Methan wird als chemischer Energiespeicher erforscht

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Bei einem steigenden Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung müssen Regelungsmaßnahmen getroffen werden, um die Netzstabilität zu gewährleisten. Möglichkeiten der Zwischenspeicherung sind daher bedeutend. Momentan können Pumpspeicherwerke Strom für wenige Stunden bereitstellen, andere Speichermöglichkeiten wie zum Beispiel Batteriespeicher sind erst am Beginn der Markterschließung. Forscher der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie an der Universität Hohenheim sehen eine Lösung im Bereich Biogas.

Sie wollen überschüssige elektrische Energie aus Wind- und Solarenergie in Biomethan umwandeln und so einen chemischen Zwischenspeicher schaffen. "Den überschüssigen Strom können wir gewissermaßen in Biogas, also Methan, umwandeln", erklärt Dr. Hans Oechsner, Leiter der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie an der Universität Hohenheim, das Grundprinzip. "Wir erhalten so einen chemischen Speicher mit einer Lagerkapazität von bis zu vier Monaten. Bei Bedarf kann das Biomethan dann jederzeit in das Erdgasnetz eingespeist werden."

Ziel: 100 Prozent Methangehalt im Biogas

Um dies zu erreichen, nutzt man zunächst den Strom um Wasserstoff herzustellen. Wasserstoff hat eine geringe Energiedichte, benötigt also ein großes Speichervolumen. Wegen seiner geringen Molekülgröße kann es leicht aus Behältern ausgasen, hat daher hohe Verlustraten und ist leicht entzündlich. Im Erdgasnetz ist er daher nur zu geringen Anteilen zugelassen.

Deshalb lässt man in einem zweiten Schritt den Wasserstoff mit Kohlendioxid reagieren. Neben Wasser bildet sich Methan – ein Gas mit einer vierfach höheren Energiedichte als Wasserstoff. Der Nachteil dieser Reaktion: Es entstehen sehr hohe Temperaturen, und die Anforderungen an die Reinheit des Gases sind hoch.

"Effektiver und einfacher ist es, für diese Reaktion Mikroorganismen und biochemische Prozesse zu nutzen", erläutert Dr. Oechsner die Alternative zur direkten chemischen Reaktion "Methanbakterien, die sich dafür nutzen lassen, sind außerdem in jeder Biogas-Anlage vorhanden." Auf diese setzt er große Hoffnung: "Hauptprodukte einer klassischen Biogasanlage ist (…) Biogas mit einer Zusammensetzung aus rund 55 Prozent energiereichem Methan und etwa 45 Prozent Kohlendioxid. Wenn wir nun zusätzlichen Wasserstoff in die Biogasanlage einspeisen, können die Methanbakterien das vorhandene CO₂ nutzen, um noch mehr Methan zu produzieren. Theoretisch wären damit 100 Prozent Methangehalt im Biogas erreichbar."

Festbettreaktoren mit lockenwickler-ähnlichen Füllkörpern

Derzeit erproben die Forscher verschiedene technische Möglichkeiten der Umsetzung, um den effizientesten Weg zu finden. Dafür haben sie in einem speziellen System den Biogas-Prozess in zwei Stufen geteilt. Die erste Stufe, die Hydrolyse, wird separat geschaltet. "In diesem ersten Schritt werden die organischen Substanzen in organische Säuren umgewandelt, also gewissermaßen verflüssigt", erläutert Dr. Oechsner.

Diese sogenannte Methanisierungsstufe findet im Fermenter statt. "Wir wollen eine andere Fermentergestaltung testen und erproben Festbettreaktoren mit lockenwickler-ähnlichen Füllkörpern, auf denen sich die Mikroorganismen ansiedeln und an denen die organischen Säuren als Futter vorbeiströmen. Der Wasserstoff kann hier leicht eingespeist und von den Bakterien mitverbraucht werden."

Biomethan für den Strom- und Wärmemarkt und den Verkehrssektor

Das Biomethan könne nach einer Zwischenreinigungsstufe sowohl ins Erdgasnetz eingespeist, als Kraftstoff genutzt oder nach Bedarf auch wieder in Strom umgewandelt werden. Das Projekt startete im Mai 2015 und wird drei Jahre laufen. Der Ansatz der Bioökonomie erhält von der Fachagentur nachwachsende Rohstoffe (FNR) gut 323.000 Euro Förderung und zählt damit zu den "Schwergewichten der Forschung".

Auf die drei energetische Verwertungsmöglichkeiten für Biomethan geht Springer-Autor Carsten Herbes im Buchkapitel "Marketing für Biomethan" ein. Den Biomethanmarkt sieht er in einem Wandel. Er erläutert auf Seite 198: "War bisher der Verstromungsmarkt mit seinem dominanten Einflussfaktor EEG der bedeutsamste Vermarktungspfad, werden in Zukunft der ungekoppelte Wärmemarkt und die stoffliche Nutzung sowie möglicherweise der Kraftstoffmarkt wichtiger werden."

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