HS.R und MicrobEnergy setzen Power-to-Gas an Kläranlage Schwandorf um

22.08.2013
Von: MicrobEnergy GmbH, Prof. Dr. Michael Sterner

In Zusammenarbeit mit der Hochschule Regensburg (HS.R) soll das Verfahren Power-to-Gas erstmals an einer Kläranlage angewandt werden. Für das Forschungsprojekt "Mikrobielle Methanisierung" entwickelte die Firma MicrobEnergy GmbH das Verfahren von Power-to-Gas weiter.

Im Rahmen des Förderprogramms des bayerischen Staatsministeriums für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie "Innovative Energietechnologie und Energieeffizienz in Bayern" wurden Fördergelder für das Forschungsprojekt "Mikrobielle Methanisierung" beantragt. 

Es ist angedacht, dass das Forschungsvorhaben von der MicrobEnergy GmbH in Zusammenarbeit mit dem Zweckverband Verbandskläranlage Schwandorf Wackersdorf an der Kläranlage Schwandorf durchgeführt wird. Die Forschungsstelle für Energienetze und Energiespeicher der Hochschule Regensburg (HS.R) soll die wissenschaftliche Begleitforschung übernehmen. 

Power-to-Gas als Lösungsansatz für die Energiewende

Mit zunehmendem Ausbau von Wind- und Solarenergie werden in wind- und sonnenreichen Zeiten immer größere Mengen an Überschussstrom anfallen, die nicht in das Stromnetz eingespeist werden können. Gleichzeitig können im Zuge der Energiewende durch den Rückbau von konventionellen Kraftwerken in Zeiten von wenig Wind und Sonne Versorgungslücken entstehen.

Die Entwicklung von Energiespeichern ist eine der größten Herausforderungen der Energiewende. Eine interessante Lösungsmöglichkeit stellt die Technologie Power-to-Gas dar, die von Prof. Dr. Michael Sterner und Kollegen entwickelt wurde. Mit diesem Verfahren kann aus überschüssigem Wind- und Solarstrom durch Elektrolyse aus Wasser Wasserstoff hergestellt werden, der direkt genutzt oder über einen zweiten Schritt zusammen mit Kohlendioxid zu Methangas gewandelt wird.

Damit ist es gelungen, den natürlichen Speicherprozess der Natur, die Photosynthese, technisch nachzubilden.  Das Gasnetz in Deutschland hat eine Speicherkapazität von mehreren Monaten. Der Energieträger kann so über lange Zeit gespeichert und unabhängig vom Ort der Erzeugung zur Stromproduktion, der Wärmeversorgung oder in Erdgasautos als klimafreundlicher Energieträger verwendet werden. 

MicrobEnergy integriert Power-to-Gas in bestehende Kläranlagen 

Während in bisherigen Power-to-Gas Projekten die Methanisierung auf chemisch-katalytischem Weg erfolgte, konnte die MicrobEnergy GmbH im Labor- und Technikumsmaßstab ein Verfahren entwickeln, das eine Umwandlung des im Gärprozess anfallenden Kohlendioxid und des extern zugegebenen Wasserstoff zu Methan auf mikrobiologischem Weg ermöglicht. Die biologische Methanisierung zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität aus und ist damit ideal geeignet, fluktuierende Energiemengen aus Wind- oder Sonnenkraft aufzunehmen.

Im geplanten Projekt sollen die Verfahrensschritte entlang der biologischen Methanisierung weiter erforscht werden. Damit werden die Grundlagen für die Entwicklung eines Systems geschaffen, mit dem es möglich ist, anfallenden Überschussstrom unter Verwendung von Kohlendioxid aus Klärgas in Methan umzuwandeln.

Die eigentliche Methanisierung wird dabei von hochspezialisierten Mikroorganismen durchgeführt. Durch die Nutzung vorhandener Biogas- und Klärgasanlagen können die Investitionskosten für Power-to-Gas-Anlagen deutlich gesenkt werden, da an den Standorten Transformatoren, Strom- und Gasnetzanschlüsse bereits vorhanden sind.

