Auf der Suche nach einem sinnvollen Speicher führt kein Weg an Biogas vorbei
Mit Power zum Gas

16.10.2019 Das Energieproblem früherer Jahre ist längst einem Energie-Verteilungsproblem gewichen. Dort, wo auf regenerativem Weg Strom erzeugt wird, kann er nur selten genutzt werden. Transport und Speicherung von Energie sind die großen Herausforderungen unserer Zeit. Strom in Gas umzuwandeln, gilt als Schlüsseltechnologie mit ganz unterschiedlichen Aspekten, die unter dem Begriff ‚Power to Gas‘ (PtG) mehr als eine Alternative zur Batteriespeicherung darstellt. Im pfälzischen Pirmasens haben Forschung und Entwicklung den Schritt in die Zukunft längst vollzogen und damit globale Superlative geschaffen.

Dr. Stefan Dröge ist Abteilungsleiter Biotechnologie und Mikrobiologie am Prüf- und Forschungsinstitut Pirmasens e.V. (PFI), einer Einrichtung, die sich unter anderem die Etablierung des ‚Power to Gas‘-Prinzips im Sinne der Energiespeicherung zur Aufgabe gemacht hat.
© Foto: M. Boeckh
Dr. Stefan Dröge ist Abteilungsleiter Biotechnologie und Mikrobiologie am Prüf- und Forschungsinstitut Pirmasens e.V. (PFI), einer Einrichtung, die sich unter anderem die Etablierung des ‚Power to Gas‘-Prinzips im Sinne der Energiespeicherung zur Aufgabe gemacht hat.
Das Prüf- und Forschungsinstitut Pirmasens e.V. (PFI) ist ein Institut, das ursprünglich für die Schuhindustrie gegründet wurde und als eingetragener Verein auf Non-Profit-Basis arbeitet. Inzwischen hat es sich zu einem weltweit operierenden, modernen Dienstleistungs- und Forschungszentrum  entwickelt. Einer der wichtigsten Forschungsschwerpunkte ist die stoffliche und energetische Nutzung von Biomasse und die möglichst effektive Erzeugung von Biomethan aus Rest- und Abfallstoffen.

Das PFI forscht seit Jahren intensiv im Bereich der biologischen Methanisierung und der ,Power to Gas‘-Technologie (PtG). Mit diesem technologischen Ansatz sollen zwei Dinge erreicht werden: Strom kann und soll dort genutzt werden, wo er anfällt – z.B.bei Windkraftanlagen in Küstennähe. Damit wird das Transportproblem z.B. in Deutschland von Nord nach Süd wirkungsvoll gemindert. Gleichzeitig entsteht ein entscheidender Vorteil: Biomethan bzw. Bioerdgas kann eine bestens erprobte und weit verbreitete Infrastruktur nahezu verlustfrei nutzen, denn die Gasspeicherung in unterirdischen Kavernen oder oberirdischen Tanks ist hierzulande Standard.

Darüber hinaus kann die Entsorgungswirtschaft durch eine sinnvolle Sektorenkopplung zu einer wirkungsvollen Energiewende beitragen, denn, so wird beim Besuch des Energieparks Pirmasens-Winzeln deutlich, es geht bei der Biomassenutzung nicht um eine Konkurrenz nach dem ‚Teller-Tank-Prinzip‘, sondern um die notwendige energetische Nutzung bislang brachliegender Ressourcen der Abfallwirtschaft und vor allem um die Möglichkeit, eine Speichermöglichkeit für alternativ erzeugten Strom zu schaffen – und das gleichzeitig.

Auf einen kurzen Nenner gebracht: In Pirmasens wird Überschussstrom von Erneuerbare-Energien-Anlagen zur Produktion von Wasserstoff genutzt. Dieser wird dann unter Zusatz von Kohlendioxid (CO2) mit dem Prozess der biologischen Methanisierung zu Methan (CH4) umgewandelt, das dann ins Erdgasnetz eingespeist werden kann.

