Der Anstieg der variablen erneuerbaren Energiequellen erfordert neue Lösungen für eine sichere und kontinuierliche Energieversorgung. Der Schlüssel dazu sind innovative Energiespeichersysteme, wobei Power-to-Gas (PtG) ein vielversprechendes Konzept darstellt. Um auf die ungleichmäßige Energieerzeugung reagieren zu können, ist eine flexible PtG-Prozesskette notwendig. In dieser Arbeit werden die Machbarkeit und die Grenzen des Teillastverhaltens in einem Wirbelschichtmethanisierungsreaktor als Teil eines innovativen Prozessdesigns für Biogasaufbereitungsanlagen untersucht. Die Vision ist ein ganzjähriger Betrieb in verschiedenen Auslastungsstufen. Um diese Stufen nachzubilden, werden in einer MATLAB-basierten Toolbox verschiedene Szenarien (0 % Methanisierung als Maximalanforderung an die Membraneinheit, 100 % Methanisierung als Maximalanforderung an den Reaktor und verschiedene Teillastfälle unter Verwendung der festgelegten Dimensionen) für eine 200 Nm3/h Industrieanlage, bestehend aus einer Membraneinheit und einem Methanisierungsreaktor als Hauptbestandteile, simuliert. Nach der Validierung des Membranmodells besteht das Ziel darin, die richtigen Prozessparameter (z.B.: Anzahl der Membranmodule und Reaktordruck) zu finden, um die Einspeisebedingungen zu erfüllen. Es werden verschiedene Membraneigenschaften und Gasgeschwindigkeiten getestet, und die Prozessführung wird hinsichtlich der Anzahl der verwendeten Kompressoren variiert. Darüber hinaus werden Proof-of-Concept Experimente durchgeführt, um die Machbarkeit von Voll- und Teillast in einem Wirbelschichtmethanisierungsreaktor zu zeigen.
Anhand einer gut etablierten Biogasaufbereitungsanlage konnte das Membranmodell erfolgreich validiert werden. Die ermittelte Anzahl an Membranmodulen aus dem 0 % Methanisierungsszenario ist für die Voll- und Teillast-PtG-Szenarien ausreichend, um auch dort die Anforderungen an die Netzeinspeisung zu erfüllen. Mit den gegebenen Reaktorparametern aus den Volllast-PtG-Szenarien wurde die minimale Teillast mit 20 bzw. 30 % ermittelt, abhängig vom Membranmaterial und der Anzahl der Kompressoren. Reichten die gewählten Prozessparameter für die Simulation und die Netzanforderungen nicht aus, schaffte eine Reduzierung der Membranmodulanzahl und/oder des Reaktordrucks Abhilfe. Mit einem höheren Systemdruck konnte das Volllast-PtG-Szenario mit nur einem Kompressor und der gleichen Anzahl an Membranmodulen betrieben werden wie das 0 % Methanisierungsszenario. Bei den Experimenten mit einem Kreislaufstrom lag die minimale Teillast bei 40 %, während die Bedingungen für die Netzeinspeisung noch erfüllt wurden.