Biogas

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Biogas ist ein Gemisch aus den Hauptkomponenten Methan und Kohlenstoffdioxid. Der wertgebende Anteil, der energetisch genutzt wird, ist das Methan. Daneben enthält es je nach Ausgangsbedingungen geringe Mengen an Wasserdampf, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasserstoff, N₂ (Luftstickstoff, bei biologischer Entschwefelung) und Spuren von niederen Fettsäuren und Alkoholen.

Inhaltsverzeichnis

1 Allgemeines Wissen
2 Zusammensetzung
3 Herstellung
4 Nutzung
- 4.1 Deutschland
- 4.2 Schweiz
5 Siehe auch
6 Literatur
7 Weblinks
8 Quellen

Allgemeines Wissen

Speicher Biogasanlage Güssing Burgenland Österreich

Eine Biogasanlage in Neuhaus (Oste)

Biogas entsteht bei der anaeroben (sauerstofffreien) Vergärung von organischem Material. Als Ausgangsstoffe für die technische Produktion von Biogas eignen sich:

vergärbare, biomassehaltige Reststoffe wie Klärschlamm, Bioabfall oder Speisereste,
Wirtschaftsdünger (Gülle, Mist),
gezielt angebaute Energiepflanzen (Nachwachsende Rohstoffe).

Dabei stellt die Landwirtschaft mit den beiden letztgenannten Möglichkeiten das größte Potenzial für die Produktion von Biogas.

Je nach Herkunft wird nach

Klärgas (aus Kläranlagen), (das Gas wird bei großen Kläranlagen nach Reinigung in Gasmotoren zur Stromerzeugung verwendet, mit dem zum Beispiel die Gebläse für die Belebtschlammbecken angetrieben werden),
Deponiegas (aus Deponien) und
Biogas (aus Pflanzen hergestellt in Biogasanlagen)

unterschieden.

Im Falle der unkontrollierten Entstehung durch natürliche Prozesse und der ungenutzten Entweichung in die Atmosphäre - aus Gewässern, Mist, Reisfeldern und tierischen Quellen wie dem Pansen von Wiederkäuern - nennt man das Gas im allgemeinen Faulgas oder Sumpfgas.

Biogas enthält stets auch unerwünschte Bestandteile wie Schwefelwasserstoff, die ihm bei Bedarf vor der technischen Nutzung entzogen werden. Biogas wird in Deutschland aufgrund der gesetzlich garantierten Vergütung bisher meist als Brennstoff für Blockheizkraftwerke zur Stromerzeugung oder zu Heizungszwecken genutzt. In Schweden, wo die Stromerzeugung aus Biogas wegen niedrigerer Strompreise unrentabel ist, ist hingegen die Aufbereitung auf Erdgasqualität und Einspeisung ins Gasnetz sowie die Nutzung als Treibstoff in Gasfahrzeugen (sog. fordonsgas) die am weitesten verbreitete Nutzungsvariante. Auch in Deutschland denkt man über die Einspeisung von Biogas in Erdgasleitungen nach. ^[1]

Zusammensetzung

Die in der Literatur zu findenden Angaben zur Zusammensetzung von Biogas schwanken stark. Generell gilt, dass die Gaszusammensetzung von diversen Parametern, wie Substratzusammensetzung und Betriebsweise des Faulbehälters, abhängen. Die folgende Tabelle zeigt Anhaltswerte für die wichtigsten enthaltenen Gase nach der neuesten DVGW-Studie.

	Schwankungsbreite	Durchschnitt
Methan	45-70 %	60 %
Kohlendioxid	25-55 %	35 %
Wasserdampf	0-10 %	3,1 %
Stickstoff	0,01-5 %	1 %
Sauerstoff	0,01-2 %	0,3 %
Wasserstoff	0-1 %	< 1%
Ammoniak	0,01-2,5 mg/m³	0,7 mg/m³
Schwefelwasserstoff	10-30.000 mg/m³	500 mg/m³

Wertvoll im Biogas ist das Methan. Je höher dessen Anteil ist, desto energiereicher ist das Gas. Nicht nutzbar sind das Kohlendioxid und der Wasserdampf. Problematisch im Biogas sind vor allem der Schwefelwasserstoff und der Ammoniakanteil, die vor dem Verbrennungsvorgang entfernt werden müssen, um die Gasmotoren vor diesen chemisch aggressiven Substanzen zu schützen.

