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The identification and quantification of compounds in the gas phase becomes of increasing interest in the context of environmental protection, as well as in the analytical field. In this respect, the high extinction coefficients of vapours and gases in the ultraviolet wavelength region allow a very sensitive measurement system. In addition, the increased performance of the components necessary for setting up a measurement system, such as fibres, light sources and detectors has been improved. In particular the light sources and detectors offer improved stability, and the deep UV performance and solarisation resistance of fused silica fibres allow have been significantly optimized in the past years. Therefore a compact and reliable detection system with high measuring accuracy is developed. Within this paper possible applications of the system under development and recent results will be discussed.
Biological in situ methanation: Gassing concept and feeding strategy for enhanced performance
(2017)
The expansion of fluctuating renewable electricity production from wind and solar energy requires huge storage capacities. Power-to-gas (PtG) can contribute to tackle that issue via a two-step process, the electrolytic production of hydrogen and a subsequent methanation step (with additional CO2). The resulting fully grid compatible methane, also known as synthetic natural gas (SNG), can be both stored and transported in the vast existing natural gas infrastructure.
To overcome current major drawbacks of PtG, the relatively low efficiency and the high costs, we developed an improved method for the methanation step. In our approach we use a further development of the biological in situ methanation of hydrogen in biogas plants. Because this strategy uses directly internal residual CO2 from the biogas process in the biogas plant, you neither need additional external CO2 nor special reactors. Thus, PtG is combined with the production of an upgraded highly methane rich raw biogas.
However, the low solubility of hydrogen in aqueous solutions and the exploitation of the maximum biological production rates are still an engineering challenge for high performance biological in situ methanation.
In our experiments a setup with membrane gassing turned out to be most promising to ensure a sufficient gas liquid mass transfer of the hydrogen. The monitoring of hydrogenotrophic and aceticlastic archaea showed some adaption of these microbial subgroups to the hydrogen feed.
In order to achieve high methane concentrations of more than 90 % in the raw biogas a CO2-controlled hydrogen feed flow rate is suggested. For methane concentrations lower than 90 % simple current controlled hydrogen supply can be applied.
Vorgestellt wird ein Konzept zur biologischen Methanisierung von Wasserstoff direkt in Biogasreaktoren, mit dem durch Membranbegasung der Methangehalt des Biogases auf > 96 % erhöht werden kann. Essentiell zum Erreichen solch hoher Methanwerte sind die Einhaltung eines optimalen pH-Bereichs und die Vermeidung von H2-Akkumulation. Im Falle einer Limitierung der Methanbildungsrate durch den eigentlichen anaeroben Abbauprozess der Biomasse ist auch eine externe Zufuhr von CO2 zur weiteren Methanbildung denkbar. Das Verfahren soll weiter optimiert und in einem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten Projekt in der Biogasanlage einer regionalen Käserei in der Praxis getestet werden. Die hier angestrebte Kombination aus dezentraler Abfallverwertung und Eigenenergieerzeugung eines lebensmittelverarbeitenden Betriebs unter Einbindung in ein intelligentes Erneuerbare Energien - Konzept soll einen zusätzlichen Mehrwert liefern.
Im Projekt „BioMeth“ wurden zwei neuartige und bislang noch nicht für die biologische Methanisierung beschriebene Anlagenkonzepte entwickelt. Der neuentwickelte Invers-Membranreaktor (IMR) ermöglicht es, den Eintrag der erforderlichen Eduktgase Wasserstoff H2 und Kohlendioxid CO2 über kommerziell erhältliche Ultrafiltrationsmembranen und den Entgasungsbereich für den Methanaustrag räumlich zu trennen und zusätzlich einen hydraulischen Druck zur Steigerung des Wasserstoffeintrages zu nutzen. Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass perspektivisch sowohl das CO2 aus klassischem Biogas als auch CO2-Quellen aus industriellen Abluftströmen, z. B. aus der Zementindustrie als Kohlenstoffquelle genutzt werden können.
Über die biologische Methanisierung hinaus eignet sich der Invers-Membranreaktor der Einschätzung der Autoren nach auch generell zur biotechnologischen Herstellung nicht-flüchtiger Wertstoffe ausgehend von gasförmigen Substraten. Im IMR kann z. B. ein Membranmodul zum Eintrag der Eduktgase verwendet werden, während ein weiteres Hohlmembranmodul zur zyklischen oder kontinuierlichen Abtrennung der wertstoffhaltigen Reaktionslösung unter Rückhaltung der Mikrobiologie im Sinne eines In-situ Product Recovery (ISPR)-Konzeptes genutzt werden kann.
Als herausragendes Ergebnis erwies sich während der Untersuchung des IMR, dass mit dem Konzept der Membranbegasung CH4-Konzentrationen von > 90 Vol.-% über eine einjährige Versuchsreihe kontinuierlich und mit flexiblem Gaseintrag erzielt werden konnten. Nach Inbetriebnahme war dabei außer der Zugabe von H2 und CO2 als Energie- bzw. C-Quelle lediglich eine zweimalige Ergänzung von Supplementen erforderlich. Die maximal erreichte membranflächen-spezifische Methanbildungsrate ohne Gaszirkulation lag bei 83 LN Methan pro m2 Membranfläche und Tag bei einer Produktgaszusammensetzung von 94 Vol.% Methan, 2 Vol.% H2, und 4 Vol.% CO2.
Das zweite noch in der frühen Testphase befindliche Verfahren nutzt Druckunterschiede in einer 10 m hohen gepackten Gegenstromblasensäule, die mit einem ebenfalls 10 m hohen separaten Entgasungs-Reaktor kombiniert wurde. Diese Verfahrenskonzept soll es ermöglichen, eine hohe Wasserstofflöslichkeit aufgrund des am Säulenfuß vorliegenden hydrostatischen Druckes zu erreichen und dabei gleichzeitig den Energiebedarf zu minimieren, die Investitionskosten zu reduzieren und optimale zeitliche und räumlichen Bedingungen für die mikrobiologische Umsetzung von H2 und CO2 zu schaffen. Erste Untersuchungen am Gegenstromblasensäulenreaktor zum Stoffübergang von Luft bestätigten eine gute Anreicherung der im Kreislauf geführten Flüssigkeit bereits bei verhältnismäßig niedrigen Gasleerrohrgeschwindigkeiten. In der zweiten Säule des Reaktoraufbaus sollte am Kopf aufgrund der Druckentspannung ein Ausgasen der im Vergleich zu Atmosphärendruck mit Gas übersättigten Flüssigkeit erfolgen. Das Ausgasen der Flüssigkeit konnte ebenfalls am Beispiel des Lufteintrages bestätigt werden.