Biogas bietet vielfältige Nutzungsmöglichkeiten – etwa als Treibstoff, zur Wärmeerzeugung oder als Grundlage für Dünger und chemische Produkte. Bislang ist das Aufreinigen von Biogas zu Bio-Methan jedoch technisch aufwendig und für kleinere Anlagen kaum wirtschaftlich. Herkömmliche Verfahren erfordern eine aufwendige Vortrocknung und Gaswäsche. Genau hier setzt das Projekt Bio4Value an: Ein neu entwickeltes Membranverfahren, das ohne vorgelagerte Trocknung des Biogases auskommt, verspricht eine deutliche Vereinfachung.
Neue Flachmembranen, die am Fraunhofer IAP entwickelt wurden, bilden die zentrale Komponente. Sie trennen Methan von CO2 unmittelbar aus dem feuchten Biogasstrom ab. Ein zusätzlicher Energieaufwand für das Kühlen und ein erneutes Aufheizen des Rohbiogases vor der Membrantrennung entfällt dadurch. In Dauerversuchen zeigten die Forschenden auch, dass die neu entwickelten Membranen gegen den im Rohbiogas enthaltenen Schwefelwasserstoff resistent sind.
Stoffliche Nutzung von CO2 und Methan
Die gezielte Trennung von CO2 und Methan direkt an der Entstehungsquelle ist ein wichtiger Schritt, um Emissionen zu vermeiden und die abgetrennten Gase effizient zu verwerten. „Das gewonnene CO2 kann als wertvoller Rohstoff für industrielle Prozesse eingesetzt werden, zum Beispiel für die Elektrosynthese, für die Produktion von Kraftstoffen oder zur Herstellung von Chemikalien. Darüber hinaus kann es als Kohlenstoffquelle in Gewächshäusern oder zur Herstellung von Sprudelwasser dienen“, erklärt Dr. Steffen Tröger-Müller vom Fraunhofer IAP, der das Projekt koordiniert.
Methan wiederum dient in erster Linie als biobasierter Kraftstoff (Bio-CNG, Compressed Natural Gas auf Biogasbasis) für landwirtschaftliche Fahrzeuge oder zur Einspeisung in das Erdgasnetz. Es kann jedoch auch stofflich verwertet werden, beispielsweise als Ausgangsstoff für chemische Synthesen wie die Ammoniak- oder Methanolherstellung.
Vom Polymer zur hochselektiven Flachmembran
Eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung geeigneter Membranmaterialien ist die industrielle Umsetzbarkeit. Um die geforderte selektive Trennung von Methan und CO2 bei gleichzeitig vergleichsweise geringen Drücken unter Verwendung von unbehandeltem Rohbiogas zu erreichen, müssen neue Materialien entwickelt werden – marktverfügbare Polymere erfüllen diese Anforderungen nicht. Das Fraunhofer IAP hat daher gezielt geeignete Polymere synthetisiert und daraus Flachmembranen hergestellt. Dabei kamen insbesondere die langjährigen Kompetenzen der Forschenden in der Membran- und Verfahrensentwicklung zum Tragen.
„Unsere neu entwickelten Flachmembranen erfüllen alle Anforderungen und zeichnen sich vor allem durch mechanische Stabilität und besonders dünne, flussoptimierte Trennschichten aus“, so Tröger-Müller.“
Auch für kleine, ländliche Anlagen
Damit die Technologie auch unabhängig in kleinen Biogasanlagen im ländlichen Raum betrieben werden kann, arbeitet KS Kunststoffbau an kompakten, modularen Lösungen. „Unser Ziel ist es, ein marktnahes Modul zu entwickeln, das lokal einsetzbar ist und auch für Anwenderinnen und Anwender ohne spezielle technische Vorkenntnisse einfach zu handhaben ist. Die neu entwickelten Flachmembranen machen das möglich“, erklärt Markus Huth, KS Kunststoffbau.
Das ATB ist für die Prozessintegration in bestehende Biogasanlagen zuständig und übernimmt die Bewertung der neuen Technologie hinsichtlich ihrer stofflichen Nutzungsmöglichkeiten. „Wir untersuchen, wie sich das Membranmodul in reale Biogasprozesse integrieren lässt – hier sehen wir ein hohes Potenzial.“, so Dr. Christiane Herrmann vom ATB. Zudem untersucht das ATB techno-ökonomische Aspekte des Prozesses und führt Lebenszyklusanalysen durch. „Aufgrund der Energieeinsparungen, die die neu entwickelte Membran möglich macht, sehen wir eine große Chance, die Membrantechnologie auch dezentral an kleinen Biogasanlagen einzusetzen.“, so Herrmann.
Partner für industrielle Umsetzung gesucht
Derzeit befindet sich die Technologie für die Biogasaufbereitung in der Validierungsphase im Labormaßstab. „Unser Ziel ist es, die Technologie so weiterzuentwickeln, dass sie in Folgeprojekten unter realen Bedingungen demonstriert und durch industrielle Partner skaliert werden kann. Unternehmen aus der Biogas-, Energie- oder Chemiebranche sind herzlich eingeladen, sich an der weiteren Entwicklung zu beteiligen“, sagt Tröger-Müller.
