Biogaserzeugung in der Landwirtschaft

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Katrin Gerstle
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1 Biologische Wasserstoffmethanisierung Der Landwirt und Power als Energiewirt to Gas - Zukunftschancen für die Biogastechnologie Biogaserzeugung in der Landwirtschaft M. Sc. Bernhard Lecker, Dr. Hans Oechsner, Dr. Andreas Lemmer Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie, Universität Hohenheim

2 Biologische Wasserstoffmethanisierung und Power to Gas Zukunftschancen für die Biogastechnologie Einleitung: Erweiterung der Produktion erneuerbarer Energie Treibhausgasemission reduzieren Anteil EE erhöhen Wind- und Sonnenenergie unterliegen natürlich starken Schwankungen Langsamer Ausbau des Stromnetzes Risiko der Netzüberlastung Mangel an leicht speicherbaren Energiequellen bzw. an ausreichernder Speichertechnologie 2

Politische Ziele zur Energiewende Ausbau der erneuerbaren Energien => tiefgreifender Wandel der Energieversorgungsstrukturen Reduktion der Treibhausgasemissionen (Basis 1990) [1990: 1.250 Mio to.

3 Politische Ziele zur Energiewende Ausbau der erneuerbaren Energien => tiefgreifender Wandel der Energieversorgungsstrukturen Reduktion der Treibhausgasemissionen (Basis 1990) [1990: Mio to. 2014: -27 %] Senkung des Primärenergieverbrauchs (Basis 2008) [2008: PJ 2014: -8,6 %] Anteil der Stromerzeugung aus EE am Bruttostromverbrauch [2014: 27,4 %] Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttoendenergieverbrauch [2014: 13,5 %] Treibhausgasminderungsquote für Kraftstoffe S. Kohler, dena, 2014

4 Entwicklung der Strombereitstellung aus erneuerbaren Energien Anteil am Brutto- Stromverbrauch ,88 % 7,03 % 5,18 % 8,64 % 3,48 %

5 Biologische Wasserstoffmethanisierung und Power to Gas Zukunftschancen für die Biogastechnologie Erweiterung der Produktion erneuerbarer Energie Treibhausgasemission reduzieren Anteil EE erhöhen Wind- und Sonnenenergie unterliegen natürlich starken Schwankungen Langsamer Ausbau des Stromnetzes Risiko der Netzüberlastung Mangel an leicht speicherbaren Energiequellen bzw. an ausreichernder Speichertechnologie 5

6 Zubau der Erneuerbaren Energie-Anlagen Aktuell Knapp 50 GW PV- Anlagen Rund 40 GW Windkraftanlagen Bis 2050 PV-Zubau um rund 200 % WKA-Zubau gesamt um rund 380 % Energiemix der erneuerbaren Energie aus Sicht des Fraunhofer Instituts 2014

7 Zeitlicher Verlauf des Anfalls an Windenergie im Jahr 2009 geglättet auf Tagesbasis BDEW 2010

Speicherung von Energie (Menge und Dauer) Bruttostromerzeugung 2014 betrug 628 TWh Pumpspeicherkraftwerke können 0,05 TWh speichern Wasserstoffinfrastruktur ist noch

8 Speicherung von Energie (Menge und Dauer) Bruttostromerzeugung 2014 betrug 628 TWh Pumpspeicherkraftwerke können 0,05 TWh speichern Wasserstoffinfrastruktur ist noch nicht ausreichend ausgebaut Specht, 2009 Erdgasnetz ist ein ausgezeichneter Energiespeicher! km 909 TWh/a (2014) 217 TWh Speicher (24 Mrd. m³) Energiemenge 8

9 Biochemische Umsetzung von Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methan Sabatier-Reaktion CO H 2 CH H 2 O ΔG = -131,0 kj * Mol -1 1 m³ 11,98 kwh 9,968 kwh 2,01 kwh Differenz Blotevogel et al

