Methan aus erneuerbaren Energien 25.05.2020, 07:03 Uhr

Optimales Design und gutes Betriebskonzept für Biogasspeicher

Man kennt kuppelförmige oder flache Speicher aus ländlichen Gebieten, bevorzugt neben landwirtschaftlichen Betrieben. Sie bewahren Methan auf, das aus Reststoffen der Landwirtschaft gewonnen wird. Ein Forscherteam des Karlsruher Instituts für Technologie untersuchte die Effizienz und Sicherheit von textilen Biogasspeichern.

Biogasspeicher in Halbkugelform

Für ihr Projekt bauten die Wissenschaftler des KIT eine Testanlage auf. Darin untersuchten sie die Auswirkungen verschiedener Umgebungsbedingungen auf textile Membranspeicher.

Foto: Rosemarie Wagner, KIT

Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) förderte das Forschungsprojekt, textile Biogasspeichersysteme über zwei Jahre lang experimentell zu untersuchen. Denn bislang fehlten fundierte Daten und Methoden, mit denen sich berechnen ließe, wie der Speicher dauerhaft dicht betrieben werden kann, wie er sich steuern lässt und ob bei der Konstruktion bestimmte Faktoren zu berücksichtigen seien. „Wissenschaftliche Arbeiten, die sich mit der Interaktion zwischen Umgebungsbedingungen, Luft- und Gasmasse sowie zwischen Massen- und Volumenströmen von Membranspeichern befassen – die gab es schlichtweg nicht“, erklärt Kai Heinlein vom Institut Entwerfen und Bautechnik (IEB) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Deshalb entschied die Forschergruppe, eine begehbare, ohne Biogas betriebene Versuchsanlage einzurichten, mit der sie die entsprechenden Daten erheben wollte. Die Anlage wurde mit einer zweilagigen, textilen und mit Innendruck stabilisierten Abdeckung überzogen. Darunter konnte die Forschergruppe mit Luftgebläse verschiedene Füllstände simulieren. Darüber hinaus statteten die Wissenschaftler die Anlage mit Drucksensoren und Kameras aus, mit denen sie das Verhalten des Speichers während der unterschiedlichen Jahreszeiten und Wetterverhältnisse beobachten konnten.

Etliche Biogasspeicher in Deutschland müssen saniert werden

Biogasspeicher lagern hauptsächlich das Energiegas Methan. „Da Biogas bei der Vergärung organischer Stoffe entsteht, ist es CO2-neutral und kann einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten“, sagt Rosemarie Wagner, Professorin am IEB. „Es lässt sich speichern und bei Bedarf verstromen, etwa um Schwankungen bei der Produktion von Wind- oder Sonnenstrom auszugleichen. In aufgearbeiteter Form kann es auch direkt in das Erdgasnetz eingespeist werden.“ Die meisten Speichersysteme in Deutschland sind allerdings veraltet und weisen Leckagen auf, über die das klimaschädliche Methan entweichen kann. Deshalb ist die Kritik von Umweltschützern an diesen Speichern durchaus begründet. „Aktuell sind die Speicher in Deutschland in einem schlechten Zustand. Wegen akuter Mängel müssen in den nächsten Jahren bis zu 80% aller textilen Hüllen ausgetauscht werden. Etwa 5% des produzierten Methans entweicht unkontrolliert in die Atmosphäre“, erläutert Wagner.

Im Rahmen des Forschungsprojektes hat sich herausgestellt, dass ein textiler Biogasspeicher sehr sensibel auf die verschiedenen Einflussfaktoren der Umwelt reagiert. Dazu zählen Wind, Wärme und Kälte. Und dabei ist die Reaktion auch noch, je nach Füllstand des Speichers, unterschiedlich. Beispielsweise kann ein Tag voller Sonnenschein im Sommer Schadstellen an den Nähten verursachen. Denn durch kontinuierliche Wärme dehnen sich die Gase im Speicher schnell aus. Auch ein starker Wind, der gegen die Abdeckung weht, kann bei niedrigem Füllstand des Speichers die Membran beschädigen. Überträgt man diese Erkenntnisse auf die Anzahl an Gasspeichern und die darin gelagerte Menge an Gas, entsteht ein erheblicher Effekt.

Halbkugel ist eine günstige Bauform für Biogasspeicher

Im Rahmen des Forschungsprojektes haben die Forscher unter anderem verschiedene Steuerungen für die Lüfter getestet. Bisher werden bevorzugt frequenzgesteuerte eingebaut, teilweise auch druckgesteuerte. Bislang kaum Beachtung fand die volumenstromgesteuerte Variante. Die Forscher nutzten sie in ihrer Testanlage, um die Gasproduktion und -entnahme im Gasraum zu simulieren. Dabei haben sie festgestellt, dass diese Art der Lüftersteuerung eine zu starke Kondenswasserbildung verhindert, weil sie den Stützluftraum ständig durchspült. Bei der Steuerung des Luftdrucks in der Außenhülle ist es von Vorteil, wenn hier flexibel auf die Außenbedingungen reagiert werden kann. Statt nach festen Rhythmen immer wieder nachzupumpen, könnte eine Druckluftsteuerung die bessere Lösung sein.

Ihr weiteres Augenmerk haben die Wissenschaftler auf die textilen Abdeckungen gerichtet. Über ein optisches Fotogrammmetrie-Systems maßen sie die maximale Dehnung und auch die Nahtfestigkeit. So entstanden Erkenntnisse über Schwächen der Nahtstellen. Darüber hinaus haben die Wissenschaftler sich mit der Halbkugelform von Biogasspeichersystemen beschäftigt. Diese Bauform eignet sich gut für die Speicher, vor allem, weil sich das Volumen im Vergleich zu der gängigen Kugelabschnittsform verdreifachen ließe.

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