Biologische Methanisierung im Biofilmreaktor

Laufzeit:
2023 - 2025

Finanzierung:
Österreichische Forschungsförderung, FFG, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

nationale Partner:

Competence Center CHASE GmbH, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Ansprechperson:
Jörg Krampe

Mitarbeiter:
Sebastian Böhler, Joseph Tauber

Links:

https://projekte.ffg.at/projekt/4536647, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Kurzinformationen zum Projekt

Durch Erhöhung des erneuerbaren Anteils bei der Energieproduktion durch Photovoltaik und Windenergie steigt aufgrund der Fluktuationen in den Produktionsbedingungen die Gegenläufigkeit von Angebot und Nachfrage, und infolgedessen der Bedarf an langfristigen Speichern für eine kontinuierliche Bereitstellung grüner Energie. Eine Möglichkeit, dieser Herausforderung zu begegnen, stellt die Methanisierung von Kohlendioxid aus Biogas großer Kläranlagen, industriellen Abgasen oder aus der Luft unter Nutzung von Wasserstoff aus Elektrolyse dar, wobei hier auch biologische Prozesse zum Einsatz kommen können, wie die im Projekt thematisiert biologische Methanisierung. Diese stellt dabei eine Möglichkeit dar, bestehende Infrastruktur wie Gasnetz und Speicher zu nutzen, CO2-Emissionen zu reduzieren, gleichzeitig das Stromnetz zu entlasten und fossiles Erdgas aus politisch unsicherer Herkunft durch regional produziertes Biomethan zu ersetzen. Das energetische Potential einer Implementierung der biologischen Methanisierung, die insbesondere für Abwasserreinigungsanlagen mit bestehender Biogasproduktion von hohem Interesse ist, liegt für Österreich bei 220 GWh/a, bzw. 3% der erneuerbaren Stromproduktion oder 1% des gesamten Erdgasbedarfes. Das derart bereitgestellte Energiepotential liegt monetär bei ca. 120 Mio. Euro pro Jahr.
Für die Implementierung der biologischen Methanisierung wird Wasser unter Nutzung von elektrischem Strom (aus erneuerbaren Energiequellen) über Wasser-Elektrolyse in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Anschließend wird mit dem erzeugten Wasserstoff, Kohlendioxid im Biogas von Kläranlagen von Mikroorganismen biologisch zu Methan umgewandelt (methanisiert). Dadurch wird neben der CO2 Entfernung auch der Methangehalt des Biogases von ca. 65% auf nahezu 100% gesteigert, was vielfältige, weitere Nutzungsmöglichkeiten mit sich bringt. Das erzeugte Biomethan kann verflüssigt oder komprimiert direkt als Energiequelle genutzt werden oder in die bestehende Erdgasinfrastruktur zur Verteilung und Speicherung eingespeist werden. Der bei der Elektrolyse des Wassers anfallende Sauerstoff kann industriell oder z.B. direkt vor Ort in der Abwasserreinigung genutzt werden.
In einem Vor-Projekts (BioMAra) konnte bereits die grundsätzliche Machbarkeit einer biologischen Methanisierung von CO2 im Biogas von Abwasserreinigungsanlagen demonstriert werden. Gemäß den Ergebnissen dieses Vor-Projekts wurden jedoch eine Reihe von grundlegenden und entscheidenden Faktoren für die Prozessumsetzung definiert, die bislang nur unzureichend erforscht wurden. Im Projekt BioMeFilm (Biologische Methanisierung im Biofilmreaktor) soll deshalb der Bedarf an Nährstoffen und Spurenelementen sowie die langfristige Stabilität und Effizient einer biologischen Methanisierungsanlage in Laborversuchen systematisch erforscht und die Ergebnisse für die Erstellung eines entsprechenden digitalen Prozessmodells verwendet werden. Dazu kommen u.a. Methoden wie 16s-rDNA Analytik, HPLC und ICP-OES Methoden zum Einsatz. Zudem sollen die grundlegenden Anforderungen an und die Wirkung von Aufwuchsträgern für die Bakterien im hydrogenotrophen Biofilm erforscht werden, die einen zentralen Faktor für die biologische Prozesseffizienz darstellen. Prototypen des mittels CFD-Simulation zu entwickelnden Biofilmträgers sollen mit 3D-Druck gefertigt und anschließend im Versuchsbetrieb real erprobt werden. Schließlich wird die kurz- und langfristige Anfahrdynamik (on/off-Betrieb) des biologischen Systems für eine Nutzung der Elektrolyse zur Netzstabilisierung und zur Sicherstellung eines stabilen langfristigen Anlagenbetriebs untersucht. Am Ende des Projekts sollen alle für ein Scale-Up und Umsetzung auf einem höheren „technical readyiness level“ notwendigen prozess- und verfahrenstechnischen Grundlagen vorliegen, um Biofilm-Methanisierungsanlagen am Standort von Kläranlagen mit Biogasproduktion errichten und betreiben zu können.
Betreiber großer Kläranlagen und Energieversorgungsunternehmen haben für das Projekt und den Ansatz ihr Interesse bekundet und Unterstützung zugesagt. Die TU Wien, Institut für Wassergüte und Ressourcenmanagement und die Competence Center CHASE GmbH werden als Projektpartner ihr komplementäres Know-how im Bereich Biomethan-Erzeugung und Speicherung mittels Power-to-Gas bzw. Prozessintensivierung einbringen und weiter ausbauen, global verbreiten und so Österreich als Innovationsstandort in diesem Bereich ausbauen.