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Eine Einführung in Biogas, Biomethan und Anaerobe Gärung.
Ein Leitfaden für den Landkreis Schwäbisch Hall.
Abb1.: Biogasanlage Gailenkirchen
Quelle: energieZentrum
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Einführung
Biogas und Biomethan
Als Biogas wird das Gasgemisch bezeichnet, das durch den anaeroben Zersetzungsprozess (d.h.
unter Luftabschluss) biologisch abbaubarer Abfälle durch Bakterien entsteht. Der Zersetzungsprozess
ähnelt demjenigen, der im Tiermagen (ebenso beim Menschen) stattfindet. Das Ziel einer
Biogasanlage ist es, den Methangehalt bei variierender Rohstoffmischung zu maximieren, da dieses
Gas das primäre Heizgas darstellt. Ein weiterer Hauptbestandteil von Biogas ist Kohlenstoffdioxid. Der
Gärungsprozess, auf diese Weise Biogas herzustellen, ist auch unter dem Namen anaerobe Gärung
(anaerobic digestion) bekannt. Für diesen Prozess wurde eine Technologie entwickelt die geeignete
Bedingungen für die anaeroben Bakterien schafft, damit diese das organische Material aufschlüsseln
können. Unter Biomethan versteht man aufbereitetes Biogas, sodass schließlich fast nur noch pures
Methan enthalten ist.
Anaerobe Gärung
Die Technologie der anaeroben Gärung wird auf der ganzen Welt genutzt um Düngemittel und
brauchbare Energie aus organischen Stoffen herzustellen. So gibt es bspw. tausende sehr kleine
Gärbehälter in Ländern wie Nepal und Indien, die den Dung ein Paar Rinder oder Büffel als
Rohmaterial verwenden um damit Gas zum Kochen herzustellen. Diese zwischenzeitliche
Technologieoption ist in Europa nicht weit verbreitet, weil sie das ganze Jahr über
Quelle: Biogas eine Einführung: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.
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warme Temperaturen benötigt. Das große Pendant zu den kleinen Behältern ist aber auf Farmen in
Deutschland und besonders in Österreich weit verbreitet.
Das Bio-Methan Regions Projekt
Die Europäische Kommission hat in ihrem „Intelligent Energy Europe“ Programm vorgesehen ein
transnationales Projekt unter dem Namen Bio-Methan Regions zu gründen. Kurz gesagt baut dieses
Projekt auf die gesammelten Erfahrungen aus dem vorangegangenen Biogas Regions Projekt auf. Es
sieht vor, einen Zuwachs in der Anzahl der anaeroben Gärungsanlagen sowie in der Biogas- und
Biomethanproduktion EU-weit (vor allem in den Partnerregionen) zu erzielen. Die Partnerregionen
sind Österreich, England, Dänemark, Schweden, Frankreich, Belgien, Italien, Ungarn, Kroatien,
Slowenien und Deutschland.
Eine Kurzbeschreibung der sauerstofffreien Gärung
Die Rohmaterialien
Der anaerobe Gärungsprozess verbraucht nur eine geringe Menge der Nährstoffe, die in den
Rohstoffen enthalten sind und wandelt diese Nährstoffe in eine biologischere Form um. Deshalb
beinhaltet der Gärrest der bei diesem Prozess entsteht nützliche Mengen an Nährstoffen, die einfach
für Pflanzen verfügbar sind. Es gibt Rohstoffe, die ausschließlich für den Gärbehälter angebaut
werden wie bspw. Maissilage. Es können aber auch Abfallprodukte der verschiedensten Sorten sein.
Die Abfallprodukte können aus der Viehzucht (meist Dung), der Nahrungsmittelindustrie oder aus
Gemeinde- und Gewerbeabfällen stammen. Die ideale Rohstoffmischung sollte jedoch
Kohlenhydrate, Proteine und Fette enthalten. Dung ist meist ein nützlicher Grundrohstoff, da er
gesunde anaerobe Bakterien enthält, sein Energiegehalt ist letztendlich aber begrenzt.
