Past projects
UMAS –Underground methanation in aquifer storage
The UMAS research project (01.05.2020 – 30.09.2022) investigated the technical, economic and socio-economic feasibility as well as the ecological potential of underground methanation in the Berlin natural gas storage facility, which has been decommissioned since 2017. The concept envisaged using electricity from renewable energies (wind or solar energy) to produce hydrogen by means of electrolysis. This hydrogen was to be fed into the porous sandstone layer of the storage facility together with carbon dioxide and converted into methane by microorganisms.
Experts from the project partners: Berliner Erdgasspeicher GmbH, DBI – Gas und Umwelttechnik GmbH, IÖW – Institut für ökologische Wirtschaftsforschung GmbH, MicroPro GmbH, Reiner Lemoine Institut gGmbH and Clausthal University of Technology worked closely together to research the potential of the Berlin natural gas storage facility for the energy transition. MicroPro GmbH was responsible for the microbiological investigation of the Berlin natural gas storage facility.
The first step was to investigate which organisms are already present in the underground storage facility and whether they can be used to convert CO2 and hydrogen into methane under the storage conditions. In addition, investigations were planned into the effectiveness and harmful potential of the organisms.
The microbiological investigations showed that microbial methanation with hydrogen-utilizing archaea is feasible in principle under suitable conditions, but that the necessary living conditions were not present in the Berlin aquifer reservoir. The methanogenic archaea required for the biological methanation of hydrogen were not detectable in the formation water of the reservoir. Active enrichment cultures of methanogenic cultures from other sites could not survive under the highly saline conditions of the Berlin reservoir (22-25%). It was proven that the high salinity is responsible for the inactivity of the methanogens and thus the essential prerequisites for the establishment of a biological methanation process in the Berlin reservoir are missing. For this far-reaching finding, several fresh deep water samples from the Berlin reservoir were examined microbiologically and molecular biologically and the minimum requirements for the storage conditions were determined in model tests.
The conclusion of the microbiological investigations was that the intended establishment of the bio-methanation of hydrogen and carbon dioxide in the Berlin storage facility is associated with major technical challenges (dilution of the brine with fresh water and inoculation with foreign microorganisms) and certain risks (H2S formation) from a microbiological perspective. For this reason, the overall project was stopped from an economic point of view and investigations into this topic at the Berlin reservoir were terminated.
The two-and-a-half-year UMAS project (project poster) was funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Protection as part of the energy research program.
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.
Further projects
Ensilage
As part of a research collaboration, silages were produced from different plant parts that were considered particularly suitable for the production of biogas due to their increased acetate and reduced lactate content.
The increased acetate production was induced by inoculating the plant material with bacterial strains from different physiological groups. In particular, the addition of heterofermentative lactic acid bacteria triggered a significant increase in acetate formation in the ensiled material. The special test silages produced in this way were then fed into biogas production by the research partners. The biogas production was examined qualitatively and quantitatively in order to determine differences.
The competitiveness of the test strains used for ensiling varies greatly and represents a significant challenge for the process. It was confirmed that the fermentation acid patterns and the specific methane yields of the plant samples could be significantly influenced by the addition of biological ensiling agents. The principle of fermentation product control was clearly confirmed in this project phase. Further work will focus on the selection and composition of a suitable microorganism consortium for biogas-oriented ensiling.
Oil positive bacteria – Special application for water decontamination
In many years of research, MicroPro GmbH has succeeded in isolating special hydrocarbon-degrading bacteria (including Gordonia) from natural sites, which do not develop in the aqueous phase – as is usually the case – but directly in the oil phase. In a water-oil emulsion, these bacteria penetrate oil droplets and develop into masses. The oil is strongly emulsified and rapidly degraded by the formation of surface-active substances. Special areas of application are aquatic systems (e.g. lakes, rivers, seas) and shore zones with corresponding oil contamination. When these special bacterial cultures are introduced into a water-oil mixture, the bacteria pass directly into the oil phase (contamination) and are therefore not diluted by the water.
Bacterial hemp fiber digestion
Hemp is a natural product that is degraded under favorable conditions by a broad spectrum of microorganisms. There is no information in the literature on the stabilization of hemp products by biocides or on the use of hemp waste and recycling material for the production of bioenergy sources in the form of hydrogen and methane.
By applying methods for the determination of bacteriostatic and biocidal efficacy, 3 biocides could be selected from more than 20 pre-selected products due to their high efficacy against complex germ mixtures. In long-term storage tests with repeated inoculations, stabilization was achieved both for hemp fibre materials and for surfactants made from hemp oil.
The microbial degradation of hemp fibers was investigated in detail. Previously undescribed structures of the union of elementary fibers into fiber bundles were detected. Special bacterial cultures for the degradation of pectin, anaerobic fermentation, cellulose decomposers and methane formers were isolated. The basis for the conception of a new, biotechnological process of fiber disintegration was created, which will be transferred to the BMBF project 03|1522.
The biogas production (methane) from waste materials and hemp fibers was determined on a laboratory scale with yields of 300 to 450 m3/t. A novel two-stage process of alcoholic fermentation with subsequent biogas production was developed for hemp. This made it possible to produce 80 m3 of hydrogen and 130 m3 of methane per ton of hemp dust.