BIOGAS HESSEN ENDBERICHT - Hessisches Ministerium für Umwelt, ländlichen Raum und Verbraucherschutz
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Hessisches Ministerium für Umwelt, ländlichen Raum und Verbraucherschutz BIOGAS HESSEN ENDBERICHT Wissenschaftlich-technisch-ökonomische Evaluation geförderter hessischer Biogasanlagen
Uwe Hoffstede — Jörg Kerzendorf — Falk von Klopotek BIOGAS HESSEN ENDBERICHT Wissenschaftlich-technisch-ökonomische Evaluation geförderter hessischer Biogasanlagen Erarbeitung im Auftrag
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Herausgeber: Hessisches Ministerium für Umwelt, ländlichen Raum und Verbraucherschutz
Mainzer Straße 80, 65189 Wiesbaden
www.hmulv.hessen.de
Erarbeitung: ISET
Institut für Solare Energieversorgungstechnik e.V.
Rodenbacher Chaussee 6, 63457 Hanau
www.iset.uni-kassel.de
HessenEnergie GmbH
Mainzer Straße 98 – 102
65189 Wiesbaden
www.hessenenergie.de
Versand: Kompetenzzentrum HessenRohstoffe (HERO) e.V.
Am Sand 20, 37213 Witzenhausen
www.hero-hessen.de
Satz und Layout: BHB Werbeagentur GmbH, Kassel
Druck: Strube OHG, Felsberg
1. Auflage 2005
ISBN: 3-89274-249-9
Inhalt Inhalt .............................................................................................................................................................................. 7 Verzeichnis der Abbildungen ......................................................................................................................................... 9 Verzeichnis der Tabellen .............................................................................................................................................. 10 Vorwort ........................................................................................................................................................................ 13 1 Ziele und Aufgaben dieser Evaluation ............................................................................................................. 15 2 Beschreibung der untersuchten Biogasanlagen ............................................................................................... 17 2.1 Inbetriebnahmejahr .................................................................................................................................................... 17 2.2 Betriebsarten und -größen ......................................................................................................................................... 17 2.3 Art und Größe der Anlagen........................................................................................................................................ 18 3 Eingesetzte Technik und Betriebsweise der Anlagen ....................................................................................... 21 3.1 Vorgrube/Feststoffeinbringungssysteme.................................................................................................................... 21 3.2 Rührwerk ..................................................................................................................................................................... 22 3.3 Pumpen ....................................................................................................................................................................... 22 3.4 Hygienisierungseinrichtung ........................................................................................................................................ 23 3.5 Prozesstemperatur ...................................................................................................................................................... 23 3.6 Wärmenutzung ........................................................................................................................................................... 23 3.7 Elektrischer Prozessstrombedarf ................................................................................................................................ 24 4 Beschreibung des Messprogramms .................................................................................................................. 27 4.1 Zeitlicher Ablauf.......................................................................................................................................................... 27 4.2 Messgrößen und Proben ............................................................................................................................................ 27 4.2.1 Allgemeine Datenerfassung ....................................................................................................................................... 27 4.2.2 Substrate ..................................................................................................................................................................... 27 4.2.3 Fermenter, Nachgärer, Endlager ................................................................................................................................ 29 4.2.4 Biogas ......................................................................................................................................................................... 29 4.2.5 BHKW, Strom, Wärme ................................................................................................................................................ 30 4.2.6 Betriebsstörungen ...................................................................................................................................................... 30 5 Beschreibung der Messmethoden .................................................................................................................... 33 5.1 Betriebstagebücher .................................................................................................................................................... 33 5.2 Chemisch-Physikalische Methoden ............................................................................................................................ 34 5.2.1 Volumen- oder Massenstrom der Fermenterbeschickung ......................................................................................... 34 5.2.2 Temperatur.................................................................................................................................................................. 34 5.2.3 pH ............................................................................................................................................................................... 34 5.2.4 Redoxpotenzial ........................................................................................................................................................... 34 5.2.5 Trockensubstanz (TS) .................................................................................................................................................. 35 5.2.6 Organische Trockensubstanz (oTS) ............................................................................................................................. 35 5.2.7 Gesamter organischer Kohlenstoff (TOC – Total Organic Carbon) und Stickstoff (N) ............................................... 35 5.2.8 Phosphor (P)................................................................................................................................................................ 35 5.2.9 Kalium (K) .................................................................................................................................................................... 35 5.2.10 Fettsäuren ................................................................................................................................................................... 35 5.2.11 Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2)...................................................................................................................... 35 5.2.12 Sauerstoff (O2) ............................................................................................................................................................ 36 5.2.13 Schwefelwasserstoff (H2S) .......................................................................................................................................... 36 5.2.14 Gasmenge ................................................................................................................................................................... 37 5.2.15 Strommenge ............................................................................................................................................................... 37
5.2.16 Zündölverbrauch ......................................................................................................................................................... 37 5.2.17 Wärmemenge ............................................................................................................................................................. 37 5.2.18 Laufzeit des BHKW ..................................................................................................................................................... 37 5.3 Berechnete Größen .................................................................................................................................................... 38 5.3.1 Verweilzeit ................................................................................................................................................................... 38 5.3.2 Raumbelastung ........................................................................................................................................................... 38 5.3.3 Abbaugrad .................................................................................................................................................................. 38 5.3.4 Gasleitung ................................................................................................................................................................... 38 5.3.5 Gasertrag, spezifisch ................................................................................................................................................... 38 5.3.6 C/N-Verhältnis............................................................................................................................................................. 38 5.3.7 Wirkungsgrad, elektronisch ........................................................................................................................................ 39 5.3.8 Volllaststunden ............................................................................................................................................................ 39 6 Verfahrentechnische Auswertung des Anlagenbetriebes ................................................................................. 41 6.1 Substratarten und -mengen ........................................................................................................................................ 41 6.1.1 Klassifizierung der Substrate ...................................................................................................................................... 41 6.1.2 Substratarten .............................................................................................................................................................. 41 6.1.3 Substratmengen gesamt............................................................................................................................................. 42 6.1.4 Auswirkung der Substratzusammensetzung auf die Energieausbeute einer landwirtschaftlichen Biogasanlage...... 43 6.1.5 Zeitlicher Anfall der Substrate und Ko-Substrate in den einzelnen Anlagen ............................................................. 44 6.2 Fermenter ................................................................................................................................................................... 47 6.2.1 Substratqualität........................................................................................................................................................... 47 6.2.2 Verweilzeit ................................................................................................................................................................... 48 6.2.3 Raumbelastung ........................................................................................................................................................... 50 6.2.4 Abbaugrad .................................................................................................................................................................. 51 6.2.5 Feststoffgehalt ............................................................................................................................................................ 52 6.2.6 Reaktortemperatur ..................................................................................................................................................... 53 6.2.7 pH-Wert in den Fermentern ....................................................................................................................................... 54 6.3 Biogas ......................................................................................................................................................................... 54 6.3.1 Methan ........................................................................................................................................................................ 55 6.3.2 Schwefelwasserstoff .................................................................................................................................................... 55 6.4 BHKW-Volllaststunden ................................................................................................................................................ 55 6.5 Betriebsstörungen ...................................................................................................................................................... 56 6.5.1 Klassifizierung der Störungen ..................................................................................................................................... 56 6.5.2 Prozessstörung............................................................................................................................................................ 57 6.5.3 Technische Störungen ................................................................................................................................................. 58 6.5.4 Allgemeines ................................................................................................................................................................ 60 6.6 Ausblick auf die (Verfahrens)-Technik landwirtschaftlicher Biogasanlagen angesichts des novellierten EEG............ 61 7 Ökonomische Auswertung ............................................................................................................................... 65 7.1 Investition.................................................................................................................................................................... 65 7.2 Wirtschaftlichkeit/Gewinn- und Verlustrechnung ....................................................................................................... 69 7.2.1 Kosten ......................................................................................................................................................................... 70 7.2.2 Einnahmen .................................................................................................................................................................. 72 7.2.3 Kostenüberdeckung.................................................................................................................................................... 74 7.2.4 Return on Investment ................................................................................................................................................. 78 7.3 Fazit............................................................................................................................................................................. 78 7.4 Ausblick....................................................................................................................................................................... 78 7.4.1 Entsorgung von organischen Reststoffen ................................................................................................................... 78 7.4.2 Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen ............................................................................................................. 79 7.4.3 Nutzung der Abwärme ............................................................................................................................................... 81 7.4.4 Fachliche Beratung ..................................................................................................................................................... 81 7.4.5 Wirtschaftlicheitsprognose ......................................................................................................................................... 81 8 Zusammenfassung ............................................................................................................................................ 87 Quellenverzeichnis ....................................................................................................................................................... 91
Verzeichnis der Abbildungen
Abbildung 1: Motorentyp der eingesetzten BHKW ............................................................................................................. 19
Abbildung 2: Verteilung der Einbringung von Feststoffen in den Fermenter ..................................................................... 21
Abbildung 3: Verteilung des Einsatzes von Hygienisierungseinrichtungen in den Anlagen................................................ 23
Abbildung 4: Schema der Probenahme ............................................................................................................................... 28
Abbildung 5: Probenahmestelle mit Umwälzpumpe und Reservestutzen ........................................................................... 28
Abbildung 6: Probenahme mit Teleskopstab ....................................................................................................................... 29
Abbildung 7: Gasmessung mit Feldmeßgerät ..................................................................................................................... 29
Abbildung 8: Einfache Gasmessung .................................................................................................................................... 36
Abbildung 9: Prüfröhrchen der Firma Dräger ...................................................................................................................... 37
Abbildung 10: Einfacher Balgengaszähler ohne elektronischen Impulsnehmer .................................................................... 37
Abbildung 11: Bestandteile der untersuchten Substratgruppe „NaWaRos“, Massen-% ...................................................... 42
Abbildung 12: Bestandteile der untersuchten Substratgruppe „tierische Exkremente“, Massen-% .................................... 42
Abbildung 13: Massenanteile der eingesetzten Substrate, gemittelt über alle 16 Anlagen
in der Zeit von Juli 2002 bis Juli 2003 ............................................................................................................ 42
Abbildung 14: Jährlicher Umsatz an Substraten in geförderten hessischen Biogasanlagen ................................................ 43
Abbildung 15: Substratzusammensetzung zweier geförderter hessischer Biogasanlagen .................................................. 43
Abbildung 16: Einfluß der Substratzusammensetzung auf die Energieausbeute einer geförderten
landwirtschaftlichen Biogasanlage in Hessen ................................................................................................ 44
Abbildung 17: Verteilung der Substrate und Ko-Substrate über das Jahr - Anlage 06 ......................................................... 45
Abbildung 18: Verteilung der Substrate und Ko-Substrate über das Jahr - Anlage 09 ......................................................... 45
Abbildung 19: Verteilung der Substrate und Ko-Substrate über das Jahr - Anlage 10 ......................................................... 46
Abbildung 20: Verteilung der Substrate und Ko-Substrate über das Jahr - Anlage 13 ......................................................... 46
Abbildung 21: Verteilung der Substrate und Ko-Substrate über das Jahr - Anlage 17 ......................................................... 47
Abbildung 22: Spannweiten der dem Fermenter 01 zugeführten oTS-Konzentrationen ...................................................... 48
Abbildung 23: Spannweiten der dem Fermenter 02 zugeführten oTS-Konzentrationen ...................................................... 48
Abbildung 24: Minimale, mittlere und maximale Verweilzeiten im Fermenter 01
der untersuchten hessischen Biogasanlagen ................................................................................................. 49
Abbildung 25: Minimale, mittlere und maximale Verweilzeiten im Fermenter 02
der untersuchten hessischen Biogasanlagen ................................................................................................. 49
Abbildung 26: mittlere tägliche Verweilzeit der Substrate im Fermenter - Anlage 09 .......................................................... 50
Abbildung 27: organische Raumbelastung des ersten Fermenters der geförderten hessischen Biogasanlagen ................. 51
Abbildung 28: Ausnutzung der eingesetzten Biomasse anhand des Abbaugrades
der organischen Trockensubstanz (oTS) ......................................................................................................... 51
Abbildung 29: Über den Beobachtungszeitraum gemittelte Feststoffkonzentration im Fermenter ..................................... 52
Abbildung 30: Durchschnittstemperatur der einzelnen Anlagen .......................................................................................... 53
Abbildung 31: Durchschnittlicher pH-Wert der untersuchten Biogasanlagen ....................................................................... 54
Abbildung 32: Durchschnittlicher Methangehalt im Biogas der untersuchten Anlagen ....................................................... 54
Abbildung 33: Durchschnittlicher Gehalt an H2S im Biogas der einzelnen Anlagen ............................................................ 55
Abbildung 34: Jahresvollaststunden der einzelnen BHKWs der geförderten hessischen Biogasanlagen ............................ 56
Abbildung 35: Prozeßstörungen ............................................................................................................................................ 57
Abbildung 36: Technische Störungen .................................................................................................................................... 58
Abbildung 37: Zündkerzenverschleiß ..................................................................................................................................... 59
Abbildung 38: Generator mit Wassermantel ......................................................................................................................... 59
Abbildung 39: Chemische Zerstörung durch Rühren in saurem Milieu ................................................................................. 59
Abbildung 40: Durchschnittliche Investitionsausgabegruppen ............................................................................................. 66
Abbildung 41: Zusatzinvestitionen in Relation zur Gesamtinvestition ................................................................................... 66
Abbildung 42: Förderung in Relation zur Gesamtinvestition ................................................................................................. 67
Abbildung 43: Investition in das BHKW der Biogasanlagen ohne Entsorgungsfunktion
in Relation zur Gesamtinvestition ................................................................................................................... 67
Abbildung 44: BHKW-Investitionskosten in Relation zur installierten elektrischen Leistung................................................. 68
Abbildung 45: spezifisches Investitionsvolumen pro installiertes kWel ................................................................................. 69
Abbildung 46: Herleitung der Kostenüberdeckung ............................................................................................................... 69
Abbildung 47: Aufschlüsselung der Kostenarten ................................................................................................................... 71
Abbildung 48: Jährliche Stromerzeugung ............................................................................................................................. 72
Abbildung 49: Jährliche Stromerzeugung in Relation zur installierten elektrischen Leistung ............................................... 73Abbildung 50: Aufschlüsselung der Erlösarten ...................................................................................................................... 74
Abbildung 51: Kostenüberdeckung / Kostenunterdeckung bei den älteren Biogasanlagen
(ohne Entsorgungsbetriebe)........................................................................................................................... 75
Abbildung 52: Kostenüberdeckung / Kostenunterdeckung bei den jüngeren Biogasanlagen
(ohne Entsorgungsbetriebe)........................................................................................................................... 75
Abbildung 53: Prognose der Kostenüberdeckung / Kostenunterdeckung bei voller Nutzung
der vorhandenen BHKW-Kapazität ................................................................................................................ 76
Abbildung 54: Jährliches Durchschnittsergebnis mit und ohne Förderung........................................................................... 77
Abbildung 55: Jahresergebnis mit und ohne Berücksichtigung des Arbeitsaufwands ......................................................... 77
Abbildung 56: Jährliches Durchschnittsergebnis vor und nach der EEG-Novellierung ......................................................... 80
Verzeichnis der Tabellen
Tabelle 1: Verteilung des Inbetriebnahmejahres der erfassten Biogasanlagen ................................................................... 17
Tabelle 2: Verteilung der Tierhaltung, deren Exkremente als Basissubstrat eingesetzt werden ......................................... 17
Tabelle 3: Anzahl der Großvieheinheiten der Betriebe mit Biogasanlagen ......................................................................... 18
Tabelle 4: Gesamt-Fermentervolumen der erfassten Biogasanlagen .................................................................................. 18
Tabelle 5: Übersicht Bauart und Betriebsweise der erfassten Biogasanlagen ..................................................................... 18
Tabelle 6: Verteilung der elektrischen BHKW-Leistung je Biogasanlage ............................................................................. 19
Tabelle 7: Leistung, Typ und Anzahl der BHKW ................................................................................................................... 19
Tabelle 8: Prozesstemperatur ............................................................................................................................................... 23
Tabelle 9: Wärmenutzung..................................................................................................................................................... 23
Tabelle 10: elektrischer Prozessstrombedarf in Relation zur erzeugten Gesamtstrommenge .............................................. 24
Tabelle 11: Einteilung der Substrate in Gruppen ................................................................................................................... 41
Tabelle 12: Gesamtinvestitionsvolumen ................................................................................................................................. 65
Tabelle 13: Heizölpreise ......................................................................................................................................................... 70
Tabelle 14: Durchschnittliche jährliche Wartungs- und Instandhaltungskosten in Relation zur Gesamtinvestition ............... 70
Tabelle 15: Arbeitsaufwand .................................................................................................................................................... 70
Tabelle 16: Einspeiseerlöse nach StrEG und EEG .................................................................................................................. 72
Tabelle 17: Jährliche Vollbenutzungsstunden ........................................................................................................................ 73
Tabelle 18: Return on Investment bezogen auf die Gesamtinvestition ................................................................................. 78
Tabelle 19: Vergütungssätze für Strom aus Biogasanlagen nach der EEG-Novellierung (Alle Angaben in ct/kWh) ............. 79
Tabelle 20: Wirtschaftlichkeitsprognose................................................................................................................................. 82
Tabelle 21: Sensitivitätsanalyse – Investitionskosten .............................................................................................................. 83
Tabelle 22: Sensitivitätsanalyse – elektrischer Wirkungsgrad ................................................................................................ 83
Tabelle 23: Sensitivitätsanalyse – Kosten für NaWaRos ......................................................................................................... 83
Tabelle 24: Sensitivitätsanalyse – Vollbenutzungsstunden ..................................................................................................... 8412
Vorwort
Der Klimawandel stellt derzeit eine Die hessische Landesregierung sieht
der größten umweltpolitischen Her- sich dabei vor allem in der Rolle eines
ausforderungen dar. 1992 haben auf Impulsgebers und Moderators. Es
der Weltklimakonferenz in Rio de Jan- gilt, die Entwicklung marktfähiger
eiro und den Folgekonferenzen über Produkte zu unterstützen, Akzeptanz
160 Staaten eine völkerrechtliche zu schaffen und damit einen Markt für
Grundlage für den internationalen Bio-Rohstoffe zu etablieren. Dieses
Klimaschutz verabschiedet. Ziel der Ziel soll durch das Anstoßen und das
Konvention ist es, die Treibhausgas- Unterstützen von Projekten erreicht
konzentration (insbesondere CO2 ) in werden, die eine intensivere Nutzung
der Atmosphäre auf einem Niveau von Bio-Rohstoffen ermöglichen.
zu stabilisieren, auf dem Gefahren
für das Klimasystem eingedämmt In den kommenden Jahren wird
werden können. Biomasse als weitge- systematisch die Verbreitung markt-
hend CO2 -neutraler Brennstoff tritt gängiger Biogasanlagen zur Strom-
damit in den Mittelpunkt des ener- und Wärmegewinnung gefördert
gie- und weltpolitischen Interesses. werden. Weiteres Augenmerk wird
die hessische Landesregierung auch
Der Ausbau der Nutzung von Bio- auf die Optimierung der Produktions-
Rohstoffen ist ein erklärter Schwer- verfahren sowie die Anlagentechnik
punkt der hessischen Umwelt-, Klima- legen, Einsatzmöglichkeiten weite-
Wilhelm Dietzel
schutz- und Energiepolitik. Um der rer nachwachsender Energieträger
Hessischer Minister für Umwelt, Verantwortung für die künftigen prüfen und auch die Forschung unter-
ländlichen Raum und Verbraucher- Generationen gerecht zu werden, hat stützen.
schutz sich die hessische Landesregierung
2003 u. a. das Ziel gesetzt, den Anteil Die vorliegende Evaluation der in
der erneuerbaren Energien bei der den Jahren 1995 bis 2002 vom Lande
Energieerzeugung bis zum Jahr 2015 Hessen geförderten Biogasanlagen
von derzeit ca. 6 % auf 15 % zu erhö- liefert hierzu wertvolle Ergebnisse
hen. und Anregungen, die für Planer, Lie-
feranten, Finanzierungsinstitutionen
Im Mittelpunkt steht nicht allein der und nicht zuletzt Betreiber und Inve-
Anbau der Nutzpflanzen, sondern storen richtungweisend sind.
die ganze nachfolgende Produkti-
ons- und Wertschöpfungskette. Ein
weiteres Ziel ist es, Einkommens-
alternativen für die Land- und Forst-
wirtschaft, neue Wirtschaftskraft
und Arbeitsplätze in den ländlichen Hanau, Wiesbaden April 2005
Regionen zu schaffen, geschlossene
Kreisläufe zu etablieren und zugleich
den Auf- und Ausbau einer dezentra-
len, nachhaltigen Energieversorgung
zu unterstützen.
13Ziele und Aufgaben
01 dieser Evaluation
In den Jahren 1995 bis 2002 wurden
insgesamt 18 vom Land Hessen
geförderte Biogasanlagen in Ver-
bindung mit Blockheizkraftwerken
(BHKW) in Betrieb genommen.
einzelnen Anlagen auf Grundlage von
Ist-Werten bei Kosten und Erlösen
und zeigt welche Parameter hierauf
den größten Einfluss haben.
Den Schwerpunkt des ISET e.V.
Das Hessische Ministerium für bildete die Auswertung der Verfah-
Umwelt, Landwirtschaft und Forsten renstechnik. Die Beschreibung der
(HMULF) hat die hessenENERGIE Anlagen und der eingesetzten Tech-
GmbH und das Institut für Solare nik und die ökonomische Auswertung
Energieversorgungstechnik e.V. der 16 Biogasanlagen war Aufgabe
(ISET) beauftragt, eine umfassende der hessenENERGIE GmbH.
