Biogas

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Speicher der Biogasanlage Güssing Burgenland Österreich
Biogasanlage der Mechanisch-biologischen Abfallbehandlungsanlage (MBA) Lübeck

Biogas ist ein brennbares Gas, das durch Vergärung von Biomasse in Biogasanlagen hergestellt und zur Erzeugung von Bioenergie verwendet wird. Vor der Biogasaufbereitung ist es eine wassergesättigte Gasmischung mit den Hauptkomponenten Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2). In Spuren sind meist auch Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2), Schwefelwasserstoff (H2S), Wasserstoff (H2) und Ammoniak (NH3) enthalten. Für die Verwertung des Biogases ist der Methananteil am wichtigsten, da er, als oxidierbare Verbindung, bei der Verbrennung Energie freisetzt.

Ebenso wie Biogas entstehen Deponiegas und Klärgas bei der als Vergärung oder Faulung bezeichneten anaeroben Zersetzung von organischem Material. Daher werden diese Gase gelegentlich auch unter den Begriffen Faulgas oder Biogas zusammengefasst.

Inhaltsverzeichnis

[Bearbeiten] Herstellung

Hauptartikel: Biogasanlage
Vergleich von Biogasrohstoffen
Material Biogasertrag[1]
(FM = Frischmasse)		 Methangehalt[1]
Maissilage 202 m³/t FM 52 %
Grassilage 172 m³/t FM 54 %
Roggen-GPS 163 m³/t FM 52 %
Futterrübe 111 m³/t FM 51 %
Bioabfall 100 m³/t FM 61 %
Hühnermist 80 m³/t FM 60%
Zuckerrübenschnitzel 67 m³/t FM 72 %
Schweinemist 60 m³/t FM 60 %
Rindermist 45 m³/t FM 60 %
Getreideschlempe 40 m³/t FM 61 %
Schweinegülle 28 m³/t FM 65 %
Rindergülle 25 m³/t FM 60 %

Als Ausgangsstoffe für die technische Produktion von Biogas eignen sich:

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 kontinuierlichen Verfügbarkeit (grundlastfähig) und der Speicherbarkeit (spitzenlastfähig) eignet sich die Bioenergie und damit auch der Bioenergieträger Biogas im Energiemix der erneuerbaren Energieträger zum Ausgleich kurzfristiger Schwankungen im Stromangebot der Wind- und Sonnenenergie. Bisher werden die meisten Biogasanlagen kontinuierlich, also als Grundlastkraftwerk, betrieben.

[Bearbeiten] Zusammensetzung

Die Literaturangaben zur Zusammensetzung von Biogas sind sehr unterschiedlich. Die Gaszusammensetzung hängt von diversen Parametern, wie Substratzusammensetzung und Betriebsweise des Faulbehälters, ab.

Zusammensetzung von Biogas[2]
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 zu rund 60% enthaltene Methan. Je höher dessen Anteil ist, desto energiereicher ist das Gas. Nicht nutzbar sind das Kohlendioxid und der Wasserdampf. Im Rohbiogas störend sind vor allem Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Sie werden bei der Biogasaufbereitung vor der Verbrennung entfernt, um Korrosion in Motoren, Turbinen und nachgeschalteten Komponenten (Wärmetauscher etc.) zu verhindern.

[Bearbeiten] Nutzung

[Bearbeiten] Blockheizkraftwerke

In Deutschland ist die Verbrennung in Blockheizkraftwerken (BHKW) am häufigsten. Der Motor oder die Turbine des BHKW treibt einen Generator an, der Elektrizität zur Einspeisung in das Stromnetz produziert. Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) sichert eine gegenüber konventionellem Strom erhöhte und auf 20 Jahre garantierte Einspeisevergütung.

Die Abwärme des BHKW kann zusätzlich genutzt werden und liefert Erträge durch den Verkauf der Wärme sowie einen ebenfalls im EEG festgelegten Bonus für die Kraftwärmekopplung (KWK-Bonus). Bisher wird bei den meisten landwirtschaftlichen Biogasanlagen mangels Wärmebedarf vor Ort nur ein geringer Teil der Wärme genutzt, beispielsweise zur Beheizung des Fermenters sowie von Wohn- und Wirtschaftsgebäuden. Unter anderem hohe Energiepreise und finanzielle Anreize durch die ab 2009 gültige Novelle des EEG fördern die Wärmenutzung. Das kann durch Nahwärmenetze geschehen, wie z. B. im Bioenergiedorf Jühnde. Eine Alternative ist der Transport von Biogas in Biogasleitungen über Mikrogasnetze direkt zum Wärmeabnehmer. Ein teures Wärmenetz mit Durchleitungsverlusten kann so vermieden werden. Da der größte Teil der Biogaserträge durch den Stromverkauf erzielt wird, befindet sich beim Wärmeabnehmer ein BHKW, welches als Hauptprodukt Strom zur Netzeinspeisung produziert und Wärme als Koppelprodukt bereitstellt.

