Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/energie-wie-mikroben-methan-mit-windstrom-produzieren-1908-143387.html    Veröffentlicht: 23.08.2019 12:02    Kurz-URL: https://glm.io/143387

Energie

Wie Mikroben Methan mit Windstrom produzieren

Alle konzentrieren sich auf grünen Strom, aber Gas als Energieträger ist bisher nicht nachhaltig. Ein neues Verfahren löst das Problem mit Mikroben, die warmes Salzwasser lieben und Kohlendioxid in Methangas umwandeln.

Strom aus Wind-, Wasser- oder Sonnenenergie ist für unser Klima sicher die am wenigsten schädliche Energie. Manchmal lässt es sich aber nicht vermeiden, herkömmliche Brennstoffe einzusetzen. Damit diese wenigstens kein zusätzliches Kohlendioxid in die Atmosphäre emittieren, hat das in Planegg bei München ansässige Unternehmen Electrochaea ein neues Verfahren entwickelt. Es nutzt synthetische Kraftstoffe, die mit Hilfe von erneuerbaren Energien erzeugt werden.

Die Idee ist schlau, denn die Arbeit lässt Electrochaea andere verrichten: Mikroben, deren Stoffwechselprodukt Methan ist. Es sind Archaeen, einzellige Lebewesen, die nicht einmal einen Zellkern haben und deshalb zu den Prokaryoten gehören. Sie werden mit Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) gefüttert und verstoffwechseln die beiden Gase zu Methan und Wasser. Power to Gas (P2G) werden solche Verfahren genannt.

Gedacht ist das neue Verfahren als Speichertechnik: Statt Windkraftanlagen anzuhalten, wenn Strom nicht ins Netz gespeist werden kann, soll der Strom genutzt werden, um per Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.

Der Wasserstoff soll aber nicht als Energieträger gespeichert werden. Electrochaea verarbeitet ihn weiter: Das Gas wird zusammen mit CO2 in einen Reaktor gespeist, einen hohen, schlanken Tank - in einer 1-Megawatt-Pilotanlage ist der 9 m hoch und hat 80 cm Durchmesser. Gefüllt ist er mit 65 Grad warmem Salzwasser - unter diesen Bedingungen fühlen sich die Archaeen wohl. Das Salzwasser ist etwas weniger konzentriert als Meerwasser.

Ein Mixer verteilt die Gasblasen gleichmäßig; während das Gas aufsteigt, verstoffwechseln es die Archaeen. "Bis das Gas nach oben kommt, ist es schon komplett umgewandelt und dann hat man oben im Reaktor nur noch Methangas", erzählt Electrochaea-Technikchefin Doris Hafenbradl im Gespräch mit Golem.de. Der Wirkungsgrad liegt bei 50 bis 60 Prozent - das bedeutet, für 10 Kilowattstunden Leistung, die in die Elektrolyse eingespeist werden, werden 5 bis 6 Kilowattstunden Methan generiert. "Das Methangas wird abgezogen und kann direkt ins Gasnetz eingespeist werden, weil es die Qualität von Erdgas hat. Es ist aber ein biologisch hergestelltes, ein sogenanntes erneuerbares Gas."

Das CO2, das in die Anlage eingespeist wird, wird aus verschiedenen Prozessen abgezogen, in denen das Gas emittiert wird. Das können Zementwerke sein, die große Mengen CO2 freisetzen, Biogasanlagen, Bioethanolanlagen, Brauereien oder Kläranlagen. "Das ist ein Recycling von CO2", erläutert Hafenbradl. "Es gibt aber noch einen Vorteil: Jedes Molekül an erneuerbarem Methan, das wir generieren, ersetzt ein Molekül aus fossilen Quellen. So reduzieren wir die Entnahme von fossilen Ressourcen."

Ziel sei, das Gasnetz grün zu machen, sagt Hafenbradl.

Methan oder Wasserstoff

Bei der Energiewende geht es meist um die Stromerzeugung, also darum, Kohlenkraftwerke durch saubere Kraftwerke wie Wind- oder Solarkraftwerke zu ersetzen."Aber Gas ist ein noch wichtigerer Energieträger, und der ist momentan noch gar nicht grün", sagt Hafenbradl: Erdgas ist ein fossiler Brennstoff.

Anders dagegen das Methan aus dem Bioreaktor: Wird es verbrannt, wird nur das CO2 freigesetzt, das vorher eingesetzt wurde, um das Gas herzustellen. Der Prozess ist also CO2-neutral. Auf lange Sicht soll dieses erneuerbare Gas das fossile Gas ersetzen.

