Untersuchung und Weiterentwicklung eines Verfahrens zur biologischen Methananreicherung von Biogas mittels eines innovativen Rieselbettverfahrens
Projektdurchführung
GICON Großmann Ingenieur Consult GmbHTiergartenstr. 48
01219 Dresden
Zielsetzung
Voraussetzung für die Umsetzung der energiepolitischen Ziele in Deutschland ist die Umgestaltung der hiesigen Energieversorgung durch den Ausbau der erneuerbaren Energien auf 65 % des Stromverbrauches bis 2030. Sowohl in Europa als auch in Deutschland ist das Ziel der CO2-Neutralität bis 2050 bzw. 2045 beschlossen. Jedoch sind bereits jetzt schon große Herausforderungen, wie die lokale und temporär schwankende Stromgenerierung, die begrenzte Speicherbarkeit, der begrenzte Transport und das Fehlen effizienter technischer Konzepte erkennbar. Beispielsweise mussten bereits im Jahre 2019 6,3 TWh sogenannter Ausfallarbeit insbesondere aus Windenergieanlagen abgeregelt werden. Der Trend ist steigend. Ein sinnvoller Lösungsansatz stellt die Power-to-Gas Strategie dar. Hierbei wird elektrische Energie, idealerweise "Überschuss-"Strom, zur elektrolytischen Generierung von Wasserstoff genutzt. Durch diesen Umwandlungsschritt wird eine Speicherung der vom Stromnetz nicht aufnehmbaren elektrischen Energie ermöglicht. Aufgrund der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff ist die Speicherung und lokale Verwertung allerdings begrenzt. Die weitere Umwandlung in den Energieträger Methan wird daher angestrebt. Methan weist eine höhere volumenbezogene Energiedichte auf und kann über das gut ausgebaute Erdgasnetz verteilt und gespeichert werden. Für diesen Schritt der Methanisierung ist neben H2 das Gas CO2 als Reaktionspartner erforderlich. Durch diese CO2-Bindung kann ein großer Schritt zur CO2-Neutralität beigetragen werden. Als CO2-Quellen können beispielsweise Industrieanlagen, konventionelle Kraftwerke und insbesondere Biogasanlagen dienen. In einem von der AIF geförderten Forschungsvorhaben der GICON wurde vorgelagert und in Zusammenarbeit mit dem Kooperationspartner BTU das Rieselbettverfahren für die biologische Methanisierung von CO2 und H2 entwickelt. In der Folge wurde das patentierte Verfahren durch die GICON in den Technikumsmaßstab überführt. Die im Projekt gewonnenen Ergebnisse verdeutlichen jedoch auch, dass die bis dato gewählten technischen Kompromisse die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems beeinträchtigen. Ziel des Förderprojektes war es, zuerst die bereits identifizierten verfahrens- und ausrüstungstechnisch notwendigen Änderungen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit (insbesondere Methanbildungsrate) bei gleichbleibend hoher Biomethanqualität von mind. 95 % und weiterhin geringem Betriebsmitteleinsatz großtechnisch umzusetzen und zu verifizieren. Das Rieselbettverfahren zielt dabei insbesondere auf den Markt von Biogasanlagen ab und ermöglicht es, im Biogas enthaltenes und bisher nicht genutztes CO2 durch Zugabe von Wasserstoff in einspeisefähiges Biomethan umzuwandeln (externe Methananreicherung), wodurch die Leistungsfähigkeit von Biogasanlagen (produzierte Methangasmenge) ohne Erhöhung des Substrateinsatzes gesteigert werden kann. Das Verfahren zeichnet sich durch ein hohes Maß an Stabilität, Flexibilität sowie einen geringen Betriebsmitteleinsatz aus und ähnelt bezüglich der Anlagen- und Verfahrenstechnik klassischen Biogasanlagen. Dies ermöglicht eine hohe Akzeptanz des Verfahrens seitens der Anlagenbetreiber sowie die einsatzbezogene Anpassung in aktuelle und zukünftige Aufgabenstellungen der dezentralen Energiewandlung. Im Ergebnis ermöglicht die Kopplung von Windkraftanlagen und Biogasanlage im Sinne der hier untersuchten Power-to-Gas-Strategie die Anhebung der Wirtschaftlichkeit beider Prozesse. Somit ist der Betrieb auch im Post-EEG-Zeitalter wirtschaftlich realisierbar. Zudem wird die Nachfrage nach CO2-neutralem Biomethan einen neuen Marktplatz generieren. Weiteres Ziel des Vorhabens war es, die spezifische, volumenbezogene Leistung der Technologie weiter zu erhöhen sowie wesentliche Kenngrößen und Anforderungen für einen leistungsfähigen und stabilen Anlagenbetrieb hinsichtlich der praktischen Umsetzung zu ermitteln. Beispielsweise sollte die langfristige Stabilität, leistungssteigernde Faktoren beim drucklosen Betrieb und die Leistungsgrenze der Methanbildungsrate untersucht bzw. bestimmt werden. Neben der Überprüfung der Inbetriebnahmestrategie war die Ermittlung der erforderlichen Makro- und Mikronährstoffe bzw. die Untersuchung praxisrelevanter und kostengünstiger Nährstofflösungen Untersuchungsgegenstand. Von besonderem Interesse war die prozesscharakteristische Exothermie. Für die Auskopplung der entstehenden Reaktionswärme wurde mit Hilfe eines Reaktormodells die Wärmeverteilung und das nutzbare Wärmepotenzial dargestellt. Die gewonnen Parameter ermöglichen die Auslegung von Anlagen im praxisrelevanten Maßstab. Weitere Projektziele waren die Analyse von Standortfaktoren, die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, die CO2-Emissionsminderungsquote und die Darstellung der Gasgestehungskosten, wobei gesetzliche Regelungen (EEG-Novellierung, etc.) Berücksichtigung fanden. Diese Betrachtungen stellen die Basis einer sinnvollen Umsetzbarkeit in die Praxis dar.
