ENERGIE AUS BIOMASSE

Bioenergie wird aus dem Rohstoff Biomasse gewonnen. Biomasse ist gespeicherte Sonnenenergie in Form von Energiepflanzen, Holz oder Reststoffen wie z.B. Stroh, Biomüll oder Gülle. Bioenergie ist unter den Erneuerbaren Energieträgern der Alleskönner: Sowohl Strom, Wärme als auch Treibstoffe können aus fester, flüssiger und gasförmiger Biomasse gewonnen werden.

Da Biomasse rund um die Uhr verfügbar und flexibel einsetzbar ist, kommt ihr eine bedeutende Rolle bei der Energieversorgung auf Basis Erneuerbarer Energien zu. Die Bioenergie bietet der Landwirtschaft ein zusätzliches Standbein – der Landwirt wird Energiewirt. Die dezentrale Nutzung der Bioenergie kann so die regionale Wertschöpfung stärken, Stoffkreisläufe schließen und Synergien vor Ort nutzen.

Mehr als 3.700 Biogasanlagen erzeugen 2008 in Deutschland Strom, Wärme und Kraftstoff. Biogas ist eine besonders vielseitige erneuerbare Energiequelle, deren Potenziale in Deutschland gerade entdeckt werden. Sowohl Reststoffe – von der Gülle bis zum Biomüll – als auch Energiepflanzen – vom Mais bis zum Schilfgras – lassen sich in der Biogasanlage nutzen.

WIE FUNKTIONIERT EINE BIOGASANLAGE?

 

In der Vorgrube werden Gülle und andere Substrate zwischengelagert und eventuell zerkleinert, verdünnt oder gemischt. Substrate sind die feste oder flüssige Biomasse, die im Fermenter zur Biogaserzeugung eingesetzt werden.

In Biogasanlagen kommen Energiepflanzen (z.B. Mais und andere Getreide, Schilfgras), Reststoffe wie Ernterückständen (z.B. Rübenblätter), tierische Exkremente (z.B. Gülle, Mist), Nebenprodukte der Lebensmittelproduktion (z.B. Fette, Speisereste, Kartoffelschalen) oder organische Abfälle (z.B. Klärschlamm) zum Einsatz.

Der Fermenter (auch: Gärbehälter, Faulbehälter oder Bioreaktor) ist das Kernstück der Biogasanlage. Der Fermenter ist ein Behälter, in dem Biomasse unter Ausschluss von Licht und Sauerstoff von Mikroorganismen abgebaut wird. Aus den Abbauprodukten dieses Gärprozesses bilden methanogene Bakterien dann Methan und Kohlendioxid. Der Fermenter ist beheizt und verfügt über eine Durchmischungseinrichtung und eine Möglichkeit zur Entnahme des Biogases.

Das entstehende Biogas wird in der Haube direkt über dem Substrat gespeichert. Es kann direkt in ein Blockheizkraftwerk geleitet werden, wo es in einem Gasmotor zur Strom- und Wärmeerzeugung verbrannt wird. Alternativ kann das Biogas in einer Gasaufbereitungsanlage gereinigt werden. Bei dieser Biogasaufbereitung wird der Methangehalt des Biogases gesteigert, um dessen Zusammensetzung der Zusammensetzung konventionellen Erdgases anzugleichen. Dazu muss das Biogas veredelt werden, d.h. Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid und andere Schadgase müssen werden entfernt. Aufbereitetes Biogas wird auch als „Bioerdgas“ oder Bio-Methan bezeichnet. Es kann direkt in bestehende Erdgasnetze eingespeist werden oder als Kraftstoff in Erdgasautos genutzt werden.

Ist das Substrat im Fermenter vergoren, kommt es zunächst ins Gärrestelager, um dann als hochwertiger Dünger genutzt zu werden. Eine zweite Stufe der Vergärung in einem weiteren Fermenter kann nachgeschaltet werden, um aus den Gärresten noch mehr Biogas zu gewinnen.

BIOKRAFTSTOFFE

Zu Land, zu Wasser und in der Luft: Biokraftstoffe können für den Antrieb von Motoren in Autos, Lkw, Schiffen oder auch Flugzeugen eingesetzt werden. Dafür stehen unterschiedliche Biokraftstoffe zur Verfügung wie Biodiesel, Pflanzenöl, Bioethanol, Biogas und in Zukunft auch synthetische Biokraftstoffe (so genannter BtL-Kraftstoff). Biokraftstoffe reduzieren die CO2-Emissionen im Verkehr. Die Bandbreite reicht dabei je nach Herstellung von einem Drittel bis hin zu über 100 Prozent weniger CO2 als von fossilen Kraftstoffen emittiert wird. Biokraftstoffe werden einen Teil des globalen Erdölverbrauchs ersetzen können. In Deutschland decken sie aktuell 5,9 Prozent des Kraftstoffbedarfs. Biokraftstoffe werden in Deutschland hauptsächlich mit heimischer Biomasse erzeugt: Biodiesel kommt vom Rapsfeld und nicht aus dem Regenwald.

 

HOLZENERGIE

Mit dem urzeitlichen Lagerfeuer beginnt die Geschichte der Holzenergie. Heute stehen deutlich effizientere Technologien zur Verfügung, um mit Holz Wärme und Strom zu erzeugen. Knapp 6 Prozent des deutschen Wärmeverbrauchs wurden 2008 durch Holzenergie gedeckt. Angesichts steigender Preise für fossile Energieträger bieten sich viele unerschlossene Potenzial von Wald- und Restholz für die Wärmeerzeugung.

WIE FUNKTIONIERT EINE HOLZPELLETHEIZUNG?

Die effizienteste und sauberste Form der Wärmeerzeugung aus Holz für den Bedarf von Ein- und Mehrfamilienhäuser sind Holzpelletheizungen. Holzpelletkessel bzw. -öfen verbrennen wenige Zentimeter lange und 6 mm dünne Holzpresslinge, die so genannten Pellets. Holzpellets werden ohne chemische Bindemittel aus getrocknetem, naturbelassenem Restholz (Sägemehl, Hobelspäne, Waldrestholz) gepresst. Einzelne Pelletöfen können sowohl manuell als auch automatisch je nach Heizbedarf mit Holzpellets beschickt werden.

Pellet-Zentralheizungen können in größeren Wohnhäusern z.B. statt einer Ölheizung im Heizungsraum installiert werden. Vollautomatische Anlagen sind über eine Förderschnecke oder ein Saugsystem mit einem Lagerraum oder -tank verbunden, aus dem die Pellets je nach Bedarf zum Heizkessel transportiert werden. Im Idealfall muss der Lagerraum nur einmal im Jahr mit Hilfe eines Pellet-Tankwagens aufgefüllt werden. In Bezug auf ihren Bedienkomfort kann die Pelletheizung ohne weiteres mit einer herkömmlichen Öl- oder Erdgasheizung konkurrieren.

Die Pellets werden mittels einer Förderschnecke oder einem Saugsystem vollautomatisch aus dem Vorratsbehälter in den Verbrennungsraum gefördert und elektrisch gezündet. Die Menge der eingetragenen Pellets wird hierbei durch die Heizleistung bzw. gewünschte Raumtemperatur bestimmt. Bei hochwertigen Anlagen steuert eine digital-elektronische Überwachung das optimale Verhältnis von Verbrennungsluft, Pelletsmenge und Betriebstemperatur und führt dadurch zu einem exakt aufeinander abgestimmten Verbrennungsvorgang mit geringen Emissionen und hohen Wirkungsgraden von bis zu 95 %.

Pufferspeicher sind bei der Installation von Pellet-Zentralheizungen sinnvoll. Durch den Einbau eines Pufferspeichers ist es möglich, die Zahl der Brennerstarts zu reduzieren und den Heizkessel ausschließlich im Volllastbetrieb laufen zu lassen. Dies erhöht den Wirkungsgrad und reduziert die Emissionen der Verbrennung. Gerade für Gebäude mit einem niedrigen Wärmebedarf ist der Einbau eines Pufferspeichers sehr empfehlenswert. Insgesamt gesehen erhöht der Einbau eines Pufferspeichers den Komfort der Anlage.

Die Kombination einer Holzpelletheizung mit einer Solarthermie-Anlage macht die ausschließliche Versorgung mit erneuerbarer Wärme noch sparsamer und effizienter.

 

BIOGASANLAGE

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Biogasanlage in Neuhaus (Oste)

Eine Biogasanlage dient der Erzeugung von Biogas durch Vergärung von Biomasse. In landwirtschaftlichen Biogasanlagen werden meist tierische Exkremente (Gülle, Festmist) und Energiepflanzen als Substrat eingesetzt. Als Nebenprodukt wird ein als Gärrest bezeichneter Dünger produziert. Bei den meisten Biogasanlagen wird das entstandene Gas vor Ort in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt.

INHALTSVERZEICHNIS

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PRINZIP EINER BIOGASANLAGE

Vergleich von Biogasrohstoffen
Material↓ Biogasertrag[1]
(FM = Frischmasse)↓
Methangehalt[1]↓
Maissilage 202 m³/t FM 52 %
Grassilage 172 m³/t FM 54 %
Roggen-GPS 163 m³/t FM 52 %
Futterrübe 111 m³/t FM 51 %
Bioabfall 100 m³/t FM 61 %
Hühnermist 80 m³/t FM 60%
Zuckerrübenschnitzel 67 m³/t FM 72 %
Schweinemist 60 m³/t FM 60 %
Rindermist 45 m³/t FM 60 %
Getreideschlempe 40 m³/t FM 61 %
Schweinegülle 28 m³/t FM 65 %
Rindergülle 25 m³/t FM 60 %

In einer Biogasanlage erfolgt der anaerobe (ohne Sauerstoff) mikrobielle Abbau (Vergärung) des eingesetzten Substrats. Dieses besteht meist aus gut abbaubarer Biomasse wie Gülle, Energiepflanzen (vor allem Mais-Getreide- und Grassilage), landwirtschaftlichen Nebenprodukten oder Bioabfällen. Stroh und Holz, die vor allem Cellulose und Lignocellulose enthalten, sind unter anaeroben Bedingungen nur schwer bzw. nicht abbaubar und werden daher nicht eingesetzt.

Verschiedene Arten von Mikroorganismen nutzen die komplex zusammengesetzte Biomasse (vor allem KohlenhydrateFette und Proteine) als Nährstoff- und Energielieferanten. Anders als beim aeroben (mit Sauerstoff) Abbau (z.B. Kompostierung) können die Organismen bei der aneroben Vergärung nur einen geringen Teil der enthaltenen Energie nutzen (diese befindet sich im „Abfallprodukt“ Methan). Was zur Folge hat, daß die spezifischen Umsatzraten, bezogen auf die Biomasse wesentlich höher sind. [9] Sie müssen daher relativ große Mengen umsetzen, um ihren Energiebedarf decken zu können. Hauptprodukte des Abbaus sind das energiereiche Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2). Da sie gasförmig sind, trennen sie sich vom Gärsubstrat und bilden die Hauptkomponenten des Biogases. CO2 ist nicht weiter oxidierbar, kann aber zusammen mit dem energiereichen CH4 in geeigneten BHKWs der Verbrennung zugeführt werden.

