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Forschungs- und Innovationsprojekt
Optimierung der mikrobiologischen Methanisierung

Zwei zylinderförmige Behälter zur mikrobiellen Umsetzung

Rieselbett-Versuchsreaktoren
Mit steigendem Anteil an erneuerbaren Energien aus Sonne und Wind wachsen in Deutschland auch die Herausforderungen, eine jederzeit bedarfsgerechte, effiziente und nachhaltige Energieversorgung zu gewährleisten. Zur Netzstabilisierung können verfügbare Umwandlungs- und Speichertechnologien wegen zu geringer Kapazitäten nur als kurz- bzw. mittelfristige Speicher eingesetzt werden. Bei Überangebot muss die Produktion aktuell daher eingestellt werden. Das Gasnetz stellt allerdings einen der größten verfügbaren Langzeitspeicher dar und ist hervorragend ausgebaut.
Optimeth
Vor diesem Hintergrund verfolgt das Projekt "Optimierung der mikrobiologischen Methanisierung" OptiMeth die Weiterentwicklung der mikrobiologischen Erzeugung von hochreinem Biomethan direkt aus elektrolytisch generiertem Wasserstoff aus Überschusselektrizität und Kohlenstoffdioxid („mikrobiologische Methanisierung“). Dadurch kann z.B. die Biogasaufbereitung zur Einspeisung in das Gasnetz und Energiespeicherung in Phasen mit Stromüberschuss für eine bedarfsgerechte Energieversorgung wesentlich effizienter und ökonomischer gestaltet werden.
Reduktion der Treibhausgase
Das Biomethan ist auch als LNG (liquid natural gas) oder CNG (compressed natural gas) für den Mobilitätssektor einsetzbar. Kohlenstoffdioxid kann möglichst direkt am Ort der Entstehung genutzt werden (z.B. Biogas- bzw. Kläranlagen, Industrie) und wird nicht als Treibhausgas emittiert. Der Kohlenstoff wird im Kreislauf geführt und nur als Träger erneuerbarer Energien (z.B. aus Windstrom, Photovoltaik) verwendet. Entsprechend kann der Verbrauch fossiler Energieträger reduziert werden, was zu einer Dekarbonisierung beiträgt. Damit kann die mikrobiologische Methanisierung einen wesentlichen Beitrag zur Erreichung der Klimaschutzziele leisten. Die Möglichkeit, Energieüberschüsse speicherfähig zu machen, um Energie im Bedarfsfall auch dezentral bereitstellen zu können, ist ein entscheidender Bestandteil einer effizienten Energiepolitik („efficiency first“). Als effiziente Technologie u.a. zur Biogasaufbereitung eröffnet sie zudem Bestands-Biogasanlagen Möglichkeiten für einen Weiterbetrieb in der Post-EEG-Ära. (EEG: Erneuerbare-Energien-Gesetz)
Schema der Biomethanproduktion aus ÜberschussstromZoombild vorhanden

Schema der Biomethanproduktion aus Überschussstrom
Optimierung des Prozesses
Im Vorgängerprojekt MikMeth wurde die mikrobiologische Methanisierung bereits in thermophilen Rieselbettreaktoren im Technikumsmaßstab untersucht und etabliert. Rieselbettreaktoren stellen eine günstigere Alternative zur in ähnlichen Ansätzen eingesetzten energieaufwändigen Gaseinpressung in flüssigkeitsgefüllte Reaktoren dar. Ziel des Projekts OptiMeth ist es, die mikrobiologische Methanisierung in unterschiedlichen Prozesszuständen und besonders im Start-Stop-Betrieb zu untersuchen und zu optimieren, um sie bedarfsgerecht, flexibel, robust und möglichst effizient zu gestalten und steuern zu können. Schließlich sollen solche Rieselbettreaktoren in möglichst vielen künftigen Energieumwandlungs- und Speicherszenarien dynamisch einsetzbar sein.

MikMeth Externer Link

Verbund mit der TU München
Im Verbundvorhaben betreibt der Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft der Technischen Universität München die thermophilen Rieselbettreaktoren und optimiert deren Effizienz in den verschiedenen Versuchsansätzen. Die Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft untersucht die mikrobiellen Biozönosen hinsichtlich der Entwicklung dominierender, prozesstragender Spezies im Langzeit- und Adhoc-Betrieb. Besonders stehen dabei hydrogenotrophe methanogene Archaeen im Fokus sowie deren Nährstoffbedarf (Mikro- und Makronährstoffe), aber auch andere methanogene Archaeen und Bacteria haben offenbar zu bestimmten Prozessbedingungen eine wichtige Funktion als „metabolischer Puffer“ zur Systemstabilisierung.

OptiMeth Externer Link

Zielsetzung

  • Untersuchung der bedarfsgerechten, flexiblen und möglichst effizienten Betriebsweise der mikrobiologischen Methanisierung in Rieselbettreaktoren im Start-Stop Betrieb mit stetig höchster Reinheit des Produktgases (>97% Methan)
  • Definition optimaler Ramping-Szenarien und Stillstandstemperaturen
  • Definition mikrobieller Bioindikatoren zur Prozessdiagnose und Früherkennung von Prozessstörungen

Methoden

  • Betrieb von zwei Technikum-Versuchsanlagen (ca. 60 l) mit verschiedenen Inokula sowie Aufbau und Durchführung von Batchversuchen im Labormaßstab
    • Untersuchung verschiedener Stillstandstemperaturen (keine Begasung)
    • Untersuchung unterschiedlicher Ramping-Szenarien
  • Charakterisierung der Biozönosen und der Funktionen ihrer Mitglieder bei unterschiedlichen Prozesszuständen mithilfe von molekularbiologischen DNA- und (m)RNA-basierter Methoden (Next-Generation-Sequenzierung (NGS), quantitative Real-Time Polymerase-Kettenreaktion (qPCR))
  • Identifizierung der effizientesten methanogenen Gesellschaftszusammensetzung
  • Definition mikrobieller Prozess-Bioindikatorspecies
  • Untersuchung der Nährstoffbedürfnisse (z.B. Spurenelemente) insbesondere der am Prozess beteiligten methanogenen Archaeen

Ergebnisse

  • Eine thermophil Temperatur eignet sich nur für einen kurzzeitigen Prozessstillstand, für längere Stillstandsphasen eignet sich eine Abkühlung auf etwa 25°C besser
  • Eine Reaktivierung der Biozönosen ist auch nach längerem Stillstand innerhalb von Minuten bis wenigen Stunden möglich
  • Es dominieren verschiedene Methanothermobacter-Species im effizienten Betrieb, bei Überlastung driftet der Prozess in Richtung reduktive Acetogenese und acetoklastische Methanogenese
  • Verglichen mit den verschiedenen Ausgangs-Inokula (Kläranlage/Faulbehälter; landwirtschaftliche Biogasanlage) änderte sich die Gesellschaftszusammensetzung im thermophilen Betrieb grundlegend, glich sich aber in den beiden Systemen an
Projektinformation
Verbundvorhaben des Lehrstuhls für Siedlungswasserwirtschaft der Technischen Universität München (TUM-SWW; 1) und der LfL (AQU1c, Mikro- und Molekularbiologie; 2)
Projektleitung: Dr. Konrad Koch (1), Dr. Michael Lebuhn (2)
Projektbearbeitung: Dietmar Strübing (1), Dr. Bettina Mößnang (2), Dr. Michael Lebuhn (2)
Laufzeit: 01.05.2018 – 30.04.2019
Finanzierung: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (StMWi)
Förderkennzeichen: BE/18/04