Verantwortliche

Prof. Dr. Ruth Freitag

Universität Bayreuth

Kompetenzen

Der Lehrstuhl für Bioprozesstechnik (LBPT) beschäftigt sich innerhalb des ZET mit

• Fragen der Produktion und Transformation von Energieträgern mittels biologischer Systeme.

Besondere FuE-Schwerpunkte sind aktuell

• Molekularbiologische und biochemische Grundlagen der Biogasproduktion
• Prozessentwicklung und –optimierung in der Biogasproduktion
• Stoffkreisläufe in der Biogasproduktion
• Störstoffe in der Biogasproduktion
• Biologische Biogasveredelung
• Simulation mittels CFD der Durchmischungsvorgänge in Anlagen zur Bioenergieproduktion
• Mikrobielle Brennstoffzelle
• Künstliche Biofilme für bioelektrochemische Systeme (Energie, Störstoffbeseitigung, Synthese)

Aktuelles Forschungsbeispiel: Metall(oid)e im Gärsubstrat von landwirtschaftlichen Biogasanlagen: Auswirkung auf die Gärbiologie sowie mögliche Umweltrelevanz

Landwirtschaftliche Biogasanlagen leisten einen wichtigen Beitrag zur CO₂-neutralen, nachhaltigen Produktion von Energie und stärken die Wirtschaftsleistung landwirtschaftlicher Betriebe. In Biogasanlagen werden komplex zusammengesetzte Gärsubstrate sowie verschiedenste Gärhilfsmittel verwendet. Über diese Komponenten gelangt auch eine Vielzahl von nicht näher charakterisierten Spur- und Störstoffen in die Anlage, z.B. Schwermetalle wie Blei und Cadmium oder Metall(oid)e wie Arsen, Antimon und Bismut. Das Verhalten dieser Komponenten in der Anlage, etwa eine Anreicherung oder Verstoffwechselung, aber auch der Austrag in die Umwelt über feste und flüssige Gärreste oder das Biogas selbst, sind bislang noch kaum untersucht.

In unserem Projekt wird erstmals den Effekt von Metall(oid)en aus Gärsubstrat und Gärhilfsmittel auf Stabilität und Effizienz der mikrobiellen Umsetzungen in Biogasanlagen betrachtet. Hierzu werden 13 Biogasanlagen betrachtet wobei das Spektrum von der reinen NaWaRo-Anlage über die vornehmlich NaWaRos einsetzende landwirtschaftliche Biogasanlage, bis hin zu Kofermentations- und Gülleanlagen reicht. Zusätzlich werden auch die Faultürme zweier Kläranlagen beprobt. Der hemmende Einfluss der Metall(oid)verbindungen auf die biogasbildenden mikrobiellen Konsortien wurde darüber hinaus in Laborexperimenten verifiziert.

In allen untersuchten Anlagen konnten die Metalle (Cr, Co, Ni, Rb, Sr, Mo, Cd, Ba, Pb, U, Mn, Cu, Zn, Al, Fe) und die Metalloide (As, Sb, Bi, Se)  nachgewiesen und quantifiziert werden, wobei die Belastung wie zu erwarten stark von Anlage zu Anlage schwankte. Detaillierter untersucht wurde die Auswirkung einer Arsenbelastung auf die Gärbiologie. Im Gärsubstrat der Anlagen wurden im Mittel 2,1 mg/kg_TS As gefunden. Die untersuchten Kläranlagen erreichten Werte von bis zu 20,6 mg/kg_TS. Im Biogas aus diesen Anlagen konnten zudem flüchtige As-Verbindungen detektiert werden, die vermutlich aus dem Stoffwechsel der Mikroorganismen stammten.