SUBSTRATE ZUR BIOGASERZEUGUNG

Hauptartikel: Substrat (Biogasanlage)

Der zur Biogaserzeugung eingesetzte Rohstoff wird meistens als Substrat oder Einsatzstoff bezeichnet. Theoretisch eignet sich jede Art von Biomasse, die unter anaeroben Bedingungen (Vergärung) abgebaut wird. Bedingt durch die jeweilige chemische Zusammensetzung (KohlenhydrateFetteProteine, etc.) ergeben sich pro eingesetzter Masse unterschiedliche Mengen Biogas mit verschiedenen Methananteilen. Dies erklärt teilweise die in der Tabelle gezeigten unterschiedlichen Methangehalte beim Einsatz unterschiedlicher Substrate. Bei der Tabelle ist zu beachten, dass sich die Ausbeute auf eine Tonne Frischmasse bezieht. Werden Pflanzen zur Verwendung als Substrat angebaut, so ist der erwartete Ertrag an Frischmasse pro Hektar einzubeziehen. In der Praxis entscheiden die Einkaufs- und Anbaukosten, die durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) festgelegten Vergütungen und Boni und die Eignung der Biogasanlage über das verwendete Substrat.

Zur groben Abschätzung der Nutzung für die Leistungserzeugung bei durchschnittlichem Wirkungsgrad gilt:

  • ha Mais entspricht ca. 2 kW elektrischer Leistung

(dies gilt näherungsweise bei nur einer Ernte pro Jahr; in einem Treibhaus – bei optimalen Wachtumsbedingungen – lässt sich leicht ein 10- bis 20-facher Wert erzielen, sicherlich wird man dort andere Energiepflanzen einsetzen, welche eine deutlich höhere Leistung erzeugen, man wird eine kontinuierliche Leistung von 20-50 Watt pro Quadratmeter anstreben)

  • 1 ha sonstiges Getreide entspricht ca. 1,5 kW elektrischer Leistung
  • 1 ha Gras entspricht ca. 1 kW elektrischer Leistung
  • Gülle von 1 Kuh entspricht ca. 0,15 kW elektrischer Leistung

MIKROBIELLE PROZESSE

Der anaerobe Abbau von Biomasse ist Grundlage der Entstehung von Faulgasen wie Deponie-Klär-Sumpf- und Biogas. Viele verschiedene Arten von Mikroorganismen sind beteiligt. Vorkommen und Mengenanteile der Arten sind von der Art des Substrats, dem pH-Wert, der Temperatur und dem Ablauf der Vergärung abhängig. Aufgrund der vielfältigen Stoffwechselfähigkeiten dieser Mikroorganismengemeinschaft können fast alle organischen Stoffe abgebaut werden. Lediglich faserartige Anteile aus Cellulose und verholzte Anteile aus Lignocellulose sind enzymatisch schwer abbaubar. Voraussetzung für die Methanbildung ist ein ausreichender Wasseranteil im Gärsubstrat.

Der Abbauprozess wird schematisch in vier aufeinander folgenden biochemische Einzelprozesse (Phasen) dargestellt. Bei den meisten gängigen Anlagenkonzepten findet laufend eine Substratzufuhr zum Fermenter statt, so dass die vier Phasen parallel stattfinden.

Biogasprozess schematisch

1. PHASE: HYDROLYSE

Mikroorganismen können die polymeren Makromoleküle (z. B. Kohlenhydrate, Proteine) nicht direkt in die Zelle aufnehmen. Daher werden zunächst verschiedene Arten von Exoenzymen, wie AmylasenProteasen und Lipasen ausgeschieden. Diese hydrolysieren die Makromoleküle in ihre löslichen Oligomere und MonomereKohlenhydrate wie Stärke und Hemicellulose werden so in Oligo- und Monosaccharide (Mehrfach- und Einfachzucker) zerlegt. Proteine werden zu Peptiden oder Aminosäuren abgebaut. Fette können in ihre Bestandteile, wie beispielsweise Fettsäuren und Glycerinhydrolysiert werden.

2. PHASE: ACIDOGENESE ODER VERSÄUERUNGSPHASE

Die Produkte aus der Hydrolyse werden durch säurebildende Mikroorganismen verstoffwechselt. Die Produkte der Acidogenese sind niedere Fett- und andere Carbonsäuren, wie Valerian-Butter-Propionsäure, Alkohole wie Ethanol und als ein Abbauprodukt der Proteine Schwefelwasserstoff (H2S) und Ammoniak (NH3). Dabei entstehen außerdem Essigsäure (Acetat), Wasserstoff und Kohlendioxid, welche als Ausgangsprodukte für die Methanbildung dienen.

3. PHASE: ACETOGENESE ODER ESSIGBILDENDE PHASE

Während der Acetogenese werden die niederen Fett- und Carbonsäuren sowie die niederen Alkohole durch acetogene Mikroorganismen zu Essigsäure (Acetat) umgesetzt.

4. PHASE: METHANOGENESE ODER METHANBILDENDE PHASE

In der letzten, obligat anaerob ablaufenden Phase – der Methanogenese – wird die Essigsäure durch entsprechend acetoklastische Methanbildner nach Gleichung 1 in Methan umgewandelt. Etwa 30 % des Methans entstehen nach Gleichung 2 aus Wasserstoff und CO2, den Zwischenprodukten aus der Acetogenese.

Gleichung 1:    mathrm{CH_3COOH rightarrow CO_2 + CH_4 }
Gleichung 2:    mathrm{CO_2 + 4;H_2 rightarrow CH_4 + 2;H_2O}

Die vier Phasen lassen sich nicht strikt trennen, da beispielsweise auch schon in der Acidogenese Essigsäure, Wasserstoff und Methan entstehen. Die Methanogenese hingegen erfordert spezielle Stoffwechselfähigkeiten, die sich nur bei den Methanogenen finden. Diese Mikroorganismen gehören zur Gruppe der Archaeen (der Klasse Methanobacteria, Methanococci und Methanomicrobia[10]) und sind nur entfernt mit den Bakterien verwandt, die die anderen Schritte des Abbaus durchführen.

