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Donnerstag, 14. September 2017, Ausgabe Nr. 37

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Start-up-Porträt

Urzeitlebewesen für die Energiewende

Von Patrick Schroeder | 29. Juni 2017 | Ausgabe 26

Die Münchener Electrochaea GmbH nutzt einzellige Mikroorganismen, um Biomethan zu erzeugen und zugleich CO2 abzubauen.

Bioreactor_Archaea
Foto: (2) Electrochaea

Die einzelligen Archaeen können Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff im Bioreaktor umwandeln in Biomethan – inzwischen auch im industriellen Maßstab.

Die Energiewende schreitet voran. Doch ein Problem bleibt: Wohin mit dem überschüssigen Strom, wenn die Windräder kräftig rotieren und die Sonne auf großflächige Photovoltaikmodule brennt? Die Anlagen zeitweise abzuschalten, ist kostenaufwendig. Und die aktuelle Akkutechnologie zum Stromspeichern stößt schnell an Kapazitätsgrenzen. Eine alternative Möglichkeit: Power-to-Gas-Anlagen, die das Stromnetz stabilisieren, indem sie mit dem überschüssigen Strom Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff spalten. Da der Markt für Wasserstoff allerdings vergleichsweise klein ist, entwickeln einige Forscher die Anlagen weiter. Sie wollen den Wasserstoff durch die Zugabe von klimaschädlichem Kohlenstoffdioxid in wertvolles Biomethan verwandeln. Und der Markt für Biomethan ist deutlich größer – Blockheizkraftwerke zum Beispiel nutzen das Biogas für die Produktion von Wärme und Elektrizität.

Electrochaea GmbH

Die Umwandlung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid in Biomethan funktioniert mithilfe sogenannter Archaeen – einzellige Mikroorganismen, die seit 3,5 Mrd. Jahren auf der Erde existieren. Sie haben erstaunliche Fähigkeiten. Die Einzeller überleben selbst in unwirtlichen Umgebungen wie heißen vulkanisierten Seen und ernähren sich, indem sie Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff in Methan umwandeln. Zwar haben Forscher diese Stoffwechselfähigkeit in der Vergangenheit immer wieder im Labormaßstab für die Biogasproduktion genutzt. Doch die Leistungsfähigkeit der Mikroorganismen war lange nicht ausreichend und beständig genug, um die Technologie im industriellen Maßstab einzusetzen. Doch ein Mann hat nicht aufgehört, an das Potenzial der Archaeen zu glauben: Laurens Mets von der Universität in Chicago.

Foto: Electrochaea

Mich Hein, Geschäftsführer der Electrochaea GmbH, ist stolz auf seine einzelligen Helfer. Er hat die Mikroorganismen so kultiviert, dass sie stetig Methan in Netzqualität liefern.

Der Professor hat die Effizienz des Archaeen-Stamms durch einen gezielten Selektionsprozess gesteigert – ohne genetische Veränderung. „Das Ergebnis unserer Archaeen-Kultivierung hat uns selber überrascht. Wir haben die Raum-Zeit-Ausbeute der Archaeen um den Faktor 20 gesteigert und das bei stabiler Netzqualität des Methans“, erklärt Mich Hein, Geschäftsführer von Electrochaea. Das Start-up aus Planegg bei München hat die Technologie aus Chicago 2010 in einem klassischen Spin-off-Prozess übernommen und arbeitet mit 20 Mitarbeitern an der Überführung in den Industriemaßstab. „Wir können jetzt sehr schnell nach oben skalieren und das zu betriebswirtschaftlich sehr vernünftigen Kosten.“ Neben der schnellen Reaktionskinetik punktet der neue Archaeen-Stamm, der mittlerweile patentiert ist, mit einer weiteren Eigenschaft: Er ist besonders robust gegenüber Schadstoffen aus industriellen CO2-Quellen – etwa gegen Schwefelwasserstoff und Feinstaubpartikel.

Electrochaea ist es mit dem neuen Archaeen-Stamm 2016 gelungen, eine Power-to-Gas Pilotanlage in Dänemark zu realisieren. Sie hört auf den Namen BioCat, steht in der Nähe einer Kläranlage und nutzt überschüssigen Strom aus Erneuerbaren Energien, um Wasser per Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Im nächsten Schritt kommt ein Bioreaktor ins Spiel, der mit einer Kulturbrühe gefüllt ist. In der Flüssigkeit befinden sich rund 10 g Archaeen pro Liter. Die Einzeller verwandeln den Wasserstoff und zugeführtes Kohlenstoffdioxid aus der Kläranlage in Biomethangas. Das Gas ist so hochwertig, dass es sich direkt in das Erdgasnetz einspeisen lässt – ohne den kostenintensiven Bau einer zusätzlichen Infrastruktur. „Unser Ziel ist es, mit dem Marktpreis von Biomethan zu konkurrieren“, erklärt Markus Ostermeier, Produktentwicklungsmanager bei Electrochaea. „Wenn wir Strom zu Erzeugungskosten beziehen können, also für 3 ct/kWh, können wir synthetisches Erdgas für 6 ct/kWh bis 8 ct/kWh erzeugen und sind damit auf Biogaspreisniveau.“ Die Produktion von Biogas ist allerdings nicht der einzige Vorteil. BioCat bindet auch klimaschädliches CO2. Und: „Kläranlagen könnten den erzeugten Sauerstoff für Belebungsbecken benutzen und dadurch Strom sparen.“ Zudem ließe sich die Leistung von Biogasanlagen nahezu verdoppeln, wenn sie die bisher nicht genutzten 40 % CO2 ebenfalls in Methan umwandeln könnten.

Da die Pilotanlage in Dänemark vielversprechend funktioniert und eine Leistungsaufnahme von 1 MW erreicht, hat Electrochaea schon das nächste Ziel anvisiert: In Kooperation mit dem ungarischen Energieversorgungsunternehmen MVM baut das Start-up in Ungarn die weltweit erste Power-to-Gas Großanlage – sie soll eine Leistungsaufnahme von bis zu 10 MW erreichen. Bis 2031 will das Unternehmen aus München in Zusammenarbeit mit Partnern der Energie- und Gasbranche weltweit 1 GW Speicherkapazität installieren.

Electrochaea forscht auch in der Schweiz an der Methanisierung von Wasserstoff – im Rahmen des EU-Forschungsprogramms Store & Go. Die Projektpartner bauen derzeit für 5,7 Mio. € eine rund 10 m hohe Forschungsanlage auf dem Gelände des Hybridwerks Aarmatt des Schweizer Energieunternehmens Regio Energie Solothurn (RES). Dort laufen RES-Versorgungsnetze von Strom, Wasser, Erdgas- und Fernwärme zusammen. Eine der Aufgaben des Hybridwerks: Mit Wasser und überschüssigem Strom per Elektrolyse Wasserstoff erzeugen und ihn in einer Konzentration von zwei Prozent direkt ins Erdgasnetz einspeisen. Ab 2018 soll dann ein Teil des Wasserstoffs für die Methanisierung mit Archaeen zum Einsatz kommen. Das Projekt, das die Effizienz der Umwandlung erforscht, läuft bis 2020. Dann folgt der Rückbau der Anlage. 

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