Entwicklung einer Methode zur biologischen Umwandlung von Wasserstoff zu Biomethan in Biogasanlagen

Problemstellung:

Vor allem im Bereich Windenergie und Photovoltaik werden derzeit beachtliche Kapazitäten zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Quellen installiert. Bereits heute übersteigt die Einspeisung von Strom aus Windkraft und Photovoltaikanlagen zeitweise die Nachfrage und kann so zur Überlastung der Stromnetze führen. Damit kann der umweltneutral produzierte Wind‐ und Solarstrom nicht immer vollständig verwertet werden. Weiterhin führt eine derartige Überproduktion an der Strombörse zu niedrigen Strompreisen, was wiederum die Schere zwischen Strompreis und EEG‐Umlage vergrößert und zu einem Wettbewerbsnachteil der regenerativen Energien führt.

Durch starke Fluktuation dieser Energiequellen ist es auch nicht ausreichend, die Stromnetze weiter auszubauen. Eine Speicherung dieses Überschussstromes erscheint zweckmäßiger. Ausreichende und geeignete Speichermöglichkeiten sind derzeit allerdings ökonomisch nicht darstellbar. Eine Möglichkeit wäre es, Wasserstoff mittels Elektrolyse aus dem anfallenden Überschussstrom zu gewinnen. Problematisch ist hierbei allerdings die schlechte Speicherbarkeit und die noch fehlende Wasserstoffinfrastruktur. Wesentlich bessere Bedingungen können bei der Speicherung von Methan erzielt werden, da hierfür das Erdgasnetz mit seinen ober‐ und unterirdischen Speicherräumen idealerweise zur Zwischenlagerung von Bioerdgas genutzt werden kann. Der bestechende Vorteil hierbei ist, dass bereits vorhandene Zwischenspeicher und Transportnetze verwendet werden können. Methan weist zudem mit ca. 10 kWh je m³ eine erheblich höhere Energiedichte auf, als Wasserstoff mit nur ca. 3 kWh je m³. In den bisherigen Pilotprojekten von „power‐to‐gas“ erfolgt die Umwandlung von regenerativem Wasserstoff zusammen mit CO₂ aus Kraftwerken bzw. Biogasanlagen derzeit über energieintensive, katalytische Verfahren wie den Sabatier‐Prozess, der bei Reaktionstemperaturen zwischen 250 °C und 500 °C abläuft und zudem relativ hohe Anforderungen an die Umgebungsbedingungen stellt. Der Nachteil dieser Technik ist der geringe Wirkungsgrad, der, ohne die Rückwandlung zu Strom einzuberechnen, bei 49 ‐ 65% liegt.

Zielsetzung:

Ein anderer möglicher Weg ist die Einspeisung des Wasserstoffs in eine Biogasanlage. Methan wird im Biogasprozess über zwei Wege erzeugt: Zum einen über den acetoklastischen Weg, bei dem unter anderem Essigsäure als Ausgangsprodukt dient und zum anderen über den hydrogenotrophen – den wasserstoffzehrenden – Weg. Hierbei wird aus CO₂ und H₂ durch die entsprechenden Bakterien CH₄ und H₂O gebildet.

Es soll untersucht werden, ob und wie eine Einspeisung funktionieren kann. Hierzu werden verschiedene Versuchsaufbauten geplant und aufgebaut werden. Sind Vorversuche an der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie (LAB) positiv verlaufen, wird eine Praxisbiogasanlage entsprechend ausgerüstet und messtechnisch begleitet.