© Susanne Vogel, Stadt Nürnberg
Energie speichern, CO₂ nutzen
Umrüstung von Biogasanlagen zu dezentralen Speicherkraftwerken
Mit dem fortschreitenden Ausbau der Windenergie und Photovoltaik stehen die Stromnetze vor der Herausforderung, überschüssige Energie langfristig zu speichern und bei Bedarf flexibel bereitzustellen. Die Methanisierung kann hier einen wichtigen Beitrag leisten: Sie ermöglicht es, überschüssigen Strom mithilfe von Wasserstoff in speicherbares Methan zu überführen und die darin gebundene Energie in Phasen geringer Stromproduktion bedarfsgerecht wieder verfügbar zu machen. Drei vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) geförderte Projekte demonstrieren die technische Machbarkeit und die Integration der Methanisierung in bestehende Energie- und Infrastruktursysteme.
Bereits heute existiert eine leistungsfähige Infrastruktur: Biogas- und Kläranlagen erzeugen kontinuierlich gasförmige Energieträger aus biogenen Reststoffen. Diese enthalten erhebliche Mengen Kohlendioxid, das bislang meist ungenutzt entweicht. In Verbindung mit Wasserstoff kann biogenes CO2 in Methan umgewandelt werden – ein energiereiches Gas, das direkt in das bestehende Erdgasnetz eingespeist und flexibel genutzt werden kann. Die Produktion von Methan steigt dadurch deutlich, gleichzeitig wird CO2 einer zusätzlichen Nutzung zugeführt.
Die vom BMWE geförderten Vorhaben KLÄFFIZIENTER, H2BioMeth und RB-HTWP verfolgen hierfür unterschiedliche technologische Wege. Im Fokus stehen sowohl biologische als auch katalytische Methanisierungsverfahren, die darauf abzielen, CO2 mit Wasserstoff zu Methan umzusetzen. Die Technologien werden unter realen Betriebsbedingungen erprobt, um ihr Potenzial für die industrielle Anwendung zu bewerten und die Grundlage für eine breite Umsetzung in der Praxis zu schaffen.
KLÄFFIZIENTER: Kläranlagen werden zu Gaslieferanten
Kläranlagen sind große Energieverbraucher – europaweit entfällt auf sie rund ein Prozent des gesamten Energieverbrauchs. Künftig stehen die Betreiber unter doppeltem Druck: Die kommunale Abwasserrichtlinie der Europäischen Kommission sieht vor, dass Kläranlagen bis 2045 energieneutral arbeiten müssen. Außerdem soll die europäische Biomethanproduktion über den „Biomethane Action Plan“ bis 2030 auf 35 Milliarden Kubikmeter steigen, um die Abhängigkeit von Gasimporten zu verringern.
Genau hier setzt das von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) koordinierte Vorhaben KLÄFFIZIENTER an: „Die Diskrepanz zwischen dem derzeit ungenutzten Potenzial zur Energieerzeugung und der Notwendigkeit zur Energieneutralität stellt einen Zielkonflikt für die Anlagenbetreiber dar, der im Rahmen des Projekts aufgelöst werden soll“, erklärt Professor Dr.-Ing. Jürgen Karl vom Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik an der FAU.
Mit ihrem Gas aus Klärschlamm sind Kläranlagen eine konstante, rohstoffunabhängige Quelle für Biomethan. Deutschlandweit ließen sich theoretisch rund 635 Millionen Kubikmeter Biomethan aus Klärgas gewinnen. Wird das im Klärgas enthaltene CO2 zusätzlich per katalytischer Direktmethanisierung mit Wasserstoff in Methan umgewandelt, steigt das Potenzial auf etwa eine Milliarde Kubikmeter. Allein deutsche Kläranlagen könnten so bis zu drei Prozent des europäischen Aktionsplans abdecken.
Aufbauend auf dem Vorgängerprojekt KLÄFFIZIENT erforscht das Team gemeinsam mit der Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg, INVENT Umwelt- und Verfahrenstechnik sowie den Stadtwerken Weißenburg und Pfaffenhofen den Betrieb eines Demonstrationsreaktors, um das Zusammenspiel von Energieproduktion, Methanisierung und Energienutzung unter realen Betriebsbedingungen zu testen.
© Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Der innovative Ansatz des Projekts KLÄFFIZIENTER ist dabei eine intelligente, integrierte Verknüpfung der Direktmethanisierungsanlage mit dem Energiesystem der Kläranlage. Statt die Anlage als losgelöstes Modul zu betreiben, sollen alle Klärwerkskomponenten und -prozesse – sowie Blockheizkraftwerk, Heizkessel, Elektrolyseur und Methanisierungseinheit – über einen KI-gestützten „Digitalen Zwilling“ aufeinander abgestimmt werden. Der Digitale Zwilling simuliert das Gesamtsystem Kläranlage, sodass verschiedene Möglichkeiten zur Optimierung von Energieflüssen erforscht werden können.
„Der technologische Ansatz zeichnet sich neben seinem hohen möglichen Impact durch die Vielzahl bestehender Klärwerke vor allem dadurch aus, dass er aufgrund seines modularen Charakters bereits kurzfristig für ein breites Spektrum an Kläranlagen verfügbar sein und so schnell seine Wirkung entfalten kann.“Constantin Heim, Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik an der FAU
Damit verfolgt KLÄFFIZIENTER einen doppelten Ansatz: Einerseits werden Kläranlagen durch die Umwandlung von CO2 in zusätzliches Methan zu bedeutenden Energieerzeugern. Andererseits unterstützt das Projekt Kläranlagen auf dem Weg zur Energieneutralität, indem Energieerzeugung und -verbrauch intelligent aufeinander abgestimmt werden. Die Anlagenkomponenten und -prozesse werden so koordiniert, dass erzeugte Energie möglichst effizient genutzt und externe Energiebezüge reduziert werden. So sollen Kläranlagen zunehmend ihren eigenen Energiebedarf decken können.
H2BioMeth: Skalierung der katalytischen Methanisierung
Im Mittelpunkt des Verbundvorhabens H2BioMeth steht die Skalierung und Demonstration einer lastflexiblen katalytischen Methanisierung: Am Standort einer Biomethananlage soll Wasserstoff mit CO2 zu synthetischem Methan umgesetzt werden. Dafür soll ein Hundert-Kilowatt-Methanisierungsreaktor als Container-Anlage aufgebaut und unter realen Bedingungen betrieben werden. „Aus der gleichen Menge an Biomasse kann dadurch nahezu die doppelte Menge an Methan gewonnen werden, gleichzeitig kann die Biogasanlage die Stromnetze bei einem hohen Angebot von erneuerbarem Strom entlasten“, erklärt Professor Dr.-Ing. Jürgen Karl vom Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU).
In einem ersten Schritt wird eine bestehende Methanisierungsanlage im Technikum der FAU mit einer vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS entwickelten SOEC gekoppelt, um die Kombination von katalytischer Methanisierung mit einer SOEC-Elektrolyse zu untersuchen, bevor Kernkomponenten des Verfahrens im Pilotmaßstab demonstriert werden.
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Durch die Kopplung der katalytischen Methanisierung mit der SOEC-Elektrolyse kann die bei der Methanisierung freigesetzte Wärme genutzt werden, um den für die SOEC benötigten Wasserdampf zu erzeugen. „Auf diese Weise kann die Abwärme effizient genutzt und der Gesamtwirkungsgrad gesteigert werden“, erklärt die Projektverantwortliche Susanna Ströhmberg von der FAU.
Um eine stabile, effiziente und lastflexible Betriebsweise der Methanisierung zu unterstützen, verwendet das Projekt eine sogenannte Heatpipe-Kühlung. Eine Heatpipe ermöglicht eine gleichmäßige Wärmeübertragung, indem sie Wärme vom heißen Reaktionsbereich aufnimmt und zu einem integrierten Dampferzeuger transportiert. Dadurch kann die Reaktionstemperatur stabil gehalten und die freiwerdende Wärme für die wärmetechnische Kopplung mit der SOEC-Elektrolyse genutzt werden.
Die in dem Projekt entwickelte Pilotanlage soll perspektivisch an einem weiteren Standort in kommerzieller Skala errichtet werden. „Die Nutzung der Synergien zwischen Biogaserzeugung, Hochtemperaturelektrolyse und katalytischer Methanisierung wäre in dieser Größenordnung eine absolute Neuheit“, betont Ströhmberg. Das Projekt, das von der FAU, Fraunhofer IKTS, infra fürth, Malmberg Bioerdgastech, agriKomp und OEKOBIT durchgeführt wird, läuft noch bis November 2028.
