Power-to-Gas-Anlagen erzeugen mit Hilfe von Stromüberschüssen Wasserstoff. Für den Teil des Gases, der nicht direkt ins Erdgasnetz gespeist oder genutzt werden kann, bietet sich eine nachgeschaltete Methanisierung als Speichermöglichkeit an: Dabei entsteht durch die Zugabe von CO2 zum Wasserstoff in einer chemischen oder biologischen Reaktion Methan. Dieses kann in beliebigen Mengen ins Erdgasnetz gespeist werden und dort natürliches Gas ersetzen.
Das nötige CO2 stammt beispielsweise aus dem Abgas von Kraftwerken oder aus Biogasanlagen. Zu einem neu entwickelten biologischen Verfahren liegen nun 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.
Schlanker Rohrreaktor entwickelt
Wissenschaftler des DBI Freiberg entwickeln dafür mit Kooperationspartnern im Forschungsprojekt BioRePow ein biologisches Methanisierungsverfahren. Es erzeugt Biomethan auf Basis eines fermentativen Ansatzes. Dafür entwickelten die 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. Das Verfahren bietet sich für kleine und dezentrale Anlagen an, kann aber auch beliebig skaliert werden.
Bei der biologischen Methanisierung kann Wasserstoff in einem bestehenden Biogasreaktor zugegeben werden – In-situ-Konzept genannt – oder, wie in der Anlage in Freiberg, gemeinsam mit CO2 in einem separaten Reaktor fermentativ umgewandelt werden (Ex-situ-Konzept). Die Qualität der Methanbildung hängt von zwei Faktoren ab: 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 – das bedeutet, 80 Prozent der Ursprungsgase H2 und CO2 wurden tatsächlich in Methan umgewandelt.
Ziel: 95 Prozent Umsatzrate
In der zweiten Phase des Projekts soll die die Umsatzrate weiter erhöht und der Methangehalt auf 95 Prozent und mehr gesteigert werden. Schwerpunkt der Arbeiten wird der Bau eines Demonstrators sein. Neben dem DBI arbeiten das Fraunhofer Umsicht und das Engler-Bunte-Institut (EBI) aus Karlsruhe am neuen Rohrreaktor zur biologischen Methansierung.
