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Erneuerbare Gase wie Biomethan spielen bei der Transformation des europäischen Energiesystems hin zur Klimaneutralität eine wichtige Rolle. Insbesondere für schwer elektrifizierbare Sektoren wie Schwerlastverkehr, Industrie mit Hochtemperaturprozessen bietet Biomethan eine sofort nutzbare, gut speicher- und transportierbare Alternative zu fossilem Erdgas. Auch im zukünftigen Energiesystem 2030/2050, welches voraussichtlich stark auf fluktuierende Stromquellen setzt, wird flexibel einsetzbares, erneuerbares Methan zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit und der Netzstabilisierung benötigt.
Heutzutage stammt die Produktion von Biomethan zum grössten Teil aus der Aufbereitung von Biogas, wobei hauptsächlich anaerobe Vergärungsanlagen (anaerobic digester, AD) eingesetzt werden. Dieses Verfahren ist etabliert, stösst aber zunehmend an technische und wirtschaftliche Grenzen: Zum einen ist die Verfügbarkeit geeigneter Substrate begrenzt und lignozellulosehaltige (holzartige) Abfälle können nur schlecht als Feedstock genutzt werden. Zum anderen schränkt die begrenzte Regelbarkeit von biologischen Prozessen die Flexibilität einer auf Biogas basierenden Power-to-Gas-Anlage ein.
Um diese Herausforderungen zu ĂĽberwinden, braucht es systemisch integrierte, thermochemische Alternativen, die eine höhere Substratflexibilität, kĂĽrzere Reaktionszeiten und netzdienliche Betriebsweisen unterstĂĽtzen. Letzteres beinhaltet auch die flexible Abnahme und Verwertung von Elektrizität zur Wasserstoffgewinnung bei NetzĂĽberkapazitäten. An diesen Punkten setzt das Projekt ÂHYFUELUP an.
Das von der Europäischen Union und dem Schweizer Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation geförderte Projekt HYFUELUP demonstriert einen integrierten, thermochemischen Prozess zur Herstellung von erneuerbarem Methan aus getrockneten Gärresten und lignozellulosehaltigen Abfallströmen aus Land- und Forstwirtschaft. Ziel ist es, eine skalierbare, wirtschaftlich tragfähige Alternative zur klassischen Biogaserzeugung mit hoher technologischer Reife (TRL 7 für die Gesamtanlage) zu etablieren (Fig. 1).
Im Herzen steht die Demonstrationsanlage im portugiesischen Tondela (siehe Titelfoto), wo auf Basis eines bestehenden 5-MW-ÂWirbelschicht-Vergasers eine vollständige Prozesskette aufgebaut wird: Biomassevergasung, Gasreinigung, katalytische Methanisierung und Biomethan-VerflĂĽssigung (Fig. 2). Die vorhandene Anlageinfrastruktur wird zu diesem Zweck technisch ĂĽberarbeitet und zu einem Gesamtsystem erweitert, das unter realen Bedingungen betrieben werden soll.
Das Konsortium vereint elf Partner aus Forschung und Industrie. Die portugiesischen Partner (CIRCLE MOLECULE, BIOREF und Dourogás) übernehmen zentrale Rollen in Koordination, Engineering und Betrieb. Die Schweizer Partner PSI und AlphaSYNT stellen das Know-how zur Methanisierungstechnologie bereit. Das beim PSI entwickelte Reaktorkonzept (Methanisierung mittels blasenbildender Wirbelschicht) wird durch AlphaSYNT erstmals als industrielles Serienmodul umgesetzt und erreicht in HYFUELUP TRL 7.
HYFUELUP setzt Artikel 25 «Einbeziehung erneuerbarer Energie im Verkehrssektor» und Anhang IX der EU-Richtlinie RED II1 um, die den Ausbau fortschrittlicher Biokraftstoffe aus Abfallstoffen fordern sowie die Einführung alternativer Kraftstoffe im Verkehrssektor, um die für 2030 und 2050 gesetzten Umwelt-, Energie- und Klimaziele der EU zu erreichen.
1 Richtlinie (EU) 2018/2001 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 11. Dezember 2018 zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen
HYFUELUP nutzt gezielt biogene Reststoffe, die bisher nur begrenzt energetisch verwertet werden. In der EU wurden 2017 rund 4,1 Millionen Tonnen Klärschlamm-Gärrest produziert und 56,3 Millionen Tonnen lignozellulosehaltige Abfälle registriert, von denen 17% weder stofflich noch energetisch genutzt wurden [1]
Im Vergleich zur anaeroben Vergärung bietet die thermochemische Route mehrere Vorteile: deutlich kürzere Verweilzeiten (1–2 Stunden vs. mehrere Tage), höherer Durchsatz und keine Anforderungen an Homogenität oder Feuchte des Ausgangsmaterials. Zudem lassen sich so auch schwer abbaubare Substrate wie Stroh, Grünschnitt oder Trester verwerten. Der Wirkungsgrad liegt je nach Auslegung bei rund 62–71% (higher heating value, HHV) [2].
Ein zentraler Bestandteil der Prozesskette ist die Vergasung, die optional sorptionsgestützt gefahren werden kann (SEG, Sorption Enhanced Gasification). Bei der SEG wird die Biomasse in Synthesegas umgewandelt und gleichzeitig das gebildete CO2 in situ abgeschieden. Der 5-MW-Gasifier arbeitet bei 600–750 °C im Vergasungsmodus und bei 850–920 °C im Regenerationsmodus. Kalkstein (CaO) wird als CO2-Sorbens genutzt und erhöht die H2-Konzentration im Produktgas auf bis zu 45 Vol.-%. Je nach Betrieb kann der thermochemische Vergasungsprozess in den SEG-Modus umgeschaltet werden, um die Erzeugung von H2-reichem Syngas und die Methanisierung zu demonstrieren.
Vergleichbare Pilotprojekte wie FLEDGED2, GoBiGas3 [3] oder Bio-SNG4 belegen das Potenzial dieser Technologie. Das Projekt HYFUELUP will nun mit realen Abfallstoffen unter Praxisbedingungen einen nächsten Reifegrad erreichen und hin zur industriellen und wirtschaftlichen Nutzung gelangen.
2 Horizon-2020-Projekt FLEDGED: FLExible Dimethyl ether production from biomass Gasification with sorption-enhancED processes
3 Gothenburg Biogas Gasification project (Demonstrationsanlage der Göteborg Energi AB)
4 EU-FP6-Projekt Bio-SNG: Demonstration of the production and utilization of Synthetic Natural Gas (SNG) from solid biofuels
Die eingesetzten Feedstocks – Gärreste und lignozellulosehaltige Reststoffe – werden im Projekt hinsichtlich ihrer Korngrössenverteilung, ihres Heizwerts (z. B. 14–18 MJ/kg) sowie ihres Chlor-, Stickstoff- und Schwefelgehalts analysiert. So können die Prozessbedingungen und Mischverhältnisse der eingesetzten Reststoffe optimiert werden.
Zur Gasreinigung werden in HYFUELUP bewährte Methoden kombiniert: Teer-ÂReformierung mit Nickelkatalysatoren und Schwefelabscheidung durch Hochtemperatursorbentien (ZnO oder CaO). Ziel ist ein teerfreies Gas mit einem Gehalt an Schwefelkomponenten < 1 ppm, sodass eine langfristige Standzeit des Katalysators in der nachfolgenden katalytischen Methanisierung (siehe Fig. 2) sichergestellt werden kann.
Das Projekt HYFUELUP demonstriert die systematische, effiziente Nutzung biogener Reststoffe in einer netzdienlichen und grundlastfähigen Energieversorgung.
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Das Schweizer Paul Scherrer Institut (PSI) ist Teil des HYFUELUP-Konsortiums. Das Ziel der Arbeiten ist es, die WissensÂbasis zu verbreitern und die AnpassungsÂfähigkeit des Methanisierungsprozesses zu zeigen. HierfĂĽr wurde in einer Pilotanlage am PSI (GanyMeth, Auslegungsleistung 200 kW; Fig. 3) die Umwandlung verschiedener Gasströme in Biomethan durch katalytische Wirbelschichtmethanisierung demonstriert. In einer ersten Untersuchungskampagne wurde die MeÂthanisierungsanlage mit CO2 aus Flaschen und Wasserstoff aus einem PEM-Elektrolyseur betrieben. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Variation des Durchsatzes und der Flexibilität beim Anfahren und bei Lastwechseln. Eine Teillastfähigkeit zwischen 20% und 100% wurde problemlos erreicht. Durch die Entnahme von Gasproben in verschiedenen Höhen des Reaktors sowie durch zahlreiche Thermoelemente im Inneren des Reaktors konnten axiale Temperatur- und Konzentrationsprofile erstellt werden. Diese Daten erlauben ein detailliertes Verständnis des Reaktorverhaltens und die Validierung von Computersimulationen in den nachfolgenden Arbeiten.
In einer zweiten Kampagne wurde die PilotÂanlage GanyMeth betrieben, um Leistungsdaten des MethanisierungsÂreaktors mit typischem Vergasungsgas und Biogas zu erhalten. Es wurde Produktgas aus zwei Vergasertypen betrachtet. Als RefeÂrenzfall wurde das Produktgas eines alloÂthermen (mit äusserer Wärmezufuhr) Doppelwirbelschichtvergasers gewählt, wie er ĂĽber einige Jahre in GĂĽssing/Ă–sterreich erfolgreich betrieben wurde. Dieses ist mit einem H2-Anteil von knapp 40 Vol.-% relativ wasserstoffreich, enthält aber neben Kohlenmonoxid (CO) und Methan (CH4) auch eine signifikante Menge an ungesättigten Kohlenwasserstoffen (vor allem > 3 Vol.-% Ethylen), die jedoch ohne Katalysatorverkokung (Katalysatordesaktivierung durch Ablagerungen von festem Kohlenstoff) in Methan umgesetzt werden konnten.
Ausserdem wurde eine Gasmischung Âgetestet, wie sie auf der HYFUELUP-ÂAnlage in Portugal beim dort installierten autothermen (unabhängig von äusserer Wärmezufuhr) Vergaser mit zirkulierender Wirbelschicht und nachgeschaltetem Teercracker zu erwarten ist. Damit konnten schon vorab optimale Betriebsbedingungen (Druck, Temperatur, Gasgeschwindigkeiten, Dampfzugabe) identifiziert werden (Fig. 4).
Beide Vergaser-Gasgemische wurden darüber hinaus bei teilweiser oder vollständiger Umsetzung des CO2 mit zusätzlichem Wasserstoff (Power-to-Gas) untersucht. Auch hier wurden detaillierte axiale Temperatur- und Konzentrationsprofile erstellt. Es wurde eine breite Palette von Betriebsbedingungen für die verschiedenen Speise-Gasgemische getestet. Dabei wurde eine Methanleistung von mehr als 330 kW erreicht, was einer Anlagenkapazität entspricht, die etwa 50% über der Auslegung liegt. Dies bestätigt, dass die gewählte Technologie für die Pilotanlage im Rahmen des HYFUELUP-Projekts am Standort Tondela gut geeignet ist.
Aus Schweizer Sicht ist das Herzstück der HYFUELUP-Prozesskette die katalytische Methanisierung des Produktgases. Die Methanisierung erfolgt in einem Reaktor mit einer fluidisierten Wirbelschicht, der im Vergleich zu konventionellen Festbett-Systemen entscheidende Vorteile bietet: eine nahezu isotherme Temperaturverteilung, eine sehr gute Wärmeübertragung sowie eine hohe Toleranz gegenüber variablen CO- und CO2-Gehalten im Feedgas. Die Reaktortechnologie zeigt ein entscheidendes Alleinstellungsmerkmal bei der Umwandlung von Olefinen und aromatischen Verbindungen in Methan. Damit ist der Wirbelschicht-Reaktor besonders robust gegenüber wechselnden Gasqualitäten, was einen klaren Vorteil in Prozessketten zur Verarbeitung von Reststoffen darstellt.
Die von AlphaSYNT im HYFUELUP-ÂProjekt gelieferte Demo-MethanisierungsÂanlage (Fig. 5) erreicht eine Leistung von 0,5 MW bzw. 50 Nm3/h BioMethan, wenn Synthesegas aus dem reinen Vergasungsprozess als Feedgas verwendet wird. In einem erweiterten Power-to-Gas-Betriebsmodus kann durch Zugabe von grĂĽnem Wasserstoff die Syngas-Stoichiometrie angepasst werden und die Produktionsleistung auf 1 MW bzw. 100 Nm3/h verdoppelt werden. Die Reaktorgeometrie bleibt dabei unverändert, lediglich die Betriebsweise variiert. Das erlaubt eine hohe Flexibilität in der Reaktion auf die H2-VerfĂĽgbarkeit und ermöglicht eine dynamische Anpassung an die Strompreise im Netz.
