Untersuchungen zur flexiblen anaeroben Wasserstoff- und Methanproduktion an einer halbtechnischen Versuchsanlage

Zusammenfassung
Aktuell ist Deutschland bei der Energieversorgung für Elektrizität, Wärme oder auch Mobilität, aber auch bei der Rohstoffversorgung z.B. für Chemieindustrie, zu großen Teilen auf fossile Ressourcen wie Erdöl, Erdgas und Kohle angewiesen. Die Transformation zu einer Volkswirtschaft, die auf nachhaltigem Handeln und erneuerbaren Ressourcen und Energiequellen basiert, ist eine zentrale Herausforderung unserer Zeit. Im Rahmen dieser Arbeit soll betrachtet werden, welchen Beitrag die biologische Abfallwirtschaft mit dem Verfahren der anaeroben, biologischen Wasserstoffproduktion leisten kann.
Hierzu werden in dieser Arbeit zwei Aspekte betrachtet. Der erste ist ein Konzept zur kombinierten und flexiblen Wasserstoff- und Methanproduktion aus biogenen Abfall- oder Abwasserströmen. Die flexible Biogasbereitstellung bietet in einem zukünftigen Energiesystem mit Photovoltaik und Windkraft als Primärenergieträgern die Möglichkeit der Regelenergie zum Ausgleich von Residuallasten. Hierzu ist allerdings eine zeitlich flexible Bereitstellung des Biogases notwendig. Die erste Fragestellung ist also, ob sich der biologische Prozess der Wasserstoff- und Methanproduktion flexibilisieren lässt. Um dies zu untersuchen, wurden auf Basis früher Forschungsarbeiten und selbst durchgeführten Batch-Versuchen zunächst geeignete Substrate für die Wasserstoff- und Methanproduktion gesucht. Anschließend wurde in Versuchen im Labor- und Technikums-Maßstab evaluiert, ob sich die Gasproduktion durch Variation der Substratzufuhr und des Arbeitsvolumen des Biogasreaktors flexibel steuern lässt. Dabei zeigte sich, dass insbesondere die Methanproduktion das Potential für eine flexible Biogasproduktion besitzt. Der flexible Betrieb der Wasserstoffproduktion ist zwar möglich, allerdings ist die zu erwartende Gasproduktion unstetig und schwer zu prognostizieren. Zum anderen sind die zusätzlichen Gaserträge im Vergleich zur täglichen Gasproduktion gering. Bei der Methanproduktion hingegen konnte durch gezielten Einsatz von Co-Substraten die Gasproduktion deutlich gesteigert werden. Allerdings zeigte sich dabei, dass die biologische Prozessstabilität des Fermenters der flexiblen Gasproduktion Grenzen setzt. Um das Potential des Konzeptes im zukünftigen Energiesystem abschätzen zu können, wurde in einer Machbarkeitsstudie betrachtet, wie sich eine kommunale Kläranlage durch die Implementierung einer flexiblen Wasserstoff- und Methanproduktion energieautark betreiben ließe.
Ein zweiter betrachteter Aspekt ist die Möglichkeit, mittels der biologischen Wasserstoffproduktion eine stoffliche Verwertung von biogenen Abfällen und Abwässern zu realisieren. Hier konnte gezeigt werden, dass die bei der biologischen Wasserstoffproduktion ebenfalls entstehenden organischen Säuren zukünftig als Basis für Plattformchemikalien genutzt werden können. Diese könnten dann zur Substitution von Erdöl als Basis für viele chemische Produkte dienen.

Abstract
Currently, Germany is largely dependent on fossil resources such as oil, natural gas and coal for the energy supply for electricity, heat or mobility, but also for the supply of raw materials e.g., for the chemical industry. The transformation to an economy based on sustainable action and renewable resources and energy sources is a central challenge of our time. The transformation to an economy based on sustainable action and renewable resources and energy sources is a central challenge of our time. Within the scope of this work, it will be considered that biological waste management can contribute with the process of anaerobic, biological hydrogen production.
For this, two aspects are considered in this work. The first is a concept for combined and flexible hydrogen and methane production from biogenic waste or wastewater streams. In a future energy system with photovoltaics and wind power as primary energy sources, the flexible biogas supply offers the possibility of balancing residual loads. For this, however, a flexible provision of the biogas is necessary. The first question is whether the biological process of hydrogen and methane production can be made more flexible. To investigate this, suitable substrates for hydrogen and methane production were first sought based on earlier research work and self-conducted batch tests. Subsequently, tests were carried out on a laboratory and pilot plant scale to evaluate whether gas production can be flexibly controlled by varying the substrate supply and the working volume of the biogas reactor. This showed that methane production has the potential for flexible biogas production. Although the flexible operation of hydrogen production is possible, the expected gas production is unsteady and difficult to predict. On the other hand, the additional gas yields are low compared to daily gas production. In methane production, on the other hand, gas production could be significantly increased through the targeted use of co-substrates. However, it was found that the biological process stability of the fermenter sets limits to flexible gas production. To be able to estimate the potential of the concept in the future energy system, a feasibility study was carried out to consider how a municipal wastewater treatment plant could be operated independently of energy by implementing flexible hydrogen and methane production.
A second aspect considered is the possibility of realizing a material recycling of biogenic waste and wastewater by means of biological hydrogen production. Here it could be shown that the organic acids also produced during biological hydrogen production can be used as a basis for platform chemicals in the future. These could then serve as a basis for the substitution of crude oil as a basis for many chemical products.

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