Überschüssigen Strom zur biologischen Methanisierung nutzen

Das Stromnetz der Zukunft benötigt großtechnische Speicher. Damit sollen die zeitweise nicht benötigten großen Strommengen aus Wind- und Photovoltaikanlagen für den späteren Bedarf gespeichert werden. Eine technische Option dafür sind Power-to-Gas Anlagen. Mithilfe des Überschussstroms erzeugen sie Wasserstoff. Der kann bis zu einer Höchstkonzentration dem Erdgas beigemischt werden. Der auf diesem Weg nicht absetzbare Wasserstoff kann dann methanisiert werden. Dabei wird dem Wasserstoff noch CO₂ – zum Beispiel aus dem Abgas von konventionellen Kraftwerken – beigemischt. In einem chemischen oder biologischen Verfahren entsteht so synthetisches Methan. Das lässt sich ohne Mengenbegrenzung ins Gasnetz einspeisen und es ersetzt dort natürliches Erdgas.

Im Forschungsprojekt BioRePow entwickelten Wissenschaftler des Gastechnologischen Institutes gGmbH aus dem sächsischen Freiberg in Zusammenarbeit mit Partnern ein biologisches Methanisierungsverfahren auf Basis eines fermentativen Ansatzes. Dafür entwickelten die sächsischen Forscher einen neuartigen Rohrreaktor, der ohne stromintensive Komponenten wie Umwälzung, Rührwerke und Gasabtrennung auskommt. Dies erhöht die Energieeffizienz des neuen Verfahrens. Im Rohrreaktor findet die Methanisierung durch einmaliges Durchleiten von CO₂ und H₂ statt. Das Verfahren ist besonders für kleine und dezentrale Anlagen geeignet, kann aber auch beliebig skalliert werden.

Die Anlage in Freiberg fällt in die Kategorie der Ex-situ-Konzepte. Dabei wird der Wasserstoff gemeinsam mit dem CO₂ in einem separaten Reaktor fermentativ umgewandelt. Würde hingegen der Wasserstoff in einen bestehenden Biogasreaktor eingespeist, spräche man von einem In-situ-Konzept. Zwei Faktoren sind entscheidend für die Qualität der Methanbildung: Die Lebensbedingungen für die Mikroorganismen, wie Nährstoffzufuhr und Temperatur, müssen optimal sein. Die Gaslöslichkeit ist der zweite Aspekt. Das Forschungsprojekt widmet sich daher der Art der Gaseinbringung und der daraus resultierenden höheren biologischen Verfügbarkeit mit Priorität.

Die Freiberger Wissenschaftler untersuchten auf dem Teststand 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 Parameter 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.

Neben dem Gastechnologischen Institut arbeiten das Fraunhofer –Institut UMSICHT sowie das Engler-Bunte-Institut aus Karlsruhe am neuen Reaktor mit. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) hat das Projekt innerhalb des Programms der Industriellen Gemeinschaftsforschung (AiF) gefördert. Es ist Teil des Programms „Entwicklung innovativer hocheffizienter Technologien zur Aufbereitung von Biogas/Biomethan über die komplette Wertschöpfungs- und Verwertungskette (inTeBi)“.