BIOGAS

Was ist Biogas?

Biogas ist ein Gasgemisch das durch den anaeroben, mikrobiologischen Abbau von organischen Substanzen entsteht. Es besteht zu 50% bis 70% aus dem hochwertigen Energieträger Methan. Ein Kubikmeter reines Methan hat einen Energiegehalt von knapp zehn Kilowattstunden. Die biologische Methangasbildung ist ein Prozess, der in der Natur überall dort stattfindet, wo organisches Material in feuchter Umgebung und unter Luftabschluss durch die Stoffwechselaktivität natürlicher Methanbakterien verrottet. Dieses geschieht z.B. im Verdauungstrakt von Wiederkäuern, in Süß- und Meerwassersedimenten und in Biogasanlagen.

 

Wie entsteht Biogas?

Die Biogasgewinnung untergliedert sich in vier Stufen. In diesem Prozess nutzen Mikroorganismen unter anaeroben Bedingungen (unter Luftausschluß) die in Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen gespeicherte chemische Energie für ihren Stoffwechsel.

 

Hydrolysephase

In der Hydrolysephase werden die Proteine, Fette und Kohlenhydrate durch bakterielle Enzyme (hydrolytische Bakterien) in einfachere Bestandteile (Monomere) wie z.B. Aminosäuren, Glukose und Fettsäuren zerlegt (hydrolysiert).

 

Säurebildende Phase

In der säurebildenden Phase werden die gelösten Stoffe durch fermentative Bakterien zu organischen Säuren (Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure), niederen Alkoholen, Aldehyden, Wasserstoff, Kohlendioxid und anderen Gasen wie Ammoniak und Schwefelwasserstoff abgebaut. Dieser Vorgang erfolgt bis die Bakterien durch ihre eigenen Abbauprodukte in ihrem Abbauprozess gehemmt werden (niedriger pH-Wert).

 

Acetogene Phase

Die acetogene Phase bildet das Bindeglied zwischen der Vergärung (Versäuerung) und der Methanbildung. Hier werden die Bestandteile durch acetogene Bakterien so aufbereitet, dass methanogene Bakterien diese in Methan umwandeln können.

 

Methanogenese

In der Methanogenese wird die Essigsäure zu Methan, Kohlendioxid und Wasser gespalten. Das Wasser wird während der Kondensation dem Biogasgemisch entnommen.

 

Die methanogenen Bakterien und die acetogenen Bakterien leben in Symbiose in dem die acetogenen Bakterien nur bei äußerst geringen Wasserstoffpartialdrücken leben können (obwohl sie selbst Wasserstoff produzieren). 30% der bekannten methanogenen Bakterienarten nutzen hingegen Wasserstoff und Kohlendioxid (hydrogenotroph) für ihren Stoffwechsel und sorgen so für den geringen Wasserstoffpartialdruck. 70% aller Methanbakterien verwerten die entstandene Essigsäure (acetogenotroph).

 

Die extrem sauerstoffempfindlichen methanogenen Bakterien stehen am Ende einer Stoffwechselkette, welche nicht nur in technischen Systemen genutzt werden, sondern sie tragen vor allem in natürlichen Ökosystemen zur biologischen Entgiftung von Wasserstoff und organischen Säuren bei.

Geschichte der Biogasnutzung

Durch die Entdeckung der "brennbaren Luft" in Sümpfen durch den Physiker Volta im Jahr 1778 begann die Erforschung der Zusammensetzung und der Entstehung des brennbaren Gases.

Schon lange vor der christlichen Zeitrechnung war bei den Sumerern die reinigende Wirkung des Faulprozesses unter Wasser bekannt. Deshalb wurden schon damals in die Abwasserkanäle Faulkammern eingebaut um das Wasser zu reinigen.

