Die Methanausbeute in Biogasanlagen erhöhen – So gelingt es!
Kohlendioxid ist in Biogasanlagen bislang ein störendes Abfallprodukt. Fraunhofer-Forschenden ist es jetzt gelungen, CO2 in Methan umzuwandeln – und die Ausbeute des Verfahrens zu erhöhen.
In einem neu entwickelten Reaktor entsteht aus Kohlendioxid und „grünem“ Wasserstoff Methan. Ziel ist, die Ausbeute in Biogasanlagen zu erhöhen
Foto: Fraunhofer IMM
Am Klimawandel führt kein Weg vorbei. Die Frage ist nur, welches Temperaturziel sich durch Aktionspläne noch erreichen lässt. Zu den wichtigsten Maßnahmen gehört es, den Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren: eine Strategie, die nicht so erfolgreich ist wie von Politikerinnen und Politikern erhofft. Denn die Konzentration an Treibhausgasen steigt nach einer kurzen, Pandemie-bedingten Verringerung wieder an.
Jetzt sind weitere Maßnahmen gefragt, denn Deutschland befindet sich auf dem Weg zur Klimaneutralität. Offiziell soll der CO2-Ausstoß bis 2030 um 65% verringert werden, verglichen mit dem Wert aus 1990. Zur Strategie gehören unter anderem Biogasanlagen. In ihnen erzeugen Bakterien unter Luftausschluss aus organischem Material Methan und Kohlendioxid. Je nach eingesetztem Material liegt der Methangehalt im Biogas zwischen 50% und 75%. Das Gas kann entweder direkt vor Ort in einem Blockheizkraftwerk genutzt werden, um Strom und Wärme zu gewinnen. Oder es gelangt nach entsprechender Aufbereitung in das Erdgasnetz. Kohlendioxid landet in der Atmosphäre, was als großer Nachteil des Verfahrens gilt.
Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM fanden jetzt die Lösung. Sie entwickelten einen Reaktor zur katalytischen Methaniserung von Kohlendioxid. Die Ausbeute erhöht sich, und weniger Treibhausgas gelangt in die Umwelt.
Mit grünem Wasserstoff die Methanausbeute optimieren
„Wir wandeln das CO2 mit Hilfe von grünem Wasserstoff in Methan um“, sagt Christian Bidart, Wissenschaftler am Fraunhofer IMM. Die chemischen Reaktionen sind seit zirka 100 Jahren bekannt, blieben aufgrund schlechter Ausbeuten jedoch weitgehend im Laborstadium ohne große Bedeutung bei der Herstellung von Biogas. Aufgrund der Energiewende mit der Herausforderung, regenerative Energieträger verstärkt einzusetzen, wurde das Verfahren wieder interessant – und rückte in den Fokus des Fraunhofer IMM.
Ziel der Arbeiten war, ein Verfahren zu entwickeln, das in relevantem Umfang Kohlendioxid und grünen Wasserstoff in Methan umsetzt. Deshalb entwickelten sie im Projekt ICOCAD I eine Demonstrationsanlage, die pro Stunde einen Kubikmeter Biogas in einen Kubikmeter Methan umwandelt. Dieser Schritt war wichtig, um alle Parameter zu evaluieren und gegebenenfalls zu optimieren.
Nach dem erfolgreichen Abschluss von ICOCAD I starteten Forschende das Folgeprojekt ICOCAD II. Darüber soll die Technologie weiter hochskaliert werden. Sie streben eine thermische Leistung von 50 Kilowatt an, was dem fünffachen Wert im Vergleich zur ersten Phase entspricht. Läuft alles nach Plan, soll die neue Anlage bereits 2023 in Betrieb gehen und ausführlich getestet werden.
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Technische Herausforderungen, um die Methanausbeute in Biogasanlagen erhöhen
Dabei mussten die Ingenieurinnen und Ingenieure mehrere Herausforderungen bewältigen. Bekanntlich erzeugen Solar- oder Windkraft-Anlagen keine gleichbleibend hohe Leistung. Der Strom wird eingesetzt, um Wasser elektrochemisch zu zersetzen. Bei dieser Elektrolyse entsteht „grüner“ Wasserstoff als Grundlage für die CO2-Umsetzung zur Verfügung zu haben. Das heißt: Die Anlage muss ausreichend flexibel auf solche Schwankungen reagieren. Denn die CO2-Menge – und auch der Wasserstoff-Verbrauch – sind konstant.
Natürlich gibt es Möglichkeiten, um Wasserstoff zwischenzuspeichern. Nur gelten solche Lösungen als teuer und als aufwändig; die Forscherinnen und Forscher wollten ein möglichst praktikables Design entwickeln. „Wir arbeiten daher daran, die Anlage flexibel zu gestalten, um die Speicherung von Wasserstoff möglichst zu umgehen“, erklärt Christian Bidart. Eine Strategie ist, Kohlendioxid zu speichern. Auch hier gibt es gut untersuchte Verfahren.
Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts waren Optimierungen des Katalysators. Die Umsetzung von Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methan hat eine hohe Aktivierungsenergie. Katalysatoren verringern den Wert, und die Reaktionen laufen bei niedrigeren Temperaturen ab. Hier setzten die Ingenieurinnen und Ingenieure haben dafür spezielle Mikrobeschichtungen aus Edelmetallen. Sie lassen Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid durch Mikrokanäle strömen, also durch ein System mit möglichst großer Oberfläche. Dort kommen sie mit der katalytisch aktiven Substanz in Kontakt. Mit dem Design ist es Ingenieurinnen und Ingenieuren gelungen, die tatsächlich benötigte Menge an Katalysator zu verringern. Sie hoffen, mittelfristig die Methanausbeute in Biogasanlagen zu optimieren.
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