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Nachhaltiges, biogenes Heizöl aus municipaler Restbiomasse, Teilvorhaben: Hefeöl-Separation

Biologische Wasserstoffproduktion aus Biomassefeststoffen, Teilvorhaben: Anwendung und Optimierung der biologischen Wasserstofferzeugung auf eine erweitertes Reststoffspektrum

Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle in Bezug auf die angestrebte Energiewende. Im Forschungsprojekt SolidScore wird mit Hilfe der innovativen Biowasserstofftechnologie das vorhandene Spektrum der bisher zur biologischen Wasserstofferzeugung genutzten wässrigen Ausgangssubstrate erweitert. Vor diesem Hintergrund wird untersucht, inwieweit sich Reststoffe, wie zum Beispiel Bioabfälle und landwirtschaftliche bzw. pflanzliche Reststoffe, mit einem Trockenrückstand (TR) größer als 10 % eignen. Das grundlegende Prinzip ist die dunkle Fermentation. Herkömmliche Verfahren wie die Hochtemperatur-Elektrolyse oder die Dampfreformierung sind sehr energieintensiv und verwenden zumeist fossile Brennstoffe. Die biologische Wasserstofferzeugung mit Rest- und Abfallstoffen ist klimafreundlich und CO2-neutral. Im Vergleich zu den anderen biologischen Verfahren zur Wasserstofferzeugung ist die dunkle Fermentation technologisch am weitesten fortgeschritten. Es ist ein anaerobes Verfahren, bei dem organische Substrate unter Abwesenheit von Licht zu Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie flüchtigen organischen Säuren (FOS) abgebaut werden. Versuche zeigten, dass vor allem Abwasser aus der Nahrungsmittelindustrie für die Biowasserstofferzeugung geeignet sind. Gleichzeitig konnten aber auch Limitierungen der einsetzbaren Substrate aufgezeigt werden. Das Projekt SolidScore hat das Ziel, das Reststoffspektrum der verwendbaren Substrate und somit die Einsetzbarkeit des Verfahrens deutlich zu erweitern. Darüber hinaus führt die Implementierung der dunklen Fermentation in Bioenergieanlagen zu einer Steigerung der Gesamteffizienz. Am Beispiel der Vergärung von Kohlenhydraten kann durch das im Antrag beschriebene 2-stufige Verfahren eine Gesamteffizienzsteigerung erzielt werden. Zusätzlich werden im Rahmen des Projektes Konzepte zur weiteren Verwendung des so erzeugten Wasserstoffs erstellt. Dies beinhaltet zum Beispiel auch die innerbetriebliche Nutzung des Wasserstoffs.

Steigerung der Prozessstabilität und Kinetik bei der anaeroben Vergärung von Bioabfall durch gezielte Stimulation des direkten Interspezies-Elektronentransfers zwischen syntrophen Mikroorgansimen

Die mikrobielle Umsetzung von organischem Material zu dem erneuerbaren Energieträger Methan ist eine bewährte und verbreitete Strategie der effektiven Abfallwirtschaft. In einem solchen methanproduzierenden Milieu nutzen elektrisch verbundene Bakterien und Archaeen direkten Interspezies-Elektronentransfer (DIET), als Alternative zum Interspezies-Formiat- und Wasserstofftransfer (IHT). Grundlegende Aspekte der mikrobiellen Ökologie in Bezug auf DIET sind dabei jedoch noch unerforscht, insbesondere der Stellenwert für die Biogasproduktion. Bis jetzt haben sich Studien zum Großteil auf DIET in Ko-Kulturen von wenigen Modellorganismen beschränkt, die für die Abwasserbehandlung in UASB-Reaktoren (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) eine Rolle spielen. Wir beabsichtigen weithin anwendbare Erkenntnisse über die Zusammenhänge der syntrophen mikrobiellen Gemeinschaft und dessen Funktion in mesophilen und thermophilen Biogasreaktoren mit Hilfe moderner molekularbiologischer und mikrobiologischer Methoden zu generieren, um letztendlich eine höhere Prozessstabilität und Effizienz zu ermöglichen. Zentrale Ziele sind die Identifizierung neuer Organismen die an DIET beteiligt sind und das Verständnis der zugrundeliegenden genetischen Mechanismen. Der Schwerpunkt wird auf Bioabfall vergärende Anlagen liegen, die sich wesentlich von mesophilen UASB Reaktoren durch Konstruktion, Betriebsweise, Temperatur und Substratzusammensetzung unterscheiden. Wir vermuten, dass DIET ein weit verbreiteter Alternativprozess zum IHT bei der anaeroben Vergärung von Biomasse ist, wobei beide Prozesse wahrscheinlich parallel ablaufen. In dem vorgeschlagenen Projekt wird DIET erstmals in thermophilen aber auch in mesophilen Systemen Gegenstand der Forschung sein. Ein weiteres Ziel ist die Identifizierung neuer Substrate, die von den syntrophen Konsortien während DIET umgesetzt werden können. Hier wird der Fokus auf syntrophe Propionat- und Butyratoxidierer liegen, die für den anaeroben Abbau von organischem Material eine Schlüsselrolle spielen. Mittels Metagenomik wird das Stoffwechselpotential rekonstruiert und Genexpressionsmuster im Zusammenhang mit IHT und DIET werden mittels Transkriptomik untersucht. DIET ist möglicherweise vorteilhaft für die Stabilität des Vergärungsprozesses, da die Produktion von Wasserstoff umgangen wird, welcher schon in geringer Konzentration die Oxidation von kurzkettigen Fettsäuren inhibieren kann. Deshalb planen wir physiologische Vorteile von DIET gegenüber IHT in Anreicherungskulturen zu untersuchen. Die zu erwartenden Ergebnisse sind essentiell um das Potential der Biogasproduktion im vollen Umfang auszuschöpfen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse auch für andere Forschungsgebiete relevant sein, wo elektrisch verbundene Mikroorganismen eine Rolle spielen, beispielsweise bei der Minimierung von Treibhausgasemission in methanogenen Habitaten oder bei der Nutzung in mikrobiellen Brennstoffzellen.

Analyse der Effizienz von Maßnahmen zur Reduktion von THG-Emissionen (THG-Effizienz)

Zielsetzung: 1. Formulierung eines Modells zur Ableitung von landwirtschaftlichen THG-Emissionen aus den Produktionsverfahren. Adaptierung der Massenflussmodellierung aus Farmlife und SALCA, Modellüberprüfung und Validierung der resultierenden direkten und indirekten THG-Emissionen. Der Fokus liegt auf den Treibhausgasen Methan (CH4) und Lachgas (N2O). Denn für diese beiden Treibhausgase nimmt der Sektor Landwirtschaft einen sehr hohen Anteil an den nationalen Emissionen ein, während dies bei den sektoralen CO2 Emissionen nicht der Fall ist. 2. Aufbereitung der Daten, Analyse und Bewertung der unterschiedlichen Produktionsverfahren hinsichtlich ihrer THG-Effizienz (sowohl Ökonomie als auch Wirkung). Bspw. können THG-Bilanzen als statistische Grafiken oder als digitale Karten für einzelne Produktionsverfahren aufbereitet werden. Die Verwendung von digitalen Karten kann insofern sinnvoll sein, als damit regionale Schwerpunkte in der Maßnahmenplanung gesetzt werden können. 3. Prüfung von unterschiedlichen Lösungsansätzen zur THG-Einsparung und der Machbarkeit zur Umsetzungsmaßnahmen. Varianten können bspw. eine Effizienzsteigerung in der Bewirtschaftung auf den landwirtschaftlichen Betrieben hinsichtlich der THG-Emissionen, bspw. in den Bereichen Düngereinsatz/Düngermanagement, oder technische Ansätze wie die Verwertung von Methan durch Fermentation in Biogasanlagen sein. 4. Integration der potenziellen Maßnahmen in das erarbeitete Modell und Abschätzung von Umsetzungskosten zur Ableitung von wirtschaftlichen THG-Reduktionspotenzialen. Je nach Produktionsverfahren wird der Zeithorizont für die Wirkungsanalyse und die ökonomische Analyse unterschiedlich zu wählen sein. Mit Bezugnahme auf bestehende Publikationen scheint es angebracht, Maßnahmen mit einem Zeithorizont zwischen fünf und 15 Jahren zu betrachten. Mit den Ergebnissen soll die Diskussionsgrundlage zu den potenziellen Lösungsansätzen für Wissenschaft, Politik und Beratung erweitert werden. Bedeutung des Projekts für die Praxis: Es bestehen zunehmend Bestrebungen in der österreichischen Landwirtschaft, klimawirksame Maßnahmen auszuarbeiten und Handlungen zu setzen. Eine Bewertung und Auswahl von potenziellen Aktivitäten benötigt eine ausgearbeitete Daten- und Entscheidungsgrundlage, um die Wirksamkeit und Effizienz von Maßnahmen einordnen zu können. Als ein wesentlicher Baustein sind die wirtschaftliche und technische Machbarkeit und die verbundenen Kosten und Leistungen abzuschätzen.

