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Der Rohrreaktor aus Edelstahl ist die zentrale Komponente des Versuchsstands zur biologischen Methanisierung.
© DBI Freiberg
Methanisierung
10.10.2016

Die Abbildung zeigt die Anlagensteuerung der Versuchsanlage zur biologischen Methanisierung.
© DBI Freiberg

Stromüberschuss im Erdgasnetz speichern

Stromüberschüsse lassen sich in Power-to-Gas-Anlagen dazu nutzen, um durch Elektrolyse Wasserstoff zu gewinnen. Für den Teil des Gases, der nicht direkt ins Erdgasnetz gespeist oder genutzt werden kann, bietet sich eine nachgeschaltete Methanisierung als Speichermöglichkeit an. Zu einem neu entwickelten biologischen Verfahren liegen erste, vielversprechende Ergebnisse vor. Die Versuchsanlage hat einen niedrigen Energiebedarf und der Prozess läuft kontinuierlich ab. Das System bietet sich für dezentrale und kleine Anlagen an.

Zukünftig werden im Stromnetz mehr Speichermöglichkeiten besonders in den Zeiten benötigt, in denen Wind- und Solaranlagen maximal einspeisen. Eine technische Möglichkeit sind sogenannte Power-to-Gas-Anlagen (PtG-Anlagen). Sie erzeugen mit Hilfe des Überschussstroms Wasserstoff (H2). Der kann bis zu einer Maximalkonzentration direkt dem Erdgas beigemischt werden. Für den darüber hinaus anfallenden Wasserstoff bietet sich eine anschließende Methanisierung an. Dazu wird noch Kohlendioxid (CO2) zum Wasserstoff hinzugegeben – in einer chemischen oder biologischen Reaktion entsteht dann Methan. Dieses synthetische Erdgas kann in beliebigen Mengen ins Erdgasnetz gespeist werden und es ersetzt dort natürliches Gas. Das CO2 stammt beispielsweise aus dem Abgas von Kraftwerken oder aus Biogasanlagen.
Wissenschaftler der DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH in Freiberg entwickeln mit Kooperationspartnern im Forschungsprojekt BioRePow ein biologisches Methanisierungsverfahren. Mit diesem lässt sich auf Basis eines fermentativen Ansatzes Biomethan erzeugen. Dafür entwickelten die Freiberger Forscher einen speziellen Rohrreaktor, der auf energieintensive Komponenten wie Rührwerke, Umwälzung oder Gasabtrennung verzichtet. Das verbessert die Energieeffizienz des Verfahrens. Die Methanisierung findet im Rohrreaktor durch einmaliges Durchleiten der Gase CO2 und H2 statt. Der Freiberger Projektleiter Ronny Erler erklärt: „Unser Verfahren bietet sich für kleine und dezentrale Anlagen an, kann aber auch beliebig skaliert werden. Die Ergebnisse auf dem Versuchsstand in der jetzt abgeschlossenen ersten Phase sind sehr vielversprechend.“

Den Bioreaktor kontinuierlich betreiben

Bei der biologischen Methanisierung kann Wasserstoff in einem bestehenden Biogasreaktor zugegeben – In-situ-Konzept genannt – oder gemeinsam mit CO2 in einem separaten Reaktor fermentativ umgewandelt werden (Ex-situ-Konzept). Dem letzteren Konzept entspricht die Anlage in Freiberg.
Für die Qualität der Methanbildung sind zwei Faktoren besonders wichtig: Es müssen optimale Bedingungen für die Mikroorganismen, wie etwa Temperatur oder Nährstoffzufuhr, vorliegen. Zudem ist die Gaslöslichkeit von Bedeutung. Die Art der Gaseinbringung und die damit verbundene Erhöhung der biologischen Verfügbarkeit sind daher ein Schwerpunktthema im Projekt.