Der biochemische Prozess
Der Abbau der chemischen Ketten der Rohstoffmaterialien ist komplex und läuft in vier Teilschritten
ab. Die erste Stufe ist die Hydrolyse, welche die chemischen Bindungen der Fette, Kohlenhydrate und
Eiweiße in einfache organische Verbindungen wie Zucker, Fett- und Aminosäuren aufbricht. In der
zweiten Phase (Acidogenese) werden die Produkte der Hydrolyse aufgebrochen zu Kohlenstoffdioxid,
Wasserstoff, Alkohol und organischen Säuren einschließlich Azetat abgebaut. Einige dieser Produkte
(z.B. Acetat, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid) können direkt von den Methan produzierenden
Bakterien auf der vierten Stufe, der anaeroben Gärung (Methanogenese), verbraucht werden. Andere
Produkte wie einige Alkohole und organische Säuren müssen von Acetat-Bildenden Bakterien zuerst
in Acetat umgewandelt werden, bevor sie von den Methan-Formenden Bakterien gebraucht werden
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können.
Wenn alle Prozesse im Einklang verlaufen, entsteht ein natürlicher Puffer gegen die Zuführung von
übersäuerten Rohstoffen durch die Produktion von Kalziumkarbonat. Unter optimalen Bedingungen
verbleibt der pH-Wert stabil zwischen 7,5 und 8 (schwach alkalisch), mit einer Gasqualität zwischen
55% und 65% Methangehalt.
Die vier Schlüsselprozesse in der anaeroben Gärung – Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und
Methanogenese – können gleichzeitig in einem einzigen Gärkessel auftreten. Sie sind stark
voneinander abhängig und wenn die Bakterien nicht gut arbeiten kann es zu einer gegenseitigen
Unterbindung der Prozesse kommen. Aus diesem Grund ist es kritisch die Rohstoffe im Behälter zu
mischen, da sie eine Schicht bilden können und der Prozess sich dadurch verlangsamen kann. Die
ersten Stufen laufen am schnellsten ab, die letzten Stufen der Methanbildung laufen am langsamsten
ab. Die Temperatur im Gärbehälter ist ein weiterer Faktor der den Gärprozesses bestimmt und ein
Parameter der achtsam kontrolliert werden muss. Der Gärbehälter kann dazu bestimmt werden im
mesophilen (32-45°C) oder im thermophilen Bereich (50-60°C) zu arbeiten, welcher jedoch extra
Wärmezufuhr benötigt.
Die meisten gewerblichen Anlagen arbeiten mesophil, da
der Prozess stabiler und damit leichter zu kontrollieren ist.
Bei thermophilen Prozessen wird das Gas allerdings
schneller produziert, was zu einer kürzeren
Aufbewahrungszeit des Gärrests im Gärbehälter führt.
Allerdings benötigt man mehr Energie um diese Anlage
laufen zu lassen, wobei die Sensibilität der chemischen
Prozesse ein beträchtlicher Nachteil ist. Bei beiden
Prozessen ist es jedoch wichtig, die Temperatur so
gleichmäßig wie möglich zu halten.
Es ist entscheidend im Hinterkopf zu behalten, dass
anaerobe Gärung ein Prozess ist, der auf lebenden
Organismen beruht die auf die äußerlichen Umstände und
die Rohstoffe reagieren, die dem Behälter zugeführt
werden. Die Organismen sind in der Lage sich sehr schnell
zu vermehren, können aber auch von Giften wie Antibiotika
und Desinfektionsmitteln (in jedweder Dosis) unterdrückt
oder abgetötet werden. Quelle: Biogas eine Einführung: Fachagentur
Nachwachsende Rohstoffe e.V.
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Die Vorteile der sauerstofffreien Gärung
Nährstoffrecycling – Düngerproduktion
Im Gegensatz zum aeroben Kompostieren bindet der anaerobe Gärungsprozess die Nährstoffe und
konzentriert diese im Ausbringungsmaterial. Dieses Material ist ein hervorragendes Düngeprodukt,
welches Mineraldünger (Nitrat, Phosphat und Pottasche) direkt ersetzen kann. Normalerweise ist das
Material für ökologische Landwirtschaft geeignet solange garantiert werden kann, dass es frei von
genetisch veränderten Bestandteilen ist.