VERBLEIB DES SUBSTRATS

Ein Teil des Substrats dient den Mikroorganismen als Nährstoff zum Aufbau von Zellmasse zur Zellteilung (Anabolismus). Die dafür benötigte Energie wird aus der Vergärung des Substrats gewonnen. Da der Energiegewinn, verglichen mit der aeroben stattfindenden Atmung, gering ist, müssen pro erzeugter Zellmasse vergleichsweise große Massen Substrat umgesetzt werden.

Bei gut abbaubaren Substraten wird ein großer Teil der Trockensubstanz in das Biogas umgesetzt. Daher bleibt ein wässriges Gemisch aus schwer abbaubarem organischem Material, wie Lignin und Cellulose, sowie aus anorganischen Stoffen wie zum Beispiel Sand oder anderen mineralischen Stoffen, der sogenannte Gärrest zurück. Dieser wird meistens als landwirtschaftlicher Dünger verwendet werden, da er noch sämtliche im Substrat enthaltenen Spurenelemente, fast den gesamten Stickstoff, Phosphor und - abhängig von der Verfahrensart der Biogasanlage - auch fast den gesamten Schwefel enthält.

FUNKTIONSWEISE UND BETRIEB

Hier entsteht Biogas: Oberfläche des Gärsubstrats im Pfropfenstrom-Fermenter einer Biogasanlage.

Verschiedene z. T. recht unterschiedliche Anlagenkonzepte werden in der Praxis angewendet. Vor allem die Zusammensetzung und Konsistenz des Substrats entscheiden, welches Konzept angewandt wird. Aber auch Rahmenbedingungen durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz, die die Vergütung für den eingespeisten Strom bestimmen, sind relevant. Ebenso können Vorschriften zur Hygienisierung und zur Vermeidung von Emissionen die Planung einer Biogasanlage beeinflussen.

NASS- UND TROCKENFERMENTATION

Ein Unterscheidungsmerkmal bei Biogasanlagen ist die Betriebsweise als Nass- oder Trockenfermentation oder -vergärung. Bei der Nassfermentation macht ein hoher Wasseranteil im Gärsubstrat die Masse rühr- und fließfähig und wird während der Fermentation durchmischt. Die Trockenfermentation oder auch Feststoffvergärung erfolgt mit stapelbarer organischer Biomasse. Im Gegensatz zur Nassvergärung wird hier das Gärgut weder verflüssigt, noch erfolgt eine ständige Durchmischung während der Vergärung. Die Verfahrenswahl hängt im Wesentlichen von den Substraten ab.

Für die Güllenutzung kommt nur die Nassvergärung in Frage, während strukturreiche Biomasse oft die für die Nassvergärung nötigen Rührwerke blockiert. Bei der Nassvergärung muss daher die feste Biomasse gut zerkleinert und mit Flüssigkeit pumpfähig gehalten werden. In Deutschland ist die Nassvergärung vorherrschend, weil die meisten Anlagen von Landwirten mit Viehzucht errichtet wurden, die häufig sowohl Energiepflanzen als auch Gülle einsetzen.

Domäne der Trockenfermentation ist die stapelbare Biomasse, wie sie im Garten- und Landschaftsbau anfällt sowie die Vergärung von Wiesen- oder Ackergras. Trockenfermentation wird auch als Ergänzung oder Ersatz zur Kompostierung eingesetzt. Jedoch ist die Bezeichnung „Trockenvergärung“ irreführend, da die für die Vergärung notwendigen Mikroorganismen für ihr Überleben und Stoffwechsel ein flüssiges Medium benötigen. Seit 2004 wurde im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) ein Technologiebonus von 2 Cent/kWh eingespeisten Strom für die Trockenfermentation bezahlt. In den folgenden Jahren nahm daher auch in der Landwirtschaft die Bedeutung der Trockenfermentation stark zu. Für neu errichtete Anlagen ab 2009 entfällt der Technologiebonus, da das Verfahren inzwischen als etablierte Technik gilt.

BATCH- UND KONTINUIERLICHE VERGÄRUNG

Die meisten Anlagen werden mit einer kontinuierlichen Vergärung betrieben, bei der dem Prozess laufend Substrat zugeführt wird und Biogas sowie Gärrest entnommen werden. Vorteilhaft sind die Automatisierbarkeit und die relativ gleichmäßige Gasproduktion, so dass nachfolgende Komponenten wie Gasreinigung, Blockheizkraftwerk (BHKW) und Gasaufbereitung ebenfalls kontinuierlich arbeiten. Neben der Nassvergärung (auch Nassfermentation) kann auch die Trockenvergärung (auch Trockenfermentation) einen kontinuierlichen Anlagenbetrieb erlauben. Wenn der Gehalt an Trockenmasse aber sehr hoch oder das Substrat sehr faserig ist, beispielsweise bei BiomüllHausmüll und Grünschnitt, wird häufig die Batch-Vergärung angewandt. Hierbei wird für jede Substratcharge die Biogaserzeugung abgeschlossen und der Fermenter entleert, bevor die nächste Charge eingebracht wird. Durch Staffelung mehrerer Fermenter wird auch hier eine quasi-kontinuierliche Gasproduktion möglich.

EIN- UND MEHRSTUFIGE ANLAGEN

Die einzelnen Schritte des mikrobiellen Abbaus haben bestimmte Optima. So läuft die Hydrolyse optimal bei einem niedrigen, leicht sauren pH-Wert, weshalb bei vielen Anlagen eine Hydrolysestufe mit nachgeschalteter Methanstufe vorhanden ist. Die Methanogenese läuft bevorzugt in leicht alkalischem Milieu ab. Häufig findet sich aber auch nur ein oder mehrere parallel geschaltete Fermenter ohne Trennung der Abbaustufen. In der Regel ist noch ein Lagerbehälter nachgeschaltet, der luftdicht abgeschlossen ist und daher als Nachgärer fungiert.

