind in den kälteren Zonen durch die Einflüsse kalter Winter die Aussetzungen auf eine wesentlich kürzere Zeit, oft auf wenige Monate, somit diskontinuierlich erntebar, beschränkt. In diesem Fall müssen die Solarstecklinge in entsprechenden klimatisierten Kühlhäusern gelagert werden.
6. Nur in den seltensten Fällen wird der Boden des Freilandes den Ansprüchen einer schnellwachsenden Baumkultur voll Rechnung tragen. Es muss daher die Kultivation unter Kontrolle erfolgen. Durch die Anwendung hydroponischer Kulturen kann die Kontrolle jedoch nur im Wurzelraum durch entsprechende Röhren- oder Röhrchensysteme bewerkstelligt werden. So wird vor allem der Bewässerung, Belüftung, Pli-Einstellung und 002-Zusatz, Nährlösungsversorgung und dem Pflanzenschutz Rechnung getragen. Nicht zuletzt ist es möglich, durch Eintragung von Gülle, Abfällen und Tierhaltungsrückständen, Biogasanlagen sowie Kompost und Klärschlamm und Nutzwasser zur Wurzelraumkontrolle zu verwenden.
Die Solarstecklinge werden in kontrollierten Rillenkulturen, ähnlich Kartoffel- oder Rüben-
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kulturen, ausgesetzt, wobei der Flächenbedarf pro Pflanze ein Minimum betragen soll. Mittels Computereinsatz kann die kleinstmögliche Kulturfläche unter Berücksichtigung der optimalen Nutzung der Sonneneinstrahlung, d. h. der Flächenbedarf, für die Solarpflanzen ermittelt werden.
Diese Aussetzung entspricht einer noch zu optimierenden Technologie, wobei eine grosse Anzahl von gebräuchlichen land- und forstwirtschaftlich erprobten Geräten Anwendung findet. Auch ist es möglich, die Zwischenräume der Kulturrillen mit Folien abzudecken.
Die Aberntung erfolgt kontinuierlich oder in klimatisch bedingten Zeitabschnitten, jedoch so, dass die Infrastruktur durch Aberntung, Transport, Lagerung und Zerkleinerung minimal bleibt.
Zumeist kann die Aufbereitungsanlage, wie z. B. Hydrolyse, Fermentation, Alkoholerzeugung im Zentrum der Kultivationsfläche erfolgen ; der Alkohol mittels pipe line abtransportiert eingesetzt werden.
Im folgenden wird an Hand der Zeichnungen ein Durchführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens beschrieben. Hiebei zeigt Fig. 1 in vereinfachter Form den Gang des Verfahrens und Fig. 2 in ebenfalls sehr vereinfachter Art die Zusammenfassung von Pflanzung und Pflanzenverwertung.
Das Verfahren nimmt gemäss Fig. 1 seinen Ausgang von Stecklingen, die in einem Kühlhaus - gelagert worden waren. Diese Stecklinge werden in Substratbehälter-2-- eingebracht, welche
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Jeweils eine grössere Anzahl von auf diese Weise beschickten Substratbehältern --2-- wird in netzartige Träger -5- gesteckt, die in ein Umlaufsystem --6-- gelangen. Dieses Umlaufsystem be- steht im wesentlichen aus einer in sich geschlossenen, umlaufenden Transportvorrichtung --7-- innerhalb eines geschlossenen Raumes-8-, in welchem die für die Weiterzucht der Stecklinge am besten geeigneten Verhältnisse herrschen, d. h. es werden die richtige Temperatur und der richtige Feuchtigkeitsgehalt der Luft sowie der richtige Lichteinfall aufrecht erhalten.
Zur Versorgung der Pflanzen in den Substratbehältern können diese mit gelochten Wänden versehen sein und an einer oder an mehreren der unteren Umkehrstellen des entlang eines auf-und absteigenden, mäanderförmigen Weges geführten Transportsystems --7-- in Behälter mit Nährstofflösung eintauchen. Es ist aber auch möglich, Nährstofflösungen auf die Pflanzen aufzusprühen oder die Pflanzen mit Nährstofflösungen zu beregnen. Durch den Pfeil 9 ist eine zusätzliche Kohlensäurezufuhr angedeutet. Innerhalb des geschlossenen Raumes --8-- kann zur Beschleunigung des Pflanzenwachstums durch entsprechende, periodische Änderung der Umweltfaktoren (Temperatur, Feuchtigkeit, Lichteinfall) ein Jahresablauf in der Zeit von beispielsweise drei Monaten vorgetäuscht werden.
Nach entsprechend fortgeschrittenem Wachstum der Stecklinge werden die Substratbehälter --2-- dem Umlaufsystem-7-bzw. den Trägern-5-- entnommen und einer nur angedeuteten Trennvorrichtung-10-, etwa einem Fördertisch, zugeführt. In dieser Trennvorrichtung --10-werden die Stecklinge aus den Substratbehältern --2-- herausgezogen und in einer ebenfalls nur angedeuteten Schneidvorrichtung -11-- dem ersten Rückschnitt unterworfen. Die jetzt freigewordenen Substratbehälter-2-werden zu einer Reinigungsvorrichtung --12-- gefördert, in dieser entleert, gereinigt und getrocknet und danach in die Lagerstelle --3-- zurückgebracht.