Die F&E-Aktivitäten des PFI führten vom Labor- über den Technikumsmaßstab bis zur deutschlandweit größten Anlage zur biologischen Methanisierung. An der Demonstrationsanlage im Energiepark Pirmasens- Winzeln hat das PFI im Rahmen eines Kooperationsprojektes mit dem Titel „Verfahrenstechnische und mikrobiologische Optimierung der biologischen Methanisierung im Druck-Rieselstromverfahren“ zusammen mit der Reiner Schmitt GmbH Brennereitechnik (Weselberg, Rheinland-Pfalz) „technologische und verfahrenstechnische Innovationen implementiert, um die PtG-Technologie zur Marktreife zu bringen“, heißt es im Abschlussbericht des vom Bundesministerium für Wirtschaft geförderten ZIM-Projektes.

Das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand

Das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) ist ein bundesweites, technologie- und branchenoffenes Förderprogramm. Mit dem ZIM sollen die Innovationskraft und Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen nachhaltig unterstützt und damit ein Beitrag zu deren Wachstum verbunden mit der Schaffung und Sicherung von Arbeitsplätzen geleistet werden. Mittelständische Unternehmen und Forschungseinrichtungen, die mit ihnen zusammenarbeiten, erhalten Zuschüsse für anspruchsvolle Forschungs- und Entwicklungsprojekte, die zu neuen Produkten, technischen Dienstleistungen oder besseren Produktionsverfahren führen. Wesentlich für eine Bewilligung sind der technologische Innovationsgehalt sowie gute Marktchancen der geförderten FuE-Projekte. Das ZIM zielt auf mittelstandsgerechte Rahmenbedingungen
und ist auf die Bedürfnisse von kleinen und mittelständischen Unternehmen ausgerichtet. Die Unternehmen können Forschung und Entwicklung als Einzelprojekte durchführen oder als Kooperationsprojekte mit Forschungseinrichtungen oder anderen Unternehmen. Darüber hinaus werden das Management und die Organisation von innovativen Unternehmensnetzwerken gefördert. Sowohl bei Kooperationsprojekten als auch bei Netzwerken unterstützt das ZIM auch internationale Partnerschaften. Weitere Information unter www.zim.de.

Keine Zusatzkosten

PtG ist ein Sammelbegriff, hinter dem sich mehrere unterschiedliche Technologieansätze verbergen. Einer davon ist die biologische Methanisierung in Verbindung mit dem Erdgasnetz als Speicher. Im ersten Schritt erfolgt in der Regel die Produktion von Wasserstoff mittels Elektrolyse aus erneuerbarem Überschussstrom von Windkraft- und Solaranlagen. Im zweiten Schritt wird dieser Wasserstoff zusammen mit Kohlendioxid aus unterschiedlichen Quellen (Biogasanlagen, Industrieanlagen) in Bioreaktoren zur Produktion von Methan genutzt.
Herzstück der ‚Power to Gas‘-Anlage in Pirmasens ist der kolonnenartige Rieselstromreaktor, in dem Bakterien aus Wasserstoff und Kohlendioxid Biomethan erzeugen. © Foto: M. Boeckh
Herzstück der ‚Power to Gas‘-Anlage in Pirmasens ist der kolonnenartige Rieselstromreaktor, in dem Bakterien aus Wasserstoff und Kohlendioxid Biomethan erzeugen.

Ideale Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Etablierung des Verfahrens bietet zunächst die Ankopplung an bestehende Biogasanlagen. Das von den Anlagen produzierte CO2 kann direkt, das heißt ohne weitere Aufreinigung, für das Verfahren eingesetzt werden. So entstehen keine Zusatzkosten für die CO2-Bereitstellung. „Hierin liegt ein wesentlicher Vorteil gegenüber konkurrierenden Verfahren der technischen Methansynthese wie dem sogenannten Sabatier-Prozess“, erklärt Dr. Stefan Dröge, Abteilungsleiter Biotechnologie und Mikrobiologie am PFI.

Seit Jahren bekannt

Mittels der vom PFI entwickelten Rieselstromreaktoren wird der CO2-Anteil des Biogases der PFI-eigenen Biogasanlage zusammen mit Wasserstoff zu einspeisefähigem Erdgas mit bis zu 99 Prozent Methangehalt umgewandelt und seit Ende 2016 in das Erdgasnetz der Stadtwerke Pirmasens eingespeist.

