Technische Hochschule Ingolstadt - Zentrum für Angewandte Forschung (ZAF)
Esplanade 10
85049 Ingolstadt

2219NR279

01.01.2020

In den Laborversuchen zur Methanisierung-Fermenter-Kopplung konnte in einem Best-Case-Test eine Erhöhung der CH4- Konzentrationen in der Fermenterhülle auf ca. 82 % erreicht werden. Dies ermöglichte einen experimentellen Nachweis des vorgeschlagenen Konzepts zur Flexibilisierung von Biogasanlagen. Im Rahmen der Kopplung wurde allerdings ein unerwarteter Effekt beobachtet. So führte das Einleiten des Produktgases aus der Methanisierung (90 % CH4; 4 % H2, 6 % CO2) über die Kopplungsdauer zu einem drastischen Anstieg der H2S Konzentration. Die H2S Konzentration stieg innerhalb von 6 Stunden von ca. 10 ppm auf ca. 1200 ppm an. Mittels weiterer Versuchsreihen konnte ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Wasserstoffeinleitung und dem Schwefelwasserstoffanstieg nachgewiesen werden. Des Weiteren konnte durch eine Versuchsreihe zur singuläre Methaneinleitung und einem anschließenden Vergleich der dabei gemessenen mit der simulierten Methananreicherung im Gasspeicher, ein negativer Einfluss der Methaneinleitung auf die Substratbiologie ausgeschlossen werden. Auch die Auswertung der produzierten Biogasmenge während der Methaneinleitung zeigt keine Ausgasung von Bestandteilen. Eine durch die Änderung des Partialdruckes im Gasraum hervorgerufene vermutete Ausgasung von Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff kann somit bei der Einleitung von Methan bei einem Volumenstrom-Verhältnis (Biogas/Produktgas) = 1 ausgeschlossen werden. Neben der Untersuchung der Auswirkungen der Langzeiteinleitung des Methans auf die Biogasproduktion, wurde zudem noch die Umsetzbarkeit eines Tag-Nacht-Speicherzyklus untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass die Idee des Tag-Nacht-Zyklus und somit die Flexibilisierung von Biogasanlagen, unter Betrachtung der Methananreicherungsdauer, sehr erfolgversprechend ist. Außerdem konnte über den entwickelten Heatpipe-Injektor eine zuverlässige und Abkühlung des nach der Methanisierung 250 °C heißen Produktgases auf rund 60 °C gewährleistet werden.

Die Flexibilisierung von Biogasanlagen ist eines der wesentlichen Ziele der EEG Novellen der Jahre 2012, 2014 und 2017. Ziel ist dabei die bedarfsgerechte Drosselung der Stromproduktion beispielsweise tagsüber und eine Verschiebung der Stromproduktion zur Deckung von Strombedarfsspitzen. Das Konzept "Power-to-Gas" nutzt die Biogas- oder Kläranlage lediglich als CO2-Quelle für die Methanisierung und ist entsprechend auf sehr große Biomethananlagen mit CO2-Abtrennung beschränkt. Wesentlich vereinfachen würde sich die Prozesskette dagegen, wenn das CO2 für die Methansierung nicht vollständig abgetrennt werden müsste, sondern das Biogas direkt katalytisch umgesetzt werden könnte und im vorhandenen Gasspeichervolumen der Fermenter zwischengespeichert wird. Beim vorgeschlagenen Konzept wird daher dem Fermenter kontinuierlich Biogas entnommen. Der CO2- Anteil wird katalytisch in Methan gewandelt und zurück in den Fermenter gespeist. Dadurch wird der Anteil des Methans im Gasspeichervolumen des Fermenters kontinuierlich erhöht. Durch die in diesem Projekt vorgeschlagene Rückführung des heißen Produktgases in den Fermenter vereinfacht sich die Prozesskette und Abwärmenutzung maßgeblich. Da auf die Gasnetzeinspeisung verzichtet wird, reduzieren sich der Aufwand und die Kosten gegenüber etablierten Konzepten substantiell. Das Projekt soll damit einen ersten "Proof-of-Concept" zur katalytischen Direktmethanisierung von Biogas mit Direktdampferzeugung und Direktbeheizung des Fermenters vorbereiten, um eine vielversprechende Option zur einfachen Nachrüstung und Flexibilisierung der ca. 9.000 bundesdeutschen Bestandsanlagen zu erproben.