Herstellung

Biogas aus Energiepflanzen

Analog zur Verwendung von Holz in Biomasseheizkraftwerken werden vermehrt Pflanzen gezielt zur Verfaulung in Biogasanlagen, d.h. zur Produktion von Biogas angebaut. Dies können im Prinzip alle ackerbaulich genutzten Früchte oder Gras sein. Aktuell (2004) ist die Nutzung von Mais, Getreide (Acker) und Gras (Wiese) am weitesten verbreitet.

Zur Abschätzung der Nutzung für die Stromproduktion bei durchschnittlichem Wirkungsgrad:

1 ha Mais = ca. 2 kW elektr. Dauerleistung

1 ha Getreide = ca. 1,5 kW

1 ha Gras = ca. 1 kW

Gülle von 1 Kuh = ca. 0,15 kW

Beispiel: Mit der Gülle von 4 Kühen bzw. von 32 Schweinen oder mit dem Ertrag von 6.000 Quadratmeter Silomaisfläche könnte man genügend Biogas herstellen, um einen Vier-Personen-Haushalt mit Strom zu versorgen.

Technologie

Die Biogaserzeugung findet in einer Biogasanlage statt. In dem gesteuerten Prozess der Biogasentstehung sind verschiedenste Arten von anaeroben Mikroorganismen beteiligt, deren Mengenverhältnis zueinander durch Ausgangsstoffe, pH-Wert, Temperatur- und Faulungsverlauf beeinflusst wird. Aufgrund der Anpassungsfähigkeit dieser Mikroorganismen an die Prozessbedingungen können nahezu alle organischen Substanzen durch Verfaulen abgebaut werden. Lediglich höhere Holzanteile können durch das mikrobiologisch schwer zersetzbare Lignin schlecht verwertet werden. Voraussetzung für eine erfolgreiche Methanbildung ist ein Wasseranteil im Ausgangssubstrat von mindestens 50 %.

Man unterscheidet nach dem heutigen Erkenntnisstand vier parallel bzw. nacheinander ablaufende und ineinandergreifende biochemische Einzelprozesse, die den anaeroben Abbau biogener Substanzen ermöglichen:

Biogasprozess schematisch

Während der Hydrolyse werden die Biopolymere in monomere Grundbausteine oder andere lösliche Abbauprodukte zerlegt. Hierbei kann festgestellt werden, dass Fette in Fettsäuren, Kohlenhydrate, wie z.B. Polysaccharide in Mono- oder Oligosaccharide und Proteine, wie Eiweiße in Peptide bzw. Aminosäuren zerlegt werden. Diese Reaktion wird durch fakultativ anaerobe Mikroorganismen katalysiert, wobei diese durch Ausschüttung von Exoenzymen die Hydrolyse der Edukte vollziehen. Dieser Reaktionsschritt ist aufgrund der Komplexität des Ausgangsmaterials geschwindigkeitsbestimmend.
Im Rahmen der Acidogenese (allgemeinsprachlich auch als Fermentation bezeichnet) – die zeitgleich zur Hydrolyse stattfindet – werden die monomeren Interdukte einerseits in niedere Fett-/Carbonsäuren, wie z.B. Butter-, Propion- und Essigsäure, andererseits in niedere Alkohole, wie z.B. Ethanol, umgesetzt. Bei diesem Umsetzungsschritt verzeichnen die fakultativ anaeroben Mikroorganismen erstmals einen Energiegewinn. Bei dieser Umsetzung werden bereits bis zu 20 % des Gesamtanteils an Essigsäure gebildet.
Während der Acetogenese werden die niederen Fett- und Karbonsäuren sowie die niederen Alkohole durch acetogene Mikroorganismen primär zu Essigsäure, bzw. deren gelöstem Salz, dem Acetat umgesetzt.
In der letzten, obligat anaerob ablaufenden Phase – der Methanogenese – wird die Essigsäure durch entsprechend acetoclastische Methanbildner nach Gleichung 1 in Methan umgewandelt. Etwa 30% des Methans entstehen nach Gleichung 2 aus Wasserstoff und CO₂.