Als Beginn der energietechnischen Nutzung des Biogases können jedoch erst die Mitte des 19. Jahrhunderts in Asien errichteten Biogasanlagen angesehen werden. Diese waren jedoch nur für die Energieversorgung im eigenen Haushalt ausgelegt. Die erste über den Haushaltsbedarf hinaus gehende Nutzung des Biogases, war der Einsatz in Straßenlaternen in Exeter (UK) Ende des 19. Jahrhunderts.

Erste Anfänge einer Biogastechnik in der europäischen Landwirtschaft liegen erst nach dem zweiten Weltkrieg. Technische Schwierigkeiten und der geringe Preis des Erdöls ließen das Interesse an der Gewinnung von Biogas nachlassen, obwohl schon damals die Vorzüge einer besseren Düngewirkung von anaerob vergorener Jauche und Mist bekannt waren.

Erst die Ölkrise Anfang der siebziger Jahre, sowie die weitere Verbreitung der Güllewirtschaft, brachten den langsamen Durchbruch für die Biogasentwicklung.

Feucht- und Trockenfermentation

Wenn man von Fermentation spricht ist meist eine feuchte Fermentation gemeint. Die Trockenfermentation ist noch nicht so weit verbreitet. Bei der Trockenfermentation werden nur stichfeste Materialien (Mist, Roggen- und Maissilage, Hühnertrockenkot etc.) vergoren. Auf einen Einsatz von Flüssigkeiten wie Wasser oder Gülle wird also verzichtet. Im folgenden konzentriert sich der Augenmerk auf die feuchte Fermentation.

DIE BIOGASANLAGE

Biogastechnik

Das Kernstück einer Biogasanlage ist der Fermenter. Hierbei handelt es sich im wesentlichen um einen luftdicht abgeschlossenen Behälter, in dem der oben beschriebene biologische Prozess stattfindet, bei dem Biogas entsteht. Der Fermenter ist isoliert und mit einer Heizung ausgestattet. Um während der meist über drei Wochen dauernden Vergärung eine Entmischung des Substrates zu verhindern, muss für ein regelmäßiges Durchmischen gesorgt werden. Das entstandene Gas wird nach einer Zwischenpufferung in einem Gasspeicher in aller Regel in einem Blockheizkraftwerk zur Produktion von Strom und Wärme verwendet.

Durch Gasreinigung z.B. mittels einer sog. Druckgaswäsche kann Biogas technisch bereits heute in Erdgasqualität aufbereitet und in die vorhandenen Erdgasnetze eingespeist oder als Treibstoff verwertet werden. Ein Einspeiseanspruch wie bei elektrischem Strom und ein staatlich festgelegter Preis besteht aber heute noch nicht.

 

Unterschiedliche Fermentertypen

Speicherfermenter

Ein Produkttyp ist verfahrenstechnisch der "komplett durchmischte Rührkessel-Behälter". Besonders interessant ist die Schnellbau-Variante aus emailliertem Stahl. Klassischer Anwendungsfall ist vor allem die Verwertung leicht abbaubarer Einsatzstoffe bei relativ geringem Anteil von Energiepflanzen. Ideal für das Hauptsubstrat Gülle und geringen Anteilen von energiereicher Biomasse.

 

Durchfluss-Fermenter

Heute steht die intensive Kofermentation der unterschiedlichsten Einsatzstoffe im Vordergrund, die nicht nur die Technik vor neue Aufgaben stellt. So bringen Nachwachsende Rohstoffe Sand und Erde mit, welche nach und nach das Fermentervolumen reduzieren. Zudem neigt pflanzliche Biomasse verstärkt zur Bildung von Schwimmschichten, die nicht nur zu Betriebsausfällen der Rührwerke führen können, sondern auch wertvollen Prozessstrom verbrauchen. Diesen Anforderungen trägt ein neu entwickelter Fermenter Rechnung, der eigens für die intensive Kofermentation entwickelt wurde. Seine Konstruktion berücksichtigt zudem mikrobiologische Erkenntnisse, wodurch er im Vergleich zu herkömmlichen Fermentern mit deutlich höherem Durchsatz und stark variierenden Einsatzstoffen betrieben werden kann. Dieser Durchfluss-Fermenter ist in verschiedenen Größen und wahlweise in Stahl oder Beton ausgeführt und kann je nach erforderlicher Gesamtkapazität mit einem zweiten Durchfluss-Fermenter oder einem Speicherfermenter als Nachgärer kombiniert werden. Er ist ideal für die intensive Kofermentation mit schwer abbaubaren, strukturreichen und hoch- energetischen Kosubstraten, da er höchste Ansprüche an die Prozess-Stabilität erfüllt . Dabei verfügt er über eine doppelte biologische Belastbarkeit (Raumbelastung) gegenüber konventionellen Fermentern und ermöglicht damit eine hocheffiziente Biogas-Ausbeute.

