PSI-Pilotanlage für Biogas liefert doppelt so viel Energie

Das Paul Scherrer Institut hat ein neues Verfahren entwickelt, um das Potenzial von Biomasse für die Energieproduktion besser ausschöpfen zu können. Die Pilotanlage funktioniert nach dem Prinzip der hydrothermalen Zerlegung. Konzepte für weitaus grössere Anlagen im industriellen Massstab gibt es bereits.

Quelle: M. Fischer, Paul Scherrer Institut

Ansicht des Wärmetauschers im Innern der Anlage.

In Biomasse steckt viel zusätzliches Potenzial zur Energiegewinnung. Jedes Jahr fällt in der Schweiz Biomasse an, die laut der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) etwa 97 Petajoule an nutzbarer Primärenergie enthält. Das sind immerhin fast neun Prozent des jährlichen Primärenergieverbrauchs im Land. Doch obwohl die Energie aus Biomasse erneuerbar und klimaschonend ist, bleibt sie zu einem grossen Teil ungenutzt. Nur etwa die Hälfte (53 Petajoule) wird durch Verbrennen oder Vergasen extrahiert, der Rest ist ungenutzter Müll.

Aufwendige Trocknung von nasser Biomasse

Das liegt nicht zuletzt daran, dass Biomasse zumeist in nasser Form vorliegt, sei es als Gülle, Klärschlamm, Bioabfall oder Speisereste. Anders als Holz- oder Erntereste müsste man die wässrigen organischen Abfälle zur Wärmegewinnung daher zuvor aufwendig trocknen. Doch wegen der Kosten lohnt sich das kaum. Daneben lässt sich aus Biomasse Methan gewinnen, dem Hauptbestandteil von Erdgas.

Quelle: M. Fischer, Paul Scherrer Institut

In den vier Reaktoren laufen die Prozesse für die katalytische Vergasung und Methanisierung ab.

Klimaneutrale Energie erzeugen Unternehmen bereits mit der Methanisierung von industriellen Abwässern. Getränkehersteller, Milchverarbeitungsbetriebe oder Gemüseproduzenten nutzen Biomasse, die bei der Verwertung anfällt. Herkömmliche Biogasanlagen arbeiten dabei vergleichsweise ineffizient. Im günstigsten Fall gewinnen sie damit lediglich etwa 30 Prozent der Nettoenergie, die in der Biomasse steckt.

Energieausbeute mehr als verdoppelt

Das Paul Scherrer Institut PSI hat eine neu entwickelte Pilotanlage in Betrieb genommen, die in ersten Testläufen 60 bis 75 Prozent der in nasser Biomasse enthaltenen Energie nutzbar machen kann. Mit der Anlage können pro Stunde 100 Kilogramm verwertet werden.

Die Effizienzsteigerung ist das Ergebnis eines 20 Jahre dauernden Entwicklungsprozesses beim PSI. Vor sechs Jahren konnten die Forscher das Prinzip bereits mit einer Laboranlage erfolgreich testen.

Reaktionsfreudig Moleküle mit hydrothermale Zerlegung

Die besondere Qualität der neuartigen Anlage zeigt der Umgang mit dem Wasser aus der Biomasse, das als Reaktionsmedium genutzt wird. Bei der sogenannten hydrothermalen Vergasung wird der Schlamm unter 280 bis 300 bar Druck gesetzt und auf gut 400 Grad Celsius erhitzt. 

«Unter diesen Umständen bleibt das Wasser trotz der hohen Temperatur flüssig und erreicht schliesslich einen überkritischen Zustand», erklärt Chemie-Ingenieur Frédéric Vogel. Er ist Leiter der Gruppe Katalytische Verfahrenstechnik im Labor für Bioenergie und Katalyse des PSI. «In dieser Form hat es besonders gute Eigenschaften, um die Biomasse aufzuschliessen – also aus grossen Molekülen kleine zu machen, die besonders reaktionsfreudig sind.»

Quelle: M. Fischer, Paul Scherrer Institut

In der Mitte der Anlage befindet sich der Wärmetauscher. Der Salzabscheider ist rechts im separaten Gestell zu sehen.

Die hydrothermale Zerlegung bereitet die Biomasse auf den nächsten Schritt vor, bei dem ein spezieller Katalysator als Reaktionsbeschleuniger zum Einsatz kommt. Dabei treffen die Moleküle auf den Katalysator. Unterstützt wird die Umwandlung in Biogas durch eine optimierte Durchmischung im Rohrsystem der Anlage. 

