Erneuerbares Gas aus dem Bioreaktor

In der Methanisierungsanlage in Zuchwil produzieren Mikroben in einem Bioreaktor aus Wasserstoff und CO2 Methan.

In Zuchwil ging im Januar eine von in Europa erst drei biologischen Methanisierungsanlagen in Betrieb. Power-to-Gas gilt als Schlüsseltechnologie der Energiewende. Im europäischen Forschungsprojekt «Store&Go» werden unterschiedliche Verfahren getestet.

Eine geballte Ladung aus Chromstahlrohren, Schläuchen, Pumpen, Kompressoren, Messgeräten, Tanks dazu ein zwölf Meter hoher Reaktor. Kaum jemand würde beim Anblick der im Januar in Zuchwil in Betrieb genommenen Methanisierungsanlage denken, dass hier Lebewesen die Hauptrolle spielen. Archaeen sind bekannt dafür, dass sie sich als Lebensraum besonders unwirtliche Umgebungen aussuchen: konzentrierte Salzlösungen, besonders saures Milieu möglichst ohne Sauerstoff oder heisse, schweflige Quellen in Island beispielsweise. Von dort kommen ursprünglich die auch als Urbakterien bezeichneten Einzeller, die hier auf dem Areal Aarmatt des lokalen Energieunternehmens Regio Energie Solothurn zum Einsatz kommen. Sie haben die spezielle Fähigkeit, dass sie aus Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) Methan herstellen können. Hier in Zuchwil übernehmen diese Aufgabe 6,3 Billiarden der Tierchen im Reaktorturm bei Temperaturen von 62 Grad. «Noch nie wurden so viele Archaeen auf einmal gezüchtet», erklärt Doris Hafenbradl von der deutschen Firma Electrochaea GmbH.

Die Archaeen wurden in einem Tank aus Dänemark angeliefert.

Ein amerikanischer Professor der Universität Chicago habe aus den isländischen Archaeen robuste und effiziente Stämme gezüchtet, die ihre Aufgabe in Zuchwil nun optimal erfüllen könnten. Das Prinzip: Wasserstoff und CO2 fliessen unten in den Reaktor rein, werden mit einem Rührwerk in 3600 Liter Fermenterflüssigkeit vermischt und darin von den Mikroben zu Methan verarbeitet, das oben wieder rauskommt. Die Methode wird in Europa nur in zwei weiteren Anlagen in Dänemark in Avedøre – der grössten weltweit – und Allendorf (D) angewendet. Electrochaea hat die Systeme für die biologische Methanisierung entwickelt und ist Partner im europäischen Store&Go-Projekt, in dessen Rahmen die Pilot-Anlage in Zuchwil erstellt wurde. Im Vergleich zum bisher meistens angewendeten chemischen Sabatier-Verfahren erhofft man sich von der biologischen Methanisierung eine deutliche Effizienzsteigerung.

Überschüssiger Solarstrom wird zu Biogas

Der Wasserstoff vom Hybridwerk und das CO2 aus der Kläranlage fliessen in die Methanisierungsanlage.

Am Projekt nehmen 27 Partner aus 6 Ländern teil, darunter Regio Energie Solothurn. Erforscht werden praktikable Lösungen für den Einsatz von Power-to-Gas-Technologien. Diese sollen langfristig das Problem von unregelmässig anfallendem Strom aus Photovoltaik- und Windanlagen lösen. Überschüssiger Solarstrom beispielsweise kann im Sommer im Elektrolyse-Verfahren zur Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff verwendet werden. Letzterer kann langfristig gespeichert oder in kleinen Mengen ins Gasnetz eingespeist werden. Ein Hybridwerk zur Wasserstoffherstellung wurde in Zuchwil bereits vor zwei Jahren in Betrieb genommen. Mit der Einweihung der Methanisierungsanlage erfolgte im Januar die logische Erweiterung. Der aus erneuerbarem Strom hergestellte Wasserstoff wird nun in einem weiteren Schritt im Bioreaktor von den Mikroben in Methan umgebaut. Das dafür in der Methanisierunganlage benötigte CO2 wird über eine 2,5 Kilometer lange Leitung aus der Biogasaufbereitungsanlage der regionalen Kläranlage des Zweckverbands der Abwasserregion Solothurn-Emme (ZASE) zugeführt. Chemisch identisch mit Erdgas kann das «künstlich» erzeugte Methan – im Gegensatz zu Wasserstoff – vollumfänglich ins Gasleitungsnetz eingespeist werden. Die Nutzungsmöglichkeiten von Methan sind vielfältiger als bei Wasserstoff, weil bestehende und bewährte Strukturen genutzt werden können. Fahrzeuge können mit Biogas betankt werden, Heizungen erzeugen damit Wärme oder Blockheizkraftwerke produzieren im Winter Strom und Wärme. Aus Sommerstrom wird also quasi Wintergas. Bei Wasserstoff hingegen gibt es in der ganzen Schweiz zurzeit gerade einmal zwei Tankstellen. Das Verteilnetz muss zuerst noch aufgebaut werden.

