Auto fahren mit Biogas aus Bioabfällen
Im Forschungsvorhaben ETAMAX will ein Verbund aus Forschung, Energiewirtschaft und Industrie mit einem kombinierten, modularen Verfahren lignocellulosearme Abfall-Biomasse, beispielsweise Großmarktabfälle und Algenrestbiomasse, vollständig zu Biogas umsetzen und gleichzeitig alle Stoffkreisläufe schließen. Als Fahrzeugkraftstoff aufgereinigt, soll das regenerative Biomethan eine kleine Flotte von Erdgas-Fahrzeugen antreiben.
Eine nachhaltige Alternative, die Abhängigkeit von knapper werdendem Erdöl und gleichzeitig den Ausstoß von Kohlenstoffdioxid zu verringern, ist die Nutzung erneuerbarer Energien. Neben Wasser, Wind und Sonne spielt die Nutzung pflanzlicher Biomasse zur Gewinnung von Bioenergie - Strom, Wärme oder Kraftstoffen - eine herausragende Rolle. Aufgrund seiner Nettoenergieausbeute ist dabei Biogas der wichtigste Bioenergieträger. Biogas, eine Mischung aus Methan und Kohlenstoffdioxid, entsteht bei der anaeroben Vergärung organischer Masse. In Verbindung mit der Kraft-Wärme-Kopplung in einem Blockheizkraftwerk gilt die Biogasgewinnung als Technik mit sehr hohem CO2-Vermeidungspotenzial.
Dennoch wird das Potenzial von Biomasse zur Erzeugung von Biogas mit dem energetisch nutzbaren Methangas bislang kaum für mobile Anwendungen in Fahrzeugen ausgeschöpft. Dies will das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart in einem Verbundforschungsvorhaben mit Partnern aus Forschung, Energiewirtschaft, Automobil- und Anlagenbau nun ändern. Das Konsortium hat sich zum Ziel gesetzt, leicht vergärbare, nasse Biomasse - insbesondere kostengünstig anfallende Bioabfälle und Algenrestbiomasse - unter maximaler Energiegewinnung vollständig zu verwerten. "Zentrales Produkt ist regeneratives Methan, das regional erzeugt und genutzt wird", erklärt Professor Walter Trösch, Stellvertretender Institutsleiter und Leiter der Abteilung Umweltbiotechnologie und Bioverfahrenstechnik des Fraunhofer IGB. "Biomethan kann wie Erdgas - dessen Hauptbestandteil ja nichts anderes als Methan ist - über das bestehende Netz transportiert werden. Oder, wie in unserem Demonstrationsprojekt CNG-Fahrzeuge (Compressed Natural Gas) antreiben."
Das Hauptaugenmerk der Forscher liegt auf der Verwertung nasser Abfall-Biomasse, die sich schnell und leicht vergären lässt und keine Konkurrenz zur Produktion von Nahrungsmitteln darstellt: Abfallstoffe aus der Lebensmittelindustrie mit einem sehr hohen Wasseranteil beispielsweise. Ebenso Küchenabfälle aus Haushalten, Großküchen in Kantinen und Mensen oder Großmarktabfälle, die heute meist in Kompostierungsanlagen landen, wobei die enthaltene Energie als Wärme verloren geht. Aufgrund ihres geringen Gehalts an Lignin und Lignocellulose - den holzigen Anteilen, die ohne Luftsauerstoff nur schwer abzubauen sind - sind gerade diese Abfälle optimal zur Vergärung geeignet. Nach dem Hochlastvergärungsverfahren, das vor Jahren am Fraunhofer IGB entwickelt wurde und für Klärschlamm mehrfach technisch realisiert wurde, werden die Feststoffe dieser Biomüllfraktionen in nur wenigen Tagen nahezu vollständig zu Biogas umgesetzt.
Doch auch diese Bioabfälle unterscheiden sich in Wasser- und Feststoffgehalt. "Damit eine Vergärungsanlage möglichst effektiv verschiedene Substrate zu Biogas umwandeln kann, muss die Prozesstechnik für die jeweiligen Substrate spezifisch angepasst werden", so Trösch. "Hier setzt das ETAMAX-Vorhaben an: Wir wollen eine flexible Multisubstrat-Hochlastvergärungsanlage mit unterschiedlichen Vorvergärungsmodulen für die jeweils unterschiedlichen Abfälle realisieren. Erst dann werden die Zwischenprodukte ähnlicher Zusammensetzung, vorwiegend organische Säuren, in einem Zentralreaktor als zweiter Stufe mit maximalem Wirkungsgrad - symbolisiert durch den griechischen Buchstaben Eta - zu Methan umgesetzt."