Minimierung von Methanemissionen bei der Lagerung von Wirtschaftsdüngern

Unbehandelt gelagerte Gülle verursacht hohe Methanemissionen, höher als beispielsweise Gärreste aus der anaeroben Güllevergärung . Obwohl verstärkt Anreize geschaffen wurden, Wirtschaftsdünger einer anaeroben Vergärung zuzuführen und über diesen Weg die Emissionen zu senken, ist die Vergärung von Gülle nicht für alle Standorte ökonomisch realisierbar. Die fehlende Wirtschaftlichkeit der vorhandenen Förderungen zeigt sich in dem sehr verhaltenen Zubau in der Klasse der kleinen Anlagen ('75 kW'). Daher sind kostengünstige alternative Lösungen zu entwickeln. Das im Vorhaben zu untersuchende Konzept beinhaltet eine Fassung der entstehenden Emissionen und eine Oxidation des enthaltenen Methans. Die geringen und saisonal stark schwankenden Volumenströme mit teilweise niedrigen Methankonzentrationen stehen einer wirtschaftlichen energetischen Nutzung entgegen. Aus anderen Branchen sind verschiedene Technologien bekannt, die für die Behandlung von schwach methanhaltigen Gasen geeignet sind. Eine Übertragung dieser Technologien auf die Nachbehandlung von Abgasen aus der Güllelagerung erfordert jedoch detaillierte Daten bezüglich Menge und Qualität der Abgase und vor allem zum zeitlichen Verlauf dieser Größen. Das hier beschriebene Vorhaben hat zum Ziel, Emissionen aus Güllelagern unter Praxisbedingungen über mindestens einen kompletten Jahreszyklus zu ermitteln und mögliche Technologien für die Nachbehandlung der Abgase hinsichtlich der Kosten, der energetischen Effizienz, der Leistungsfähigkeit, der Emissionsminderung und den vorhandenen Betriebserfahrungen zu bewerten. Aufbauend darauf soll die Funktionalität geeigneter Technologien praktisch (biologischer Methanoxidationsfilter) und in Form einer Simulation (RTO) demonstriert werden.

H2Giga: Serienproduktion von Elektrolyseuren im Gigawatt-Bereich, Teilvorhaben: Entwicklung eines effizienten Produktionskonzeptes anhand experimenteller Produkt- und Produktstrukturanalysen

Optimierung der Milchsäureerzeugung aus Reststoffen der Lebensmittelindustrie zur Herstellung hochwertiger flüssiger Tierfuttermittel sowie von biobasierten industriellen Kunststoffen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Das Projekt OptiMi zielt darauf ab, hochwertige Reststoffe der Lebensmittelindustrie zu nutzen, um daraus über einen Fermentationsprozess Milchsäure zu erzeugen. Milchsäure kann als Ausgangsprodukt in verschiedensten Prozessen eingesetzt werden. Dazu zählen unter anderem die Verwendung als Monomer für die Herstellung des biologisch abbaubaren Kunststoffes PLA oder die Verwendung in der Pharmazie. Im Gegensatz zur energetischen Nutzung der Reststoffe in einer Biogasanlage, stellt die Fermentation zur Milchsäuregewinnung einen Prozess mit deutlich höherem Wertschöpfungsniveau dar. Ein weiterer Vorteil der Nutzung von Reststoffen ist, dass diese nicht extra für die Fermentation angebaut werden, wie es beispielsweise bei der Verwendung von Zuckerrohr für die Milchsäureproduktion in Asien der Fall ist. Damit kann das Ökosystem in den Anbauregionen entlastet werden und die ressourcenschonende und nachhaltige wirtschaftsweise der deutschen Bioökonomie gestärkt werden.

Anlage zur Verwertung regionaler organischer Reststoffe (Co-Fermentation)

Die seit 10 Jahren erfolgreich betriebene Biogasanlage von Herrn Weitz soll konzeptiert und erweitert werden. Neben der Gewinnung von Biogas aus Schweineguelle ist eine Verwertung organischer regionaler Abfaelle geplant. Das Ziel ist die Untersuchung eines optimierten Verfahrensablaufes und die Zusammensetzung der Zuschlagstoffe, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermoeglichen.

