Definition des Technologiefeldes

Biologische Methanisierung

Biologische Methanisierung umschreibt die Reduktion von Kohlendioxid mit Wasserstoff zu Methan durch biologische Katalysatoren, genauer hydrogenotrophe Archaeen. Je nach optimalem Temperaturbereich der beteiligten Mikroorganismen kann der Prozess unter mesophilen (35-45 °C) als auch thermophilen Bedingungen (40-70 °C) ablaufen. Bei der Verwendung der biologischen Methanisierung im Rahmen des „Power to Gas“ Konzeptes wird der benötigte Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Strom aus erneuerbaren Quellen bereitgestellt. Das benötigte Kohlendioxid kann aus verschiedenen Quellen bezogen werden, z. B. aus Biogasanlagen, anaeroben Fermentationsprozessen, industriellen Verbrennungsprozessen u. a. m. Die biologische Methanisierung wird derzeit mit Hilfe von zwei Technologiekonzepten umgesetzt: a) Integrierte Methanisierung des Kohlendioxids aus dem Biogasprozess (in-situ Methanisierung) oder b) Biologische Methanisierung in externen Reaktoren unter Verwendung spezialisierter Reinkulturen oder Mikroorganismenkonsortien. Bei der in-situ Methanisierung wird Wasserstoff direkt in den Biogasreaktor eingespeist und das im Biogasprozess gebildete Kohlendioxid durch die methanogenen Archaeen zu Methan reduziert. Diese Art der Bereitstellung von Biomethan bedarf daher immer der „Kombination“ der herkömmlichen Biogaserzeugung aus organischen Reststoffen oder nachwachsenden Rohstoffen mit der Einspeisung von regenerativ erzeugtem Wasserstoff oder wasserstoffreichen Prozessgasen, z. B. aus der thermochemischen Vergasung von Biomasse. Ein Vorteil dieses Prozesses ist die mögliche Integration in bereits bestehende Infrastrukturen (Biogas- oder Klärgasanlagen) und die prozessintegrierte Methananreicherung des Biogases. Beim Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen werden erzielbare Methananteile von ca. 75 % genannt, für die Verwendung von organischen Reststoffen werden bis zu 97 % angeführt. Die Methanbildungsrate (MBR) ist abhängig von der Kohlendioxidbereitstellung im Biogasprozess.

Bioelektrochemische Methanisierung

Ein in weiten Teilen noch unerforschter Ansatz zur direkten Umwandlung von Strom in Methan ist die bioelektrochemische Methanisierung (oder Elektromethanogenese). Bei diesem Prozess nutzen elektroaktive Mikroorganismen elektrochemisch bereitgestellte Elektronen bzw. Wasserstoff zur Reduktion von Kohlendioxid zu Methan. Die Elektronen werden den Mikroorganismen über in den Fermenter integrierte Elektroden zur Verfügung gestellt. Grundsätzlich wird hier zwischen zwei Wegen unterschieden: beim direkten Elektronentransfer siedeln sich Mikroorganismen auf der Elektrodenoberfläche an und nutzen die bereitgestellten Elektronen für die Erzeugung von Wasserstoff bzw. Methan, beim indirekten Elektronentransfer werden Mediatoren an der Elektrodenoberfläche reduziert und übertragen die Elektronen an die Mikroorganismen. Ein Sonderfall stellt in-situ hergestellter Wasserstoff dar, der dann direkt von methanogenen Archaeen zur Reduktion von Kohlendioxid zu Methan verwendet wird. Ein Vorteil der bioelektrochemischen Methanisierung ist, dass Wasserstoff nicht mehr dem Reaktor zugeführt werden bzw. in der Flüssigphase gelöst werden muss.

Aktueller Stand der Technologie

Biologische Methanisierung

Die technische Umsetzung der biologischen Methanisierung ist relativ gut erforscht (TRL 6-7). Auf Laborebene konnte neben der Toleranz gegenüber Störstoffen wie z. B. Sauerstoff, Ammoniak und Schwefelwasserstoff bereits eine gute Lastflexibilität sowie Langzeitstabilität der biologischen Methanisierung gezeigt werden. Im Labor wurden verschiedene Reaktorkonzepte zur technischen Umsetzung erprobt. Hierbei sind insbesondere die Verwendung von Rührkesselreaktoren, Fest- und Rieselbettreaktoren zu nennen. Die Verwendung von Rührkesselreaktoren in Kombination mit thermophilen Archaeen zeigte (bezogen auf die MBR) die bisher besten Ergebnisse im Labormaßstab. Im Demonstrationsmaßstab wurden verschiedene Verfahrenskonzepte entwickelt und getestet: Integration der biologischen Methanisierung in NawaRo Biogasanlagen; Integration in Bioabfallanlagen; separater Reaktor zur biologischen Methanisierung mit einer speziellen Misch- oder Reinkultur und Verwendung von Biogas als CO2-Quelle; separater Reaktor mit einer Spezial- oder Reinkultur und Verwendung von CO2 aus der Biogasaufbereitung; separater Reaktor mit einer Reinkultur und Verwendung von aufbereitetem Rauchgas als CO2-Quelle. Insgesamt existieren in Deutschland 6 Demonstrationsanlagen bzw. -vorhaben zur biologischen Methanisierung im Technikums- bzw. Pilotmaßstab.

