Biogasanlage

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Biogasanlage in Neuhaus (Oste)
Luftbild einer Biogasanlage
Halde mit Biomasse einer Biogasanlage bei Hannover

Eine Biogasanlage dient der Erzeugung von Biogas durch Vergärung von Biomasse. In landwirtschaftlichen Biogasanlagen werden meist tierische Exkremente (Gülle, Festmist) und Energiepflanzen als Substrat eingesetzt. In nicht-landwirtschaftlichen Anlagen wird Material aus der Biotonne verwendet. Als Nebenprodukt wird ein als Gärrest bezeichneter Dünger produziert. Bei den meisten Biogasanlagen wird das entstandene Gas vor Ort in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt.

Prinzip einer Biogasanlage

Vergleich von Biogasrohstoffen
Material Biogasertrag[1]
in m³ pro Tonne
Frischmasse
Methangehalt
Maissilage 202 52 %
Grassilage 172 54 %
Roggen-GPS 163 52 %
Futterrübe 111 51 %
Bioabfall 100 61 %
Hühnermist 80 60%
Zuckerrübenschnitzel 67 72 %
Schweinemist 60 60 %
Rindermist 45 60 %
Getreideschlempe 40 61 %
Schweinegülle 28 65 %
Rindergülle 25 60 %

In einer Biogasanlage erfolgt der anaerobe (ohne Sauerstoff) mikrobielle Abbau (Vergärung) des eingesetzten Substrats. Dieses besteht meist aus gut abbaubarer Biomasse wie Gülle, Energiepflanzen (vor allem Mais-, Getreide- und Grassilage), landwirtschaftlichen Nebenprodukten oder Bioabfällen. Stroh und Holz, die vor allem Cellulose und Lignocellulose enthalten, sind unter anaeroben Bedingungen nur schwer oder gar nicht abbaubar und werden daher nicht eingesetzt.

Verschiedene Arten von Mikroorganismen nutzen die komplex zusammengesetzte Biomasse (vor allem Kohlenhydrate, Fette und Proteine) als Nährstoff- und Energielieferanten. Anders als beim aeroben (mit Sauerstoff) Abbau (z.B. Kompostierung) können die Organismen bei der anaeroben Vergärung aber nur einen geringen Teil der enthaltenen Energie nutzen. Die anaerob nicht nutzbare Energie befindet sich im „Abfallprodukt“ Methan. Das hat zur Folge, dass die spezifischen Umsatzraten an Substrat, bezogen auf die Biomasse, wesentlich höher sind. Die Mikroorganismen müssen daher relativ große Mengen Substrat umsetzen, um ihren Energiebedarf decken zu können. Hauptprodukte des anaeroben Abbaus sind das energiereiche Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2). Da beide gasförmig sind, trennen sie sich vom Gärsubstrat und bilden die Hauptkomponenten des Biogases. CO2 ist nicht weiter oxidierbar, kann aber zusammen mit dem energiereichen CH4 in geeigneten BHKWs der Verbrennung zugeführt werden.

Substrate zur Biogaserzeugung

Hauptartikel: Substrat (Biogasanlage)

Der zur Biogaserzeugung eingesetzte Rohstoff wird meistens als Substrat oder Einsatzstoff bezeichnet. Theoretisch eignet sich jede Art von Biomasse, die unter anaeroben Bedingungen (Vergärung) abgebaut wird. Bedingt durch die jeweilige chemische Zusammensetzung (Kohlenhydrate, Fette, Proteine und so weiter) ergeben sich pro eingesetzter Masse unterschiedliche Mengen Biogas mit verschiedenen Methananteilen. Dies erklärt teilweise die in der Tabelle gezeigten unterschiedlichen Methangehalte beim Einsatz unterschiedlicher Substrate. Bei der Tabelle ist zu beachten, dass sich die Ausbeute auf eine Tonne Frischmasse bezieht. Werden Pflanzen zur Verwendung als Substrat angebaut, so ist der erwartete Ertrag an Frischmasse pro Hektar einzubeziehen. In der Praxis entscheiden die Einkaufs- und Anbaukosten, die durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) festgelegten Vergütungen und Boni und die Eignung der Biogasanlage über das verwendete Substrat.

Verbleib des Substrats

Ein Teil des Substrats dient den Mikroorganismen als Nährstoff zum Aufbau von Zellmasse zur Zellteilung (Anabolismus). Die dafür benötigte Energie wird aus der Vergärung des Substrats gewonnen. Da der Energiegewinn, verglichen mit der aerob stattfindenden Atmung, gering ist, müssen pro erzeugter Zellmasse vergleichsweise große Massen Substrat umgesetzt werden.

