ORBIT - Optimierung eines Rieselbett-Bioreaktors für die dynamische mikrobielle Biosynthese von Methan mit Archaeen in Power-to-Gas-Anlagen

Eckdaten des Projektes

 

  • Laufzeit: 07/2017-12/2020
  • Projektvolumen: ca. 1,1 Mio. Euro
  • Volumen OTH: 291 Tsd. Euro
  • Partner: FAU Erlangen-Nürnberg, Universität Regensburg, Electrochaea GmbH, MicrobEnergy GmbH, MicroPyros GmbH, Westnetz GmbH, Westenergie AG

 

Klima- und Umweltschutz, Abhängigkeit von zur Neige gehenden Ressourcen, Atomkatastrophen und der daraus wachsende Druck aus der Bevölkerung drängen Deutschland zur Energiewende. Mittel- bis langfristig sollen deshalb ausschließlich regenerative Energien genutzt und effizient eingesetzt werden. Dem aktuellen Gesetzesentwurf der Bundesregierung zufolge sollen die Treibhausgasemissionen gegenüber dem Niveau von 1990 bis zum Jahr 2030 um mindestens 65 Prozent sinken. Zudem soll bis 2045 Treibhausgasneutralität erreicht werden.

Die tragenden Säulen der Energiewende, nicht nur in Deutschland, werden dabei Wind- und Solarenergie sein, da sie das größte Potenzial unter den erneuerbaren Energien aufweisen und dieses in Form von Strom zu den geringsten Kosten erschließen können. Eine der Hauptaufgaben der Energiewende ist es deshalb, das fluktuierende (also je nach Wetter wechselnde) Dargebot von Wind- und Solarstrom bei gleichbleibend hoher Versorgungssicherheit und -qualität in das Strom- und Energiesystem zu integrieren. Unter den hierbei verfügbaren Flexibilitätsoptionen gewinnen Energiespeicher zunehmend an Bedeutung.

Das übergeordnete Ziel des Vorhabens war die Entwicklung neuer technologischer Möglichkeiten für den biologischen Methanisierungsprozess mit Archaeen in Power-to-Gas-Anwendungen. Im Gegensatz zur technisch ausgereiften chemisch-katalytischen Methanisierung sind hier noch Potenziale zur Optimierung verfahrenstechnischer und biologischer Prozesse für das Speicherkonzept Power-to-Gas vorhanden.

Ein Hauptziel des Projektes war es, die Normung und Standardisierung notwendiger Systemparameter und Semantik zur Beschreibung und Einbindung biologischer Methanisierungseinheiten in Power-to-Gas-Anlagen voranzutreiben. Dies sollte zum einen die Vergleichbarkeit der wissenschaftlichen Erkenntnisse verbessern und zum anderen unterstützend bei der Kommerzialisierung der Technologie wirken. Aus dem Projekt heraus wurde so die neue Normungsreihe VDI 4635 Power-to-X beim Verein Deutscher Ingenieure angestoßen.

Ausgewählte Projektergebnisse

  • Planung, Aufbau und Testbetrieb eines Rieselbett-Bioreaktors zur biologischen Methanisierung.
  • Es wurde eine Elektrolyseur-Datenbank aufgebaut, sowie eine Expertenumfrage zu Kenngrößen und Wirtschaftlichkeits-Parametern von Elektrolyseuren durchgeführt.
  • Zusätzlich zum Methangehalt und der Zellzahl im Medium wurde der Aufwuchs auf die jeweiligen Materialien mittels Fluoreszenz- und Rasterelektronenmikroskopie bestimmt.
  • Versuche zum Aufwuchsverhalten verschiedener Archaeenstämme auf diversen Oberflächen und Materialien geplant und durchgeführt.
  • Das System erwies sich als robust gegenüber Kontamination mit der Umgebungsluft. Es war möglich, den Reaktor für kurze Zeit zu öffnen, z. B. um Füllkörper-Proben zu entnehmen.
  • Auch nach 2-wöchigen Stillstand konnten nach Wiederanfahren des Systems (Kaltstandby) innerhalb weniger Stunden Methankonzentrationen wie vor dem Lastwechsel erzielt werden.
  • Der Warmstandby hatte ab einen Zeitraum von ca. 2 Tagen einen negativen Effekt auf den Reaktorbetrieb und die Methanqualität. Bei längeren Stillstandszeiten wird deswegen der Kaltstandby bevorzugt
  • Regelmäßiges Zudosieren von Nährstoffen wie Ammonium und Natriumsulfid ist essenziell.
  • Ein kontinuierlicher Betrieb der ORBIT-Anlage mit Methananteilen im Produktgas von 91 bis knapp 95 % sowie Wasserstoff- und CO2-Anteilen unter 2-3 % konnte erreicht werden

Ausführliche Projektbeschreibung

Hauptziel des Konsortiums war die Planung, der Aufbau und der Test eines Rieselbett-Bioreaktors für die biologische Methanisierung. Hierfür galt es zuerst in Zusammenarbeit mit der FAU Erlangen-Nürnberg das dem Reaktordesign vorausgesetzte Verfahrenskonzept zu erarbeiten und vorzubereiten. Im Anschluss wurde an der FAU ein entsprechendes verfahrenstechnische Simulationsmodell erstellt. Mithilfe dieses Simulationsmodelles sollten energetisch optimale Betriebs- und Auslegungsparameter für den Reaktor ermittelt werden. Die groben Rahmenbedingungen für den Prozess (Druck und Temperatur) konnten schon früh festgelegt werden, da die Zielvorgaben am Standort Ibbenbüren für die geplante Einspeisung des Produktgases, sowie die Anforderungen aus der Mikrobiologie bereits fixiert wurden. Der Reaktor wurde maßgeblich von der FAU aufgebaut. Weiterhin galt es eine geeignete Elektrolysetechnologie für eine mögliche Anwendung der ORBIT-Technologie zu identifizieren. Hierfür wurde ein Auswertetool basierend auf dem Analytical Hierarchy Process entwickelt, welches eine systematische auf festgelegten und gewichteten Kriterien beruhende objektive Auswahl optimal geeigneter Geräte ermöglicht (siehe Abbildung 1).

Ein weiteres Ziel für die OTH Regensburg bestand darin, ausgehend von einer Literaturrecherche und Datensammlung Normungslücken zu identifizieren. Systemparameter und -grenzen für biologische Methanisierungsprozesse sowie nötige Mess- und Nachweismethoden wurden darauf aufbauend definiert. Die dabei erlangten normativen und regulativen Erkenntnisse wurden in relevanter Fachliteratur und auf Tagungen mit dem Ziel präsentiert, die Ergebnisse in vorhandene Normungsstrukturen zu überführen. 2018 wurde beim Verein Deutscher Ingenieure e.V. ein Antrag zur Erstellung einer Richtlinie zum Thema „Biologische CO2-Methanisierung: Systemparameter und Messmethoden“ gestellt. In der Zwischenzeit ist das Normungsgremium auf über 70 Teilnehmer angewachsen und bearbeitet eine ganze Normenreihe „VDI 4635 Power-to-X“. Mehrere Mitglieder des ORBIT-Projekts sind an den Arbeiten beteiligt.

Die Identifikation geeigneter methanogener Archaeen für den Einsatz in der biologischen Methanisierung im ORBIT-Rieselbett-Bioreaktor war einer der wichtigsten Punkte im Projekt. Entscheidend war das Zusammenspiel der Stämme mit den Fullkörpern. Um ein umfassendes Bild für die Auswahl eines optimalen Füllköpers für den Bioreaktor zu erhalten, wurde im Projektverbund beschlossen, die Mikrobiologie und die Hydrodynamik getrennt zu betrachten. Die Materialproben wurden dabei von der OTH im Hinblick auf eine vielfältige Auswahl mit Augenmerk auf alle wichtigen biologischen als auch hydrodynamischen Eigenschaften ausgewählt. Im Fokus der UR stand dabei, Materialien aus der Vorauswahl der Packungen zu selektieren, welche eine besonders gute Anheftung der methanogenen Stämme und damit einhergehend einen hohen Methananteil im Produktgas und eine hohe Methanproduktionsrate gewährleisten (Siehe Abbildung 2).

Bei der Auswahl der methanogenen Stämme wurde auf die Bakterienbank Regensburg des Lehrstuhls für Mikrobiologie und Archaeenzentrums der Universität Regensburg zurückgegriffen, in der sowohl verschiedene Eigenisolate als auch in öffentlichen Sammlungen hinterlegte Arten der beiden untersuchten Gattungen methanogener Archaeen dauerkonserviert werden. Für das ORBIT-Projekt wurden daraus insgesamt 12 Vertreter (jeweils 6 für beide Gattungen) ausgesucht, bei denen es sich entweder um vollständig charakterisierte Isolate handelt oder solche, die im Vorfeld nur teilweise untersucht wurden. Sämtliche Versuche an der UR wurden in Flüssigkulturen mit einmaliger Zugabe der Edukte Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid durchgeführt. Organismen, die in diesen Tests die zu Grunde gelegten Kriterien am besten erfüllten, wurden für die Versuche im ORBIT-Rieselbett-Bioreaktor ausgewählt.

