Gebhard interessierte sich schon früh für Erneuerbare Energien. Seit seiner Jugend wirkte er z.B. aktiv im Förderverein Wind- und Wasserkraft Ostalb e.V. (WWO) mit. Während des Praxissemesters im Bachelorstudium erhielt er am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) einen Einblick in die Kernfusionsforschung als alternative Energiequelle. Im Zuge der Bachelorarbeit konnte er sich bei Voith Turbo in der Entwicklung eines Abwärmenutzungssystems namens SteamTrac einbringen. Entsprechend seines Interesses folgte ein Masterstudium in Sustainable Energy Technologies an der University of Southampton (UK). Im Rahmen der Masterthesis entwickelte und analysierte Gebhard 2011 das Konzept des „WaveGyro", eine innovative Idee zur energetischen Nutzung von Meereswellen. Nach Studienabschluss arbeitete er im Familienbetrieb, einem Bioland-Bauernhof.
Ermöglicht durch das Promotionsstipendium der Reiner Lemoine Stiftung setzt sich Gebhard seit 2014 an der Universität Stuttgart mit dem nachfolgend skizzierten Forschungsprojekt auseinander.
„Entwicklung eines methanisierungsgestützten Vergasungsverfahrens zur optimierten Erzeugung von Bio-SNG“
Die Zielsetzung des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen thermochemischen Prozesses, welcher aus ligninreicher, sprich holzartiger, Biomasse ein größtenteils aus Methan bestehendes Erdgassubstitut, sogenanntes SNG (Synthetic Natural Gas), erzeugt. Eine deutliche Optimierung gegenüber bisherigen Verfahren soll erreicht werden, indem die freiwerdende Reaktionsenthalpie der stark exothermen Methanisierung bereits prozessintern für die endotherm verlaufende Vergasung genutzt wird.
Die Grundlage der thermochemischen Erzeugung von Bio-SNG ist die Vergasung von Biomasse zu Synthesegas (vorwiegend: H2, CO, CO2) und dessen anschließende Synthese zu Methan (CH4). Während Vergasung und Pyrolyse, sprich die Aufspaltung langkettiger organischer Moleküle, endotherm verlaufen, also Wärmeeintrag erfordern, muss aus der stark exothermen Methanisierung Wärme abgeführt werden. Mit dieser Abwärme geht jedoch bis zu 20% des ursprünglichen Biomassebrennwerts verloren. Das zu entwickelnde Verfahren soll eben diese, bei der Methanisierung anfallende Wärme bereits prozessintern zur Pyrolyse und Vergasung nutzen können und damit einen deutlich besseren Kaltgaswirkungsgrad (Brennwertverhältnis SNG zu Biomasse) erreichen.
Die Herausforderung hierbei ist das unterschiedliche Temperaturniveau zwischen beiden Teilprozesses. Die Methanisierung erfolgt im Allgemeinen bei deutlich niedrigerer Temperatur als die Vergasung von Biomasse.
Die Methansynthese lässt sich über chemische Reaktionsgleichungen relativ genau beschreiben. Das daraus abgeleitete Reaktionsgleichgewicht gibt Rückschlüsse auf den Umsatz der Reaktion, also dem sich einstellenden Methananteil, in Abhängigkeit von der Reaktionstemperatur. Es zeigt sich, dass eine erste Methanisierung (< 10 Vol.-% CH4; bei 1bar) zwar bereits bei ca. 700°C auftritt, ein voller Umsatz des Synthesegases zu Methan (> 90 Vol.-% CH4; bei 1bar) aber erst unter 300°C erreicht wird.
Die komplexe Zersetzung heterogener Biomasse lässt sich hingegen nicht hinreichend mittels Reaktionsgleichungen beschreiben. Empirische Erkenntnisse zeigen aber, dass eine erste Entgasung bei über 100°C beginnt und eine vollständige Aufspaltung bis zu 1000°C erfordern kann. Üblich für Vergasungsverfahren sind 700 bis 900°C. Das Temperaturniveau, bei dem die Reaktionswärme der Methanisierung freigesetzt wird liegt somit – mit mehreren hundert Grad – deutlich unter dem Temperaturniveau, bei welchem gängige Vergasungsverfahren ihre Wärmezufuhr benötigen.
Der Forschungsgegenstand ist deshalb Funktionsprinzipien welche dennoch eine methanisierungsgestützte Erzeugung von Bio-SNG ermöglichen aufzustellen, zu analysieren und zu Verfahren auszuarbeiten. Das ungünstige Reaktionsgleichgewicht lässt sich beispielsweise durch hohe Prozessdrücke, durch katalytische Ausnutzung ungleicher Reaktionskinetik oder auch durch in-situ Methanabscheidung beeinflussen. Insbesondere vielversprechend, ist auch ein thermisch gestufter Aufbau von Methanisierungs- und Vergasungsreaktor. Dadurch würde die Reaktionswärme der Methanisierung schrittweise auf verschiedenen Temperaturniveaus (abhängig vom Gleichgewichtsumsatz), anfallen und könnte damit in die jeweils thermisch zugehörige, aber räumlich abgegrenzte Vergasungsstufe übertragen werden.
Die Methodik soll systematisch, deduktive geprägt sein. Zu Beginn gilt es Funktionsprinzipien aufzustellen, darauf basierende, konkrete Verfahrenskonzepte auszuarbeiten und diese anschließend einer Machbarkeitsanalyse zu unterziehen. Aussichtsreiche Konzepte sollen durch Prozesssimulation erweitert und verbessert werden. Dazu sollen auch kontinuierlich experimentelle Daten und Erkenntnisse einfließen. Am Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK) steht hierfür umfangreiche Labor- und Messtechnik zur Verfügung, insbesondere aber auch halbtechnische Versuchsanlagen für Analysen unter bereits realistischen Prozessbedingungen. Vereinzelt sollen kritische Verfahrensbestandteile durch eigene, einfache Versuchsanordnungen untersucht werden.
Der Kontext des Forschungsprojekts innerhalb der Energiewende ergab im Grunde erst die Motivation zu dessen Entstehung. Die Erzeugung von Bio-SNG aus ligninreicher Biomasse – also vorwiegend Rest- und Abfallstoffe, die nicht von Nutzflächen stammen – ist ökonomisch, vor allem aber auch ökologisch vielversprechend. Ein entsprechendes Verfahren ermöglicht erneuerbare Regelenergie in Form von Bio-SNG im bereits flächendeckend vorhandenen Erdgasnetz vorzuhalten bzw. auch saisonal zu speichern. Von der Erzeugung zeitlich als auch örtlich entkoppelt kann Bio-SNG somit als Kraftstoff in Erdgasfahrzeugen eingesetzt werden, aber auch mittels häuslicher BHKW, Erdgas-Brennstoffzellen oder zentralen GuD-Kraftwerk hocheffizient und nach Bedarf verstromt werden. Solche Pufferenergie wird für einen weiteren Ausbau regenerativer Energien, insbesondere von Photovoltaik und Windkraft, immer wichtiger, denn deren Energiebereitstellung ist stark fluktuierend und nur kurzfristig abschätzbar. Ein gemäß dem Forschungsvorhaben angestrebtes, optimiertes Bio-SNG-Verfahren kann somit im Rahmen der Energiewende einen wertvollen Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit, Umwelt- und Naturschutz leisten.