Pilot–BioHyMeth – Entwicklung und Betrieb einer Pilotanlage zur biologischen Wasserstoff- und Methanproduktion

Ziel des Forschungsprojektes war es, die biologische anaerobe Wasserstoffproduktion in einem Gesamtsystem aus dem Labormaßstab in eine technische Anwendung zu überführen. Dabei wurde neben der eigentlichen fermentativen Wasserstoffproduktion die gesamte Prozesskette bis hin zur Stromerzeugung und der Verwertung der anfallenden Nebenprodukte berücksichtigt.

Innerhalb des Projektdurchführungszeitraumes (August 2011 bis Dezember 2014) wurde in enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern Emschergenossenschaft (EG) und dem Zentrum für Brennstoffzellentechnik Duisburg (ZBT), eine halbtechnische Anlage in modularer Bauweise entwickelt, errichtet und auf dem Gelände der Kläranlage Dinslaken (Klärwerk Emschermündung), im folgenden KLEM genannt, erfolgreich in Betrieb genommen.

Zur Erreichung des Projektziels wurden im Vorfeld des Entwurfs und der Konstruktion der Versuchsanlage, diverse Versuche und Simulationen in den Laboratorien des Fachgebiets Siedungswasser- und Abfallwirtschaft an der Universität Duisburg-Essen (UDE) und des ZBT´s durchgeführt.

Die UDE fokussierte hierbei die Versuche auf grundlegende biologische Rahmenbedingungen, wie z.B. die Evaluation eines geeigneten Substrates, die Ermittlung einer optimalen hydraulischen Aufenthaltszeit oder die Bestimmung eines optimalen Temperaturniveaus des biochemischen Prozesses. Darüber hinaus wurden bereits zu Beginn der Entwicklung Versuche zu später verwendeten Materialien und Anlagenteilen durchgeführt.

Zeitgleich wurden durch das ZBT, Rahmenbedingungen für die Nutzung des erzeugten wasserstoffreichen Biogases in einem Niedertemperatur-Brennstoffzellensystem (PEM) erarbeitet. Hierzu zählten unter anderem die Entwicklung eines geeigneten Gasaufbereitungsverfahrens und die Zusammenstellung eines Gaskomponenten-Messsystems. Zudem erfolgte die technische Umsetzung innerhalb eines modular aufgebauten Brennstoffzellensystems.

Aufbauend auf die Ergebnisse aus dem Labormaßstab wurde auf dem Gelände der Kläranlage Emschermündung (KLEM) der Emschergenossenschaft eine Pilotanlage installiert und über 12 Monaten erfolgreich betrieben. Im Vorfeld der Inbetriebnahme wurden alle nötigen Genehmigungen bzgl. des Baus einer solchen Versuchsanlage, seitens der Emschergenossenschaft eingeholt. In enger Zusammenarbeit zwischen beiden Projektpartnern erfolgte darüber hinaus die Entwicklung und Erstellung eines arbeitssicherheitstechnischen Konzeptes zum Betrieb der Versuchsanlage auf dem Gelände des KLEM. Die Ergebnisse des ZBT zeigen, dass eine direkte Nutzung des biologisch erzeugten wasserstoffreichen Gases nach erfolgter Gasreinigung mittels Aktivkohle möglich ist. Als negativ auf die Niedertemperatur PEM wirkende Spurengase konnten Schwefelwasserstoff (H₂S), Carbonylsulfid (COS), Kohlenstoffdisulfid (CS₂) und Ammoniak (NH₃) sowie in den Laborversuchen Kohlenstoffmonoxid (CO) identifiziert werden. Die Konzentrationen der einzelnen Spurengase waren dabei hauptsächlich von den eingesetzten Substraten und der Betriebstemperatur abhängig.

Im Rahmen des Vorhabens konnten wesentliche Grundlagen erarbeitet werden, um mittelfristig praxisreife Lösungen umzusetzen. Auf Basis der umfangreichen labor- und halbtechnischen Versuche und der hieraus gewonnenen Informationen, können wichtige Daten für eine praxisorientierte Anwendung, der biologischen Wasserstofferzeugung in Verbindung mit einer Direktverwertung mittels Brennstoffzellentechnik, abgeleitet werden.

Neben neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen mit Bezug auf die Auswirkungen der Prozessbedingungen sowie die der Ausgangssubstrate auf eine biologische Wasserstoffproduktion, können mittelfristig auch neue verbesserte Ansätze zum Bau und zur Inbetriebnahme einer solchen Anlage abgeleitet werden.

Voraussetzung hierfür sind allerdings weiterführende Untersuchungen zur Verhaltensweise der Biozönose in der wasserstoffproduzierenden Reaktionsstufe unter Berücksichtigung erhöhter Stressbelastung, verursacht durch eine geringere hydraulische Verweilzeit. Zeitgleich sind die Rahmenbedingungen für die Implementierung einer solchen Anlage und deren energetischen Nutzen auf einer kommunalen Kläranlage beispielsweise durch eine Simulationsrechnung zu prüfen.

Darüber hinaus konnte im Rahmen des Projektes eine stabile Wasserstoffproduktion in einer halbtechnischen Anlage, die Analyse und Reinigung des Produktgases sowie die energetische Verwertung in einer gekoppelten Brennstoffzelle nachgewiesen werden. Unter Einsatz eines optimierten Rührorgans konnte das Gasaustragsverhalten aus einem Flüssigmedium und die damit verbundene Senkung des Wasserstoffpartialdrucks verbessert werden. Ferner wurden die Effekte einer kontinuierlichen pH-Wertregulierung zur Vermeidung einer übermäßigen Prozessübersäuerung dargestellt.

Hinsichtlich der praktischen Anwendung in einer großtechnischen Anlage sind noch Verfahrenstechnische Fragestellungen zu beantworten. Dies betrifft prozesskontroll-technische Parameter wie z.B. die Reaktortemperatur, die Regelung des Füllstands oder eine optimierte Kopplung der Brennstoffzellentechnik samt der vorgelagerten Gasaufbereitung.