Die Wasserstoffversorgung der Mikroorganismen ist in der Regel der limitierende Schritt bei der biologischen Methanisierung, da diese nur gelösten Wasserstoff aufnehmen können. Ein weiteres Problem stellt die Zwischenspeicherung von Wasserstoff nach der Elektrolyse von Wasser dar. Diesem kann auf F&E Ebene beispielsweise mit der bioelektrochemischen Methanisierung begegnet werden, wenngleich hier die Fragen nach der MBR und Prozessflexibilität noch weitgehend ungeklärt sind. Neben der Verbesserung der Einbringung des Wasserstoffs kann die Effizienz des Gesamtsystems über eine Erhöhung der Zelldichte und eine gezielte Auswahl bzw. genetische Modifikation der methanogenen Archaeen erreicht werden. Speziell für den Fall der in-situ Methanisierung in bestehenden Biogasanlagen muss die Langzeitauswirkung der Wasserstoffeinbringung auf das Mikrobiom und damit auf die Stabilität des Prozesses noch genauer untersucht werden, da der erhöhte Wasserstoffpartialdruck eine Hemmung der Acetogenese zur Folge haben könnte. Die ständige technische und biologische Verfügbarkeit von Kohlendioxid ist eine Grundvoraussetzung für die Etablierung der biologischen Methanisierung. In der bisherigen wissenschaftlichen Diskussion wird dabei oft Kohlendioxid aus Biogas- (in-situ Methanisierung) oder Biomethananlagen bzw. Fermentationsprozessen angeführt. Abgase aus Verbrennungsprozessen eignen sich in der Regel nur bedingt, da Kohlendioxid nur in relativ niedriger Konzentration im Vergleich zu z. B. Biogas vorhanden ist und Hemmstoffe im Abgas die Mikroorganismen inhibieren können.

Bioelektrochemische Methanisierung

Die bioelektrochemische Methanisierung ist im Gegensatz zur biologischen Methanisierung noch weitgehend unerforscht (TRL 3-4). Es existieren noch keine Demonstrationsanlagen und Forschungsergebnisse liegen nur auf Laborebene vor. Bisher konnten grundlegende Aussagen zu möglichen Elektronentransfer-Mechanismen zwischen der Elektrode (Kathode) und den entsprechenden Mikroorganismen getroffen werden. Es ist bisher aber noch unklar, welcher Elektronentransferweg und welche Kombination von Elektrodenmaterial und Mikroorganismus bzw. mikrobieller Gemeinschaft die beste MBR erzielt. Generell zeigen die bisher erzielten MBR der bioelektrochemischen Methanogenese eine weite Spannbreite, liegen aber bereits im Bereich der biologischen Methanisierung. Der klare Vorteil dieser Technologie liegt darin, dass eine der Methanisierung vorgeschaltete Wasserstoffbereitstellung mittels Elektrolyse und die damit in Zusammenhang stehende problematische Wasserstoffspeicherung überflüssig wird. Ob die bioelektrochemische Methanisierung in der Lage ist, auf flexible Strombereitstellung zu reagieren, muss noch geklärt werden. Wie auch bei der biologischen Methanisierung muss es Gegenstand weiterer F&E Bemühungen sein, die MBR zu erhöhen, um die Elektrodenoberfläche bzw. das Reaktorvolumen und damit die Investitionskosten möglichst niedrig zu halten. Aufgrund der relativ niedrigen MBR bei der bioelektrochemischen Methanisierung muss die CO2 Einbringung in den Reaktor an die MBR bzw. die intermediäre H2 Produktion angepasst werden, um eine Verdünnung des Produktgasstromes zu vermeiden. An dieser Stelle müssen noch weitere F&E Bemühungen unternommen werden, um z. B. geeignetes Membranmaterial und andere technische Lösungen zur Einbringung von Kohlendioxid zu identifizieren bzw. anzupassen. Wie auch bei der biologischen Methanisierung muss auf mikrobiologischer Ebene gezielt nach geeigneten Stämmen bzw. Mischkulturen gesucht werden. Hier kann die Identifikation und Bereitstellung von molekularbiologischen Markern und gezielte Selektion bzw. Modifikation von Mikroorganismen zielführend sein. Auf elektrochemischer Ebene ist insbesondere die Identifikation und Modifikation geeigneter Elektrodenmaterialien notwendig. Vor der Entwicklung von Demonstrationsanlagen muss das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten im Labormaßstab optimiert werden.

Quellen