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Leitartikel Abb. 2:

Leitartikel Abb. 2: Übersicht der Wasserstoffausbeuten bei Verwendung verschiedener Substrate im HyPerFerment Prozess bezogen jeweils auf das Feuchtgeweicht bzw. die org. Trocken substanz (oTS). Bedingungen (ohne Sauerstoff). Für die Wasserstoffbildung wird jedoch, im Gegensatz zur Methanogenese, ein leicht saures Milieu benötigt. Als Substrat können neben so genannten Energiepflanzen auch zahlreiche unterschiedliche Rest- und Abfallstoffe eingesetzt werden. So ist neben der Umwandlung von Mais silage auch die Verwendung von Kleie, Permeatmelasse sowie Vinasse bzw. Melasse möglich [10, 11, 12]. Einschränkungen bestehen jedoch bei stark cellulosehaltigen Substraten wie Grasschnitt oder Stroh, bei denen eine Vorbehandlung zur Aufspaltung der Cellulose-Strukturen erforderlich ist, bevor die Wasserstofferzeugung erfolgen kann [13]. Durch solche Vorbehandlungsschritte können auch Inhalte der Biotonne als Substrat genutzt werden [14]. Eines der fortschrittlichsten Projekte im Bereich der Dunkelfermentation ist das Kooperationsprojekt „HyPerFerment I&II“, bei dem die MicroPro GmbH als Verbundkoordinator in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IFF und der Streicher Anlagenbau GmbH & Co. KG beteiligt ist. Im Rahmen dieses Projekts wurden zahlreiche Substrate im Maßstab von bis zu 300 Litern untersucht. Durch den Einsatz spezieller Kulturen konnte eine Wasserstoffbildung bei verschiedenen Substraten wie Weizenkleie, Maissilage, Kaffeesatz, Permeatmelasse und Melasse nachgewiesen werden. Dabei erwiesen sich Maissilage und Kleie bisher als besonders vielversprechend hinsichtlich der Wasserstoffbildungsrate (siehe Abbildung 3). Es wurden keine störenden Komponenten wie Methan oder Schwefelwasserstoff nachgewiesen werden. Mit einer speziellen, von der MicroPro GmbH entwickelten, Mikroorganismenkultur lässt sich eine Wasserstoffkonzentration von über 60 % erreichen. Da der biologische Abbau des Substrats bei der Dunkelfermentation unvollständig ist, erscheint eine Kopplung des Prozesses mit der konventionellen Biogasproduktion sinnvoll. Erste Laborversuche zeigten, dass die Vorschaltung der Dunkelfermentation vor eine konventionelle Biogasanlage (mit anschließender Überführung des Gärrests) die Rohbiogas-Ausbeute nicht negativ beeinflusst. Durch diese Kombination der Technologien kann das Substrat effizienter abgebaut werden als in den jeweiligen Einzelprozessen, während gleichzeitig zahlreiche Synergien (z.B. Logistik, Wärme, Wasser) genutzt werden können, um die Gesamteffizienz des Systems zu verbessern. Im Sommer 2024 wurde ein erster Prototyp in Form einer 10 m³ großen Demonstrationsanlage an einer Biogasanlage in Sachsen-Anhalt in Betrieb genommen. 1.3 Pyrolyse von Biomethan Die Spaltung von Biomethan kann neben der rein thermischen Spaltung kann auch katalytisch oder plasmalytisch erfolgen. Die unterschiedlichen Ansätze befinden sich derzeit auch in unterschiedlichen Reifegraden, so befinden sich die thermische und katalytische Methanspaltung auf ca. TRL 3–5, während die Plasmalyse bereits im Realmaßstab im industriellen Umfeld betrieben wird (TRL 8). Da die Überführung von CO 2 in den Plasmazustand zur Erzeugung von CO, also zu Synthesegas (H 2 & CO), führt, wird hier aufbereitetes Biomethan verwendet. Die Technologie hat zwar einen höheren elektrischen Energiebedarf als die Dampfreformierung, scheidet dafür aber den biogenen Kohlenstoff aus Biomethan als hochreinen Kohlenstoff ab. Dies schafft eine effektive Kohlenstoffsenke, die es vielen Industrieunternehmen ermöglicht, in ihren Verarbeitungsprozessen den Einsatz von Flugasche oder Kohle zu ersetzen und dadurch ihren CO 2 -Fußabdruck erheblich zu verringern. Zu den fortschrittlichs­ 12 GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2024