Dass der Prozess technisch möglich ist, gilt seit Jahren als bekannt. Doch für einen breiten Markteintritt ist das Verfahren über viele Stellschrauben noch zu optimieren. „Gemeinsam mit der Schmitt GmbH ermittelten wir dieses Optimierungspotential und entwickelten praxistaugliche Lösungen, die wir nun Schritt für Schritt umsetzen wollen“, so Stefan Dröge.

Wichtigster Punkt der Forschung war zunächst eine weitere Produktivitätssteigerung bei der biologischen Methanisierung durch ein neu entwickeltes Wachstumsmedium für die methanerzeugenden Bakterien-Stämme. Die Forscher des PFI konnten zeigen, dass bestimmte elektrochemische Eigenschaften des Mediums maßgebliche Effekte auf die Umsatzraten der Bakterien haben. Diese Erkenntnisse flossen in die Entwicklung neuer Medienvarianten zur Steigerung der Zelldichte und Produktivität ein. Auf der Grundlage von Untersuchungen im Labor- und Technikumsmaßstab konnten durch die neuen Medienzusammensetzungen deutliche Steigerungen bei Zellzahl und Produktivität erzielt werden. Auf Basis der Ergebnisse im technischen Maßstab lassen sich in der Praxis nun Produktivitätssteigerungen von bis zu 15 Prozent realisieren.

Ein weiterer Aspekt der Forschung betraf die Qualität des Produktgases der Anlage. Diese bezog sich weniger auf den Methangehalt des Produktgases, der im Praxisbetrieb kontinuierlich über 97 Prozent liegt und damit fast doppelt so hoch ist wie bei der klassischen Fermentation von Biogasanlagen. Im Zentrum des Interesses standen vielmehr schwefelhaltige Spurengase, die aufgrund der strengen Grenzwerte der DVGW-Regeln zur Gasbeschaffenheit (DVGW G260 (A) und DVGW G262 (A)) eine verfahrenstechnische Herausforderung bei der biologischen Methanisierung darstellen.

Hintergrund ist die notwendige Präsenz bestimmter organischer und mineralischer Schwefelverbindungen in den Medien, die für das optimale Wachstum der Mikroorganismen wichtig sind. Um eine dauerhafte Einhaltung der Grenzwerte ohne Einbußen bei der Produktionsleistung sicherzustellen, entwickelten das PFI und die Schmitt GmbH einen kombinierten Ansatz. Am PFI erfolgte eine weitere Optimierung des Wachstumsmediums durch Substitution beziehungsweise Konzentrationsanpassung schwefelhaltiger Medienkomponenten. Hierdurch konnte die Grundbelastung des Gases mit Schwefelwasserstoff und Methylmer-Titel
captan bereits deutlich reduziert werden.

Parallel hierzu entwickelte die Schmitt GmbH ein technisches Konzept, um im Druckbetrieb mittels dotierter Aktivkohle die Einhaltung der Grenzwerte im Praxisbetrieb sicherzustellen.

Erfolgreicher Test

Die Abbildung zeigt das vollständige Konzept der Bioraffinerie im Energiepark Pirmasens-Winzeln mit energetischer und stofflicher Nutzung von Biomasse. © Foto: PFI
Die Abbildung zeigt das vollständige Konzept der Bioraffinerie im Energiepark Pirmasens-Winzeln mit energetischer und stofflicher Nutzung von Biomasse.