Mineraldünger wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen und hat somit eine beträchtliche CO2-Bilanz
sowie monetäre Kosten, die die Schwankungen des Ölpreises reflektieren. Der anaerobe Gärrest hat
im Vergleich dazu eine negative CO2-Bilanz und vorhersehbare Produktionskosten. Der Wert dieses
Düngeproduktes wird manchmal unterschätzt, bringt aber in den meisten Fällen erhebliche
landwirtschaftliche und ökologische Vorteile.
Es ist nicht immer notwendig bzw. wünschenswert die flüssigen und festen Bestandteile des Gärrests
zu trennen. Findet dies aber statt, so wird der feste Teil ein potenziell nützlicher Bodenverbesserer.
Die Vermeidung unkontrollierter Treibhausgasemissionen
Ausgenommen der speziell für die Gasproduktion angebauten Nutzpflanzen verrotten alle anderen
organischen Abfälle bei der Kompostierung aerob. Abhängig
von ihrer Beschaffenheit und den Umständen der Entsorgung
setzt dies Treibhausgase frei. Biologisch abbaubares
organisches Material welches nur deponiert ist, wird das sehr
starke Treibhausgas Methan freisetzen. Bei der Verbrennung
von biologisch abbaubarem Material werden Schadstoffe wie
Feinstaub, Stickstoffoxid und Schwefeloxid freigesetzt.
Kosteneffizientes Müllmanagement
Der Vorteil der anaeroben Gärung ist direkt mit der Vermeidung
von Treibhausgasen verbunden. Dieser Vorteil ist die treibende
Kraft für die Europäische Union und die deutschen Gesetze
gewesen, um rechtliche und finanzielle Anreize zu schaffen
biologische Abfälle einer anderen Bestimmung zu zuführen, weg
von den Mülldeponien. Trotz der umfassenden Kosten die durch
die getrennte Sammlung biologischer Abfälle entstehen, können
Abb. 3: Komprimierung von Biomethan
Quelle: energieZentrum
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es sich lokale Behörden einfach nicht leisten mit den alten Prozessen fort zu fahren. Besonders
Nahrungsmittelabfälle müssen in geschlossene Kompostierungsbehälter oder eine andere Form der
Energiewiederverwertung geleitet werden. Industrielle und kommerzielle Unternehmen werden durch
finanzielle Sanktionen angespornt alternative Wege der Müllbeseitigung anzustreben. Aus finanzieller
Perspektive ist die anaerobe Gärung eine attraktive Alternative, weil die Annahmegebühren für den
Abfall meist wettbewerbsfähiger und somit geringer sind, als für andere Alternativen. Die Gründe für
die geringere Annahmegebühr liegen in den höheren Einkommensströmen, die sich aus der
Energieproduktion ergeben.
Die Energiegewinnung beruht auf der effektiven Produktion von Methan, wie in der vorherigen Seite
bereits beschrieben wurde. Das Hauptziel des Managements biologisch abbaubaren Abfalls ist es,
dass kein Methan mehr durch Kompostierung entsteht.
Eine flexible Quelle der Erneuerbaren Energien
Biogas ist ein Brennstoff, der auf vielerlei Art und Weise genutzt werden kann um erneuerbare
Energie zu erzeugen. Abhängig von den genutzten Rohstoffen wird der Prozess der
Methangaserzeugung sogar besser als CO2 neutral erachtet, weil das Methangas von der natürlichen
Zersetzung der organischen Materialien eingefangen wird um erneuerbare Energien, frei von fossilen
Brennstoffen, zu liefern. Dieses Methangas würde ansonsten in die Atmosphäre freigesetzt und zu
einem 21mal schlimmeren Treibhausgas als Kohlenstoffdioxid werden. Anaerobe Gärung ist ein
besonders gutes Beispiel eines nachhaltigen Prozesses, weil es einen geschlossenen Kreislauf für
pflanzliche Nährstoffe, genauso wie für Kohlenstoffdioxid repräsentiert. Ein anderer Weg an das
Problem des Kohlenstoffdioxidausstoßes heran zu gehen ist es, die virtuelle Unvermeidbarkeit des
kurzzeitigen Ausstoßes zu erkennen – die Biomasse wird verwesen, um Kohlenstoffdioxid
freizusetzen wenn man sie einfach verrotten lässt.