$\mathrm{CH_3COOH \rightarrow CO_2 + CH_4 }$ (Gleichung 1)

$\mathrm{CO_2 + 4 H_2 \rightarrow CH_4 + 2 H_2O}$ (Gleichung 2)

Zurück bleibt ein Gemisch aus schwer abbaubarem organischem Material, beispielsweise Lignin und anorganischen Stoffen wie zum Beispiel Sand oder anderen Mineralien, der sogenannte Gärrest. Er kann als Dünger verwendet werden, da er noch alle Spurenelemente und zusätzlich noch fast den gesamten Stickstoff des Substrates in bioverfügbarer Form (NH4+ bei neutralem pH) enthält.

Der mikrobiologische Prozess der Biogaserzeugung, läuft bis heute noch als sogenannte "Black Box" ab. Das bedeutet, dass man zwar weiß, was in den Reaktor hinein- und was herauskommt, der mikrobiologische Prozess dazwischen ist jedoch noch weitgehend unerforscht. So ist es schwierig, Steuerungsparameter für einen geregelten und auf maximale Methanausbeute ausgelegten Ablauf zu finden (meist beruhen diese auf Erfahrung), das Zusammenspiel der Mikroorganismen ist aber nur unzureichend bekannt. Forschungsprojekte zur Erklärung des genauen Ablaufs und der Charakterisierung der mikrobiologischen Populationen bzw. Gemeinschaften werden bald Aufschluss über den genauen Verlauf geben können.

Zur Aufrechterhaltung des Faulprozesses wird bei niedrigen Substratkonzentrationen und damit großen Wassermengen etwa die Hälfte der Abwärme aus der Stromproduktion mit Biogas zur Aufrechterhaltung der Temperatur der Biogasanlage benötigt. Die verbleibende Wärme kann für andere Heizzwecke verwendet werden. Für den Gesamtwirkungsgrad einer solchen Anlage ist daher die optimale Nutzung der Abwärme und eine Temperaturregelung im Prozess entscheidend.

Reinigen und Aufbereitung

Wie im Abschnitt vorher (Zusammensetzung von Biogas) schon angedeutet wirken sich die Verunreinigungen durch Schwefelwasserstoff und Ammoniak negativ auf die Nutzung von Biogas aus. Es ist daher fast immer notwendig, eine Reinigung und Aufbereitung vorzunehmen. Im Wesentlichen sind das vier Verfahrensschritte.

Entschwefelung

Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Gegebenenfalls sind mehrere Stufen nötig wie Grob- bzw. Feinentschwefelung.

Die Reinigung nach der Gasproduktion durch Entschwefelungsfilter. Hier wird das Gas durch eisenhaltiges Filtermaterial geleitet. Das Filtermaterial muss ausgetauscht werden, wenn das Füllmaterial gesättigt ist.
Die Reinigung im Gasraum durch Zugabe von Sauerstoff. Das H₂S (Schwefelwasserstoff) wird in elementaren Schwefel umgewandelt. Der Schwefel lagert sich im Gasraum ab. Dies ist bisher die gängigste Methode, hat aber den Nachteil, dass der Schwefel die Biogasanlage nicht verlassen kann, daher ist das Verfahren nur für sehr geringe Konzentrationen von Schwefelwasserstoff geeignet.
Bei hohen Proteinanteilen im Ausgangssubtrat können die Schwefelwasserstoffkonzentrationen schon 20000 ppm übersteigen. Hier ist jeder Filter überfordert. Die Zugabe von Eisen-II-ionen hilft hier die Bildung von Schwefelwasserstoff im Faulbehälter wegen der hohen Affinität zum Eisen zu verhindern. Das Eisen verbindet sich mit Schwefel zu unlöslichen Eisensulfid (FeS). Das Eisensulfid verbleibt als Feststoff in der Gülle.

