Biogasanlagen verwandeln organisches Material in Strom und Wärme. Dafür zersetzen Mikroorganismen Gülle, Pflanzenreste oder auch extra für diesen Zweck angebaute Energiepflanzen wie Mais und Getreide. Dabei entsteht das sogenannte Biogas, eine Mischung aus Methan und Kohlendioxid. Methan ist bekannt als Hauptbestandteil von Erdgas. Es ist auch der Teil des Biogases, der in den Motoren der konventionellen Blockheizkraftwerke als Brennstoff genutzt wird, um Elektrizität zu erzeugen. „Ein großer Teil der Energie wird im Motor aber nicht zu Strom umgewandelt, sondern zu Wärme“, sagt Stephan Herrmann, Leiter der Arbeitsgruppe für Elektrochemische Energiewandlung am Lehrstuhl für Energiesysteme der TUM.

Brennstoffzellen statt Motoren

Eine Alternative zu den Motoren bieten sogenannte Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Diese nutzen elektrochemische Prozesse, um aus Biogas Strom zu erzeugen und erreichen einen höheren Wirkungsgrad. „Allerdings wird in kommerziell verfügbaren Anlagen nicht das volle Potenzial der Brennstoffzellen ausgenutzt“, erklärt Herrmann. Es entstehen Brennstoffreste, die verbrannt werden. „Ein großer Teil der chemischen Energie des Biogases geht durch die Abgasnachbehandlung verloren.“

Er und seine Kollegen haben im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Vorhaben BioCORE ein alternatives Anlagenkonzept mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen erarbeitet. Die jungen Forscher haben die patentierte Technik bereits in einem Container als Prototypanlage umgesetzt und konnten die Machbarkeit des Systems zeigen.

Hoher Wirkungsgrad und zwei Betriebsmodi

„Wir haben in unserer Anlage einen geschlossenen Kreislauf verbaut“, erklärt Herrmann. „So haben wir keine Brenngasverluste, sondern eine nahezu 100-prozentige Nutzung des Methans.“ Als Abgas entsteht lediglich reines Kohlendioxid, das man speichern und dann weiter verwertet kann. Eine Dampfturbine kann die in den Brennstoffzellen entstehende Wärme zusätzlich in Strom umwandeln. „Wir kommen so perspektivisch auf einen bisher nicht erreichbaren elektrischen Wirkungsgrad von 80 Prozent.“

Das Besondere an diesem System: Die Hochtemperatur-Brennstoffzellen haben noch einen zweiten Betriebsmodus. Führt man ihnen Strom zu, kann man Kohlendioxid mit Wasserdampf wieder in Methan umwandeln. Das im Normalbetrieb erzeugte Kohlendioxid kann man so wieder nutzen. Das Methan, in das bestehende Erdgasnetz eingespeist, wäre so über Monate ohne größere Verluste hinweg gespeichert.

Bisher konnten die Forscher ihre Anlage auf dem Campus in Garching testen und nutzten dort Erdgas. Nun sind sie mit ihrem Container nach Erding umgezogen und haben die Prototypanlage an einer lokalen Biogasanlage erfolgreich in Betrieb genommen. Lehrstuhlleiter Hartmut Spliethoff ist von dem Konzept überzeugt. „Es handelt sich um ein komplett neues und anwenderorientiertes Systemdesign“, erklärt er. „Bisher ist noch niemand auf die Idee gekommen, diese Komponenten so zu verschalten, dass die Biogasanlage als Kreislauf betrieben werden kann. Besonders die Steuerungssysteme der Anlage erfordern viel Fachwissen und Tüftelei.“

Carbon Removal Student Competition: 250.000 US-Dollar Anschubförderung

Auch international kann das Team überzeugen: Das Projekt gehört zu den Gewinnern der XPRIZE Carbon Removal Student Competition und wird mit bis zu 250.000 US-Dollar gefördert. Die Carbon Removal Student Competition ist Teil des Wettbewerbs XPRIZE Carbon Removal, den die Musk-Foundation fördert. Ziel ist es, Technologien zur Entfernung von Kohlendioxid aus der Erdatmosphäre zu entwickeln.

13.11.2021 | Quelle: TUM | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH