Die biologische Methanisierung (auch mikrobielle Methanisierung) ist ein Konversionsverfahren zur Erzeugung von Methan mit Hilfe von hochspezialisierten Mikroorganismen (Archaeen) in einer technischen Anlage. Dieses Verfahren kann in einer Power-to-Gas-Anlage zur Gewinnung von E-Methan bzw. E-SNG, das wie Biomethan eingesetzt werden kann. Im Rahmen der Energiewende wird es als wichtige Speichertechnologie für fluktuierende erneuerbare Energien bewertet.Sterner, M. und Stadler, I.: Energiespeicher - Bedarf, Technologien, Integration. Springer Verlag, Berlin, 2014 Das Verfahren wurde 2015 in der weltweit ersten Power-to-Gas-Anlage dieser Art in die Praxis umgesetzt.http://www.microbenergy.com Die weitergehende Skalierung zur Überführung in die Praxis erfolgt zurzeit in Pilot- und Demonstrationsprojekten.

Begriffsklärung Die biologische Methanisierung beinhaltet das Prinzip der Methanogenese, einem spezifischen, anaeroben Stoffwechselweg, in dem Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan und Wasser umgesetzt werden. Analog zum biologischen Prozess existiert ein chemisch-katalytisches Verfahren, auch bekannt als Sabatier-Prozess. Im Gegensatz dazu stellen bei der biologischen Methanisierung die Mikroorganismen bzw. die von ihnen produzierten stoffwechselrelevanten Exoenzyme den Biokatalysator dar, der sich naturgemäß reproduziert.

Funktionsweise Hochspezialisierte Mikroorganismen, sog. Archaeen, wandeln biokatalytisch die Verbindungen Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) zu Methan (CH4) um. Die dafür relevanten mikrobiellen Stoffwechselprozesse laufen unter strikt anaeroben Bedingungen und in einer wässrigen Umgebung ab.Fuchs, G. und Schlegel, H.G.: Allgemeine Mikrobiologie. Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 2007Madigan, M., Martinko, J., Bender, K., Buckley, d. und Stahl, D.: Brock - Biology of Microorganisms. Pearson Education, München, 2009

Für das Verfahren geeignete Archaea sind sog. Methanogene mit einem hydrogenotrophen Stoffwechsel. Sie lassen sich grundlegend den Gattungen Methanopyrales, Methanobacteriales, Methanococcales und Methanomicrobiales zuordnen.Bischofberger, W., Dichtl, N., Rosenwinkel, K.-H. und Seyfried, C.F.: Anaerobtechnik. Springer-Verlag, Heidelberg, 2005Ferry, J.G.: The chemical biology of methanogenesis. Planetary and Space Science (2010) Nr. 58, S. 1775–1783. Diese Methanbildner sind in der Natur an verschiedene anaerobe Lebensräume und Milieubedingungen angepasst. Grundlegend benötigen Methanogene wässrige, anoxische Milieubedingungen mit mindestens 50 % Wasser, verschiedenen stoffwechselrelevante Mikro- und Makroelemente und einem Redoxpotential von kleiner −330 mV.Bo Young, J., Kim, S. Y., Park, Y. K. und Park, D. H.: Enrichment of Hydrogenotrophic Methanogens in Coupling with Methane Production Using Electrochemical Bioreactor. J. Microbiol. Biotechnol 19 (12) (2009), S. 1665–1671. Die Methanogenen bevorzugen leicht saure bis alkalische Lebensbedingungen und werden in einem sehr breiten Temperaturbereich zwischen 4 und 110 °C gefunden.Boone, D. R., Johnson, R. L. und Liu, Y.: Diffusion of the Interspecies Electron Carriers H2 and Formate in Methanogenic Ecosystems and Its Implications in the Measurement of Km for H2 or Formate Uptake. Applied and environmental microbiology 55 (1989) Nr. 7, S. 1735–1741.

Mögliche Anwendungen der biologischen Methanisierung Die biologische Methanisierung kann als In-situ-Verfahren innerhalb eines Fermenters (s. Abbildung 3.1) oder als Ex-situ-Verfahren in einem separaten Reaktor erfolgen (s. Abbildungen 3.2 bis 3.4). mini|3.1 Biologische Methanisierungsanlage. BGA = Biogasanlage; KA = Kläranlage; GA = Gasaufbereitungsanlage mini|3.2 Biologische Methanisierungsanlage. BGA = Biogasanlage; KA = Kläranlage; MA = Methanisierungsanlage mini|3.3 Biologische Methanisierungsanlage. BGA = Biogasanlage; KA = Kläranlage; GA = Gasaufbereitungsanlage; MA = Methanisierungsanlage mini|3.4 Biologische Methanisierungsanlage. MA = Methanisierungsanlage

Biologische Methanisierung in einer Biogas- oder Kläranlage mit einer Gasaufbereitungsanlage (In-situ-Verfahren) Der Wasserstoff wird für die biologische Methanisierung direkt in das Gärmaterial eines Fermentationsprozesses gegeben und erfolgt anschließend im durchgasten Fermentermaterial. Das Gas wird je nach Reinheit vor der Einspeisung ins Gasnetz zu Methan aufgereinigt.

