Verbundvorhaben HyPerFerment II: Entwicklung eines mikrobiologischen Verfahrens und Erprobung einer Pilotanlage zur fermentativen Wasserstofferzeugung; Teilvorhaben HyPerF-PhO: Entwicklung einer innovativen Prozessführung sowie Optimierung anhand physikalisch Optimaler Beziehungen

Abstract

Ziel des Vorhabens "HyPerFerment II" war die Entwicklung, Erprobung und Bewertung eines gekoppelten Verfahrens zur biologischen Wasserstofferzeugung durch Dunkelfermentation als Ergänzung bestehender Biogasanlagen. Das Fraunhofer IFF war im Teilvorhaben "Entwicklung und Integration einer Prozessführung sowie Optimierung anhand physikalisch-optimaler Beziehungen für die Skalierung und Steuerung mikrobiologischer H2-Erzeugungsprozesse" für die wissenschaftlich-technische Begleitung und simulationsbasierte Bewertung zuständig. Im Rahmen der Arbeiten wurde ein modularer Modellansatz zur dynamischen und statischen Simulation des fermentativen Wasserstoffprozesses entwickelt und mit Labordaten validiert. Aufgrund technischer Einschränkungen im Demonstrationsbetrieb konnte eine vollständige Validierung anhand kontinuierlicher Praxisdaten nicht erfolgen. Dennoch erlaubten die Modelle eine Bewertung der Effizienzgrenzen sowie eine techno-ökonomische Analyse verschiedener Systemkonfigurationen. Die Untersuchungen zeigten, dass durch die Kopplung der Dunkelfermentation mit bestehenden Biogasanlagen die stoffliche Substratausnutzung deutlich erhöht und Wasserstoffgestehungskosten im Bereich von ca. 1,63 EUR/kg H2 erzielt werden können. Perspektivisch bietet das entwickelte Modell eine fundierte Grundlage zur Standortbewertung, Effizienzsteigerung und Übertragbarkeit des Konzepts. Forschungsbedarf besteht insbesondere in der Gasaufbereitung, Substratmischung und der ganzheitlichen Systemintegration. The aim of the HyPerFerment II project was to develop, test and evaluate an integrated process for biological hydrogen production via dark fermentation as an extension of existing biogas plants. The Fraunhofer IFF contributed to the subproject "Development and Integration of a Process Control Strategy and Optimization Based on Physically Optimal Relationships for the Scaling and Control of Microbiological Hydrogen Production Processes" with scientific and simulation-based system analysis. A modular model approach was developed to simulate the fermentative hydrogen process both statically and dynamically. Due to technical limitations in the demonstration plant, full validation using continuous real-world operating data was not possible. Instead, lab-scale data were used to calibrate and test the model structure. The simulation enabled an assessment of process efficiency limits and supported a techno-economic analysis of various system configurations. The results showed that coupling dark fermentation with biogas plants can significantly increase substrate utilization and allow for hydrogen production costs of approximately EUR1.63 per kg H2. The developed model provides a transferable basis for evaluating site-specific potential, system efficiency, and scalability. Further research is needed in gas upgrading, substrate mixing strategies, and integrated system operation.