Zu beachten ist hier die Hemmwirkung des in der Gülle gelösten Schwefelwasserstoffes auf die Methanbildung. Wird nur auf die Entschwefelung des Gases (obige Punkte 1 und 2) geachtet und die im Punkt 3 beschriebene Entschwefelung vernachlässigt, geht ab einer bestimmten H₂S-Konzentrationen die Methanbildung durch Vergiftung der Methan erzeugenden Bakterien bis auf Null zurück.

Verdichtung

Die Verdichtung von Biogas ist meist dann notwendig, wenn Biogas, nach dessen Aufbereitung, in das Erdgasnetz eingespeist werden soll. Vor allem aber für die Nutzung als Treibstoff ist eine starke Komprimierung auf über 200 bar notwendig, um ausreichende Energiedichten zu erhalten. Solch hohe Drücke sind nur mit einer mehrstufigen Verdichtung realisierbar.

Trocknung

Biogas wird durch die Kühlung des Gases im Erdreich oder durch Kompressorkälte entfeuchtet. Die Unterschreitung der Taupunkttemperatur des Wasserdampfes lässt das Wasser kondensieren (von der gasförmigen in die flüssige Phase übergehen). Dann kann das Wasser in Tiefpunkten der meist erdverlegten Biogasleitung gesammelt und abgeleitet werden. Bei einer Kühlung durch Kältemaschinen fällt das Wasser im Biogas an den Kälteregistern aus und kann dort gesammelt und abgeleitet werden.

CO₂-Abtrennung

Die Aufbereitung des Biogases umfasst neben den bereits geschilderten Verfahren zur Entschwefelung und zur Reduzierung des Ammoniak-Anteils vor allem die Reduzierung des CO₂- und O₂-Anteils. Die derzeit gängigen Verfahren der Methananreicherung durch CO₂-Abtrennung sind Gaswäschen wie z.B. die Druckwasserwäsche (Absorptionsverfahren mit Wasser oder speziellen Waschmitteln) und die Druckwechsel-Adsorption (Adsorptionsverfahren an Aktivkohle). Daneben sind weitere Verfahren wie eine kryogene Gastrennung (mittels tiefen Temperaturen) oder eine Gastrennung durch eine Membran in der Entwicklung für eine allgemeine Anwendung im Biogasbereich.

Nutzung

Deutschland

Die Angaben zur Nutzung von Biogas in Deutschland sind nicht ganz einheitlich wegen der nicht einheitlichen Zuordnung und Problemen der Datenerfassung. Manchmal wird Klärgas separat geführt, manchmal nicht; die Einordnung von Holzgas bleibt unklar. Nach dem unten aufgeführten Weblink (BMU) gibt es 2005 in Deutschland inzwischen ca. 2700 Biogasanlagen mit einer installierten elektrischen Leistung von 665 MW. Im Jahr 2005 wurden 2.500 GWh Strom erzeugt. Das entspricht 0,42 % des Gesamtstromverbrauchs von ca. 600.000 GWh in Deutschland. Die Quelle gibt diese Zahlen für Stromerzeugung aus gasförmigen Energieträgern an und enthält somit auch einen nicht aufgeschlüsselten Anteil von Strom aus Holzvergaseranlagen. Damit wird jährlich die Emission von 2,5 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid vermieden.

Allein für Niedersachsen wird das Potential auf mindestens 1.500 Anlagen geschätzt, die zusammen mit 2.600 GWh mindestens 5 Prozent des Gesamtstromverbrauches in Niedersachsen decken könnten.

Aufgrund der Unabhängigkeit von Wind oder Sonneneinstrahlung trägt die Biomasse und damit auch Biogas sinnvoll dazu bei, eine Ergänzung im Energiemix der Erneuerbaren Energieträger einzunehmen.

In Jameln im Wendland wurde im Juni 2006 die erste öffentliche Biogastankstelle in Deutschland eröffnet.

