Die in einer Biogaserzeugungsanlage aus Biomasse verschiedenster Herkunft produzierte chemische Energie wird bei herkömmlichen Systemen als Biogas (CO2 + CH4) erzeugt, welches für Wärme und Strom oder für Mobilitätszwecke nutzbar ist. Insbesondere ist an dieser Stelle der Anteil an klimaschädlichem CO2 zu betrachten, welcher als umweltschädliches Gas in die Umwelt abgeführt wird. Der hohe Anteil an CO2 von etwa 45 % darf innerhalb des Projektes allerdings nicht als schädliches Abfallprodukt im Biogasprozess angesehen werden. Es stellt vielmehr ein Potenzial der Biogasanlage dar, welches im normalen biologischen Prozess der Biogasproduktion in Biogasanlagen größtenteils ungenutzt bleibt. Dieses Potenzial wird im vorliegenden Projekt durch die Integration eines PEM-Elektrolysesystems in den bestehenden Biogasproduktionsprozess einer realen Biogasanlage genutzt. Durch die Direkt-Methanisierung kann die übliche CH4-Ausbeute von etwa 55 % aus dem Biogasstrom um ca. 20 % gesteigert werden. Die Vorteile dieses verfahrenstechnischen Prinzips sind offensichtlich. Mit der effizienten Nutzung von Überschussstrom aus erneuerbaren Quellen, vorzugsweise Wind- und Solarenergie, kann kostengünstiger Elektrolysewasserstoff zur Methanisierung von Kohlenstoffdioxid aus Biogasströmen erzeugt werden. Durch die erhebliche Steigerung des Methananteils kann eine größere Menge Biomethan aus derselben Menge an Edukt-Biomasse (z.B. Maissilage) bereitgestellt und dauerhaft in das bestehende deutsche Erdgasnetz, welches eine enorme Energiespeicherkapazität von etwa 332 TWh besitzt, eingespeist werden. Die entstehende Wärme des Methanisierungs-Prozesses kann direkt und rückgewinnend für den Vergärprozess bereitgestellt werden. Das Projekt „pReBinD“ beschäftigt sich in erster Linie mit der Entwicklung und dem Aufbau einer Pilotanlage zur Effizienzsteigerung nach dem vorangehend beschriebenen Prinzip der biologischen Direkt-Methanisierung. Im Rahmen des Verbundvorhabens, durchgeführt von dem Unternehmen mele Biogas GmbH sowie dem Forschungsinstitut HIAT gGmbH, wird ein innovatives technisches System aus der Kopplung der PEM-Wasserelektrolyse und der herkömmlichen Biogaserzeugung entwickelt.
Betrachtet man die beiden möglichen Verfahren der biologischen Methanisierung – In-situ: innerhalb des Fermenters und Ex-situ: separiert in einem Bioreaktor – so ist der vorliegende und angezielte Fall der In-situ Methode zuzuordnen. Der Vorteil dieses Verfahrensprinzips besteht dabei in der Tatsache, dass die Methanisierung parallel zum Vergärungsprozess stattfinden kann. Bei der In-situ-Methode wird den Gärbehältern Wasserstoffgas zugeführt. Wasserstoff entsteht ohnehin als Produkt des Vergärungsprozesses im Fermenter, jedoch in weitaus geringeren Mengen als es für die biologische Methanisierung notwendig wäre. Durch hochaffine wasserstoffoxidierende Methanbildner kann Kohlenstoffdioxid durch die Zuführung von Wasserstoff direkt in Methan umgewandelt werden. Entsprechende Rührkesselreaktoren oder Bioreaktoren im Labormaßstab dienen zur Nachbildung der einzelnen Fermenter und Behälter der Biogaserzeugungsstrecke. Biogasanlagen werden in der Regel als kontinuierliche Durchflussanlagen betrieben. Im Fermenter, dem eigentlichen Kernstück wird ein zugeführtes organisches Substrat (z.B. Maissilage, Gülle oder Lebensmittelreste) vergärt und somit zu Rohbiogas umgewandelt. Die Fütterung des Fermenters erfolgt mehrmals an einem Tag. Das jeweils neu eingetragene Substrat verdrängt bereits vergärtes Material, welches dann durch einen entsprechenden Überlauf in den Nachgärer und/oder ein Gärrestlager überführt wird. Der Fokus in „pReBinD“ liegt auf der schrittweisen Evaluierung der im Optimalfall notwendigen Wasserstoffmenge für die Zuführung zum Fermenter, sodass die entstehende Menge CO2 schon während des Vergärprozesses zu einem großen Teil in Methan umgewandelt werden kann. Projekte, Publikationen und Untersuchungen mit belastbaren Werten zur Einschätzung des Potentials der biologischen Methanisierung sind rar gesät und beziehen sich zumeist auf Experimente und Auswertungen in Rührkesselreaktoren im Labormaßstab. Gegenüber der technischen Methanisierung in einem Reaktor mit Nickelkatalysatoren sind die biologischen Varianten dementsprechend noch nicht kommerziell verfügbar. Mithilfe der Container-basierten Pilotanlage von „pReBinD“ gilt es also dementsprechend noch nicht gänzlich erforschte Themen zu untersuchen, um das biologische Methanisierungsverfahren derart zu optimieren, dass einer zukünftigen Kommerzialisierung nichts mehr im Wege steht.