Weiterhin von zentraler Bedeutung für einen störungsfreien und wartungsarmen Dauerbetrieb der PtG-Anlage in Pirmasens ist die Medienaufbereitung. Verfahrensbedingt kommt es im laufenden Betrieb der Anlage durch die Aktivität der Mikroorganismen zu einer langsamen aber kontinuierlichen Verdünnung des Wachstumsmediums. Hintergrund ist, dass die Mikroorganismen neben Methan stoffwechselbedingt auch geringe Mengen an Wasser produzieren. Im Dauerbetrieb verursacht dies einen zusätzlichen Wartungsaufwand sowie erhöhte Kosten für die fortlaufende Prüfung und Konditionierung des Mediums. Um diesem Problem zu begegnen, entwickelten die Ingenieure der Reiner Schmitt GmbH und des PFI ein technisches Konzept, um mittels Filtrationsverfahren und einer nachgeschalteten Membrandestillation einen Großteil der wachstumsrelevanten Bestandteile der Nährmedien kontinuierlich zurückzugewinnen und das produzierte Wasser aus dem laufenden Prozess abzuscheiden. In der Zwischenzeit sind die technischen Aggregate an der Anlage installiert und konnten im Praxisbetrieb erfolgreich getestet werden.

Mehrere Komponenten

Der Energiepark Pirmasens-Winzeln einer wirtschaftlichen PtG-Anlage bzw. wird diese in naher Zukunft erhalten. Die Anlage ist ein Gemeinschaftsprojekt des PFI, der Stadt Pirmasens und der Stadtwerke Pirmasens umfasst alle wesentlichen Komponenten.

Ältestes Objekt ist die Nawaro-Biogasanlage (Nawaro: nachwachsende Rohstoffe) aus dem Jahr 2014. Hier wurden die Forschungsergebnisse des PFI in einem einzigartigen prozessoptimierten Mehrkammerbehälter mit besonderer Wärmeisolation und einer zusätzlichen Wärmerückgewinnung aus Biogas über eine Hochtemperaturwärmepumpe umgesetzt. Damit können der Biogasprozess beschleunigt und der Wärmenergieeinsatz für die Fermenterheizung deutlich reduziert werden. Das erzeugte Biomethan wird größtenteils im BHKW verstromt; nur ein Teil wird in der nachfolgenden Biogasaufbereitungsanlage weiter genutzt. Das Silo hat ein Volumen von 7890 m3, und die CO2-Wärmepumpe bringt eine Leistung von 60 kWth, das BHKW liefert 550 kWel.
Die Biogasanlage im Energiepark Pirmasens-Winzeln liefert den Baustein Kohlendioxid für die Nutzung in der Methan-Erzeugungsanlage. © Foto: M. Boeckh
Die Biogasanlage im Energiepark Pirmasens-Winzeln liefert den Baustein Kohlendioxid für die Nutzung in der Methan-Erzeugungsanlage.

Die Biogasaufbereitungsanlage zur biotechnologischen Methanisiserung wurde im Jahr 2015 in Betrieb genommen. Als neuer Ansatz zur Biogasaufreinigung wird bei der Gasaufbereitung nicht das CO2 aus dem Biogas entfernt, sondern Wasserstoff zum Biogas dazugegeben und mit Hilfe von Archaeen (Urbakterien) zu Methan (CH4) umgewandelt. Das Gas wird anschließend über Aktivkohle entschwefelt und mit Hilfe eines Adsorptionstrockners getrocknet. Nährmedium und Wasser werden über ein ausgeklügeltes Recyclingsystem zurückgewonnen. In der aktuellen Ausbaustufe können hier bis zu 440.000 m³ Biomethan jährlich erzeugt werden – als speicherfähiges Medium, gewonnen aus Überschussstrom.

Im Unterschied zur technischen Methansynthese, die aufgrund der Katalysatoren hochreine Ausgangsgase benötigt, können die bei der biologischen Methanisierung eingesetzten methanbildenden Mikroorganismen ungereinigtes Rohbiogas verwerten. Dadurch entfallen aufwändige und kostenintensive Verfahren zur Aufreinigung des Rohbiogases.

