16.08.2011 30.09.2017
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BioProFi - Bioenergie - Prozessorientierte Forschung und Innovation

Der Bioenergie kommt unter den erneuerbaren Energien ein besonderer Stellenwert zu. Sie ist ohne größere naturbedingte Schwankungen verfügbar und kann für den Ausgleich fluktuierender regenerativer Energie-Quellen, wie Sonne und Wind, herangezogen werden. Bioenergieforschung reicht von Biomasseentstehung, über Konversionsverfahren, die Produktion von Biokraftstoffen und die Produktaufbereitung bis zu systemischen Aspekten, wie Nahrungsmittelkonkurrenz und Energiebilanzierung.

Der Übergang in das Zeitalter der erneuerbaren Energien verlangt eine tief greifende Umgestaltung der Energiewirtschaft. Zukunftsweisende Innovationen sind entscheidend um den Strukturwandel hin zu einer nachhaltigen Energieversorgung voranzutreiben. Einen wesentlichen Beitrag hierzu wird die Energieforschung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) leisten. Das BMBF setzt im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung den Schwerpunkt seiner Forschungsförderung auf die Grundlagenforschung. Der Bioenergie kommt unter den erneuerbaren Energien ein besonderer Stellenwert zu.

Zentrales Ziel der Bioenergieforschung besteht darin, in Deutschland eine international wettbewerbsfähige Nutzung von Biomasse zu ermöglichen. Kompetenzen aus Wissenschaft und Wirtschaft wurden und werden gebündelt, um Potentiale neuer Forschungsansätze in der Bioenergie zu erschließen. Dazu zählen beispielsweise integrative Konzepte, die die energetische und stoffliche Biomassenutzung miteinander koppeln und neben Energie auch erneuerbare Rohstoffe für die chemische Industrie bereitstellen.

Ziel der „Förderinitiative Bioenergie - Prozessorientierte Forschung und Innovation" (BioProFi) ist es, durch innovative Projekte aus der Grundlagenforschung neue und weiterführende Impulse zur Nutzung und Verwertung von Biomasse zu geben. Es soll die Wissensbasis geschaffen werden, um bestehende Technologien verbessern zu können und neue Prozessketten zu ermöglichen.

Rund 45 Projektpartner aus Wissenschaft und Wirtschaft arbeiten seit Juli 2012 an 14 laufenden Forschungsvorhaben, beispielsweise zu den Themenschwerpunkten Biomasseentstehung, Biomassevorbereitung, Biochemische Konversion, Biochemische Produktionsprozesse, Thermochemische Konversion, Produkt- und Reststoffaufbereitung sowie zum Querschnittsthema Sensorik.

Im Zuge einer klimafreundlichen und nachhaltigen Energieversorgung nimmt die Bedeutung erneuerbarer Energien kontinuierlich zu. Die Versorgung mit Elektrizität, Heiz- oder Prozesswärme und alternativen Kraftstoffen sind ihre Einsatzgebiete. Auch sind die Energieumwandlungs- und Speichertechnologien flexibel an die Einspeisung von erneuerbaren Energien anzupassen. Gas gilt im Hinblick auf seine Speicherbarkeit und Nutzungsflexibilität als wichtiges Element, um die unterschiedlichen Einsatzgebiete und Infrastrukturen zu verbinden. Dazu untersucht die Nachwuchsforschungsgruppe TCKON an der Technischen Universität Berlin grundlegende Fragen zur thermochemischen Konversion von Biomassen in Brenn- und Synthesegase. Daneben stehen auch Prozessschritte, in denen die prozessrelevanten Gase gebildet werden, im Mittelpunkt der Arbeiten.