Ein Fahrzeugtreibstoff
Biogas kann „aufgewertet“ werden, indem der große CO2 Anteil und die enorme Mehrheit anderer
Gase ausgefiltert und danach als Biomethan verkauft wird. Ist das Methangas einmal komprimiert, so
ist es nicht von komprimiertem Erdgas zu unterscheiden, welches bereits an einigen Tankstellen
verkauft wird. Die Emissionen dieses Brennstoffes sind viel sauberer als Benzin oder Diesel, und
enthalten keinen Feinstaub.
Wenn man Vergleiche zwischen Biomethan und dem weit verbreiteten Fahrzeugkraftstoff aus
Bioethanol und Biodiesel zieht, dann schneidet Biomethan in der Tat sehr gut ab.
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Biomethan als Netzgas
Durch einen der Herstellung des Fahrzeugkraftstoffs ähnlichen Prozess, kann Biogas bereits Netzgas
zugeordnet werden, welches ebenfalls zum Großteil aus Methan besteht. Es kann in das bestehende
Ferngasnetz eingespeist werden und als regenerativer Brennstoff verkauft werden. Dies verläuft so
ähnlich wie der Verkauf der erneuerbaren Energien aus dem Stromversorgungsnetz. Ist das
Biomethan einmal ins Netz eingespeist so ist es nicht mehr von fossilem Gas zu unterscheiden. So ist
es nur noch eine Frage der Dosierung und der Prüfung der eingespeisten Menge um die gleiche
Menge an Strom als erneuerbare Energie zu verkaufen.
Erneuerbare Wärme und Elektrizität
Das Biogas kann direkt als Brennstoff für Gasmaschinen oder für Turbinen zur Strom- und
Wärmeerzeugung genutzt werden, ohne dass es aufgewertet werden muss. Solch ein Generator kann
an einer Biogasanlage oder an einem entfernten Standort platziert werden, wohin das Gas mit einer
eigenen Pipeline transportiert wird. Der Generator kann aber auch an einem entfernteren Standort
stehen, wobei die zurückzulegende Strecke genutzt wird um das Biogas zu Biomethan umzuwandeln
und danach sofort ins Öffentliche Gasnetz einzuspeisen. Das Gas kann auch in einem Gasboiler
verbraucht werden, um ausschließlich Wärme zu erzeugen.
Beschreibung der anaeroben Gärungstechnologie
Einführung
Es ist schwierig eine „typische“ anaerobe Gärungsanlage zu beschreiben, weil es einen bedeutsamen
Unterschied bezüglich der verwendeten Rohstoffe zwischen den Anlagen gibt. Es gibt Unterschiede in
der resultierenden Verwendung des Biogases, in der
individuellen Bauart des Erzeugers sowie in den
Kundenvorgaben und derer seines/r Beraters/in. Die
große Mehrheit der bestehenden anaeroben
Gärungsanlagen in Europa fällt in die Kategorie der
„nassen“ Systeme. „Trockene“ Systeme entstehen
aber bereits als neue ernsthafte Alternativen. Die
folgende Beschreibung basiert sehr auf dem nassen
System. Die größten Unterschiede zu einer
trockenen Anlage, werden später genauer
beschrieben. Quelle: energieZentrum
Abb. 4: Silo für Maissilage
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Rohstoffannahme und Lagerung
Diese Punkte variieren stark von einem Rohstoff zum anderen. Flüssige Materialien werden
normalerweise in unterirdischen Tanks gelagert. Energiepflanzen hingegen werden normalerweise in
landwirtschaftlichen Silos oder Gebäuden gelagert, während Nahrungsmittelreste so schnell wie
möglich nach Erhalt in einem Gebäude verarbeitet werden müssen. Rohstoffe, die mit starken
Gerüchen verbunden sind benötigen Aufnahmehilfen, die den Geruch kontrollieren. Dies geschieht
entweder durch direktes Pumpen des Materials in verschlossene Behälter oder durch die Verwendung
von Gebäuden, die unter negativem Druck stehen und mit Geruchskontrollfiltern als Teil der
Lüftungsanlage ausgestattet sind. Bei einigen Lieferwägen kann es erforderlich sein, dass sie die
Annahmegebäude betreten müssen und dort nur hinter verschlossenen Türen ihre Fracht abladen
dürfen. Einige Rohstoffe werden sehr unregelmäßig geliefert (bspw. Energiepflanzen, die jährlich
geerntet werden) und benötigen deshalb sehr große Lagermöglichkeiten, während andere täglich
geliefert werden (bspw. Nahrungsmittelreste).
Das Einspeisungssystem
Die Rohstoffe für die meisten anaeroben Gärungsanlagen werden in regelmäßigen Intervallen in
relativ kleinen Mengen zugeführt. Wenn es gemischte Rohstoffe sind, werden diese in konstanten
Portionen durch eine oder mehrere Zuflussleitungen in den Gärbehälter geleitet. Eventuell muss
Wasser oder recycelte Flüssigkeit aus dem Gärbehälter dem neuen Rohstoff beigefügt werden. Dies
sollte aber unter abgeschlossenen Bedingungen passieren.
Der/die Gärbehälter
Der Gärprozess findet in einem
geschlossenen Behälter statt, welcher
normalerweise aus Stahl besteht.
Abhängig von den stattfindenden
biologischen Prozessen werden die
Inhalte des Gärbehälters auf gleichem
Temperaturlevel gehalten und benötigen
deshalb eine Vorrichtung zum heizen.
Weiterhin ist es wichtig die Inhalte des
Behälters in Bewegung zu halten, um
Ablagerungstendenzen und
Krustenbildung zu verhindern. Dies wird
mit Hilfe von Rührstangen oder anderen Rührgeräten unternommen. Dies kann aber auch durch
Gaszirkulation erreicht werden, wobei das Gas aus der oberen Spitze des Tanks
Quelle. energieZentrum
Abb. : Biogasanlage Emmertsbühl
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durch den flüssigen Inhalt gepumpt wird um ihn zu mischen. Einige Materiale, die in Kategorie 3 als
tierische Beiprodukte klassifiziert sind, müssen einen Pasteurisierungsprozess durchlaufen, welcher
das Material für eine Stunde auf 70°C erhitzt um schädliche Krankheitserreger wie Salmonellen,
Escherichia coli und Enterokokken abzutöten. Dies passiert schubweise vor oder nach dem
Gärprozess in einem speziell dafür vorgesehenen Behälter.
Gärrestelager
Hierfür wird ein Tank benötigt der groß genug ist, um die Ausbringungsmenge von mindestens sechs
Monaten zu fassen. Damit wird sichergestellt, dass der Gärrest unter geeigneten (trockenen)
Bedingungen auf das Ackerland ausgebracht werden kann.
Gaslager
Die Gaslagerung findet entweder oben unter einer flexiblen Membran im Gärtank selbst statt, oder mit
einer separaten Lagereinrichtung neben dem Gärbehälter. Die Ausrüstung um überschüssiges Gas
abzubrennen ist eine praktische und sichere Vorschrift obwohl natürlich gehofft wird, dass dies so gut
wie nie notwendig sein wird. Das in diesen Systemen gespeicherte Biogas ist nicht explosiv.
Ausrüstung zur Nutzung von Biogas
Die Gerätschaft die mit der Erzeugung von Elektrizität/ Wärme oder der Säuberung sowie der
Druckbeaufschlagung des Gases zusammen hängt ist im Vergleich zu der Größe der
Gesamtausrüstung und dem dafür benötigten Platz sie unterzubringen ein relativ geringer Anteil des
Arbeitsvorgangs. Es ist offensichtlich auch von Bedeutung, dass jegliche Maschinen oder Motoren die
mit diesen Prozessen in Verbindung kommen in einem schalldichten Gebäude untergebracht sind.
Trockensysteme
Material, das in nassen Systemen vergoren wird muss von einer Suppen ähnlicher Konsistenz und
somit pumpbar sein. Trockeneres Material kann auch von speziellen Feststoffpumpen transportiert
werden. Deshalb kann der Prozess fortlaufend sein. Dies ist aber nicht die Regel. Bei normalen
Trockensystemen wird das Material manuell transportiert z.B. mit einem Frontlader. Deshalb findet der
Gärungsprozess eher schubweise als kontinuierlich statt.
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Kriterien für einen erfolgreichen Biogasbetrieb
Technische Exzellenz
Es ist natürlich wichtig eine Anlage zu besitzen, die gut geplant und konstruiert ist. Deshalb wird
potentiellen Bauunternehmern geraten bereits im Anfangsstadium sachkundigen Rat erfahrener
Experten einzuholen.
Operationelle Exzellenz
Eine anaerobe Gäranlage in Betrieb zu nehmen benötigt Wissen, Geschick, Engagement und
Erfahrung. Der Erfolg ist komplett von der Gesundheit einer Serie von lebenden Organismen
abhängig. Während eine bestimmte, weitläufig automatisierte und computergesteuerte Biogasanlage
ohne viel menschliches Zutun für viele Stunden läuft muss jedoch immer jemand zur Stelle sein um
die Anlagenparameter zu überwachen und auf Notfälle oder plötzliche Veränderungen in der Anlage
zu reagieren. Eine tägliche Inspektion und Wartung der Gärung sowie des Energieverbrauchssystems
ist notwendig.
Ökonomische Kontrollen und Regekonformität
Es ist offensichtlich wichtig, dass die Anlage nach den diversen strengen rechtlichen Anforderungen
geführt wird, die die Umwelt schützen und die Gesundheit und Sicherheit derjenigen, die in der Anlage
oder in der Nähe davon leben und arbeiten regeln. Eine Biogasanlage sollte solange sie gut gewartet
und geführt wird weder Luft, Land noch Wasser
verschmutzen. Es besteht die theoretische Möglichkeit
einer Explosion und eine reale Möglichkeit eines
Brandes. Allerdings nur, wenn die Anlage sehr
schlecht (außerrechtlich) geführt wird. Regulierende
Behörden werden die anaerobe Gärungsanlage sehr
genau kontrollieren um für die Einhaltung zu sorgen.
Die Anlage muss gut in die Landschaft eingegliedert
sein, was gleich vom Anbeginn jedes durchdachten
Projekts gute Planung und Design benötigt.
Außerordentliche Beziehungen mit den
Nachbarn
Der Betreiber einer anaeroben Gäranlage hat genaue
Anweisungen auf seine Nachbarn zu achten um
Abb. : Biogasanlage nahe Königshofen
Quelle: energieZentrum
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sicherzugehen, dass die Verhältnisse gut sind und dass keine gerechtfertigten Beschwerden
aufkommen. Die Rücksprache sollte sehr früh, bereits beim Entwicklungsprozess beginnen.
Vorzugsweise bereits einen Großteil der Zeit bevor jedweder Bauantrag beantragt wird. Entwickler
müssen Rückversicherungen und gute Informationen anbieten und sollten den Nachbarn anbieten
eine bereits bestehende anaerobe Gärungsanlage zu besichtigen. Wenn die Anlage läuft muss sie so
geführt werden, dass Lärm oder Geruchsaustritte vermieden werden.
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Dieses Dokument wurde von der Wirtschaftsförderungsgesellschaft Schwäbisch Hall als Teil des
Biomethan Regions Projekts erstellt.
Unterstützt von:
Andere Partner im Biomethan Regions Projekt:
