Abgeschlossene Forschung
UMAS – Untertägige Methanisierung im Aquiferspeicher
Im UMAS-Forschungsprojekt (01.05.2020 – 30.09.2022) wurde die technische, ökonomische und soziökonomische Machbarkeit sowie das ökologische Potenzial der untertägigen Methanisierung im seit 2017 stillgelegten Berliner Erdgasspeicher untersucht. Das Konzept sah vor, Strom aus Erneuerbaren Energien (Wind- oder Solarenergie) zur Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyse zu nutzen. Dieser Wasserstoff sollte gemeinsam mit Kohlendioxid in die poröse Sandsteinschicht des Speichers eingeleitet und durch Mikroorganismen zu Methan umgewandelt werden.
Expertinnen und Experten der Projektpartner: Berliner Erdgasspeicher GmbH, DBI – Gas und Umwelttechnik GmbH, IÖW – Institut für ökologische Wirtschaftsforschung GmbH, MicroPro GmbH, Reiner Lemoine Institut gGmbH und Technische Universität Clausthal arbeiteten eng zusammen, um das Potenzial des Berliner Erdgasspeichers für die Energiewende zu erforschen. Die MicroPro GmbH war dabei für die mikrobiologische Untersuchung des Berliner Erdgasspeichers verantwortlich.
In einem ersten Schritt wurde untersucht, welche Organismen bereits im Untergrundspeicher vorhanden sind, und ob diese unter den Speicherbedingungen für die Umwandlung von CO2 und Wasserstoff zu Methan genutzt werden können. Darüber hinaus waren Untersuchungen bezüglich der Effektivität und des Schadpotentials der Organismen geplant.
Die mikrobiologischen Untersuchungen zeigten dabei, dass eine mikrobielle Methanisierung mit wasserstoffverwertenden Archaeen unter geeigneten Bedingungen grundsätzlich durchführbar ist, die notwendigen Lebensbedingungen aber im Berliner Aquiferspeicher nicht gegeben waren. Die für die biologische Methanisierung von Wasserstoff notwendigen methanogenen Archaeen waren im Formationswasser des Speichers nicht nachweisbar. Aktive Anreicherungskulturen von methanogenen Kulturen von anderen Standorten konnten unter den hochsalinen Bedingungen des Berliner Speichers (22-25%) nicht überleben.
Es wurde nachgewiesen, dass die hohe Salinität ursächlich für die Inaktivität der Methanogenen verantwortlich ist und damit die wesentlichen Voraussetzungen für die Etablierung eines biologischen Methanisierungsprozesses im Berliner Speicher fehlen. Für diese weitreichende Feststellung wurden mehrere frische Tiefenwasserproben aus dem Berliner Speichers mikrobiologisch und molekularbiologisch untersucht und die Minimalanforderungen an die Speicherbedingungen in Modellversuchen ermittelt.
Als Fazit der mikrobiologischen Untersuchungen wurde festegstellt, dass die beabsichtigte Etablierung der Bio-Methanisierung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid im Berliner Speicher aus mikrobiologischer Sicht mit großen technischen Herausforderungen (Verdünnung der Sole mit Süßwasser und Animpfung mit standortfremden Mikroorganismen) und gewissen Risiken (H2S-Bildung) verbunden ist.
Daher wurde das Gesamtvorhaben aus wirtschaftlicher Sicht gestoppt und Untersuchungen zu dieser Thematik am Berliner Speicher beendet.
Das zweieinhalbjährige Projekt UMAS (Projektposter) wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen des Energieforschungsprogramms gefördert.
H2-UGS – Mikrobiologie der Untergrundspeicherung von Wasserstoff
In Untergrundspeichern können Mikroorganismen schwere Schäden an den darin enthaltenen Gütern und technischen Anlagen verursachen. Trotz der Relevanz der bevorstehenden Nutzung von Untergrundspeichern mit Wasserstoff liegen zu den mikrobiellen Prozessen in diesen Speichern noch keine systematischen Untersuchungen vor. Dies steht im krassen Gegensatz zum Entwicklungspotenzial von Mikroorganismen in Wasserstoff-Untergrundspeichern.
Zur Untersuchung der Risiken, dem möglichen Schadenspotenzial für die technische Installationen und mikrobiologische Vorgänge bei der Untergrundspeicherung von Wasserstoff wird derzeit ein Forschungsprojekt durchgeführt. Ziel ist es, die potentiellen Stoffwechselprozesse und die beteiligten Mikroorganismen zu charakterisieren. In praxisnahen Laborversuchen werden mikrobiologische Szenarien modelliert, um die wesentlichen Einflussparameter auf die potentiellen Prozesse zu analysieren und Kriterien zur Speicherauswahl bzw. Risikoabschätzung bereitzustellen. Die vorgesehenen Untersuchungen bauen auf umfangreichen Erfahrungen mit mikrobiell verursachten Schäden bei der Untergrundgasspeicherung und Nutzung der Geothermie auf und dienen als Vorstufe für objektspezifische Anwendungsstudien.
