Bio-Methan und CO₂ direkt aus feuchtem Biogas gewinnen
Methan und CO₂ aus Biogas effizient nutzen: Durch neuartige Flachmembranen
kann Biogas direkt und energieeffizient aufbereitet werden – auch in
kleinen Anlagen. Im Projekt Bio4Value entwickelt das Fraunhofer-Institut
für Angewandte Polymerforschung IAP im Potsdam Science Park gemeinsam mit
der KS Kunststoffbau GmbH und dem Leibniz-Institut für Agrartechnik und
Bioökonomie ATB eine Technologie, die neue Perspektiven für die stoffliche
Nutzung von Methan und CO₂ eröffnet.
Einfaches Handling ohne Vortrocknung des Biogases
Biogas bietet vielfältige Nutzungsmöglichkeiten – etwa als Treibstoff, zur
Wärmeerzeugung oder als Grundlage für Dünger und chemische Produkte.
Bislang ist das Aufreinigen von Biogas zu Bio-Methan jedoch technisch
aufwendig und für kleinere Anlagen kaum wirtschaftlich. Herkömmliche
Verfahren erfordern eine aufwendige Vortrocknung und Gaswäsche. Genau hier
setzt das Projekt Bio4Value an: Ein neu entwickeltes Membranverfahren, das
ohne vorgelagerte Trocknung des Biogases auskommt, verspricht eine
deutliche Vereinfachung. Neue Flachmembranen, die am Fraunhofer IAP
entwickelt wurden, bilden die zentrale Komponente. Sie trennen Methan von
CO₂ unmittelbar aus dem feuchten Biogasstrom ab. Ein zusätzlicher
Energieaufwand für das Kühlen und ein erneutes Aufheizen des Rohbiogases
vor der Membrantrennung entfällt dadurch. In Dauerversuchen zeigten die
Forschenden auch, dass die neu entwickelten Membranen gegen den im
Rohbiogas enthaltenen Schwefelwasserstoff resistent sind.
Mehr als Energie: Stoffliche Nutzung von CO₂ und Methan
Die gezielte Trennung von CO₂ und Methan direkt an der Entstehungsquelle
ist ein wichtiger Schritt, um Emissionen zu vermeiden und die abgetrennten
Gase effizient zu verwerten. »Das gewonnene CO₂ kann als wertvoller
Rohstoff für industrielle Prozesse eingesetzt werden, z. B. für die
Elektrosynthese, für die Produktion von Kraftstoffen oder zur Herstellung
von Chemikalien. Darüber hinaus kann es als Kohlenstoffquelle in
Gewächshäusern oder zur Herstellung von Sprudelwasser dienen«, erklärt Dr.
Steffen Tröger-Müller vom Fraunhofer IAP, der das Projekt koordiniert.
Methan wiederum dient in erster Linie als biobasierter Kraftstoff (Bio-
CNG, Compressed Natural Gas auf Biogasbasis) für landwirtschaftliche
Fahrzeuge oder zur Einspeisung in das Erdgasnetz. Es kann jedoch auch
stofflich verwertet werden, beispielsweise als Ausgangsstoff für chemische
Synthesen wie die Ammoniak- oder Methanolherstellung.
Vom Polymer zur hochselektiven Flachmembran
Eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung geeigneter
Membranmaterialien ist die industrielle Umsetzbarkeit. Um die geforderte
selektive Trennung von Methan und CO₂ bei gleichzeitig vergleichsweise
geringen Drücken unter Verwendung von unbehandeltem Rohbiogas zu
erreichen, müssen neue Materialien entwickelt werden – marktverfügbare
Polymere erfüllen diese Anforderungen nicht. Das Fraunhofer IAP hat daher
gezielt geeignete Polymere synthetisiert und daraus Flachmembranen
hergestellt. Dabei kamen insbesondere die langjährigen Kompetenzen der
Forschenden in der Membran- und Verfahrensentwicklung zum Tragen. »Unsere
neu entwickelten Flachmembranen erfüllen alle Anforderungen und zeichnen
sich vor allem durch mechanische Stabilität und besonders dünne,
flussoptimierte Trennschichten aus«, so Tröger-Müller.«
Von der Membran zum marktfähigen Modul
Damit die Technologie auch unabhängig in kleinen Biogasanlagen im
ländlichen Raum betrieben werden kann, arbeitet die KS Kunststoffbau GmbH
an kompakten, modularen Lösungen. »Unser Ziel ist es, ein marktnahes Modul
zu entwickeln, das lokal einsetzbar ist und auch für Anwenderinnen und
Anwender ohne spezielle technische Vorkenntnisse einfach zu handhaben ist.
Die neu entwickelten Flachmembranen machen das möglich«, erklärt Markus
Huth, KS Kunststoffbau GmbH.
Das ATB ist für die Prozessintegration in bestehende Biogasanlagen
zuständig und übernimmt die Bewertung der neuen Technologie hinsichtlich
ihrer stofflichen Nutzungsmöglichkeiten. »Wir untersuchen, wie sich das
Membranmodul in reale Biogasprozesse integrieren lässt – hier sehen wir
ein hohes Potenzial.«, so Dr. Christiane Herrmann vom ATB. Zudem
untersucht das ATB techno-ökonomische Aspekte des Prozesses und führt
Lebenszyklusanalysen durch. »Aufgrund der Energieeinsparungen, die die neu
entwickelte Membran möglich macht, sehen wir eine große Chance, die
Membrantechnologie auch dezentral an kleinen Biogasanlagen einzusetzen.«,
so Herrmann.
Validierte Technologie sucht Partner für industrielle Umsetzung
Derzeit befindet sich die Technologie für die Biogasaufbereitung in der
Validierungsphase im Labormaßstab. »Unser Ziel ist es, die Technologie so
weiterzuentwickeln, dass sie in Folgeprojekten unter realen Bedingungen
demonstriert und durch industrielle Partner skaliert werden kann.
Unternehmen aus der Biogas-, Energie- oder Chemiebranche sind herzlich
eingeladen, sich an der weiteren Entwicklung zu beteiligen«, sagt Tröger-
Müller.
