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Erneuerbare Energien wie Biogasanlagen und Windräder können sich künftig immer besser ergänzen. Bildquelle: A. Knebel

Wasserstoff ist das erste Element im Periodensystem und steht derzeit doch nicht an erster Stelle in der Energiewirtschaft. Mit dem energiereichen, umweltfreundlichen und reaktionsfreudigen Element verbinden sich aber hohe Erwartungen für die sinnvolle Nutzung von überschüssigem Solar- und Windstrom: Denn durch den Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energien lässt sich über den Weg der Elektrolyse Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegen.

Um den so gewonnenen Wasserstoff als Energiequelle zu nutzen, hat das DBI - Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg (DBI) in Freiberg einen neuen Weg beschritten.

Weil sich Wasserstoff im heutigen Energiesystem bislang nur begrenzt einbinden lässt, bietet sich dessen Umwandlung zu Methan an, eine Verbindung aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Zur Methangewinnung auf diesem Weg benötigt man wiederum Kohlenstoffdioxid, das es in gut verfügbaren Mengen an Biogasanlagen gibt, die Strom aus Biomasse erzeugen.

Ein Metallschwamm für Blasen
Damit sich der Wasserstoff mit dem Kohlenstoffdioxid (CO2) mikrobiologisch zu Methan umsetzen lässt, müssen die eingesetzten Gase, also Wasserstoff und CO2, in Lösung gebracht werden. Dafür benutzt das DBI spezielle Sintermaterialien. Bei diesen Sintermaterialien handelt es sich um eine Art Metallschwamm, durch den sich der Wasserstoff seinen Weg bahnen muss.

„Gegenüber keramischen Sinterwerkstoffen bieten die Metalle den Vorteil größerer Stabilität, denn das Material hält auch höheren und schwankenden Drücken gut stand“, erläutert Ronny Erler, Fachgebietsleiter Energieversorgungssysteme und Erneuerbare Energien am DBI.

Wie sich Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff verbinden
Für die Methanisierung werden am DBI Blasensäulen für den Gastransport genutzt. „Dadurch können wir auf energieintensive Komponenten wie Rührwerke, Umwälzung oder Gasabtrennung verzichten“, erläutert Ronny Erler. Durch die als Gasinjektionssysteme verwendeten Sintermetalle entstehen feine Gasperlen und das Gas wird sehr gut in Lösung gebracht und so die biologische Methanisierung verbessert. Die genutzten Mikroorganismen finden sich übrigens in jeder Klär- oder Biogasanlage.

Weil Mikroorganismen am Werk sind, spricht man von biologischer Methanisierung.  Der benötigte Wasserstoff lässt sich aus regenerativem Überschussstrom mittels Elektrolyse gewinnen. Als Kohlenstoffdioxidquelle bietet sich konventionelles Biogas an, da dieses in der Regel zu 40 bis 50 Vol.% aus CO2 besteht. In der am DBI entwickelten Blasensäule wurden bereits über 90 % Umsatz im kontinuierlichen Prozess erreicht. Das heißt, dass 90 % des zugegebenen Wasserstoffs und Kohlenstoffdioxids zu Methan umgesetzt wurden.

Neuer Job für bewährte Mikroben
Mit dem DBI-Verfahren zur biologischen Methanisierung lässt sich somit bestehende, für fossile Energien aufgebaute Infrastruktur für erneuerbare Energien nutzen. Ein weiterer Vorteil des DBI-Verfahrens: In ihm kommen Mikroorganismen zum Zuge, die sich in heute schon betriebenen Klär- und Biogasanlagen tummeln. Angesichts der unsicheren Zukunft für die Nutzung klassischer Energiepflanzen in Biogasanlagen bekommen die Mikroorganismen durch die biologische Methanisierung beim Wasserstoff einen neuen „Job“. Biogasanlagenbetreiber haben mit diesem Verfahren eine Alternative gegenüber der klassischen Förderung der Stromproduktion im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).

Am Standort Freiberg wurde das Verfahren in einem 1,5 m hohen Versuchsreaktor entwickelt und aktuell in einer 4 m hohen Blasensäule erprobt. In Zukunft muss die biologische Methanisierung nicht auf die Biogasproduktion beschränkt bleiben. Auch andere CO2-Quellen bieten sich an, z.B. die Zement- oder Kalkproduktion. Erhält Kohlendioxid im Zuge der Maßnahmen gegen den Klimawandel einen höheren Preis, könnten solche Verfahren schnell Auftrieb bekommen.

Denn kostengünstiger Strom für die Elektrolyse ist vorhanden. Immer häufiger übersteigt die Stromproduktion aus Wind, Sonne und Co. in Deutschland den Strombedarf von Haushalten und Industrie, wie es z.B. an Ostern 2019 der Fall war. Um die wertvolle, an wind- und sonnenreichen Tagen gewonnene Energie auch später verwenden zu können, bietet sich die Nutzung des gewonnenen Stroms zur Elektrolyse daher an.