Bei gut abbaubaren Substraten wird ein großer Teil der Trockensubstanz in das Biogas umgesetzt. Daher bleibt ein wässriges Gemisch aus schwer abbaubarem organischen Material, wie Lignin und Cellulose, sowie aus anorganischen Stoffen wie zum Beispiel Sand oder anderen mineralischen Stoffen, der sogenannte Gärrest, zurück. Dieser wird meistens als landwirtschaftlicher Dünger verwendet, da er noch sämtliche im Substrat enthaltenen Spurenelemente, fast den gesamten Stickstoff, Phosphor und – abhängig von der Verfahrensart der Biogasanlage – auch fast den gesamten Schwefel enthält.

Mikrobielle Prozesse

Der anaerobe Abbau von Biomasse ist Grundlage der Entstehung von Faulgasen wie Deponie-, Klär-, Sumpf- und Biogas. Viele verschiedene Arten von Mikroorganismen sind beteiligt. Vorkommen und Mengenanteile der Arten sind von der Art des Substrats, dem pH-Wert, der Temperatur und dem Ablauf der Vergärung abhängig. Aufgrund der vielfältigen Stoffwechselfähigkeiten dieser Mikroorganismengemeinschaft können fast alle organischen Stoffe abgebaut werden. Lediglich faserartige Anteile aus Cellulose und verholzte Anteile aus Lignocellulose sind enzymatisch schwer abbaubar. Voraussetzung für die Methanbildung ist ein ausreichender Wasseranteil im Gärsubstrat.

Der Abbauprozess wird schematisch in vier aufeinanderfolgenden biochemischen Einzelprozessen (Phasen) dargestellt. Bei den meisten gängigen Anlagenkonzepten findet laufend eine Substratzufuhr zum Fermenter statt, so dass die vier Phasen parallel stattfinden.

Übersicht über die anaerobe Verwertung von polymeren Substraten und Lipiden

1. Phase: Hydrolyse

Mikroorganismen können die polymeren Makromoleküle (z. B. Kohlenhydrate, Proteine) nicht direkt in die Zelle aufnehmen. Daher werden zunächst verschiedene Arten von Exoenzymen, wie Amylasen, Proteasen und Lipasen ausgeschieden. Diese hydrolysieren die Makromoleküle in ihre löslichen Oligomere und Monomere. Kohlenhydrate wie Stärke und Hemicellulose werden so in Oligo- und Monosaccharide (Mehrfach- und Einfachzucker) zerlegt. Proteine werden zu Peptiden oder Aminosäuren abgebaut. Fette können in ihre Bestandteile, wie beispielsweise Fettsäuren und Glycerin, hydrolysiert werden.

2. Phase: Acidogenese oder Versäuerungsphase

Die Produkte aus der Hydrolyse werden durch säurebildende Mikroorganismen verstoffwechselt. Die Produkte der Acidogenese sind niedere Fett- und andere Carbonsäuren, wie Valerian-, Butter-, Propionsäure, Alkohole wie Ethanol und als ein Abbauprodukt der Proteine Schwefelwasserstoff (H2S) und Ammoniak (NH3). Dabei entstehen außerdem Essigsäure (Acetat), Wasserstoff und Kohlendioxid, welche als Ausgangsprodukte für die Methanbildung dienen.

3. Phase: Acetogenese oder Essigbildende Phase

Während der Acetogenese werden die niederen Fett- und Carbonsäuren sowie die niederen Alkohole durch acetogene Mikroorganismen zu Essigsäure (Acetat) umgesetzt.

4. Phase: Methanogenese oder methanbildende Phase

In der letzten, ausschließlich 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, den Zwischenprodukten aus der Acetogenese. In landwirtschaftlichen Biogasanlagen geschieht dies entgegen der bisherigen Lehrbuchmeinung bei höherer Raumbelastung bzw. geringerer Verweilzeit und höherer Temperatur vorwiegend über den hydrogenotrophen (Wasserstoff verwertenden) Reaktionsweg. Es wird Acetat weniger direkt in Kohlendioxid und Methan gespalten (acetoklastischer, Essigsäure spaltender Weg), sondern zunächst zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt (syntrophe Acetat-Oxidation in Abb. 3, Schnürer et al. 1999), die dann über die hydrogenotrophe Methanogenese in Biogas umgesetzt werden. Die Methanbildung über die Essigsäurespaltung findet in nennenswertem Maß nur bei vergleichsweise geringer Raumbelastung bzw. längerer Verweilzeit und niedrigen Essigsäure-Gehalten statt (Lebuhn et al., 2008a, 2009; Bauer et al., 2008, 2009). Da die Methanogenese ein energieliefernder (exothermer) Prozess ist (-ΔG°´: frei werdende Reaktionsenergie), kann sie die energiezehrenden Reaktionen der Acetogenese und der syntrophen Acetat-Oxidation(+ΔG°´: energiezehrende Reaktion) ermöglichen.

