Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

NextGenBiogas – Flexible Bioenergieerzeugung zur Stabilisierung der Stromnetze

Bedarfsorientierte Biogaserzeugung als Beitrag zur Energiewende

Die flexible Bereitstellung von Bioenergie und die daraus resultierende bedarfsgerechte Verfügbarkeit sind ein Schlüssel für eine erfolgreiche Integration der Biogaserzeugung in das künftige Energiesystem und für die Zukunft dieses regenerativen, biogenen Energieträgers.

Gegenstand des Verbundvorhabens NextGenBiogas ist deshalb die Entwicklung einer flexiblen, bedarfsgesteuerten Biogasproduktion für eine flexible Stromerzeugung. Durch bioprozesstechnische Maßnahmen in einem zweistufigen Prozess soll die Methanproduktion im Bedarfsfall signifikant schneller hochgefahren werden, als es nach dem bisherigen Stand der Technik und der Forschung möglich ist. Dazu muss der anaerobe Fermentationsprozess so betrieben werden, dass die an der Methanproduktion beteiligten Mikroorganismen schnell auf Veränderungen der Betriebsbedingungen reagieren können. Ziel ist, dass nicht das Substrat oder Biogas als Speichermedium fungiert, sondern leicht umsetzbare organische Säuren und Alkohole, die in der ersten Stufe des zweistufigen Biogasprozesses gebildet werden.  Prozessbegleitend wird über Next‑Generation Sequencing das Mikrobiom charakterisiert.

Biogasanlage.
Bedarfsgesteuerte Biogasanlagen können einen Beitrag zur Stabilisierung der Stromnetze leisten.

Vorteile, die sich daraus ergeben, sind die Optimierung der Biogasproduktion, eine höhere Prozessstabilität, die Reduzierung des Gasspeichervolumens, eine erhöhte Sicherheit sowie die Stabilisierung der Stromnetze. Das Projekt leistet so einen Beitrag zur flexiblen, bedarfsgerechten Bioenergieerzeugung, um Schwankungen der Stromerzeugung aus Sonne und Wind ausgleichen zu können.

Projektergebnisse

Angewandtes Konzept

Der anaerobe Fermentationsprozess ist ein sogenanntes zweistufiges anaerobes System: In einer ersten, hydrolytischen Stufe erfolgt die Säurebildung, in einer folgenden, methanogenen Stufe die Bildung von Biogas. Damit Anlagenbetreiber das zweistufige System effizient nutzen können, gilt es folgende Punkte zu berücksichtigen: die Konstruktion der Reaktoren, die Betriebsbedingungen, die Zusammensetzung des Inokulums und die Zusammensetzung des Futtersubstrats.

Um im Bedarfsfall die Methanproduktion in der zweiten Stufe schnell hochfahren zu können, werden in der ersten hydrolytischen Stufe leicht umsetzbare organische Säuren und Alkohole als Speichermedium erzeugt. Auch die Identifizierung von Mikroorganismen mit guten Anpassungseigenschaften an die Veränderungen im Systembetrieb zur schnellen und effizienten Methanproduktion ist ein wichtiges Thema innerhalb des Projekts NextGenBiogas.

Die zwei Phasen des Biogasprozesses wurden zunächst unter Laborbedingungen getrennt untersucht.

 

Effiziente Säureproduktion in der hydrolytischen Phase

In der hydrolytischen Phase wurden die optimalen Bedingungen für die schnelle und effiziente Säureproduktion ermittelt. Diese entsprechen der höchsten potenziellen Methanproduktion, die bei der Verwendung des jeweiligen Hydrolysats im methanogenen Reaktor erzielt werden kann. Die optimalen Bedingungen liegen bei einer Temperatur von  51 °C und einem pH-Wert von 5,5. Die höchste Säurebildung wurde bei dem Verhältnis von zerkleinerter Maissilage zu Rindergülle von 50:50 erreicht.

Methanogene Stufe einer anaeroben Biogasanlage mit Festbett-Umlaufreaktor.
© Fraunhofer IGB
Methanogene Stufe einer anaeroben Biogasanlage mit Festbett-Umlaufreaktor.

Flexible und bedarfsorientierte Biogaserzeugung in der methanogenen Phase

In der methanogenen Phase wurden verschiedene Szenarien der flexiblen Fütterung getestet, um die schnellste Erholung der Mikroorganismen und die höchste Effizienz der Biogasproduktion nach ausgewählten Hungerphasen zu erreichen.

 

Metagenom- und Metatranskriptomanalysen mit Short-Reads-Sequencing, Krona Software und »Kraken 2«-Methode.
© Fraunhofer IGB
Metagenom- und Metatranskriptomanalysen mit Short-Reads-Sequencing, Krona Software und »Kraken 2«-Methode.

Prozessüberwachung und -regulierung durch mikrobiellen Ansatz

Neben der Überwachung und Auswertung der experimentellen Versuche wurden Metagenom- und Metatranskriptomanalysen des Inokulums und der Proben aus dem zweistufigen System durchgeführt [1–3]. Anhand der erfassten mikrobiellen Daten konnten wir sowohl die jeweils beteiligten Spezies klassifizieren als auch ihre relative Häufigkeit bestimmen. Durch die Durchführung der Metagenom- und Metatranskriptomanalysen wird das Verhalten der Mikroorganismen als Folge der experimentellen Entwicklungen ermittelt und bewertet. Dies ermöglicht eine gezielte Animpfung des Prozesses mit diesen Mikroorganismen, zudem können Rahmenbedingungen vorgegeben werden, unter denen die Mikroorganismen ideal wachsen.

Ausblick

Laufende Versuche dienen der Optimierung der Biogasproduktion in der methanogenen Phase, die in einem Festbett-Umlaufreaktor durchgeführt wird. Die im Labormaßstab gewonnenen Ergebnisse bilden die Grundlage für die Planung und den Betrieb eines zweistufigen anaeroben Systems zur Biogaserzeugung im Praxismaßstab.

Literatur

[1] Grohmann, A., Fehrmann, S., Vainshtein, Ye. et al. Microbiome dynamics and adaptation of expression signatures during methane production failure and process recovery, Bioresource Technology 247 (2018). https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.08.214.

[2] Grohmann, A., Vainshtein, Y., Euchner, E. et al. Genetic repertoires of anaerobic microbiomes driving generation of biogas. Biotechnol Biofuels 11, 255 (2018). https://doi.org/10.1186/s13068-018-1258-x.

[3] Wood DE, Lu J, Langmead B. Improved metagenomic analysis with Kraken 2 (2019). Genome Biology. 2019 Nov; p. 76230.

Projektinformationen

Projekttitel

NextGenBiogas – Flexible Bioenergieerzeugung zur Stabilisierung der Stromnetze

 

Projektlaufzeit

Februar 2019 – März 2022

 

Projektpartner

  • Hochschule Hamm-Lippstadt, Hamm (Koordination)
  • Fraunhofer IGB, Stuttgart

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) sowie der Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe (FNR) für die Förderung des Projekts »NextGenBiogas«, Ausschreibungsprogramm Strom aus Biomasse in künftigen Energiesystemen, Förderkennzeichen 22408818 (Teilvorhaben 2).