Die jetzt zum ersten Mal zurückgeschnittenen Stecklinge, die einen grösseren Wurzelraum brauchen, werden in einer der Trennvorrichtung --10-- und der Schneidvorrichtung --11-- nachgeschalteten Einhüllvorrichtung --13- mit einer Schicht eines Substrats aus porösem, weichem Material, etwa Schaum-Kunststoff, umgeben, welches von einer Vorratsrolle --14-- abgezogen wird.
Diese Schicht, die zu einem Hohlzylinder --15-- eingerollt und durch eine Schnur, ein Band od. dgl. zusammengehalten wird, bildet einen neuen Behälter für je einen Steckling.
Jeweils eine Anzahl von solchen Hohlzylindern --15-- wird in korbartigen Trägern --16-- zu- sammengefasst. Die Träger --16-- werden in ein Umlaufsystem --17-- eingebracht, welches, so wie das Umlaufsystem --6--, aus einer in sich geschlossenen, umlaufenden Transportvorrichtung - innerhalb eines geschlossenen Raumes --19-- besteht ; der Pfeil 20 deutet auch hier die zusätzliche Zufuhr von Kohlendioxyd an. Dieses zweite Umlaufsystem --17-- arbeitet in der gleichen
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Weise wie das erste Umlaufsystem--6--und bedarf daher keiner weiteren Erklärung.
Nach entsprechendem Wachstum werden die Stecklinge samt den ihre Umhüllung bildenden Hohlzylindern --15-- dem Umlaufsystem --17-- bzw. den Trägern --16-- entnommen. Im allgemeinen werden die Stecklinge in einer Schneid vorrichtung --21-- einem zweiten Rückschnitt unterzogen und werden sodann in einer nur angedeuteten, mit --22-- bezeichneten Sammelvorrichtung zu sogenann- ten"Solarstecklingen"-23-zusammengefasst, d. h. es werden jeweils drei oder vier, aber auch mehrere solcher Stecklinge samt ihren Umhüllungen mit Hilfe einer Schnur, eines Drahtes od. dgl. miteinander verbunden.
Wie der in unterbrochener Linie gezeichnete Pfeil 24 andeutet, kann auf den zweiten Rückschnitt verzichtet werden, d. h. die den Trägern --16-- entnommenen Stecklinge werden samt ihren Umhüllungen unmittelbar der Sammelvorrichtung --22-- zugeführt.
Die so erhaltenen Solarstecklinge --23-- werden - durch das Bezugszeichen --24-- versinn- bildlicht-verpackt und die fertigen Packungen --25-- gelangen in ein Solarsteckling-Kühlhaus - -26--.
Im nächsten Schritt des erfindungsgemässen Verfahrens werden die Solarstecklinge im Freiland ausgesetzt. Sie können - je nach den klimatischen Umständen, dem Kühlhaus --26-- entnommen werden oder können unmittelbar von der. Verpackungsstelle (bei --24--) herkommen.
Im Freiland werden die Solarstecklinge vorteilhafterweise in Zeilen --27-- entlang von befahrbaren Wegen in entsprechend vorbereitete Gruben --28--, die in geringstmöglichem gegenseitigen Abstand liegen, eingesetzt. Zur besseren Versorgung der Pflanzen und damit zur Beschleunigung ihres Wachstums können zwischen je zwei Zeilen --27-- Rohr- oder Schlauchleitungen --29-verlegt sein, über welche die Pflanzen je nach Erfordernis mit Wasser, Sauerstoff, Nährstofflösungen usw. versorgt werden. Zusätzlich hiezu ist es auch möglich, den PH-Wert des Bodens mit Hilfe einer der Leitungen auf den jeweils günstigsten Wert einzustellen. Die gesamte Versorgung kann auch mit nur einer einzigen Leitung durchgeführt werden, welche je nach Erfordernis an die eine oder die andere Flüssigkeit angeschlossen wird.
Nach entsprechendem Wachstum können von den Stecklingen Ableger gewonnen werden, die ins Kühlhaus-l-gebracht werden (Pfeil 30) und den Beginn einer neuen Aufzucht bilden können.
Wie Fig. 2 zeigt, kann die Freilandkultur auf einer von einander schneidenden Wegen--31-- durchzogenen Fläche --32-- durchgeführt werden, in deren Mitte --33-- sich die an Hand der
Fig. 1 erläuterten Einrichtungen befinden. Zusätzlich zu diesen Einrichtungen werden auf dem
Platz in der Mitte der Fläche --32-- noch Anlagen zum Trocknen und Zerkleinern der durch das periodische Abernten der entsprechend gross gewordenen Solarstecklinge erhaltenen Biomasse, zum Verzuckern des Holzes und zur Gewinnung von Alkohol aus dem Zucker aufgebaut. In weiterer Ausbildung kann ein kalorisches Kraftwerk --34-- vorgesehen werden, welches den Alkohol in üblicher Weise (Verbrennungskraftmaschinen und Generatoren) in elektrischen Strom umsetzt.
Die so erzeugte elektrische Energie wird zum geringen Teil für den Eigenbedarf verwendet, der erhebliche Überschuss wird über die Hochspannungsleitung --35-- der öffentlichen Stromversorgung zugeführt.
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