Leitartikel Abb. 3: Schema und Stoffströme der Plasmalysetechnologie der Graforce GmbH ten Projekten zählen derzeit die Plasma-Reaktoren der Graforce GmbH, die aus 200 kg Biomethan rund 50 kg Wasserstoff und 150 kg festen Kohlenstoff pro Stunde bei 500 kW erzeugen. In den Plasmalyse-Modulen erzeugt hier ein spezialisierter Plasma- Generator bei annähernd atmosphärischem Druck durch Hochspannung eine Plasmaentladung innerhalb eines Graphitelektroden systems. Während dieser ionisierenden Kollisi onen entstehen nicht nur Ionen und Elektronen, sondern auch eine Vielzahl reaktiver Radikale. Ein H 2 -Trägergas lenkt den Entladungsbogen aus dem Elektrodenspalt, wodurch sich eine charakteristische Plasmafackel bildet. Die präsenten freien Radikale fördern katalytische Reaktionen, welche die Zerlegung des Methans in seine molekularen Bestandteile mit einer Effizienz von bis zu 98 % ermöglichen. Durch den plasmakatalytischen Mechanismus, bei dem Radikale als temporäre Reaktions intermediäre agieren, kann Methan effizienter und selektiver in Wasserstoff und festen Kohlenstoff umgewandelt werden. Dieser Prozess findet bei maximal 1,4 bar und Plasmatemperaturen von bis zu 1500 °C statt. Parallel dazu wird durch die exothermen Reaktionen wertvolle Abwärme in Form von Dampf freigesetzt. Abbildung 3 zeigt das Schema und die Stoffströme der Technologie. Durch die Abscheidung von Kreislauf-CO 2 als reinen Kohlenstoff spricht man bei diesem Verfahren von einer realen CO 2 -Senke, die auch entsprechend zertifiziert und über den THG- Handel vergütet werden kann. Der anfallende Kohlenstoff ist hochrein und somit ein wertvoller Rohstoff für Industrieanwendungen wie die Herstellung von Stahl, Beton, Asphalt oder die Bodenverbesserung. Durch die stoffliche Nutzung wird CO 2 effektiv aus dem Kreislauf genommen der hergestellte Brenn- oder Treibstoff entsprechend von der CO 2 -Steuer befreit. Da das CO 2 langfristig stofflich gebunden wird, ist diese Technologie auch die erste marktreife Alternative zu Carbon Capture Storage (CCS). Ein weiterer herausragender Vorteil dieses Verfahrens ist seine energetische Effizienz, die den Stromverbrauch im Vergleich zur herkömmlichen Elektrolyse drastisch reduziert. Betrachtet man die Energie bilanz, so zeigt sich, dass für die Herstellung von einem Kilogramm Wasserstoff lediglich 10 kWh Strom benötigt werden, da die meiste Energie aus dem wirtschaftlich vorteilhafteren Biomethan stammt. Im Vergleich dazu benötigt die Elektrolyse 50–60 kWh elektrische Energie für dieselbe Menge. 1.4 Vergasung fester Biomasse Feste biogene Reststoffe wie Restholz aus Industrie und Forstwirtschaft können durch Vergasung, also eine nur teilweise Verbrennung in ein H 2 - und CO-reiches Synthesegas konvertiert werden. Für die Wasserstoffgewinnung wird aufgrund des CO-gehaltes hier ein zusätzlicher Wassergas- Shift-Reaktor angeschlossen, um die Wasserstoffausbeute zu maximieren. Die Abscheidung von Wasserstoff aus dem Synthesegas erfolgt dann mittels Druckwechseladsorption oder Membranverfahren. Für die Wassergas-Shift-Stufe muss das Synthesegas in der Katalysatorschüttung auf Reaktionstemperatur (> 300°C) gebracht werden, die Konvertierung großer Mengen CO führt allerdings auch schnell zu Überhitzung und Katalysatorschäden. Es wird hier demnach entweder zweistufig oder mit intelligentem Wärmetausch gearbeitet. Anschließend oder auch vor dem Shift wird das Synthesegas für die Wasserstoffabscheidung mittels eines Kompressors verdichtet. Abbildung 4 zeigt ein einfaches Schema der Wasserstofferzeugung mittels Holzvergasung. Im Fokus stehen neben Altholz für Vergasungsprozesse derzeit auch getrockneter Klärschlamm, Gärreste und weitere Reststoffe mit weitrei­ GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2024 13