Biohythane: zweistufige Vergärung, die Wasserstoff und Methan aus einem Substrat liefert

Biohythane ist eine Gasmischung aus der zweistufigen Vergärung, die sowohl Wasserstoff als auch Methan enthält. Im ersten Reaktor, der bei niedrigem pH-Wert (in der Regel ca. 5–6,5) und kurzer Verweilzeit betrieben wird, erzeugen Bakterien Wasserstoff, CO₂ und organische Säuren; im zweiten Reaktor wandeln methanogene Archaeen die Säuren in Methan um. Die gesamte Energieausbeute aus dem Substrat kann höher sein als bei der einstufigen Vergärung, und Gas mit höherem Wasserstoffgehalt hat günstige Verbrennungseigenschaften. In der Praxis bleibt das System in der Phase von Forschung und Pilotprojekten, mit der Schwierigkeit, einen Markt für die schwankende Gaszusammensetzung zu finden.

Warum zwei Stufen

Bei der konventionellen Methangärung laufen Hydrolyse, Acidogenese und Methanogenese in einem Fermenter ab, was einen Kompromiss der Bedingungen erfordert (pH-Wert etwa neutral, Temperatur). Die Trennung der Stufen erlaubt es, für jede Gruppe von Mikroorganismen optimale Parameter einzuhalten:

• Stufe 1: pH-Wert 5–6,5, Verweilzeit von einigen bis zu einigen Dutzend Stunden, acidogene und wasserstoffbildende Kulturen;
• Stufe 2: pH-Wert 7–8, Verweilzeit von Tagen bis Wochen, methanogene Kulturen.

Dadurch kann die erste Stufe den Abbau leicht verwertbarer Substrate beschleunigen, und die zweite Stufe nutzt die Säuren aus der ersten, was die Prozessstabilität verbessert (geringeres Versauerungsrisiko).

Gaszusammensetzung

Das Gas aus der ersten Stufe enthält in der Regel 30–60% H₂ im Gemisch mit CO₂; das Gas aus der zweiten Stufe ist typisches Biogas mit 55–65% CH₄. Das Mischen dieser Ströme oder ihre getrennte Nutzung ergibt Biohythane mit einem von den Anteilen abhängigen Wasserstoffgehalt. In der Literatur zu „Hythane“ ist von Mischungen aus einigen Zehnerprozent bis zu zwanzig Prozent Wasserstoff in Methan die Rede, die in Motoren zur Verringerung der Emissionen eingesetzt werden; bei Biohythane ist der Wasserstoffgehalt mitunter niedriger und schwankend.

Energiebilanz (Beispiel)

Annahmen: 1 t Obst- und Gemüseabfall mit einem Gehalt von 100 kg organischer Trockensubstanz (oTS) und einem BMP von 400 NmL CH₄/g oTS ergibt bei einstufiger Vergärung 40 m³ CH₄ (400 mL/g × 100.000 g = 40.000 L). Energie: 40 × 9,97 ≈ 399 kWh. Im zweistufigen System geht ein Teil des oTS (z. B. 30%) in Wasserstoff und Säuren; nehmen wir eine Wasserstoffausbeute von 1,5 mol je mol Hexose für die Zuckerfraktion an (nehmen wir an, dass 30 kg oTS Zucker sind): 30.000 g / 180 g/mol ≈ 167 mol Hexose → 250 mol H₂ ≈ 5,6 m³ H₂ ≈ 16,8 kWh. Das Methan aus der zweiten Stufe nutzt die verbleibenden Säuren und den Rest des Substrats, die Gesamtenergie hängt also von der Ausbalancierung ab. In der Literatur weisen die Ergebnisse für zweistufige Systeme auf eine um einige bis gut zehn Prozent höhere Energieausbeute als bei einstufigen hin, vieles hängt jedoch vom Substrat ab. Das Beispiel veranschaulicht die Größenordnung, keine Prognose.

Vorteile

1. Höhere Energieausbeute bei leicht verwertbaren Substraten (Lebensmittelabfälle, Molke).
2. Bessere Kontrolle der flüchtigen Säuren, geringeres Überlastungsrisiko.
3. Möglichkeit, Wasserstoff als Produkt oder Kraftstoffzusatz abzutrennen.
4. Verkürzung der Vergärungszeit in der zweiten Stufe in einigen Systemen.

Einschränkungen

1. Zwei Reaktoren erhöhen CAPEX und Komplexität.
2. Die erste Stufe ist empfindlich gegenüber Kontamination durch Methanogene und wasserstoffverbrauchende Bakterien.
3. Der Wasserstoff ist mit CO₂ verdünnt, sodass seine Abtrennung zusätzliche Stufen erfordert.
4. Der Markt für Biohythane ist eine Nische; in der Praxis wird das Gas oft im CHP verbrannt oder gemeinsam mit dem Biogas aufbereitet.
5. Der Mangel an kommerziellen Anlagen erschwert die Kostenbewertung.

Anwendungen

In Forschungs- und Pilotanlagen wurde Biohythane in Demonstrationsprogrammen zum Antrieb von Motoren und Bussen eingesetzt. In einer typischen Biomethananlage kann ein zweistufiges System bei Substraten mit hohem Gehalt an leicht abbaubaren Zuckern erwogen werden, zuvor ist jedoch zu überprüfen, ob der energetische Gewinn die zusätzlichen Kosten deckt.

Wie ein Pilotversuch zu beurteilen ist

Ein Pilotversuch zur zweistufigen Vergärung sollte ausreichend lange dauern (Monate), reale, schwankende Substrate umfassen und nicht nur die Wasserstoffausbeute messen, sondern auch die gesamte Energieausbeute, die pH-Stabilität, den Eigenenergieverbrauch sowie die Kosten der Gasreinigung. Gute Praxis ist der Vergleich mit einem parallelen einstufigen System am selben Substrat. Erst ein solcher Vergleich erlaubt es zu beurteilen, ob sich der zusätzliche Reaktor lohnt, und Schlussfolgerungen auf der Grundlage kurzer Tests unter Laborbedingungen zu vermeiden.

Zusammenfassung

Biohythane ist eine interessante Idee zur Verbesserung von Energienutzung und Prozessstabilität, bleibt aber eine Forschungstechnologie. In kommerziellen Projekten ist sie als eine im Pilotversuch zu testende Option zu betrachten, nicht als fertige Lösung.