Biogas aus Klärschlamm wird zu Wasserstoff

Derzeit werden die deutschen Erdgasspeicher eher entleert als gefüllt – aktuell (Stand 19. Juli) sind sie nach Angaben der Bundesnetzagentur nur noch zu 65,1 Prozent gefüllt. Denn der Erdgas-Verbrauch der Industrie sowie der Kraftwerke bei der Wärme- und Stromerzeugung ist im Vergleich zum Vorjahr eher noch gestiegen als gesunken – und aus Russland kriegen wir derzeit nichts mehr.

Und die Energiekrise könnte sich in den nächsten Wochen und Monaten noch verschärfen. Denn Ersatz für die Lieferungen aus Russland – wir reden hier von 100 Terawattstunden – ist nicht in Sicht. Forscher in der Schweiz und in Österreich setzen in der Not nun verstärkt auf Biogas, das beim mikrobiellen Abbau von organischen Materialien entsteht.

Umweltbundesamt sieht Biogas kritisch

Hierzulande gibt es rund 9000 Biogasanlagen. Ihr Beitrag zur Strom- und Wärmeerzeugung wird vom Umweltbundesamt allerdings eher kritisch als positiv gesehen. Der Grund: „Biogasanlagen“, warnen die Beamten in Dessau, „sind komplexe Industrieanlagen mit erheblichem Risikopotenzial. Denn in Biogasanlagen werden erhebliche Mengen extrem entzündbare und klimaschädliche Gase erzeugt, gespeichert und umgesetzt.“ Tatsächlich enthält es bis zu 50 Prozent Kohlenstoffdioxid (CO₂), das meist klimabelastend an die Atmosphäre abgegeben wird. Der Rest besteht aus Methan und kleineren Mengen an Verunreinigungen.

Solche Argumente schrecken Forscher in den Nachbarländern nicht ab. Sie spornen sie im Gegenteil eher an, umweltverträglichere Verfahren nicht nur zur Produktion von Biogas zu entwickeln. Sie wollen das Biogas aber auch nutzen, um grünen Wasserstoff zu gewinnen.

Wasserstoff mit fast 100 Prozent Reinheit

Während die Forscher an der Westschweizer Fachhochschule (HES-SO Valais-Wallis) in Sitten das CO₂ mit Hilfe von mikrobiellen Elektrolysezellen ebenfalls in Methan umwandeln, setzen Forscher der Technischen Universität Graz in Österreich auf Wasserstoff aus Biogas, das etwa in Brennstoffzellen verstromt werden kann. Gemeinsam mit dem ebenfalls in Graz ansässigen Start-up Rouge H2 Engineering haben sie die so genannte „Chemical-Looping Hydrogen-Methode“ entwickelt, die Wasserstoff mit einem Reinheitsgehalt von fast 100 Prozent erzeugt.

In mikrobiellen Elektrolysezellen (engl. microbial electrolysis cell/MEC) wird hier dem Klärschlamm Niedervoltstrom zugeführt. Gemeinsam mit den Mikroorganismen, die darin ohnehin tätig sind, gelingt es so, den Methananteil auf bis zu 90 Prozent zu steigern. Mittelfristiges Ziel sind 100 Prozent.

Mikroorganismen produzieren Methan

Wie der molekulare Mechanismus genau abläuft, ist laut Fabian Fischer, Professor für Chemische Biotechnologie, bisher nicht endgültig geklärt. Wissenschaftliche Studien deuten darauf hin, dass die im Fermenter aktiven Mikroorganismen (Archaeen) CO₂-Moleküle, Elektronen und Protonen direkt aufnehmen und daraus CH₄ (Methan) produzieren. Der Stoffwechselprozess der Mikroorganismen findet dann auf der Kathode statt. Diese ist entweder mit Nickel oder hochporösem Kohlenstoff beschichtet.

Der Vorgang läuft bei Umgebungstemperatur ab, Wärmeenergie muss also nicht zugeführt werden. Es wird jedoch Strom verbraucht, was den Wirkungsgrad senkt, allerdings nur minimal. Gemäß den Messungen der HES-SO Valais-Wallis verbraucht der MEC-Prozess elektrische Energie im Umfang von drei Joule pro Milliliter Methan. Das ist 13 Mal weniger als die Energie, die bei der Verbrennung der gleichen Methanmenge entsteht, um wieder Strom zu erzeugen.

Die Walliser Forschungsgruppe arbeitete zunächst mit einem 30-Liter-MEC-Reaktor und jetzt mit zwei Reaktoren mit je 50 Liter Volumen. Als nächstes wird ein 2000-Liter-MEC-Forschungsreaktor gebaut und betrieben. Das Upscaling der Anlage soll die Marktfähigkeit der MEC-Technologie nachweisen. Laut Fischer ist die Gründung eines Start-ups geplant, das die Technologie industrialisieren und dafür Investoren finden will.

Klimagas CO2 wird verwertet

Die Grazer Forscher nutzen eine Zehn-Kilowatt-Biogasanlage der südsteirischen Ökostrom Mureck. Ein Prozent des Gases (30 Liter pro Minute) wird abgezweigt und mit Wasserdampf vermischt. Mit Hilfe eines Katalysators entsteht daraus Synthesegas, ein Mix aus Wasserstoff (H₂) und Kohlenstoffmonoxid (CO), die getrennt werden. Der Wasserstoff entreißt Eisenoxid den Sauerstoff. Übrig bleibt reines Eisen, das wiederum dem zugeführten Wasserdampf den Sauerstoff entwendet.

Es entsteht Wasserstoff mit einer Reinheit von 99,998 Prozent. Das CO lässt sich auf mehrere Arten verwerten, sagt Professor Viktor Hacker vom Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik der TU Graz. Beispielsweise entsteht daraus durch Zugabe von Wasserdampf Methan, das wiederum die Abhängigkeit von Erdgas reduzieren würde.

Wasserstoff für fünf Euro das Kilo

„Würden wir den gesamten Biogasstrom der Biogasanlage in Mureck durch eine entsprechend hochskalierte Chemical-Looping-Anlage leiten, kämen wir auf eine Drei-Megawatt-Wasserstoffproduktionsanlage“, sagt Rouge H2 Projektleiter Gernot Voitic. „Das bedeutet, die Technologie ist nun reif für den kommerziellen Einsatz.“ Er schätzt, dass der so produzierte Wasserstoff für fünf Euro pro Kilogramm angeboten werden kann. Damit sei das Verfahren mit anderen Technologien wie der Elektrolyse konkurrenzfähig, der fünf bis zwölf Euro pro Kilogramm kostet.

Der Verkaufspreis wäre allerdings höher, wenn der Wasserstoff auf 700 bar komprimiert oder gar verflüssigt werden müsste, um in Elektrofahrzeugen mit einer Stromversorgung aus Brennstoffzellen eingesetzt werden zu können. „Brennstoffzellen funktionieren auch mit zwei bar“, sagt Voitic. Dann könnten beispielsweise Trecker versorgt werden, die nahe der Produktionsstätte im Einsatz sind und nur wenige Kilometer pro Tag zurücklegen. Allerdings müssten Traktoren mit einer solchen Antriebstechnik erst noch entwickelt werden.