Biologische Wasserstoffproduktion aus Biomassefeststoffen

Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle in Bezug auf die angestrebte Energiewende. Im Forschungsprojekt SolidScore wird mit Hilfe der innovativen Biowasserstofftechnologie das vorhandene Spektrum der bisher zur biologischen Wasserstofferzeugung genutzten wässrigen Ausgangssubstrate erweitert. Vor diesem Hintergrund wird untersucht, inwieweit sich Reststoffe, wie zum Beispiel Bioabfälle und landwirtschaftliche bzw. pflanzliche Reststoffe, mit einem Trockenrückstand (TR) größer als 10 % eignen. Das grundlegende Prinzip ist die dunkle Fermentation. Herkömmliche Verfahren wie die Hochtemperatur-Elektrolyse oder die Dampfreformierung sind sehr energieintensiv und verwenden zumeist fossile Brennstoffe. Die biologische Wasserstofferzeugung mit Rest- und Abfallstoffen ist klimafreundlich und CO2-neutral. Im Vergleich zu den anderen biologischen Verfahren zur Wasserstofferzeugung ist die dunkle Fermentation technologisch am weitesten fortgeschritten. Es ist ein anaerobes Verfahren, bei dem organische Substrate unter Abwesenheit von Licht zu Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie flüchtigen organischen Säuren (FOS) abgebaut werden. Versuche zeigten, dass vor allem Abwasser aus der Nahrungsmittelindustrie für die Biowasserstofferzeugung geeignet sind. Gleichzeitig konnten aber auch Limitierungen der einsetzbaren Substrate aufgezeigt werden. Das Projekt SolidScore hat das Ziel, das Reststoffspektrum der verwendbaren Substrate und somit die Einsetzbarkeit des Verfahrens deutlich zu erweitern. Darüber hinaus führt die Implementierung der dunklen Fermentation in Bioenergieanlagen zu einer Steigerung der Gesamteffizienz. Am Beispiel der Vergärung von Kohlenhydraten kann durch das im Antrag beschriebene 2-stufige Verfahren eine Gesamteffizienzsteigerung erzielt werden. Zusätzlich werden im Rahmen des Projektes Konzepte zur weiteren Verwendung des so erzeugten Wasserstoffs erstellt. Dies beinhaltet zum Beispiel auch die innerbetriebliche Nutzung des Wasserstoffs.

Biologische Wasserstoffproduktion aus Biomassefeststoffen, Teilvorhaben: Integration des Verfahrens in bestehende Anlagen und Konzepte

Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle in Bezug auf die angestrebte Energiewende. Im Forschungsprojekt SolidScore wird mit Hilfe der innovativen Biowasserstofftechnologie das vorhandene Spektrum der bisher zur biologischen Wasserstofferzeugung genutzten wässrigen Ausgangssubstrate erweitert. Vor diesem Hintergrund wird untersucht, inwieweit sich Reststoffe, wie zum Beispiel Bioabfälle und landwirtschaftliche bzw. pflanzliche Reststoffe, mit einem Trockenrückstand (TR) größer als 10 % eignen. Das grundlegende Prinzip ist die dunkle Fermentation. Herkömmliche Verfahren wie die Hochtemperatur-Elektrolyse oder die Dampfreformierung sind sehr energieintensiv und verwenden zumeist fossile Brennstoffe. Die biologische Wasserstofferzeugung mit Rest- und Abfallstoffen ist klimafreundlich und CO2-neutral. Im Vergleich zu den anderen biologischen Verfahren zur Wasserstofferzeugung ist die dunkle Fermentation technologisch am weitesten fortgeschritten. Es ist ein anaerobes Verfahren, bei dem organische Substrate unter Abwesenheit von Licht zu Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie flüchtigen organischen Säuren (FOS) abgebaut werden. Versuche zeigten, dass vor allem Abwasser aus der Nahrungsmittelindustrie für die Biowasserstofferzeugung geeignet sind. Gleichzeitig konnten aber auch Limitierungen der einsetzbaren Substrate aufgezeigt werden. Das Projekt SolidScore hat das Ziel, das Reststoffspektrum der verwendbaren Substrate und somit die Einsetzbarkeit des Verfahrens deutlich zu erweitern. Darüber hinaus führt die Implementierung der dunklen Fermentation in Bioenergieanlagen zu einer Steigerung der Gesamteffizienz. Am Beispiel der Vergärung von Kohlenhydraten kann durch das im Antrag beschriebene 2-stufige Verfahren eine Gesamteffizienzsteigerung erzielt werden. Zusätzlich werden im Rahmen des Projektes Konzepte zur weiteren Verwendung des so erzeugten Wasserstoffs erstellt. Dies beinhaltet zum Beispiel auch die innerbetriebliche Nutzung des Wasserstoffs.

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