Verbundpartner

Technische Universität Berlin

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Nach Ansicht vieler Expertinnen und Experten werden viele der mehr als 7.700 Biogasanlagen in Deutschland nicht optimal betrieben. Ein schwankender Biogasertrag und ein unvollständiger Substratabbau sind dafür die Kennzeichen. Bisher gibt es keine zuverlässigen, einfach zu messenden Indikatoren mit denen frühzeitig Störungen während der komplexen biologischen Abbauprozesse erkannt werden. Der pH-Wert im Reaktor oder hohe Konzentrationen von Ammoniak oder Schwefelwasserstoff zeigen eine Störung so spät an, dass Verluste in der Biogasproduktion nicht mehr zu vermeiden sind. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Vorhaben MOST entwickeln jetzt eine zuverlässige, leicht anwendbare Prozessmess- und Prozesssteuerungstechnik, die unter anderem auf mathematischen Modellen der Abbauprozesse basiert.

Verbundpartner

Hochschule Hamm-Lippstadt
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH
BlueSens gas sensor GmbH
Helmut-Schmidt-Universität

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In Deutschland werden etwa 7.700 Biogasanlagen betrieben, die in erster Linie nachwachsende Rohstoffe als Gärsubstrate einsetzen. Auch Bioabfälle könnten in Zukunft verstärkt als Gärsubstrat genutzt werden. Damit erhöht sich die Menge an Gärrückständen aus der Bioabfallvergärung, die als organisches Düngemittel zur Bodenverbesserung verfügbar wären. Der Einfluss der Substratbehandlung während des Biogas- und Aufbereitungsprozesses auf die Düngeeigenschaften der entstehenden Gärprodukte ist im Moment aber nur wenig erforscht. Eine grundlegende Analyse soll Informationen zur Entwicklung der stofflichen Zusammensetzung und des Nährstoff- und Schwermetallgehaltes entlang der gesamten Behandlungskette liefern. Die Erkenntnisse fließen in die Entwicklung von Aufbereitungsmethoden und Düngeempfehlungen ein.

Verbundpartner

Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg
Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte
an der Humboldt-Universität zu Berlin
Großmann Ingenieur Consult GmbH

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In Deutschland wird in 98 Prozent der über 7.700 Biogasanlagen das erzeugte Biogas direkt in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) verstromt. Häufig wird weniger als 40 Prozent der chemischen Energie in elektrische Energie umgewandelt und Wärme unzureichend genutzt. Eine Alternative ist die Einspeisung von aufbereitetem Biogas in das Erdgasnetz und dessen anschließende Nutzung an Orten mit hohem Wärmebedarf. Ferngasleitungen erfordern aber Betriebsdrücke von bis zu 100 bar. Muss dass aufbereitet Biogas bis auf diese Drücke verdichtet werden, sinkt die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Ziel des Vorhabens ist es, mit dem neuartigen Erzeugungsverfahrens AG-HiPreFer Biogas besser an die Anforderungen der Einspeisung in Hochdruckleitungen im Erdgasnetz anzupassen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen die Verdichtung des Gases vermeiden und so bis zu 30 Prozent des Energieaufwandes für die Gasaufbereitung einsparen.

Verbundpartner

Universität Hohenheim, Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie
Johannes Gutenberg Universität Mainz, Institut für Mikrobiologie und Weinforschung

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Mobilität ist ein wichtiger Bestandteil des gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Lebens. Diese Mobilität, beispielsweise in der Luftfahrt, benötigt Treibstoff, der überwiegend auf dem knapper werdenden Energieträger Erdöl basiert. Hinzukommt, dass die Luftfahrtindustrie ihr Wachstum ab 2020 ohne zusätzliche Emissionen bewältigen und bis 2050 ihren Kohlendioxidausstoß im Vergleich zu 2005 halbieren will. Ab 2025 sollen zehn Prozent des in Deutschland getankten Kerosins aus alternativen Rohstoffen stammen. Mikroalgen könnten mit ihrem Lipidgehalt die Basis für diesen nachhaltigen Treibstoff sowie für weitere Rohstoffe liefern. Im Projekt OptimAL wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Lipidproduktion von einzelligen Grünalgen erhöhen. Dabei liegt der Fokus auf Algenzüchtungen, die auch hohe Lichtintensitäten nutzen können, der Modifikation des Photosystems sowie der Anpassung an hohe Kohlendioxidkonzentrationen.

