Biogene CO₂-Konversion: Umfassende Optimierung der biologischen Methanisierung in Blasensäulenreaktoren (F&E-Projekt „Biokon“)

Die politisch und gesellschaftlich angestrebte Energiewende weg von fossilen Energieträgern hin zu erneuerbaren Energien zieht auch eine Erhöhung des Strombedarfs in Deutschland nach sich. In den Sektoren Mobilität (E-Autos) und Wärme (Wärmepumpen) wird zunehmend auf Elektrifizierung gesetzt. Zur Deckung des zukünftigen Bedarfs wird der Ausbau von Windkraft und Photovoltaik forciert. Damit einhergehend gewinnen effiziente Speichertechnologien immer mehr an Bedeutung, um das volatile Angebot von Strom und Sonne ausgleichen zu können. Eine Möglichkeit der Energiespeicherung bieten „Power-to-Gas“-Verfahren, bei denen überschüssige elektrische Energie über Elektrolyse chemisch gebunden und bei Bedarf in einer Gasturbine wieder verstromt werden kann. An dieser Stelle setzt die biologische Methanisierung an. Mit Hilfe methanbildender Mikroorganismen – sogenannter Archaeen – die auch im Biogasprozess eine entscheidende Rolle spielen, kann der elektrolytisch erzeugte Wasserstoff in Kombination mit CO₂ zu Methan umgesetzt werden. Als CO₂-Quelle bietet sich Biogas aus konventionellen Biogasprozessen an, das über einen erheblichen CO₂-Anteil verfügt. Durch die Umsetzung zu Methan wird dieser energetisch ungenutzte Teil des Gases umgewandelt und genutzt. Die chemische Reaktion folgt der Gleichung von Sabatier: 4 H₂ + CO₂ → CH₄ + 2 H₂O

Methan hat gegenüber Wasserstoff neben der höheren volumenspezifischen Energiedichte den Vorteil, dass die Gasinfrastruktur zu Verteilung und Speicherung sowie die benötigten Anlagen (Gasthermen) zur Verwertung bereits flächendeckend vorhanden sind und keiner weiteren technischen Umrüstung bedürfen. Voraussetzung für die Einspeisung ist, dass das erzeugte Methan die Anforderungen an die Gasreinheit gemäß DVGW-Regelwerk erfüllt. Zielmarke ist eine verfahrenstechnisch und prozessbiologisch stabile Konversion mit Gasqualitäten von > 95 %Methan im Produktgas.

Das F&E-Projekt BioKon zielt auf die Optimierung des Verfahrens der biologischen Methanisierung in Blasensäulen. Damit wird ein Verfahren zur Konversion von regenerativem Kohlenstoffdioxid und (Elektrolyse)-Wasserstoff zu Methan mittels biologischer Methanisierung in der Blasensäule etabliert, welches für die Nachrüstung auf Biogasanlagen geeignet ist. Durch den Einsatz eines neuartigen Gasinjektionssystems als effizienzbestimmendes Bauteil dieses Prozesses wird die Erzeugung von einspeisefähigem Methan (> 95 Vol.-%) angestrebt. Ein molekularbiologisches Monitoring der systemrelevanten Mikroorganismen und eine Optimierung der Bedingungen für die relevanten Leistungskulturen zielen auf einen stabilen und leistungsfähigen biologischen Prozess. Hinsichtlich der Volatilität von Wind- und Sonnenstrom wird somit im Rahmen der Bioökonomie der regenerative Energiespeicher Biomethan vorangetrieben (Sektorkopplung Strom und Gas). Schwerpunkte des Vorhabens „BioKon“ sind:

• Entwicklung und Optimierung eines innovativen keramischen Gaseinbringsystems für die biologische Methanisierung in der Blasensäule
• Untersuchung des Einflusses verfahrenstechnischer Parameter auf die Entwicklung und Stabilität der Mikrobiologie mit dem Schwerpunkt Leistungskulturen
• Ableitung und Erprobung von Ansätzen zur mikrobiologischen und verfahrenstechnischen Optimierung der biologischen Methanisierung in der Blasensäule
• Erstellung eines Konzeptes für die Einbindung des Verfahrens in eine Biogasanlage inkl. techno-ökonomischer Bewertung

Im Resultat steht eine Technologie zur Verfügung, welche neue Nutzungspfade der biobasierten Ressource CO₂ eröffnet. Für die ca. 9.500 bestehenden Biogasanlagen ergibt sich mit „BioKon“ ein potenzielles Geschäftsmodell nach dem Auslaufen des EEGs.

Das Forschungsprojekt hat eine geplante Laufzeit von drei Jahren. Projektbeteiligte sind DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH (Freiberg), Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS, Dresden), MicroPro GmbH (Gommern) sowie Ökotec Biogas Gesellschaft mbH&Co.KG, Thallwitz. Gefördert wird das Vorhaben „BioKon“ (FKZ: 031B1294A) durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Förderprogramms KMU-innovativ. Wir bedanken uns für die Unterstützung.