Wirtschaftliches Potenzial für Methan aus Rieselbettreaktor

Die Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) und die Hochschule Flensburg haben ein Power-to-Gas-Konzept für einen Erneuerbare-Energien-Standort in Nordhackstedt, einer Gemeinde 24 Kilometer südwestlich von Flensburg (Schleswig-Holstein) erarbeitet. Das Konzept soll den Weiterbetrieb von zwei Windrädern ermöglichen, die aus der gesetzlich garantierten Stromvergütung fallen werden.

Die Berechnungen der Forschenden ergaben: Wirtschaftliche Methan-Gestehungskosten sind möglich − vorausgesetzt, es erfolgen Anpassungen bei den regulatorischen Rahmenbedingungen für die Energiewende.

Zum Hintergrund: In der Gemeinde Nordhackstedt betreibt der Landwirtschaftsbetrieb Nissen Biogas GmbH & Co. KG eine 900 kW-Biogasanlage, zwei Satelliten-Blockheizkraftwerke mit je 400 kW, ein Nahwärmenetz und zwei Windkraftanlagen mit 0,6 beziehungsweise 1,5 MW elektrischer Nennleistung. Für die beiden Windräder läuft der 20-jährige Vergütungszeitraum nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ab. Das heißt: Für den Strom aus diesen Anlagen erhalten die Betreiber Bernd und Dirk Nissen nur noch Börsenstrompreise, mit denen die Windräder kaum rentabel zu betreiben sind. Um sie nicht abschalten zu müssen, suchten die Nissens nach neuen Geschäftsmodellen.

Biologische Methanisierung bevorzugt

Mit ihrem Power-to-Gas-Ansatz wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in einem ersten Schritt die Stromüberschüsse aus den Windkraftanlagen zum Betrieb eines Elektrolyseurs nutzen, um grünen Wasserstoff herzustellen. Die Biogasanlage wiederum liefert Rohbiogas. Dessen CO2-Anteil reagiert in einem zweiten Schritt in einem Reaktor mit dem Wasserstoff zu Methan (CH4, erdgasäquivalent). In diesem Fall handelt es sich um eine biologische Methanisierung in einem eigens entwickelten Rieselbettreaktor, in dem spezialisierte Mikroorganismen unter anaeroben Bedingungen Methan erzeugen und dabei auch Wärme freisetzen.

Laut den Forschenden ist die biologische Methanisierung im Vergleich zur katalytischen Methanisierung apparatetechnisch weniger aufwändig und technologisch sehr robust. Weder Überdruck, noch hohe Temperaturen seien nötig. Durch den Verzicht eines Rührwerkes sei die biologische Methanisierung zudem auch weniger energieaufwendig. Ein weiterer Vorteil sei die hohe Produktgasreinheit, die bei dieser Methode der Methanisierung erreicht würde.

"Für die synergistische Kopplung mit Biogasanlagen spricht nicht nur die Verwendung von Rohbiogas als Input, sondern auch, dass die Nährstoffversorgung der Mikroorganismen im Rieselbett über die flüssigen Gärreste der Biogasanlage erfolgen kann", schreiben die Forschenden. Die ausgekoppelte Reaktionswärme stünde für eine Nutzung, etwa für die Fermenterheizung, bereit.

In ihrer Durchführungsstudie legten die Forscher eine entsprechende Anlagenkombination für den Standort Nordhackstedt technisch aus und errechneten in verschiedenen Szenarien, zu welchen Kosten das Methan erzeugt werden könnte. Entscheidende Kenndaten dafür wurden in Testreihen in einem Rieselbett-Versuchsreaktor ermittelt. Im kontinuierlichen Langzeitbetrieb zeigten sie, dass Rohbiogas als CO2-Quelle für die biologische Methanisierung geeignet ist. So erreichten die Forschenden eine dauerhafte und stabile Methanbildungsrate von 7 Nm³ CH4 pro Kubikmeter Reaktionsvolumen und Tag bei einer Methankonzentration im Produktgas von 95 %.

​Praktische Erprobung geplant

In Nordhackstedt wollen Landwirte und Forschende das beschriebene Konzept künftig praktisch erproben, die Errichtung eines Elektrolyseurs und eines Rieselbettreaktors sind geplant. Der Strom soll zunächst nur von der älteren der beiden Windkraftanlagen bezogen werden, die vorgesehene elektrische Anschlussleistung des Elektrolyseurs liegt bei 333 kW. Damit ist man in der Lage, einen Teilstrom des Biogases aus der Biogasanlage zu methanisieren. 

Das Projekt läuft unter dem Titel "Bedarfsgerechte Speicherung fluktuierender erneuerbarer (Wind-) Energie durch Integration der Biologischen Methanisierung im Rieselbettverfahren im Energieverbund in Schleswig-Holstein (WeMetBio)". Es wurde vom Landwirtschaftsministerium über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) gefördert.

Die Ergebnisse der Machbarkeitsstudie sind auf der Internetseite der Fachagentur Nachwachsende Rohstoff unter den Förderkennzeichen "2219NR134" und "2219NR401" einsehbar.