WVU-Forscher entwickeln Wasserstofftechnologie zur Reduzierung der Treibhausgase aus der Lebensmittel- und Getränkeindustrie

Ein Forschungsteam der West Virginia University unter der Leitung von Hailin Li entwickelt Technologien zur Dekarbonisierung der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, wodurch möglicherweise Treibhausgasemissionen vermieden werden. (WVU Illustration/Savanna Leech)

Ingenieure und Wissenschaftler an der West Virginia University entwickeln einen fortschrittlichen, flexiblen Wasserstoffkessel, um zur Dekarbonisierung der Lebensmittel- und Getränkeindustrie beizutragen und letztendlich die Treibhausgasemissionen zu eliminieren.

Die von Hailin Li, Professor an der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik am Benjamin M. Statler College of Engineering and Mineral Resources, vorgeschlagene Technologie wird Wärmeenergie durch die Verbrennung sauberer Brennstoffe anstelle traditioneller fossiler Brennstoffe liefern. Forscher werden auch mit Unternehmen aus Morgantown zusammenarbeiten, um diese Ziele zu erreichen.

Das Projekt wird durch einen Zuschuss von 3 Millionen US-Dollar vom US-Energieministerium finanziert und ist eines von 40 solchen Projekten, die sich auf das Ziel der Biden-Regierung konzentrieren, bis 2050 Netto-Null-Emissionen zu erreichen.

„Die Lebensmittelindustrie steht vor der Herausforderung, die CO2-Emissionen zu verringern und schließlich ganz zu beseitigen“, sagte Li. „Wenn Branchenführer dieses Ziel bis 2050 wirklich erreichen wollen, müssen sie entweder kohlenstofffreien, sauberen Kraftstoff verbrennen oder sauberen Strom verbrauchen.“

Traditionell verbraucht die Lebensmittel- und Getränkeindustrie Strom und Wärme aus fossilen Brennstoffen – darunter Erdgas –, wodurch Treibhausgase wie Kohlendioxid und Methan freigesetzt werden. Als Reaktion darauf hat Lis Team einen flexiblen Brennstoffofen entwickelt, der reinen Wasserstoff, eine sauberere Alternative, verbrennen kann, um heißes Wasser und Dampf für die Produktverarbeitung zu erzeugen.

Allerdings ist Wasserstoff noch nicht allgemein verfügbar, sodass der Ofen auch mit Erdgas oder einer Mischung mit Wasserstoff in jedem beliebigen Verhältnis betrieben werden kann. Li sagte, diese Flexibilität werde dazu beitragen, den Übergang der Industrie von fossilen Brennstoffen zu Wasserstoff zu überbrücken, da dieser immer verbreiteter und wirtschaftlich erschwinglicher werde.

„Ziel ist es, einen flexiblen Betrieb mit einer Energienutzungseffizienz von bis zu 98 % und Stickoxid-Emissionen von weniger als drei Teilen pro Million zu ermöglichen“, sagte Li. „Wenn wir also den Wasserstoff in der Lebensmittelindustrie verbrennen, werden wir keine Kohlenstoffemissionen haben, wenn Wasserstoff durch den Verbrauch grüner Energie hergestellt wird.“

Darüber hinaus hat das WVU-Forschungsteam dem Ofen eine Komponente hinzugefügt, die es „Economizer“ nennt.

„Der Economizer ist ein Gerät, das die Abwärme aus dem Abgas zurückgewinnen kann“, sagte Li. „Und das wird das System wesentlich effizienter machen.“

Für eine enge Zusammenarbeit mit der lokalen Lebensmittelindustrie hat das Team eine Partnerschaft mit Mountaintop Beverage mit Sitz in Morgantown geschlossen, einer aseptischen Getränkeproduktionsanlage, die die Haltbarkeit von Milchprodukten und Milchalternativen mithilfe einer thermischen Verarbeitungstechnologie verlängert. Getränke werden auf eine hohe Temperatur erhitzt und einem schnellen Erhitzen und Abkühlen unterzogen, wodurch das Produkt sterilisiert und die Haltbarkeit auf bis zu ein Jahr verlängert wird. Die Einrichtung verpackt und bereitet Produkte für den Versand an Schulen und Einzelhändler vor.

„Wir möchten unserer lokalen Industrie helfen, indem wir die Technologie entwickeln, um ihre Herausforderungen zu bewältigen“, sagte Li.

Mountaintop Beverage wird der WVU Zugang zu ihrer Einrichtung zur Probenahme von Ofenbetriebsdaten gewähren. Sie führen außerdem Qualitätsanalysen durch und liefern Branchenbeiträge zur Wasserstoffkesseltechnologie, während diese entwickelt und getestet wird.

Kristen Matak, Professorin für Tier- und Ernährungswissenschaften am Davis College of Agriculture, Natural Resources and Design, unterstützt Li bei dem Projekt. Als Lebensmittelwissenschaftlerin mit Schwerpunkt auf Mehrwertlebensmitteln, Lebensmittelsicherheit und Qualitätskontrolle interessiert sie sich für die Sicherheit und sensorischen Auswirkungen alternativer Verarbeitungsmethoden auf Milch.

„Wenn es Änderungen in den Lebensmittelverarbeitungssystemen gibt, müssen wir sicherstellen, dass die Auswirkungen dieser Änderungen auf das Endprodukt weiterhin den relevanten gesetzlichen Anforderungen und guten Herstellungspraktiken entsprechen“, sagte sie. „Meine Aufgabe in diesem Projekt besteht darin, die Sicherheit und Qualität des Endprodukts durch mikrobielle Tests und sensorische Analysen zu überprüfen.“

Matak wird eng mit Li zusammenarbeiten, um den Sterilisationsprozess zu optimieren, den Energieverbrauch zu minimieren und gleichzeitig die Lebensmittelqualität aufrechtzuerhalten und zu verbessern.

Die Produkte, die von den Mountaintop-Linien kommen, sind lagerstabil, steril und erfordern keine Kühlung, daher muss die Verarbeitung effizient sein.

„All diese Temperaturen und Durchflussraten sind sehr wichtig, um das zu erreichen, sonst werden viele Produkte verschwendet“, sagte Matak.

WVU wird ebenfalls mit Morgantown's Neighborhood Kombuchery zusammenarbeiten. Außerdem werden die Forscher dort den Getränkeproduktionsprozess untersuchen und Ansätze zur Reduzierung des Energieverbrauchs und der Treibhausgasemissionen identifizieren.

Zu den weiteren WVU-Forschern des Projekts gehören Slava Akkerman, Songgang Qiu, Costas Sierros und Xi Yu.

Laut Xingbo Liu, stellvertretender Dekan für Forschung am Statler College: „Dies ist ein großartiges Beispiel für multidisziplinäre und multiinstitutionelle Zusammenarbeit.“ Zum Team gehören Lehrkräfte der Statler- und Davis-Colleges der WVU, des Oak Ridge National Laboratory, von GTI Energy und Convergent Science Inc. sowie deren Industriepartner. Die WVU hat sich kürzlich zur Zusammenarbeit mit Oak Ridge in den Dekarbonisierungsbereichen verpflichtet und dies ist das erste gemeinsame Projekt.“

-WVU-

lr/18.07.23

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