Einfluss von Biogas und Wasserstoff auf die Mikrobiologie in Untertagespeichern
Die Literaturstudie beleuchtet mögliche Auswirkungen und Risiken mikrobiologischer Prozesse in Untergrundspeichern, mit Blick auf eine anteilige Einspeisung von Wasserstoff und Bio-Methan in das Erdgasnetz. Es werden die vielfältigen mikrobiellen Stoffwechselwege dargestellt und praxisrelevante ökologische Parameter der Speichermikrobiologie, Wechselwirkungen mit Gesteinsmatrix und Formationswässern, Kontaminationsrisiken sowie mögliche Auswirkungen für den technischen Speicherbetrieb diskutiert.
Die mikrobiologischen Risiken, die mit der anteiligen Einspeisung von Wasserstoff und Bio-Methan in das Erdgasnetz verbunden sind, lassen sich auf Basis bereits veröffentlichter Daten in gewissem Umfang abschätzen. Da Wasserstoff eine Energiequelle für zahlreiche anaerobe Stoffwechselprozesse ist, besteht ein erhebliches Gefährdungspotential für Untergrundspeicher, insbesondere Porenspeicher. Viele deutsche Speicher bieten die notwendigen Voraussetzungen für einen raschen und vollständigen mikrobiellen Abbau eingebrachter Wasserstoffanteile, weshalb eine unbedenkliche Konzentrationsuntergrenze für Wasserstoff nicht festgelegt werden kann.
Die schnelle Wasserstoffverwertung durch sulfatreduzierende und methanogene Prokaryoten kann erhebliche technische und ökonomische Konsequenzen nach sich ziehen, wie z.B. Sulfidbildung (H2S), mikrobiell induzierte Korrosion (MIC) oder Permeabilitätsverringerung im Speichergestein. Über das mögliche Ausmaß negativer Auswirkungen und ob bestimmte Speicher mit geringerem Risiko existieren, kann derzeit nur spekuliert werden.
Einfluss von Biogas und Wasserstoff auf die Mikrobiologie in Untertagespeichern
Unterstützt vom Land Sachsen-Anhalt wurden im Zuge eines 3-jährigen Forschungsprogrammes die Bewertungskriterien für eine sichere unterirdische Lagerung von regenerativ erzeugtem Wasserstoff analysiert und ein Verfahren zur Sicherheitsüberwachung von Untergrundspeichern entwickelt. Dieser Methodenkatalog umfasst alle notwendigen Analysen für eine praxisrelevante mikrobiologische Speicherbewertung. Darüber hinaus werden Wege zur Behandlung von mikrobiell verursachten Störungen aufgezeigt.
Zur Evaluierung der Analysenmethoden wurde eine Kultursammlung von Mikroorganismen aus deutschen Untergrundspeichern angelegt, die unter unterschiedlichen Bedingungen wachsen. Anhand dieser Kulturen wurde der Einfluss von Mikroorganismen auf eine Wasserstoffeinlagerung unter den unterschiedlichen ökologischen Bedingungen von Kavernen- und Porenspeichern simuliert und die erforderlichen Begleitanalysen definiert. Im Ergebnis dieser Modellversuche konnten die wesentlichen
Mögliche Strategien zur Vorbeugung und Bekämpfung mikrobieller Populationen in Speicheranlagen wurden unter praxisrelevanten Bedingungen in Hochdruckversuchen getestet und bewertet. Das Verfahren zur Speicherüberwachung wurde in das Serviceportfolio der MicroPro GmbH übernommen.
Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany oder kurz „HYPOS“ steht für eines von zehn ostdeutschen Projekten, welches im Rahmen des Programms „Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation“ durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird. Zentrales Thema für HYPOS ist die Nutzung und temporäre Speicherung von Stromüberschuss aus regenerativen Quellen zur H2-Elektrolyse.
Die potenziellen Auswirkungen eines wasserstoffstimulierten Mikroorganismenwachstums in Kavernen sollen an einem Modellstandort untersucht werden. Neben umfassenden mikrobiologischen und molekularbiologischen Analysen sind u.a. Simulationsversuche geplant. Das Gemeinschaftsprojekt ist mittelfristig angelegt.