Biologische Methanisierung an einer Biogas- oder Kläranlage ohne Gasaufbereitungsanlage (Ex-situ-Verfahren) Die biologische Methanisierung erfolgt in einer separaten Methanisierungsanlage. Das Gas wird vor der Einspeisung ins Gasnetz vollständig zu Methan umgewandelt.

Biologische Methanisierung an einer Biogas- oder Kläranlage mit einer Gasaufbereitungsanlage (Ex-situ-Verfahren) Das in der Gasaufbereitungsanlage erzeugte Kohlenstoffdioxid wird in einer separaten Methanisierungsanlage unter Zugabe von Wasserstoff zu Methan umgewandelt und kann anschließend in das Erdgasnetz eingespeist werden.

Biologische Methanisierungsanlage in Verbindung mit einer beliebigen Kohlenstoffdioxid-Quelle (Ex-situ-Verfahren) In einer separaten Methanisierungsanlage wird Wasserstoff zusammen mit Kohlenstoffdioxid zu Methan umgewandelt und anschließend in das Erdgasnetz eingespeist (Stand-alone-Lösung).

Technologische Lösungen Für die technologische Umsetzung muss die grundlegende ingenieurtechnische Herausforderung bewältigt werden: Sie besteht in der Gewährleistung des Stoffüberganges der Reaktionspartner H2 und CO2 aus der Gasphase in die Flüssigphase. Der mikrobielle Stoffwechselprozess kann ausschließlich nur in der Flüssigphase erfolgen. Aufgrund der schlechten Löslichkeit dieser gasförmigen Edukte Kohlenstoffdioxid und insbesondere von Wasserstoff kommt der technischen Lösung zur Steigerung der Löslichkeit bzw. Diffusion eine besondere Bedeutung zu. Hinsichtlich der Umsetzung in die Praxis haben sich bislang das Rieselbettverfahren und das CSTR-Verfahren durchgesetzt.

Rieselbettverfahren Die Steigerung des Stofftransportes wird durch Vergrößerung der spezifischen Oberfläche für den Stoffaustausch erreicht. Reaktoren werden mit Füllkörpern ausgestattet, die auf ihrer Oberfläche (meist 200–1000 m²/m³) zugleich als Träger der biofilmgebundenen Mikroorganismen dienen. Die Eduktgase bilden das Kontinuum im Reaktor und strömen im Plugflow durch die Schüttung. Sie werden in Durchströmungsrichtung umgesetzt, wobei die Methankonzentration ansteigt. Namensgebend ist die Zufuhr und Verrieselung von Prozesswasser, das neben der Befeuchtung des Biofilmes Lieferant von essenziellen Nähr- und Spurenstoffen ist. Das Verfahren zeichnet sich als sehr flexibles (Prozessdynamik), robustes (Störstofftoleranz) und nutzerfreundlich (Bauweise und Eigenenergiebedarf) aus.

CSTR-Verfahren In diesem Verfahrensaufbau sind die Mikroorganismen in der Prozessflüssigkeit suspendiert. Die Eduktgase werden in den vollständig flüssigkeitsgefüllten Reaktor eingepresst. Zum Rückhalt der Edukte H2 und CO2 und zur Erhöhung des Stofftransportes aus der Gasphase in die Flüssigphase erfolgt eine intensive Durchmischung durch Rührwerke.

Realisierung in der Praxis Seit März 2015 speist die weltweit erste Power-to-Gas-Anlage in Allendorf (Eder) synthetisches Biomethan, das mit Hilfe der biologischen Methanisierung erzeugt wird, in das öffentliche Erdgasnetz ein. Die Anlage hat eine Einspeiseleistung von 15 Nm³/hWas genau ist mit Volumenstrom in Nm³/h gemeint?, zuletzt abgerufen am 29. August 2019. Methan, das entspricht rund 400.000 kWh pro Jahr. Mit dieser erzeugten Gasmenge könnte jährlich eine Strecke von 750.000 km mit einem CNG-Fahrzeug klimaneutral zurücklegt werden.Über das Projekt „BioPower2Gas“, zuletzt abgerufen am 29. August 2019.Viessmann hat Power-to-Gas-Anlage in Betrieb genommen; Bio-Based News, 23. März 2015, zuletzt abgerufen am 29. August 2019. Ab 2016 gingen europaweit vereinzelte weitere Anlagen in Betrieb, vor allem in Dänemark und der Schweiz. In Deutschland beschränkt sich die Realisierung fast ausschließlich auf Pilot- und Demonstrationsanlagen, oft im universitären Umfeld.

Einzelnachweise

Kategorie:Biogastechnik