Etamax – Biogas aus lignocellulosearmen Abfall- und Algenreststoffen

Biogas aus Abfällen – für eine nachhaltige Mobilität

Um die Abhängigkeit von knapper werdendem Erdöl und gleichzeitig den Ausstoß von Kohlenstoffdioxid zu verringern, ist die Nutzung erneuerbarer Energien eine nachhaltige Alternative. Hier spielt die Nutzung pflanzlicher Biomasse zur Gewinnung von Bioenergie – Strom, Wärme oder Kraftstoffen – eine herausragende Rolle.

Das Potenzial von Abfall-Biomasse zur Erzeugung von Biogas sowie dessen Anwendung als Kraftstoff werden jedoch bislang zu wenig ausgeschöpft. Bestens zur Vergärung geeignet sind organische Abfallstoffe mit einem hohem Wasseranteil und geringem Gehalt an Lignin und Lignocellulose, z. B. Abfälle aus der Lebensmittelindustrie, Großmarktabfälle oder Algenreststoffe.

Koordiniert durch das Fraunhofer IGB hat sich ein Projekt­konsortium daher zum Ziel gesetzt, leicht vergärbare, ligno­cellulosearme nasse Biomasse mit einem adaptierten Hochlastvergärungsverfahren unter maximaler Energie­gewinnung vollständig zu Biogas umzusetzen und gleichzeitig alle Stoffkreisläufe zu schließen. Insbesondere konzentriert sich das Konsortium im Projekt EtaMax auf kostengünstig anfallende Bioabfälle und Algenrestbiomasse, die keine Konkurrenz zu Nahrungsmitteln darstellen.

Im Rahmen des Projekts stand die regionale Erzeugung und Nutzung des regenerativen Methans aus Biogas im Mittelpunkt. Das aufgereinigte Biomethan wurde als Fahrzeugkraftstoff für den Antrieb von CNG-Fahrzeugen (Compressed Natural Gas) genützt. Bei der Vergärung anfallende, flüssige nährstoffreiche Gärreste wurden zur Anzucht von Mikroalgen eingesetzt, da sie die für das Wachstum von Algen notwendigen anorganischen Nährstoffe in ausreichendem Maß enthalten.

Ergebnisse

© Fraunhofer IGB

Obst- und Gemüseabfälle vom Großmarkt Stuttgart.

Umsetzung von Großmarktabfällen zu Biogas

Erstmals wurden überlagerte Obst- und Gemüseabfälle eines Großmarktes (Großmarkt Stuttgart) in einem zweistufigen Verfahren in zwei Gas-Lift-Reaktoren mit je 3,2 m3 sehr effizient zu Biogas umgesetzt. Dazu wurde das Hochlastvergärungsverfahren, das am Fraunhofer IGB entwickelt und für Klärschlamm seit 1994 mehrfach technisch realisiert wurde, erweitert und für dieses Substrat angepasst.

Mit einer hydraulischen Verweilzeit von 17 Tagen je Stufe konnte die Anlage auch mit wechselnden Obst- und Gemüseabfällen dauerhaft stabil betrieben werden. Es wurden Abbaugrade von bis zu 95 Prozent erzielt, wobei der überwiegende Teil des Abbaus in Stufe 1 erfolgte. Die Biogasausbeute lag hier zwischen 840 – 920 Normliter Biogas pro Kilogramm zugeführter organischer Trockensubstanz, der Methangehalt bei 55 – 60 Prozent.

© Fraunhofer IGB

Zweistufige Pilotanlage zur Vergärung von Obst- und Gemüseabfällen.

Biogaserzeugung und Algenkultivierung als effizienter Stoffkreislauf

Für die energetische Nutzung von Algeninhaltstoffen wurde im Fraunhofer IGB ein zweistufiger vollautomatisierter Prozess zur Erzeugung von lipidreicher Algenbiomasse in Flachplatten-Airlift-Reaktoren (FPA) im Freiland entwickelt und in den Pilotmaßstab übertragen.

Die Schließung der Stoffkreisläufe für Stickstoff und Phosphat zwischen Biogaserzeugung und Algenkultivierung erfolgte über die Nutzung des Flüssiggärrests aus den Biogasreaktoren als Mediumskomponente für die Produktion von Algenbiomasse. Eine speziell auf diesen Flüssiggärrest adaptierte Algen-Mischkultur wurde mit Flüssiggärresten aus der Obst- und Gemüseabfallvergärung erfolgreich über vier Monate in 180-Liter-FPA-Reaktoren kultiviert. Dabei wurde die im Flüssiggärrest enthaltene Ammoniumkonzentration von ca. 800 mg / L vollständig verbraucht. Die Biomassekonzentration im FPA-Reaktor betrug 2,5 g / L bis 5,5 g / L zwischen den Erntezeitpunkten. Die volumetrische Biomasseproduktivität schwankte je nach Witterungsverhältnissen zwischen 0,1 und 0,35 g L–1 d–1.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Vergärung von Obst- und Gemüseabfällen in wechselnder Zusammensetzung konnte erstmals im Langzeitbetrieb unter kontinuierlichen Bedingungen mit einer Verweilzeit von 17 Tagen stabil mit hohem Abbaugrad und hoher Biogasausbeute betrieben werden.

Die Stoffkreisläufe wurden durch die Verwertung des Biogases (nicht dargestellt) und die Verwertung der Gärreststoffe geschlossen. Die Nutzung von Flüssiggärrest als Mediumskomponente für die Algenkultivierung ist ein Schritt zur Senkung der Produktionskosten für Algenbiomasse. Diese Ergebnisse zeigen aber auch einen Weg zur Reduktion der Stickstoff- und Phosphatfracht von Flüssiggärresten und zur Erzeugung von phototrophen Biomassen, die sowohl energetisch als auch stofflich verwertet werden können. Dies geht einher mit einer Kostenreduktion sowohl bei der Algenproduktion als auch bei der Abwasserreinigung von Biogasabläufen.

Projektinformationen

Projekttitel

EtaMax – Mehr Biogas aus lignocellulosearmen Abfall- und Mikroalgenreststoffen durch kombinierte Bio-/Hydrothermalvergasung

 

Laufzeit

 

Projektpartner

  • Fraunnhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart (Koordination)
  • Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, Freising
  • Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
  • Paul Scherrer Institut PSI, Villigen, Schweiz
  • Daimler AG, Stuttgart
  • EnBW Energie Baden-Württemberg AG, Karlsruhe
  • FairEnergie GmbH, Reutlingen
  • Netzsch Mohnopumpen GmbH, Selb
  • Stulz Wasser- und Prozesstechnik GmbH, Grafenhausen
  • Subitec GmbH, Stuttgart
  • Stadt Stuttgart

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung des Verbundvorhabens »EtaMax – Mehr Biogas aus lignocellulosearmen Abfall- und Mikroalgenreststoffen durch kombinierte Bio-/Hydrothermalvergasung«, Förderkennzeichen 03SF0350A innerhalb des Programms »Bio-Energie 2021«.