Eine vielversprechende Möglichkeit, Überschüsse aus stark fluktuierenden erneuerbaren Energien wie Sonne oder Wind langfristig und in großem Maßstab zu speichern und bedarfsgerecht zu nutzen, ist das Konzept Power-to-Gas. In diesem Verfahren wird überschüssiger Strom dazu verwendet, zunächst mit Hilfe der Elektrolyse von Wasser Wasserstoff zu produzieren. Dieser wird optional in einem zweiten Schritt unter Verwenden einer geeigneten Kohlenstoffquelle CO2 in synthetisches Methan umgewandelt.
Als Speicher für das Methan und bis zu einem gewissen Volumenanteil auch für den elementaren Wasserstoff H2 kann die bestehende Erdgasinfrastruktur verwendet werden. Der so in chemischer Form in das Gasnetz eingespeicherte Überschussstrom kann über das Erdgasnetz einer zeitlich und örtlich entkoppelten, bedarfsgerechten Verwendung zugeführt werden.
Während es für die Einspeisung von Wasserstoff ins deutsche Erdgasnetz vergleichsweise niedrige Grenzwerte gibt, kann das bei der Methanisierung erzeugte Methangas CH4 unter Einhaltung definierter Qualitätsanforderungen nahezu unbegrenzt eingespeist werden. Der gasförmige Energieträger ist außerdem für den Einsatz auf dem Gas-, Kraftstoff- und Wärmemarkt geeignet. Bei der Methanisierung werden grundsätzlich zwei Verfahren unterschieden: Zum einen sind das chemisch-katalytische Verfahren, bei denen H2 und CO2 mit Hilfe geeigneter Katalysatoren zu CH4 umgewandelt werden. Das zur Viessmann Gruppe gehörende Unternehmen MicrobEnergy setzt jedoch auf biologische Verfahren, die methanogene Mikroorganismen verwenden. Hierbei stellt die Toleranz gegenüber Spurenkomponenten wie Schwefelwasserstoff oder Ammoniak einen Vorteil dar. Die hochspezialisierten Mikroorganismen, Methanogene genannt, wandeln die gasförmigen Verbindungen Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methan um.
Diese Methanbildner sind in der Natur an verschiedene anaerobe Lebensräume und Milieubedingungen angepasst. Sie benötigen wässrige, strikt anoxische Milieubedingungen mit mindestens 50 Prozent Wasser und einem Redoxpotenzial von kleiner –330 mV. Sie lassen sich in leicht sauren bis alkalischen Lebensbedingungen und in einem sehr breiten Temperaturbereich zwischen 4 und 110 °C finden.
Auf Anhieb 95 Prozent Methanausbeute
In ersten Begasungsansätzen wurde im Labormaßstab untersucht, ob einspeisefähiges Methangas durch methanogene Mikroorganismen erzeugt werden kann. Dazu wurden Serumflaschen mit 120 ml Füllvolumen mit 20 ml eines für methanogene Mikroorganismen geeigneten Mediums befüllt und entsprechend anaerob zubereitet. Als Gasphase wurden Wasserstoff und Kohlendioxid in geeignetem Mischungsverhältnis mit zwei bar Überdruck aufgepresst. In jeweils separaten Ansätzen wurden verschiedene Methanogene von der Deutschen Stammsammlung für Mikroorganismen und Zellkultur (DSMZ) und eigene Isolate angeimpft und bei vorgegebener Temperatur bebrütet.
Das Wachstum der Methanogene wurde mikroskopisch überwacht. Nachdem es abgeschlossen war, zeigten gaschromatographische Untersuchungen des Produktgases, dass bei bestmöglicher Zusammensetzung des Eduktgases über 95 Prozent Methangehalt im Produktgas erreichbar waren. Übrig blieben als Komponenten nur die Eduktgase Wasserstoff und Kohlendioxid.
Der Übertrag in den technischen Maßstab erfolgte in einen separaten Methanisierungsfermenter mit einem Kubikmeter Fermentervolumen. Es konnte auch im Technikumsmaßstab die kontinuierliche Produktion von einspeisefähigem Gas gezeigt werden.