 

Die Abbildung in der rechten Spalte oben zeigt schematisch eine landwirtschaftliche Biogasanlage mit Kofermentation wie sie in allen unseren Projekten zum Einsatz kommt. Die einzelnen Schritte der Biogaserzeugung und –verwertung sind dort dargestellt.

 

Eine Biogasanlage erfordert tägliche Betreuung und Kontrolle, da es sich um einen empfindlichen biologischen Prozess handelt. Es ist daher wichtig laufend den Prozess zu beobachten und Proben zu nehmen, um gemäß der entsprechenden „Fütterungsempfehlungen“ die Anlage optimal beschicken zu können.

Das Milieu in der Biogasanlage

Alle von Mikroorganismen ausgehenden Stoffwechselprozesse erfordern physiologisch günstige Milieubedingungen. Es sind vor allem die Temparatur, der pH-Wert und die Konzentration an Substraten und Hemmstoffen im Reaktionsmedium, welche den Biogasprozess beeinflussen. Von der Temperatur ist bekannt, dass steigende Werte auch höhere Reaktionsgeschwindigkeiten zur Folge haben.

 

Es gibt zwei gängige Temperaturbereiche für die Vergärung von Substraten in Biogasanlagen. Die meisten Biogasanlagen werden im mesophilen Bereich zwischen 25°C und 40° C betrieben. Neben der mesophilen Betriebsweise arbeiten manche Biogasanlagen auch bei 55°C - 65°C. Diese arbeiten im sog. thermophilen Bereich. Auf Grund der höheren Empfindlichkeit der Mikroorganismen, insbesondere gegen Ammoniak, sind diese nicht so betriebssicher und erfordern daher einen höheren Aufwand in der Prozesssteuerung. Ein Vorteil der thermophilen Biogaserzeugung liegt in der Inaktivierung seuchenhygienisch relevanter Organismen, die bei mesophilen Anlagen nicht gewährleistet werden kann. Kaltanlagen die im psychrophilen Bereich bei Temperaturen unter 20°C arbeiten und insbesondere in den 80er Jahren in der Schweiz untersucht wurden, haben sich in der heutigen Praxis der Biogaserzeugung nicht durchgesetzt.

Einsatzstoffe zur Biogaserzeugung

Als Einsatzstoffe für die Biogaserzeugung kommen grundsätzlich alle Arten von Biomassen in Frage, deren Hauptkomponenten Kohlenhydrate, Eiweiße, Fette, Cellulose und Hemicellulose sind. Nicht jedoch Lignin und ligninkrustierte Cellulose, also die strukturgebende Komponente von Holz und Stroh.

 

Diese für die Biogaserzeugung nutzbaren organischen Stoffe sind zumeist Rest- oder Nebenprodukte der verschiedensten Branchen in unserer Volkswirtschaft. Ein wichtiges Gärsubstrat ist Flüssigmist oder speziell vorbehandelter Festmist zusammen mit landwirtschaftlichen, gewerblichen, agroindustriellen oder kommunalen biogenen Abfällen und im zunehmenden Maß extra hierfür angebaute Nachwachsende Rohstoffe (NaWaRo).

