CO2 zu CH4: Erhöhte Methanproduktivität in Biogasanlagen durch CO2-Anreicherung

Bis 2050 sollen in Deutschland rund 80 % des Energiebedarfes aus erneuerbare Energien gedeckt werden. Im gleichen Zeitraum wird eine Reduktion des Treibhausgases CO2 um 80 %, bezogen auf das Referenzjahr 1990, angestrebt. Die Entwicklung erneuerbarer Energien und die Reduktion von Treibhausgasemissionen sind daher entscheidend, um zu einer erfolgreichen Energiewende beizutragen. Die anaerobe Behandlung organischer Reststoffe zur Produktion von Biogas leistet bereits jetzt einen wichtigen Beitrag zum Portfolio der erneuerbaren Energien in Deutschland. Doch nicht nur im Rahmen der Energiewende rückt die Steigerung der Effizienz von Biogasanlagen zunehmend in den Fokus.

Kläranlagen machen rund 20 % des Energiebedarfs deutscher Kommunen aus und emittieren jährlich circa 3 Millionen Tonnen CO2. Derzeit wird die in den Abwasserinhaltsstoffen gebundene chemische Energie jedoch nur teilweise in Form von energiereichem Methan durch die anaerobe Stabilisierung von Klärschlamm zurückgewonnen. Während der anaeroben Behandlung entsteht CO2 als ein Nebenprodukt. Daher ist es zielführend, einen besseren Ausgleich zwischen Energieverbrauch und –produktion bei gleichzeitiger Reduktion des CO2-Fußabdrucks von Kläranlagen zu schaffen.

Neueste Studien zeigen eine Steigerung der Methanausbeute bei der anaeroben Vergärung durch Anreicherung des Klärschlamms mit CO2. Bisher wurden allerdings nur Hypothesen über mögliche Verwertungspfade des CO2, die zu einer erhöhten Methanproduktivität führen, formuliert. Die verschiedenen Hypothesen umfassen mögliche Effekte wie erhöhten Substratumsatz, Redoxreaktionen, Verschiebung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts sowie eine Reduzierung der Hemmung durch Ammoniak.

Ziel dieses Projektes ist es, die der CO2-Umwandlung zugrundeliegenden Prozesse zu identifizieren. Mit Hilfe von Isotopenmarkierung des eingebrachten CO2 sollen die biologischen Umwandlungspfade verfolgt und mittels vergleichender mikrobiologischer Untersuchungen die sich unter CO2-Anreicherung etablierenden Biozönose charakterisiert werden. Hierfür werden zwei Reaktoren im Labormaßstab kontinuierlich mit Rohschlamm gefüttert, wobei in einem Reaktor eine CO2-Anreicherung erfolgt, während der andere als Kontrollreaktor dient. Der kontinuierliche Betrieb beider Reaktoren ermöglicht es, die Bedingungen nachzustellen die auch in großtechnischen Faulbehältern vorherrschen. Die Ergebnisse dieser Studie sollen zum Verständnis der durch die CO2-Anreicherung ausgelösten Prozesse und einer Optimierung des Vergärungsprozesses beitragen. Die Nutzung des „Abfallproduktes“ CO2 zur verbesserten Ausschöpfung des Potentials der Energieproduktion aus Abfallströmen, kann somit einen erheblichen Beitrag leisten, die Energiewende weiter voran zu treiben.