In den meisten Biogasanlagen treiben Motoren einen Generator an. Spezielle Brennstoffzellen könnten eine Alternative sein. So ließe sich auch Strom speichern. Doch die Rahmenbedingungen sind schwierig.
Lärm und warme Luft: Das schlägt einem entgegen, wenn man in einer Biogasanlage die Tür zum Kraftwerk öffnet. Für gewöhnlich stehen dort große Motoren, die das Biogas verbrennen und einen Generator antreiben. Bei Biogasanlagen, die das bayerische Start-up Reverion ausgerüstet hat, läuft die Stromproduktion hingegen so gut wie geräuschlos ab.
Das Unternehmen, eine Ausgründung der Technischen Universität München, setzt nämlich auf Hochtemperatur-Brennstoffzellen. In denen verbinden sich Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) zu Wasser (H2O). Dabei fließt Strom – ohne dass etwas mit einer Flamme verbrennt und eine Maschine antreibt. Brennstoffzellen wandeln also die chemische Energie, die in Wasserstoff und Sauerstoff steckt, direkt in elektrische Energie um.
Brennstoffzellen übertreffen klassische Generatoren
In den Biogasanlagen stammt der Wasserstoff aus den Methan-Molekülen im Biogas. Dieses Gas wird zunächst gereinigt, und das CO2, das auch darin steckt, abgetrennt. Der verbleibende Methan-Anteil kommt dann in die Brennstoffzelle. Für den Sauerstoff nutzt das System die Umgebungsluft.
Ihre Arbeit verrichtet die spezielle Festoxid-Brennstoffzelle, auf die Reverion setzt, gut isoliert in einem Container. Denn damit die Umwandlung in elektrischen Strom perfekt funktioniert, benötigt sie sehr hohe Temperaturen von mehr als 600 Grad Celsius.
Dann aber lassen derartige Brennstoffzellen alle anderen Kraftwerkstypen weit hinter sich. Besonders beim Wirkungsgrad, also wenn es darum geht, wie viel von der Energie im Biogas sich tatsächlich zu elektrischem Strom umwandeln lässt. “Demonstriert haben wir mit Biogas 74,2 Prozent letztes Jahr”, sagt Felix Fischer, einer der Gründer des Unternehmens und Co-Geschäftsführer. “Zehn Prozentpunkte besser als jedes Gas- und Dampf-Kraftwerk, egal in welcher Größenordnung.”
Ein Kraftwerk, das in zwei Richtungen funktioniert
Das ist aber nicht der einzige Vorteil, den die Festoxid-Brennstoffzellen gegenüber Kraftwerksanlagen haben, wie sie üblicherweise in Biogasbetrieben laufen. Diese reversiblen Brennstoffzellen beherrschen den Umwandlungsvorgang auch in der Gegenrichtung: vom elektrischen Strom zum Gas. Dadurch können sie theoretisch noch besser dabei helfen, das Stromnetz zu stabilisieren.
Steht zum Beispiel mehr Strom aus Photovoltaik und Windkraft zur Verfügung, als gerade im Netz benötigt wird, lassen sich die Anlagen bei den Biogasbetrieben umschalten. Statt Strom ins Netz zu liefern, entnehmen sie ihn. In den Hochtemperatur-Brennstoffzellen läuft dann eine Elektrolyse ab: Wasser wird mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der Wasserstoff lässt sich entweder direkt speichern oder in einem weiteren Schritt mithilfe von CO2, das in der Biogasanlage ohnehin zur Verfügung steht, zu Methan umwandeln. Das ist der Hauptbestandteil von Biogas und Erdgas.
Erzeugtes Gas ins Erdgasnetz leiten
Zum Einsatz kommt das gespeicherte Gas, sobald beim Strom aus erneuerbaren Quellen eine Lücke entsteht. Wenn also zum Beispiel während einer “Dunkelflaute” die Sonne nicht scheint und gleichzeitig auch kein Wind weht, dann kann die Anlage mit dem gespeicherten Gas zusätzlich Strom produzieren und ihn einspeisen.
