Biomethanproduktion

Projektbearbeiter: Universität Hohenheim

Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie, Universität Hohenheim

Die Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie ist eine Forschungsanstalt des Landes Baden-Württemberg an der Universität Hohenheim. Als solche verstehen wir uns als Bindeglied zwischen universitärer Forschung und der landwirtschaftlichen Praxis im Bereich der Biogasproduktion. In diesem Zusammenhang werden auch neue Fermentationstechnologien erprobt.

Die Landesanstalt untersucht in ProBioLNG die zweistufige Druckfermentation von Biomasse und die anschließende biologische Wasserstoff-Methanisierung (Power-to-Gas) zur Biomethanerzeugung. Zusätzlich wird eine Mikrofiltrationsanlage in den Prozess integriert um schnelle Substratquellen für die Biogaserzeugung zu erschließen. 

Im Anschluss an die Integration der Gasaufbereitung und Verflüssigung der DVGW-Forschungsstelle, werden Versuche im vollständig gekoppelte Betrieb durchgeführt, um das Potential der ProBioLNG Prozesskette in Gänze aufzuzeigen.


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Im Zentrum des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts probioLNG steht die zweistufige Druckfermentation. Dabei wird die eingesetzte Biomasse zunächst bei Umgebungsdruck in einem kontinuierlich betriebenen Hydrolysereaktor (HR) in gelöste organische Verbindungen überführt. Diese werden im zweiten Reaktor, dem so genannten Methanreaktor (MR), zu Methan umgewandelt. Da die Abbauschritte der Biomasse räumlich getrennt werden, können die Bedingungen in den beiden Reaktoren, wie beispielsweise Temperatur und pH-Wert, ideal an die vielen verschiedenen Mikroorganismen angepasst werden. So lässt sich die Biomasse besser stofflich ausnutzen sowie die Verweilzeit im Vergleich zu konventionellen Biogasanlagen (siehe „Biogasentstehung“) deutlich senken. Gleichzeitig kann der Methanreaktor als Power-to-Gas-Anlage fungieren, indem parallel zur Vergärung die biologische Methanisierung (siehe „biologische Methanisierung“) abläuft und damit die Biomethanausbeute und der Methangehalt im Produktgas erhöht wird.

  • Biogasentstehung

    Biogas entsteht beim Abbau von feuchter Biomasse durch Mikroorganismen unter Ausschluss von Luft. Als Einsatzstoff eignen sich verschiedene Biomassen wie z. B. Energiepflanzen, Wirtschaftsdünger wie Gülle und biogene Reststoffe. Bei Verwendung von pflanzlichen Ausgangsstoffen in einer herkömmlichen Biogasanlage enthält das produzierte Biogas Methan (CH4) und Kohlenstoffdioxid (CO2) im Verhältnis von ungefähr 50:501.

    Beim Prozess der Fermentation ist ein komplexes Konsortium von vielen verschiedenen Mikroorganismen beteiligt. Dabei bauen unterschiedliche Bakterien und Archaeen die Biomasse stets in vier Stufen ab und wandeln diese zu Biogas um. Die Umsetzung beginnt mit der enzymatischen Hydrolyse des Substrats in kleinere Fragmente oder Monomere. Dann folgt die Versäuerung (Acidogenese) und Aufspaltung der Säuren in kurzkettige Amino- oder Fettsäuren. Diese beiden Schritte werden durch dieselben Mikroorganismen durchgeführt. Es folgt die Bildung der Essigsäure (Acetogenese), bei der auch Wasserstoff (H2) freigesetzt wird. Im abschließenden Teilschritt der Methanogenese wird Essigsäure zu Methan und CO2 umgewandelt2. Gleichzeitig verwerten Methan bildende Archaeen den Wasserstoff als Substrat und methanisieren diesen mit CO2 zu Methan und Wasser.

    Nach dem Stand der Technik laufen die einzelnen Abbauschritte gleichzeitig in einem Fermenter bei Temperaturen zwischen 23 – 55 °C und pH-Werten von 6 – 9 ab.

    Das Biogas wird bei den meisten Biogasanlagen anschließend im BHKW verbrannt und zur Stromerzeugung genutzt. Einige Biogasanlagen bereiten das Biogas auf und speisen es ins Erdgasnetz ein, wo es dann einer Vielzahl an Anwendungen in den verschiedenen Sektoren zur Verfügung steht. Mit Hilfe von Biogaseinspeiseanlagen können die Produktion und die Nutzung des Biomethans also zeitlich und räumlich entkoppelt werden, was für die Energiewende entscheidend ist. Um Biogas einspeisen zu können, müssen nicht nur CO2, Schwefelverbindungen sowie Wasser entfernt werden. Das aufgereinigte Gas muss auch energieintensiv auf den Druck im Erdgasnetz verdichtet werden. So hat die Verdichtung einen Anteil von 30% der Kosten, die für die gesamte Biogasaufbereitung notwendig sind. Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat die Landesanstalt für Agrartechnik der Universität Hohenheim in Zusammenarbeit mit der DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut über mehrere Jahre ein Biogasverfahren entwickelt, das für die Einspeisung ins Erdgasnetz optimiert wurde.

