Viele Biogas-Anlagen sind veraltet. Veraltete textilen Membranhüllen verursachen große Verluste. Forscher des KIT tüfteln an einer verbesserten Variante.
Innenansicht des Versuchsbehälters bei zum Teil abgelegter Gasmembran auf der Stützkonstruktion.
Rosemarie Wagner, KIT
Biogas ist neben der Wasserkraft die einzig grundlastfähige erneuerbare Energie und sollte deswegen für die Energiewende eine wichtige Rolle spielen. "Biogas entsteht durch Vergärung von Biomasse jeder Art – Bioabfall (Speisereste, Rasenschnitt), Gülle, Mist, Pflanzenreste oder gezielt angebaute Energiepflanzen", beschreibt Springer-Autor Cornel Stan in seinem Buchkapitel Wärme, Strom und Kraftstoff aus Biogas auf Seite 199 das Herstellungsverfahren.
Dabei entsteht vorrangig Methan, das meist vor Ort in Blockheizkraftwerken in Strom umgewandelt, seltener jedoch direkt ins Erdgasnetz eingespeist wird.
Viele Anlagen sind deutlich überaltert und erreichen ab diesem Jahr das Ende der Förderung. Für Betreiber wird eine verbesserte Effizienz der Anlagen, sollen sie denn weiterlaufen, unabdingbar. Und dazu gehört das Minimieren der Verluste an Methan, das durch eine aus Textilien bestehende Membran am Dach der Anlagen entweicht. Viele dieser Membrandächer sind verschlissen und müssen ausgetauscht werden.
Deswegen haben die Membranspeicher bei vielen Klimaschützern einen schlechten Ruf. "Aktuell sind die Speicher in Deutschland in einem schlechten Zustand. Wegen akuter technischer Mängel müssen in den nächsten Jahren bis zu 80 Prozent aller textilen Hüllen ausgetauscht werden. Etwa fünf Prozent des produzierten Methans entweicht unkontrolliert in die Atmosphäre", rechnet Professorin Rosemarie Wagner vom Institut Entwerfen und Bautechnik (IEB) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).
Wissenschaftler des KIT wollen bei dieser Gelegenheit gleich ein verbessertes Design, wirksamere Standards und optimierte Betriebskonzepte entwickeln. Dazu untersuchten sie zwei Jahre lang die textilen Speichersysteme in einem vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) geförderten Forschungsprojekt.
Membranspeicher reagieren auf Umweltfaktoren
Denn bislang fehlten Daten und Methoden zur Berechnung einer dauerhaft gasdichten Auslegung, Steuerung und Konstruktionsweise der Membranspeicher. "Wissenschaftliche Arbeiten, die sich mit der Interaktion zwischen Umgebungsbedingungen, Luft- und Gasmasse sowie zwischen Massen- und Volumenströmen von Membranspeichern befassen – die gab es schlichtweg nicht", sagt Kai Heinlein vom IEB.
Für das Projekt wurde deshalb eine begehbare, ohne Biogas betriebene Versuchsanlage zur Datenerhebung errichtet. Sie wurde mit einer zweilagigen, textilen und mit Innendruck stabilisierten Abdeckung ausgestattet. Darunter konnten mit einem Luftgebläse unterschiedliche Füllstände simuliert werden. Drucksensoren und Kameras beobachteten das Verhalten bei unterschiedlichen Jahreszeiten und Wetterverhältnissen.
"In einem prall gefüllten Speicher genügt vielleicht ein heißer Sommertag, um Versagen an den Nähten zu verursachen, weil sich die Gase schnell ausdehnen", so Heinlein. "Trifft dagegen starker Wind auf einen niedrigen Füllstand, kann die Membran durch Flattern und Schlagen beschädigt werden." Signifikant würden diese Effekte vor allem durch die großen Gasmengen, die in den Membranspeichern gelagert werden. In Deutschland sind bis zu 10.000 Kubikmeter möglich.
Halbkugel vergrößert Speichervolumen
Mit den Messergebnissen sollen Folgeprojekte datenbasierte Modelle zur Interaktion der verschiedenen Einflussparameter und Zustände entwickeln. "Solche Modelle werden dringend benötigt, um den nachhaltigen Betrieb der Speichersysteme dauerhaft zu sichern", sagt Wagner.
Einige Erkenntnisse gibt es schon jetzt. So ist die typische Messtechnik zur Ermittlung des Füllstands als zentraler Parameter zu ungenau. Die Steuerung des Luftdrucks in der Außenhülle ist zu wenig flexibel, um auf Außenbedingungen zu reagieren. Hier könnte eine Druckluftsteuerung sinnvoll sein. Zudem hat sich die Halbkugelform als geometrisch günstigste Bauweise erwiesen, weil sie gegenüber der Kugelabschnittsform das dreifache Volumen speichern kann. Weitere Formen, so Dachvarianten wie Betondecke, Tragluftdach (Kegel) und Folienmembran (Kugelhaube), benennen die Springer-VS-Autoren Joshua Güsewell, Marlies Härdtlein und Ludger Eltrop in ihrem Buchkapitel Repowering von Biogasanlagen – ein Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung? auf Seite 321.