Forschungsprojekt Direktmethanisierung von Biogas

Hintergrund Power-to-Gas und Direktmethanisierung von Biogas

Zukünftig wird bei einem weiter steigenden Anteil erneuerbarer Energien die Energiespeicherung zum Ausgleich zwischen Angebot und Nachfrage eine der wichtigsten Aufgaben im Energiesystem. Aus heutiger Sicht ist die chemische Energiespeicherung mit dem Power-to-Gas-(PtG)-Verfahren eine der wichtigsten Optionen für die Langzeitspeicherung.

Mit der PtG-Technologie wird erneuerbarer Strom in die chemischen Energieträger Wasserstoff und einem zweiten Schritt in Methan umgewandelt. Damit wird ein speicherbarer und flexibel einsetzbarer Energieträger erzeugt, der unabhängig von Ort und Zeit wieder rückverstromt werden kann. Wasserstoff lässt sich nur sehr begrenzt in das Erdgasnetz einspeisen (2-5 Vol.%), Methan hingegen fast unbegrenzt.  

In der Methanisierung reagiert der Wasserstoff (H₂) mit Kohlendioxid (CO₂) in einem Reaktor zu Methan (CH₄). Grundsätzlich sind viele CO₂-Quellen für den Einsatz in PtG-Anlagen geeignet (z.B. Verbrennungsanlagen oder Zementwerke), allerdings bieten Biogasanlagen eine Reihe von Vorteilen. Biogasanlagen stellen das CO₂ in hoher Konzentration (40-50 Vol.%) bereit und es sind wenige störende Begleitelemente vorhanden, da das Gas fast ausschließlich aus Methan und CO₂ besteht. Außerdem kann bei Biogasanlagen die bereits vorhandene Infrastruktur für die Integration von PtG-Anlagen genutzt werden. Biogasanlagen sind kostengünstige CO₂-Quellen. Darüber hinaus lässt sich die Abwärme des Methanisierungsprozesses direkt für die notwendige Beheizung der Fermenter in Biogasanlagen nutzen.

Eine besonders interessante Option zur Nutzung von CO₂ aus Biogas ist die Direktmethanisierung. Dabei wird das Biogas ohne vorherige CO₂-Abtrennung in der Methanisierung eingesetzt. Dies bietet den Vorteil, dass die aufwändige CO₂-Abtrennung z.B. durch eine Aminwäsche entfallen kann und somit alle Biogasanlagen (auch kleinere Anlagen), die aktuell über eine Vor-Ort-Verstromung verfügen, als potenzielle CO₂-Quelle in Frage kommen, ohne dass eine teure Gasaufbereitung integriert werden muss.

Technische Entwicklung der katalytischen Methanisierung
beim Fraunhofer IEE

In einem gemeinsam von Hessen, Thüringen und dem Fraunhofer IEE (ehemals Fraunhofer IWES) finanzierten Vorhaben wurde erstmalig die technische Machbarkeit der direkten Methanisierung von Biogas ohne vorherige Abtrennung des CO₂ experimentell nachgewiesen. Es wurden aber auch Defizite wie ein träges Anlaufverhalten und die störanfällige Wärmeauskopplung des damals eingesetzten Reaktors identifiziert.

Mit den gewonnenen Erkenntnissen hat das Fraunhofer IEE ein neues, für einen dynamischen Betrieb geeignetes Methanisierungsverfahren entwickelt. Neben der deutlich besseren Dynamik bietet dieser Ansatz große Vorteile bei der Wärmeauskopplung über eine Trägerflüssigkeit. Dadurch kann ein sehr kompakter, gut skalierbarer und preiswerter Reaktor  realisiert werden. Die Kosten der PtG-Anlage von heute marktverfügbaren Systemen auf Basis von Festbettreaktoren mit ca. 6 Mio Euro/MW_el können auf rund 3 Mio Euro/MW_el sinken (bereits für eine Demonstrationsanlage). Perspektivisch sind Gesamtkosten von ca. 1 Mio Euro/MW_el denkbar.

In einem zweiten Projekt wurde am Fraunhofer IEE ein Laborreaktor mit einer Leistung von ca. 4 kW_el realisiert. Auf Basis der Laborergebnisse wurden Optimierungen der Anlagenkonfiguration erarbeitet und die schrittweise Skalierung der Technologie vorangetrieben. Die erste Realgasanlage mit einer Elektrolyseleistung von ca. 50 kW_el wird nun in diesem Projekt im Hessischen Biogasforschungszentrum (HBFZ) in Bad Hersfeld durch die Einbindung der PtG-Technologie in die dort vorhandene Versuchsbiogasanlage realisiert. Das HBFZ ist eine Kooperation des Fraunhofer IEE mit dem Landesbetrieb Landwirtschaft Hessen (LLH) und dem Landesbetrieb Hessisches Landeslabor (LHL) am Standort Eichhof in Bad Hersfeld. Hier bietet sich die bundesweit einzigartige Möglichkeit, ganzheitliche Forschung zur Energiesystemtechnik im Kontext ländlicher Netze mit hohem Anteil Erneuerbarer Energien zu betreiben.

Nach dem Bau und der Inbetriebnahme der PtG-Anlage ist ein wissenschaftlich begleiteter und ausgewerteter Betrieb der Anlage vorgesehen. Als weiterer Schritt sollen die im Projekt gesammelten Erfahrungen in die Planung einer zehnmal größeren Anlage einfließen. Dafür sind dann Standorte interessant, die auf Grund der vorhandenen Infrastruktur, der Genehmigungssituation und des Betriebs besonders günstige Bedingungen aufweisen. Die Umsetzung der Direktmethanisierung an einem landwirtschaftlichen Betrieb mit Demonstrationscharakter wird der finale Entwicklungsschritt vor der Kommerzialisierung sein.