Flexibilität von Vorteil

Übliche Methanisierungsanlagen arbeiten mit Rührkesselreaktoren. „Wir setzen dagegen auf die Rieselstromtechnologie“, erklärt Stefan Dröge. „Das hat einerseits den Vorteil, dass die Anlagenkomponenten auf sehr engem Raum gebaut werden können. Und es gibt verfahrenstechnische Vorteile dadurch, dass wir die Anlagen sehr flexibel fahren können. Wir können die Kolonnen zum Beispiel mit unterschiedlichen Füllständen fahren und die Menge des Mediums variieren einen großen Teil des Reaktors als Zwischenspeicher für das hergestellte Biomethan verwenden, bevor wir es einspeisen.“ Diese Flexibilität sei ein großer anlagentechnischer Vorteil. Die Rieselstromanlage zur Produktion von hochreinem Biomethan des PFI gilt als die einzige dieser Art weltweit. „Und die größte weltweit, was die biologische Methanisierung angeht“, ergänzt Dr. Kerstin Schulte, Institutsleiterin des PFI.
Bei der biologischen Methanisierung liegt der Methangehalt bei über 95 Prozent, und der Wirkungsgrad kommt auf bis zu 80 Prozent, bezogen auf den Energieinhalt des Wasserstoffs. Dabei kann Biogas als CO2-Quelle ohne aufwändige Vorreinigung verwendet werden. © Foto: PFI
Bei der biologischen Methanisierung liegt der Methangehalt bei über 95 Prozent, und der Wirkungsgrad kommt auf bis zu 80 Prozent, bezogen auf den Energieinhalt des Wasserstoffs. Dabei kann Biogas als CO2-Quelle ohne aufwändige Vorreinigung verwendet werden.

Die Pilotanlage erforderte Investitionen von rund 3,1 Mio. Euro, die zur Hälfte vom PFI aufgebracht wurden. Die verbleibende Finanzierung in Höhe von rund 1,55 Mio. Euro erfolgte aus Fördermitteln, je zur Hälfte aus dem Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) und aus Landesmitteln. Zudem förderte das Land Rheinland-Pfalz die Erschließung des Energieparks durch die Stadt Pirmasens mit einer Mio. Euro. Derzeit stehen zwei – jederzeit erweiterbare – Kolonnen mit je 40 m3 Volumen. Sie schaffen eine Biogasaufbereitungs-Leistung von rund 100 m3/h i.N.

Jüngstes Objekt ist die Biogaseinspeiseanlage für das Gasnetz der Stadtwerke Pirmasens aus dem Jahr 2016. Sie ermöglicht die Überwachung der Gasqualität nach der DVGW-Richtlinie G260/G262 und nimmt eine Brennwertanpassung mit Flüssiggas vor. Die Einspeiseleistung liegt bei 20 bis 700 m3/h i.N. ins Mitteldrucknetz bei 750 mbar und enthält eine Propan/Butan-Konditionierung zur Brennwertanhebung auf 11,2 kWh/m3 i.N.
Das Festbett des Rieselstromreaktors ist mit Kunststofffüllkörpern zur Vergrößerung der Besiedlungsfläche für Bakterien gefüllt; es handelt sich dabei um HPX-Körper aus HDPE. © Foto: M. Boeckh
Das Festbett des Rieselstromreaktors ist mit Kunststofffüllkörpern zur Vergrößerung der Besiedlungsfläche für Bakterien gefüllt; es handelt sich dabei um HPX-Körper aus HDPE.

Was letztlich noch fehlt in der Prozesskette, ist eine Wasserelektrolyseanlage mit Anbindung an eine Kläranlage. Die Inbetriebnahme war ursprünglich für dieses Jahr vorgesehen, aber aufgrund von Umstrukturierungsprozessen bei den Kläranlagen Pirmasens kam es zu Verzögerungen. Geplant ist derzeit eine Elektrolyse, die aus Überschussstrom (1,8 MWel) einerseits den Wasserstoff für die Biogasaufbereitungsanlage liefern soll (400 m3/h) und andererseits mit dem Sauerstoff, der dabei immer entsteht, über eine 1475 m lange Pipeline die Kläranlage Felsalbe versorgt (200 m3/h). Die Wärme, die bei der Elektrolyse entsteht (360 kWth), verpufft nicht nutzlos, sondern wird ebenfalls genutzt: für die Trocknung des Klärschlamms aus der Kläranlage. „Ein optimales Beispiel der Sektorenkopplung“, meint Kerstin Schulte.

