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Neues Verbundforschungsvorhaben

Entwicklung einer leistungsoptimierten Pilotanlage zur Effizienzsteigerung von Biogasanlagen mittels biologischer Direkt-Methanisierung

Frohe Kunde erreicht Dietrich Lehmann, Geschäftsführer der mele Biogas GmbH, zum Weihnachtsfest. Der Minister für Wirtschaft, Arbeit und Gesundheit des Landes Mecklenburg-Vorpommern hat die Unterstützung für ein Verbundforschungsvorhaben im Bereich Power-2-Gas zugesichert, so dass die mele Biogas GmbH weiterhin Innovationen entwickeln kann und seine Rolle als Technologieführer im internationalen Wettbewerb stärken kann.

Bereits am 01. Mai 2019 startete das dreijährige Forschungsprojekt zur Entwicklung einer leistungsoptimierten Pilotanlage zur Effizienzsteigerung von Biogasanlagen mittels biologischer Direktmethanisierung (pReBinD). Wissenschaftlicher Projektpartner im Forschungsprojekt ist der Wasserstoffspezialist HIAT gGmbH aus Schwerin, mit dem dieses spannende und zukunftsweisende Thema entwickelt werden kann.

Der Fokus des F&E Projektes richtet sich auf das favorisierte Anwendungsszenario der Wiederbelebung von bestehenden Biogasanlagen aus, welche aufgrund der Novellierung des Erneuerbare Energien Gesetzes (Stand: EEG 2017) aus den bisherigen Förderungsbestimmungen entfallen. Mithilfe der Integration einer biologischen Direktmethanisierung in den Fermenter oder Nachgärer einer Biogasanlage soll eine gesteigerte Methanausbeute und die Reduktion des emittierten Kohlenstoffdioxidanteils erzielt werden. Auf Basis der Etablierung eines Nebenprozessstromes mit integrierter elektrolytischer Wasseraufspaltung wird das entstehende Wasserstoffgas aufbereitet und für die weiteren Prozessschritte genutzt. Das Wasserstoffgas aus der PEM-Elektrolyse soll dem Biogasgestehungsprozess dabei direkt über den Boden des Fermenters zugeführt werden. Das Ziel besteht darin, die Methanausbeute aus dem Biogasstrom um etwa 20 % zu steigern.

 
 

Die in einer Biogaserzeugungsanlage aus Biomasse verschiedenster Herkunft produzierte chemische Energie wird bei herkömmlichen Systemen als Biogas (CO2 + CH4) erzeugt, welches für Wärme und Strom oder für Mobilitätszwecke nutzbar ist. Insbesondere ist an dieser Stelle der Anteil an klimaschädlichem CO2 zu betrachten, welcher als umweltschädliches Gas in die Umwelt abgeführt wird. Der hohe Anteil an CO2 von etwa 45 % darf innerhalb des Projektes allerdings nicht als schädliches Abfallprodukt im Biogasprozess angesehen werden. Es stellt vielmehr ein Potenzial der Biogasanlage dar, welches im normalen biologischen Prozess der Biogasproduktion in Biogasanlagen größtenteils ungenutzt bleibt. Dieses Potenzial wird im vorliegenden Projekt durch die Integration eines PEM-Elektrolysesystems in den bestehenden Biogasproduktionsprozess einer realen Biogasanlage genutzt. Durch die Direkt-Methanisierung kann die übliche CH4-Ausbeute von etwa 55 % aus dem Biogasstrom um ca. 20 % gesteigert werden. Die Vorteile dieses verfahrenstechnischen Prinzips sind offensichtlich. Mit der effizienten Nutzung von Überschussstrom aus erneuerbaren Quellen, vorzugsweise Wind- und Solarenergie, kann kostengünstiger Elektrolysewasserstoff zur Methanisierung von Kohlenstoffdioxid aus Biogasströmen erzeugt werden. Durch die erhebliche Steigerung des Methananteils kann eine größere Menge Biomethan aus derselben Menge an Edukt-Biomasse (z.B. Maissilage) bereitgestellt und dauerhaft in das bestehende deutsche Erdgasnetz, welches eine enorme Energiespeicherkapazität von etwa 332 TWh besitzt, eingespeist werden. Die entstehende Wärme des Methanisierungs-Prozesses kann direkt und rückgewinnend für den Vergärprozess bereitgestellt werden. Das Projekt „pReBinD“ beschäftigt sich in erster Linie mit der Entwicklung und dem Aufbau einer Pilotanlage zur Effizienzsteigerung nach dem vorangehend beschriebenen Prinzip der biologischen Direkt-Methanisierung. Im Rahmen des Verbundvorhabens, durchgeführt von dem Unternehmen mele Biogas GmbH sowie dem Forschungsinstitut HIAT gGmbH, wird ein innovatives technisches System aus der Kopplung der PEM-Wasserelektrolyse und der herkömmlichen Biogaserzeugung entwickelt.

Betrachtet man die beiden möglichen Verfahren der biologischen Methanisierung – In-situ: innerhalb des Fermenters und Ex-situ: separiert in einem Bioreaktor – so ist der vorliegende und angezielte Fall der In-situ Methode zuzuordnen. Der Vorteil dieses Verfahrensprinzips besteht dabei in der Tatsache, dass die Methanisierung parallel zum Vergärungsprozess stattfinden kann. Bei der In-situ-Methode wird den Gärbehältern Wasserstoffgas zugeführt. Wasserstoff entsteht ohnehin als Produkt des Vergärungsprozesses im Fermenter, jedoch in weitaus geringeren Mengen als es für die biologische Methanisierung notwendig wäre. Durch hochaffine wasserstoffoxidierende Methanbildner kann Kohlenstoffdioxid durch die Zuführung von Wasserstoff direkt in Methan umgewandelt werden. Entsprechende Rührkesselreaktoren oder Bioreaktoren im Labormaßstab dienen zur Nachbildung der einzelnen Fermenter und Behälter der Biogaserzeugungsstrecke. Biogasanlagen werden in der Regel als kontinuierliche Durchflussanlagen betrieben. Im Fermenter, dem eigentlichen Kernstück wird ein zugeführtes organisches Substrat (z.B. Maissilage, Gülle oder Lebensmittelreste) vergärt und somit zu Rohbiogas umgewandelt. Die Fütterung des Fermenters erfolgt mehrmals an einem Tag. Das jeweils neu eingetragene Substrat verdrängt bereits vergärtes Material, welches dann durch einen entsprechenden Überlauf in den Nachgärer und/oder ein Gärrestlager überführt wird. Der Fokus in „pReBinD“ liegt auf der schrittweisen Evaluierung der im Optimalfall notwendigen Wasserstoffmenge für die Zuführung zum Fermenter, sodass die entstehende Menge CO2 schon während des Vergärprozesses zu einem großen Teil in Methan umgewandelt werden kann. Projekte, Publikationen und Untersuchungen mit belastbaren Werten zur Einschätzung des Potentials der biologischen Methanisierung sind rar gesät und beziehen sich zumeist auf Experimente und Auswertungen in Rührkesselreaktoren im Labormaßstab. Gegenüber der technischen Methanisierung in einem Reaktor mit Nickelkatalysatoren sind die biologischen Varianten dementsprechend noch nicht kommerziell verfügbar. Mithilfe der Container-basierten Pilotanlage von „pReBinD“ gilt es also dementsprechend noch nicht gänzlich erforschte Themen zu untersuchen, um das biologische Methanisierungsverfahren derart zu optimieren, dass einer zukünftigen Kommerzialisierung nichts mehr im Wege steht.

 

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