Biogasanlagen

Hocheffiziente Allesfresser sollen Biogas „on demand“ liefern

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Abb. 1: Doktorand Jonas Lindner (links) und Projektleiter Dr. Andreas Lemmer im Biogaslabor bei der Beschickung und Kontrolle der Anlage zur bedarfsgerechten / lastabhängigen Methanproduktion (ELAST-2P).
Abb. 1: Doktorand Jonas Lindner (links) und Projektleiter Dr. Andreas Lemmer im Biogaslabor bei der Beschickung und Kontrolle der Anlage zur bedarfsgerechten / lastabhängigen Methanproduktion (ELAST-2P). (Bild: Universität Hohenheim/Winkler)

Die Biogasanlagen von morgen sollen optimalerweise anspruchslose Allesfresser und je nach Energiebedarf Biogas in unterschiedlichen Mengen „on demand“ produzieren. Ein Forscherteam der Universität Hohenheim entwickelt nun einen Prototyp für die neue Generation zweiphasiger Biogasanlagen.

Heute Stroh, morgen Küchenabfälle, übermorgen Mais: Die Biogasanlagen von morgen sollen anspruchslose Allesfresser sein, die das Maximum aus verschiedensten Ausgangsstoffen herausholen und bei niedrigen Betriebskosten reinstes Methangas liefern. Je nach Energiebedarf sollen sie außerdem Gas in unterschiedlichen Mengen produzieren, das ohne weitere Aufbereitung direkt ins Erdgasnetz eingespeist werden kann. Agrartechniker der Universität Hohenheim sind diesen Zielen bereits denkbar nah.

In drei Forschungsprojekten feilen sie am Prototyp einer zweiphasigen Biogasanlage, die im Inneren unter selbst erzeugtem Hochdruck von bis zu 100 Bar steht. In einem Jahr soll sie in den Pilotbetrieb gehen. Im Rahmen der drei Projekte AG-HiPreFer, Elast2P und MethanoQuant wird die Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie an der Universität Hohenheim mit einem Betrag von über 1,7 Mio. Euro gefördert. Damit gehören die Projekte zu den Schwergewichten der Forschung an der Universität Hohenheim.

Anlagen der Zukunft – zweiphasige Biogasanlagen

Um Biomasse vergären zu können, muss sie zuerst in verschiedene organische Säuren, Zuckerverbindungen und Alkohole umgesetzt werden, um diese Substanzen in einem zweiten Schritt in Methan verwandeln zu können. In herkömmlichen Biogasanlagen geschieht das in einem einzigen Fermenter. Eine neue Generation von Biogasanlagen teilt diesen Prozess auf zwei Fermenter auf.

„Es gibt eine Reihe zweiphasiger Biogasanlagen, die bereits im Pilotbetrieb laufen“, berichtet Dr. Andreas Lemmer von der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie an der Universität Hohenheim. „Die neue Technologie macht sie gewissermaßen zu Allesfressern, die ganz unterschiedliche Arten von Biomasse vergären können. Außer Energiepflanzen z.B. auch Heu, Stroh oder Küchenabfälle. Auch der kurzfristige Wechsel unterschiedlicher Ausgangsstoffe ist dann für die Anlagen kein Problem. Das steigert die Flexibilität im Betrieb gegenüber herkömmlichen Anlagen enorm. “

Ein Ziel der Agrartechniker der Universität Hohenheim ist es nun, den vielversprechenden neuen Anlagen-Typ noch weiterzuentwickeln und insbesondere die Effizienz erheblich zu steigern.

Unter Hochdruck: Biogas vom Bioreaktor direkt ins Netz

Unter anderem arbeiten die Wissenschaftler an einem Verfahren, mit dem das Bio-Methangas ohne weitere Aufbereitung direkt vom Gärkessel ins Erdgasnetz eingespeist werden kann. Der Schlüssel dazu liegt im zweiten Fermenter. Die Wissenschaftler lassen das erzeugte Gas dort so lange nicht entweichen bis eine Druckatmosphäre von ca. 100 bar erreicht ist.

„Das autogenerative Hochdruckverfahren ist eine Innovation, von der wir uns zwei entscheidende Vorteile erwarten“, erklärt Dr. Lemmer. „Zum einen lassen sich die beiden entstehenden Gase Methan und Kohlendioxid durch den Druck einfach voneinander trennen. Das Methan ist danach so rein, dass es nur geringfügig weiter aufbereitet werden muss. Zum zweiten entfällt die energieaufwendige Verdichtung des Methans außerhalb des Bioreaktors. Bei herkömmlichen Biogasanlagen ist dies bisher notwendig, damit es in die unter Hochdruck betriebenen Erdgasleitungen eingespeist werden kann. In unserer Modellanlage wird Druck durch die Bakterien, die am Gärprozess beteiligt sind, selbst erzeugt. Es fällt also kein zusätzlicher Energieaufwand für die Verdichtung an.“

Pilzkulturen recyceln Gärreste für maximale Biogas-Ausbeute

Auch Substrate, die in herkömmlichen Anlagen so gut wie nicht abbaubar sind wollen die Agrartechniker mit ihrer Anlage verarbeiten. Möglich werden soll dies durch ein neues Verfahren, mit dem die Biomasse für das Vergären aufbereitet wird.