Eine weitere Ausbaustufe zur Vervollständigung des PFI-Bioraffineriekonzeptes stellt die Nutzung von Stroh als Substrat für die Biogasproduktion dar – anstelle von derzeit genutztem Mais. In einem Fermentationszentrum sollen die gewonnenen Zuckerhydrolysate zu Zielprodukten wie Polyhydroxyalkanoaten und Polymilchsäure (Biokunststoffe), Xylitol (Zuckerersatzstoff), Bernsteinsäure (Plattformchemikalie), Butanol (Treibstoff), etc. umgewandelt werden. Die Prozesse sollen zunächst im Pilotmaßstab durchgeführt werden. Sobald die notwendigen Fördermittel gesichert sind, wird mit dem Bau begonnen.

Die Aufbereitung von Biogas zu Biomethan an sich ist in Deutschland keine Seltenheit. Schätzungsweise 200 Anlagen bereiten das Gas aus Fermentern auf, um es ins Erdgasnetz einzuspeisen. „Doch das hat mit ‚Power to Gas‘ nichts zu tun“, stellt Stefan Dröge klar. PtG sei die Erzeugung eines Gases aus Überschussstrom und Nebenprodukten wie CO2, das – wie auch Biomethan – gut, verlustfrei und beliebig lange gespeichert werden könne.

Umwandlung kostet Geld

Bei der Rentabilität des gesamten Verfahrens ist derzeit noch einige Luft nach oben: Bei der Elektrolyse rechnen die Wissenschaftler des PFI mit Wirkungsgradverlusten von 10 bis 20 Prozent; bei der Methanisierung muss man mit weiteren 25 Prozent Verlust rechnen. Wird die ursprünglich zur Elektrolyse verwendete elektrische Energie in einem GuD-Kraftwerk (GuD: Gas- und Dampf) rückverstromt, liegen die Umwandlungsverluste bei rund 50 Prozent, schätzt Stefan Dröge; „Natürlich kostet die Umwandlung Geld, aber auch das Vorhalten von Kraftwerkskapazitäten kostet Geld“, stellt er klar. Und bei der direkten Einspeisung von erzeugtem Biomethan ins Erdgasnetz lägen die Verluste bei nur noch rund 40 Prozent.
Kaum sichtbar und doch die wichtigsten Elemente der PtG-Technologie: Bakterien, die aus Wasserstoff und Kohlendioxid Biomethan erzeugen, das sich vielfältig nutzen und vor allem gut speichern lässt. © Foto: M. Boeckh
Kaum sichtbar und doch die wichtigsten Elemente der PtG-Technologie: Bakterien, die aus Wasserstoff und Kohlendioxid Biomethan erzeugen, das sich vielfältig nutzen und vor allem gut speichern lässt.

Die Erkenntnisse, die am PFI gewonnen werden, möchte man künftig auch vermarkten, „schließlich geht es um technologische Entwicklungen, die weit über Deutschlands Grenzen genutzt werden können und sollen“, meint Instituts-Chefin Schulte. Entsprechende Patente seien frühzeitig gesichert und in eine neu gegründete Vermarktungsgesellschaft PFI-Bioraffinerietechnik GmbH überführt worden. Kunden der Vermarktungsgesellschaft können Unternehmen sein oder auch Kommunen, die diese Technik an ihre Kläranlage koppeln wollen. Hier gibt es drei Gesellschafter: Einmal der PFI e.V. als Verein sowie die Pfalzgas GmbH und die Stadtwerke Pirmasens.

Rahmenbedingungen schaffen

Der Ball für die weitere Entwicklung der PtG-Technologie liegt, wie so oft, bei der Politik. „Es wäre wünschenswert, wenn die Politik nicht nur die Frage des Netzausbaus behandeln würde, sondern auch die der Speichertechnologie. Das betrifft einmal die Forschung, aber auch die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für den Betrieb einer solchen Anlage“, stellt Kerstin Schulte klar. Wenn man bis zum Jahr 2030 oder 2040 Anlagen mit nennenswerten Speicherkapazitäten möchte, dann wäre es langsam an der Zeit, die richtigen Rahmenbedingungen zu schaffen.

Ein Beitrag von Martin Boeckh

Fachartikel aus dem ENTSORGA-Magazin Nr. 5/2019

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