Mikroorganismen wandeln erstmals Klärgas zu Methan

An der Kläranlage Schwandorf wird ein Elektrolyseur mit einer Leistung von 30 Normkubikmeter Wasserstoff pro Stunde installiert. Dieser wird über verschiedene Technologien in den Faulturm der Kläranlage eingebracht. Der Wasserstoff wird von den dort vorhandenen und speziell adaptierten Mikroorganismen in Methan umgesetzt.

Ein Vorteil dieses Verfahrens ist die geringe Anforderung an die Reinheit des elektrolytisch erzeugten Wasserstoffs. Der Umwandlungsprozess von Wasserstoff zu Methan kann bei Betriebstemperatur der Kläranlage von 40°C sehr schnell in Gang gesetzt oder abgeschaltet werden, wobei die Mikroorganismen ihren Stoffwechsel bis auf ein Minimum herunter regulieren. Diese Flexibilität ist für die Nutzung des fluktuierenden Überschussstroms von großem Vorteil.

Die milden Prozessparameter von vergleichsweise geringen Temperaturen und Drücken machen diesen Weg der Methanisierung im Vergleich zu bisher angewandten katalytischen Verfahren interessant.

Das erforderliche Kohlendioxid ist durch den anaeroben Abbauprozess der Kläranlage frei verfügbar. Die Stabilität und die Stoffumsatzrate des biologischen Prozesses sollen bei unterschiedlichen Zugabemengen von Wasserstoff untersucht werden und damit auf reale Betriebsbedingungen bei schwankenden Überschussstrommengen getestet werden.

In der Begleitforschung werden Energiebilanzen, Wirkungsgrade und Treibhausgasbilanzen des Verfahrens untersucht und zu anderen Möglichkeiten der Energiespeicherung verglichen. Des Weiteren werden mögliche Geschäftsmodelle zur Umsetzung des Verfahrens und dessen Rolle für die Energiewende in Bayern herausgearbeitet.

Die Kooperationspartner

Die MicrobEnergy GmbH wurde zum Januar 2012 als Ausgliederung der Forschungsabteilung der Schwandorfer Firma Schmack Biogas GmbH gegründet und ist wie diese eine 100%ige Tochter des Heiztechnikherstellers  Viessmann, der weltweit über 10.600 Mitarbeiter beschäftigt. Die MicrobEnergy GmbH zeichnet sich durch langjährige Erfahrung, Kompetenz und fundiertem Wissen im Bereich der Biogastechnologie und Mikrobiologie aus.

Mit rund 9.000 Studierenden ist die Hochschule Regensburg (ab Oktober 2013 „Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg“) eine der größten Hochschulen für angewandte Wissenschaften in Bayern. Die Forschungsstelle für Energienetze und Energiespeicher (FENES) ist eine forschungsnahe Hochschuleinrichtung, die sich mit energietechnischen, energiewirtschaftlichen und energiepolitischen Fragestellungen im Bereich der Energieversorgungsnetze und Energiespeicher verschiedener Technologien befasst. Mehrere Professoren forschen interdisziplinär zu Themen der Integration erneuerbarer Energien in Projektteams.

Der Zweckverband Verbandskläranlage Schwandorf-Wackersdorf  wurde 1994 gegründet und konnte zwei Jahre später die Kläranlage in Schwandorf in Betrieb nehmen. Jährlich werden in der mechanisch-biologischen Anlage ca. 5.000.000 m³ Abwasser nach dem neuesten Stand der Technik auf höchste Reinigungsleistung aufgearbeitet. Ein besonderes Augenmerk wurde in den vergangenen Jahren auf den Energieverbrauch gelegt. Durch verschiedene Neuerungen und Nachrüstungen wird mittlerweile eine Eigenerzeugung von 75% erreicht.

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