In den begleitenden Laborexperimenten (Satellitenreaktoren) konnte ein reger Arsenstoffwechsel bei den Mikroorganismen nachgewiesen werden. So wurde zugesetztes Arsenit nach drei Tagen zu Arsenat oxidiert. Im weiteren Verlauf der Experimente wurden sukzessive methylierte As-Spezies gebildet. Dabei gab es stets signifikante und reproduzierbare Unterschiede zwischen den Metaboliten im Biogas einer Kläranlagenbiozönose und einer Gemeinschaft aus einer landwirtschaftlichen Biogasanlage. Die Satellitenexperimente zeigten außerdem eine deutliche Reaktion der Mikroorganismen auf die Arsengabe. Diese äußerte sich in einem konzentrationsabhängigen, starken Rückgang der volumetrischen Gasproduktion. Hingegen konnte keine direkte Auswirkung auf den relativen Methangehalt des erzeugten Biogases festgestellt werden. Interessant war ein zu beobachtender „Erholungseffekt“, d.h. die Biogasproduktion stieg wieder an in dem Maße wie die vorhandenen Arsenverbindungen abgebaut wurden. Es ist daher möglich, dass es sich bei der beobachteten Umsetzung von festen und gelösten zu flüchtigen Arsenverbindungen um einen aktiven Entgiftungsmechanismus der Organismen handelt.

Verantwortlicher

Prof. Dr.-Ing. Andreas Jess

Universität Bayreuth

Kompetenzen

Der Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik (CVT) beschäftigt sich innerhalb des ZET unter anderem mit

• chemisch-verfahrenstechnischen Aspekten der Erzeugung von Energieträgern vom Labormaßstab bis hin zur Modellierung technischer Reaktoren und
• globalen Stoff- und Energiebilanzen sowie mit sozialen und ökologischen Aspekten der zukünftigen Energieversorgung.

Besondere FuE-Schwerpunkte sind aktuell

• die Erzeugung gasförmiger bzw. flüssiger Kraftstoffe (SNG, Dieselöl, Kerosin) aus regenerativ erzeugtem Wasserstoff und Kohlendioxid durch Methanisierung bzw. Fischer-Tropsch Synthese und
• der Einsatz ionischer Fluide in der thermischen Verfahrenstechnik und der heterogenen Katalyse.

Aktuelles Forschungsbeispiel zum Thema Energiespeicherung: …

Nutzung von Überschussstrom zur Herstellung von synthetischem Erdgas (SNG) durch die Methanisierung von Biogas

In Zukunft sollen Wind- und Solarenergie in Deutschland einen erheblich größeren Beitrag für eine umwelt- und klimafreundliche Energieversorgung leisten. Bereits heute liegt der Beitrag von Windkraft- und Photovoltaikanlagen an der deutschen Stromerzeugung bei rund 30 % (2015). Für den zukünftig angestrebten deutlichen Ausbau erneuerbarer Energien ist jedoch entscheidend, dass die zeitlich fluktuierende Stromerzeugung aus Sonne und Wind effizient genutzt wird. Das ZET arbeitet an einer innovativen Lösung für die Speicherung und den Transport von Energie, nämlich der Nutzung sowohl von flüssigen Kohlenwasserstoffen als auch von synthetischem Erdgas (SNG, Methan) als chemische Energiespeicher.

Im einem Teilprojekt innerhalb des des BFS-Verbundprojektes FOR 10000 (1.04.2016 bis 31.03.2018) wird die Methanisierung von Biogas (Sabatier-Reaktion) untersucht. Dabei wird Biogas, dass zu etwa 40 % aus CO₂ und zu 60 % aus CH₄ besteht, mit regenerativ erzeugtem H₂ (aus der H₂O-Elektrolyse mit Überschussstrom aus Windkraft- und Solaranlagen) katalytisch in synthetische Erdgas (SNG, Synthetic Natural Gas) umgesetzt (CO₂ + 4 H₂ ? CH₄ + 2 H₂O). Da es sich um eine exotherme Reaktion handelt, ist die Wärmeabfuhr ein wichtiger Faktor beim Betrieb des Festbettreaktors. Zwei Aspekte stehen im Vordergrund der Untersuchungen:

1. Experimentelle Bestimmung der Kinetik der CO₂-Methanisierung an einem Nickelkatalysator unter den Bedingungen der Biogasumsetzung (Normaldruck, CH₄-reiches Einsatzgas)
2. Modellierung des Festbettreaktors (Einzelrohr eines gekühlten Rohrbündels) mit dem Ziel der Optimierung des technischen Reaktors, der Gewährleistung der SNG-Qualität und der sicheren Prozessführung insbesondere unter der Bedingung eines häufigen Lastwechsels.

Abb.: Laboranlage zur Methanisierung von Biogas am Lehrstuhl Chemische Verfahrenstechnik