Die Entwicklung praxistauglicher Langzeitspeicher zur Abfederung der stark schwankenden Energieproduktion der Windkraft- und Solaranlagen ist eine zentrale Herausforderung der Energiewende. Vor diesen Hintergrund forscht das PFI intensiv im Bereich der Power2Gas Technologie. Ausweis der erfolgreichen F&E Aktivitäten des PFI in diesem Bereich ist die bundesweit größte Anlage zur biologischen Methanisierung im Energiepark Pirmasens-Winzeln. Vor dem Hintergrund der hohen Strombezugskosten für die Wasserstoffbereitstellung sind weitere intensive Anstrengungen zur Prozess- und Verfahrensoptimierung sowie innovative Konzepte zur Sektorkopplung allerdings unabdingbar. Im September 2017 ist ein neues Projekt gestartet mit dem die Leistungsfähigkeit der biologischen Methanisierung nochmals deutlich gesteigert werden soll. Das 2-jährige Projekt wird im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF/AiF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

01.09.2017 – 31.08.2019

Hintergrund – Power2Gas

Deutschland verfolgt das Ziel, bis zum Jahr 2035 seinen Stromverbrauch zu ca. 60 % aus Erneuerbaren Energien zu decken. Allerdings führt der fortschreitende Ausbau zu zunehmenden Probleme bei der Netzstabilität. Bei einem weiteren Ausbau der Erneuerbaren Energien werden, neben dem Ausbau der Netzkapazitäten, schon ab 2025 effektive Langzeitspeicher in größerem Umfang benötigt. Der Power-to-Gas Technologie (P2G), als einzigen verfügbaren nationalen Langzeitspeicher, wird hierbei eine Schlüsselrolle zukommen. Eine vielversprechende P2G-Technologie stellt die biologische Methanisierung in Verbindung mit dem Erdgasnetz als Speicher dar. Im ersten Schritt erfolgt die Pro­duktion von Wasserstoff mittels Elektrolyse, als Energiequelle dient der Über­schussstrom von Windkraft- und Solaranlagen. Der Wasserstoff zusammen mit Kohlendioxid aus verschiedenen möglichen Quellen (Biogasanlagen, Industrie) wird im zweiten Schritt in Bioreaktoren für die Produktion von Methan genutzt. Ideale Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Etablierung des Verfahrens bietet zunächst die Ankopplung an bestehende Biogasanlagen. Das von den Anlagen produzierte CO₂ kann direkt, d.h. ohne weitere Aufreinigung, für das Verfahren eingesetzt werden. Daher entstehen keine Zusatzkosten für die CO₂-Bereitstellung. Hieraus ergibt sich auch ein wesentlicher Vorteil zu konkurrierenden Verfahren der technischen Methansynthese (Sabatier-Prozess). Erfolgreich umgesetzt wurde das Verfahren vom PFI am Energiepark Pirmasens-Winzeln. Mittels der vom PFI entwickelten Rieselstromreaktoren wird der CO₂-Anteil der ebenfalls PFI-eigenen Biogasanlage zusammen mit Wasserstoff zu einspeisefähigen Erdgas mit bis zu 99 % Methangehalt umgewandelt und seit Ende 2016 in das lokale Erdgasnetz der Stadtwerke Pirmasens eingespeist.

Ansatzpunkt und Zielsetzung – Einsatz von Hyperthermophilen Produktionsstämmen zur weiteren Steigerung der Produktivität

Auf der Grundlage der Forschungsaktivitäten zu Wachstum und Produktivität der methanbildenden Bakterien konnte gezeigt  werden, dass bestimmte thermophile Vertreter (optimales Wachstum zwischen 55 – 65 °C) deutlich leistungsfähiger sind als Organismen die bei moderaten Temperaturen (35 – 45 °C) wachsen.  Dementsprechend ist auch in der  Praxisanlage im Energiepark Winzel  ein spezieller thermophiler Produktionsstamm im Einsatz. Aus neueren Untersuchungen im Labormaßstab ergeben sich Ansätze zu weiteren deutlichen Effizienzsteigerungen durch den Einsatz sogenannter hyperthermophiler Einsatzstämme. Diese speziellen Organismen fühlen sich erst bei Temperaturen > 80 °C richtig wohl. Auf der Basis von Laborexperimenten konnten unter diesen extremen Bedingungen sehr hohe Methanproduktionsraten demonstriert werden. Ziel des Projektes ist es, durch den Einsatz dieser besonders leistungsfähigen hyperthermophilen Methanbakterien die Raum/Zeit-Ausbeute beim Verfahren der biologischen Methanisierung im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik signifikant zu steigern. Um die Praxistauglichkeit des entwickelten Verfahrens zu gewährleisten ist ein Upscaling vom Labor- über einen technischen bis zu Pilotmaßstab vorgesehen. Weitere Untersuchungen betreffen die Optimierung von Wachstumsmedien, das Energie- und Wärmemanagement beim Anlagenbetrieb unter hyperthermophilen Bedingungen (> 80 °) sowie Effekten von unterschiedlichen Fahrweisen des Reaktors auf die Prozessstabilität. Durch die Auswahl der leistungsfähigsten Produktionsstämme in Verbindung mit den weiteren Maßnahmen zur Verfahrensoptimierung soll das Projekt einen zentralen Beitrag zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit von P2G-Anlagen leisten.

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