Außerdem wurden Versuche zum Aufwuchsverhalten verschiedener Archaeenstämme auf diversen Oberflächen und Materialien geplant und durchgeführt. Die OTH beteiligte sich an der Auswahl verschiedener Werkstoffe, Materialien und Strukturen sowie der Auswertung der Ergebnisse. Ziel des ORBIT-Projekts war es, eine breite Auswahl an Füllkörpern zu untersuchen, die sich in ihrem Werkstoff und damit hinsichtlich des Gewichts, der Dichte, der Oberflächenstruktur (Porosität und Geometrie), der Wärmeleitfähigkeit als auch der Hydrophobizität unterscheiden. Von der OTH wurde zu Beginn des Projektes eine umfangreiche Literaturstudie durchgeführt, um zu ermitteln, welche Materialien in anderen Power-to-Gas-Projekten zu dieser Zeit zum Einsatz kamen bzw. am Markt für ähnliche Anwendungen wie z.B. der Abwasseraufarbeitung genutzt werden. Anhand dessen wurde eine Auswahl von 14 unterschiedlichen Materialien für die Untersuchung im Projekt ausgewählt. Aufgrund von Kostengründen sowie von Problemen in der Handhabung bei den Versuchen zur Biologie schieden zwei Materialien schieden frühzeitig aus. Die weiteren Tests zur Strömungsmechanik wurden mit den verbliebenen 12 Proben in einem maßstäblich zum ORBIT-System kleineren Reaktor durch die OTH Regensburg durchgeführt.

Ausgehend von einer systematisch durchgeführten und von der OTH vorbereiteten und moderierten Risikobeurteilung (HAZOP) wurde ein Sicherheitskonzept für die Anlage zur Berücksichtigung u.a. von Stromausfall, Undichtigkeit, Fehlern an Heizelementen etc. durchgeführt. Die Ergebnisse flossen in die Planungen des Prozesses ein und haben diese maßgeblich beeinflusst.

Für die Einbindung der Anlage am Versuchsstandort in Regensburg wurde der Standort angepasst, indem die nötige Infrastruktur (containerisiertes Gasmessequipment, Netzwerkeinbindung, Energieversorgung) zur Verfügung gestellt und das Gelände entsprechend den Vorgaben aus Risikobeurteilung und Explosionsschutz beschildert, abgesperrt und mit Zugangsberechtigungen versehen. Abbildung 3 zeigt eine Aufnahme der Anlage. Ab Aufstellung wurde die Anlage unter Kooperation und Beteiligung aller Projektpartner laufend auf Hard- und Softwareebene angepasst und weiterentwickelt, um einen kontinuierlichen Betrieb zu erreichen.

Die offizielle Inbetriebnahme der ORBIT-Anlage in Regensburg fand am 15. Mai 2019 im Rahmen einer sehr gut besuchten Pressekonferenz mit Anlagenbesichtigung statt. Die Anlage wurde in Regensburg am 29. Juli 2019 vom TÜV geprüft und abgenommen und ging damit in den regulären Betrieb. Es wurden zunächst Versuche mit variierendem Druckniveau, konstanter Betriebstemperatur und pH-Bereich entsprechend der Anforderung der verwendeten Mikroorganismen gefahren. Die Eduktgaszusammensetzung wurde entsprechend den jeweiligen Rahmenbedingungen geändert.

Im Zeitraum der Technikumsversuche in Regensburg konnte ein kontinuierlicher Betrieb der ORBIT-Anlage mit Methananteilen im Produktgas von 91 bis knapp 95 % sowie Wasserstoff- und CO2-Anteilen unter 2-3 % erreicht werden. Der offizielle Einspeisebeginn der ORBIT-Anlage in Ibbenbüren fand am 23. Oktober 2020 im Rahmen eines sehr gut besuchten Pressetermines mit Anlagenbesichtigung statt.