ANLAGENBETRIEB

Über das genaue Zusammenspiel der Mikroorganismen ist nur wenig bekannt. Daher ist es schwierig, die verschiedenen Parameter (Substratart, Substratmenge, Temperatur, Rührwerkseinstellungen, etc.) optimal einzustellen. Viele Maßnahmen beruhen auf Erfahrungen. In Forschungsprojekten werden Charakterisierungen der mikrobiologischen Populationen bzw. Gemeinschaften vorgenommen, um Zusammenhänge besser zu verstehen.

Zur Aufrechterhaltung des Fermentationsprozesses bei der Nassvergärung wird bei niedrigen Substratkonzentrationen ein nicht unerheblicher Teil der Abwärme aus der Biogasverstromung zur Aufrechterhaltung der Fermentertemperatur im mesophilen Zielbereich von 30 bis ca. 35 Grad Celsius benötigt. [2] Anlagen mit Trockenfermentation benötigen einen deutlich geringeren Anteil der produzierten Wärme. Für den Gesamtwirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit einer Biogasanlage ist die optimale Nutzung der Abwärme (Gebäudeheizung, Holz- und Getreidetrockung, etc.) ein wichtiger Faktor.

VERWENDUNG DER PRODUKTE

BIOGAS

Container-BHKW einer Biogasanlage. Über "Notkühler" (Ventilatoren) auf dem Dach wird die ungenutzte Wärme an die Umgebung abgegeben.
Hauptartikel: Biogas

Derzeit (2009) wird in Deutschland Biogas hauptsächlich direkt an der Biogasanlage zur dezentralen gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung (Kraft-Wärme-Kopplung) in Blockheizkraftwerken (BHKWs) genutzt. Dazu wird das Gasgemisch getrocknet, entschwefelt und dann einem Verbrennungsmotor zugeführt, der einen Generator antreibt. Der so produzierte Strom wird in das Netz eingespeist. Die in Abgas und Motorkühlwasser enthaltene Wärme wird in Wärmeaustauscher zurückgewonnen. Ein Teil der Wärme wird benötigt, um die Fermenter zu beheizen, da die Mikroorganismen, welche die Biomasse abbauen, am besten bei Temperaturen 30-37 °C (mesophil) oder 50-60 °C (thermophil) wachsen. Überschüssige Wärme des Motors kann beispielsweise zur Beheizung von Gebäuden, zum Trocknen der Ernte (Getreide) oder den Betrieb von Aquakulturanlagen verwendet werden. Besonders wirtschaftlich und energieeffizient arbeitet die Anlage, wenn die überschüssige Wärme ganzjährig genutzt oder verkauft werden kann.

BIOMETHAN

Hauptartikel: Biomethan

In mehreren Projekten wird das Biogas inzwischen in Aufbereitungsanlagen auf Erdgasqualität gereinigt und als Biomethan (Bioerdgas) in das Erdgasnetz eingespeist. Damit kann die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen an Standorten ohne Wärmeabnehmer verbessert werden. Das Bioerdgas kann beispielsweise in BHKWs verstromt werden, die direkt bei kontinuierlichen Wärmeabnehmern, wie z. B. Schwimmhallen, errichtet werden. Dadurch ist die Abwärme fast vollständig absetzbar. Aufbereitetes Biogas kann ebenso als Treibstoff für erdgasbetriebene Fahrzeuge eingesetzt werden. Die Anlagentechnik zur Aufbereitung von Biogas zu Biomethan und Einspeisung in das Erdgasnetz ist derzeit allerdings noch recht kostenintensiv und ist daher nur für „große Anlagen“ (ab 1,5 MWel) wirtschaftlich rentabel.

GÄRREST

Hauptartikel: Gärrest

Die Gärrückstände aus Biogasanlagen werden weitestgehend als landwirtschaftliche Düngemittel verwendet. Sie sind chemisch weit weniger aggressiv gegenüber den Pflanzen als Rohgülle, die Stickstoffverfügbarkeit ist höher und der Geruch weniger intensiv. Der Gärrest der Nassfermentation ("Biogasgülle") ist eine gülleähnliche Substanz. Bei der Trockenfermentation entsteht kein Kompost, sondern stabelbarer Gärrest der ebenfalls als Dünger eingesetzt werden kann und ungefähr die Hälfte der Ausgangsmenge ausmacht. Die Menge des Gärrests läst sich durch eine aerobe Nachbehandlung noch weiter verringern. Ausserdem wird durch diese Behandlung die Belastung durch Krankheitskeime (Entseuchung), sowie die Belastung durch Schwefelwasserstoffverbindungen verringert. Eine Verbrennung zur weiteren Mengenreduzierung und/oder Energiegewinnung ist möglich.

ENTWICKLUNG DER BIOGASANLAGEN

Der italienische Physiker Allesandro Volta gehört zu den Ersten, die Biogas untersucht haben. Schon 1789 hat er ein brennbares Gas aufgefangen, das im Sediment des Lago da Como entstand. Viele bekannte Wissenschaftler, darunter Faraday (der es als Kohlenwasserstoff identifizierte), Davy und Dalton haben die Experiment von Volta nachvollzogen. Avogardo entdeckt die chemische Formel für Methan (CH4). Dieses leicht zu erhaltende Gas erfreute sich im 19. Jahrhundert einer großen Beliebtheit bei physikalischen und chemischen Experimentalvorlesungen.

Ende des 19. Jahrhunderts entdeckte man, dass Abwasser mittels anerober Vergärung geklärt werden kann. Ab 1906 entstanden im Ruhrgebiet Abwasserreinigungsanlagen mit beheizten Fermentern. Ziel war damals (wie später auch) eigentlich NICHT die Biogasgewinnung, sondern die Abfallveringerung. Erst von etwa 1922 an wurde es aufgefangen und in das städtische Gasnetz eingespeist. Einige Klärwerke verdienten damit soviel, daß sie ihre Betriebskosten decken konnten. Bis 1937 hatten einige deutsche Städte ihren Fuhrpark auf Biogas umgestellt. Die Müllabfuhr der Stadt Zürich fuhr bis 1973 mit Biogas.

Erste Versuche Biogas nicht nur aus Abwasser zu gewinnen, wurden in den späten 30er Jahren und 50er Jahren zuerst mit Festmist und später mit Gülle gemacht. Es entstanden damals ca. 50 Anlagen. Wegen dem damals immer billigern Erdöl hat man diese Versuche wieder eingestellt.

In der Energiekrise von 1973 wurde die Biogastechnick wieder aktuell. Aber durche fallende Erölpreise wurden die weitere Entwicklung dann auch wieder gebremst.

 

Aktuelle Entwicklung in Deutschland:

Der Anbau nachwachsender Rohstoffe zur Biogasnutzung in Deutschland ist von 400.000 ha im Jahr 2007 auf 530.000 ha im Jahr 2009 gestiegen.[3]

Auch die Zahl der Anlagen sowie der installierten elektrischen Leistung ist in den vergangenen Jahren stark gestiegen. Ein vergleichsweise hoher Anstieg lässt sich mit der seit 2004 gültigen ersten Novelle des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ausmachen. Betrug die Zahl der Anlagen im Jahr 2004 vor der Novelle noch 2010, so waren es 2005 schon 2690 Anlagen in Deutschland. Im Jahr 2007 ist diese Zahl auf 3711 weiter gestiegen. Diese Entwicklung lässt sich durch die Erhöhung der Vergütung der durch Biogasanlagen erzeugten kWh erklären. Die elektrische Leistung stieg von 247 MW im Jahr 2004 über 665 MW 2005 bis auf 1270 MW 2007. Da die Leistung neu installierter Anlagen zunimmt, steigt die Gesamtleistung schneller als die Anzahl der Anlagen. Weil viele Biogasanlagen einen großen Anteil der Abwärme ungenutzt an die Umwelt abgeben, besteht hier noch weiteres Potential, z.B. durch den Aufbau von Nahwärmenetzen oder die Aufbereitung zu Biomethan.[4]

Mit der seit 2009 gültigen 2. Novelle des EEG wurde ein Güllebonus eingeführt, der kleinere Anlagen mit hohem Gülleanteil fördern soll. In Deutschland werden schätzungsweise lediglich 15% der verfügbaren Gülle aus der Tierhaltung energetisch genutzt. Mit der Nutzung dieses Potenzials könnte die Biogastechnologie ihren Beitrag zum Klimaschutz weiter ausbauen.

 

Entwicklung ausserhalb Deutschland:

Durch die grosse Menge von landwirtschaftliche Abfällen und Gülle haben die Niederlande, Schweiz und Schweden die meisten Erfahrungen mit Biogas. In diesen Ländern werden BHKW seltener genutzt. Hier wird das Biogas zu Biomethan aufbereitet. In den Niederlanden und der Schweiz wird es in das Erdgasnetz eingespeist. In Schweden wird es für Kraftfahrzeuge genutzt.

In den Entwicklungsländern wurden in den 70er Jahren die ersten Biogasanlagen erstellt (z.B. in Indien). Auch hier wurde zuerst das Biogas aus Mist und Kot gewonnen und vor allem für Koch- und Heizzwecke genutzt. Es gilt hier als wichtiger Faktor gegen die Abholzung. Die Stromerzeugung ist von geringerem Interesse. Besonders die dezentrale Nutzung und die Kleinanlagen sollen direkt vor Ort die Lebensqualität der Menschen verbessern. Führend sind hier Indien, Botswana und China.

VERGÜTUNG IN DEUTSCHLAND

In Deutschland wird das Einspeisen von regenerativ erzeugtem Strom in das Stromnetz durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) geregelt. Die Betreiber der Übertragungsnetze müssen den erzeugten Strom zu definierten Preisen abnehmen, können diese Kosten aber an den Endkunden weiterreichen. Zwischen den Übertragungsnetzbetreibern findet ein Ausgleich der Mehrkosten für die Pflichtabnahme des Stroms statt, so dass die Mehrbelastung des Endkunden bundesweit gleich ist. Die Vergütungshöhe gemäß EEG-Novelle 2009 ist in der unten stehenden Tabelle vereinfacht aufgeführt.[5] Wenn das Biogas nur thermisch verwertet wird, erhält der Biogasanlagenbetreiber keine EEG-Vergütung. Für Deponie- und Klärgas sind im EEG eigene Mindestvergütungssätze und Boni festgelegt.

€-ct/kWhel Grundvergütung (2009) NaWaRo-Bonus KWK-Bonus Technologiebonus Güllebonus Formaldehydbonus
bis 150 kWel 11,67 7 3 bis 2 4 1
bis 500 kWel 9,18 7 3 bis 2 1 1
bis 5 MWel 8,25 4 3 bis 2 0 0
bis 20 MWel 7,79 0 3 0 0 0

Die Vergütungshöhe ist, ab dem Jahr der Inbetriebnahme, für 20 Jahre garantiert. Ein Inflationsausgleich findet nicht statt. Für Neuanlagen gilt eine Degression der Vergütung von 1 % pro Jahr. Für eine Anlage, die 2009 in Betrieb genommen wurde, gelten also für 20 Jahre die Vergütungssätze nach EEG 2009. Eine Anlage, die 2010 in Betrieb genommen wird, bekommt für 20 Jahre 99 % dieser Sätze usw.