Der Aufwand ist relativ gering: Die Archaeen sind sehr genügsam - was mit ihrer Herkunft zusammenhängen dürfte: Der ursprüngliche Stamm wurde aus einer heißen Quelle in Island entnommen. Mit dem haben die heutigen Archaeen von Electrochaea nicht mehr viel gemeinsam: Unternehmensgründer Laurens Mets, ein Wissenschaftler der Universität von Chicago, hat die Archaeen durch Züchtung stark verändert, so dass sich die Mikroben metabolisch stark von ihren isländischen Vorfahren unterscheiden. Der Electrochaea-Stamm sei patentiert, sagt Hafenbradl.

Die Archaeen werden einmal in den Reaktor eingeimpft und brauchen dann keinen weiteren Zuspruch mehr. Sie reproduzieren sich selbstständig, die Kolonie passt sich in der Größe dem Nahrungsangebot an. Lediglich die Anlage selbst muss gewartet werden, zudem muss ab und zu Wasser aus dem Tank abgelassen werden, das bei der Methanisierung entsteht.

Zwar verlangt die Biomethanisierung einen Prozessschritt mehr als die Elektrolyse, bei der Wasserstoff gewonnen wird. Das Verfahren hat laut Hafenbradl aber einige Vorteile: So ist Wasserstoff sehr flüchtig und deshalb schwieriger zu speichern als Methan. Für die Speicherung, Lagerung und sogar für das Betanken eines Brennstoffzellenautos muss Energie aufgewandt werden. Schließlich sind viele der Komponenten, die für eine Wasserstoffwirtschaft benötigt werden, noch nicht erprobt.

Anders hingegen der Energieträger Methan: Dafür gibt es schon eine bewährte Infrastruktur sowie Anwendungsgebiete - angefangen vom heimischen Gasherd bis zur industriellen Anwendung. "Die Infrastruktur, die heute schon da ist, ist aufgebaut auf Methan, und das wird auch noch eine ganze Zeit lang so sein, denn wir können nicht von heute auf morgen diese Infrastruktur für Wasserstoff generieren", sagt Hafenbradl. "Vieles funktioniert auch gar nicht mit Wasserstoff. Man braucht nach wie vor Methan."

Entsprechend seien die Gasnetzbetreiber auch sehr interessiert an der Technik, allen voran die Southern California Gas Company (Socalgas).

Auftrag aus Kalifornien

Der Gasnetzbetreiber will künftig die Technik des in Bayern ansässigen Unternehmens im großen Stil einsetzen. Aktuell wird die Technik vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums geprüft. Eine Versuchsanlage beim NREL in Golden im US-Bundesstaat Colorado ist vor wenigen Tagen in Betrieb genommen worden.

Ziel des Projekts in Colorado ist, die Effizienz des Prozesses zu verbessern sowie die Wirtschaftlichkeit dieses P2G-Verfahrens zu untersuchen. Die erste kommerzielle Anlage soll in Kalifornien gebaut werden und voraussichtlich 2021 in Betrieb gehen. Sie wird in der Nähe von Mülldeponien errichtet und mit Deponiegas, das zum großen Teil aus CO2 besteht, gespeist.

In Europa, wohin das Unternehmen vor einigen Jahren aus den USA übergesiedelt ist, gibt es bisher zwei Pilotanlagen: Die erste entstand 2016 bei einer Kläranlage in der dänischen Hauptstadt Kopenhagen. Die erhält von der Kläranlage das CO2 und versorgt diese wiederum mit Wärme und Sauerstoff. Die zweite steht in Zuchwil im Schweizer Kanton Solothurn, wo sie seit Anfang Juni Biomethan in das örtliche Gasnetz speist.

Nach Europa kam das Unternehmen Mitte des Jahrzehnts, als in den USA ein Fracking-Boom herrschte. Dadurch war der Gaspreis niedrig und es war Electrochaea nicht möglich, dringend benötigte Investitionen zu bekommen. Ein auf nachhaltige Technologien spezialisiertes Risikokapitalunternehmen aus München zeigte Interesse und so siedelte Electrochaea 2014 nach München um.

Dass die erste kommerzielle Anlage nicht in Deutschland, sondern in den USA gebaut wird, erklärt Hafenbradl mit dem hiesigen Strompreis. "Die größte Herausforderung ist das Geschäftsmodell, weil das von der Politik in Europa noch nicht genug unterstützt wird." Der Betreiber einer Anlage hierzulande müsse wie jeder andere Verbraucher die Stromnebenkosten wie Stromsteuer, Netzgebühr und EEG-Umlage bezahlen. Dadurch ist der Strom teurer als das Gas, das damit produziert wird.

Dabei werden Speichertechnologien dringend gebraucht: In Deutschland etwa hätten 2017 laut dem Bundesverband Windenergie 5,5 Terawattstunden mehr an Strom erzeugt werden können, wenn Windanlagen nicht gestoppt worden wären, weil das Netz keinen Strom aufnehmen konnte. Damit ließe sich eine Menge Methan produzieren, das fossiles Erdgas ersetzt.

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