Essigsäure spaltend (acetoklastisch):
(1) CH3COO- + H+ → CH4 + CO2 (ΔG°´ = -35,9 kJ/mol)

Wasserstoff verwertend (hydrogenotroph):
(2) CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O (ΔG°´ = -131,0 kJ/mol)

Die vier Phasen lassen sich nicht strikt trennen, da beispielsweise auch schon in der Acidogenese Essigsäure, Wasserstoff und Methan entstehen. Die Methanogenese hingegen erfordert spezielle Stoffwechselfähigkeiten, die sich nur bei den Methanogenen finden. Diese Mikroorganismen gehören zur Gruppe der Archaeen (der Klasse Methanobacteria, Methanococci und Methanomicrobia[10]) und sind nur entfernt mit den Bakterien verwandt, die die anderen Schritte des Abbaus durchführen.

Anlagenbetrieb

Über das genaue Zusammenspiel der Mikroorganismen ist nur wenig bekannt. Daher ist es schwierig, die verschiedenen Parameter (Substratart, Substratmenge, Temperatur, Rührwerkseinstellungen und so weiter) optimal einzustellen. Viele Maßnahmen beruhen auf Erfahrungen. In Forschungsprojekten werden Charakterisierungen der mikrobiologischen Populationen beziehungsweise Gemeinschaften vorgenommen, um Zusammenhänge besser zu verstehen.

Zur Aufrechterhaltung des Fermentationsprozesses bei der Nassvergärung wird bei niedrigen Substratkonzentrationen ein nicht unerheblicher Teil der Abwärme aus der Biogasverstromung zur Aufrechterhaltung der Fermentertemperatur im mesophilen Zielbereich von 30 bis etwa 35 Grad Celsius benötigt.[2] Anlagen mit Trockenfermentation benötigen einen deutlich geringeren Anteil der produzierten Wärme. Für den Gesamtwirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit einer Biogasanlage ist die optimale Nutzung der Abwärme (Gebäudeheizung, Holz- und Getreidetrocknung und so weiter) ein wichtiger Faktor.

Ein Mix-Propeller einer Biogasanlage

Verschiedene z. T. recht unterschiedliche Anlagenkonzepte werden in der Praxis angewendet. Vor allem die Zusammensetzung des Substrats entscheidet, welches Konzept angewandt wird. Aber auch Rahmenbedingungen durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz, die die Vergütung für den eingespeisten Strom bestimmen, sind relevant. Ebenso können Vorschriften zur Hygienisierung und zur Vermeidung von Emissionen die Planung einer Biogasanlage beeinflussen.

Nass- und Trockenfermentation

Ein Unterscheidungsmerkmal bei Biogasanlagen ist die Betriebsweise als Nass- oder Trockenfermentation oder -vergärung. Bei der Nassfermentation macht ein hoher Wasseranteil im Gärsubstrat die Masse rühr- und fließfähig und wird während der Fermentation durchmischt. Die Trockenfermentation oder auch Feststoffvergärung erfolgt mit stapelbarer organischer Biomasse. Im Gegensatz zur Nassvergärung wird hier das Gärgut weder verflüssigt noch erfolgt eine ständige Durchmischung während der Vergärung. Die Verfahrenswahl hängt im Wesentlichen von den Substraten ab.

Für die Güllenutzung kommt nur die Nassvergärung in Frage, während strukturreiche Biomasse oft die für die Nassvergärung nötigen Rührwerke blockiert. Bei der Nassvergärung muss daher die feste Biomasse gut zerkleinert und mit Flüssigkeit pumpbar gehalten werden. In Deutschland ist die Nassvergärung vorherrschend, weil die meisten Anlagen von Landwirten mit Viehzucht errichtet wurden, die häufig sowohl Energiepflanzen als auch Gülle einsetzen.