Weitere Projekte
Silierung
Im Rahmen einer Forschungskooperation wurden Silagen aus unterschiedlichen Pflanzenteilen hergestellt, die aufgrund eines erhöhten Acetat- und eines verringerten Lactatgehaltes als besonders geeignet für die Produktion von Biogas angesehen wurden.
Die erhöhte Acetatproduktion wurde durch die Animpfung des Pflanzenmaterials mit Bakterienstämmen aus verschiedenen physiologischen Gruppen induziert. Insbesondere durch die Zugabe von heterofermentativen Milchsäurebakterien konnte eine deutlich erhöhte Acetatbildung im Siliergut ausgelöst werden. Die auf diese Weise produzierten speziellen Versuchssilagen wurden anschließend durch die Forschungspartner einer Biogasproduktion zugeführt. Dabei wurde die Biogasproduktion qualitativ und quantitativ untersucht, um Unterschiede festzustellen.
Die Konkurrenzfähigkeit der für die Silierung eingesetzten Test-Stämme ist sehr unterschiedlich und stellt eine wesentliche Herausforderung an das Verfahren dar. Dabei wurde bestätigt, dass sich die Gärsäuremuster und die spezifischen Methanerträge der Pflanzenproben durch die Zugabe von biologischen Siliermitteln signifikant beeinflussen ließen. In diesem Projektabschnitt konnte das Prinzip der Gärproduktsteuerung klar bestätigt werden. Weiterführende Arbeiten werden die Auswahl und Zusammenstellung eines geeigneten Mikroorganismenkonsortiums zur Biogas-orientierten Silierung zum Inhalt haben.
Ölpositive Bakterien – Spezialeinsatz zur Gewässersanierung
In langjährigen Untersuchungen ist es der MicroPro GmbH gelungen, von natürlichen Standorten spezielle Kohlenwasserstoffabbauende Bakterien (u.a. Gordonia) zu isolieren, die sich nicht – wie üblich – in der wässrigen Phase, sondern direkt in der Ölphase entwickeln. In einer Wasser-Öl-Emulsion dringen diese Bakterien in Öltröpfchen ein und gelangen dort zur Massenentwicklung. Dabei wird das Öl durch die Bildung von oberflächenaktiven Substanzen stark emulgiert und schnell abgebaut. Besondere Einsatzgebiete sind aquatische Systeme (z.B. Seen, Flüsse, Meere) und Uferzonen mit entsprechenden Ölkontaminationen. Beim Eintrag dieser speziellen Bakterienkulturen in ein Wasser-Öl Gemisch gehen die Bakterien direkt in die Ölphase (Kontamination) über und werden somit nicht durch das Wasser ausverdünnt.
Bakterieller Hanffaseraufschluss
Hanf ist ein Naturprodukt das unter günstigen Bedingungen durch ein breites Spektrum von Mikroorganismen abgebaut wird. Weder zur Stabilisierung von Hanfprodukten durch Biozide noch zur Nutzung von Hanfabfällen und Recyclingmaterial zur Gewinnung von Bioenergieträgern in Form von Wasserstoff und Methan liegen Angaben aus der Literatur vor.
Durch Anwendung von Methoden zur Bestimmung der bakteriostatischen und bioziden Wirksamkeit konnten aus über 20 vorausgewählten Produkten auf Grund ihrer hohen Wirksamkeit gegenüber komplexen Keimgemischen 3 Biozide selektiert werden. In Langzeit-Lagertesten mit wiederholten Animpfungen wurde eine Stabilisierung sowohl für Hanffasermaterialien als auch für Tenside aus Hanföl erreicht.
Der mikrobielle Abbau von Hanffasern wurde eingehend untersucht. Bisher nicht beschriebene Strukturen der Vereinigung von Elementarfasern in Faserbündel wurden nachgewiesen. Spezielle Bakterienkulturen zum Abbau von Pektin, der anaeroben Gärungen, Zellulosezersetzer und Methanbildner wurden isoliert. Es wurden Grundlagen für die Konzeption eines neuen, biotechnologischen Verfahrens des Faseraufschlusses geschaffen, die in das BMBF Projekt 03|1522 übergeleitet werden.
Im labortechnischen Maßstab erfolgte die Bestimmung der Biogasproduktion (Methan) aus Abfallstoffen und Hanffasern mit Ausbeuten von 300 bis 450 m3/t. Ein neuartiges zweistufiges Verfahren einer alkoholischen Gärung mit nachfolgender Biogasproduktion wurde für Hanf entwickelt. Hiermit konnten pro Tonne Hanfstaub 80 m3 Wasserstoff und 130 m3 Methan erzeugt werden.