Strategie zur Umsetzung der Energiewende:
Innovative biotechnologische Methanisierungsanlage im Druck-Rieselstromverfahren

Beschränkte Netzkapazitäten und fehlende Speichermöglichkeiten bremsen den weiteren Ausbau erneuerbarer Energien. Von den nicht ausreichenden Speicherkapazitäten sind vor allem diejenigen Energieträger betroffen, deren Stromproduktion einer starken Fluktuation unterworfen sind. Die Stromüberschüsse führen zunehmend zur zwangsweisen Abschaltung von Wind- bzw. Photovoltaikanlagen oder zum Preisverfall an der Strombörse. Dadurch ist der billige Stromexport ins europäische Ausland vorprogrammiert. Zur Sicherung der Stromversorgung und Stabilisierung der Strompreise können vor allem beim geplanten Ausbau der Windenergie Stromspeicher einen wichtigen Beitrag leisten.

Eine Möglichkeit zur Speicherung von temporär anfallender Überschussenergie aus dem Wind- und Solarbereich bietet grundsätzlich das Erdgasnetz. Um das Erdgasnetz als Speicher nutzten zu können, ist der erste Schritt die Produktion von Wasserstoff mittels Elektrolyse. Als Energiequelle für die Elektrolyse dient der Überschussstrom von Windkraft- und Solaranlagen. Im zweiten Schritt wird dieser Wasserstoff zusammen mit Kohlendioxid aus verschiedenen möglichen Quellen (wie z.B. Biogas- oder Industrieanlagen) in einem speziellen Bioreaktor für die Produktion von Methan genutzt. Ideale Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Etablierung des Verfahrens bietet die Ankopplung an bestehende Biogasanlagen. Das von Biogasanlagen produzierte CO2 kann direkt, d.h. ohne weitere Aufreinigung oder Aufbereitung, für das Verfahren eingesetzt werden. Dementsprechend entstehen keine Zusatzkosten für die CO2-Bereitstellung. Das ist ein wesentlicher Vorteil zu konkurrierenden Verfahren der technischen Methansynthese (Sabatier-Prozess). Bei diesen katalysatorabhängigen Verfahren ist nämlich eine aufwendige CO2-Abtrennung, Trocknung und Entschwefelung des Biogases erforderlich.

Zentrales Ziel des Projektes ist die mikrobiologische und verfahrenstechnische Entwicklung zur Produktion eines einspeisefähigen Biomethans auf der Grundlage der biologischen Methanisierung im Druck-Rieselstromverfahren.

Die technische Basis für die angestrebte Verfahrensentwicklung sind Druck-Rieselstromreaktoren. Diese sind flexibel einsetzbare Bioreaktoren für verschiedene Fermentationsverfahren. Prinzipiell bietet der Reaktor gegenüber anderen Fermentationen in klassischen Rührkesselfermentern Vorteile, insbesondere, wenn gasförmige Substrate (z.B. Wasserstoff, Kohlendioxid, Methan, Luft bzw. Sauerstoff) eingesetzt werden. Das Gegenstromprinzip erhöht den Stoffaustausch zwischen flüssiger Phase und Gasphase und verbessert damit deutlich die Aufnahme der gasförmigen Substrate durch die Mikroorganismen. Die Kombination des Rieselstromverfahrens mit einem Druckreaktor kann diesen Effekt noch mal steigern. Darüber hinaus bewirkt das aus Aufwuchskörpern bestehende Festbett eine Erhöhung der spezifischen Oberfläche sowie eine optimale Flüssigkeits- und Gasverteilung im Reaktorraum durch eine verbesserte Stoffübergang von der Gas- in die Flüssigphase und somit höhere spezifische Umsatzraten. Der Druckbetrieb erlaubt eine äußerst flexible Fahrweise der Reaktorkolonnen. So können die Reaktoren diskontinuierlich, semikontinuierlich sowie kontinuierlich gefahren werden.

Der Reaktortyp ist in Kombination mit bestimmten optimierten Stämmen methanotropher Bakterien für eine Entfernung des sogenannten Methanschlupfes bei Biogas-Aufbereitungsanlagen geeignet. Neben den genannten Fermentationen mit gasförmigen Substraten kann das Verfahren flüchtige  Zielprodukte wie Essigsäure oder Butanol gewinnen. Durch den Einsatz eines geeigneten Trägergases können diese Produkte im laufenden Prozess ausgestrippt und damit aus der flüssigen Phase entfernt werden. Dadurch kann man das Problem der Endprodukthemmung, dass bei vielen Fermentationen bereits bei relativ geringen Produktkonzentrationen auftritt, vermeiden.

Die Innovation in diesem Projekt liegt in der Entwicklung eines neuartigen und recycelbaren Nährmediums für die biologische Methanisierung unter thermophilen Bedingungen im Druck-Rieselstromverfahren. Das Projekt adressiert zentrale Bereiche, die für eine Markteinführung der biologischen Methanisierung von Bedeutung sind, wie die Realisierung einer dauerhaft hohen Produktgasqualität in Verbindung mit einer weiteren Steigerung der spezifischen Methanproduktionsraten. Der Fokus lag dabei auf der mikrobiologischen Produktentwicklung zur biologischen Methanisierung.

PFI Forschungsanlage in Winzeln

Projektpartner

– PFI Bioraffinerietechnik GmbH
Die Tochtergesellschaft des Prüf- und Forschungsinstituts Pirmasens e.V. übernahm die Rolle der Projektleitung und –steuerung.
Gewonnene Erfahrungen und vorhandene Ergebnisse aus bisherigen Forschungsprojekten (u.a. Charakterisierung von methanogenen Archaebakterien in landwirtschaftlichen NaWaRo-Biogasanlagen; Grundlagenforschung im Bereich der Umwandlung von EE (Solar/Wind)-Wasserstoff in Biogasanlagen zu Methan durch bakteriogene Methanisierung; Bau einer Pilotanlage im Labormaßstab zur Umwandlung von EE (Solar/Wind)-Wasserstoff in Biogasanlagen zu Methan durch bakteriogene Methanisierung von Biogas-CO2) sowie das ingenieurtechnische Know-How wurden eingebracht, um dieses Projekt zur realisieren.

– Pfalzgas GmbH
Mitgesellschafter der PFI Bioraffinerietechnik GmbH. Fachkompetenz im Bereich der Bio-Gasaufbereitung und Einspeisung in Erdgasnetze.

– Stadtwerke Pirmasens Versorgungs- GmbH
Mitgesellschafter der PFI-Bioraffinerietechnik GmbH. Fachkompetenz im Bereich des Netzbetriebes der Strom-,Wasser- und Gasnetze.