[Bearbeiten] Einspeisung in das Erdgasnetz

Hauptartikel: Biomethan, Biogasaufbereitung

Um Abwärme aus der Biogasverstromung umfassender nutzen zu können, kann nach einer umfassenden Biogasaufbereitung eine Einspeisung in das Erdgasnetz erfolgen. Neben dem Entfernen von Wasser, Schwefelwasserstoff (H2S) und Kohlendioxid (CO2) muss auch eine Anpassung an den Heizwert des Erdgases im jeweiligen Gasnetz (Konditionierung) stattfinden. Der für die Einspeisung notwendige Druck hängt von der Gasleitung ab, in die das als Bioerdgas oder Biomethan bezeichnete Gas eingespeist werden soll.

An anderer Stelle des Erdgasnetzes kann eine äquivalente Menge Gas wieder aus dem Netz entnommen und genutzt werden. So kann beispielsweise bei einem Schwimmbad mit hohem und ganzjährigem Wärmebedarf ein BHKW mit Biomethan betrieben werden. Ähnlich wie bei einem BHKW-Betrieb an der Biogasanlage gelten auch hier die durch das EEG festgelegten Vergütungen und Boni. Wegen des hohen technischen Aufwands lohnt sich die Aufbereitung und Einspeisung derzeit nur für überdurchschnittlich große Biogasanlagen. Erste Projekte dazu starteten 2007.[3]

[Bearbeiten] Weitere Nutzungsarten

Hauptartikel: Biomethan

Biogas kann als nahezu CO2-neutraler Treibstoff in Kraftfahrzeugmotoren genutzt werden. Da eine Aufbereitung auf Erdgasqualität notwendig ist, muss der CO2-Anteil weitestgehend entfernt werden. Dieses sogenannte Biomethan oder Bioerdgas muss auf 200 bis 300 bar verdichtet werden, um in umgerüsteten Kraftfahrzeugen genutzt werden zu können. Bisher wird Biogas selten auf diesem Weg verwertet. 2006 wurde die erste deutsche Biogastankstelle in Jameln (Wendland) eröffnet[4]. Wegen der hohen elektrischen Wirkungsgrade könnte in Zukunft zudem die Verwertung von Biogas in Brennstoffzellen interessant sein. Der hohe Preis für die Brennstoffzellen, die aufwendige Gasaufreinigung und die in Praxisversuchen bisher noch geringe Standzeit verhindern eine breitere Anwendung dieser Technik.

[Bearbeiten] Biogas in Europa

In der EU wurden im Jahr 2006 62.200 GWh Energie aus Biogas produziert. Zu Biogas wurde in dieser Erfassung auch Deponie- und Klärgas gezählt. Den größten Anteil machte Deponiegas mit 58 % aus. Klärgas trug 18 % und Andere trugen 24 % bei. Unter "Andere" fällt Biogas nach der in diesem Artikel gültigen Definition. Deutschland und Großbritannien machten mit fast 36 % bzw. fast 32 % den größten Anteil aus. Andere Länder folgen mit deutlichem Abstand. In Großbritannien ist Deponiegas am bedeutendsten (90%), während in Deutschland Biogas (Andere) mit über 50 % dominiert. Pro 1000 Einwohner führt Großbritannien mit 327 kWh vor Deutschland mit 271 kWh.

