Autogenerative Two-Phase High Pressure Fermentation (AG-HiPreFer)

Problemstellung:

Deutschlandweit sind inzwischen über 7.500 Biogasanlagen in Betrieb. Bei 99 % der Anlagen wird das erzeugte Biogas direkt in einem vor Ort vorhandenen Blockheizkraftwerk (BHKW) verstromt. Da bei der Verstromung in BHKW meist weniger als 40 % der chemischen Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann, fallen große Abwärmeströme an, die in den seltensten Fällen vollständig energetisch genutzt werden können. In diesen Fällen bietet die Einspeisung von aufbereitetem Biogas in das Erdgasnetz und die anschließende Nutzung an Orten mit hohem Wärmebedarf eine energetisch sinnvolle Alternative.

Derzeit speisen nur etwa 100 Anlagen jährlich rund 275 Mio. m³ Biogas in das Erdgasnetz ein. Politisches Ziel ist es bis 2030 ca. 10 Mrd. m³/a Biogas einzuspeisen, was etwa 10 % des jährlichen Erdgasverbrauchs in Deutschland entspricht.

Aller Voraussicht nach werden aus Kapazitätsgründen zukünftig nicht mehr wie bisher lokale Verteilnetze und regionale Transportnetze zur Einspeisung ausreichen, sondern vermehrt auf Ferngasleistungen zurückgegriffen werden müssen. Die notwendigen Betriebsdrücke von bis zu 100 bar stellen die bisherigen Konzepte zur SNG-Erzeugung vor neue Herausforderungen speziell was die Wirtschaftlichkeit der Biogasaufbereitung und Einspeisung bei diesen hohen Drücken angeht.

Die etablierten Verfahren der Biogaserzeugung in drucklosen Fermentern sind momentan nicht für die anschließende Aufbereitung des Biogases und die Einspeisung in das Erdgasnetz optimiert. Insbesondere der notwendige Aufbereitungs- bzw. Einspeisedruck muss durch energie- und kostenintensive Gasverdichtung realisiert werden. Durch die Vermeidung der Verdichtung können 24-30 % des Energieaufwandes für die Gasaufbereitung eingespart werden.

Zielsetzung:

• Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Erzeugung von methanreichem Biogas (AG-HiPreFer Verfahren) zur direkten Einspeisung in Hochdruckerdgasleitungen
• Aufbau eines kontinuierlich betriebenen Hochdruck-Laborreaktors zur Methangewinnung unter erhöhtem Druck von bis zu 100 bar

Material und Methoden:

Die Hochdruck-Laborreaktor-Anlage besteht aus einem druckfesten Hochleistungs-Methanreaktor und zwei Flashtanks. Diese wird im Biogaslabor der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie mit der notwendigen Regelungs-, Mess- und Steuerungstechnik aufgebaut.

Im Rahmen des Projekts sollen geeignete Mess- und Regelungskonzepte zur Prozessüberwachung (z.B. pH-Wert-Messung) bei Betriebsdrücken von bis zu 100 bar und ein geeignetes Konzept auf Basis von Membranverfahren zur Abtrennung der während des Aufschlusses der Biomasse gebildeten Säuren entwickelt werden. In diesem Zusammenhang sollen sämtliche gasseitige Fragestellungen wie die Löslichkeit von Biogasbestandteilen in der Flüssigphase des Hochdruckmethanreaktors und Aufkommen und Verteilung von Spurengasen, insbesondere von H₂S, NH₃, und H₂in den Prozessstufen, sowie der Druckeinfluss auf die mikrobiologischen Vorgänge im Reaktor geklärt werden.

Darüber hinaus soll ein einem weiteren Projektteil die Eignung von Hydrolysaten aus landwirtschaftlichen Silagen für die Nutzung in einer MFC (microbial fuel cell) untersucht werden. Ziel ist es die Technologien der MFC und der zweiphasigen Biogasproduktion zu kombinieren und einen Synergieeffekt zu erzielen. 

Abschließend erfolgen eine systemanalytische Betrachtung und eine ökonomische Evaluierung des Verfahrens.

Beteiligte Einrichtungen des Forschungsverbundes:

• Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie, Universität Hohenheim (LAB)
• DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut der Universität Karlsruhe (DVGW-EBI)
• Institut für Mikrobiologie und Weinforschung, Johannes Gutenberg Universität Mainz (IMW)
• Département Environnement et Agro-biotechnologies, Centre de Recherche Public Gabriel Lippmann Luxemburg  (CRP)