Zurück in die Zukunft: Bioabfälle in den Tank

Küchenabfälle sollen in Zukunft nicht mehr pittoresk auf dem Komposthaufen verrotten, sondern von Bakterien zu umweltfreundlichem Biogas umgewandelt werden.

Quelle: Hartmut910/pixelio.de

Im Film "Zurück in die Zukunft" muss der geniale Erfinder Emmet Brown nur eine Bananenschale in den Tankstutzen stopfen, und schon hob sein umgebauter Sportwagen ab. Biotechnologen des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart sind der Fiktion mittlerweile heiß auf den Fersen. Im Forschungsvorhaben ETAMAX wollen sie zusammen mit Energie- und Industrieunternehmen Großmarktabfälle und Algenrestbiomasse vollständig zu Biogas umwandeln. Als Fahrzeugkraftstoff aufgereinigt, soll das regenerative Biomethan dann eine kleine Flotte von Erdgas-Fahrzeugen antreiben. Das Bundesministerium für Bildung und forschung unterstützt das Projekt bis 2014 mit insgesamt sechs Millionen Euro.

Eine nachhaltige Alternative, die Abhängigkeit von knapper werdendem Erdöl und gleichzeitig den Ausstoß von Kohlenstoffdioxid zu verringern, ist die Nutzung erneuerbarer Energien. Neben Wasser, Wind und Sonne spielt die Nutzung pflanzlicher Biomasse zur Gewinnung von Bioenergie - Strom, Wärme oder Kraftstoffen - eine wichtige Rolle. Mit etwa 70% Anteil unter den erneuerbaren Energien liefert bereits heute die Nutzung pflanzlicher Biomasse (Bioenergie) den größten Gesamtbeitrag bei Strom, Wärme und Kraftstoffen. Am besten verwertbar ist dabei Biogas, eine Mischung aus Methan und Kohlenstoffdioxid, die entsteht, wenn sich Bakterien unter dem Ausschluss von Sauerstoff über organische Masse hermachen. In Verbindung mit der Kraft-Wärme-Kopplung in einem Blockheizkraftwerk gilt die Biogasgewinnung als Technik mit sehr hohem CO2-Vermeidungspotenzial.

Keine Konkurrenz zu Nahrungsmitteln

Dennoch wird das Potenzial von Biomasse zur Erzeugung von Biogas mit dem energetisch nutzbaren Methangas bislang kaum für mobile Anwendungen in Fahrzeugen ausgeschöpft. Dies will das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart in einem Verbundforschungsvorhaben mit Partnern aus Forschung, Energiewirtschaft sowie dem Automobil- und Anlagenbau nun ändern. Das Konsortium hat sich zum Ziel gesetzt, Bioabfälle und Algenrestbiomasse vollständig zu verwerten und in Energie umzuwandeln. "Zentrales Produkt ist regeneratives Methan, das regional erzeugt und genutzt wird", erklärt Walter Trösch, Stellvertretender Institutsleiter und Leiter der Abteilung Umweltbiotechnologie und Bioverfahrenstechnik des Fraunhofer IGB. "Biomethan kann wie Erdgas - dessen Hauptbestandteil ja nichts anderes als Methan ist - über das bestehende Netz transportiert werden. Oder, wie in unserem Demonstrationsprojekt, CNG-Fahrzeuge (Compressed Natural Gas) antreiben."

Das Projekt wird seit Juni 2009 für eine Dauer von 5 Jahren mit insgesamt 6 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb der Förderinitiative "BioEnergie 2021" gefördert. Das zentrale Ziel der im Jahr 2008 gestarteten Initiative (mehr...) ist es, in Deutschland bis zum Jahr 2021 und darüber hinaus eine international wettbewerbsfähige Nutzung von Biomasse zu ermöglichen und zugleich einen substanziellen Beitrag zur Eigenversorgung mit Energie zu leisten. Dafür werden bis 2013 50 Millionen Euro zur Verfügung gestellt.

Das Hauptaugenmerk der Forscher liegt auf der Verwertung nasser Abfall-Biomasse, die sich schnell und leicht vergären lässt und keine Konkurrenz zur Produktion von Nahrungsmitteln darstellt: Abfallstoffe aus der Lebensmittelindustrie mit einem sehr hohen Wasseranteil beispielsweise. Ebenso Küchenabfälle aus Haushalten, Großküchen in Kantinen und Mensen oder Großmarktabfälle, die heute meist in Kompostierungsanlagen landen, wobei die enthaltene Energie als Wärme verloren geht. Aufgrund ihres geringen Gehalts an Lignin und Lignocellulose - den holzigen Anteilen, die ohne Luftsauerstoff nur schwer abzubauen sind - sind gerade diese Abfälle besser als andere zur Vergärung geeignet. Mit dem Hochlastvergärungsverfahren, das vor Jahren am Fraunhofer IGB entwickelt wurde und bei Klärschlamm eingesetzt wird, sollen die Materialien von Bakterien  in nur wenigen Tagen vollständig verwertet werden.

