Entwicklung eines zweistufigen anaeroben Verfahrens zur kontinuierlichen Wasserstoff- und Methanerzeugung aus organischen Abfällen und Abwässern

Um dem steigenden Energiebedarf, insbesondere elektrischer Energie, und der Verknappung fossiler Energieträger zu begegnen, ist sowohl eine effizientere Energienutzung als auch die Erschließung regenerativer Energiequellen notwendig. Zur Effizienzsteigerung kann bekanntlich die Brennstoffzellentechnik beitragen. Dies gelingt jedoch nur effizient und nachhaltig in Verbindung mit einer regenerativen Wasserstofferzeugung. So wird bisher Biogas durch anaerobe Vergärung von organischen Substanzen erzeugt. Zur Umwandlung des Gases in Strom werden derzeit Blockheizkraftwerke (BHKW) mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 30-40% eingesetzt. Etwa weitere 50% des Energiegehaltes können mittels Kraftwärmekopplung z. B. zum Klimatisieren von Büroräumen u. ä. genutzt werden. Häufig besteht in der direkten Umgebung solcher Anlagen kein so großer Bedarf an thermischer Energie, so dass ein großer Teil der Energie ungenutzt verloren geht. Die Entwicklung des zweistufigen Verfahrens zur kontinuierlichen biologischen Erzeugung von Wasserstoff und Methan aus Biomasse, kombiniert mit der Weiterentwicklung der Brennstoffzellen, stellt einen innovativen, nachhaltigen Ansatz dar, der auf den Grundlagen der Anaerobtechnik beruht. Durch den höheren elektrischen Wirkungsgrad von Brennstoffzellen gegenüber Verbrennungsmotoren wird die Effizienz der Umwandlung vom Gas in nutzbare elektrische Energie gesteigert, da der Wirkungsgrad in Richtung Elektrizität verschoben ist. So entsteht bei der konventionellen Vergärung neben Methan (CH4) und CO2 auch H2 als intermediäres Produkt in den ersten drei Stufen der Vergärung von Biomasse. Werden die methanogenen Mikroorganismen, die sowohl den intermediären H2 mit CO2 als auch Essigsäure in CH4 und CO2 überführen, in der ersten Prozessstufe gehemmt, so entstehen H2, CO2 und organische Säuren. Auf Grund der mikrobiologischen Stoffwechselprozesse können dabei theoretisch aus einem Kilogramm Glukose 498 Nl/kg Wasserstoff (1. Stufe) und weitere 248 Nl/kg Methan (2. Stufe) erzeugt werden. Vorteile des Verfahrens sind: - Geringe hydraulische Verweilzeiten (HRT) in der 1. Stufe von 12 h - 48 h - Bereitstellung von organischen Säuren und hydrolytischen Bakterien verbessert die Hydrolyse eines Co-Substrats => kürzere HRT in der Methanstufe - Wasserstoffproduktion ist flexibler und unempfindlicher gegenüber Stoßbelastungen - Bis 13 % höhere Stromertrage bei Nutzung von PEM-FC - Steigender Stromertrag bei sinkender HRT in der Wasserstoffstufe Das Ausschleusen des Wasserstoffs in der ersten Stufe hatte keine gravierenden Auswirkungen auf die Methanbildung in der 2. Stufe des Systems. Unter den oben genannten Voraussetzungen stellt die Kopplung der Wasserstofferzeugung an z. B. eine bestehende Fermentation eine Option dar, die in naher Zukunft in einen technischen Maßstab überführt werden könnte. Somit bietet sich dieses System aus den oben genannten Gründen als Erweiterung bestehender Vergärungsanlagen an. Es ist insbesondere für die Aufbereitung leicht verfügbarer Biomasse geeignet, die als Monosubstrat in der konventionellen Vergärung problematisch ist, da sie zur Übersäuerung führen kann.