Biologische Methanisierung trotz Asche und Teer

Ein Team aus Wissenschaft und Praxis erforscht wie man die thermochemische Vergasung holzartiger Biomasse und die mikrobielle Erzeugung von Methan effizient koppeln kann. Hauptaugenmerk gilt spezifischen Mikroorganismen und der Frage, wie diese die biologische Methanisierung auch unter erschwerten Bedingungen aufrechterhalten können. Die Erkenntnisse tragen nicht nur zur wirtschaftlichen Optimierung von Biogasanlagen durch Quervernetzung von Nährlösungsströmen bei. Sie erschließen vor allem neue, nachhaltige und kostengünstige Rohstoffquellen.

Sie sind die Hartgesottenen unter den Ur-Organismen: Archaeen besiedeln extreme ökologische Nischen, beispielsweise Schwarze Raucher, hydrothermale Quellen am Grund der Tiefsee. Einzelne Stämme dieser Mikroorganismen sind Teil der biologischen Kaskade, die in Biogasanlagen aktiv ist, um dort Kohlenstoffdioxid als Kohlenstoffquelle und Wasserstoff von anderen Kulturen zu übernehmen und Methan zu bilden (biologische Methanisierung). So geschieht es auch in Power-to-Gas genannten Verfahren.

Prozesse erheblich kostengünstiger gestalten

Der Grundgedanke dabei ist, Strom durch die Umwandlung zu einem energiereichen Gas auch über längere Zeiträume speicherbar zu machen. Benötigt wird das beispielsweise, wenn Solarstrom aus dem Sommer und Windstrom aus den Übergangszeiten in die Wintermonate transferiert werden soll, in denen der Bedarf hoch und die Erzeugung niedrig ist. Gleichzeitig können so Strom-, Wärme- und Mobilitätssektor gekoppelt werden. Optimal ist die Verwendung von Methan als ‚Speicher‘, weil das Erdgasnetz mit etwa 220 TWh eine enorme Kapazität hat. Ein solches Verfahren ist die biologische Methanisierung. Da dieser Prozess jedoch nach aktuellem Stand noch zu unwirtschaftlich ist, verfolgten nun Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), gemeinsam mit dem Praxispartner MicroPyros GmbH und dem Fraunhofer Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, eine Verfahrensidee, in der sie die Ausgangsstoffe der biologischen Methanisierung verändern und den Prozess damit erheblich kostengünstiger gestalten. Im Projekt „Ash-to-Gas – Mikrobielle Biomethan-Erzeugung mit Wasserstoff aus der thermischen Vergasung von Biomasse mit Nährstoffen aus Vergasungsrückständen“ wird dafür der Prozess der Vergasung mit der biologischen Methanisierung in Biogasanlagen gekoppelt.

Die Idee

Man vergast holzartige Reststoffe, wie kostengünstiges Straßenbegleitgrün, Grasschnitt, Stroh oder Waldrestholz. Somit entsteht ein Produktgas aus Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Kohlenmonoxid, welches die Archaeen in einem nachgeschalteten Fermenter methanisieren. Im Projekt wollten die Forscher nun herausfinden, ob die Mikroorganismen den erschwerten Bedingungen trotzen können. Die Firma MicroPyros kultiviert diese Mikroorganismen. „Sollten die Archaeen gegenüber Kohlenmonoxid und Teeren die Methanisierung aufrechterhalten, könnte die aufwändige Gasreinigung reduziert werden – ein wichtiger Schritt hin zu einer wirtschaftlichen Optimierung von Biogasanlagen.“, so Yvonne Gmach, Projektleiterin von MicroPyros. Darüber hinaus wollten die Forscher ermittelt, ob die Asche des Vergasers als Nahrung für die Archaeen dienen kann um Prozesskosten zu sparen.

Ergebnisse im Überblick:

• Über den Projektzeitraum wies das Projektteam nach, dass sämtliche Komponenten, die in realem Synthesegas aus der Vergasung enthalten sind, von den Mikroorganismen „geduldet“ werden.
• In den Teerversuchen reagierten die Mikroorganismen auf verschiedene Teerkomponenten unterschiedlich. Durchgeführte Versuche deuten darauf hin, dass größere Teermoleküle ungleich schwieriger von den Mikroorganismen zu tolerieren sind als kleinere Moleküle.
• Bei den Versuchen Nährlösung durch Asche zu ersetzen, reagierten die Mikroorganismen neutral bis negativ: Die Verbrennungs- und Vergasungsasche wird von den Mikroorganismen zwar grundsätzlich toleriert, kann nach Versuchserkenntnissen des Projektpartners MicroPyros jedoch nicht als alleiniges Nährstoffsubstitut verwendet werden.

Adaption der Kultur an Teere möglich

Projektkoordinator Thomas Trabold (FAU) differenziert die Ergebnisse: „Im Verlauf der Untersuchungen kann trotz aller Herausforderungen gezeigt werden, dass eine Adaption der Kultur an die Teere unter Verringerung der Methanproduktionsrate möglich ist. Denn die Mikroorganismen bauen die Teere höchstwahrscheinlich ab. Dadurch ergibt sich an dieser Stelle der größte Bedarf an weiterer Forschung, was die Abbauraten, -produkte, Belastungsgrenzen und vor allem die Adaptionsfähigkeit weiterer Kulturen angeht.“ Eindeutig erfolgreich hingegen war die Reaktion der Archaeen auf Kohlenstoffmonoxid. Sie akzeptieren dieses und verstoffwechseln es in der biologischen Methanisierung . Die Verwendung eines Rieselbettfermenters für die biologische Methanisierung birgt erhebliches Potential zur weiteren Prozessoptimierung.

28.02.2020 | Quelle: Deutsches Biomasseforschungszentrum | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH