Anaerobe Verfahren

"Biogasanlagen müssen hinsichtlich ihrer Substrate und der Energiebereitstellung flexibler werden. Nur dann werden sie auch in Zukunft einen wesentlichen Beitrag zur Sicherung der Energieversorgung leisten können."

Dr. Jan Liebetrau, Leiter des Forschungsschwerpunkts

Zielstellung

Prozesse der Konversion von Biomasse durch Mikroorganismen unter anaeroben Bedingungen sind die Basis einer Vielzahl von biotechnologischen Verfahren für die Bereitstellung von Energieträgern und stofflich genutzten Materialien. Im Forschungsschwerpunkt "Anaerobe Verfahren" werden vorrangig für die Biogaserzeugung effiziente und flexible Verfahren für die Anforderungen des zukünftigen Energiesystems entwickelt. Durch die Kopplung an Prozesse zur stofflichen Verwertung wird eine höhere Wertschöpfung erzielt. Im Forschungsschwerpunkt werden dafür Werkzeuge zur Prozessüberwachung und -kontrolle, Konzepte für flexible, emissionsarme Anlagen und Betriebsregimes, Methoden zur Bewertung und Optimierung der Effizienz sowie Verfahren zur Maximierung des Stoffumsatzes, insbesondere für schwierige Substrate, entwickelt.

Hintergrund

Die Technologie der Erzeugung von Biogas hat in Deutschland mit über 8000 Anlagen eine weite Verbreitung gefunden. Es existiert eine Vielzahl von verschiedenen Konzepten und Komponenten, die für nahezu alle Randbedingungen Lösungen anbieten. Biogasanlagen wurden unter den Anforderungen des EEG in der Vergangenheit für definierte Substrate und einen konstanten Energieoutput konzipiert und gebaut.

Die Anlagen der Zukunft werden sich flexibel auf wechselnde Qualitäten von Substraten einstellen müssen. Zur maximalen Ausnutzung der bereitgestellten Energie wird diese entsprechend des notwendigen externen Bedarfes produziert, das gilt sowohl für den Strom, als auch für die Wärme. Dafür bedarf es vor allem besserer Werkzeuge für die Prozessüberwachung und – regelung, um Verluste und Emissionen bei den höheren Anforderungen bei flexibler Prozessführung zu vermeiden. Hervorzuheben ist sind dabei die Emissionen von klimarelevanten Gasen, für deren Analyse an Bestandsanlagen Methoden entwickelt und repräsentative Untersuchungen realisiert werden müssen.

Weitere wichtige Aufgabe für die Zukunft ist die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Anlagen zur Erzeugung von Biogas. Grundsätzlich hat die Stromerzeugung aus Biogas einen vergleichsweise hohen Preis. Daher sind Maßnahmen, die Effizienz steigern und dabei Kosten senken, sowie die Integration von Verfahren zur stofflichen Nutzung in die Prozesskette von wesentlicher Bedeutung für die Steigerung der Wertschöpfung.

Ausblick

Im Forschungsschwerpunkt werden in enger Zusammenarbeit mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie Methoden zur Prozessbewertung und –regelung entwickelt. Das Ziel ist es, eine präzise Prozessführung auch unter dynamischen Verhältnissen zu ermöglichen. Dadurch sollen die Effizienz gesteigert und Verluste sowie Emissionen minimiert werden. Die Einbindung der stofflichen Nutzung im Rahmen der Ausschleussung von Zwischenprodukten wird in Kooperation mit dem UFZ und dem Forschungsschwerpunkt Verfahren für chemische Bioenergieträger und Kraftstoffe vorangetrieben.

Flyer zum Forschungsschwerpunkt Anaerober Verfahren (2.57 MB)

Im Forschungsschwerpunkt „Anaerobe Verfahren“ werden vorrangig für die Biogaserzeugung effiziente und flexible Verfahren für die Anforderungen des zukünftigen Energiesystems entwickelt. Durch die Kopplung an Prozesse zur stofflichen Verwertung wird eine höhere Wertschöpfung erzielt.

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Wichtige Referenzprojekte (Auswahl)

  • SubEval – Verbundvorhaben: Bewertung von Substraten hinsichtlich des Gasertrags – vom Labor zur großtechnischen Anlage; Teilvorhaben 1: Durchführung der Labor- und Praxisversuche, Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft/Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., 01.10.2015–30.09.2018 (FKZ: 22034614)
  • OptiFlex – Optimierung des Betriebs und Design von Biogasanlagen für eine bedarfsgerechte, flexibilisierte und effiziente Biogasproduktion unter Berücksichtigung der Prozessstabilität als Post-EEG Strategie, Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft/Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., 01.10.2017–30.09.2020 (FKZ: 22401717)
  • CIP – Entwicklung einer kostengünstigen Wertschöpfungskette für biobasierte Olefine und Komplexnährmedien auf Basis von Insektenbiomasse für die industrielle Anwendung, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie/Projektträger Jülich, 01.10.2017–31.12.2019 (FKZ: 031B0338A)
  • SchlauFe2 – IBÖM04 Entwicklung eines geotextilen, mehrjährig verwendbaren Schlauchfermentationsverfahrens für TS-arme Biomassen, Bundesministerium für Bildung und Forschung/Projektträger Jülich, 01.05.2018–30.04.2020 (FKZ: 031B0578A)

Wichtige Veröffentlichungen (Auswahl)

  • Kretzschmar, J.; Böhme, P.; Liebetrau, J.; Mertig, M.; Harnisch, F. (2018). "Microbial Electrochemical Sensors for Anaerobic Digestion Process Control: Performance of Electroactive Biofilms under Real Conditions". Chemical Engineering & Technology (ISSN: 0930-7516), Vol. 41, H. 4. S. 687–695. DOI: 10.1002/ceat.201700539.
  • Janke, L.; Weinrich, S.; Leite, A. F.; Sträuber, H.; Radetski, C. M.; Nikolausz, M.; Nelles, M.; Stinner, W. (2018). "Year-round biogas production in sugarcane biorefineries: Process stability, optimization and performance of a two-stage reactor system". Energy Conversion and Management (ISSN: 0196-8904), Vol. 168, H. 168. S. 188–199. DOI: 10.1016/j.enconman.2018.04.101.
  • Zehnsdorf, A.; Moeller, L.; Stabenau, N.; Bauer, A.; Wedwitschka, H.; Gallegos, D.; Stinner, W.; Herbes, C. (2018). "Biomass potential analysis of aquatic biomass and challenges for its use as a non-conventional substrate in anaerobic digestion plants". Engineering in Life Sciences (ISSN: 1618-2863), Vol. 18, H. 7. S. 492–497. DOI: 10.1002/elsc.201800032.
  • Bonk, F.; Popp, D.; Weinrich, S.; Sträuber, H.; Kleinsteuber, S.; Harms, H.; Centler, F. (2018). "Ammonia Inhibition of Anaerobic Volatile Fatty Acid Degrading Microbial Communities". Frontiers in Microbiology (ISSN: 1664-302X), H. 9. DOI: 10.3389/fmicb.2018.02921.
  • Murphy, J. (Hrsg.) (2018). Weinrich, S.; Schäfer, F.; Bochmann, G.; Liebetrau, J. Value of batch tests for biogas potential analysis: Method comparison and challenges of substrate and efficiency evaluation of biogas plants: IEA Bioenergy. 44 S. ISBN: 78-1-910154-48-9.