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Entwicklung und Optimierung einer temperaturgeführten thermophilen Hydrolysestufe zur Steigerung des Abbaugrades und des Methanertrages cellulosereicher Substrate in Biogasanlagen - OptiCell

Verfahrensentwicklungen zur Verbesserung des Abbaugrades und Erhöhung der Biogasausbeute von alternativen Substraten sind seit vielen Jahren ein Schwerpunkt der F&E Aktivitäten des PFI. Im Januar 2019 ist ein neues Projekt gestartet mit der Abbaugrad und der Methanertrag cellulosereicher Substrate in Biogasanlagen deutlich gesteigert werden soll. Das 2-jährige Projekt  mit der Projektnummer 43 EWN wird im Rahmen der Forschungsallianz Energiewende und des Energieforschungsprogramms vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.                   

Hintergrund

Vor dem Hintergrund der allgemeinen Rahmenbedingungen und der geltenden Bestimmungen des EEG in Bezug auf Einsatzstoffe und Vergütung sind Biogasanlagen, deren Produktion überwiegend auf der Vergärung von Mais und anderer Energiepflanzen beruht, zukünftig nicht mehr wirtschaftlich zu betreiben. Zudem fallen in den kommenden Jahren eine große Anzahl von Bestandanlagen aus den Regelungen und Vergütungsstrukturen des bei Inbetriebnahme jeweils gültigen EEG heraus. Hinsichtlich einer Anschlussperspektive für einen Weiterbetrieb können diese Anlagen in das aktuell gültige Ausschreibungsmodell wechseln.  Allerdings gilt auch für diese Anlagen, aufgrund der dann geltenden reduzierten Stromvergütung und weiteren Regelungen (u.a. Maisanteil von max. 51 %), die Notwendigkeit alternative Substrate einzusetzen. Nicht zuletzt hat der relativ hohe Maisanteil bei den landwirtschaftlichen Biogasanlagen erhebliche Akzeptanzprobleme in Bezug auf die Energieproduktion aus Biomasse nach sich gezogen („Teller/Tank“ Diskussion, „Vermaisung der Landschaft“). Daher ist der Einsatz alternativer Substrate für die zukünftige Entwicklung der Biogaserzeugung und den  Erhalt der Bestandsanlagen in Deutschland (derzeit ca. 9200 landwirtschaftliche Biogasanlagen) von zentraler Bedeutung.

Ein Kennzeichen vieler dieser alternativen Einsatzstoffe ist, im Vergleich zum Mais und anderen Energiepflanzen, der relativ hohe Gehalte an Cellulose und Hemicellulose. Dies gilt für verschiedene Grassorten (mehrjährige Gräser z.B. Durchwachsene Silphie, Riesenweizengras), für Reststoff- und Abfallfraktionen (u.a. Landschaftspflegematerial) sowie auch für strohhaltige Wirtschaftsdünger (Rinder-, Puten- und Hähnchenmist u.a.). Typischerweise ergibt sich hieraus ein im Vergleich zum Mais deutlich reduziertes spezifisches Biogaspotential. In Bezug auf die oben genannten Grassorten resultiert hieraus auch ein signifikant niedrigerer Flächenertrag. Die Entwicklung und Optimierung von Verfahren, welche den Abbaugrad cellulosereicher Substrate erhöhen, ist daher von besonderer Bedeutung.

Die Entwicklung der prozessbiologischen und verfahrenstechnischen Grundlagen für eine optimierte thermophile Vorhydrolyse zur Steigerung des Abbaugrades bei cellulosereichen Substraten, kann einen wesentlichen Beitrag für die vorwettbewerbliche Forschung auf dem Gebiet der Biogaserzeugung auf Basis alternativer Substrate leisten.

Zielsetzung

Ziel des Projektes ist es, den Abbaugrad und die Abbaugeschwindigkeit von cellulosereichen Substraten durch eine spezielle thermophile Vorhydrolyse signifikant zu steigern. Im Vergleich zum konventionellen Verfahren der Biogasproduktion ohne Hydrolysestufe soll eine Steigerung des spezifischen Methanertrages von > 10 % erzielt werden. Grundlage für die beschriebene Zielsetzung ist die besondere verfahrenstechnische Auslegung der Hydrolysestufe um die Zellzahlen und die Aktivitäten hydrolytischer celluloseabbauender Bakterien deutlich zu steigern. Durch den Betreib der Hydrolysestufe im Temperaturbereich 60 – 70 ° soll die Aktivität methanogener Archaeen und weiterer nichthydrolytischer Bakterien weitgehend reduziert werden. Als Modellsubstrate sollen im Rahmen des Projektes Durchwachsene Silphie, Riesenweizengras und Landschaftspflegegras untersucht werden. Durchwachsene Silphie und Riesenweizengras sind hierbei Beispiele für mehrjährige Kulturen mit relativ niedrigen Standortansprüchen bei gleichzeitig hohen TM-Erträgen pro Hektar. Sie gelten somit als interessante Alternativen zum Mais, weisen aber im Vergleich 15 – 35 % niedrigere spezifische Methanerträge auf. Landschaftspflegegras wird als Beispiel für einen cellulosereichen Reststoff mit niedrigen Biogaspotential eingesetzt. Bei einer erfolgreichen Umsetzung ist davon auszugehen,  dass sich das Verfahren auch auf andere schwerabbaubare Substrate und Reststoffe übertragen lässt.

Um die Praxistauglichkeit des entwickelten Verfahrens zu gewährleisten ist ein Upscaling vom Labor- bis zum Technikumsmaßstab vorgesehen. Die Versuchsanlagen im Technikum des PFI erlauben Experimente unter praxisnahen Bedingungen. Darüber hinaus wird geprüft inwieweit sich bestimmte, besonders leistungsfähige Bakterien aus den Hydrolyseansätzen  isolieren  und kultivieren lassen. Auf dieser Basis ließen sich für spätere Anwendungen Starterkulturen entwickeln mit den Hydrolysestufen angeimpft werden können. Im geplanten Projekt sollen im Rahmen der Versuche im Technikumsmaßstab die wichtigen verfahrenstechnischen Parameter und Kenndaten des Verfahrens ermittelt werden.

Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Mehr Informationen zu diesem Forschungsvorhaben finden Sie hier.

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