Die Biomethanisierung als Baustein der Energiewende auf Kläranlagen

Im Zuge der Energiewende sollen erneuerbare Energien langfristig die zentrale Rolle im deutschen Energiesystem übernehmen. Eine vielversprechende Lösung für die flexible und bedarfsgerechte Energiespeicherung ist die Umwandlung von Wasserstoff (H₂) und Kohlendioxid (CO₂) zu Methan (CH₄) durch das sogenannte Power-to-Methane-Verfahren. Dabei wird H₂ aus nicht genutztem regenerativem Strom mittels Elektrolyse hergestellt und CO₂ aus Kläranlagen, Biogasanlagen oder der Industrie kann direkt am Ort der Entstehung genutzt werden. Die mikrobiologische Umwandlung von H₂ und CO₂ zu CH₄ unter anaeroben Bedingungen durch methanogene Mikroorganismen ist als Teilprozess aus Biogasanlagen oder Faulbehältern bekannt. Ein besonders leistungsfähiges Reaktorkonzept ist der gasgefüllte Rieselbettreaktor, in dem die Mikroorgansimen auf Aufwuchskörpern immobilisiert sind. Im abgeschlossenen Projekt DemoMeth konnte ein Pilotreaktor mit einem aktiven Reaktionsvolumen von 0,8 m³ auf der Kläranlage Garching installiert werden. Als CO₂-Quelle wurde Rohbiogas aus dem Gasspeicher des Faulbehälters eingesetzt, wodurch eine Aufwertung des Biogases am Entstehungsort bis auf Einspeisequalität (> 96 % CH₄) ermöglicht werden konnte. Dabei wurde im Pilotreaktor eine stabile Methanproduktionsrate von 6 m³/(m³ Reaktionsvolumen*d) erreicht.

Nach einer 1,5-jährigen Stillstandszeit konnte der Pilotreaktor, im Rahmen des neuen Projekt KomMeth, vollständig instandgesetzt und wieder in Betrieb genommen werden. Die ersten Anfahrversuche im Kaltstart belegen, dass der Reaktor auch nach längerem Stillstand innerhalb kurzer Zeit wieder eine stabile Methanproduktion erreichen kann.

Nun wird das Konzept unter realen Bedingungen getestet und die H2-Versorgung aus Gasbündeln durch die Integration eines Elektrolyseurs ersetzt. Die Kopplung von Elektrolyse und Methanisierung soll die Funktionalität des Gesamtprozesses demonstrieren und dabei auftretende Herausforderungen, beispielsweise bezüglich der notwendigen Zwischenspeicherung von H₂, identifizieren und adressieren. Zusätzlich werden Untersuchungen zur Optimierung der Methanproduktivität, der Prozessstabilität und dem dynamischen Betrieb der Anlage durchgeführt.