Es gibt aber auch die Möglichkeit, das erzeugte Gas ins Erdgasnetz zu leiten. Und so bei der Gasversorgung den Anteil erneuerbarer Energien zu erhöhen. Hier bestehe ein riesiges Potential, sagt Felix Fischer. “Wir können einfach die Gasspeicher und die Gasleitungen nutzen und bis zu 200 Terawattstunden erneuerbares Methan in die Pipelines bringen.” Das entspreche ziemlich genau dem Gasverbrauch von drei Monaten in Deutschland. Ein Viertel des fossilen Erdgases, das durch das Gasnetz strömt, ließe sich also auf diese Weise ersetzen.
Das sind allerdings rein theoretische Zahlen.
Die meisten Biogasanlagen sind noch ohne Anschluss
Zunächst einmal müssten Tausende Biogasanlagen in Deutschland auf eine Brennstoffzellen-Technologie umgerüstet werden – wenn auch nicht unbedingt auf reversible Brennstoffzellen. Denn die Umwandlung von Strom zu Gas können auch separate Geräte übernehmen, sogenannte Elektrolyseure.
Die Ausrüstung der Biogasbetriebe ist aber nur ein Aspekt dabei. Es gibt noch einen anderen Knackpunkt. “Wenn ich dann das Biogas verwerten möchte, habe ich in Deutschland relativ wenig Einspeisepunkte”, sagt Professor Ralf Peters. Er ist kommissarischer Leiter des Instituts für Elektrochemische Verfahrenstechnik am Forschungszentrum Jülich. Von den mehr als 9.000 Biogasanlagen in Deutschland sind bislang nicht einmal 300 an das Gasnetz angeschlossen. Die meisten Betriebe nutzen das Biogas ausschließlich, um damit Strom und Wärme zu gewinnen. Das zeigen Branchenzahlen des Fachverbands Biogas e.V.
Für kleinere Betriebe würde sich ein eigener Anschluss ans Netz wahrscheinlich auch gar nicht lohnen. Möglicherweise müssten sich dann jeweils mehrere Biogasanlagen untereinander vernetzen und gemeinsam einspeisen. Zu diesem Schluss kommt auch ein Leitfaden, den die Technische Hochschule Ingolstadt unter anderem gemeinsam mit der FH Münster erstellt hat. Die notwendige Infrastruktur dafür zu schaffen, kostet auf jeden Fall Zeit und Geld.
Wer steigt tatsächlich um?
Wie viele Biogasbetriebe letztlich bereit sind, mit reversiblen Hochtemperatur-Brennstoffzellen auf ein neues technisches Konzept zu setzen, das ist noch völlig offen. Vom Start-up Reverion sind bislang erst vier Anlagen in Betrieb. Mancher Landwirt könnte auch dazu tendieren, bei bewährter Kraftwerkstechnik zu bleiben. “Das ist ähnlich wie ein Traktor – alle Landwirte wissen, wie man damit umgeht. Eine reversible Festoxid-Brennstoffzelle hingegen ist ein Hochleistungs-Laborgerät im Container”, erklärt Michael Sterner. Er ist Professor an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg und Experte für Erneuerbare Energien. Mit der Entscheidung für ein neues System wäre auch er vorsichtig. “Bei einer reversiblen Festoxid-Brennstoffzelle ist die Langzeitstabilität im Feldversuch noch nicht über Tausende von Zyklen bewiesen.”
Dass die Technologie schon bald großflächig im Einsatz sein könnte, glaubt er jedenfalls nicht. Zumal aktuell noch etwas hinzukommt, was die Innovationsfreude bei den Betreibern von Biogasanlagen bremst: Veränderte Regelungen im Erneuerbare-Energien-Gesetz stellen gerade etliche Betriebe vor existenzielle Probleme. Für immer mehr Anlagen läuft nach 20 Jahren die Förderung durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) aus.
Mit den Vorgaben, die die gegenwärtige Fassung des Gesetzes macht, ist es allerdings deutlich schwieriger, eine weitere Förderung zu erhalten und die Anlagen profitabel zu betreiben. Sterner bezweifelt, dass unter dieser Voraussetzung viele Betriebe zur neuen Technologie wechseln. Wenn Biogasanlagen mit reversiblen Brennstoffzellen eine größere Rolle beim Speichern von Strom spielen sollen, müsste die Politik erst bessere Rahmenbedingungen schaffen.
