BIOGAS - BIOENERGIE - Fachagentur ...
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
biogas.fnr.de
BIOGAS
BIOENERGIE
IMPRESSUM Herausgeber Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) OT Gülzow, Hofplatz 1 18276 Gülzow-Prüzen Tel.: 03843/6930–0 Fax: 03843/6930–102 info@fnr.de www.nachwachsende-rohstoffe.de www.fnr.de Gefördert durch das Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages Redaktion Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR), Abteilung Öffentlichkeitsarbeit Bilder Titel: PlanET Biogastechnik GmbH, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) Sofern nicht am Bild vermerkt: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) Gestaltung/Realisierung www.tangram.de, Rostock Druck www.druckerei-weidner.de, Rostock Gedruckt auf 100 % Recyclingpapier mit Farben auf Pflanzenölbasis Bestell-Nr. 175 9. überarbeitete Auflage FNR 2013
INHALT
1 Erneuerbare Energie aus Biogas 4
Energiepotenziale von Biogas 6
2 Ökologie und Nachhaltigkeit 8
3 Vielseitige Nutzungsmöglichkeiten 11
3.1 Strom und Wärme 11
3.2 Biomethan und Kraftstoff 14
4 Prozessbiologie 17
5 Ausgangsstoffe 19
6 Anlagentechnik und Betrieb 22
6.1 Verfahren 22
6.2 Anlagentechnik 24
6.3 Gasaufbereitung und Einspeisung 26
6.4 Mess- und Regeltechnik, Sicherheit 28
6.5 Gärrückstände 28
7 Rechtliche Rahmenbedingungen, Förderungen
und Wirtschaftlichkeit 30
7.1 Rechtliche Rahmenbedingungen 30
7.2 Erneuerbare-Energien-Gesetz und Förderungen 33
7.3 Wirtschaftlichkeit 35
8 Anhang 37
8.1 Weitergehende Informationen 37
8.2 Faustzahlen 38
8.3 Abkürzungsverzeichnis 39
8.4 Publikationen 41
3
1 ERNEUERBARE ENERGIE AUS BIOGAS
Um die zur Neige gehenden fossilen Ener- nachwachsende Rohstoffe mit steigender
gieträger zu schonen und den Klimawandel Tendenz, wenngleich der Ausbau hier lang-
aufzuhalten, ist ein sukzessiver Umstieg auf samer voran geht als bei der energetischen
erneuerbare Energien in den nächsten Jahr- Nutzung.
zehnten notwendig.
Biomasse insgesamt trägt heute mit ca.
Die Bundesregierung hat sich daher eine mo- 66 % maßgeblich zur Energiebereitstellung
derne, klimafreundliche, nachhaltige und si- aus erneuerbaren Energien in Deutschland
chere Energieversorgung durch den Ausbau bei. Der Anteil von Biogas an der Strompro-
der erneuerbaren Energien zum Ziel gesetzt. duktion aus Biomasse belief sich 2012 auf
Dieses Ziel ist eingebunden in die Energie- 50,2 %. Bezug nehmend auf die erneuer-
und Klimapolitik der Europäischen Union. Die baren Energien betrug der Anteil von Biogas
EU hat folgende Teilziele für 2020 festgelegt: bei der Stromerzeugung 15,1 % und an der
• Senkung der Treibhausgasemissionen um Wärmebereitstellung 7,8 % (zuzüglich Bio-
mindestens 20 %, abfallvergärung, Deponie- und Klärgas sind
• Verringerung des Energieverbrauches um es sogar 20,1 % bei Strom und 14,6 % bei
20 % durch bessere Energieeffizienz und Wärme). Biogas und Biomasse werden auch
• Deckung von 20 % unseres Energiebe- in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Holz,
darfes aus erneuerbaren Energien. Energiepflanzen, Stroh und tierische Exkre-
mente bieten das Potenzial, einen erhebli-
Auf dieser Grundlage sollen die erneuerba- chen Teil unserer Energie nachhaltig, klima-
ren Energien mittelfristig einen Hauptanteil neutral und verhältnismäßig kostengünstig
an der Energieversorgung übernehmen. Bis zu erzeugen.
2020 soll ihr Anteil auf mindestens 35 %
der Stromversorgung, 14 % der Wärmebe- Biogas aus Biomasse nimmt unter den er-
reitstellung und 10 % des Kraftstoffverbrau- neuerbaren Energien eine besondere Rolle
ches ansteigen. Bis 2020 sollen sich auch ein, es eignet sich zur gleichzeitigen Er-
die Treibhausgasemissionen im Vergleich zeugung von Strom und Wärme, als Kraft-
zu 1990 um 40 % verringern. stoff und als Erdgassubstitut. Hinzu kommt,
dass es flexibel nutzbar und relativ einfach
Bioenergie, die von allen regenerativen Ener- speicherbar ist. Die Energieerzeugung aus
giequellen in Deutschland heute den größten Biogas unterliegt keinen jahres- und ta-
Beitrag leistet, spielt dabei auch zukünftig geszeitlichen oder witterungsbedingten
eine zentrale Rolle. Schließlich ist Biomasse Schwankungen und kann somit langfristig
ein weitgehend CO2-neutraler Energieträger. zur Absicherung der Grundversorgung mit
Auch im stofflichen Bereich verwendet man Strom (sog. Grundlast) und auch für Bedarfs-
4
ENERGIEBEREITSTELLUNG AUS
ENERGIEBEREITSTELLUNG AUSERNEUERBAREN
ERNEUERBARENENERGIEN
ENERGIEN2012
2012
Biokraftstoffe 10,7 % 6,8 % Wasserkraft
14,7 % Windenergie
Biomasse 13,0 %
(Strom) gesamt 1,9 % Solarthermie
313,9 TWh 2,2 % Geothermie
ca. 66 % durch
Bioenergie
8,9 % Photovoltaik
Biomasse 41,8 %
(Wärme)
Strom und Wärme aus Biomasse inkl. Klär-, Deponiegas und biogener Anteil des Abfalls
Quelle: BMU, AGEE-Stat (März 2013) © FNR 2013
Abb. 1: Bedeutung der Bioenergie innerhalb der erneuerbaren Energien
spitzen herangezogen werden. Deshalb liegt produziert. Ende 2012 gab es in Deutsch-
ein aktueller Schwerpunkt darin, die flexible land 7.515 Biogasanlagen mit einer in-
und bedarfsorientierte Biogasproduktion stallierten elektrischen Gesamtleistung von
auszubauen. 3.352 MW. Im Durchschnitt hat eine Bio-
gasanlage hierzulande also eine installierte
Die Energiegewinnung aus Biogas ist seit elektrische Leistung von ca. 440 kW. Zum
Langem bekannt, doch erst seit Anfang der Vergleich verfügen durchschnittliche Koh-
90er Jahre kommt es zu einer nennenswer- lekraftwerke über eine Leistung von etwa
ten Nutzung. Ein massiver Zuwachs setzte 600 MWel und das größte deutsche Atom-
im Wesentlichen mit dem Inkrafttreten des kraftwerk (AKW) Isar 2 über ca. 1.485 MWel.
Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ein. Be- Biogasanlagen in Deutschland ersetzen da-
sonders förderlich wirkten sich die EEG-No- mit bereits heute mehr als 5 Kohle- oder 2
vellierungen 2004 und 2009 aus (Abb. 2). große AKWs und führen den Beweis, dass
viele kleine Energieerzeuger zusammen
Zum überwiegenden Teil wird Biogas hier- eine nicht unerhebliche Energiemenge er-
zulande in landwirtschaftlichen Anlagen zeugen können. Deutlich wird an diesen
5
BESTANDSENTWICKLUNG BIOGASANLAGEN
BESTANDSENTWICKLUNG BIOGASANLAGEN
Anlagenzahl installierte elektrische Leistung (MW)
1. Novelle EEG 2. Novelle EEG 3. Novelle EEG
9.000 (Aug. 2004) (Jan. 2009) (Jan. 2012) 5.000
8.000 4.000
7.772
7.515
7.000 7.175 3.500
3.530
6.000 3.000
3.352
5.905
3.097
5.000 4.984 2.500
4.000 3.891 2.000
2.291
3.711
3.500
1.893
3.000 1.500
2.680
2.000 2.050 1.000
1.377
1.750
1.271
1.100
1.000 500
390
190
650
0 0
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013*
Anlagenzahl Prognose Anlagenzahl installierte elektrische Leistung * Prognose
Quelle: FNR nach FvB (2013) © FNR 2013
Abb. 2: Entwicklung der Anzahl und elektrisch installierte Leistung der Biogasanlagen in Deutschland
Zahlen auch, dass Biogasanlagen wie Kindergärten und Schwimmbäder oder Ge-
alle anderen Kraftwerke zur Nutzung er- werbe- und Industriebetriebe, wie Gärtne-
neuerbarer Energien zu den dezentralen reien oder Fertigungshallen.
Technologien gehören, während die fossi-
len Rohstoffe in zentralen Großkraftwerken Auch wer keinen direkten Zugang zu Ener-
in Energie umgewandelt werden. gie aus Biogas hat, kann virtuell „grünen“
Strom und „grüne“ Wärme von Energie-
Mit Biogas lässt sich jedoch nicht nur „grü- versorgern beziehen, immer mehr Unter-
ner“ Strom produzieren. Inzwischen gibt es nehmen bieten dies inzwischen an. Und
viele erfolgreiche Multinutzungsmodelle. an zahlreichen Erdgas-Tankstellen kann Bio-
Beispielsweise wird die erzeugte Energie methan heute als Reinkraftstoff oder im Ge-
über Gas- oder Wärmeleitungen direkt zum misch mit Erdgas getankt werden.
Verbraucher gebracht, seien es Wohnhäu-
ser, öffentliche Einrichtungen wie Schulen,
6
Energiepotenziale von Biogas Primärenergiepotenzial rund 500 PJ, wovon
das mögliche Biogasaufkommen des land-
Potenzialermittlungen für die Biogaspro- wirtschaftlichen Sektors mit ca. 88 % den
duktion werden von diversen Faktoren be- größten Anteil hat.
einflusst. Wie groß das landwirtschaftliche
Rohstoffpotenzial ist, hängt z. B. von der Die Erschließung der vorhandenen Poten-
notwendigen Flächenvorhaltung für die ziale ist im Wesentlichen über den land-
Nahrungsmittelproduktion und Tierernäh- wirtschaftlichen Sektor möglich, da hier
rung ab, der regionalen Anbaustruktur und der Großteil anfällt. Dieses wird bereits
den wirtschaftlichen Rahmenbedingungen. zukünftig noch verstärkt ermöglicht durch
Die Biogasproduktion aus Abfall- und Rest- weiter steigende Wirkungsgrade bei der
stoffen wird ebenfalls durch eine Vielzahl Stromproduktion und Wärmebereitstellung,
von Faktoren bestimmt. die Optimierung von Fermenterbiologie und
Anlagentechnik, die verstärkte Nutzung von
Das technische Potenzial von Biogas aus Ernterückständen und Exkrementen sowie
den verschiedenen Quellen ist in Abb. 3 dar- den Züchtungsfortschritt bei Energiepflan-
gestellt. Für 2020 beträgt das technische zen.
TECHNISCHES PRIMÄRENERGIEPOTENZIAL FÜR BIOGAS
TECHNISCHES PRIMÄRENERGIEPOTENZIAL FÜR BIOGAS
Jahr
2007 108 114 86 102
2020 47 13 105 86 252
0 100 200 300 400 500
Technisches Primärenergiepotenzial (in P J/a)
Kommunale Reststoffe Industrielle Rückstände Ernterückstände und Exkremente
min. NawaRo max. NawaRo vom Potenzial genutzter Anteil
(0,55 Mio. ha 2007) (1,15 Mio. ha 2007 und
1,6 Mio. ha 2020/Ertragssteigerung: 2 %/a)
Quelle: IE, DBFZ (2009) © FNR 2011
Abb. 3: Technisches Primärenergiepotenzial für Biogas in Deutschland
7
2 ÖKOLOGIE UND NACHHALTIGKEIT
Eine Grundvoraussetzung für die verstärkte zuentwickeln. Zu den verfolgten Strategien
Nutzung pflanzlicher Rohstoffe und Ener- gehören unter anderem:
gieträger ist deren nachhaltige Erzeugung • die Erhöhung der Artenvielfalt beim
und Verwendung. Nachhaltigkeit, so wie Energiepflanzenanbau,
sie im Brundtland-Bericht von 1987 defi- • die Züchtung neuer Sorten,
niert wurde, bedeutet, dass die gegenwär- • neue Anbaumethoden mit verringertem
tige Generation ihre Bedürfnisse befriedigt, Pflanzenschutz- und Düngemitteleinsatz
ohne die Fähigkeit zukünftiger Generatio- sowie ganzjährig begrünten Feldern,
nen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse • der Einsatz besonders effizienter
zu befriedigen.1 Nachhaltigkeit hat somit Umwandlungsprozesse,
eine ökologische, eine ökonomische und • Kaskadennutzungsmodelle mit einer
eine soziale Dimension. Auf nachwach- stofflichen und anschließenden ener-
sende Rohstoffe übertragen heißt das, bei getischen Nutzung nachwachsender
der Nutzung ein Gleichgewicht zu finden Rohstoffe und
zwischen dem, was ökonomisch notwendig • die Wiederverwertung der Reststoffe als
ist, wie zum Beispiel hohe und sichere Bio- Dünger.
masseerträge, und dem, was den Naturräu-
men ökologisch zugemutet werden kann. Aufgabe des BMELV ist es, mithilfe ange-
Die soziale Komponente betrifft u. a. die messener und abgestimmter Forschungs-
Arbeitsbedingungen der Menschen, neue förderung geeignete Methoden einer nach-
Einkommensmöglichkeiten und Teilhabe haltigen Energie- und Rohstoffwirtschaft
an Wertschöpfungsprozessen. herauszuarbeiten. Für deren anschließende
Überführung in die Praxis ist die gesamte
Ansätze einer noch nachhaltigeren Pro- Gesellschaft gefragt: Wirtschaft und Verbrau-
duktionsweise von nachwachsenden Roh- cher sind es, die die neuen Verfahren und
stoffen existieren viele. Es ist einer der Produkte in ihren Alltag integrieren müssen.
Schwerpunkte des Bundesministeriums für
Ernährung, Landwirtschaft und Verbrau- Auch für den Biogassektor gilt das Prinzip
cherschutz (BMELV), diese Ansätze in For- der Nachhaltigkeit. Produktion und Verwer-
schungsprojekten zu erproben und weiter- tung von Biogas bringen ökologische, öko-
1
1983 verwendete die von den Vereinten Nationen eingesetzte Weltkommission für Umwelt und Entwicklung (Brundt-
land-Kommission) unter dem Vorsitz der ehemaligen norwegischen Ministerpräsidentin Gro Harlem Brundtland
erstmals den ursprünglich aus der Forstwirtschaft stammenden Begriff „Nachhaltigkeit“ in einem entwicklungspoli-
tischen Kontext. Die genannte Definition stammt aus dem Abschlussdokument der Brundtland-Kommission „Unsere
gemeinsame Zukunft“ (auch bekannt als Brundtland-Bericht) aus dem Jahr 1987.
8
nomische und soziale Vorteile mit sich. Aber Die größten CO2-Einsparungspotenziale
nur bei Beachtung der Nachhaltigkeitskrite- werden mit einem möglichst hohen Anteil
rien kann Biogas langfristig und dauerhaft an Wirtschaftsdüngern, wie Gülle oder Mist
als Energieträger zur Verfügung stehen. im Gärsubstrat erreicht. Denn im Gegensatz
zu Energiepflanzen, die extra für die Bio-
Der wichtigste Effekt der Umweltentlastung gasnutzung angebaut werden, verursachen
durch Biogas ist die Vermeidung von CO2- ohnehin anfallende Reststoffe wie Gülle und
Emissionen im Vergleich zu fossilen Energie- Mist keinen Energieaufwand zu ihrer Herstel-
trägern. Die Erzeugung von Energie aus Bio- lung. Bei Energiepflanzen muss dieser Auf-
gas ist weitgehend CO2-neutral, d. h. das bei wand von dem CO2-neutralen Energieertrag
der Verbrennung des Biogases freigesetzte der Anlage abgezogen werden, denn heute
CO2 wurde vorher der Atmosphäre durch die kommt meistens noch fossile Energie beim
Bildung der Biomasse entnommen. Anbau (z. B. als Kraftstoff in Traktoren) zum
THG-EMISSIONEN
THG-EMISSIONENVON
VONBIOGASANLAGEN IM IM
BIOGASANLAGEN VERGLEICH ZUM
VERGLEICH
DEUTSCHEN STROMMIX
ZUM DEUTSCHEN STROMMIX
in kg CO2-Äq/kWhel
0,6
0,5 Strommix 2011 (EE Anteil 20,0 %)
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0 0,17 0,16 0,17
–0,1 –0,04
–0,2
–0,3
–0,4
75 kW 150 kW 500 kW 1 MW
Saldo Gesamtemissionen
Errichtung Anlage Substratbereitstellung und Transport Anlagenbetrieb
Gutschrift Ersatz fossile Wärme Gutschrift Gülle-Nutzung
Quelle: KTBL (2011) © FNR 2012
Abb. 4: Treibhausgasemissionen Biogasstromerzeugung im Vergleich zum deutschen Strommix
9
Einsatz. Die Vergärung von Wirtschaftsdün- Zu den ökologischen Vorteilen ist auch die
gern verringert auch die Emissionen von Abfallverwertung und -reduzierung hinzu-
Methan, das ansonsten unkontrolliert ent- zufügen, denn die energetische Nutzung
weicht und wesentlich klimaschädlicher ist von organischen Abfällen zum Beispiel aus
als CO2. der Biotonne und von Abwässern ist nicht
nur ein exzellenter Weg um Strom oder Wär-
Neuere Untersuchungen deuten darauf hin, me zu erzeugen, der Gärrückstand ist hier
dass durch die Vergärung auch die Emission nach entsprechender Behandlung auch als
des klimawirksamen Lachgases gemindert Dünger nutzbar. Besonders vorteilhaft sind
wird. Die Vergärung reduziert außerdem die insbesondere Konzepte mit einer möglichst
Geruchsentwicklung bei der Lagerung und vollständigen Energieausnutzung.
der Ausbringung von Gülle, weil im Verlauf
des Gärprozesses die Geruchsstoffe der Als wichtige Komponente der Nachhaltig-
Gülle abgebaut und neutralisiert werden. keit ist sicher auch die zunehmende Unab-
hängigkeit von Energieimporten zu nennen.
Ebenso wie Deutschland sind die meisten
europäischen Länder abhängig von diesen
Importen. Mit dem gezielten Ausbau der er-
neuerbaren Energiesysteme erreichen wir
eine zunehmende Unabhängigkeit und die
Stabilität der Energiebereitstellung.
Ökonomisch bedeutsam ist die dezentrale
Energiebereitstellung durch Biogas für die
Stärkung des ländlichen Raumes. Dieses
führt nicht nur zu besseren Einkommens-
situationen bei Landwirten, sondern zieht
auch Folgeinvestitionen nach sich, die zu
Wertschöpfungen vor Ort führen.
Weiterhin sorgen die erneuerbaren Energien
für neue Jobs. Allein in Deutschland waren es
©© PlanET Biogastechnik GmbH
im Jahr 2012 bereits fast 380.000 Beschäf-
tigte, davon etwa 50.000 im Bereich Biogas.
Und die Tendenz ist steigend, denn dieser
junge Wirtschaftszweig partizipiert sowohl am
Inlandsmarkt als auch am wachsenden Aus-
landsmarkt. Inzwischen sind deutsche Unter-
Arbeitsplatz Biogasanlage nehmen weltmarktführend im Biogassektor.
103 VIELSEITIGE NUTZUNGSMÖGLICHKEITEN
Biogas bietet eine Vielzahl von Nutzungs- 3.1 Strom und Wärme
optionen, z. B. die dezentrale Strom- und
Wärmeproduktion, die Verteilung über Derzeit wird der größte Teil des in Deutsch-
Wärmenetze, die Einspeisung in das Gas- land produzierten Biogases direkt am Ent-
netz und die Verwendung als Erdgassub- stehungsort verstromt. Dank der Einspeise-
stitut oder der Einsatz als Kraftstoff. Un- vergütung für Strom aus Biomasse gemäß
abhängig von der gewählten Anwendung Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ist die
sollte eine möglichst effektive Energieaus- Erzeugung von Strom und Wärme durch
nutzung das Ziel sein. Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Blockheiz-
kraftwerken (BHKW) die derzeit vorrangige
Nutzungsart von Biogas. BHKW bestehen
prinzipiell aus einem mit Biogas betriebenen
VIELFÄLTIGE NUTZUNG VON BIOGAS
Quelle: FNR
Abb. 5: Nutzungsmöglichkeiten von Biogas
11 erbrennungsmotor, der einen Generator zur
V
Erzeugung von elektrischer Energie antreibt.
Hierfür stehen mehrere Motorbauarten und
Verbrennungsverfahren zur Verfügung. Es
werden insbesondere Gas-Otto-Motoren
und Zündstrahlmotoren eingesetzt. Aber
auch die Stromerzeugung über Stirlingmoto-
ren, Mikrogasturbinen oder Brennstoffzellen
ist möglich. BHKW-Aggregat einer Biogasanlage
Gas-Otto-Motoren sind in der Lage, das Bio- menutzung oder einen verminderten War-
gas ab einer Methankonzentration von 45 % tungsaufwand. Als Nachteil zu nennen sind
direkt zu verbrennen. Zündstrahlmotoren der geringere Wirkungsgrad und die höhe-
benötigen zur Verbrennung des Biogases ren Investitionskosten.
ein Zündöl zur Einleitung des Verbrennungs-
prozesses. Optimierte Zündstrahlmotoren Alternativen bieten auch der Einsatz von Stir-
kommen mit einer Menge von 2–4 % Zündöl lingmotoren und Brennstoffzellen.
aus, ältere Anlagen benötigen noch bis zu
10 %. Gemäß den Regelungen des EEG darf Stirlingmotoren (Heißgasmotoren) stellen
seit 2007 für Neuanlagen kein Zündöl auf geringe Ansprüche an die Gasqualität,
fossiler Basis mehr eingesetzt werden. haben aber nur einen Wirkungsgrad von
24–28 %. Sie sind derzeit nur in kleinen
Bei der Auswahl des BHKW ist auf hohe Leistungsklassen (bis 100 kWel) erhältlich.
Wirkungsgrade und einen geringen Repa-
raturbedarf zu achten. Besonders bei Kofer- Biogas lässt sich auch in verschiedenen
mentationsanlagen sind Schwankungen bei Brennstoffzellentypen nutzen. Hierzu muss
der Qualität und Menge des Gases möglich, das Biogas aufbereitet (insbesondere die
dadurch kann es zu Schäden am Motor kom- Entfernung von Schwefel, Kohlenmonoxid
men. Abhilfe lässt sich durch elektronische und weiteren Schadstoffen) und reformiert
Motorkontrollsysteme schaffen. Beim Betrieb werden (Überführung von Biogas in Wasser-
von BHKW sind bestimmte Rahmenbedin- stoff). Dem sehr guten Wirkungsgrad von bis
gungen, wie insbesondere die vorgeschrie- zu 50 % und fast emissionsfreier Betriebs-
benen Wartungsintervalle und die Anforde- weise stehen derzeit die sehr hohen Inves-
rungen an den Aufstellraum, zu beachten. titionskosten und weiterer technischer Ent-
wicklungsbedarf gegenüber.
Mikrogasturbinen haben einige Vorteile
gegenüber Verbrennungsmotoren, wie die Bei der KWK-Nutzung fallen als Koppel-
kostengünstigere und einfachere Abwär- produkte Strom und Wärme an. Aus öko-
12logischer Sicht und für eine effiziente Aus- menge genutzt. Die produzierte Wärme wird
lastung sowie einen wirtschaftlichen Betrieb für verschiedenste Anwendungen eingesetzt.
der Anlage ist eine Wärmenutzung sinnvoll Den größten Anteil haben das Beheizen von
und notwendig. So spielt bei der Planung Wohn- und Wirtschaftsgebäuden des land-
von neuen Anlagen ein geeignetes Wärme- wirtschaftlichen Betriebes und der Anschluss
konzept eine entscheidende Rolle. Von der an Nah- und Fernwärmenetze, womit auch
zur Verfügung stehenden Wärme werden weiter entfernte Verbraucher mit Wärme ver-
je nach Anlagentyp und Jahreszeit etwa sorgt werden. Es gibt inzwischen viele Beispie-
10–30 % der Abwärme für die Beheizung le der Versorgung von Wohngebieten, kom-
des Fermenters benötigt. Abzüglich der Ver- munalen und gewerblichen Einrichtungen mit
luste (ca. 15 %) stehen dann 50–60 % für Biogaswärme. Die Abwärme wird ebenfalls
eine externe Wärmenutzung zur Verfügung. genutzt für die Trocknung von Getreide und
anderen landwirtschaftlichen Produkten, Holz
In den letzten Jahren ist eine deutlich ver- oder auch den anfallenden Gärrückständen.
stärkte Wärmenutzung festzustellen. Laut Ebenfalls zu nennen sind Direktleitungen zu
Monitoringbericht zum EEG wird bereits etwa Wärmekunden, wie z. B. Gärtnereien.
die Hälfte der extern verfügbaren Wärme-
WÄRMENUTZUNG AUS BIOGASANLAGEN 2012
WÄRMENUTZUNG AUS BIOGASANLAGEN 2012
Einspeisung in Wärmenetze 25,8 % 18,1 % Trocknungsprozesse
11,1 % Stallbeheizung
gesamt
11,3 TWh
2,5 % öffentliche
Gebäude
1,9 % Gärtnerei/
Gewächshaus
1,6 % Gewerbe/
Industrie
Wohn- und Betriebsgebäude 35,8 % 3,2 % sonstige
(inkl. Warmwasserbereitung) Wärmenutzung
Quelle: FNR nach DBFZ-Betreiberumfrage 2012/13 © FNR 2013
Abb. 6: Wärmenutzung aus Biogasanlagen 2012
13Mit der im KWK-Prozess entstehenden zunehmend Interesse und kann eine ver-
Wärme kann im ORC-Prozess (Organic Ran- besserte Wärmenutzung in den Sommer-
kine Cycle) zusätzlicher Strom produziert monaten ermöglichen.
werden. In diesem sogenannten Nachver-
stromungsverfahren verdampft die Wärme Wärmenetzen sind bei größeren Entfernun-
ein organisches Arbeitsmedium (z. B. Sili- gen zwischen Biogasanlage und Nutzer und
konöl). Mit dem hierbei entstehenden Gas den dann hohen Übertragungsverlusten
wird eine Turbine angetrieben, die über Grenzen gesetzt. Eine Alternative sind Mik-
einen gekoppelten Generator nachfolgend rogasnetze, durch die das Rohbiogas vom
Strom erzeugt. Fermenter zu einem bzw. mehreren Satel-
liten-BHKW, die direkt beim Wärmenutzer
Über sogenannte Sorptionsverfahren kann stehen, gelangt. Vorteilhaft und wertschöp-
die Wärme auch in Kälte umgewandelt wer- fend ist auch hier die Steigerung des Ge-
den, die dann z. B. im landwirtschaftlichen samtwirkungsgrades durch eine optimale
Betrieb für die Milchkühlung oder in Kühl- Wärmeausnutzung.
häusern genutzt wird. Die Kraft-Wärme-
Kälte-Kopplung bei Biogasanlagen findet
3.2 Biomethan und Kraftstoff
In den letzten Jahren hat sich die Biogas-
aufbereitung und Einspeisung in das Erd-
gasnetz etabliert. Um Biogas als Erdgas-
substitut nutzen zu können, wird es von
unerwünschten Bestandteilen gereinigt,
das CO2 weitgehend abgetrennt und damit
der Methangehalt erhöht. Das aufbereitete
Biogas, nun Biomethan oder auch Bioerd-
gas genannt, wird dann durch die Infra-
struktur des Erdgasnetzes transportiert. Da-
durch ist die Nutzung an einem beliebigen
Standort mit hohem ganzjährigen Wärme-
bedarf möglich. Außerdem kann das Bio-
methan im vorhandenen umfangreichen
Gasnetz mit den unterirdischen Kavernen
gespeichert werden und damit helfen, die
Stromnetze zu entlasten. Dieses reduziert
darüber hinaus auch den Bedarf, neue
Abwärmenutzung einer Biogasanlage im Stromleitungen zu bauen. Die Einspeisung
Gewächshaus in das Erdgasnetz ermöglicht die von der
14Produktion entkoppelte direkte Wärme- äquivalente Menge Erdgas an seinem Stand-
nutzung (z. B. mittels Gasbrennwertther- ort. Privathaushalte und Gewerbekunden
men) sowie die gekoppelte Wärme- und können das Biomethan in KWK-Anlagen zur
Stromerzeugung in Gas-Heizkraftwerken Erzeugung von Wärme und Strom, zur allei-
mit kommunalen Wärmenetzen. Das Er- nigen Wärmeerzeugung in Gasheizkesseln
neuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWär- oder für gasbetriebene Haushaltsgeräte ein-
meG) regelt die Nutzung von erneuerbaren setzen. Grundsätzlich kann Biomethan auch
Energien bei Neubauten. Zur Erfüllung der in der chemischen Industrie anstelle von Erd-
gesetzlichen Vorgaben kann der Wärme- gas stofflich genutzt werden.
energiebedarf zu mindestens 30 % durch
Biogas (in KWK-Anlagen) gedeckt werden. Zum Ende des Jahres 2012 wurden in
Deutschland 117 Biogasaufbereitungs-An-
Wie beim Prinzip des Öko-Stroms wird das lagen mit einer Biomethanproduktion von
Biomethan vom Hersteller am Erzeugungs- etwa 73.000 Kubikmetern pro Stunde be-
ort in das Erdgasnetz eingespeist. Der End- trieben. Das Ziel der Bundesregierung ist es,
kunde entnimmt dann das Biomethan als bis 2020 jährlich 6 Milliarden Kubikmeter
BIOGASANLAGEN ZUR BIOMETHAN-PRODUKTION IN DEUTSCHLAND
BIOGASANLAGEN ZUR BIOMETHAN-PRODUKTION IN DEUTSCHLAND
Anlagenzahl Aufbereitungskapazität Biomethan (Nm3/h)
180 178 135.000
160 120.000
140 105.000
109.810
120 117 90.000
100 75.000
80 85 60.000
73.170
60 45.000
54.055
50
40 30.000
35.145
20 15.000
0 0
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013/14*
Anlagenzahl Prognose Anlagenzahl Aufbereitungskapazität * Prognose
Quelle: FNR nach dena (Deutsche Energie-Agentur GmbH) (2013) © FNR 2013
Abb. 7: Biogasanlagen zur Biomethan-Produktion
15Erdgas durch Biogas zu ersetzen. Die Ge- In Deutschland steht diese Nutzungsart
samtkapazität 2012 entspricht ca. 10 % allerdings noch in den Anfängen. Trotz ein-
dieses Ausbauzieles. satzbereiter Technik werden die Potenziale
nicht ausgeschöpft. Derzeit gibt es wenige
Biomethan kann auch als Kraftstoff in Erd- Tankstellen, an denen reines Biomethan er-
gasfahrzeugen genutzt werden. In Europa hältlich ist, aber etwa 1/3 der 900 Erdgas-
sind Schweden und die Schweiz als Vorrei- tankstellen deutschlandweit bieten bereits
ter zu nennen, wo schon seit Jahren Biogas Biomethan-Erdgas-Gemische an, Tendenz
als Kraftstoff in PKW, Bussen und LKW oder steigend.
auch Schienenfahrzeugen eingesetzt wird.
Im Vergleich zu den herkömmlichen Kraft- Fast alle Hersteller haben inzwischen aus-
stoffen zeichnet sich Biomethan durch ein gereifte Modelle mit mono- oder bivalentem
sehr hohes CO2-Einsparpotenzial aus. Be- Antrieb (Gas und Benzin) im Sortiment. Bio-
reits bei Beimischungen von 20 % Biome- methan als Kraftstoff kann auf die Erfüllung
than im Erdgas kann der Kohlendioxidaus- der Biokraftstoffquote angerechnet werden
stoß gegenüber Benzin deutlich verringert bzw. ist alternativ außerhalb der Quotenver-
werden. pflichtung zunächst bis 2015 steuerbefreit.
Biogas tanken
164 PROZESSBIOLOGIE
Biogas ist ein Produkt des mikrobiellen Ab- In der Hydrolyse (Verflüssigungsphase)
baus von organischen Stoffen in feuchter werden die komplexen organischen Ver-
Umgebung unter Luftabschluss (anaerobes bindungen in einfachere Verbindungen zer-
Milieu). Dieser Abbau wird auch als Vergä- legt. In der anschließenden Acidogenese
rung bezeichnet. In der Natur findet dieser (Versäuerungsphase) erfolgt deren Abbau
biologische Zersetzungsprozess u. a. auf zu niederen Fettsäuren. Hierbei entste-
dem Grund von Gewässern, in Mooren oder hen außerdem Alkohole, Wasserstoff und
auch im Pansen von Wiederkäuern statt. Kohlendioxid als Ausgangsstoffe für die
Methanproduktion. In der nachfolgenden
Der Vergärungsprozess läuft prinzipiell in Acetogenese (Essigsäurephase) werden die
vier voneinander abhängigen Teilschritten organischen Säuren und Alkohole zu Essig-
(Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und säure, Wasser und Kohlendioxid abgebaut.
Methanogenese) ab, an denen jeweils ver- Die Produkte der vorangegangenen Phasen
schiedene Gruppen von Mikroorganismen werden dann in der abschließenden Metha-
beteiligt sind. nogenese (Methanbildungsphase) zu Me-
than, Kohlendioxid und Wasser umgesetzt.
Das gebildete Gasgemisch besteht über-
wiegend aus Grundsätzlich finden die vier Phasen im
• 50–75 % Methan (CH4), Fermenter zeitlich parallel statt. Aufgrund
• 25–45 % Kohlendioxid (CO2), der unterschiedlichen Milieubedingungen
• 2–7 % Wasserdampf (H2O), der verschiedenen Mikroorganismen muss
• < 2 % Sauerstoff (O2), daher ein bestmöglicher Kompromiss der
• < 2 % Stickstoff (N2), wichtigsten Parameter, wie Temperatur,
• < 1 % Ammoniak (NH3), pH-Wert oder Nährstoffversorgung gefun-
• < 1 % Schwefelwasserstoff (H2S) und den werden. Der Vergärungsprozess ist
• < 2 % Spurengasen. empfindlich gegenüber Störungen, die aus
betriebstechnischen Gründen oder durch
Hemmstoffe entstehen. Letztere können
bereits in geringen Mengen negativ auf den
Vergärungsprozess wirken.
17SCHEMATISCHE DARSTELLUNG DES FERMENTATIONSPROZESSES
Substrate
Fette, Eiweiße, Kohlenhydrate (langkettige Polymere)
1. Phase: Verflüssigung (Hydrolyse)
Fettsäuren, Aminosäuren, Zucker (kurzkettige Monomere und Dimere)
2. Phase: Versäuerung (Acidogenese)
Kurzkettige organische Säuren (z. B. Propionsäure), Alkohole
3. Phase: Essigsäurebildung (Acetogenese)
u.a. Essigsäure (CH3COOH), Kohlendioxid (CO2), Wasserstoff (H2)
4. Phase: Methanbildung (Methanogenese)
u. a. Methan (CH4), Kohlendioxid (CO2)
Biogas
Abb. 8: Vereinfachte Darstellung des Abbaus organischer Substanz bei der Biogasgewinnung
185 AUSGANGSSTOFFE
Für die Biogasgewinnung lässt sich eine Viel- (Monitoringbericht zum EEG) in den bun-
zahl organischer Substrate verwenden. In desweit betriebenen Biogasanlagen auf
landwirtschaftlichen Anlagen dienen über- 54 % nachwachsende Rohstoffe (Energie-
wiegend tierische Exkremente (z. B. Rinder- pflanzen), 41 % tierische Exkremente, 4 %
und Schweinegülle) und gezielt angebaute Bioabfälle sowie auf 1 % Reststoffe aus In-
Energiepflanzen als Substrate. Mit deren dustrie und Landwirtschaft.
Hilfe wird jedes Jahr aufs Neue Biomasse be-
reitgestellt. Aber auch Bioabfälle aus der Ver- Als nachwachsende Rohstoffe kommen zum
arbeitung und Kommunalentsorgung oder Beispiel Mais, Getreide, Gräser und Zucker-
Reststoffe aus Landwirtschaft und Industrie rüben in Frage, wobei derzeit Mais aufgrund
eignen sich für die Biogasproduktion. der besten Flächeneffizienz, technologi-
schen Eignung und Kostenstruktur den ein-
So verteilte sich 2012 der Substrateinsatz deutig größten Nutzungsumfang einnimmt.
gemäß einer aktuellen Betreiberumfrage Für Mais sprechen hohe Trockenmasse- und
MASSEBEZOGENER SUBSTRATEINSATZ
MASSEBEZOGENER BIOGASANLAGEN 2012
SUBSTRATEINSATZ IN BIOGASANLAGEN 2012
nachwachsende Rohstoffe 54 % 4 % Bioabfall
1 % industrielle
und landw. Reststoffe
41 % Exkremente
Quelle: DBFZ-Betreiberumfrage (2013) © FNR 2013
Abb. 9: Massebezogener Substrateinsatz in Biogasanlagen (Betreiberumfrage)
19Energieerträge sowie der geringere Dünger- problemlos mit den meisten anderen Ein-
und Pflanzenschutzaufwand im Vergleich zu satzstoffen kombinierbar, zudem wird ihr
Getreide. Als Risiken sind insbesondere der auch eine prozessstabilisierende Wirkung
negative Einfluss auf Bodenfruchtbarkeit zugeschrieben.
und Biodiversität zu nennen.
Neben nachwachsenden Rohstoffen, Exkre-
Als Folge der zunehmenden Kritik am stark menten, Futterresten und weiteren land-
wachsenden Maisanbau wird vermehrt wirtschaftlichen Abfällen und Reststoffen
an Alternativen geforscht. Ziel ist es, den eignen sich auch außerlandwirtschaftliche
Energiepflanzenanbau nachhaltig und um- Substrate wie Rückstände aus der Lebens-
weltschonend durchzuführen. Zunehmen- mittelindustrie (z. B. Trester, Schlempe,
de Bedeutung kommt der Rübe zu, die ein Fettabscheiderrückstände), Gemüseabfälle
ähnliches Ertragspotenzial wie Mais hat. Ak- von Großmärkten, Speiseabfälle, Rasen-
tuell gibt es zahlreiche und aussichtsreiche schnitt, Landschaftspflegematerial oder
Forschungsprojekte, die diese Entwicklung Bioabfälle aus der Kommunalentsorgung
forcieren. für die Biogasproduktion.
Weiterhin wird derzeit auch der Anbau von Die verschiedenen Substrate führen wie in
Mischkulturen, Wildpflanzen und neuen Abb. 10 gezeigt zu unterschiedlichen Gas-
Energiepflanzen wie der Durchwachsenen erträgen. Je nach Zusammensetzung des
Silphie oder Sorghum-Arten in Forschungs- Gärsubstrates schwanken somit auch Gas-
projekten untersucht. Insgesamt soll der ertrag und Methangehalt. Die Gasausbeu-
Energiepflanzenanbau in mehrgliedrige te der verschiedenen Substrate wird nicht
Fruchtfolgen eingebunden werden und nur durch deren Gasbildungspotenzial be-
durch weitere geeignete Maßnahmen, wie stimmt. Einfluss hierauf haben auch die
z. B. Blühstreifen, entzerrt werden (mehr In- technologischen und biologischen Kennzif-
formationen unter http://energiepflanzen. fern der Anlage und des Gärprozesses. Die
fnr.de). Allerdings ist bei der alternativen Energieproduktion ergibt sich aus dem Pro-
Nutzung von Gräsern, Sonnenblumen und dukt von täglicher Gasmenge und spezifi-
den meisten anderen Energiepflanzen im schem Energieinhalt (Ø 6 kWh/m3 Biogas).
Gegensatz zu Mais mit einer größeren An-
baufläche zu kalkulieren. Mit der Kofermentation (gemeinsame Ver-
gärung) außerlandwirtschaftlicher Reststof-
Durch den Einsatz von Gülle und anderen fe werden zwar natürliche Stoffkreisläufe
Wirtschaftsdüngern kommt es nicht nur zu geschlossen, doch es können auch Schad-
einer sinnvollen energetischen Nutzung stoffe (insbesondere Schwermetalle) und
dieses vorhandenen Potenzials, es ist auch Störstoffe in die Anlagen und nachfolgend
aus Sicht des Klimaschutzes (Emissionsver- mit den Gärrückständen auf die landwirt-
meidung) von großer Bedeutung. Gülle ist schaftlichen Nutzflächen gelangen. Deshalb
20sind hier die Vorschriften des Abfall- und sollen. Auch zu hohe Ammoniumkonzen-
Düngerechts zu beachten. Desinfektions- trationen hemmen die Methanproduktion,
und Hygienisierungsmittel sowie bestimm- weshalb man Geflügelkot sowie gelegent-
te Medikamente gehören nicht in die Bio- lich auch Schweinegülle verdünnen oder
gasanlage, da sie den Gärprozess stören mit stickstoffarmen Kosubstraten vermi-
und ebenfalls nicht auf den Acker gelangen schen sollte.
BIOGASAUSBEUTEN
BIOGASAUSBEUTEN
Substrat
Schweinegülle 60 %
Kartoffelschlempe 54 %
Rindergülle 55 %
Methangehalt in %
Getreideschlempe 55 %
Futterrübensilage 52 %
Rindermist 55 %
Speisereste 60 %
Landschaftspflegegras* 50 %
Sonnenblumensilage 57 %
Bioabfall* 60 %
Grünroggensilage 53 %
Klee-/Luzerngras 55 %
Sorghumsilage 52 %
Zuckerrübensilage 52 %
Geflügelmist* 55 %
Grassilage 53 %
Getreide-GPS 53 %
Maissilage 52 %
0 50 100 150 200
* variierend nach TS-Gehalt bzw. Zusammensetzung Biogasertrag (in Nm³/t FM)
Quelle: KTBL (2010) © FNR 2013
Abb. 10: Biogaserträge verschiedener Substrate
216 ANLAGENTECHNIK UND BETRIEB
6.1 Verfahren führte feste Biomasse muss gut zerkleinert
und gemeinsam mit der Flüssigkeit ver-
Bei der Biogasgewinnung werden verschie- mischt sein.
dene Anlagenkonzepte angewendet. Diese
unterscheiden sich nach Verfahrensmerk- Die Trockenvergärung ist hingegen beson-
malen wie Trockensubstanzgehalt, Art der ders für Betriebe von Interesse, denen we-
Beschickung oder Anzahl der Prozessphasen. der Gülle noch andere flüssige Basissubst-
rate zur Verfügung stehen, die jedoch über
Bezug nehmend auf den TS-Gehalt wird zwi- genügend stapelbare Biomasse verfügen.
schen Nass- und Trockenvergärung unter- Denn im Gegensatz zur Nassvergärung ist
schieden, es gibt allerdings keine eindeutige bei der Trockenvergärung das Gärgut we-
Abgrenzung. Derzeit sind fast alle landwirt- der pump- noch fließfähig, noch erfolgt
schaftlichen Anlagen Nassfermentations- eine ständige Durchmischung während der
anlagen mit den bekannten Rundbehältern, Biogasherstellung. Aber wie bei der Nass-
d. h. der TS-Gehalt des Fermenterinhalts liegt fermentation ist ein feuchtes Milieu für
bei < 15 % (bei höheren TS-Gehalten ist das den biologischen Vergärungsprozess not-
Material in der Regel nicht mehr pump- und wendig. Dieses wird durch Vermischen mit
rührfähig). Bei der Nutzung von Gülle kommt Prozessflüssigkeit vor der Vergärung oder
nur die Nassvergärung in Frage, die zuge- durch ständiges Besprühen mit Gärflüs-
TAB. 1: EINTEILUNG DER VERFAHREN ZUR BIOGASGEWINNUNG
NACH VERSCHIEDENEN KRITERIEN
Kriterium Unterscheidungsmerkmale
• Nassvergärung
Trockensubstanzgehalt der Substrate
• Feststoffvergärung
• diskontinuierlich
Art der Beschickung • quasikontinuierlich
• kontinuierlich
• einphasig
Anzahl der Prozessphasen
• zweiphasig
• psychrophil
Prozesstemperatur • mesophil
• thermophil
Quelle: Leitfaden Biogas (FNR, 2010)
22sigkeit während des Vergärungsvorgangs In Speicheranlagen (diskontinuierliches
hergestellt. Die Verfahren zur Vergärung oder Batch-Verfahren) sind Fermenter und
von stapelbarer organischer Biomasse wur- Gärrückstandslager zusammengefasst. Der
den ursprünglich für die Bioabfallvergärung Fermenter wird komplett befüllt und luft-
entwickelt und finden nun Einsatz im land- dicht verschlossen. Nach Abschluss des
wirtschaftlichen Bereich. So lassen sich Bio- Gärprozesses wird der Fermenter dann bis
massen mit Trockensubstanzgehalten von auf einen kleinen Rest zum Animpfen ent-
20–40 % vergären. Zu den einsetzbaren leert und nachfolgend die nächste Charge
Substraten gehören Festmist, nachwach- eingebracht. Bei hohen TS-Gehalten und
sende Rohstoffe, Ernterückstände wie auch faserigen Substraten wird dieses Verfahren
Grünschnitt und andere Bioabfälle. angewandt.
Finden alle vier Phasen der anaeroben Gä-
rung (unter Luftabschluss) in einem Behäl-
ter statt, spricht man von einem einstufigen
Verfahren. Ein zweiphasiger Betrieb besteht
bei räumlicher Trennung von Verflüssigung/
Versäuerung und Essigsäurebildung/Me-
thanbildung. Dadurch lassen sich günsti-
gere Milieubedingungen für die verschiede-
nen Mikroorganismen schaffen.
Trockenfermentationsanlage
Die Unterteilung nach der Beschickung mit
dem Gärsubstrat wird in kontinuierliche
(z. B. Pfropfenstrom-Verfahren) und diskon-
tinuierliche (z. B. Perkolations-Verfahren)
Systeme vorgenommen. Die meisten An-
lagen arbeiten im kontinuierlichen Verfah-
ren (sog. Durchflussanlagen). Das Substrat
wird dem Fermenter ständig oder in kurzen
Intervallen zugeführt und Biogas sowie Gär- Durchflussanlage mit Folienhaube als
rückstände werden laufend entnommen. integrierter Gasspeicher
Etwa 70 % der Anlagen in Deutschland
entsprechen dieser Bauart. Unterteilt wird
diese Bauart außerdem in Durchfluss- und
Durchfluss-Speicher-Verfahren.
236.2 Anlagentechnik strates. Sie ist so zu dimensionieren, dass
Schwankungen beim Substratanfall ausge-
Landwirtschaftliche Biogasanlagen be- glichen werden können. Durch geeignete
stehen in der Regel aus Vorgrube, Faul- Maßnahmen wie Homogenisierung, Hygi-
behälter und Gärrückstandslager. Für das enisierung, Vorrotte, Hydrolyse und Des-
entstehende Gas und dessen Verwertung integration kann die nachfolgende Gärung
folgen Gasspeicher, Gasreinigung und i. d. R. positiv beeinflusst werden. Der Faulbehäl-
BHKW bzw. Gasaufbereitungsanlage. ter oder Fermenter, das Kernstück einer
Biogasanlage, wird aus der Vorgrube mit
Die Vorgrube dient der Zwischenlagerung Gärsubstrat beschickt. Viele unterschiedli-
von Gülle und Kosubstraten und dem Auf- che Ausführungen sind möglich (Stahl oder
bereiten (Störstoffentfernung, Zerkleinern, Beton, rechteckig oder zylindrisch, liegend
Verdünnen, Mischen etc.) des Gärsub oder stehend). Entscheidend ist, dass der
SCHEMA EINER LANDWIRTSCHAFTLICHEN BIOGASANLAGE
Quelle: FNR
Abb. 11: Schema einer landwirtschaftlichen Biogasanlage
24Behälter gas- und wasserdicht sowie licht- gerechte Verwertung der Gülle in der Pflan-
undurchlässig ist. In der Regel sorgt eine zenproduktion ergeben (Düngeverordnung).
Rühreinrichtung für die Homogenität des Werden in der Anlage Kosubstrate vergoren,
Substrates, das je nach Ausgangsmaterial können je nach deren Eigenschaften zusätz-
unterschiedlich stark zur Ausbildung von liche Baugruppen zur Annahme und Auf-
Schwimm- und Sinkschichten neigt. Durch bereitung der Substrate erforderlich sein.
die Rührbewegung wird auch das Entwei- Neben der Zerkleinerung und Hygienisierung
chen des Gases aus dem Substrat unter- hat die Störstoffabtrennung besondere Be-
stützt. Wenn sich Sinkschichten bilden, z. B. deutung für einen störungsfreien Prozessver-
bei Vergärung von Hühnermist oder Bioab- lauf und für die Qualität des Gärrückstandes.
fällen, müssen sie regelmäßig mit geeigne-
ten Austragsvorrichtungen entfernt werden. Für die Kofermentation von seuchenhygie-
Ein Heizsystem sorgt für die Aufrechterhal- nisch bedenklichen Substraten wie Bioab-
tung der Prozesstemperatur, die bei den fall, Flotatschlamm, Magen- und Pansen-
meisten Anlagen im mesophilen Bereich inhaltsstoffen, Speiseabfällen u. a. sind die
(zwischen 32 und 42 °C) und nur selten im Bereiche Substratannahme und Substrat-
thermophilen Bereich (zwischen 50 und verarbeitung durch Einhaltung einer un-
57 °C) liegt. Geheizt wird meistens mit der reinen und einer reinen Seite zu trennen.
Abwärme aus dem BHKW, bei Anlagenkon- Ferner ist eine Hygienisierungseinrichtung
zepten mit entfernt aufgestelltem BHKW erforderlich, in der die Substrate für die
oder bei Biomethananlagen z. B. auch mit Dauer von mindestens 60 Minuten auf
Holzhackschnitzel-Heizungen. Vom Fer- 70 °C erhitzt werden. Dadurch wird verhin-
menter gelangt das ausgefaulte Substrat in dert, dass gesundheitsgefährdende Erreger
das Gärrückstandslager. Dieses ist oft zum im Substrat verbleiben.
Nachgärbehälter ausgebaut bzw. es finden
sich Nachgärbehälter und separates Gär- Gasspeicher dienen zum Ausgleich von
rückstandslager. Bei Anlagen, die seit 2009 Schwankungen zwischen Gasproduktion
nach dem Bundesimmissionsschutz-Gesetz und Gasverbrauch und eine Speicherka-
(BImSchG) genehmigt worden sind und bei pazität von ein bis zwei Tagesproduktio-
allen Anlagen, die ab 2012 in Betrieb ge- nen wird empfohlen. Sie müssen gasdicht,
hen, muss das Gärrückstandslager gasdicht druckfest, UV-, temperatur- und witterungs-
abgedeckt sein. Dadurch wird die Nutzung beständig sein. Der Fermenter kann selbst
des Biogases aus der Nachgärung ermög- als Gasspeicher verwendet werden, indem
licht und gleichzeitig werden Emissionen Folienhauben auf dem Reaktor zum Einsatz
und Gerüche vermindert. kommen. Als externe Gasspeicher werden
überwiegend relativ preiswerte Folienspei-
Die Größe des Gärrückstandslagers richtet cher verwendet.
sich nach den erforderlichen Lagerzeiten,
die sich aus den Vorgaben für eine umwelt-
256.3 Gasaufbereitung und allerdings nicht für eine anschließend vor-
Einspeisung gesehene Aufbereitung auf Erdgasqualität
geeignet. Nach der Entschwefelung wird
Bevor das Gas verwertet wird, müssen Par- das Rohbiogas getrocknet, für die Aufbe-
tikel und Kondensat entfernt werden. Eine reitung auf Erdgasqualität werden Kohlen-
wichtige Maßnahme zum Schutz der BHKW- dioxid sowie Sauerstoff und Spurengase
Motoren gegen Korrosion ist die Entschwefe- abgeschieden.
lung. Es kommen unterschiedliche Verfahren
zum Einsatz, wobei sich in landwirtschaftli- Für die Einspeisung von Biogas in das Gas-
chen Anlagen vorrangig ein kostengünstiges netz wird der Methangehalt von 50–55 %
Entschwefelungsverfahren durchgesetzt hat, auf den im jeweiligen Erdgasnetz vorlie-
bei dem 3–5 % Luft in den Gasraum zudo- genden Methangehalt von bis zu 98 %
siert werden. Bei guter Steuerung lassen gemäß DVGW-Arbeitsblätter G260 und
sich so Schwefelabscheide grade von bis G262 erhöht. Die Anordnung der Verfah-
zu ca. 95 % erzielen. Dieses Verfahren ist rensschritte zum Erreichen der benötigten
VERFAHRENSSCHRITTE ZUR BIOGASAUFBEREITUNG
Organisches Material
Biogasproduktion
Rohbiogas
Gasreinigung und -aufbereitung
(Entschwefelung, Entfeuchtung/Trocknung, Kohlendioxidabscheidung,
Sauerstoffentfernung, Entfernung weiterer Spurengase)
Reinbiogas
Aufbereitung auf Erdgasqualität
(Odorierung, Brennwertanpassung, Druckanpassung)
Biomethan
Abb. 12: Schema Aufbereitung
26Aufbereitungsanlage
Mindestqualität ist hauptsächlich von der die Bedingungen, unter denen die Gasnetz-
gewählten Technologie und der Gasqualität betreiber den Biomethan-Produzenten den
des jeweiligen Gasnetzes abhängig. Derzeit Zugang zu den Gasnetzen gewähren müs-
genutzte Aufbereitungsverfahren sind die sen. Gemäß GasNZV sind Netzbetreiber auf
Druckwasserwäsche, die Druckwechsel- allen Druckstufen verpflichtet, Biomethan-
adsorption, physikalische und chemische anlagen auf Antrag vorrangig an das Gas-
Wäschen sowie die Membrantechnologie. netz anzuschließen und die Verfügbarkeit
In Abbildung 12 sind die generellen Verfah- des Netzanschlusses dauerhaft (zu mind.
rensschritte der Aufbereitung dargestellt. 96 %) sicherzustellen. Zusammen mit der
Verordnung über die Entgelte für den Zu-
Die Übergabe des Biomethans in das Erd- gang zu Gasversorgungsnetzen (GasNEV)
gasnetz erfolgt über eine Einspeisestation, wird damit dafür Sorge getragen, dass Bio-
bestehend aus Gasdruck-Regel-Messan- methan zu wirtschaftlichen Konditionen
lage, Verdichteranlage und Mengenmes- eingespeist und transportiert werden kann.
sung. An dieser Stelle wird die Gasbeschaf-
fenheit ermittelt und die Kompatibilität zum Für die Aufbereitung und die nachfolgende
örtlichen Erdgasnetz hergestellt. Die Gas- Einspeisung in das Erdgasnetz sind, aufgrund
netzzugangsverordnung (GasNZV) regelt der hohen Investitions- und Betriebskosten,
27insbesondere größere Biogasaufbereitungs- Biogasanlagen > 100 kWel mit entsprechen-
anlagen prädestiniert. Dezentrale landwirt- den technischen Vorrichtungen ausgerüstet
schaftliche Biogasanlagen können durch die sein, damit der Netzbetreiber bei drohender
Rohbiogasproduktion, die anschließende Überlastung des Stromnetzes die Anlage ab-
Einspeisung in eine Biogassammelleitung schalten kann.
und Zuführung zu einer Aufbereitungsan-
lage an diesem Markt partizipieren. Zudem Biogas ist brennbar und in Mischungen mit
schreitet die Neu- und Weiterentwicklung 6–12 % Luft explosiv. Aus diesem Grund
von Aufbereitungstechnologien zügig voran sind die Sicherheitsregeln für Biogasanla-
und bietet künftig möglicherweise auch für gen und die entsprechenden allgemeinen
kleinere Anlagen Perspektiven. Regelwerke zu beachten (siehe Liste der
Publikationen im Anhang). Grundsätzlich
sind die Entstehung und das Entweichen
6.4 Mess- und Regeltechnik, von gefährlichen Gasen zu vermeiden. Eine
Sicherheit Abnahme der Anlage nach der Betriebssi-
cherheitsverordnung ist vorgeschrieben. Die
Der Biogasprozess lässt sich durch die Er- Betreiber haben darüber hinaus eine Gefähr-
fassung verschiedener Parameter kont- dungsbeurteilung zu erstellen, eine Vielzahl
rollieren und steuern. Zu den wichtigsten von Nachweisen zu erbringen und Prüfun-
gehören: Temperatur, pH-Wert, Gasmenge, gen durchzuführen, welche den sicheren
Methangehalt, CO2- und Schwefelwasser- Betrieb gewährleisten. Hierbei sind die euro-
stoffgehalt. Wichtig für die zuverlässige Er- päischen und nationalen Vorschriften sowie
kennung beginnender Versäuerungen ist die technischen Normen und Regelwerke
die Bestimmung der Flüchtigen Organischen (wie z. B. VDI, DVGW, DIN) zu beachten. Bei
Säuren (FOS) im Verhältnis zur Carbonat- Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben und
Pufferkapazität (TAC). Mit Hilfe elektroni- Erfüllung der Sicherheitsstandards stellt der
scher Messgeräte können sämtliche Werte Umgang mit Biogas kein größeres Risiko dar
kontinuierlich gemessen und ausgewertet als der mit Erdgas.
werden. Die Auswertungen lassen dann z. B.
Rückschlüsse zur Gasproduktion oder zum
BHKW-Wirkungsgrad zu. Wegen der hohen 6.5 Gärrückstände
Klimawirksamkeit von Methan muss eine
zusätzliche Gasverbrauchseinrichtung (z. B. Die Rückstände der Vergärung werden
ein Gasbrenner oder eine Gasfackel) zur allgemein Gärrückstand, Gärrest, Gär-
Verfügung stehen, in der das Biogas bei Stö- produkt oder Biogasgülle genannt. Die
rungen des BHKW verbrannt werden kann. Rückführung dieser Gärrückstände auf
Vor 2012 in Betrieb gegangene Anlagen die substratliefernden Ackerflächen führt
müssen diese bis 2014 nachrüsten. Zum zu einem geschlossenen Nährstoffkreis-
Schutz vor Stromnetzüberlastungen müssen lauf. Generell sind Gärrückstände aus
28©© Fotolia
Gärrückstandsausbringung
landwirtschaftlichen Biogasanlagen, wie Werden Bioabfälle mitvergoren, gelten dann
übrigens auch Wirtschaftsdünger, dem abfallrechtliche und seuchenhygienische
Düngerecht unterstellt. Vorgaben. In der Regel wird der Gärrück-
stand hier vor der Ausbringung hygienisiert
Unbelastete Gärrückstände aus landwirt- (z. B. durch Erhitzen). Die Ausbringung hat
schaftlichen Biogasanlagen werden als entsprechend Düngeverordnung und ggf.
hochwertige organische Dünger genutzt. weiterer anzuwendender Vorschriften zu er-
Insgesamt wird die Qualität der Wirtschafts- folgen. Hierfür kann die vorhandene Gülle-
dünger verbessert, da Krankheitserreger bzw. Dungtechnologie genutzt werden. Nach
und Unkrautsamen zum Teil abgetötet und der Ausbringung auf unbestelltem Ackerland
Nährstoffe besser pflanzenverfügbar wer- sind Gärrückstände, wie auch andere ammo-
den, sodass deren gezieltere Anwendung niakhaltige Düngemittel unverzüglich einzu-
als Ersatz für Mineraldünger ermöglicht arbeiten. Ziel ist eine optimale Ausnutzung
wird. Auch sind Gärrückstände im Vergleich der Nährstoffe und die Verringerung von
zu Gülle weniger geruchsintensiv und wir- Nährstoffverlusten.
ken weniger verätzend auf die Pflanzen. Die
Nährstoffzusammensetzung kann je nach Insbesondere in Regionen mit hoher An-
Ausgangssubstraten stark schwanken. Gär- lagen- und Viehdichte ist eine verantwor-
rückstände aus der Trockenfermentation tungsvolle Düngenutzung von Gülle und
sind dem Stallmist ähnlich. Gärrückständen häufig nicht mehr gege-
ben. Hier ist eine Aufbereitung der Gärrück-
Für die Gärrückstandslagerung müssen ge- stände und Vermarktung (getrocknet oder
eignete wasserdichte Behälter verwendet pelletiert) in andere Regionen sinnvoll.
werden. Aufgrund von Ammoniak-, Methan- Mittels verschiedener Verfahren werden so
und weiteren klimarelevanten Emissionen Trockensubstanzgehalt und Nährstoffkon-
ist eine gasdichte Abdeckung inzwischen zentration erhöht und dadurch die Gärrück-
gesetzlich vorgeschrieben. stände transportfähig.
297 RECHTLICHE RAHMENBEDINGUNGEN,
FÖRDERUNGEN UND WIRTSCHAFTLICHKEIT
7.1 Rechtliche trieben wird und die entsprechenden Vor-
Rahmenbedingungen aussetzungen erfüllt sind.
Für die Errichtung und den anschließenden Die immissionschutzrechtlichen Anforderun-
Betrieb von Biogasanlagen sowie die Aus- gen zielen darauf ab, die bei Bau und Betrieb
bringung der Gärrückstände sind eine Viel- von Biogasanlagen auftretenden Immissio-
zahl von Gesetzen und Verordnungen zu nen (Luftverschmutzung, Lärm, Geruch) zu
beachten. Diese Anforderungen umfassen minimieren. Die Betreiber immissionschutz-
das Planungs-, Bau-, Wasser-, Dünge- und rechtlich genehmigungsbedürftiger Anlagen
Abfallrecht. Ebenso sind die Vorschriften haben entsprechende Vorsorgemaßnahmen
von Immissionsschutz-, Naturschutz- und zu treffen. Grenzwerte sind in den TA Luft
Hygienerecht relevant. und TA Lärm sowie der Geruchsimmis-
sions-Richtlinie festgelegt. Innerhalb des
In Abhängigkeit von der Anlagengröße BImSchG-Verfahrens wird gegebenenfalls
oder der Art der zu verarbeitenden Sub- auch eine Umweltverträglichkeitsprüfung
strate ist ein baurechtliches oder ein immis- durchgeführt.
sionsschutzrechtliches Verfahren erforder-
lich (Abb. 13). Soll die Anlage biogene Abfälle vergären,
sind die Vorgaben der EU-Verordnung
Das Baugenehmigungsverfahren richtet mit Hygienevorschriften für nicht für den
sich nach der jeweiligen Landesbauord- menschlichen Verzehr bestimmte tierische
nung. In der Regel ist dieses einfacher und Nebenprodukte, kurz: VO (EG) 1069/2009,
weniger zeit- und kostenintensiv als ein und des Kreislaufwirtschaftsgesetzes (KrWG)
Verfahren nach dem Bundesimmissions- einzuhalten. Während die EU-VO 1069/2009
schutzgesetz (BImSchG). Unterschieden beim Einsatz von tierischen Nebenproduk-
wird zwischen Bauplanungsrecht (be- ten (einschließlich der Gärrückstände) gilt,
planter oder unbeplanter Innenbereich, greift für pflanzliche Abfälle (auch Speise-
Außenbereich) und Bauordnungsrecht. abfälle und Biotonne) die Bioabfallverord-
Im letzten werden Fragen von Abstands- nung (BioAbfV).
flächen, Zufahrtsstraßen, Brandschutz usw.
geregelt. Im unbeplanten Außenbereich ist Grundsätzlich dürfen alle im Anhang 1
eine Biogasanlage nach § 35 Baugesetz- der BioAbfV gelisteten Stoffe in der Bio-
buch zulässig, wenn sie im Zusammenhang gasanlage eingesetzt werden. Die EU-VO
mit einem landwirtschaftlichen Betrieb be- 1069/2009 unterteilt die Materialien
30Sie können auch lesen