Die Freiberger Wissenschaftler untersuchten auf dem Versuchsstand den Einfluss grundlegender Parameter wie Temperatur, Druck sowie Zusammensetzung und Volumenstrom des Feedgases. Die Ergebnisse flossen in ein mathematisches Modell ein. Mit den dort ermittelten, optimierten Parametern, passten die Forscher das Gaseinbringungssystem im Hinblick auf hohe Umsatzraten und Methangehalte an. Die Verweilzeit von H2 und CO2 im Rohrreaktor beträgt nur rund drei Sekunden und es ließ sich in der ersten Projektphase bereits eine Umsatzrate von über 80 Prozent erreichen. Die Umsatzrate sagt aus, welcher Anteil der Ursprungsgase (H2 und CO2) tatsächlich in Methan umgewandelt wurde. Der Rohrreaktor wird dabei kontinuierlich betrieben. Ein wiederholtes Durchleiten der Ausgangsgase durch den Rektor, die sogenannte Rezirkulation, ist nicht erforderlich. Die Reaktion verläuft exotherm und es kommen thermophile Mischkulturen zum Einsatz.
Der Projektleiter Ronny Erler führt aus: „In der zweiten Phase des Projekts wollen wir die Umsatzrate weiter erhöhen, um den Methangehalt auf 95 Prozent und mehr zu steigern. Schwerpunkt der Arbeiten wird der Bau eines Demonstrators sein.“

Stand der Methanisierung und Projektbeteiligte

Die großtechnische chemische Methanisierung von Wasserstoff, die sogenannte katalytische Methanisierung, ist teuer und energieintensiv. Hohe Drücke und Temperaturen sind erforderlich. Derartige Anlagen müssen daher große Wasserstoffmengen umsetzen, um wirtschaftlich arbeiten zu können. Bei der biologischen Methanisierung gibt es am Markt bereits Batch-Prozesse. Diese Prozesse verarbeiten das Gas diskontinuierlich. Dabei wird ein Gefäß gefüllt, darin findet der Prozess statt und das Gefäß wird komplett geleert. Dann folgt der nächste Durchgang. Üblicherweise ist es in solchen Batchprozessen erforderlich, dass das Reaktionsgas bzw. das Rezirkulat das Gefäß mehrfach durchströmt oder durch Rührwerke in Bewegung gehalten wird, bis ein entsprechender Methangehalt im Produktgas erreicht ist.

Neben dem DBI arbeiten das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT und das Engler-Bunte-Institut (EBI) aus Karlsruhe am neuen Rohrreaktor zur biologischen Methansierung mit. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) hat das Projekt innerhalb des Programms der Industriellen Gemeinschaftsforschung (AiF) gefördert. Das Projekt wurde vor zwei Jahren gemeinsam mit vier weiteren als AiF-Leuchtturmprojekt aus 50 Vorschlägen ausgewählt. Es ist Teil des Programms „Entwicklung innovativer hocheffizienter Technologien zur  Aufbereitung von Biogas/Biomethan über die komplette Wertschöpfungs- und Verwertungskette (inTeBi)“.

(mi)

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Projekt WOMBAT
Forscher verfolgen im Projekt WOMBAT die Idee das Strom- und Gasnetz miteinander zu verbinden. Überschüssiger Strom aus regenerativen Quellen soll zur Gewinnung von Wasserstoff genutzt werden. Dieser wird mit Kohlendioxid in einer Biogasanlage zu Methan, also der Hauptkomponente von Erdgas, synthetisiert.

Energiespeicher
Portal der Förderinitiative Energiespeicher mit aktuellen Meldungen aus Forschung, Entwicklung und Demonstration von Energiespeichern

Forschungsförderung

Das Projekt trägt das Förderkennzeichen Nr 22 LBG der Forschungsvereinigung DVGW – Deutscher Verein des Gas- und Wasserfachs e. V. und wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung gefördert.

Infotipp

Mit Windstrom das Netz stabilisieren
BINE-Projektinfo 08/2014