Biogas-Energie 2006 (GWh)[5]
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 )[5]
Staat MWh/1000 Bw.
UK 327
Deutschland 271
Luxemburg 226
Dänemark 202
Österreich 166
Finnland 141

[Bearbeiten] Deutschland

Von 1999 bis 2007 wuchs die Zahl der Biogasanlagen von etwa 700 auf über 3700. Die installierte Leistung stieg durch die Tendenz zu größeren Anlagen überproportional und lag 2007 bei 1270 MW. Das entspricht der Leistung eines großen Atomkraftwerks. Die 2007 erzeugten rund 9 Milliarden kWh Elektrizität entsprachen 10 % des Stroms aus Erneuerbaren Energien bzw. rund 1,5 % des gesamten Strombedarfs der Bundesrepublik Deutschland. Der Ausstoß von 8,5 Millionen t CO2 konnten so vermieden werden, was etwa 0,8 % der deutschen Treibhausgasemissionen entspricht. Für die Substratbereitstellung wurden 400.000 ha Anbaufläche benötigt, was 2 % der gesamten landwirtschaftlich genutzten Flächen entspricht. Es wird angenommen, dass die Erzeugung von Bioerdgas bis 2020 auf jährlich 12 Milliarden m³ Biomethan ausgebaut werden kann, ohne die Lebensmittelerzeugung zu beeinflussen. Das entspräche einer Verfünffachung der Kapazitäten des Jahres 2007.[6][7] Ein wichtiger Faktor für den Ausbau ist das EEG, das eine erhöhte Vergütung für den eingespeisten Strom garantiert. Neben dieser Grundvergütung sind Zuschläge in Form verschiedener Boni möglich. Zweck des EEGs ist unter anderem der Klima-, Ressourcen- und Umweltschutz.[8]

[Bearbeiten] Schweiz

Ein mit Biogas betriebener Bus von Bernmobil

In der Schweiz wird Biogas häufig als Kompogas bezeichnet. 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 in der Romandie 0 %. Schweizweit soll der Anteil vom Biogas am „Naturgas“ mindestens 10 % betragen.

Seit dem 1. Januar 2009 ist auch in der Schweiz ein erhöhter Einspeisetarif (Einspeisevergütung für aus Biogas erzeugtem Strom) für erneuerbare Energien in Kraft, welche auch Biogas einschließt. Dieser wird als kostendeckende Einspeisevergütung bezeichnet, wobei über die Bezeichnung „kostendeckend“ debattiert wird und „kostenbasiert“ als Alternative vorgeschlagen wird. Hervorzuheben ist der sogenannte Landwirtschaftsbonus, der gewährt wird, wenn mindestens 80 % der Substrate aus Hofdünger bestehen. Das schweizerische Fördermodell soll so die nachhaltige Entwicklung im Energiesektor forcieren, da sie insbesondere die güllebasierten und damit nachhaltigsten Biogasanlagen fördert.

[Bearbeiten] Schweden

In Schweden, wo die Stromerzeugung aus Biogas wegen niedrigerer Strompreise unrentabel ist, ist hingegen die Aufbereitung auf Erdgasqualität (Biomethan) und Einspeisung in das Gasnetz sowie die Nutzung als Treibstoff in Gasfahrzeugen die am weitesten verbreitete Nutzungsvariante.

[Bearbeiten] Reinigung und Aufbereitung

Hauptartikel: Biogasaufbereitung

Abhängig von der Nutzungsweise des Biogases (siehe oben) sind verschiedene Reinigungs- und Aufbereitungsschritte notwendig.

[Bearbeiten] Entschwefelung

Schwefel findet sich als Schwefelwasserstoff (H2S) im Biogas. Meist ist der Anteil gering, kann aber bei proteinreichem Substrat (Getreide, Leguminosen, Schlachtabfälle etc.) stark ansteigen. Selbst geringe Mengen H2S sind zu entfernen, da bei der Verbrennung Schwefelsäure (H2SO4)entsteht. Diese kann zu direktem Verschleiß durch Korrosion im Motor oder Brenner, sowie zu indirektem Verschleiß durch Ansäuerung und damit Veränderung der Schmiereigenschaften des Motoröls führen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Entschwefelung. Gegebenenfalls sind mehrere Stufen nötig wie Grob- bzw. Feinentschwefelung.

Zu beachten ist auch die Hemmwirkung des in der Gülle gelösten Schwefelwasserstoffes auf die Aktivität der Mikroorganismen. Durch begrenzte Schwefelzufuhr mittels entsprechender Substratmischungen kann eine Hemmung vermieden werden. Zudem ist eine sukzessive Gewöhnung der Mikroorganismen an hohe H2S-Werte möglich.

[Bearbeiten] Trocknung

Wasser muss aus dem Biogas entfernt werden, da es schädlich für Verbrennungsmotoren ist. Bei einer Einspeisung in das Erdgasnetz muss das Gas trocken sein, um die Bildung von Wassertaschen durch Kondensation zu vermeiden. Da Ammoniak gut wasserlöslich ist, kann es bei der Trocknung aus dem Gas entfernt und mit dem Kondensat abgeführt werden. Die Kondensation erfolgt meist über Kühlung durch im Erdreich verlegte Gasleitungen oder durch Kompressorkälte.

[Bearbeiten] CO2-Abtrennung

CO2 ist nicht weiter oxidierbar und trägt daher nicht zum Heizwert des Biogases bei. Um in das Erdgasnetz einspeisen zu können oder um erdgasgeeignete Kraftfahrzeuge mit Biogas betreiben zu können, muss dessen Heizwert an das Erdgas angepasst werden. Da Methan die energieliefernde Komponente des Biogases ist, muss dessen Anteil durch Entfernung von CO2 erhöht werden.

Die Aufbereitung des Biogases zu sogenanntem Biomethan oder Bioerdgas umfasst, neben den bereits geschilderten Verfahren zur Entschwefelung und Trocknung, 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 Abtrennung des CO2 im Klärgas durch Absorptionsmittel wie z. B. Monoethanolaminlösung (Aminwäsche) über Jahre erfolgreich betrieben, um sie dann ins Erdgasnetz einzuspeisen.[9] Daneben sind weitere Verfahren wie die kryogene Gastrennung (mittels tiefen Temperaturen) oder die Gastrennung durch Membranen in der Entwicklung.

[Bearbeiten] Konditionierung

Je nach Herkunft hat Erdgas aus verschiedenen Netzen unterschiedliche Heizwerte. Bei einer Einspeisung von aufbereitetem Biogas muss dessen Heizwert an das jeweilige Netz angepasst werden. Der sogenannte Wobbeindex definiert diesen Wert. Durch Beimischen von Gasen (Propan, Butan) ist eine Erhöhung möglich. Zunächst lag die Konditionierung in der Verantwortung des Gaseinspeisers. Um den Netzzugang zu erleichtern, wurde diese Verantwortung zu 2008 durch die Gasnetzzugangsverordnung auf den Netzbetreiber übertragen.

[Bearbeiten] Verdichtung

Die Verdichtung von Biogas ist notwendig, wenn aufbereitetes Biogas als Biomethan in das Erdgasnetz eingespeist oder als Biokraftstoff in dafür geeigneten Fahrzeugen verwendet werden soll. In diesem Fall sind, abhängig vom jeweiligen Netz, niedrige bis mittlere Drücke bis etwa 20 bar notwendig. Für die Nutzung als Treibstoff ist eine stärkere Komprimierung auf über 200 bar notwendig, um ausreichende Energiedichten zu erhalten. Solch hohe Drücke sind nur mit einer mehrstufigen Verdichtung realisierbar.

[Bearbeiten] Weitere Reinigungs- und Aufbereitungsschritte

In Deponie- und Klärgasen können Siloxane sowie halogenierte und cyclische Kohlenwasserstoffe enthalten sein. Siloxane verursachen stark erhöhten Motorenverschleiß. Die Kohlenwasserstoffe führen zu Emissionen toxischer Verbindungen. Mit Aktivkohle können Siloxane und Kohlenwasserstoffe aus dem Biogas entfernt werden.

[Bearbeiten] Einzelnachweise

  1. ↑ a b Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR): Biogas Basisdaten Deutschland Stand: Januar 2008.
  2. ↑ DVGW
  3. ↑ Lichtblick verkauft auch Biogas, die tageszeitung 12. Juni 2008
  4. ↑ Homepage des Betreibers der ersten Biogastankstelle
  5. ↑ a b Biogas barometer 2007 – EurObserv’ER Systèmes solaires – le journal des énergies renouvelables n° 179, S. 51–61, 5/2007
  6. ↑ Broschüre des Fachverbands Biogas: Multitalent Biogas, Berlin 2008, 88 Seiten
  7. ↑ Entwicklung der Erneuerbaren Energien bis 2008, Statistiken und Graphiken, BMU 2009
  8. ↑ Volltext des EEG 2009 bei juris
  9. ↑ Biogasaufbereitung für Einspeisung ins Erdgasnetz

[Bearbeiten] 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
  • 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.

[Bearbeiten] Weblinks

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Biogas“
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