10 Transport Transport Bio-Hydro-Methan-Erzeugung Stromnetz Wärmenetz Erdgasnetz Wind KWK in BHKW Bio-Hydro-Methan Solar and. EE Elektrolyse H 2 - Puffer O 2 technische Nutzung H 2 Biogasfermenter Hydrogenotrophe Methanisierung CH 4 Gas- Feinreinigung Erdgasspeicher Verdichtung Nachwachsende Rohstoffe sonst. Biomasse regenerative Kraftstoffe

Konversion: 35 60 C gute Verfügbarkeit der Gase gewährleisten -

11 Mikrobielle Konversion von Wasserstoff zu Methan Hydrogenotrophe Methanbakterien sind in jeder Biogasanlage vorhanden Notwendige Randbedingungen: - fermentative Konversion: C gute Verfügbarkeit der Gase gewährleisten - katalytisch-chemische Konversion (Sabatier): C, 5 50 bar Reinstgase DVGW, 2014, Specht, 2014

Biologische Wasserstoff Methanisierung Zur Zeit werden vorwiegend katalytisch-chemische Prozesse zu Power to Gas untersucht (Sabatier-Prozess), der sich

12 Biologische Wasserstoff Methanisierung Zur Zeit werden vorwiegend katalytisch-chemische Prozesse zu Power to Gas untersucht (Sabatier-Prozess), der sich vorwiegend für größere Einheiten eignet Biologische Methanisierung befindet sich in einem frühen Entwicklungsstadium Einige Projekte sind in Piloteinsatz 12

Verfahrenskonzepte zur Integration der Wasserstoffmethanisierung in den Biogasprozess I: Integration der Wasserstoff Methanisierung in den Biogasfermenter + Einfacher Aufbau + Vorhandene BGA nutzbar?

13 Verfahrenskonzepte zur Integration der Wasserstoffmethanisierung in den Biogasprozess I: Integration der Wasserstoff Methanisierung in den Biogasfermenter + Einfacher Aufbau + Vorhandene BGA nutzbar? + Wärmeenergie nutzbar? - Biogasmenge und H 2 Menge schwer kontrollierbar Schwankende Gasqualität - Reicht die H2-Verteilung, Löslichkeit von H2 - Geschwindigkeit der biologischen Umsetzung? Systemoptimierung

Verfahrenskonzepte zur Integration der Wasserstoffmethanisierung in den Biogasprozess II: Wasserstoff Methanisierung in separatem Fermenter, nachgeschaltet (separate Hydrolyse oder

14 Verfahrenskonzepte zur Integration der Wasserstoffmethanisierung in den Biogasprozess II: Wasserstoff Methanisierung in separatem Fermenter, nachgeschaltet (separate Hydrolyse oder Druckmethanisierung) + Kontrollierte Reaktionsbedingungen möglich + Dosierung der Reaktionsgase regelbar - Zusätzlicher Fermenter erforderlich - CH 4 im Eduktgas reduziert die Kontaktzeit der Gase im Bereich der Methanisierer

Verfahrenskonzepte zur Integration der Wasserstoffmethanisierung in den Biogasprozess III: Wasserstoff Methanisierung in separatem Fermenter, nachgeschaltet nach

15 Verfahrenskonzepte zur Integration der Wasserstoffmethanisierung in den Biogasprozess III: Wasserstoff Methanisierung in separatem Fermenter, nachgeschaltet nach Gasaufbereitung + Kontrollierte Reaktionsbedingungen + Dosierung der Eduktgase regelbar + Kein CH 4 im Eduktgas - Zusätzlicher Fermenter erforderlich - Nur für rel. große Anlagen geeignet

16 Verfahrensentwicklung Derzeit zwei Forschungskonzepte zur direkten Wasserstoff- Methanisierung im Fermenter in Bearbeitung CSTR Fermenter für die Wasserstoff-Methanisierung: Entwicklung eines effektiven Wasserstoff-Injektionssystems Übertragung auf existierende Praxissysteme vorgesehen Dezentraler Ansatz passt gut zur Struktur Baden-Württembergs Druck-Methanreaktor für die Wasserstoff-Methanisierung Wasserstofflöslichkeit in Flüssigkeit verbessert unter Druck Methan verlässt den Fermenter bereits unter Druck Ziel: Produktion eines hochwertigen Biogases mit einem Methangehalt von mehr als 90 % Partner Project (DVGW-EBI): Untersucht die Integration der biologischen Methanisierung in die Biogas-Prozesskette 16

Versuche zur fermentativen Methanisierung Aufbau Normaler Biogasbetrieb erweitert mit: - Tauchmotor-Belüfter (H 2 -Eintrag und -Durchmischung) -

17 Versuche zur fermentativen Methanisierung Aufbau Normaler Biogasbetrieb erweitert mit: - Tauchmotor-Belüfter (H 2 -Eintrag und -Durchmischung) - Gas Rezirkulation (rote Markierung) - Mesophile Prozesstemperatur (40 C) - Substratzugabe einmal täglich - BR: 1,61 kg ots d -1 m -3 Zeh,

18 Vergleich Biogaszusammensetzung ohne und mit Zugabe von Wasserstoffgas - halbstöchiometrisch (18 Nl/h) Vergleich Variation ohne H 2 Zugabe (V0) mit Variation 1 - Zunahme CH 4 -Produktion von 244 Nl auf 372 Nl / d + 53 % - Abnahme CO 2 -Produktion von 226 Nl auf 130 Nl / d - 57 % Zeh,

19 Vorläufige Erkenntnisse Es haben Umwandlungsprozesse stattgefunden Die gewählte H 2 -Einbringung funktioniert unter den gewählten Bedingungen Umwälzung des entstehenden Biogases verbessert Umsetzungsrate Erforderliche H 2 -Input Menge muss stöchiometrisch bestimmt werden Auswirkungen des zusätzlich eingetragenen H 2 auf den anaeroben Prozess: Biogasqualität hat sich verbessert CH 4 -Gehalt steigt auf max. 78 % CO 2 -Gehalt im Biogas sinkt bis auf 13 %) CH4-Produktion wurde max. um ca. 53 % gesteigert CH4-Ertrag pro kg ots Zugabe wurde von 380 auf max. 580 Nl CH 4 / kg ots d gesteigert

20 Ergebnisse Laboranalysen Laboranalysen weisen stabile Prozessbedingungen nach ph-wert steigt bis auf Werte um 8,3 Essigsäure und Propionsäurekonzentration steigt geringfügig an Pufferkapazität sehr gut Bis zu 96 % des Wasserstoffs wurde umgesetzt Energiegehalt im Biogas steigt erheblich an

21 Zusammenfassung Die biologische Wasserstoff-Methanisierung ist ein vielversprechender Forschungsansatz Zum Ausgleich von Stromleistungsschwankungen Zur Qualitätsverbesserung des Biogases Zur Speicherung elektrischer Energie in chemischer Form Zur Optimierung der Kohlenstoffnutzung Zur Steigerung des Methanertrags je ha Energiepflanzenfläche (Veredelung des knappen biologischen Kohlenstoffpotenzials) 21

Ausblick: Entwicklung eines neuen Containerlabors zur biologischen Wasserstoffmethanisierung - 4 parallel arbeitende Fermenter für höhere Untersuchungsgenauigkeit -

22 Ausblick: Entwicklung eines neuen Containerlabors zur biologischen Wasserstoffmethanisierung - 4 parallel arbeitende Fermenter für höhere Untersuchungsgenauigkeit - Tests weiterer Wasserstoffeintragstechniken - verbesserte Messgenauigkeit - online-messtechnik - Automatische Flüssigfütterung - ausgefeilte Explosionsschutzmechanismen

23 Politische Einschätzung! Der Wert von Biogas als nahezu einzige speicherbare Erneuerbare Energieform wird derzeit nicht wirklich honoriert. Hierbei ist ein politisches Umdenken zwingend erforderlich! 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Die Projekte werden vom MWK Ba-Wü. gefördert!

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