Veröffentlichungen

Folgende Veröffentlichungen wurden im Rahmen des Forschungsprojektes erarbeitet:

Fachpublikationen
  • Anja Kaul, Andrea Böllmann, Martin Thema, Larissa Kalb, Richard Stöckl, Harald Huber, Michael Sterner, Annett Bellack. 2021. Combining a robust thermophilic methanogen and packing material with high liquid hold-up to optimize biological methanation in trickle-bed reactors. In Bioresource Technology. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126524
  • Thema, Martin; Weidlich, Tobias; Kaul, Anja; Böllmann, Andrea; Huber, Harald; Bellack, Annett; Karl, Jürgen; Sterner, Michael (2021): Optimized biological CO2-methanation with a pure culture of thermophilic methanogenic archaea in a trickle-bed reactor. In Bioresource Technology 333. DOI: 10.1016/j.biortech.2021.125135
  • Thema, Martin (2020): Process optimization for microbial biosynthesis of methane in a trickle-bed reactor for Power-to-Gas applications: the ORBIT-process. Dissertation. Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU); Ostbayerische Technische Hochschule (OTH Regensburg), Erlangen-Nürnberg, Regensburg. Lehrstuhl Energieverfahrenstechnik (EVT); Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES). Veröffentlichungsdatum: 30.09.2021. URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-150567, DOI: 10.2370/9783844076561. ISBN: 978-3-8440-7656-1
  • Thema, Martin; Weidlich, Tobias; Hörl, Manuel; Bellack, Annett; Mörs, Friedemann; Hackl, Florian et al. (2019): Biological CO2-Methanation: An Approach to Standardization. In: energies 12 (9), S. 1670. DOI: 10.3390/en12091670.
  • Thema, M.; Bauer, F.; Sterner, M. (2019): Power-to-Gas: Electrolysis and methanation status review. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews 112, S. 775 787. DOI: 10.1016/j.rser.2019.06.030.
Vorträge auf Konferenzen, Tagungen und Fachgremien
  • Sterner, Michael; Heberl, Michael (2021): The ORBIT-Project: Biological methanation in a trickle-bed reactor - key results and next steps. 5th Nuremberg Workshop Methanation and 2nd Generation Fuels. Nürnberg.
  • Thema, Martin (2020): Prozessoptimierung zur biologischen CO2-Methanisierung im Rieselbettreaktor für Power-to-Gas-Anwendungen: der ORBIT-Prozess. 4. Netzwerktreffen des BayWISS-Verbundkollegs Energie (online).
  • Thema, Martin; Sterner, Michael; Karl, Jürgen (2018): Biologische CO2-Methanisierung im Rieselbettreaktor Neues aus dem ORBIT-Projekt. Netzwerktreffen BayWISS-Verbundkolleg Energie. Waischenfeld.
  • Thema, Martin; Sterner, Michael (2018): ORBIT Optimierung eines Rieselbett-Bioreaktors für die dynamische mikrobielle Biosynthese von Methan mit Archaeen in Power-to-Gas-Anlagen - Vorstellung Projektidee, Ablauf, Ziele. Promovierenden-Kolloquium im BayWISSVerbundkolleg Energie. Nürnberg.
  • Thema, Martin; Sterner, Michael (2018): ORBIT-Optimierung eines Rieselbett-Bioreaktors für die dynamische mikrobielle Biosynthese von Methan mit Archaeen in Power-to-Gas-Anlagen. Vorstellung des Projekts und Richtlinienantrag „CO2-Methanisierung: Systemparameter und - und Richtlinienausschüsse im FB 03 der VDI-GEU. Düsseldorf.
  • Thema, Martin; Sterner, Michael (2017): Keine Sektorkopplung ohne Speicher-Ansätze für eine sektorübergreifende Dekarbonisierung. 24. C.A.R.M.E.N.-Forum Sektorkopplung & Wärmenetze Projekte und Strategien. Straubing.
  • Thema, Martin; Sterner, Michael (2017): ORBIT Optimierung eines Rieselbett-Bioreaktors für die dynamische mikrobielle Biosynthese von Methan mit Archaeen in Power-to-Gas-Anlagen - Vorstellung Projektidee, Ablauf, Ziele. Kick-off Workshop BayWISS-Verbundkolleg Energie. Waischenfeld.
  • Thema, Martin (2016): Biological Methanation-State of the Art. 3rd Nuremberg Workshop Methanation and Second Generation Fuels. Nürnberg.
Poster
  • Böllmann, Andrea; Stöckl, Richard; Kalb, Larissa; Thema, Martin; Sterner, Michael; Weidlich, Tobias et al.: Microbial biosynthesis of methane in a trickle-bed reactor for Power-to-Gas applications. Poster. In: VAAM 2019.
  • Thema, Martin; Bauer, Franz; Sterner, Michael (2019): Power-to-Gas world status report. Poster. In: International Renewable Energy Storage Conference IRES 2019. Eurosolar e.V. Düsseldorf, Bonn.
  • Thema, Martin; Weidlich, Tobias; Hörl, Manuel; Bellack, Annett; Mörs, Friedemann; Hackl, Florian et al. (2019): Biological CO2-Methanation: an Approach to Standardization. Poster. In: Renewable Energy Technology International AB (Hg.): Conference Proceedings. Unter Mitarbeit von Jörgen Held. 6th International Conference on Renewable Energy Gas Technology REGATEC 2019. Malmö, 20th-21st of May. Lund: Serviceförvaltningen/Tryckeriet Lunds kommun.
  • Thema, Martin; Bellack, Annett; Weidlich, Tobias; Huber, Harald; Karl, Jürgen; Sterner, Michael (2019): Optimizing biological CO2-methanation in a trickle-bed reactor: the ORBIT-project. Poster. In: Renewable Energy Technology International AB (Hg.): Conference Proceedings. Unter Mitarbeit von Jörgen Held. 6th International Conference on Renewable Energy Gas Technology REGATEC 2019. Malmö, 20th-21st of May. Lund: Serviceförvaltningen/Tryckeriet Lunds kommun.
  • Thema, Martin; Bellack, Annett; Weidlich, Tobias; Huber, Harald; Karl, Jürgen; Sterner, Michael (2019): Optimierung biologischer CO2-Methanisierung im Rieselbett-Reaktor: das ORBIT-Projekt. In: OTH Regensburg (Hg.): Betriebliche Eigenversorgung. Dokumentation. Unter Mitarbeit von Anna Tommek. 4. Regensburger Energiekongress. Regensburg, 26.-27.02.2019. Regensburg Center of Energy and Resources. Regensburg.
  • Weidlich, Tobias; Trabold, Thomas; Thema, Martin; Sterner, Michael; Karl, Jürgen (2019): Trickle-Bed Reactor for Biological Methanation. Poster. In: International Renewable Energy Storage Conference IRES 2019. Eurosolar e.V. Düsseldorf, Bonn.
  • Weidlich, Tobias; Dillig, M.; Thema, Martin; Sterner, Michael; Karl, Jürgen: Biological Methanation in a trickle-bed reactor. In: International Renewable Energy Storage Conference IRES 2019.
Pressemitteilungen und Presseeinladungen