Auswertung von 16 dieser Biogas-
Fördervorhaben durchzuführen. Es An dieser Stelle bedanken wir uns bei
sollten gezielt Praxiserfahrungen den Anlagenbetreibern für ihre enga-
aus dem Betrieb der verschiedenen gierte Mitwirkung während der Erhe-
Anlagentypen und Motorkonzepte bung sowie bei allen, die uns wichtige
in Hessen aufbereitet werden. Die fachliche Hinweise und Unterstützung
Untersuchung umfasst einen ver- gegeben haben.
fahrenstechnischen Teil sowie eine
betriebswirtschaftliche Auswertung Im Vorfeld der Auswertung wurde
des Anlagenbetriebs. den Anlagenbetreibern zugesichert,
dass die Anlagen und damit auch
Die Ergebnisse sollen der interes- die Daten anonymisiert dargestellt
sierten Fachöffentlichkeit zugänglich werden. Daher wurde im Kapitel 6
gemacht werden, um so bei zukünf- – Verfahrenstechnische Auswertung
tigen Anlagenplanungen Berücksich- des Anlagenbetriebes – gegenüber
tigung finden zu können. Damit soll Kapitel 7 – Ökonomische Auswertung
auch ein Beitrag zur Kostensituation – eine abweichende Anlagennumme-
und damit zu einer breiteren Anwen- rierung gewählt.
dung der Biogastechnologie in
Hessen geleistet werden – zumal
angesichts knapper Haushaltsmittel
eine finanzielle Förderung durch Inve-
stitionszuschüsse zukünftig nur noch
eingeschränkt möglich sein wird.
Die vorliegende Auswertung liefert
quantitative und qualitative Aussagen
über den technischen und wirtschaft-
lichen Erfolg der 16 seit 1995 geför-
derten landwirtschaftlichen Biogas-
anlagen. Die Ergebnisse zeigen
auch, ob und in welchem Maße die
Förderziele erreicht wurden und
können damit als Grundlage für die
Ausgestaltung einer künftigen Förde-
rung bei solchen Anlagen herangezo-
gen werden. Darüber hinaus gibt die
Untersuchung der Leistungsfähigkeit
der Anlagen Betreibern, Planern und
Herstellern Hinweise für Verbesse-
rungen. Dies gilt vor allem für die
prozesstechnische Untersuchung
der Vergärung, die Aussagen über
die Effizienz des Anlagenbetriebs
erlaubt. Hieraus wurden aber auch
individuelle Optimierungsvorschläge
für die Anlagen abgeleitet. Die öko-
nomische Untersuchung ermittelt
vor allem das Betriebsergebnis der
15Beschreibung der
02 untersuchten Biogas-
anlagen
2.1 Inbetriebnahmejahr
50 % der erfassten Anlagen wurden zwischen 1995 und
1999 errichtet (Tabelle 1). Im Zuge der Verabschiedung
02
des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) im April 2000,
das die Vergütungssätze für den eingespeisten Strom aus
Biogasanlagen deutlich erhöhte, entstanden innerhalb von
drei Jahren weitere acht Anlagen.
Inbetriebnahmejahr Anzahl der Anlagen
1995 1
1996 4
1997 0
1998 1
1999 2
2000 1
2001 2
2002 5
Tabelle 1: Verteilung des Inbetriebnahmejahres der erfassten Biogas-
anlagen
2.2 Betriebsarten und -größen
Die Verteilung der Tierarten und deren Exkremente, die
als Basissubstrat eingesetzt werden, zeigt dass in 81 % der
viehhaltenden Betriebe die Milchviehhaltung dominiert.
Eine genaue Aufstellung ist in Tabelle 2 dargestellt.
Tierart Anzahl der Anlagen
Rinder 10
Schweine 2
Rinder und Schweine 3
Schweine und Geflügel 1
Tabelle 2: Verteilung der Tierhaltung, deren Exkremente als Basissubstrat
eingesetzt werden
Aus Tabelle 3 wird die Verteilung des Großviehbesatzes
der Biogasbetriebe ersichtlich. Der Durchschnitt der vieh-
haltenden Betriebe verfügt über 215 Großvieheinheiten
(GV). Wurden in der Anfangsphase noch einige Anlagen
auf Basis eines Viehbestandes um 100 GV oder auch deut-
lich darunter errichtet, so haben seit Verabschiedung des
EEG im Jahr 2000 ausschließlich Betriebe Anlagen errich-
tet, die deutlich über 100 GV verfügen. Von den sieben
Betrieben, die einen Nutztierbestand von mehr als 200 GV
haben, betreiben drei Betriebe in größerem Umfang Ko-
Fermentation. Die anderen vier Betriebe setzen überwie-
gend betriebseigenen Wirtschaftsdünger ein und vergä-
ren zusätzlich nachwachsende Rohstoffe. Die meisten der
älteren und zugleich kleineren Anlagen betreiben meist in
geringem Umfang Ko-Fermentation von Reststoffen.
Die Zahl der Großvieheinheiten ist allerdings keine ver-
lässliche Größe, um auf die Anlagengröße rückschließen
zu können bzw. diese hiermit ins Verhältnis zu setzen, da
17bei den einzelnen Anlagen der Energieinhalt der einge- Der Durchmesser der stehenden Behälter variiert zwi-
setzten Ko-Fermentationsstoffe z.T. deutlich über dem der schen 10 m und 18 m, wobei die meisten Behälterdurch-
Wirtschaftsdünger liegt. messer zwischen 12 m und 16 m aufweisen. Die Bauhöhe
variiert zwischen 5 m und 6 m. Diese Größen gehören
zum Standardsortiment der Behälterhersteller sowie der
Großvieheinheiten [Stück] Anzahl der Anlagen
Dachlieferanten. Beim Betrieb der Anlagen hat sich zudem
bis 50 1 gezeigt, dass Fermenter dieser Dimension mit der einge-
50 bis 100 3 setzten Technik, fast ausschließlich Tauchmotorrührwerke,
100 bis 150 3 noch zu handhaben sind.