    1. S. Zielonka, A. L. et al. (16. December 2010). Energy balance of a two-phase anerobic digestion process for energy crops. Engeenering in Life Science Volume 10 Issue 6, S. 515-519.

    2. M. Kaltschmitt, H. H. (2016). Energie aus Biomasse - Grundlagen, Technik und Verfahren (3. Auflage). Springer-Verlag.

  • Druckfermentation

    Mit Hilfe von drei Neuerungen können Biogasverfahren fit für die Einspeisung ins Erdgasnetz gemacht werden:

    • Räumliche Trennung der Abbauschritte der Biomasse und Anpassung der Reaktorbedingungen wie z. B. Druck und pH-Wert an die Mikroorganismen führt zur deutlichen Reduzierung der Verweilzeit.
    • Biomethanerzeugung unter Druck erzeugt Biomethan mit sehr hohem Methangehalt und reduziert dadurch die Energie für die Verdichtung zur Einspeisung ins Erdgasnetz.
    • Integration der biologischen Methanisierung in den Druckreaktor ermöglicht den Betrieb als Power-to-Gas-Anlage und somit als Sektorenkopplungselement.

    Die Biomasse wird bei der zweistufigen Druckfermentation im Hydrolysereaktor (HR) hydrolysiert (siehe Abb. zweistufige Druckfermentation) und versäuert. Als Nebenprodukt entsteht ein wasserstoffreiches Hydrolysegas, das entweder zum Beheizen des Ferments genutzt oder im MR biologisch methanisiert werden kann. Zwischen dem Hydrolyse- und dem Druckmethanreaktor ist eine Membranfiltration (MF) [Verweis zu Technologie 2 Membranen] implementiert, um ein Verblocken der mit Mikroorganismen bewachsenen Füllkörper in der zweiten Stufe zu verhindern. Darin wird das flüssige Hydrolysat, welches aus organischen Säuren und faserigen Bestandteilen besteht, vor dem Einbringen in den Methanreaktor gefiltert. Durch Rückführung der faserigen Bestandteile in den HR wird die Verweilzeit der Biomasse von der Methanproduktion entkoppelt und der Nutzungsgrad der Biomasse erhöht.

    Danach wird das Hydrolysat in den Druckmethanreaktor (MR) gepumpt. Die Druckerhöhung im Methanreaktor erfolgt dabei ausschließlich durch die Mikroorganismen selbst. Der hohe Methananteil von mehr als 80 Vol.-% entsteht dadurch, dass die beiden Produktgase, Kohlenstoffdioxid und Methan, unterschiedlich gut in der Fermenterflüssigkeit gelöst werden.

    Aufgrund der Gaserzeugung unter Druck steigt der Energiebedarf für den Umlauf der Fermenterflüssigkeit, jedoch sinkt der Energieaufwand für die Gasaufbereitung und Gasverdichtung. Dadurch erreicht die gesamte Prozesskette eine Energieeinsparung von 40 – 60 % im Vergleich zum drucklosen Verfahren. Außerdem werden die Biomethan-Gestehungskosten im Vergleich zum Stand der Technik um ca. 10 % gesenkt werden.

  • Biologische Methanisierung

    Wenn Strom zur Verfügung steht, kann die Methanausbeute verdoppelt werden, indem gleichzeitig Biomasse zu CH4 abgebaut und das entstehende CO2 unter Zugabe von elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff im Druckmethanreaktor biologisch methanisiert wird. Auf diese Weise kann die zweistufige Hochdruckfermentation als echtes Sektorenkopplungselement eingesetzt werden, also als Wandler von erneuerbarem Strom in andere Energieformen. Im Gegensatz zu bereits bekannten Konzepten der biologischen Methanisierung ist im Fall der Einbindung von Wasserstoff in die probioLNG-Prozesskette kein zusätzlicher Druckreaktor notwendig, da der Methanreaktor bereits auf dem erforderlichen Druckniveau betrieben wird. Weiterhin sind die für die biologische Methanisierung notwendigen methanogenen Mikroorganismen, die sogenannten Archeen (siehe Abbildung) schon im MR enthalten und tragen auch ohne zusätzliche Einbringung von Wasserstoff bereits mit ca. 30 % zur Methanproduktion bei. Die gekoppelte Fahrweise von Biomasseabbau und biologischer Methanisierung ermöglicht die Produktion von Biogas mit einem Methangehalt von über 90 Vol.-%.