Pressemitteilung der OTH Regensburg (23.10.2020) | Power-to-Gas-Bioreaktor-Anlage geht ans Netz

MaschinenMarkt online (17.09.2020) | Energiewende - Mit grünem Gas den Planeten retten

"Highlight-Projekt" im Bundesbericht Energieforschung 2020 (17.06.2020) | ORBIT – Optimierung eines Rieselbett-Bioreaktors für die dynamische mikrobielle Biosynthese von Methan mit Archaeen in Power-to-Gas-Anlagen

regensburg-digital (30.12.2019) | Mikroorganismen mit Potential – Wie Einzeller die Energiewende möglich machen

Beitrag (16.12.2019) | Hans Joachim Schellnhuber besucht ORBIT Anlage

Bayerischer Rundfunk – Kontraste (20.11.2019) | Klimawandel II - Wie Innovation ausgebremst wird

Pressemitteilung des VDI (04.11.2019) | Power-to-X: VDI startet technische Regelsetzung

Beitrag im Magazin „TRIOLOG. Wissenschaft – Wirtschaft – Gesellschaft in Ostbayern“ (Juli 2019) | Einzellige Urtierchen in der Hauptrolle - Forschungsprojekt beschäftigt sich mit Energiewandlung und Speicherung

Bayerischer Rundfunk – quer (25.04.2019, ab Minute 26) | Aggressiver Schwan | Dürre in Franken | Flößerstadt ohne Flöße

Beitrag (12.03.2019) | Meilenstein im ORBIT Projekt erreicht

CH4 Das Magazin für die moderne Gaswirtschaft. Heft 2/2019S. 28-29, ISSN 2625-4638 | Biologische Methanisierung, Rieselbettreaktor mit Mikroorganismen

Beitrag im Bayerischen Rundfunk (24.01.2019, ab Minute 14:34) | Gut zu Wissen - Alpenleuchten | Thermopapier und Bonpflicht | Energiespeicher | Kleidung unter Strom

Presseerklärung 75 (24.07.2017) | ORBIT: Brandneue Technologie mit uralten Mikroorganismen

ORBIT | Ostbayerische Technische Hochschule OTH Regensburg: Aktuelle Förderprojekte