Arbeitsschritte
Die Bearbeitung des Vorhabens erfolgte in enger Zusammenarbeit zwischen der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus Senftenberg (BTU CS) und der GICON®. An der BTU CS wurden vorgelagerte und begleitende Laborversuche zur externen und internen Methanisierung durchgeführt. Die Versuchsanlagen wiesen ein Volumen von 80 l auf, sodass eine belastbare Prozessbewertung möglich war. Der Schwerpunkt der Untersuchung lag auf der Optimierung des technischen und biologischen Systems, wobei Rahmenparameter für den langzeitig stabilen Reaktorbetrieb ermittelt wurden. Im Rahmen der Untersuchungen wurden Reingase (CO2, H2) und in Hinblick auf die praktische Umsetzung Biogas als CO2-Quelle eingesetzt. Auf den Einsatz von mikrobiellen methanogenen Reinkulturen wurde verzichtet. Vielmehr wurde eine methanogene Archaeen-Mischkultur eingesetzt, die nachweislich zu einer hohen Prozessstabilität führt. Wesentliche Themen und Fragestellungen der Bearbeitung waren:
- der Einsatz von Reingasen (AP1)
o grundlegende Untersuchungen zur Nähr- und Spurenstoffsupplementierung sowie pH-Wert Stabilisierung
o technische Optimierung der Berieselung, Gasverteilung und des Rieselbetts
o Ermittlung der Leistungsgrenzen und Stabilität im Langzeitbetrieb
- der Nachweis der Langzeitstabilität und kontinuierlichen Leistungssteigerung der externen Methananreicherung mit Einsatz von Biogas (AP2)
o die Definition der biologischen Rahmenbedingungen für stabile Verfahrensführung
o Untersuchung der Prozessflexibilität bezüglich schwankender Inputqualität
- die Erprobung und Prozessführung der internen Methanisierung (AP3)
o Ermittlung der maximalen Leistungsfähigkeit
Darauf aufbauend beziehungsweise begleitend wurden Versuche im GICON®-Biogastechnikum durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen der vorgelagerten Betrachtungen erfolgten somit bereits Versuche unter optimierten Betriebsbedingungen. Die erste Maßstabsvergrößerung konnte somit erfolgen. Für die externe Methanisierung wurden im großtechnischen Versuchsbetrieb Leistungsparameter, das Langzeitverhalten und Parameter zur weiteren Maßstabsübertragung für die technische Anwendung ermittelt. Zusätzlich wurden Auslegungswerkzeuge und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen für die Skalierung im technischen Maßstab erstellt. Zusätzlicher und wesentlicher Untersuchungsgegenstand war neben der reinen Methanisierung die Ermittlung der Wärmefreisetzung und die Erstellung einer Wärmebilanz bzw. des Wärmemanagements. Konkret zielten die Untersuchungen der Arbeiten von GICON® auf folgende Aspekte ab:
- Erprobung von Rieselbettreaktoren mit und ohne Wärmeabfuhr
o Bauvorgaben für die optimierte Substratzuführung (AP 5)
o Nachweis des Einfahrverhaltens (AP 6.1)
o Entwicklung von Vorgaben für die Betriebsführung (AP 6.2, 6.3)
- Entwicklung von Methoden für die Skalierung des Reaktorsystems
o Festlegung von Leistungsgrenzen und Standortanforderungen (AP 7.1, 7.3)
o Kosten-Nutzen-Analyse der externen Methananreicherung (AP 7.4, 7.6)
o Bewertung der Verfahrenseignung für Anwendungsfälle (AP 7.2, 7.5)
Diese Arbeitsschritte waren wesentlich für das gesteckte Ziel der Überführung der Rieselbetttechnologie zur Methanisierung in die Praxis. Durch die zu ermittelnden Parameter konnte der Stand des Wissens angehoben werden. Es konnten Kennzahlen, Parameter und weitere verfahrenstechnische Gestaltungsmöglichkeiten für die Auslegung und Umsetzung des Verfahrens in der Praxis ermittelt werden. Mit Hilfe einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und einer THG-Bilanz konnte ein Ausblick für das weitere Handeln, bzw. die Realisierbarkeit dokumentiert werden.
