BioKon - Biogene CO₂-Konversion: Umfassende Optimierung der biologischen Methanisierung in Blasensäulenreaktoren

Abstract

Biomethan, das durch biologische Methanisierung im Rahmen der mikrobiellen Umsetzung von Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff synthetisiert wird, kann als chemischer Energiespeicher wesentlich zum Ausgleich von fluktuierender Wind- und Solarenergie beitragen. Damit leistet die Technologie einen entscheidenden Beitrag zur Systemstabilisierung und zur Integration hoher Anteile erneuerbarer Energien in das Energiesystem. Zugleich schafft diese Biotechnologie ein neues Geschäftsfeld in der Wasserstofftechnologie und Sektorkopplung für Biogasanlagen, indem Strom-, Gas- und Wärmesektor miteinander verknüpft werden kann. Für Bestandsbiogasanlagen, welche nach dem Auslaufen der EEG-Förderung vor wirtschaftlichen Herausforderungen stehen, entsteht so ein innovatives Geschäftsmodell. Durch die Integration von Power-to-Gas-Konzepten können sie ihre Infrastruktur weiter nutzen, zusätzliche Wertschöpfung generieren und zu einer klimaneutralen Energieversorgung beitragen. Im Rahmen des Vorhabens wurden verschiedene Ansätze zur Optimierung der biologischen Methanisierung in Blasensäulenreaktoren untersucht. Ein zentraler Bestandteil der Arbeiten war die Entwicklung und Erprobung neuartiger Gaseinbringsysteme. Hierfür entwarf das Fraunhofer IKTS ein Einspannsystem für Sinterplatten aus Siliciumcarbid (SiC), das eine definierte und reproduzierbare Gaseinbringung in den Reaktor ermöglicht. Diese Sintermaterialien wurden anschließend am DBI hinsichtlich ihrer Eignung zur Optimierung der biologischen Methanisierung untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass Oberflächenmodifikationen der Sinterplatten die Prozessleistung beeinflussen. Materialien mit einer zusätzlichen Zwischenschicht schienen im Vergleich zu SiC-Spargern ohne Oberflächenbehandlung bessere Ergebnisse zu erzielen, während eine Hydrophobisierung der Oberfläche eher negative Effekte auf die Methanbildungsrate und den Umsatz zeigte. Im Bereich der Mikrobiologie wurde der Einsatz von Leistungskulturen der methanogenen Archaeen der Gattungen Methanoculleus und Methanobacter untersucht. Insbesondere bei Kulturen der Gattung Methanoculleus trat eine verstärkte Säureakkumulation auf. Die Ergebnisse zeigen insgesamt einen deutlichen Vorteil beim Einsatz stabiler Mischkulturen, da diese eine höhere Prozessstabilität gewährleisten und Störungen im mikrobiellen Gleichgewicht besser kompensieren können. Abschließend wurde eine techno-ökonomische Bewertung aus Sicht des Anlagenbaus durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens maßgeblich von der Herkunft des eingesetzten Wasserstoffs sowie vom Energieaufwand für dessen Bereitstellung durch Elektrolyse abhängt. Die Verfügbarkeit kostengünstigen, erneuerbaren Wasserstoffs stellt somit einen entscheidenden Faktor für die zukünftige industrielle Umsetzung der biologischen Methanisierung dar.