«So sorgen wir dafür, dass die Feststoffpartikel von Wasser umgeben sind, mit dem sie dann unter Mithilfe des Katalysators reagieren können», sagt Vogel. Die Eigenschaften der Biomasse seien in diesem Stadium die gleichen wie bei Erdöl. Sie wird danach durch einen Aktivkohlefilter geleitet, der mit einem aktiven katalytischen Material dotiert ist. Beim Material handelt es sich um Ruthenium, einem seltenen Übergangsmetall. Treffen die kleinen Biomassemoleküle auf das Platinmetall, entsteht Methan.

Richtige Balance von Temperatur, Druck und Fliessgeschwindigkeit

Damit die Prozesse effizient ablaufen, musste die Grundlagenforschung in den letzten Jahren die richtige Balance zwischen Temperatur, Druck, Fliessgeschwindigkeit finden. Auch die Art des Mischens musste erforscht und der ideale Katalysator identifiziert werden. 

«Da Biomasse genauso wie Rohöl aus hunderten verschiedenen Substanzen besteht, deren Reaktionen man unmöglich alle genau berechnen kann, mussten wir viel experimentieren», betont Vogel. Neue Erkenntnisse über Materialien und die chemischen Reaktionen lieferte in atomarer Auflösung die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS beim PSI. «So konnten wir genau verfolgen, wie und warum der eine Katalysator besser funktioniert als der andere.»

Produktion von Methan – und Düngemittel

Am Ende des komplexen Vorgangs produziert die Hydropilotanlage wie herkömmliche Biogasanlagen ein Gemisch aus Methan, Kohlendioxid und Wasserstoff, von denen die beiden Letztgenannten grossteils abgetrennt werden, um das Methan ins Erdgasnetz einzuspeisen. Darüber hinaus fallen nur die rückgewonnenen Nährstoffe sowie reines Wasser an. 

Reste von Mineralien und Schwermetallen werden in Zementwerken verarbeitet oder deponiert. Die Anlage läuft weitgehend energieautark – sie braucht nur den Strom für den elektrischen Betrieb der Pumpe. Den Druck erzeugt sie mit der gleichen Pumpe, die auch den Schlamm befördert. Die Hitze erzeugt ein Gasbrenner, der dafür etwas von dem Produktgas abzweigt. Unabhängig davon liegt die Ausbeute bei 60 bis 75 Prozent.

Quelle: M. Fischer, Paul Scherrer Institut

Die Wärmetauscher der Anlage in der Vorderansicht.

Ein weiterer Vorteil des überkritischen Wassers besteht darin, dass sich darin keine Salze mehr lösen. Das bedeutet: In der Biomasse enthaltene wertvolle Nährstoffe wie Phosphate und Mineralien lassen sich mit einem Salzabscheider auf einfache Art trennen und etwa für Düngemittel wiederverwenden.

Energie aus Gärresten von Biogasanlagen

Neben der üblichen Biomasse kann der «HydroPilot» auch Gärreste von Biogasanlagen verarbeiten und aus diesen den darin verbliebenen Energiegehalt ziehen. Die Anlage könnte aber auch mit energiereichen Algen gefüttert werden, die man anders als etwa Mais sehr effizient produzieren kann, ohne damit in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion zu geraten.

Zunächst wird die Pilotanlage am PSI selbst betrieben – vor allem mit Klärschlamm, weil dieser die komplexeste Form der Biomasse darstellt. «Wenn wir es mit Klärschlamm schaffen», so Vogel, «schaffen wir es auch mit den anderen Sorten.» Konzepte für weitaus grössere Anlagen im industriellen Massstab gibt es auch schon.

Von der Pilotanlage zum Industriebetrieb

«Mit dieser Pilotanlage werden wir all das testen, was später eine noch grössere, industrielle Anlage können soll, die zwei bis fünf Tonnen Biomasse pro Stunde verarbeiten wird», sagt Vogel. Die Forscher wollen zeigen, dass die Anlage mit den verschiedenen Formen der nassen Biomasse zurechtkommt und dass keine unerwünschten Nebenprodukte entstehen.

Unter Einsatz von Wasser und Stickstoff soll mit Testläufen die Dichtigkeit geprüft und die Korrosionsbeständigkeit erprobt werden. Neue Erkenntnisse für industrielle Anwendungen soll die Anlage auch bezüglich der Wärmeausdehnung von Komponenten in Heiz- und Kühlzyklen bringen. Ebenfalls im grösseren Massstab getestet als bei der Laboranlage wird der Wärmetauscher, dem entscheidenden Element für einen hohen Wirkungsgrad des neuen Verfahrens. (mgt/sts)

Weitere Informationen unter: www.psi.ch