Die kompakte, modulare Bauweise der Einheit erleichtert den Transport und die Integration vor Ort. Dank modularer Auslegung können im HYFUELUP-ÂFramework Anlagen bis zu einer Produktionsleistung von 20 MW skaliert werden, ohne grundlegende Anpassung. Dies ermöglicht Kostensenkungen fĂĽr kĂĽnftige Anwendungen im industriellen Massstab.
Die Einheit wurde auf Basis des am PSI entwickelten Reaktorkonzepts für die industrielle Anwendung weiterentwickelt. HYFUELUP erlaubt nun erstmals den Einsatz unter realen Betriebsbedingungen. Damit erreicht die Technologie den Reifegrad TRL 7–8, was ein entscheidender Meilenstein für die Markteinführung ist.
AlphaSYNT ist ein junges Schweizer CleanÂtech-Unternehmen aus dem Kanton Aargau, das im Bereich Methanisierung und Methanol-Synthese aktiv ist. Durch die Entwicklungen im HYFUELUP-ÂProjekt positioniert sich AlphaSYNT als Anbieter modularer Einheiten im Power-to-X-Bereich. Das technologische Know-how zu diesen Anlagen stammt aus zwei Forschungsinstitutionen: der OST – Ostschweizer Fachhochschule und dem PSI.
HYFUELUP soll demonstrieren, wie sich durch die Nutzung biogener Abfallstoffe und den kontinuierlichen Betrieb einer thermochemischen Anlage die wirtschaftliche Herstellung von erneuerbarem Methan unter realen Bedingungen umsetzen lässt, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen strombasierten Power-to-Gas-(PtG-)Anlagen.
Ein entscheidender Vorteil liegt in der hohen Jahresbetriebsdauer von Biomassevergasungssystemen. Diese liegt ĂĽblicherweise bei ĂĽber 8000 Betriebsstunden pro Jahr. Dadurch können InvestitionsÂkosten (CAPEX) ĂĽber deutlich mehr Betriebsstunden abgeschrieben werden, was wiederum zu tieferen Gasgestehungskosten fĂĽhrt. Im Vergleich dazu erreichen PtG-Anlagen mit ElektrolyÂseuren typischerweise nur 3000–6000 Volllaststunden pro Jahr, bedingt durch die schwankende VerfĂĽgbarkeit von gĂĽnstigem erneuerbarem Strom [4]. Gleichzeitig sind die Brennstoffkosten (Energiekosten) im HYFUELUP-System niedrig, da niedrigwertige Biomasse oder sogar negativ bepreiste Abfallstoffe wie Gärreste, GrĂĽnschnitt oder agroindustrielle Reststoffe verwendet werden können.
Die Integration in bestehende Gasinfrastrukturen ermöglicht zusätzlich Âgeringe Transportkosten und sofortige MarktÂanwendungen. Dies ist ein klarer Vorteil gegenĂĽber der direkten Nutzung von Wasserstoff, der auf neue Transport- und Speicherlösungen angewiesen ist.
HYFUELUP kombiniert die netzstabilisierenden Vorteile klassischer PtG-Anlagen mit der grundlastfähigen Gasproduktion aus thermochemischer Biomassevergasung. Dadurch entsteht eine heute wirtschaftliche Lösung, die sowohl fluktuierende Stromüberschüsse effizient nutzt als auch den kontinuierlichen Gasbedarf in der Industrie zuverlässig decken kann.
Das HYFUELUP-Konzept geht zentrale Herausforderungen der Energiewende an: Es ermöglicht die Dekarbonisierung schwer elektrifizierbarer Sektoren und stärkt regionale Wertschöpfungsketten dank der Erzeugung von erneuerbarem Methan aus Abfallstoffen. Durch die Nutzung biogener Reststoffe oder agroindustrieller Nebenstoffströme wird nicht nur fossiles Erdgas ersetzt, sondern auch die Verwertungskette der verfügbaren Biomasse geschlossen. Die Nettoeinsparung an Treibhausgasemissionen beträgt dabei über 90% im Vergleich zu fossilem Erdgas, bezogen auf den gesamten Lebenszyklus [5, 6].