RB-HTWP: Biologische Methanisierung im Praxisbetrieb
Einen anderen technologischen Weg beschritt das Verbundvorhaben RB-HTWP am Standort Klettwitz/Lausitz, das Ende 2025 abgeschlossen wurde: Bei der biologischen Methanisierung übernehmen Mikroorganismen die Umwandlung von Wasserstoff und CO2 in einspeisefähiges Methan – und zwar im patentierten GICON®-Rieselbettverfahren. Gleichzeitig sollte die im Prozess entstehende Wärme genutzt werden, um die Gesamteffizienz des Verfahrens zu erhöhen.
Die Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg (BTU CS), GICON, die YADOS , das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und energiequelle entwickelten das Verfahren für den Praxiseinsatz weiter und kombinierten die biologische Methanisierung mit einer Hochtemperaturwärmepumpe, die die anfallende Prozesswärme auf ein nutzbares Temperaturniveau anhebt.
© M.Burkhardt, GICON GmbH
„Der Standort bietet sich vor allem an, weil eine Biogasanlage als CO2-Quelle und eine Windkraftanlage verfügbar sind, aber die ganzjährige Versorgung des Nahwärmenetzes nicht ausreichend gewährleistet werden kann. Andererseits kann die erzeugte Windenergie nicht vollständig eingespeist werden“, erklärt Professor Dr. Christian Abendroth, Fachgebiet Kreislaufwirtschaft der BTU CS. Ziel des Projekts war die Integration der biologischen Methanisierung in den regionalen Energieverbund unter Erzeugung von einspeisefähigem Methan. Durch den Einsatz der Hochtemperaturwärmepumpe konnte zudem die Abwärme aufgewertet und für eine Bereitstellung im Wärmenetz nutzbar gemacht werden.
Im Projekt wurden darüber hinaus wichtige Grundlagen geschaffen, um die Technologie künftig auch in größeren Anlagen wirtschaftlich einsetzen zu können. Dazu zählen Erkenntnisse für die Planung und den Betrieb der Anlagen sowie Lösungen für eine effiziente Wärmerückgewinnung. Eine eigens entwickelte Apparatur zur Wärmerückgewinnung wurde national und international zum Patent angemeldet.
Für den Standort Klettwitz erstellte das Projekt ein wirtschaftliches Gesamtkonzept: Es zeigt, wie sich die biologische Methanisierung gemeinsam mit einer Biogasanlage, Windenergie und Wärmespeicherung in ein regionales Energiesystem integrieren lässt und damit einen Beitrag zu einer sicheren und klimaverträglichen Energieversorgung leisten kann.
„Im Ergebnis liegt mit der biologischen Methanisierung in Kombination mit einer Hochtemperaturwärmepumpe eine technologische Lösung vor, die einen sinnvollen Beitrag zur Versorgungssicherheit mit dezentraler erneuerbarer Energie leistet und mit einer mittelfristigen Wirtschaftlichkeit darstellbar ist.“Professor Dr. Christian Abendroth, Fachgebiet Kreislaufwirtschaft der BTU CS
Die gewonnenen Erkenntnisse zum Anlagenbau und -betrieb fließen in ein weiteres Förderprojekt ein, in dem bis 2027 eine Pilot- und Demonstrationsanlage im schleswig-holsteinischen Nordhackstedt aufgebaut wird. Perspektivisch könnte das erzeugte Methan auch als erneuerbarer Kraftstoff – etwa im Schwerlastverkehr oder Agrarsektor – eingesetzt werden und so zur Dekarbonisierung von Bereichen beitragen, die sich nur schwer elektrifizieren lassen.
Vom Labor in die Praxis
Die drei Vorhaben zeigen aus unterschiedlichen Blickwinkeln, wie aus Überschussstrom und biogenem CO2 ein speicherbarer Energieträger wird – sowohl auf Biogas- als auch auf Kläranlagen sowie mit katalytischen und biologischen Verfahren. Basierend auf den Erkenntnissen aus dem Projekt RB-HTWP soll eine Pilot- und Demonstrationsanlage in Schleswig-Holstein realisiert werden, KLÄFFIZIENTER und H2BioMeth nehmen die katalytische Route in Richtung Demonstration. Gemeinsam liefern sie Bausteine dafür, erneuerbare Energie langfristig zu speichern, die Sektoren Strom und Wärme zu koppeln und die vorhandene Gasinfrastruktur weiter zu nutzen. (an)