Verbundpartner

Forschungszentrum Jülich

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Biogasanlagen sind in der Regel nicht mit einer geeigneten Sensorik ausgestattet. Insbesondere die wichtige Flüssigphase kann dadurch nur unzureichend beobachtet werden. Neue Sensoriklösungen erarbeitet jetzt das Projekt ELOgas unter Koordination der Technischen Universität Berlin. Dazu charakterisieren Forscherinnen und Forscher den physiologischen Zellzustand mit einer neuen Messmethode und entwickeln lanzenbasierte Multiparametersensoren, um auch direkt im Kern der Flüssigphase zu messen. Diese Mikrosensoren werden in die Lanzenköpfe integriert und mit Funktechnik kombiniert, um die Technik variabel einzusetzen und so Störungen frühzeitig erkennen zu können. Der Einsatz dieser neuen Sensorik soll bei flexibler Substratnutzung zu einem stabilen Betrieb der Biogasanlage führen.

Verbundpartner

Technische Universität Berlin
Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte an der Humboldt-Universität zu Berlin
Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik e.V.
EloSystems GbR
teleBITcom GmbH

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Für die Energiewende wird die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien kontinuierlich ausgebaut. Biogasanlagen sind dabei ein wichtiger Baustein. In Biogasanlagen sind die einzelnen Prozesse zwar vergleichsweise gut erforscht, es fehlen aber Forschungsergebnisse, wie die Ausbeute weiter verbessert und die Biogasproduktion als Ganzes effizienter wird. Ziel ist eine nachhaltige Biogasproduktion, bei der alle Prozessschritte und die Verwertung der Zwischen- und Endprodukte optimiert werden. Daran arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Projekt GOBi. Sie wollen die Biomasse fast vollständig verwerten. Neue Technologien gewinnen beispielsweise Nährstoffe aus dem Gärrest zurück, um sie der landwirtschaftlichen Nutzfläche als Dünger wieder zuzuführen.

Verbundpartner

Universität Hohenheim
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Genedata GmbH
Geltz Umwelttechnologie GmbH

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Biogas ist eines der bedeutendsten Standbeine der Bioenergiegewinnung in Deutschland. Es ist die Energiequelle für mehr als 50 Prozent der aus Biomasse erzeugten elektrischen Energie in der Bundesrepublik. Die biochemische Konversion von Biomasse zu Biogas ist ein komplexer Vorgang, der eine vielfältige mikrobielle Lebensgemeinschaft voraussetzt. Die Komplexität dieser mikrobiellen Lebensgemeinschaft schließt bisher eine Steuerung des Fermentationsvorgangs weitgehend aus. Neben fehlenden Regelungsmöglichkeiten ist der langsame Aufschluss der Biomasse ein Hindernis. Wie die Limitierung bei der Biogasproduktion umgangen und Anzeichen für Fehlbedingungen im Fermenter erkannt werden können, wollen Forscherinnen und Forscher im Verbundprojekt E S E - BIOGAS herausfinden.

Verbundpartner

Karlsruher Institut für Technologie
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Institut für Photonische Technologien e.V.
B.R.A.I.N Aktiengesellschaft

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Während für die Produktion von Strom und Wärme eine Reihe von zumindest gleichwertigen Alternativen zur Biomasse existiert, stellt sie den einzigen erneuerbaren Kohlenstoffträger dar. Biomasse ist damit essenziell für eine auf erneuerbaren Rohstoffquellen aufbauenden organischen Chemie, beispielsweise für BtL-Kraftstoffe (Biomass to Liquid- Biomasseverflüssigung). Nach Ansicht vieler Expertinnen und Experten sind aber die derzeitigen Verfahren der Biomasseverflüssigung häufig sehr aufwändig, kostenintensiv oder führen zu Produkten minderer Qualität. Ein neues Verfahren mit dem ein Gemisch aus gesättigten bzw. aromatischen Kohlenwasserstoffen aus verschiedenen Biomassen hergestellt wird, will der Verbund FEBio@H2O entwickeln. Ziel ist, dass das Gemisch als Treibstoff oder Grundstoff in der chemischen Industrie genutzt werden kann.

