Das Projekt Bio4Value erforscht innovative Wege zur energieeffizienten Aufbereitung von Biogas, insbesondere durch den Einsatz neuartiger Flachmembranen. Diese Technologie ermöglicht es, das im Biogas enthaltene Methan und Kohlenstoffdioxid (CO₂) direkt und effizient zu separieren, wodurch sie auch für kleinere Biogasanlagen praktikabel wird. Durch die Entwicklung dieser Methode eröffnen sich neue Perspektiven für die stoffliche Nutzung beider Gase. Das Forschungsvorhaben wird vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in Kooperation mit der KS Kunststoffbau GmbH und dem Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie ATB vorangetrieben.
Einfaches Handling ohne Vortrocknung des Biogases
Biogas dient als Treibstoff, Wärmelieferant oder Basis für chemische Produkte. Bisher ist die Aufbereitung zu Bio-Methan technisch aufwendig und für kleine Anlagen unwirtschaftlich, da sie aufwändige Vortrocknung und Gaswäsche erfordert. Das Projekt Bio4Value löst dieses Problem durch ein neu entwickeltes Membranverfahren. Am Fraunhofer IAP entwickelte Flachmembranen trennen Methan und CO₂ direkt aus dem feuchten Biogasstrom ab. Da eine Vortrocknung entfällt, wird der Prozess deutlich vereinfacht. Dies spart zusätzlichen Energieaufwand für Kühlen und Wiedererhitzen. Dauerversuche bestätigten zudem die Resistenz der Membranen gegenüber Schwefelwasserstoff.
Mehr als Energie: Stoffliche Nutzung von CO₂ und Methan
Die Trennung von CO₂ und Methan direkt an der Quelle ist entscheidend, um Emissionen zu vermeiden und die abgetrennten Gase effizient zu verwerten. „Das gewonnene CO₂ kann als wertvoller Rohstoff für industrielle Prozesse eingesetzt werden, z. B. für die Elektrosynthese, für die Produktion von Kraftstoffen oder zur Herstellung von Chemikalien. Darüber hinaus kann es als Kohlenstoffquelle in Gewächshäusern oder zur Herstellung von Sprudelwasser dienen“, erklärt Dr. Steffen Tröger-Müller vom Fraunhofer IAP, der das Projekt koordiniert.
Methan wird vorrangig als biobasierter Kraftstoff (Bio-CNG) für Fahrzeuge oder zur Einspeisung ins Erdgasnetz genutzt. Es kann aber auch stofflich verwertet werden, etwa als Ausgangsstoff für chemische Synthesen wie die Herstellung von Ammoniak oder Methanol.
Vom Polymer zur hochselektiven Flachmembran
Eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung geeigneter Membranmaterialien ist deren industrielle Umsetzbarkeit. Um die notwendige selektive Trennung von Methan und CO₂ zu erreichen, müssen die Materialien bestimmte Bedingungen erfüllen. Sie müssen bei vergleichsweise geringen Drücken mit unbehandeltem Rohbiogas funktionieren. Marktverfügbare Polymere erfüllen diese Anforderungen nicht. Deshalb hat das Fraunhofer IAP gezielt neue Polymere synthetisiert und daraus Flachmembranen hergestellt. Dabei profitierten die Forschenden maßgeblich von ihren langjährigen Kompetenzen in der Membran- und Verfahrensentwicklung. „Unsere neu entwickelten Flachmembranen erfüllen alle Anforderungen und zeichnen sich vor allem durch mechanische Stabilität und besonders dünne, flussoptimierte Trennschichten aus“, so Tröger-Müller.“
Von der Membran zum marktfähigen Modul
Um den Betrieb der Technologie auch unabhängig in kleinen Biogasanlagen im ländlichen Raum zu ermöglichen, entwickelt die KS Kunststoffbau GmbH derzeit kompakte, modulare Lösungen. „Unser Ziel ist es, ein marktnahes Modul zu entwickeln, das lokal einsetzbar ist und auch für Anwenderinnen und Anwender ohne spezielle technische Vorkenntnisse einfach zu handhaben ist. Die neu entwickelten Flachmembranen machen das möglich“, erklärt Markus Huth, KS Kunststoffbau GmbH.
Das ATB ist für zwei Hauptbereiche zuständig. Es kümmert sich um die Prozessintegration der neuen Technologie in bestehende Biogasanlagen und übernimmt die Bewertung hinsichtlich der stofflichen Nutzungsmöglichkeiten. „Wir untersuchen, wie sich das Membranmodul in reale Biogasprozesse integrieren lässt – hier sehen wir ein hohes Potenzial.“, so Dr. Christiane Herrmann vom ATB. Zudem untersucht das ATB techno-ökonomische Aspekte des Prozesses und führt Lebenszyklusanalysen durch. „Aufgrund der Energieeinsparungen, die die neu entwickelte Membran möglich macht, sehen wir eine große Chance, die Membrantechnologie auch dezentral an kleinen Biogasanlagen einzusetzen.“, so Herrmann.
Quelle
Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP (11/2025)