Schweiz

Ein mit Biogas betriebener Bus von BernMobil

Ein Schweizer Biogasanlagenbauer und -betreiber gewinnt aus der Fermentation von Bioabfällen Biogas. Dieses Unternehmen betreibt 22 von 83 Gastankstellen in der Schweiz. An vielen Gastankstellen wird unter der Bezeichnung "Naturgas" ein Gemisch von Kompogas und Erdgas verkauft. Im Mai 2007 betrug der Anteil von Kompogas im Raum Zürich ungefähr 40%, hingegen im Welschland 0%. Schweizweit soll der Anteil vom Biogas am "Naturgas" mindestens 10% betragen. In der Schweiz wird häufig von Kompogas gesprochen, wenn Biogas gemeint ist. Da zur Zeit schweizweit noch keine gesetzlich vorgeschriebenen Förderbeiträge (Einspeisevergütung für aus Biogas erzeugten Strom) bezahlt werden, wird das Potenzial der Biogasgewinnung in der Schweiz insbesondere in der Landwirtschaft noch relativ wenig ausgeschöpft. Das Potenzial von landwirtschaftlich betriebenen Biogasanlagen liegt in der Schweiz bei ca. 700 Anlagen bis 2020. Als wirtschaftlich problematisch sind zur Zeit die Co-Substrat-Exporte in die EU-Länder zu bewerten. Biogasanlagebetreiber in der Schweiz sind sehr häufig den Co-Substrat-Abnehmern aus den EU-Länder preislich unterlegen.

Siehe auch

Literatur

Biogas: Strom aus Gülle und Biomasse. Planung, Technik, Förderung, Rendite. Top agrar, Das Magazin für moderne Landwirtschaft. Landwirtschaftsverlag, o.O. 2000, ISBN 3-7843-3075-4
Martin Storh, Saarbrücken: "Vom Bauern zum Energielieferant. Die Zukunft des Energiewirt" (250 Seiten) kostenloses Buch über die Entwicklung der Biogas-Branche
Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR): diverse Studien und Publikationen zum Thema Biogas und anderen Bioenergieträgern unter http://www.bio-energie.de Rubrik "Literatur"
Heinz Schulz, Barbara Eder: Biogas-Praxis. Grundlagen, Planung, Anlagenbau, Beispiele. Ökobuch, o.O. 2005, ISBN 3-922964-59-1

Das Buch vermittelt die Grundlagen der Biogasentstehung bzw. -erzeugung und behandelt die Anlagentechnik (Behälter, Rührwerke, Gasspeicher) und die zugehörigen Betriebseinrichtungen. Ein eigenes Kapitel ist der Kofermentation organischer Reststoffe (z.B. aus der Lebensmittelverarbeitung) gewidmet, welche die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen verbessern kann. Mit einer Übersicht über Beratungsstellen und einem ausführlichen Lieferantenverzeichnis.

Bayerisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz (StMUGV): Biogas Handbuch Bayern. München, 15. November 2004. [1]

Die kostenlose Broschüre (50 Seiten) enthält Grundlagen und Techniken zur Biogasgewinnung sowie Informationen zu Genehmigungsverfahren. Der 500-seitige Materialband kann unter der Web-Adresse [2] heruntergeladen werden.

Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.: Frank Hofmann, André Plättner, Sönke Lulies, Dr.Frank Scholwin, Dr.Stefan Klinski, Klaus Diesel: Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz; Leipzig 2006; ISBN 3-00-018346-9 [3]
Bernward Janzing: Nicht förderwürdig - Mit Biodiesel ist eine flächendeckende Energieversorgung nicht möglich. - Biogas versus Biodiesel. In: taz 20.5.2006, S. 11
Analyse und Bewertung der Nutzung von Biomasse. Eine Studie im Auftrag des BGW und DVGW (Wuppertal Institut, 2005). Die Studie kann kostenlos unter www.bgw.de heruntergeladen werden.

Eine Darstellung der Biogas-Potenziale zur Einspeisung in das bestehende Erdgasnetz.