Forschungs- und Innovationsprojekt
Gesteigerte Methanproduktivität während der anaeroben Vergärung durch Zugabe von CO2

Versuchsstand mit Reaktoren zur CO2-Methanisierung und Gasanalytik

Versuchsstand am Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft der TUM

Bis 2050 sollen in Deutschland rund 80% des Energiebedarfes aus erneuerbaren Energien gedeckt werden. Gleichzeitig wird eine Reduktion des Ausstoßes des Treibhausgases CO2 um 80% gegenüber dem Referenzjahr 1990 angestrebt.

Um einen Beitrag zu einer erfolgreichen Energiewende zu leisten, sind die Entwicklung und Optimierung von Technologien im Bereich erneuerbarer Energien und eine damit verbundene Reduktion von Treibhausgasemissionen entscheidende Faktoren. Die anaerobe Behandlung organischer Reststoffe und Abfälle zur Produktion von Biogas leistet bereits jetzt einen wichtigen Beitrag zum Portfolio der erneuerbaren Energien in Deutschland.
Für eine erfolgreiche Energiewende hat nicht nur die Steigerung der Effizienz landwirtschaftlicher Biogasanlagen Bedeutung. Kläranlagen machen rund 20% des Energiebedarfs deutscher Kommunen aus und emittieren jährlich ca. 3 Millionen Tonnen CO2. Die in den Abwasserinhaltsstoffen gebundene chemische Energie wird aber derzeit während der anaeroben Behandlung nur teilweise in Form von energiereichem Methan durch die anaerobe Klärschlammstabilisierung zurückgewonnen. Es entsteht auch CO2 als ein Nebenprodukt, und es gilt generell, das Restmethanpotenzial in den Gärprodukten zu minimieren. Auch bei Kläranlagen gilt es, die Energieproduktion gegenüber dem Verbrauch bei gleichzeitiger Reduktion des CO2-Fußabdrucks zu optimieren.

Zielsetzung

Das Hauptziel des Projektes ist die Identifizierung der Mechanismen, die während der anaeroben Vergärung durch die Zugabe von CO2 zu einer gesteigerten CH4-Produktion führen. Dieser Effekt wurde in Voruntersuchungen beobachtet. Es existieren aber bisher nur Vermutungen hinsichtlich der zugrundeliegenden Mechanismen.
Um die beobachteten Effekte zu verifizieren und um das Potential für die Energieproduktion z.B. aus Reststoffen, Abfällen oder Klärschlamm nutzen zu können, müssen die verantwortlichen Mechanismen in einem interdisziplinären Ansatz geklärt werden. Dieser beinhaltet den Einsatz stabiler Isotope als Schlüsselparameter zur Prozessidentifikation, Kenntnisse in der Prozesssteuerung kontinuierlicher Durchflussversuche sowie die zielgerichtete Analyse der mikrobiellen Biozönose im Biogasprozess und ihrer spezifischen Aktivitäten.

Methoden

Um die Mechanismen der beobachteten Biokonversion zu identifizieren, wurden am Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft der Technischen Universität München (TUM-SWW) zwei kontinuierlich betriebene anaerobe Klärschlamm-Vergärungssysteme aufgebaut. Ein System wird mit (fallweise isotopisch markiertem) CO2 angereichert. Das andere dient als Kontrolle. Es werden verschiedene Belastungsszenarien getestet, die einen Einfluss auf die Mechanismen der CH4 Produktion haben können. Während der Experimente werden Standardprozessparameter aufgezeichnet (TS, VS, COD, VFA, Alkalinität, pH-Wert, Gaszusammensetzung, spezifische Gasproduktion).
Um die Umwandlung von CO2 nach CH4 nachvollziehen zu können, sollen stabile Isotopentechniken während der Vergärungstests eingesetzt werden. Hierüber lassen sich Zwischenprodukte identifizieren und spezifische Reaktionspfade des CO2-Umsatzes rekonstruieren.
Aufgabe des von der LfL (AQU1c) zu bearbeitenden Teilvorhabens ist es, die Biozönosen zu den verschiedenen Prozesszuständen zu untersuchen. Dabei werden jeweils die Zusammensetzung der mikrobiellen Gesellschaft (qualitative Analysen) und die Konzentration wichtiger physiologischer Gruppen (Gilden, z.B. methanogene Archaeen) untersucht. Die Analysen erfolgen auf DNA-Ebene (Gegenwart der betrachteten Gilden) und auf (m)RNA-Ebene (Aktivität der betrachteten Gilden). Diese Ergebnisse können entscheidende Rückschlüsse auf die beschrittenen Reaktionswege liefern.
Sind die zugrundeliegenden Mechanismen erst einmal verstanden, kann versucht werden, die Ergebnisse in die Praxis zu übertragen.

Ergebnisse

Die Fermenter wurden am Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft der Technischen Universität München angefahren, und ihr Betrieb wird aktuell optimiert. Es liegen noch keine Ergebnisse vor.
Projektinformation
Verbundvorhaben zwischen dem Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft der Technischen Universität München (TUM-SWW), der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Institut für Geowissenschaften (RKU-IG) und der LfL (AQU1c).
Projektbearbeiter (AQU1c): M. Debera, S. Fink, M. Voltz
Projektleiter (AQU1c): Dr. M. Lebuhn
Kooperationspartner: TUM-SWW (Dr. Konrad Koch, Meriam Muntau); RKU-IG (Prof. Dr. F. Keppler, Dr. D. Polag)
Laufzeit: 01.03.2017 – 28.02.2019
Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)
Förderkennzeichen: LE 3744/2-1