Verbundpartner

DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH
Universität Leipzig, Fakultät für Chemie und Mineralogie
Technische Universität Dresden, Fakultät Maschinenwesen
Advanced Machinery & Technology Chemnitz GmbH

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Mikroalgen sind aufgrund ihres breiten und auch wirtschaftlich attraktiven Produktspektrums für die Biotechnologie relevant. Insbesondere die Fähigkeit von einigen Algenarten nicht nur ein Produkt, sondern zwei oder sogar mehrere marktrelevante Produkte parallel zu synthetisieren, machen sie als Produktionsorganismen im Sinne eines Bioraffinerie-Ansatzes interessant. Die Algenkultivierung in Photobioreaktoren steht aber noch am Anfang ihres eigentlichen Potentials. Unterschiedliche Konversionsrouten für eine lohnende Produktion von Rohstoffen aus Mikroalgen wollen die Forscherinnen und Forscher im Projekt ALBIRA entwickeln. Es gilt belastbare Eckdaten in einem halbtechnischen Maßstab für eine Vollverwertungskette zu sammeln. Daraus könnten in einem Schritt Erzeugnisse für die Kosmetik- und Lebensmittelindustrie sowie Futtermittelzusätze oder Düngemittel gewonnen werden.

Verbundpartner

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Campus Busan, Korea
E.ON Hanse AG
Subitec GmbH

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Die Bildung von Biogas ist ein hochkomplexer, biotechnologischer Prozess, welcher zu unterschiedlichen Methangasqualitäten und -konzentrationen, vor allem bei verschiedenen Substraten führen kann. Die Substratqualität limitiert den Wirkungsgrad von Biogasanlagen, da die Fermentation je nach vorhandenem Material unterschiedlich verläuft. Die Parameter, die zu einer gleichmäßigen Biogasausbeute führen, sind kaum belegt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen im Verbund Bio-iSensor Faktoren, die die Biogasprozesse beeinflussen. Diese Parameter bilden die Basis für die Entwicklung intelligenter Sensorsysteme zur Prozessüberwachung und -steuerung. Damit können die Gaserträge von Biogasanlagen verbessert werden.

Verbundpartner

Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnologie IGB
Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT
Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES
DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH
Pattern Expert
Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V.

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Die bei der Biogaserzeugung durch Mikroorganismen vollzogenen biochemischen Stoffumwandlungsprozesse sind bislang nur ansatzweise untersucht. Details der Biogas-Mikrobiologie gelten jedoch als Schlüssel für eine weitere technologische Verbesserung der Biogasproduktion. Das Verbundvorhaben BIOGAS-MARKER will molekulare Marker für wichtige Gruppen von Mikroorganismen und Protokolle zu deren Anwendung entwickeln. Diese neuen Detektionssysteme ermöglichen eine verbesserte und zeitnahe Verfolgung der am Biogasprozess beteiligten mikrobiologischen Gemeinschaften und ihrer Entwicklung. Eine Früherkennung und Diagnose von Prozessstörungen in Biogasanlagen wäre damit gegeben.

Verbundpartner

Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V.
Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft
Universität Bielefeld, Centrum für Biotechnologie
Technische Universität München
Beuth Hochschule für Technik Berlin

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Biogasanlagen sind neben Wasserkraftwerken, Solaranlagen und Windkraftanlagen wichtige Erzeuger von Strom und Wärme aus erneuerbaren Energien. Die neue Generation von zweiphasigen Biogasanlagen wandelt im Gegensatz zu herkömmlichen Anlagen zuerst das Substrat in verschiedene organische Säuren, Zuckerverbindungen und Alkohole um. In einem zweiten Schritt werden diese Substanzen dann in Methan abgesetzt. Der Verbund MethanoQuant will die einzelnen Wege der Methanentstehung für verschiedene Reaktoren, Substrate und Prozessführungsregime im Gesamtprozess einer zweiphasigen Biogasanlage ermitteln. Der Schwerpunkt der Grundlagenforschung liegt auf der Identifizierung bisher nicht erfasster Stoffströme, die für etwa die Hälfte der Methanproduktion verantwortlich sein sollen.