Der Nawaro-Bonus wird gewährt, wenn in der Biogasanlage nur Pflanzen oder pflanzliche Bestandteile verwendet werden, die in der LandwirtschaftForstwirtschaft, im Gartenbau oder in der Landschaftspflege anfallen und keinen anderen Zweck als die Verwertung in der Biogasanlage haben. Darüber hinaus darf auch Gülle in einer Nawaro-Anlage verwendet werden. Bei mindestens 30 % Gülleanteil am Substrat (jederzeit) wird zudem ein Gülle-Bonus gewährt, der bei Anlagen bis 150 kWel 4 Cent, bei Anlagen bis 500 kWel 1 Cent/ kWhel beträgt.

Die Höhe des KWK-Bonus ist, je nach Anlagenkonzept, variabel. Er hängt zum einen von der Stromkennzahl (SKZ) ab, die sich durch Division des elektrischen durch den thermischen Wirkungsgrad des Blockheizkraftwerkes berechnet. Durch Multiplikation von SKZ und der Menge (kWhth) der tatsächlich und sinnvoll genutzten BHKW-Abwärme ergibt sich die Strommenge (kWhel), für die der Bonus tatsächlich gewährt wird. Ein hoher elektrischer Wirkungsgrad und eine große Menge tatsächlich genutzter Wärme sorgen also für einen hohen Bonus. Förderwürdige Wärmenutzungskonzepte sind durch das EEG 2009 definiert.

Der Technologiebonus wird bei Verwendung von neuartigen Technologien in der Biogasanlage gewährt, sofern eine Wärmenutzung stattfindet oder bestimmte elektrische Wirkungsgrade erreicht werden. Diese können z. B. die Verwendung eines Stirlingmotors, einer ORC-Turbine, eines Kalina-Prozesses, einer Brennstoffzelle oder einer Gasturbine sein. Zudem gilt der Bonus bei Aufbereitung des Biogases auf Erdgasqualität zur Einspeisung in das Gasnetz, sowie bei bestimmten Verfahren zur Vergärung von Bioabfällen.

Bei Anlagen bis 500 kWel wird ein Emissionsminderungs-Bonus (Erhöhung der Grundvergütung um 1,0 c/kWh für Anlagen nach BImSchG bei Einhaltung der entsprechenden Formaldehydgrenzwerte nach Emissionsminimierungsgebot der TA Luft) von 1 Cent/ kWh gewährt, wenn bestimmte Grenzwerte eingehalten werden.

Wesentliche Neuerungen gegenüber dem EEG 2004 sind die Abschaffung des Technologiebonus für Trockenfermentation, die Erhöhung der Grundvergütung von Kleinanlagen und des Nawaro-Bonus, die Einführung eines Gülle- Landschaftspflegematerial-und Emissionsminderungs-Bonus und die strukturierte Förderung der Gaseinspeisung unterschiedlicher Kapazitäten sowie zahlreiche Detailregelungen.

SICHERHEIT

Da in Biogasanlagen große Mengen brennbarer Gase erzeugt und verarbeitet werden, ist die Betriebssicherheit von großer Bedeutung. Bei falscher Bedienung der Biogasanlage, bei Konstruktionsfehlern und Materialschäden besteht die Möglichkeit einer Verpuffung bzw. Explosion, wie u.a. bei drei Unfällen in Biogasanlagen im Jahr 2007 deutlich wurde (in RiedlingenWalzbachtal und Deiderode)[6]. Folgenschwer können damit verbundene Umweltschäden sein, vor allem durch Eintrag von Gärsubstraten oder Gärrest in Gewässer, wie es bei Biogasunfällen in Barßel und in Bassum der Fall war[7]. In Einzelfällen können auch Schadgase in erheblichem Umfang emittiert werden, z.B. Schwefelwasserstoff bei einem Unfall bei Zeven im Jahr 2005, bei dem vier Menschen starben[8].

VOR- UND NACHTEILE

Biogasanlagen sind neben WasserkraftwerkenSolaranlagenBiomasseheiz(-kraft-)werken und Windkraftanlagen wichtige Erzeuger von Strom und Wärme aus erneuerbaren Energien. Je nach Substrattyp und Anlagenbauweise haben Biogasanlagen Vor- und Nachteile:

VORTEILE

  • Regenerative Energiequelle (nachwachsende, örtlich verfügbaren Rohstoffen) bzw. Einsparung fossiler Energieträger
  • Verwendung bisher ungenutzter Pflanzen und Pflanzenteile (Zwischenfrüchte, Pflanzenreste, etc.)
  • Hohe Energieausbeute pro Anbaufläche im Vergleich mit anderen Bioenergien (BiodieselBtL)
  • CO2-Ausstoß ist fast neutral, allerdings muss man den Anbau- und Erntevorgang, Düngung, etc. mit berücksichtigen
  • Dezentrale Stromerzeugung kann Transportstrecke zum Endverbraucher verringern
  • Durch kontinuierliche Stromerzeugung grundlastfähig, könnte alternativ aber auch Regelenergie bereitstellen, somit gute Ergänzung zu Strom aus Windkraft- und Solaranlagen
  • Verbesserte Düngerqualität des Gärrests im Vergleich zu Rohgülle:
- verringerte Geruchsintensität und Ätzwirkung bei der Ausbringung
- bessere Pflanzenverfügbarkeit der Nährstoffe
  • Vergärung von Gülle verhindert die sonst bei der Lagerung entstehenden Methan- und Geruchsemissionen (Minimierung THG-Emissionen)
  • Biogas kann zur Produktion von Strom, Wärme und kann als gereinigtes Methan als Treibstoff für umgerüstete Kraftfahrzeuge verwendet werden.
  • Entgegen anderer erneuerbaren Energien wie Wind und Sonne ist Biogas ein wetterunabhängiger, speicherbarer Energieträger (Spiteznlastabdeckung)
  • Aufbereitetes Biogas kann als Biomethan in das Erdgasnetz eingespeist und als Erdgasersatz verwendet werden (Minimierung THG-Emissionen)
  • Wertschöpfungserhöhung / Einkommensalternative für den landwirtschaftlichen Raum
  • Einsparung von Kunstdünger durch ackerbauliche Gärrestnutzung
  • Nutzung von Bioanfällen, Reststoffen und Nebenprodukte möglich

 

NACHTEILE

Biogasanlage mit 240 Kilowatt Leistung auf einem Bauernhof in Niederbrechen, Hessen, Baujahr 2004
  • Negative Umwelteinflüsse durch intensive Landwirtschaft (Monokulturen, Boden- und Grundwasserbelastung, Artenrückgang).
  • Regionale Flächenkonkurrenzen zwischen Anbauflächen für Nahrungsmittel-, Futtermittel und Energiepflanzenerzeugung möglich.
  • In der Biogasanlage entstehende Gase können bei unsachgemäßem Umgang zur Explosion, Erstickung oder Vergiftung führen. Proteinreiche Substrate können zu relativ hohen Anteilen des hochgiftigen Schwefelwasserstoff im Biogas führen. Entsprechende Sicherheitsvorschriften sind einzuhalten.
  • Methan hat pro Masse einen 25-fach höheren Treibhauseffekt als Kohlendioxid. Daher sind Emissionen an Biogasanlagen durch ein ordnungsgemäßen Betreib zu vermeiden.[9]
  • Für die Ausbringung des Gärrests müssen genügend Flächen zur Verfügung stehen. Jedoch sind die Flächen für den Substratanbau hierfür meist ausreichend.
  • In den Wintermonaten darf keine Gülle und kein Gärrest ausgebracht werden. Während dieser Zeit muss der Gärrest – ebenso wie unvergorene Gülle aus der Tierhaltung – gelagert werden. Entsprechende Lagerkapazitäten sind nachzuweisen und werden daher in der Regel bereits beim Bau einer Biogasanlage eingerichtet.
  • Es muss verhindert werden, dass Gülle von Tieren, die mit Antibiotika behandelt worden sind, in zu hoher Konzentration in den Faulbehälter gelangt.

 

LITERATUR

  • Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR): Handreichung Biogasgewinnung und -nutzung, 4. Aufl. 2009. ISBN 3-00-014333-5 (pdf)
Umfassendes, aktuelles 233-Seiten Literaturwerk zum Thema Biogas und (landwirtschaftliche) Biogasanlagen. Die Handreichung kann kostenlos von der FNR bezogen werden.
  • Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR): Biogas-Messprogramm II - 61 Biogasanlagen im Vergleich, 1. Aufl. 2010, ISBN 978-3-9803927-8-5

([2])

Umfassendes, aktuelles 168-Seiten Literaturwerk zum Vergleich von 61 Biomasse-Biogasanlagen, die ausschließlich Energiepflanzen und Wirtschaftsdünger einsetzen. Es kann kostenlos von der FNR bezogen werden.
  • Bayerisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz (StMUGV): Biogas Handbuch Bayern. München, 15. November 2004.
Die kostenlose Broschüre (50 Seiten) enthält Grundlagen und Techniken zur Biogasgewinnung sowie Informationen zu Genehmigungsverfahren. Kurzfassung Langfassung
  • B. Eder, H. Schulz: Biogas Praxis. Grundlagen, Planung, Anlagebau, Beispiele und Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen ökobuch Verlag Staufen 2006, 3. Auflage, ISBN 978-3-936896-13-8
  • M. Madigan, J. Martinko, J. Parker: Brock - Mikrobiologie, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, deutsche Übersetzung, Berlin 2001, ISBN 978-3-8274-0566-1
  • Bundesverband der landwirtschaftlichen Berufsgenossenschaften (Hrsg.): Sicherheitsregeln für Biogasanlagen, unter http://www.lsv.de/fob/66dokumente/info0095.pdf
  • aid-Infodienst: Broschüre Biogasanlagen in der Landwirtschaft, 5. Aufl. 2009, ISBN 978-3-8308-0856-5
  • Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V. (KTBL): Faustzahlen Biogas, 2. Aufl. 2009, ISBN 978-3-941583-28-3

EINZELNACHWEISE

  1. ↑ a b Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR): Biogas Basisdaten Deutschland Stand: Januar 2008.
  2.  Grundlagen Biogas [1]
  3.  Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.: [day=20&cHash=549 Deutschland setzt weiter auf nachwachsende Rohstoffe].
  4.  Fachverband Biogas: Monitoring zur Wirkung des EEG auf die Entwicklung der Stromerzeugung aus Biomasse (BMU, 2007) Fachverband Biogas (2007)
  5.  - Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG 2009), verfügbar bei juris.de
  6.  Spiegel online: Biogasanlage explodiert, 16. Dezember 2007;Schwäbische ZeitungHavarie in der Biogasanlage: Gutachten macht Betreibern Hoffnung, 26. August 2008
  7.  NWZ online: Schweißfunken entfachen Feuer 23. September 2008
  8.  NWZ online: Biogas erhitzt die Gemüter, 24. September 2008
  9.  Klimabilanz von Biogasstrom, Information der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL), August 2007, 12 Seiten, als pdf

8. ↑ Klimabilanz von Biogasstrom, Information der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL), August 2007, 12 Seiten, als pdf

9. ↑ Anaerobtechnik, Wolfgang Bischofsberger, Karl-Heinz Rosenwinkel, Norbert Dichtl, Carl Franz Seyfried, Botho Böhnke †, Jens Bsdok und Thorsten Schröter. Springer Verlag 10. ↑ Methanobacteriales Balch and Wolfe 1981 11. ↑ http://www.flygt.de/1239423.pdf Schätzungen des Fachverband Biogasanlagen e.V. 12. ↑ http://www.deutsche-melasse.de/Biogasproduktion-und-Glyzerin.138.0.html 13. ↑ http://www.alb-hessen.de/veroeffentlichungen/Helffrich%20methavis-5.11.08.pdf

 

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