Gasleitungen als Winterspeicher

In der Schweiz besteht das Erdgasleitungsnetz aus rund 18 Kilometer Rohren, die als Speicher für das künstlich erzeugte Biogas dienen können. Im europäischen Kontext sind die Speicherkapazitäten bedeutend grösser. Die Hoffnungen sind deshalb gross, dass Power-to-Gas zur Schlüsseltechnologie der Energiewende und für die Erreichung der Klimaziele wird. «Je nach Szenario geht man in Europa von 670 Gigawatt Power-to-Methan Erzeugungskapazität aus», sagte Frank Graf von der DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie an der Einweihungsfeier im Januar in Zuchwil. Er rechnet aus, dass damit bis zu 75 Prozent des Gasbedarfs in der EU gedeckt werden könnten. Noch ist das alles nur Theorie. Denn die Power-to-Gas-Technologie hat immer noch ein grosses Problem: Bei der Elektrolyse geht zu viel Energie verloren. Die Technologie gilt deshalb als ineffizient und ist zudem teuer. Hier setzt das Projekt an: Neben Zuchwil wurden an zwei weiteren Standorten in Italien und Deutschland Methanisierungsanlagen gebaut, alle mit unterschiedlichen Verfahren. In Falkenhagen kommt die isothermale katalytische Methanisierung in Wabenreaktoren zum Einsatz, im italienischen Troia wird mit Mikroreaktoren gearbeitet. Das besondere dort: Das für den Methanisierungsprozess notwendige CO2 wird mit Hilfe der in der Schweiz entwickelten Technologie von Climeworks direkt aus der Umgebungsluft entnommen. In Zuchwil wird die biologische Methanisierung erprobt, die bisher noch am wenigsten erforscht ist. In den drei Demo-Anlagen will man herausfinden, wo jeweils die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Verfahren liegen, um Rückschlüsse auf die angestrebte grossindustrielle Produktion von Methan zu ziehen. Die Gesamtkosten von Store&Go belaufen sich auf 28 Millionen Euro. 5,7 Millionen davon stehen für Forschungen in der Schweiz zur Verfügung.

Effiziente Elektrolyse dank Abwärmenutzung

Im Hybridwerk in Zuchwil stehen zwei Electrolyseure, die mit Hilfe von erneuerbarem Strom Wasser Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten.

Alle drei Demo-Anlagen sind integriert in bestehende Netze von unterschiedlichen Energieträgern. Die Netz-Konvergenz spielt eine entscheidende Rolle für den effizienten Einsatz der Technologie. Am Standort von Regio Energie Solothurn in Zuchwil kreuzen sich Wasser-, Strom-, Gas- und Fernwärmenetze. Mit der Nutzung der Abwärme in der Fernwärmeleitung steigt der Wirkungsgrad der Elektrolyse deutlich an. Aus hundert Prozent Strom, der in den Elektrolyseur im Hybridwerk in Zuchwil fliesst, entstehen 60 Prozent Energie in Form von Wasserstoff und 40 Prozent als Wärme. Der grösste Teil dieser Abwärme wird wieder genutzt, erklärt Thomas Schellenberg, Leiter Energie bei Regio Energie Solothurn. «Damit kommen wir bei der Elektrolyse auf einen Wirkungsgrad von rund 90 Prozent.» Der theoretische Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wasserstoff in Methan liegt bei 76 Prozent, der Rest fällt als Abwärme aus, die theoretisch auch genutzt werden könnte. Wie es im Praxisbetrieb aussieht, soll sich in den nächsten Monaten im Rahmen der Forschungsarbeiten zeigen.

Politische Rahmenbedingungen anpassen

Felix Strässle fordert, dass der Strom in der Elektrolyse verwendete Strom von den Netznutzungsgebühren entlastet wird.

Um die vielversprechende Power-to-Gas-Technologie vorwärts zu bringen, müssen auch die ökonomischen und politischen Rahmenbedingungen stimmen, was zurzeit nicht der Fall ist. Der Strom für die beiden Elektrolyseure in Zuchwil ist mit einer Netznutzungsgebühr für Endkunden belastet, Pumpspeicherkraftwerke sind davon befreit. Das stört Regio Energie- CEO Felix Strässle. Er fordert deshalb von der Politik gleichlange Spiesse und eine Befreiung von der Gebühr, weil es sich in Zuchwil ebenfalls um eine Umwandlungsanlage handle. «Diese ungerechtfertigten Zusatzkosten behindern innovative Businessmodelle», sagte er am Eröffnungsanlass. Das Store&Go-Projekt läuft noch bis Ende Jahr. Bis dann sollen erste Resultate präsentiert und mögliche Rückschlüsse gezogen werden.

www.storeandgo.info

www.electrochaea.com

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