    Grundlagen

    Abbilung: Archeen

    Die biologische Wasserstoffmethanisierung (BM) ist die enzymatische Umsetzung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan im Verhältnis 4:1 (siehe Gleichung). Bei der Methanerzeugung in einer konventionellen Biogasanlage werden die Zwischenprodukte der primären Gärung in der Acetogenese zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgesetzt, die als Ausgangsprodukte für die anschließende Methanogenese dienen. Die Essigsäure wird durch Essigsäure-spaltende Methanbildner zu Methan und Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Wasserstoff wird mit dem gebildeten Kohlenstoffdioxid über die Archaeen zu Methan umgesetzt.

    Der Abbau der gasförmig in den Prozess eingebrachten Edukte Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid durch Mikroorganismen läuft in einer wässrigen Phase bei Temperaturen von bis zu 70 °C ab und wird im probioLNG-Projekt bei einem Druck von 10 bar realisiert. Da die biologische Methanisierung in einer wässrigen Phase abläuft, müssen die gasförmigen Edukte zunächst aus der Gasphase über die Flüssigphase zu den Mikroorganismen transportiert werden. Aufgrund der 25-mal schlechteren Löslichkeit von Wasserstoff im Vergleich zu Kohlenstoffdioxid kommt es bei ausreichender Nährstoffversorgung der Mikroorganismen zu einer Wasserstofftransportlimitierung bei der Produktion von Methan. Eine Verbesserung des Gas-flüssig-Stofftransports gehört daher zu den größten technischen Herausforderungen bei der biologischen Methanisierung und ist entsprechend der wichtigste Anknüpfungspunkt für die Weiterentwicklung des Verfahrens.

    Weiterführende Literatur

    Verschiedenste Untersuchungen an der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie konnten die Stabilität einer anaeroben Vergärung unter Druck im Labormaßstab bereits bestätigen. Beruhend auf den Forschungsergebnissen von Chen12, Lemmer34, Merkle56, Kumanowska7 und Ravi8 wird im probioLNG die zweistufige Druckfermentation im Pilotmaßstab ausgelegt.  

    Ullrich et al.91011 haben sich an der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie der Universität Hohenheim mit der genauen Untersuchung der Leistungssteigerung der biologischen Wasserstoffmethanisierung in Rieselbettreaktoren beschäftigt. Dabei konnte durch die Steigerung des Betriebsdrucks, eine periodische Berieselung mit Prozessflüssigkeit sowie steigende Betriebstemperaturen der Methangehalt im Biogas auf bis zu 97 Vol.-% gesteigert werden. Mithilfe dieser Erkenntnisse wird in probioLNG die biologische Methanisierung als Pilotanlage ausgelegt.

    1. Y. Chen, B.R. et al. (2014). The pressure effect on two-phase anaerobic digestion. Applied Energy Volume 116, S. 409-415.

    2. Y. Chen, B.R. et al. (2014). Effects of Organic Loading Rate on the Performance of Pressurized Anaerobic Filter in Two-Phase Anaerobic Digestion. Energies Volume 7, S. 736-750.

    3. A. Lemmer, Y. C. et al. (2015). Influence of different substrates on the performance pf a two-stage high-pressure anaerobic digestion system. Bioresource Technology Volume 178, S. 313-318.

    4. A. Lemmer, W. M. et al. (2017). Effects of high-pressure anaerobic digestion up to 30 bar on pH-value, production kinetics and specific methane yield. Energy Volume 138, S. 659-667.

    5. W. Merkle, K. B. et al. (2017). High-pressure anaerobic digestion up to 100 bar: influence of initial pressure on production kinetics and specific methane yields. Environmental technology Volume 38, S. 337-344

    6. W. Merkle, K. B. et al. (2017). Influence of pressures up to 50 bar on two-stage anaerobic digestion. Bioresource technology Volume 232, S. 72-78.

    7. E. Kumanowska, M. U. S. et al. (2017). Two-stage anaerobic digestion of sugar beet silage: The effect of the pH-value on process parameters and process efficiency. Bioresource technology Volume 245, S. 876-883.

    8. P. P. Ravi, J. L. et al. (2018). Effects of target pH-value on organic acids and methane production in two-stage anaerobic digestion of vegetable waste. Bioresource technology Volume 247, S. 96-102.

    9. T. Ullrich, J. L. et al. (2018). Influence of operating pressure on the biological hydrogen methanation in trickle-bed reactors. Bioresource technology Volume 247, S. 7-13.

    10. A. Lemmer and T. Ullrich (2018). Effect of Different Operating Temperatures on the Biological Hydrogen Methanation in Trickle Bed Reactors. Energies Volume 11, S. 13-44.

    11. T. Ullrich and A. Lemmer (2019). Performance enhancement of biological methanation with trickle bed reactors by liquid flow modulation. GCB Bioenergy Volume 11, S. 63-71.