EEG führt zum Bauboom von Biogasanlagen

Im April 2000 trat das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) in Kraft. Das EEG unterstützt die Ziele der Bundesregierung und der Europäischen Union, bis zum Jahre 2010 die Treibhausgase um 21% zu vermindern und den Anteil der erneuerbaren Energieträger an der Energieversorgung zu verdoppeln.

 

Biogas ist eine erneuerbare Energiequelle, bei deren Nutzung die treibhauswirksamen Emissionen aus Tierfäkalien, v.a. Methan (CH4), Lachgas (NO2) und Kohlendioxid (CO2) deutlich reduziert werden können, was sich günstig auf den CO2 Haushalt der Erde auswirkt. Gleichzeitig wird das klimaschädliche Methangas, das bei der Güllelagerung entsteht, zum Antrieb eines Generators genutzt und entweicht nicht einfach ungenutzt und ozonschädigend in die Atmosphäre.

 

In modernen landwirtschaftlichen Biogasanlagen können zusammen mit dem Flüssig- und Festmist auch andere organische Reststoffe, wie z.B. Abfälle aus der Nahrungsmittelindustrie, Kommunalabfälle usw., sowie Energiepflanzen (NaWaRo) zu Biogas vergärt werden. Durch die Verwendung dieser Stoffe kann Energie in Form von Wärme und Strom CO2-neutral hergestellt werden. Somit dient diese Art der Energiegewinnung als wichtiges Instrument zum Klimaschutz.

 

Bei Biomasse wird Sonnenenergie mit Hilfe von Pflanzen über den Prozess der Photosynthese umgewandelt. Biomasse stellt damit gespeicherte Sonnenenergie dar. Dies unterscheidet Biomasse grundsätzlich von anderen Optionen zur Nutzung der Sonnenenergie, da die Sonneneinstrahlung erheblichen Angebotsschwankungen unterworfen ist und damit nicht jederzeit zur Verfügung steht.

 

Der in Biogasanlagen produzierte Strom darf aufgrund des Erneuerbaren-Energie-Gesetzes zu festen Konditionen in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Bei entsprechender Wahl des Standortes kann die Wärme ebenfalls voll genutzt werden, was Heizkosten einspart und ebenfalls die Ressourcen schont.

 

Auf der Grundlage des EEG haben sich die Rahmenbedingungen für die Biogasgewinnung so entscheidend verbessert, dass immer mehr Landwirte die Möglichkeit der Einkommensverbesserung über den Weg der Gewinnung erneuerbarer Energie für ihren Betrieb prüfen und der Bau von Biogasanlagen dadurch stetig zu nimmt.

 

Der Ausbau dieses Energieträgers schafft somit nicht nur Arbeitsplätze im Bereich kleiner und mittlerer Unternehmen, sondern ruft insbesondere einen wesentlichen Impuls zur wirtschaftlichen Belebung der ländlichen Regionen hervor.

Biogasanlagen: Nebenprodukt Dünger

Ein weiterer positiver Effekt ist ein in der Biogasanlage entstehendes hochwertiges Nebenprodukt, nämlich ein ausgewogener Pflanzendünger.

 

Die auf Bauernhöfen mit großen Viehbeständen anfallende Gülle wird sonst als geringwertiger Dünger (mit vielen Nebenwirkungen) auf die Felder aufgebracht.

 

Das bei der Biogasanlage anfallende vergorene Substrat ist ein hochwertigerer Dünger der deutlich weniger Ammoniak enthält und somit um ca 85-95% weniger Geruchsbelästigung mit sich bringt. Da sich zudem der pH-Wert der Gülle erhöht, wirkt er der Bodenversauerung entgegen. Die Düngewirkung ist durch besseren Nährstoffaufschluß verbessert, der Gärrest ist pflanzenverträglich und hygienisiert.

 

Die Installation einer Biogasanlage eröffnet dem Landwirt dadurch die Möglichkeit, den natürlichen Nährstoffkreislauf betriebsintern und zu attraktiven Kosten zu schließen.