150 bis 200 2
200 bis 300 2 Die nachfolgende Tabelle 5 zeigt eine Aufstellung über
300 bis 400 3 Bauart und Betriebsweise der eingesetzten Fermenter. Bei
400 bis 500 2 44 % der Anlagen handelt es sich um kombinierte Durch-
fluss-/Speicherdurchflussanlagen, bei denen sich hinter
Tabelle 3: Anzahl der Großvieheinheiten der Betriebe mit Biogasanlagen
einem oder mehreren Fermentern ein gasdichtes Gülle-
lager befindet, aus dem das Gärsubstrat direkt auf die
Betriebsflächen ausgebracht wird. Die Hälfte der Anlage
2.3 Art und Größe der Anlagen sind Durchflussanlagen, bei denen das Gärsubstrat vom
Fermenter in einen offenen Lagerbehälter gelangt. Ledig-
Die Größe der Anlage wird maßgeblich von der Größe lich eine Anlage ist als Speicherfermenter konzipiert, bei
des Fermenters bestimmt. Eine Aufstellung wird in Tabelle der der Gärbehälter gleichzeitig als Endlager dient.
4 dargestellt. Das nutzbare Nettofermentervolumen je
Anlage beträgt durchschnittlich rd. 1.300 m 2. Im Mittel Die 16 Anlagen verwerten das erzeugte Biogas in ins-
wurden je Anlage zwei Fermenter errichtet, wobei die gesamt 25 Blockheizkraftwerken zur kombinierten
durchschnittliche Fermentergröße rd. 650 m 2 beträgt. Strom- und Wärmeerzeugung. Dabei werden zu 60 %
Bei den meisten Gärbehältern handelt es sich um ste- Zündstrahlmotoren eingesetzt (siehe Abbildung 1: Moto-
hende Betonfermenter, die in Ortbetonbauweise errichtet rentyp der eingesetzten BHKW). Diese sind umgerüstete
wurden. Von den insgesamt 32 Fermentern sind sechs Dieselmotoren, die eine kleine Menge Zündöl (Heizöl/
liegende Behälter, die als Durchflussanlagen betrieben Diesel) mitverbrennen, das in das hoch verdichtete Gas-
werden. Davon sind vier in Stahlbauweise (Volumen je Luft-Gemisch eingespritzt wird. Die Motoren der übrigen
Behälter rd. 100 m 2 ), die beiden anderen in Stahlbeton BHKW arbeiten nach dem Gas-Otto-Motorprinzip, wobei
(Volumen je Behälter rd. 260 m 2 ) ausgeführt. bei den kleineren Leistungen modifizierte Fahrzeugmoto-
Alle stehenden Behälter sind ebenfalls in Stahlbetonbau- ren eingesetzt werden. Bei den Aggregaten mit Leistun-
weise realisiert. gen im Bereich von 200 kWel finden Industriemotoren
ihren Einsatz.
Fermentervolumen [m 3 ] Anzahl der Anlagen
Aufgrund von Anlagenerweiterungen setzen manche
0 bis 300 3
Betriebe bis zu drei Aggregate – teilweise auch Zünd-
300 bis 800 3
strahldiesel- und Gas-Otto-Motoren kombiniert – ein.
800 bis 1.200 4 Bei vier Anlagen wurde das BHKW in Containern, wie sie
1.200 bis 1.800 2 in der Transportschifffahrt gebräuchlich sind, installiert.
1.800 bis 2.500 2 Die übrigen Anlagen haben zur Aufstellung der BHKWs
größer als 2.500 2 entweder vorhandene Räume des landwirtschaftlichen
Tabelle 4: Gesamt-Fermentervolumen der erfassten Biogasanlagen
Betriebs genutzt, oder es wurde im Rahmen der Baumaß-
nahme ein separater BHKW-Raum errichtet.
Tabelle 5: Übersicht Bauart und Betriebsweise der erfassten Biogasanlagen
Anlage Bauweise Gasspeicher Reaktortyp Heizungsart
Fermenter
1 STL-liegend/SB extern integriert kombinierte Durchfluss-/Speicherdurchflussanlage Innenbeh. Rührwerk, Bodenheizung
2 SB integriert Durchflussanlage Bodenheizung
3 SB extern Durchflussanlage Bodenheizung
4 SB integriert Durchflussanlage Boden- & Wandheizung
5 SB integriert kombinierte Durchfluss-/Speicherdurchflussanlage Bodenheizung
6 STL-liegend extern Durchflussanlage (zwei liegende Fermenter) Innenbeh. Rührwerk
7 SB integriert Speicheranlage Innenbeh. Rührwerk
8 SB-liegend/SB integriert kombinierte Durchfluss-/Speicherdurchflussanlage Innenbeh. Rührwerk & Wandheizung
9 SB-liegend/SB integriert kombinierte Durchfluss-/Speicherdurchflussanlage Boden- & Wandheizung
10 SB integriert kombinierte Durchfluss-/Speicherdurchflussanlage Boden- & Wandheizung
11 SB integriert kombinierte Durchfluss-/Speicherdurchflussanlage Boden- & Wandheizung
12 SB integriert Durchflussanlage Wandheizung
13 SB integriert kombinierte Durchfluss-/Speicherdurchflussanlage Boden- & Wandheizung
14 SB integriert Durchflussanlage Boden- & Wandheizung
15 SB integriert Durchflussanlage Wandheizung
16 SB integriert Durchflussanlage Boden- & Wandheizung
SB = Stahlbeton, STL = Stahl
18Die aufaddierte elektrische BHKW-Leistung der meisten
Biogasanlagen liegt deutlich unter 100 kWel (Tabelle 6).
Die durchschnittliche installierte BHKW-Leistung beträgt
je Anlage 137 kWel.
elektrische Leistung [kW] Anzahl der Anlage
bis 20 1
20 bis 50 5
50 bis 100 5
100 bis 200 2
200 bis 300 1
300 bis 400 0
400 bis 500 1
500 bis 600 1
Tabelle 6: Verteilung der elektrischen BHKW-Leistung je Biogasanlage
Abbildung 1: Motorentyp der eingesetzten BHKW
In Tabelle 7 sind Leistung, Typ und Anzahl der eingesetzten
BHKW zusammengestellt.
Anlage Anlage BHKW-Typ Anzahl
[kWel]
1 595,0 2 Zündstrahldiesel / Gasottomotor 3
2 75,0 Zündstrahldiesel 1
3 15,0 Gasottomotor (Magerbetrieb) 1
4 30,0 Zündstrahldiesel 1
5 67,0 Gasottomotor (Magerbetrieb) 2
6 45,0 Zündstrahldiesel 1
7 33,5 Gasottomotor (Magerbetrieb) 2
8 37,0 Zündstrahldiesel 1
9 221,0 Zündstrahldiesel / Gasottomotor 2
10 47,0 Zündstrahldiesel 1
11 495,0 Gasottomotor 3
12 200,0 Zündstrahldiesel 3
13 110,0 Zündstrahldiesel 1
14 70,0 Zündstrahldiesel 1
15 80,0 Zündstrahldiesel 1
16 70,0 Zündstrahldiesel 1
Tabelle 7: Leistung, Typ und Anzahl der BHKW
19Eingesetzte Technik und
03 Betriebsweise der Anlagen
3.1 Vorgrube/Feststoffeinbringungssysteme
Grundsätzlich gibt es zwei Möglich-
keiten Feststoffe wie Mist, nachwach-
sende Rohstoffe (Mais- oder Grassi-
lage) und ähnliches in den Fermenter
Bei den untersuchten Anlagen
wurden unterschiedlichste Eintrag-
systeme installiert. Sieben der 16
Anlagen verfügen ausschließlich über
einzubringen. Bei der „klassischen“ eine Vorgrube und setzen – mit Aus-
Variante werden die Feststoffe nahme einer neueren Anlage – ledig-
– meist mittels Frontlader – in die lich geringe Mengen feststoffreicher
Vorgrube eingebracht, dort mit Gülle Substrate ein. Zwei der Anlagen
gemischt und anschließend in den haben so genannte Einspülschächte
Fermenter gepumpt. Dieses System seitlich am Fermenter angebracht.
wird hauptsächlich dann eingesetzt, Der Schacht, der sich etwa auf halber
wenn die Menge der so einzubrin- Füllhöhe des Fermenters befindet, ist
genden Substrate gering ist und im unteren Bereich mit diesem ver-
somit der Arbeitsaufwand und der bunden. Über die Verbindung zwi-
spezifische Prozessenergiebedarf schen Schacht und Behälter werden
hierfür (relativ) gering sind. Feststoffe mit Hilfe von Pumpen bzw.
Förderschnecken direkt in den Fer-
Nach Einführung des EEG in 2000 menter „gespült“. Beim Einsatz von
und der damit verbundenen Erhö- Pumpen wird üblicherweise Substrat
hung der Einspeisevergütung stieg aus dem Fermenter „umgepumpt“,
das Interesse, nachwachsende Roh- was aufgrund des großen Volumen-
stoffe mitzuvergären, stark an. Die stroms und der Temperatur des Sub-
Einbringung von großen Mengen strates zu Geruchsemissionen führen
feststoffreicher Substrate wie Mais, kann.
Gras und ähnlichem über die Vor-
grube, war vom Arbeitsablauf her
aufwendig und zudem technisch
schwierig. Es wurden daher verstärkt
Systeme entwickelt und etabliert, die
es ermöglichen, Feststoffe direkt –
ohne den Umweg über die Vorgrube
– in den Fermenter einzubringen.
Eine Aufschlüsselung der Anlagen ist
in Abbildung 2 zu sehen.
Abbildung 2: Verteilung der Einbringung von Fest-
stoffen in den Fermenter
21Eine weitere Variante zur direkten Feststoffeinbringung mit Tauchmotorrührwerken aus gestattet. Diese sind in
in den Fermenter sind so genannte Feststoffdosierer. Bei der Regel höhenverstellbar, seitlich schwenkbar und im
diesem System werden die Feststoffe von einem Vorrats- Neigungswinkel verstellbar, so dass der Schwimmdecken-
behälter, der bei allen betrachteten Anlagen mittels Front- und Sinkschichtenbildung gezielt entgegengewirkt
lader befüllt wird, durch Schneckenfördersysteme oder werden kann.
hydraulische Presskolben in den Fermenter gefördert.
In der technischen Ausführung gibt es unterschiedliche Die eingesetzten Leistungen der Tauchmotorrührwerke
Detaillösungen. Von den sieben Anlagen, die ein solches liegen zwischen 5,5 und 13 kW, wobei in einigen Fermen-
System installiert haben, verfügen drei über ein Bevorra- tern auch zwei Rührwerke installiert waren, so dass die
tungsvolumen von über 10 m 2. Die anderen vier Anlagen Leistung je Fermenter bis zu 22 kW beträgt.
setzen kompakte Systeme ein, bei denen der Vorratsbe-
hälter direkt an der Fermenterwand oder -decke ange- Die Anzahl der Rührintervalle liegt zwischen 8 und 48
bracht ist und nur ein relativ geringes Volumen ausweist. pro Tag. Durchschnittlich werden die Fermenter täglich
Aufgrund der Handhabbarkeit und des Arbeitsaufwands zwanzigmal durchmischt. Der tägliche elektrische Pro-
werden in diesen Anlagen entsprechend geringe Fest- zessenergiebedarf für die Fermenterrührwerke liegt im
stoffmengen über dieses System eingebracht. Da diese Durchschnitt bei rd. 63 kWh. Bei den kleineren Anlagen
Systeme – abgesehen von der Befüllung des Vorratsbehäl- mit Fermentervolumen im Bereich von 200 m 2 bis 300 m 2
ters – vollautomatisch betrieben werden können, können (netto) liegen diese zwischen 15 und 50 KWh. Mit Aus-
kontinuierliche Beschickungen des Fermenters realisiert nahme einer Anlage benötigen die restlichen Anlagen
und somit Schwankungen im biologischen Abbauprozess zwischen 30 und 80 kWh täglich für die Rührwerke im
reduziert werden. Fermenter. Die Anlage, die hier deutlich abweicht, verar-
beitet sehr hohe Feststoffmengen, so dass sich der elek-
Die bei den untersuchten Anlagen zugeführten Feststoff- trische Energiebedarf für die Rührwerke auf rd. 200 kWh
mengen sind sehr unterschiedlich und variieren zwischen pro Tag erhöht.
0,5 t bis 10 t täglich, wobei die installierten Geräte für den
Einsatz dieser Maximalmenge nur bedingt geeignet sind.
Hier scheint der Einsatz von Aggregaten mit größerem 3.3 Pumpen
Bevorratungsvolumen und zusätzlichen Zerkleinerungsein-
richtungen technisch und wirtschaftlich sinnvoller. Somit In Biogasanlagen werden Pumpen hauptsächlich benötigt,
ließe sich der hohe Arbeitseinsatz der Anlage mit den um Gülle von der Vorgrube in den Fermenter zu pumpen.
größten durchgesetzten Feststoffmengen deutlich redu- Vereinzelt werden Pumpen auch eingesetzt, um das Gär-
zieren. substrat vom Fermenter in einen nachgeschalteten Fer-
menter oder einen Güllelagerbehälter zu fördern.
Alle vorgefundenen Systeme hatten technische Probleme
beim Betrieb. Im Bereich des Vorratsbehälters kam es Bei den ausgewerteten Anlagen werden Vedrängerpum-
besonders bei langfaserigen Substraten wie Grassilage pen (Drehkolbenpumpen, Exzenterschneckenpumpen)
und Festmist häufig zu „Brückenbildungen“, so dass die und Kreiselpumpen sowie Balgenpumpen als Sonderbau-
Substratzufuhr in die Förderschnecken unterbrochen form eingesetzt. Als Kreiselpumpen kommen vor allem
wurde. In Anlagen, bei denen auch Festmist eingesetzt Schneidpumpen, die langfaserige Stoffe wie Stroh, Gras-
wird, wurden Störstoffe wie Steine, mit in den Feststoff- schnitt und Futterreste zerkleinern, zum Einsatz. Dieser
dosierer eingetragen. Dies führte häufig zum Stillstand Pumpentyp wird in drei Anlagen verwendet. Selbst-
der Förderschnecken und machte jedes Mal eine Ent- ansaugende Verdrängerpumpen, die im Vergleich zu
leerung des Vorratsbehälters notwendig. Aufgrund des Kreiselpumpen geringere Volumenströme bei gleichzeitig
hohen Zerkleinerungsgrades und der großen Homogeni- höheren Drücken fördern, werden bei zehn Anlagen ein-
tät ist die Einbringung von Maissilage am wenigsten pro- gesetzt. In drei Anlagen finden Balgenpumpen Verwen-
blematisch. dung.
Die Häufigkeit der täglichen Substratzugabe in den Fer-
3.2 Rührwerke menter über die Pumpen variiert zwischen 1 und 48 Mal.
Immerhin vier Betreiber, von denen drei Kreiselpumpen
Rührwerke werden in Vorgrube und Fermenter einge- einsetzen, beschicken Ihre Anlage nur einmal täglich.
setzt. In Vorgruben dienen sie der Homogenisierung von Abgesehen von einer Anlage, pumpen die übrigen Betrei-
Substraten. Teilweise werden Feststoffe mit der Gülle ber täglich mindestens zehnmal Substrat in den Fermen-
vermischt, so dass diese dann von dort in den Fermenter ter. Aufgrund der geringen Volumenströme, die sich mit
gepumpt werden können. Im Fermenter selbst werden die Verdrängerpumpen fördern lassen, ist mit diesem Pum-
Rührwerke zur Durchmischung und zur Vermeidung von pentyp die mehrfache tägliche Beschickung einfacher zu
Schwimm- und Sinkschichten eingesetzt. In der Vorgrube handhaben.
kommen bei den ausgewerteten Anlagen ausschließlich
Tauchmotorpropellerrührwerke sowie Stabmixer zum Ein-
satz.
Bei den liegenden Fermentern kommen bauartbedingt
mechanische Paddelrührwerke, die im vorderen Drittel mit
Heizschlangen zur Substrataufwärmung und im hinteren
Bereich mit Paddeln zur Durchmischung ausgestattet sind,
zur Anwendung. Die stehenden Betonrundfermenter sind
bis auf zwei Ausnahmen, bei denen ein Stabrührwerk bzw.
ein langsamlaufendes Grindelrührwerk eingesetzt wurden,
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