Biogas

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Als Biogas wird im allgemeinen ein Gemisch aus den Hauptkomponenten Methan und Kohlenstoffdioxid bezeichnet, welches in speziellen Biogasanlagen produziert wird. Gleichwertige Gase, die aber als Nebenprodukte entstehen wie Deponiegas in Mülldeponie oder Klärgas in Kläranlage werden manchmal (vor allem dann, wenn diese weiterverarbeitet werden) auch unter diesem Begriff zusammengefasst.

Chemisch gesehen ist Biogas identisch mit Faulgas, welches bei der anaeroben (sauerstofffreien) Vergärung von organischem Material entsteht. Obwohl auch andere Gase (beispielsweise Wasserstoff) biologischen Ursprungs sind, werden diese nicht als Biogas bezeichnet. Der wertgebende Anteil, der energetisch genutzt wird, ist das Methan.

Daneben enthält es je nach Ausgangsbedingungen geringe Mengen an Wasserdampf, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasserstoff (H₂), Stickstoff (Distickstoff N₂) und Spuren von niederen Fettsäuren und Alkoholen.

Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Zusammensetzung 3 Nutzung 3.1 Europa 3.2 Deutschland 3.3 Schweiz 4 Herstellung 4.1 Biogas aus Energiepflanzen 4.2 Mikrobielle Prozesse 5 Reinigung und Aufbereitung 5.1 Entschwefelung 5.2 Verdichtung 5.3 Trocknung 5.4 CO2-Abtrennung 6 Siehe auch 7 Literatur 8 Weblinks 9 Quellen

Allgemeines

Als Ausgangsstoffe für die technische Produktion von Biogas eignen sich:

• vergärbare, biomassehaltige Reststoffe wie Klärschlamm, Bioabfall oder Speisereste
• Wirtschaftsdünger (Gülle, Mist)
• bisher nicht genutzte Pflanzen bzw. Pflanzenteile (z. B. Zwischenfrüchte und Kleegras im Biolandbau)
• gezielt angebaute Energiepflanzen (Nachwachsende Rohstoffe).

Dabei stellt die Landwirtschaft mit den drei letztgenannten Möglichkeiten das größte Potenzial für die Produktion von Biogas. Bis auf die letzte Möglichkeit handelt es sich dabei um prinzipiell kostenlose Ausgangsstoffe (abgesehen von Transport- und sonstigen Nebenkosten).

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

Biogas wird in Deutschland aufgrund der gesetzlich garantierten Vergütung bisher meist als Brennstoff für Blockheizkraftwerke zur Stromerzeugung oder zu Heizungszwecken genutzt. In Schweden, wo die Stromerzeugung aus Biogas wegen niedrigerer Strompreise unrentabel ist, ist hingegen die Aufbereitung auf Erdgasqualität und Einspeisung ins Gasnetz sowie die Nutzung als Treibstoff in Gasfahrzeugen die am weitesten verbreitete Nutzungsvariante. Auch in Deutschland denkt man über die Einspeisung von Biogas in Erdgasleitungen nach. ^[1] Erste Projekte starteten 2007.^[2]

Zusammensetzung

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

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

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

Nutzung

Europa

Biogas-Energie 2006 (GWh)[3]
Staat	Gesamt	Deponiegas	Klärgas	Andere
Deutschland	22 370	6 670	4 300	11 400
UK	19 720	17 620	2 100	0
Italien	4 110	3 610	10	490
Spanien	3 890	2 930	660	300
Frankreich	2 640	1 720	870	50
Niederlande	1 380	450	590	340
Österreich	1 370	130	40	1 200
Dänemark	1 100	170	270	660
Polen	1 090	320	770	10
Belgien	970	590	290	90
Griechenland	810	630	180	0
Finnland	740	590	150	0
Tschechien	700	300	360	40
Irland	400	290	60	50
Schweden	390	130	250	10
Ungarn	120	0	90	40
Portugal	110	0	0	110
Luxemburg	100	0	0	100
Slowenien	100	80	10	10
Slowakei	60	0	50	10
Estland	10	10	0	0
Malta	0	0	0	0
EU (GWh)	62 200	36 250	11 050	14 900

Biogas 2006 (MWh/1000 Bewohner )[3]
Staat	MWh/1000 Bw.
UK	327
Deutschland	271
Luxemburg	226
Dänemark	202
Österreich	166
Finnland	141