Zwei-Stufen-System für maximalen Wirkungsgrad

Doch gibt es noch ein Problem. Im Gegensatz zu Klärschlamm sind die Bioabfälle sehr unterschiedlich. Deshalb muss die Anlage immer wieder neu eingestellt werden. Hier setzt das ETAMAX-Vorhaben an, erklärt Trösch. "Wir wollen eine flexible Multisubstrat-Hochlastvergärungsanlage mit unterschiedlichen Vorvergärungsmodulen für die jeweils unterschiedlichen Abfälle realisieren. Erst dann werden die Zwischenprodukte ähnlicher Zusammensetzung, vorwiegend organische Säuren, in einem Zentralreaktor als zweiter Stufe mit möglichst hohem Wirkungsgrad - symbolisiert durch den griechischen Buchstaben Eta - zu Methan umgesetzt."

Doch Bioabfälle alleine reichen nicht aus, um Biogas in großem Stil herzustellen. Die Fraunhofer-Forscher wollen deshalb Algen hinzugeben. Bei der Produktion dieser Einzeller hilft der am Fraunhofer IGB entwickelte Photobioreaktor. In den Reaktoren wachsen Algen nur mit Sonnenlicht und Kohlendioxid sowie anorganischem Stickstoff und Phosphat zu einem dichten Teppich heran. Der Clou bei dem ETAMAX-Projekt ist der Anspruch, den Stoffkreislauf zu schließen. Das soll gelingen, indem das Treibhausgas Kohlendioxid, das bei der Vergärung als Koprodukt und bei der Verbrennung von Biogas entsteht, bei der Aufzucht der Algen genutzt wird. Hier gilt es, robuste Algen zu finden, die mit diesem Rauchgas und zudem in Mitteleuropa jahreszeitlich schwankenden Licht- und Temperaturverhältnissen schnell wachsen. Sogar das Wasser, das bei der Vergärung entsteht und reich an Stickstoff und Phosphor ist, soll bei der Algenzucht wiederverwendet werden.

Demonstrationsanlage in Stuttgart

Bei jeder Vergärung fallen zu einem geringen Anteil Gärreststoffe an, die nicht weiter anaerob abgebaut werden können. Für eine vollständige Verwertung auch dieser Gärrückstände untersucht das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gemeinsam mit dem Schweizer Paul Scherrer Institut, zwei der Forschungspartner im Verbund, die katalysatorgestützte hydrothermale Vergasung bei hohem Druck und hoher Temperatur. Hierbei entstehen die gleichen Produkte wie bei der Vergärung: Kohlenstoffdioxid und Methan. In einer Demonstrationsanlage auf dem Gelände des EnBW-Heizkraftwerks in Stuttgart Gaisburg werden die Prozesse im technischen Maßstab realisiert und erprobt. In einer zukünftigen Großanlage könnten aus den kommunalen Bioabfällen der Stadt Stuttgart 300.000 Kubikmeter Methangas pro Jahr erzeugt werden. Als Fahrzeugkraftstoff aufgereinigt, kann dies für eine kleine Flotte von Müllfahrzeugen mit Erdgasantrieb genutzt werden. Davon profitiert sogar die Luftqualität. Über die Schließung des Kohlenstoffkreislaufes hinaus wird so gemeinsam mit der EnBW Energie Baden-Württemberg AG die Optimierung der Biogaskraftstoffqualität als auch mit der Daimler AG die mobile Anwendung für Fahrzeuge vorangetrieben.

Neben dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart, sind als Forschungspartner das Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, Freising, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Schweizer Paul Scherrer Institut PSI, als Partner aus der Wirtschaft die Firmen Daimler AG, EnBW Energie Baden-Württemberg AG, FairEnergie GmbH, Netzsch Mohnopumpen GmbH, Stulz Wasser- und Prozesstechnik GmbH, Subitec GmbH sowie die Stadt Stuttgart am Verbundforschungsvorhaben "Mehr Biogas aus lignocellulosearmen Abfall- und Mikroalgenreststoffen durch kombinierte Bio-/ Hydrothermalvergasung" beteiligt.