„Bisher konzentrierte sich die Forschung darauf, das Substrat zu bearbeiten bevor es in die Biogasanlage eingespeist wird“, erklärt Dr. Simon Zielonka der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie an der Universität Hohenheim. „Wir gehen den umgekehrten Weg und bereiten Reste wieder auf, die am Ende des Hydrolyse-Prozesses anfallen, damit sie ein zweites mal vergärt werden können. Das ist effizienter, weil wir genau den Teil der Biomasse behandeln, den die Bakterien nicht verarbeiten konnten.“

Für die Wiederaufbereitung wird der Gärrest zuerst in einer speziellen Mühle zermahlen und anschließend durch eine Pilzkultur zersetzt. Nach dem zweiten Durchlauf in der Biogasanlage falle der Rest dann deutlich geringer aus, so Dr. Zielonka. Was nach dem zweiten Durchlauf übrig bleibe, könne schließlich als Dünger verwendet werden.

Biogas „on demand“ federt Spitzenbedarf ab

Die Nachfrage nach Energie schwankt je nach Tageszeit. Herkömmliche Biogasanlagen liefern jedoch kontinuierlich dieselbe Gasmenge. Das An- und Ausschalten der Anlagen dauert sehr lange und Biogas zu speichern ist aufwendig und kostenintensiv. Um einen Spitzenbedarf abzufedern, entwickeln die Agrartechniker deshalb eine Steuertechnik, mit der die Methan-Produktion der zweiphasigen Biogasanlagen innerhalb von kürzester Zeit herauf- oder heruntergefahren werden kann.

Dazu wollen die Agrartechniker der Universität Hohenheim zwischen den beiden Fermentern einen Sensor anbringen. Dieser soll die Konzentration der Zuckerverbindungen, Alkohole und Fettsäuren in dem Flüssigkeitsgemisch erfassen, das vom ersten in den zweiten Fermenter gepumpt wird. Je nach Stromnachfrage soll der Sensor dann steuern wie viel von dem Flüssigkeitsgemisch weitergeleitet wird.

„Wenn weniger gebraucht wird als vorhanden, wird der Überschuss in einem Tank zwischengelagert“, erklärt Dr. Zielonka „So können die Betreiber von Biogasanlagen einen Energie-Vorrat anlegen, der sich in Zeiten großer Gasnachfrage kurzfristig zu Gas verarbeiten und ins Netz einspeisen lässt.“

Insgesamt 1,7 Mio. Euro Fördermittel

Die Arbeit der Forscher gliedert sich in drei Projekte, die insgesamt mit rund 4,6 Mio. Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung über den Projektträger Jülich GmbH gefördert werden. Davon erhält die Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie einen Anteil von 1,73 Mio. Euro.

Das Projekt AG-HiPreFer soll die technischen Voraussetzungen für die Hochdruck-Vergärung schaffen. Der Name steht für „Autogenerativ Two-Phase High Pressure Fermentation“. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung und der Projektträger Jülich fördern das Teilprojekt der Landesanstalt mit 832.000 Euro. Projektpartner sind die DVGW-Forschungsstelle an der Universität Karlsruhe (DVGW-EBI), das Institut für Mikrobiologie und Weinforschung der Johannes Gutenberg Universität Mainz (IMW) und Centre de Recherche Public Gabriel Lippmann in Luxemburg (CRP).

Das Teilprojekt ELAST2P beschäftigt sich mit der Regulierung der Methan-Produktion je nach Strombedarf sowie mit der Wiederaufbereitung der Gärreste durch Pilzkulturen. Die Abkürzung ELAST2P steht für „Entwicklung von Sensortechnik und Grundlagen einer flexiblen lastabhängigen Steuerung der Intermediatbildung in zweiphasigen Biogas-Prozessen unter Berücksichtigung einer vollständigen Substratausnutzung“.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Teilprojekt der Universität Hohenheim mit knapp 421.000 Euro. Die Projektpartner kommen von der Goethe-Universität Frankfurt am Main, von der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft und von dem Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte e.V. an der Humboldt-Universität zu Berlin.

Biochemische Vorgänge innerhalb der Biogasanlage besser verstehen

Ziel des Teilprojekts MethanoQuant ist es biochemische Vorgänge innerhalb der Biogasanlage besser zu verstehen und zu quantifizieren. Der Name MethanoQuant steht für „Quantifizierung der Wege zur Methanentstehung“. Das Projekt ist, wie die beiden anderen Projekte,Teil der Förderinitiative BioProFi (Bioenergie – Prozessorientierte Forschung und Innovation) des Bundesministeriums für Bildung und Forschung und wird von diesem mit über 476.000 Euro gefördert. Projektpartner sind die Goethe-Universität Frankfurt am Main (Koordination), die Brandenburgische Technische Universität Cottbus sowie das Steinbeis Forschungs- und Innovationszentren GmbH, Stuttgart.

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