Die Stromerzeugung durch erneuerbare Energien weist häufig einen entscheidenden Nachteil auf: Sie unterliegt zeitlichen Schwankungen. Daher ist es in Zeiten der Energiewende notwendig, kurz- und langfristige Energiespeicher zu entwickeln, damit Stromspitzen aufgefangen und Zeiten geringerer Stromproduktion überbrückt werden können. In der Power-to-Gas Technologie wird der überschüssige Strom genutzt, um gasförmige Energieträger, beispielsweise Wasserstoff und Methan, herzustellen.
Diese Gase können gelagert, transportiert und schließlich wieder zur Wärme- und Stromerzeugung, aber auch als Ausgangsstoffe für die chemische Produktion genutzt werden. Methan hat dabei im Gegensatz zu Wasserstoff den Vorteil, dass es ins schon bestehende Erdgasnetz eingespeist werden könnte.
Das Forschungsprojekt MIKE (Methanisierung von CO2 aus Biogas mittels mikrobieller Elektrosynthese), in dem Wissenschaftler aus Industrie und Akademie zusammenarbeiten, untersucht die stromgetriebene Methanproduktion mit biologischen Katalysatoren, die sogenannte Bioelektromethanogenese. Dabei setzen Mikroorganismen elektrischen Strom und CO2 zu Methan um. Ziel ist es, anstelle von reinem CO2 Roh-Biogas zu nutzen, welches bereits 40 – 60 % Methan enthält und durch die Bioelektromethanogenese einen höheren Methananteil erreicht.
Zu Beginn des Forschungsprojektes im September 2016 wurde die Bioelektromethanogenese in 100 ml großen Laborgefäßen untersucht, wobei der Biokatalysator aus Abwässern oder Biogasschlamm gewonnen wurde.Im Laufe des Projektes wurden derartige Mischungen von Mikroorganismen von Forschern der ifn-FTZ weiter untersucht, während Mitarbeiter des DECHEMA-Forschungsinstituts (DFI) neue Biokatalysatoren testeten. Dabei konnten mehrere verschiedene Mikroorganismen gefunden werden, die zur Bioelektromethanogenese geeignet sind. Gleichzeitig wurden am DFI neue Reaktoren im 1 l Labormaßstab entwickelt, die eine technische Optimierung des Prozesses erlaubten. Im Zuge dieser Optimierung konnte auch gezeigt werden, dass längere Stromausfälle den Prozess nicht langfristig beeinträchtigen, sodass auch eine schwankende Stromversorgung durch erneuerbare Energien genutzt werden kann.
Im dritten Projektjahr konnte am DFI ein 50 l fassender Reaktor für den Prozess entwickelt und gebaut werden, in dem nun größere Mengen an Methan produziert werden können. Tests mit industriellem Roh-Biogas bei der ifn-FTZ haben gezeigt, dass die Bioelektromethanogenese zur Biogasaufreinigung genutzt werden kann. Derzeit laufen diese Versuche weiter. Gleichzeitig sind die Partner von der Provadis Hochschule und der InfraServ Höchst dabei, ein Life Cycle Assessment und eine Wirtschaftlichkeitsrechnung für die Bioelektromethanogenese durchzuführen.
Neben dem großen wissenschaftlichen Fortschritt gingen aus dem Projekt bis heute 8 Publikationen in Fachzeitschriften und 9 Beiträge auf internationalen Konferenzen hervor. Auch künftig wird sich die Forschung der Bioelektromethanogenese mit der Optimierung und dem Scale-Up der Technologie beschäftigen, um eine industrielle Anwendung in naher Zukunft zu ermöglichen. Darüber hinaus sollen die Synergien mit anderen Prozessen, zum Beispiel der biologischen Methanumwandlung, untersucht werden. Entsprechende Projektanträge sind in Vorbereitung, sodass es auf diesem Forschungsgebiet auch in Zukunft viele spannende Erkenntnisse geben wird.
Franziska Enzmann, Dr.-Ing. Dirk Holtmann
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