Biomasse, vor allem Abfall-Biomasse, ist keine unerschöpfliche Ressource. Zusätzliche nasse, lignocellulosearme Biomasse für die Multisubstrat-Hochlastvergärung will das Fraunhofer IGB in Form von Algenrestbiomasse beisteuern. Die Gewinnung von Energie mit Algenbiomasse ist dank einer am Fraunhofer IGB entwickelten Photobioreaktor-Plattform heute schon sehr effizient möglich. In den Reaktoren wachsen Algen nur mit Sonnenlicht als Energie- und Kohlenstoffdioxid als Kohlenstoffquelle sowie anorganischem Stickstoff und Phosphat zu hohen Zelldichten heran.
ETAMAX will den Kohlenstoffkreislauf schließen, indem das Kohlenstoffdioxid, das bei der Vergärung als Koprodukt und bei der Verbrennung von Biogas entsteht, als Kohlenstoffdioxidquelle für die Algenkultivierung genutzt wird. Hier gilt es, robuste Algen zu finden, die mit diesem Rauchgas und zudem in Mitteleuropa jahreszeitlich schwankenden Licht- und Temperaturverhältnissen schnell wachsen.
Bei jeder Vergärung fallen zu einem geringen Anteil Gärreststoffe an, die nicht weiter anaerob abgebaut werden können. Für eine vollständige Verwertung auch dieser Gärrückstände untersucht das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gemeinsam mit dem Schweizer Paul Scherrer Institut, zwei der Forschungspartner im Verbund, die katalysatorgestützte hydrothermale Vergasung bei hohem Druck und hoher Temperatur. Hierbei entstehen die gleichen Produkte wie bei der Vergärung: Kohlenstoffdioxid und Methan.
"Das anspruchvollste Ziel ist die Schließung der Stoffkreisläufe", so Trösch weiter. "Kohlenstoffdioxid können wir quasi vollständig im Kreislauf führen, indem die Algen das bei der Verbrennung entstandene CO2 wieder fixieren. Sowohl bei der Vergärung als auch bei der Vergasung fällt Wasser an, in dem Stickstoff und Phosphor als Nährstoffe enthalten sind. Auch dieses Wasser wollen wir für die Algenkultivierung nutzen".
In einer Demonstrationsanlage auf dem Gelände des EnBW-Heizkraftwerks in Stuttgart Gaisburg werden die Prozesse im technischen Maßstab realisiert und erprobt. In einer zukünftigen Großanlage könnten aus den kommunalen Bioabfällen der Stadt Stuttgart 300.000 Kubikmeter Methangas pro Jahr erzeugt werden. Als Fahrzeugkraftstoff aufgereinigt, kann dies für eine kleine Flotte von Müllfahrzeugen mit Erdgasantrieb genutzt werden. Davon profitiert sogar die Luftqualität. Über die Schließung des Kohlenstoffkreislaufes hinaus wird so gemeinsam mit der EnBW Energie Baden-Württemberg AG die Optimierung der Biogaskraftstoffqualität als auch mit der Daimler AG die mobile Anwendung für Fahrzeuge vorangetrieben.
Das Projekt wird seit Juni 2009 für eine Dauer von 5 Jahren mit insgesamt 6 Mio. Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Programms "BioEnergie 2021" gefördert. Neben dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart, sind als Forschungspartner das Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, Freising, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Schweizer Paul Scherrer Institut PSI, als Partner aus der Wirtschaft die Firmen Daimler AG, EnBW Energie Baden-Württemberg AG, FairEnergie GmbH, Netzsch Mohnopumpen GmbH, Stulz Wasser- und Prozesstechnik GmbH, Subitec GmbH sowie die Stadt Stuttgart am Verbundforschungsvorhaben "Mehr Biogas aus lignocellulosearmen Abfall- und Mikroalgenreststoffen durch kombinierte Bio-/ Hydrothermalvergasung" beteiligt.
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