SHIFT – Sustainable Hydrogenotrophic In-situ methanation For energy inTegration

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502899

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Schweiz hat sich verpflichtet, bis 2050 klimaneutral zu werden. Um dieses Ziel im entsprechenden Zeitrahmen zu erreichen, sind große Anstrengungen erforderlich, wie z. B. die Abkehr von fossilen Brennstoffen (Kohle, Öl, Erdgas). Eine Umstellung auf grünen Wasserstoff als chemischer Energieträger ist geplant. Um eine ausgewogene Integration zwischen dem stark schwankenden erneuerbaren Stromsystem und dem Gasnetz zu begünstigen, müssen geeignete Umwandlungssysteme bereitgestellt werden. Es gibt mehrere Möglichkeiten, elektrische Energie in chemische und damit speicherbare Energiequellen umzuwandeln, und derzeit wird intensive Forschung gefördert. Ein Ansatz ist die biologische Methanisierung von CO2-Gas, die im Prinzip zu 100 % klimaneutral ist, wenn grüner Wasserstoff und erneuerbares CO2 verwendet werden, beispielsweise aus Biomasse. Die Forschungsstufen der biologischen in-situ- und ex-situ-Methanisierung befinden sich in unterschiedlichen Stadien; die ex-situ-Methanisierung hat fast die Produktionsreife erreicht, während die in-situ-Methanisierung noch in den Kinderschuhen steckt. Aufgrund der vergleichsweise einfachen Aufrüstung bestehender Fermenter sind Kostenvorteile gegenüber der ex-situ-Variante zu erwarten. In diesem Forschungsprojekt schlagen wir vor, die biologische In-situ-Methanisierung zu untersuchen, indem wir den Prozess in zwei verschiedenen Konfigurationen entwerfen und überwachen, wobei wir uns auf die wichtigsten und einflussreichsten Prozessvariablen konzentrieren. Zunächst werden grundlegende Forschungsfragen, die im Labor untersucht werden können, in kleinen kontinuierlichen anaeroben Bioreaktoren untersucht, darunter die Untersuchung des Wasserstoff-Stofftransports, der Reaktionskinetik, der Produktgasqualität, der Prozessinhibitoren und der Anpassung der Biozönose. Das Endziel ist die Definition eines Prozess-Upscaling-Designs, das in 60-Liter-Durchfluss-Anaerob-Bioreaktoren getestet und in einem speziell für die Schweizer Wirtschaft und Energiestrategie entwickelten Kosten-Nutzen-Szenario analysiert wird.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Switzerland has committed itself to becoming climate-neutral by 2050. In order to achieve this goal in the corresponding time frame, major efforts are required, such as moving away from fossil fuels (coal, oil, natural gas). A transformation to green hydrogen as a chemical energy source is planned. To favor a balanced integration between the highly fluctuating renewable electricity system and the gas grid, suitable transformation systems must be provided. There are several options for converting electrical energy into chemical and therefore storable energy sources, and intensive research is currently being promoted. One approach is the biological methanation of CO2 gas, which is in principle 100 % climate-neutral if green hydrogen and renewable CO2 is used, for example from biomass. The research levels of biological in-situ and ex-situ methanation are at different stages; ex-situ methanation has almost reached production readiness, whereas in-situ methanation is still in its early stages. Due to the comparatively simple upgrade of existing fermenters cost advantages can be expected compared to the ex-situ variant. In this research project, we propose to study the in-situ biological methanation by designing and monitoring the process in two different configurations focusing on the most important and impacting process variables. First, basic research questions that can be investigated in the laboratory are examined in small continuous anaerobic bioreactors, which include the investigation of hydrogen mass transfer, the reaction kinetics, the product gas quality, process inhibitors and the adaptation of the biocenosis. The final goal is the definition of a process upscaling design that will be tested in 60 L continuous anaerobic bioreactors and analyzed in a cost/benefit scenario specifically built for the Swiss economy and energy strategy. anaerobic bioreactors and analyzed in a cost/benefit scenario specifically built for the Swiss economy and energy strategy.

Kurzbeschreibung (Französisch)

La Suisse s'est engagée à devenir climatiquement neutre d'ici 2050. Pour atteindre cet objectif dans le délai imparti, des efforts considérables sont nécessaires, comme l'abandon des combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel). Il est prévu de passer à l'hydrogène vert en tant que source d'énergie chimique. Pour favoriser une intégration équilibrée entre le système d'électricité renouvelable très fluctuant et le réseau de gaz, il faut prévoir des systèmes de transformation appropriés. Il existe plusieurs options pour convertir l'énergie électrique en sources d'énergie chimiques et donc stockables, et des recherches intensives sont actuellement en cours. L'une des approches est la méthanisation biologique du gaz CO2, qui est en principe neutre à 100 % sur le plan climatique si l'on utilise de l'hydrogène vert et du CO2 renouvelable, par exemple à partir de la biomasse. Les recherches sur la méthanisation biologique in situ et ex situ en sont à des stades différents ; la méthanisation ex situ est presque prête pour la production, tandis que la méthanisation in situ n'en est qu'à ses débuts. En raison de la mise à niveau relativement simple des fermenteurs existants, on peut s'attendre à des avantages en termes de coûts par rapport à la variante ex-situ. Dans ce projet de recherche, nous proposons d'étudier la méthanisation biologique in situ en concevant et en contrôlant le processus dans deux configurations différentes, en se concentrant sur les variables les plus importantes et ayant le plus d'impact sur le processus. Tout d'abord, les questions de recherche fondamentale qui peuvent être étudiées en laboratoire sont examinées dans de petits bioréacteurs anaérobies continus, ce qui inclut l'étude du transfert de masse d'hydrogène, la cinétique de la réaction, la qualité du gaz produit, les inhibiteurs du processus et l'adaptation de la biocénose. L'objectif final est la définition d'un concept de mise à l'échelle du procédé qui sera testé dans des bioréacteurs anaérobies continus de 60 L et analysé dans un scénario coûts/bénéfices spécifiquement élaboré pour l'économie et la stratégie énergétique suisses.