Energiewende in Reinkultur – in Wädenswil zu bestaunen

In Biomasse steckt viel Energie – Energie, die erneuerbar und praktisch überall auf der Welt gewonnen werden kann. Für viele Länder wäre die Nutzung der in Biomasse gespeicherten Energie deshalb einen bedeutenden Schritt in Richtung energetische Unabhängigkeit.

Brachliegendes Potenzial

Grosse Teile der energetisch nutzbaren Biomasse liegen in wässriger Form vor. Und sie liegt brach, weil bisher ein effizientes Verfahren für deren Umwandlung in Brenn- oder Treibstoffe fehlt. In der Schweiz wird das nachhaltige energetische Potenzial der nassen Biomasse auf 34.8 Petajoule pro Jahr geschätzt, nur 10.9 Petajoule jährlich werden aber tatsächlich verwertet. Neben der schon heute vorhandenen nassen Biomasse liegt auch in Algen ein grosses Potenzial. Algen wachsen schnell und lassen sich sowohl zu Energieträgern als auch zu Feinchemikalien verarbeiten, aber der Forschungsbedarf zur Verwertung von Algen ist noch gross. Mit dem Ziel, die technisch-ökonomische Machbarkeit eines Verfahrens zur energetischen Nutzung von Algen zu demonstrieren, arbeitet das PSI zusammen mit der ETH Lausanne, der Empa und der Hochschule für Technik Rapperswil bereits seit 2010 im Projekt SunCHem. Nun ist den Forschenden ein Durchbruch gelungen: sie haben Mikroalgen aus dem Bioreaktor der ZHAW in Wädenswil in die PSI-Anlage zur hydrothermalen Methanierung eingespeist und über 100 Stunden kontinuierlich energiereiches Gas produziert. Damit ist die technische Machbarkeit der kontinuierlichen hydrothermalen Methanierung von Mikroalgen unter Beweis gestellt worden, sagt SunCHem-Projektleiter Christian Ludwig.

Algenbioreaktor auf dem Campus Grüenthal der ZHAW in Wädenswil

Höhere Effizienz dank überkritischen Wassers

Das SunCHem-Verfahren basiert auf der sogenannten hydrothermalen Methanierung, die am PSI in der Forschungsgruppe von Frédéric Vogel über die letzten 10 Jahre entwickelt wurde. Zudem gehört zum SunCHem-Prozess die Schliessung der Stoffkreisläufe – das heisst: Nährstoff, die zum Algenwachstum verwendet werden, gewinnt man weitgehend zurück, sodass Abfallmengen minimiert werden. Die hydrothermale Methanierung unterscheidet sich von anderen herkömmlichen Verfahren dadurch, dass man das Wasser hier als Reaktionsmedium verwendet statt die Biomasse zu trocknen. Damit erspart man sich den für die Trocknung der Biomasse notwendigen Energieaufwand, womit die Effizienz des Verfahrens steigt. Der Schlüssel liegt darin, die Biomasse unter hohen Temperaturen und Drücken aufzubereiten, sodass das darin enthaltene Wasser in den sogenannten überkritischen Zustand übergeht. In diesem Zustand ist Wasser nämlich weder flüssig noch gasförmig, es vereint vielmehr Eigenschaften beider Aggregatszustände. Dies macht das Verfahren der hydrothermalen Methanierung viel effizienter als die biotechnologischen Alternativen. Bei der hydrothermalen Methanierung können 60 bis 75 Prozent der in den Ausgangsstoffen enthaltenen Energie in nutzbare Energie umgewandelt werden.

Geschlossener Nährstoff-Kreislauf

Zudem bringt das überkritische Wasser einen weiteren Vorteil mit sich: Die im Rohstoff enthaltenen Salze lassen sich leichter abtrennen. Anders als im alltäglichen unterkritischen Wasser sind Salze in überkritischem Wasser nicht löslich. „Dieser Aspekt ist entscheidend, erlaubt er doch eine Nährstoff-neutrale Bioenergieproduktion aus Algen, oder die Rückgewinnung von wertvollen Nährstoffen aus Gülle oder Klärschlamm“, erklärt Ludwig weiter. Dieser Verfahrensschritt ist auch notwendig, um den Katalysator zu schonen, welcher für die Produktion von Methan verwendet wird. Denn durch die Abscheidung der Salze werden viele Substanzen wie etwa Schwefel, die die Funktion des Katalysators beeinträchtigen aus dem Kreislauf genommen.

Optimierung von Salzabscheider und Katalysator

Der jetzt erreichte Meilenstein zeigt, dass die hydrothermale Methanierung von Algen grundsätzlich technisch machbar ist. Den Durchbruch haben die Forschenden ihrer langjährigen Arbeit zu verdanken, nicht zuletzt aber auch dem Beitrag der ZHAW mit deren Bioreaktor und Verfahren zur Algenzüchtung, das unter der Leitung von ZHAW-Forscher Dominik Refardt weiterentwickelt wird.

Entscheidend waren die in den letzten Monaten gefundenen Lösungen für eine längere Haltbarkeit des verwendeten Katalysators. „Wir haben den Salzabscheider so optimiert, dass Katalysatorgifte wie Schwefel und Teerstoffe besser zurückgehalten werden konnten. Ausserdem haben wir ein komplett neues Katalysatordesign benutzt und so den Kontakt des Katalysators mit dem Algenmaterial verlängert, was sich in einer höheren Methanausbeute auszahlte. Um den Katalysator besser vor Vergiftung zu schützen, haben wir eine spezielle Beschichtung eingesetzt, die Schwefel zurückhält“, berichtet Ludwig und fügt mit Hinblick auf die Zukunft hinzu: „Jetzt müssen aber ausführliche Tests folgen, um die Betriebsparameter der Anlage zu optimieren.“

Der PSI-Prozess besteht aus folgenden Schritten:

• Pumpen des Biomassebreis bei 300 bar
• Erhitzen unter Druck auf ca. 400 °C
• Abtrennung der Nährsalze im Salzabscheider bei ca. 450 °C
• Methanierung im katalytischen Reaktor bei 400-450 °C
• Kühlen und Trennen von Wasser und Gas, anschliessendes Entspannen.
• Abtrennen des CO2 (in der Testanlage nicht realisiert)

Die Vorteile der hydrothermalen Methanierung im Überblick:

• Höherer Wirkungsgrad
• Keine Trocknung nötig (Wasser dient als Reaktionsmedium)
• Produkte sind reines Wasser und Methan.
• Effiziente energetische Nutzung bestehender und neuer Biomasse-Sorten
• Effizientes Nährstoffrecycling
• Hormone und bioaktive Moleküle können zerstört werden