Der erzeugte Energieträger Biomethan bzw. Bio-LNG eignet sich ideal für den Einsatz in LNG-betriebenen Fahrzeugen oder als Brennstoff in der energieintensiven Industrie. In beiden Anwendungsfeldern fehlen bislang drop-in-fähige, erneuerbare Alternativen mit vergleichbarer Energiedichte, Transportfähigkeit und Infrastrukturkompatibilität. HYFUELUP schliesst hier eine kritische Lücke. Besonders für ländliche Regionen mit hohem Reststoffaufkommen eröffnet das Konzept neue Möglichkeiten. Statt Reststoffe teuer zu entsorgen oder emissionsintensiv zu kompostieren, werden sie vor Ort in erneuerbares Gas umgewandelt mit direkter Nutzung oder Einspeisung ins Netz.
Das Besondere an HYFUELUP ist der Âhybride Ansatz: Die Grundlastproduktion der Biomassevergasung wird gezielt durch die Zugabe von grĂĽnem Wasserstoff aus Elektrolyse ergänzt. Diese netz- und marktoptimierte Wasserstoffeinbringung ermöglicht eine erhöhte Methanausbeute und bindet gleichzeitig ĂĽberschĂĽssige erneuerbare Energie in der Gasinfrastruktur. Auf diese Weise verbindet das HYFUELUP-Konzept grundlastfähige Gasproduktion mit dynamischer Sektorkopplung und schafft damit einen wirtschaftlichen und systemdienlichen Mehrwert.
Nach dem erfolgreichen Demonstrationsbetrieb in Tondela sind die nächsten Schritte bereits skizziert: Skalierung auf industrielle Anwendungen (Brennstoff Input > 10 MWth, Standortidentifizierung in anderen europäischen Regionen sowie Integration in bestehende Gaskonzepte. ÂHYFUELUP steht damit beispielhaft fĂĽr eine zukunftsfähige, europäische Lösung zur Dekarbonisierung: technologisch robust, nachhaltig, und wirtschaftlich tragfähig.
[1] European Compost Network (2021): Plastics, Microplastics in Compost and Digestate. Positionspapier, Europäische Kommission, Eurostat.
[2] Haro, P. et al. (2016): Improved syngas processing for enhanced Bio-SNG production: A techno-economic assessment. Energy 101: 380–389].
[3] Larsson, A. et al. (2019): The GoBiGas project – Demonstration of the production of biomethane from biomass via gasification. Synthetic natural gas from coal, dry biomass, and Power-to-Gas Applications. Göteborg Energi und Energimyndigheten
[4] Gorre, J. et al. (2019): Production costs for synthetic methane in 2030 and 2050 of an optimized Power-to-Gas plant with intermediate hydrogen storage. Applied Energy 253: 113594.
[5] Alamia, A. et al. (2016): Well-to-wheel analysis of bio-methane via gasification, in heavy duty engines within the transport sector of the European Union. Appl. Energy 170: 445–454
[6] Steubing, B. et al. (2011): Life cycle assessment of SNG from wood for heating, electricity, and transportation. Biomass and Bioenergy 35(7): 2950-2960
Das Projekt HYFUELUP (Hybrid Biomethane Production from Integrated Biomass Conversion) startete im November 2022 und hat eine Laufzeit von 4 Jahren. Finanziert wird es durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon Europe Research der Europäischen Union (Finanzhilfevereinbarung Nr. 101084148). Ziel des Projekts ist es, eine fortschrittliche Technologie für die Biomethanproduktion durch Vergasung und Methanisierung zu entwickeln. Die Projektpartner (Fig. 6) stammen aus aus Portugal (BIOREF, LNEG, Instituto Politécnico de Portalegre, Dourogás Renovável, Circle Molecule), Spanien (BIOPLAT), Deutschland (Universität Stuttgart), Griechenland (CRES), der Schweiz (PSI, AlphaSYNT GmbH) und dem Vereinigten Königreich (Johnson Matthey PLC).
Projektinfo auf https://hyfuelup.eu/
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