Verbundpartner

Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main, Goethe-Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen
Universität Hohenheim, Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie
Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg

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Mikroorganismen nutzen Pflanzenreste, Abfälle und tierische Exkremente zur eigenen Energiegewinnung. Geschieht dies unter Luftabschluss in einer Biogasanlage, entsteht durch Vergärung Methan. Aus diesem Gas erzeugen Blockheizkraftwerke wiederum Strom und Wärme als regenerative Energie. Zur Erzeugung von Biogas müssen die verschiedenen Bakterien in echter Teamarbeit etliche Vorbereitungsschritte bewältigen. Nur wenn das Zusammenspiel der Bakterien stimmt, ist die Methanausbeute hoch. Dies führt wiederum zu einer höheren Strom- und Wärmeerzeugung in Blockheizkraftwerken. Das Ziel von BioPara ist, ein Gesamtbild der mikrobiologischen Vorgänge zu erhalten und mit anderen physikalischen und chemischen Parametern in Beziehung zu setzen, um den Zustand des Biogasprozesses zu erfassen und Prozessoptimierung zu erreichen.

Verbundpartner

Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
Bonalytic GmbH
Bioreact GmbH
Universität Ulm
Senzyme GmbH
Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main
Technische Universität Dresden
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Universität Konstanz

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Durch die weltweite Verknappung fossiler Ressourcen sucht die Industrie nachhaltige und kohlendioxideinsparende Produktionsverfahren für chemische Grund- und Kraftstoffe. Der marktgetriebene Entwicklungsdruck für nachhaltige Kraftstofflösungen besteht besonders in der Luftfahrtindustrie. Der Kraftstoff muss - zumindest teilweise - aus nachhaltigen Prozessen gewonnen werden. Ein ähnliches Szenario wie im Flugverkehr zeichnet sich auch in der Schmierstoffindustrie ab. Hier hat das eminente Ende der Petroleum-basierten Rohstoffbasis bereits eine innovative Welle von nachhaltigen Produktentwicklungen auf Basis pflanzlicher Öle induziert, deren Nutzung jedoch in Konkurrenz zur Nahrungsmittelindustrie erfolgt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Vorhaben Advanced Biomass Value streben an, eine integrierte Verwertungskette zu entwickeln, die Biomasse auf Basis von Algen und Hefen in nachhaltige Flugtreib-, Schmier- und Baustoffe umwandelt.

Verbundpartner

Technische Universität München
Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald
European Aeronautic Defence and Space Company Deutschland GmbH (EADS)
Fuchs Europe Schmierstoffe GmbH
NATECO2 GmbH & Co KG

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Der wachsende Anteil fluktuierender erneuerbarer Stromerzeuger führt zu witterungsbedingten Schwankungen im Stromnetz. Durch kurzfristig verfügbare Regelenergie müssen Erzeugung und Verbrauch von elektrischem Strom exakt aufeinander abgestimmt werden. Während konventionelle Biogasanlagen für einen kontinuierlichen Volllastbetrieb optimiert sind, bieten zweiphasige Biogasanlagen ein hohes Potential zur Bereitstellung von Regelenergie in speicherbare und anschließend schnell umsetzbare Zwischenprodukte. Die Ziele von ELAST2P sind die Erforschung der Grundlagen und die verfahrenstechnische Entwicklung für eine vollständige Konversion bzw. Verwertung pflanzlicher Biomasse, insbesondere des Lignocellulose-Komplexes, in einem zweiphasigen Biogasprozess sowie dessen Überwachung und Echtzeitsteuerung.

Verbundpartner

Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte
an der Humboldt-Universität zu Berlin
Universität Hohenheim, Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie
Goethe-Universität Frankfurt am Main, Goethe-Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen
Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft

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