Synergieeffekte mit Kläranlagen
Für den Übertrag der Labor- und Technikumsergebnisse in die Praxis wurden fünf verschiedene Anwendungsszenarien identifiziert. Drei dieser Anwendungen wurden als Projekte im Praxismaßstab als Förderprojekte beantragt und werden darin bearbeitet. Positive Synergieeffekte lassen sich bei Anwendung an Kläranlagen zeigen. An einer Verbandskläranlage in Schwandorf in der Oberpfalz wurde ein Elektrolyseur (30 m3N H2/h) und eine Begasungseinheit aufgebaut, sodass der erzeugte Wasserstoff über Rohrleitungssysteme direkt in den Faulturm der Kläranlage eingebracht werden kann. Das benötigte CO2 stammt aus dem Klärgas und liegt bereits gelöst im Faulschlamm vor. Der Faulschlamm wurde im anaeroben Faulturm mit denjenigen methanogenen Mikroorganismen beimpft, die sich im Labormaßstab als besonders geeignet zeigten, den eingebrachten Wasserstoff zu methanisieren. Es zeigte sich, dass bei Einbringung einer Teilmenge der Methanogene der Wasserstoff im Faulturm tatsächlich umgesetzt wird und dass der Methangehalt des Produktgases ansteigt. Bei Einbringung größerer Mengen an Wasserstoff kann dieser im Faulturm nicht mehr verarbeitet werden und findet sich nicht umgesetzt im Produktgas wieder. Das Projekt wurde im Förderprogramm Innovative Energietechnologien und Energieeffizienz (BayInvent) bis Ende 2015 gefördert.
Methan für Strom- und Kraftstoff
Im Förderprogramm Energetische Biomassenutzung wurde im Projekt BioPower2Gas (September 2013 bis August 2016) eine erste Demonstrationsanlage zur separaten Methanisierung von Wasserstoff und Biogas beziehungsweise CO2 aus einer Biogasaufbereitungsanlage aufgebaut, betrieben und evaluiert. Die Anlage mit einem fünf Kubikmeter großen Fermenter als Herzstück für die eigentliche Methanisierung wurde zunächst an der Kläranlage in Schwandorf aufgebaut und in Betrieb genommen. Die Testergebnisse zeigten eine gute Gasqualität mit einem Methangehalt von über 98 Prozent bei gleichzeitig sehr geringem Wasserstoffgehalt von unter zwei Prozent.
Der stabile Betrieb konnte in Schwandorf nachgewiesen werden. Ende 2014 wurde die Anlage nach Allendorf (Eder) verlegt. Dort wird der benötigte Wasserstoff von einem PEM-Elektrolyseur (Protonen-Austausch-Membran) der Firma Carbotech, einem weiteren Viessmann-Unternehmen, bereitgestellt. Nach Verlegung der Anlage wird seit Anfang März 2015 methanisiert und über die vorhandene Biogaseinspeiseanlage in das Erdgasnetz eingespeist. Das benötigte CO2 wird entweder aus der Gasaufbereitungsanlage übernommen oder es findet eine direkte Nutzung des Rohbiogases oder des darin enthaltenen CO2 aus der Biogasanlage statt. In diesem Fall fungiert die Methanisierungsanlage zusätzlich als Aufbereitungstechnik für Rohbiogas. Das produzierte Methan wird im Kraftstoffmarkt verkauft. Des Weiteren wird die Anlage im Regelenergiemarkt vermarktet werden.
Flexibel genug für Regelenergiemarkt
Die Power-to-Gas-Technik hat das Potenzial, einen großen Beitrag zum Energiesystem der Zukunft zu leisten und bei der Speicherung eine entscheidende Rolle zu spielen. Die biologische Methanisierung ist flexibel und weist somit alle wesentlichen Voraussetzungen für die Teilnahme am Regelenergiemarkt auf.
Momentan lässt sich aufgrund der aktuellen Gesetzeslage Speicherung von Strom aus Gas noch nicht wirtschaftlich realisieren, nicht zuletzt deshalb, weil der Strombezug mit Netzentgelten und EEG-Umlage belastet ist. Um die notwendige Marktdurchdringung zu erreichen, benötigt die Technik daher eine Befreiung von diesen Endverbraucherabgaben aber auch temporäre Investitionsanreize. Sollten sich die rechtlichen Rahmenbedingungen für die Produktion von Speichergas verbessern, kann die bereits marktreife Technik zeitnah einen wesentlichen Beitrag zur Energiespeicherung liefern.
Weitere Informationen zu MicrobEnergy finden Sie im Business-Profil auf Seite 32.