Ergebnisse
Das im Rahmen des Vorhabens untersuchte Verfahren der Rieselbettmethanisierung stellt eine mögliche Technologie für die Power-to-Gas-Strategie dar, bei der über einen biologischen Prozess Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid in Methan umgewandelt werden. Ziel des Vorhabens war es, die spezifische, volumenbezogene Leistung der Technologie zu erhöhen sowie wesentliche Kenngrößen und Anforderungen für einen leistungsfähigen und stabilen Anlagenbetrieb zu ermitteln. Mit den umfangreichen Arbeiten an der BTU CS wurden die langfristige Stabilität und leistungssteigernde Faktoren beim Betrieb der biologischen hydrogenotrophen Methanisierung mit den Reingasen H2 und CO2 sowie die Methananreicherung unter Nutzung von CO2-haltigem Biogas im Rieselbett nachgewiesen. Dabei wurde das Optimum an erforderlichen Makro- und Mikronährstoffen ermittelt. Die kontinuierlichen Versuche konnten langfristig für die Methanisierung eine Methanbildungsrate von MBR=6,77 N m³CH4/(m³RB·d) sowie für die Methananreicherung des Biogases von MBR=3,3 Nm³CH4/(m³RB d) bei einer gleichzeitig stabilen Produktgasqualität auf hohem Niveau (cCH4=95 %-vol.%) belegen. Grundlegende Ergebnisse der Versuche mit einem Up-Scaling-Reaktor im Biogastechnikum der GICON® GmbH waren die zielorientierte biologische Inbetriebnahme des ca. 10 m³ fassenden Rieselbettreaktors, mit von Beginn an hohen Produktqualitäten (cCH4 = 95 % bis 98 %-vol. am Ausgang Rieselbett) und anschließender Verifikation der Stabilität des Betriebes bis zu einer Methanbildungsrate von MBR=2,3 Nm³CH4/(m³RB·d). Ein wesentliches Ergebnis des Versuchsbetriebes war, dass die entstehende Reaktionswärme abgeführt werden kann und muss, um einen stabilen Prozess zu gewährleisten. Im Rahmen der Entwicklung von Lösungsansätzen für die Auskopplung der entstehenden Reaktionswärme wurde ein Reaktormodell entwickelt, mit dessen Hilfe die Temperaturerhöhung im Reaktor berechnet werden kann. Ein Großteil der Reaktionswärme (ca. 90 %) entsteht in der Eintrittszone der Edukte. Aufbauend auf diesen Ergebnissen erfolgten die Auslegung und Anordnung von Wärmetauschern in einem weiterentwickelten Versuchsreaktor und die Entwicklung eines Zwei-Reaktor-Konzeptes. Die Reaktionswärme kann mit hohem Potenzial zur weiteren Nutzung abgeführt werden. Weiterführende Untersuchungen dieses Zwei-Reaktor-Konzeptes werden angestrebt, um insbesondere das Thema des Wärmemanagements abschließend zu bewerten. Das bei der Methanisierung gebildete Reaktionswasser führt zu einer ständigen Verdünnung des Nähr- und Spurenstoffgehaltes des Prozesswassers und muss zur Einhaltung einer ausgeglichenen Prozesswasserbilanz abgeführt werden. Um eine Limitierung der Umsatzleistung zu vermeiden, werden Zusatzstoffe benötigt. Im Projektzeitraum ist es gelungen die erforderlichen Bedingungen so zu quantifizieren, dass der Einsatz kostengünstiger Zusätze und darüber hinaus eine Nährstoffrückgewinnung aus dem Rieselbett-Prozesswasser möglich ist. Der weitestgehende Verzicht externer Systeme (wie Druckerhöhung, Reaktorspülung, intensive Gasrezirkulation, Durchmischung etc.) in der Anlagenperipherie, der Verzicht auf spezielle mikrobielle Monokulturen und die gleichzeitige Reduzierung der Anforderungen an Zusatzstoffe ermöglicht einen Prozessbetrieb unter vergleichsweise geringen Eigenkosten. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für den technischen Maßstab zeigte für die GICON®-Rieselbettmethanisierung vergleichsweise geringe Betriebskosten auf, die direkt in Verbindung mit den prognostizierten Gestehungskosten von 12 - 17 ct/kWhth des produzierten Biomethans stehen. Die biologische Methanisierung kann zur Substitution von NaWaRo-Substraten genutzt werden, wobei der Substratpreis im Vergleich zu den Bereitstellungskosten von Wasserstoff nach wie vor geringer ist, wenn auch nur um wenige Euro pro MWh. Die biologische Methanisierung hat im Vergleich zur Biogaswäsche einen deutlich besseren Minderungseffekt für Treibhausgasemissionen. Das CO2 des Biogases (ca. 45 %) wird nicht abgeschieden, sondern reagiert zu Methan. Dies kann die Erlöse durch THG-Quotenhandel erheblich steigern und ist möglicherweise eine gute Option für die klimagerechte Erweiterung des Kraftwerksparks von Stadtwerken. Die Wirtschaftlichkeit beim Betrieb von Biomethanlagen hängt besonders von den Inputfaktoren (Stromkosten, Substratkosten) ab. Sollten für Investitionskosten der Wasserstoffbereitstellung die prognostizierten Reduktionen eintreten, ist die biologische Methanisierung im Vergleich zur Biogaswäsche das wirtschaftlich bessere Verfahren. Auf dem Weg zur Klimaneutralität in Europa werden grüne Gase wie Biomethan immer wichtiger. Die Biomethanisierung im Rieselbettverfahren kann eine Zukunftschance für die bis zu 3.500 Biogasanlagen sein, für die 2030 der EEG-Status ausläuft. Weiterhin ist der Einsatz der Rieselbettmethanisierung für die etwa 1.000 kommunalen Energieversorger in der Bundesrepublik eine planbare Alternative zur Erfüllung der Treibhausgasminderungsquote.
Öffentlichkeitsarbeit
Es erfolgt eine Aufbereitung der Ergebnisse, um diese öffentlich in Form von Publikationen in verschiedenen Printmedien, in öffentlichkeitswirksamen Vorträgen, o. ä. präsentieren zu können. Die Vermarktung des Verfahrens bzw. des verfahrensverbundenen Patentes erfolgen durch die GICON® GmbH und die BTU (FG Abfallwirtschaft) und Abteilung Technologie und Innovation.
Die Forschungsergebnisse werden weiterhin in nationalen und internationalen Fachzeitschriften (Biomass and Bioenergy, Bioressource and Technology, Biogasjournal) publiziert. Es wird die Teilnahme an wissenschaftlichen Fachkonferenzen (Husum New Energy, Rostocker Bioenergie Forum, Progress in Biogas, Baltic Biogas Forum, …) für die Veröffentlichung von Ergebnissen genutzt. Nächstes Ziel ist die Präsentation auf der Regatec 2022.
Mit dem Ziel der Ausbildung von Nachwuchskräften erfolgt die Verknüpfung der Forschungstätigkeit mit der Lehre durch die Ansiedlung des Leitthemas in diversen Lehrveranstaltungen oder Studien-, Bachelor- und Masterarbeiten der Studiengänge Wirtschaftsingenieurwesen, Umweltingenieurwesen, Environmental Ressource Management der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus Senftenberg.
Fazit
Mit den durchgeführten Untersuchungen sowohl im wissenschaftlichen Bereich der Verfahrensoptimierung als auch im eher praxisorientierten Bereich der technischen Gestaltung, Umsetzung bzw. Prozessoptimierung liegen letztlich Erkenntnisse zur Rieselbetttechnologie in Form von Auslegungsparametern, einem Modell, einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und der Einordnung bezüglich energiewirtschaftlicher Entwicklungen vor.
Es gelang, projektbezogen eine erste Maßstabsübertragung in die großtechnische Skala, die den weiteren Schritt in die Praxis erleichtert. Mit der Bewertung der Wärmebilanz konnten wesentliche Erfahrungen hinsichtlich des Wärmemanagements gewonnen werden. Essenz dieser Betrachtung war die bautechnische Optimierung des Verfahrens, die in einer Zwei-Reaktor-Lösung mündete. Vor Errichtung einer Demonstrationsanlage sind jedoch weitergehende Untersuchung erforderlich.