Deutschland

Vergleich von Biokraftstoffen in Deutschland

Biokraftstoff	Jahresertrag pro Hektar	Kraftstoff- Äquivalent	Literpreis 2006
Pflanzenöl	1.480 Liter	1l = 0,96l Diesel	0,55 – 0,75 EUR
Biodiesel / Rapsmethylester	1.550 Liter	1l = 0,91l Diesel	0,75 – 0,95 EUR
Bioethanol	2.560 Liter	1l = 0.66l Diesel	0,50 – 0,60 EUR
BtL-Kraftstoff (Biomass-to-liquid)	4.030 Liter	1l = 0,97l Diesel	k.A.
Bio-Methan („Biogas“)	3.560 Liter	1 kg = 1,40l Benzin	k.A.
Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)

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

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

Schweiz

In der Schweiz wird häufig von Kompogas gesprochen, wenn Biogas gemeint ist. An vielen schweizer Gastankstellen wird unter der Bezeichnung „Naturgas“ ein Gemisch von Kompogas und Erdgas verkauft. Im Mai 2007 betrug der Anteil von Kompogas im Raum Zürich ungefähr 40 %, hingegen im Welschland 0 %. Schweizweit soll der Anteil vom Biogas am „Naturgas“ mindestens 10 % betragen. Da zur Zeit schweizweit noch keine gesetzlich vorgeschriebenen Förderbeiträge (Einspeisevergütung für aus Biogas erzeugten Strom) bezahlt werden, wird das Potenzial der Biogasgewinnung in der Schweiz insbesondere in der Landwirtschaft noch relativ wenig ausgeschöpft.

Herstellung

Biogas aus Energiepflanzen

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

Zur groben Abschätzung der Nutzung für die Leistungserzeugung bei durchschnittlichem Wirkungsgrad:

1 ha Mais = ca. 2 kW elektr. Dauerleistung

1 ha sonstiges Getreide = ca. 1,5 kW

1 ha Gras = ca. 1 kW

Gülle von 1 Kuh = ca. 0,15 kW

Mikrobielle Prozesse

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

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

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

Gleichung 1:   

Gleichung 2:   

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

Reinigung und Aufbereitung

Verunreinigungen durch Schwefelwasserstoff und Ammoniak wirken sich die negativ auf die Nutzung von Biogas aus. Es ist daher fast immer notwendig, eine Reinigung und Aufbereitung vorzunehmen. Im Wesentlichen sind das vier Verfahrensschritte.

Entschwefelung

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

• Reinigung nach der Gasproduktion durch Entschwefelungsfilter: Hier wird das Gas durch eisenhaltiges Filtermaterial (Raseneisenstein, Stahlwolle) geleitet. Das Filtermaterial muss ausgetauscht oder durch Erhitzen regeneriert werden, wenn es gesättigt ist.
• Reinigung im Gasraum durch Zugabe von Sauerstoff: Das H₂S (Schwefelwasserstoff) wird in elementaren Schwefel umgewandelt. Der Schwefel lagert sich im Gasraum ab. Dies ist bisher die gängigste und billigste Methode, hat aber den Nachteil, dass elementarer Schwefel in der Anlage akkumuliert. Das Verfahren kann nur eine begrenzte Menge von Schwefelwasserstoff neutralisieren. Außerdem ist dieses Verfahren nur möglich, wenn das Biogas vor Ort in einem BHKW oder Brenner verwendet wird. Bei Aufreinigung auf Erdgasqualität sind vor allem die zusätzlichen Stickstoffanteile sowie freie Sauerstoffanteile problematisch, da es zu Qualitätseinschränkungen im aufbereiteten Biomethan führt. Eventuell können dadurch vorgegebene maximale Grenzwerte im aufbereiteten Gas nicht oder nur noch mit erhöhtem Aufwand eingehalten werden. Andererseits bleibt der elementare Schwefel als Dünger in der Substratausbringung pflanzenverfügbar und kann als Schwefeldünger bilanziert werden.
• Ein verbessertes Verfahren ist die Zugabe von Luft oder eines anderen Oxidationsmittels direkt in die Reaktorflüssigkeit (Linde-Patent). Es läuft der selbe Prozess wie bei der Gasraumentschwefelung ab.
• Laugenwäsche: Das Biogas wird in einer Füllkörperkolonne im Gegenstrom mit Lauge gewaschen. Die Lauge muss anschließend entsorgt werden. Die Laugenwäsche reichert auch CO2 im Biogas ab.
• Biologische Entschwefelung: Ähnlich der Laugenwäsche, die Lauge wird in einem zweiten Aerobreaktor zur Hälfte regeneriert. Es entsteht ein im Vergleich zur Laugenwäsche reduzierter, schwefelfreier Abwasserstrom und ein Elementarschwefelschlamm. (Paques-Patent)
• Die Zugabe von Eisen-ionen: Bei hohen Proteinanteilen im Ausgangssubtrat können die Schwefelwasserstoffkonzentrationen schon 20.000 ppm übersteigen. Hier ist jeder Filter überfordert. Die Zugabe von Eisen-ionen hilft die Bildung von Schwefelwasserstoff im Faulbehälter wegen der hohen Affinität zum Eisen zu verhindern. Das Eisen verbindet sich mit Schwefel zu unlöslichen Eisensulfid (FeS). Das Eisensulfid verbleibt als Feststoff in der Gülle.
• Irreversible Adsorption an Aktivkohle: Die Aktivkohle wird teilweise iodiert, um die Beladungsfähigkeit zu erhöhen. Dieses Verfahren eignet sich nur bei sehr geringen H₂S-Konzentrationen, z. B. als Endreinigung.
• Rückführung von teilweise entschwefeltem Biogas in die Reaktorflüssigkeit. Dadurch wird das Austreiben des noch in der Flüssigkeit gelösten H₂S verbessert.

Zu beachten ist hier die Hemmwirkung des in der Gülle gelösten Schwefelwasserstoffes auf die Methanbildung. Wird nur auf die Entschwefelung des Gases geachtet und die Entschwefelung der Reaktorflüssigkeit vernachlässigt, geht die Methanbildung durch Vergiftung der Methan erzeugenden Bakterien bis auf Null zurück. Diese Probleme treten jedoch nur in Abfallvergärungsanlagen mit hohen Proteinfrachten oder bei stark schwefelhaltigen Pflanzenteilen (Raps) auf und kann durch die Mischung der zu vergärenden Substrate beeinflusst werden.

Verdichtung

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

Trocknung

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

CO₂-Abtrennung

Die Aufbereitung des Biogases umfasst neben den bereits geschilderten Verfahren zur Entschwefelung und zur Reduzierung des Ammoniak-Anteils vor allem die Reduzierung des CO₂- und O₂-Anteils. Die derzeit gängigen Verfahren der Methananreicherung durch CO₂-Abtrennung sind Gaswäschen wie z. B. die Druckwasserwäsche (Absorptionsverfahren mit Wasser oder speziellen Waschmitteln) und die Druckwechsel-Adsorption (Adsorptionsverfahren an Aktivkohle). Bereits in den 1980er Jahren wurden in zwei Klärwerken in Deutschland eine Trennung des CO₂ im Klärgas durch Absorptionsmittel wie z. B. Monoethanolaminlösung (Aminwäsche) über Jahre erfolgreich betrieben, um sie dann ins Erdgasnetz einzuspeisen. ^[4]Daneben sind weitere Verfahren wie eine kryogene Gastrennung (mittels tiefen Temperaturen) oder eine Gastrennung durch eine Membran in der Entwicklung für eine allgemeine Anwendung im Biogasbereich.

Siehe auch

• Biogasanlage
• Zukunftstechnologie
• Erneuerbare Energien
• Bioethanol (Ethanol-Kraftstoff)
• Biodiesel

Literatur

• Biogas: Strom aus Gülle und Biomasse. Planung, Technik, Förderung, Rendite. Top agrar, Das Magazin für moderne Landwirtschaft. Landwirtschaftsverlag, o.O. 2000, ISBN 3-7843-3075-4
• Martin Stroh, Saarbrücken: „Vom Bauern zum Energielieferant. Die Zukunft des Energiewirt“ (250 Seiten) kostenloses Buch über die Entwicklung der Biogas-Branche
• Heinz Schulz, Barbara Eder: Biogas-Praxis. Grundlagen, Planung, Anlagenbau, Beispiele. Ökobuch, o.O. 2005, ISBN 3-922964-59-1
• Bayerisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz (StMUGV): Biogas Handbuch Bayern. München, 15. November 2004. [1]

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

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

Weblinks

• Biogas-Netzeinspeisung: technische, rechtliche und wirtschaftliche Informationen
• Biogaseinspeisung in das Erdgasnetz: ökonomische, technische, rechtliche und ökologische Informationen
• Internationales Biogas und Bioenergie Kompetenzzentrum IBBK
• Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR)
• Bundesverband der deutschen Gas- und Wasserwirtschaft

Quellen

1. ↑ spiegel.de: Erdgas vom Maisfeld
2. ↑ Lichtblick verkauft auch Biogas, die tageszeitung 12.06.2008
3. ↑ ^{a b} Biogas barometer 2007 – EurObserv’ER Systèmes solaires – le journal des énergies renouvelables n° 179, s. 51–61, 5/2007
4. ↑ Die Themen des Tages auf einen Blick