Domäne der Trockenfermentation ist die stapelbare Biomasse, wie sie im Garten- und Landschaftsbau anfällt sowie die Vergärung von Wiesen- oder Ackergras. Trockenfermentation wird auch als Ergänzung oder Ersatz zur Kompostierung eingesetzt. Jedoch ist die Bezeichnung „Trockenvergärung“ irreführend, da die für die Vergärung notwendigen Mikroorganismen für ihr Überleben und Stoffwechsel ein flüssiges Medium benötigen. Seit 2004 wurde im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) ein Technologiebonus von 2 Cent/kWh eingespeisten Strom für die Trockenfermentation bezahlt. In den folgenden Jahren nahm daher auch in der Landwirtschaft die Bedeutung der Trockenfermentation stark zu. Für neu errichtete Anlagen ab 2009 entfällt der Technologiebonus, da das Verfahren inzwischen als etablierte Technik gilt.

Batch- und kontinuierliche Vergärung

Die meisten Anlagen werden mit einer kontinuierlichen Vergärung betrieben, bei der dem Prozess in regelmäßigen Abständen meist mehrmals täglich Substrat zugeführt wird und Biogas sowie Gärrest entnommen werden. Vorteilhaft sind die Automatisierbarkeit und die relativ gleichmäßige Gasproduktion, so dass nachfolgende Komponenten wie Gasreinigung, Blockheizkraftwerk (BHKW) und Gasaufbereitung ebenfalls kontinuierlich arbeiten. Neben der Nassvergärung (auch Nassfermentation) kann auch die Trockenvergärung (auch Trockenfermentation) einen kontinuierlichen Anlagenbetrieb erlauben. Wenn der Gehalt an Trockenmasse aber sehr hoch oder das Substrat sehr faserig ist, beispielsweise bei Biomüll, Hausmüll und Grünschnitt, wird häufig die Batch-Vergärung angewandt. Hierbei wird für jede Substratcharge die Biogaserzeugung abgeschlossen und der Fermenter entleert, bevor die nächste Charge eingebracht wird. Durch Staffelung mehrerer Fermenter wird auch hier eine quasi-kontinuierliche Gasproduktion möglich.

Ein- und mehrstufige Anlagen

Die einzelnen Schritte des mikrobiellen Abbaus haben bestimmte Optima. So läuft die Hydrolyse optimal bei einem niedrigen, leicht sauren pH-Wert, weshalb bei vielen Anlagen eine Hydrolysestufe mit nachgeschalteter Methanstufe vorhanden ist. Die Methanogenese läuft bevorzugt in leicht alkalischem Milieu ab. Häufig findet sich aber auch nur ein oder mehrere parallel geschaltete Fermenter ohne Trennung der Abbaustufen. In der Regel ist noch ein Lagerbehälter nachgeschaltet, der luftdicht abgeschlossen ist und daher als Nachgärer fungiert.

Verwendung der Produkte

Biogas

Container-BHKW einer Biogasanlage. Über "Notkühler" (Ventilatoren) auf dem Dach wird die ungenutzte Wärme an die Umgebung abgegeben.

Hauptartikel: Biogas

Derzeit (2012) wird in Deutschland Biogas hauptsächlich direkt an der Biogasanlage zur dezentralen gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung (Kraft-Wärme-Kopplung) in Blockheizkraftwerken (BHKWs) genutzt; seltener wird das Biogas zu Biomethan aufbereitet. Bei der direkten Nutzung wird das Gasgemisch getrocknet, entschwefelt und dann einem Biogasmotor zugeführt, der einen Generator antreibt. Der so produzierte Strom wird in das Netz eingespeist. Die in Abgas und Motorkühlwasser enthaltene Wärme wird in einem Wärmeaustauscher zurückgewonnen. Ein Teil der Wärme wird benötigt, um die Fermenter zu beheizen, da die Mikroorganismen, welche die Biomasse abbauen, am besten bei Temperaturen von 30-37 °C (mesophil) oder 50-60 °C (thermophil) wachsen. Überschüssige Wärme des Motors kann beispielsweise zur Beheizung von Gebäuden, zum Trocknen der Ernte (Getreide) oder den Betrieb von Aquakulturanlagen verwendet werden. Besonders wirtschaftlich und energieeffizient arbeitet die Anlage, wenn die überschüssige Wärme ganzjährig genutzt oder verkauft werden kann.

Biomethan

Hauptartikel: Biomethan

In mehreren Projekten wird das Biogas inzwischen in Aufbereitungsanlagen auf Erdgasqualität gereinigt und als Biomethan (Bioerdgas) in das Erdgasnetz eingespeist. Damit kann die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen an Standorten ohne Wärmeabnehmer verbessert werden. Das Bioerdgas kann beispielsweise in BHKWs verstromt werden, die direkt bei kontinuierlichen Wärmeabnehmern, wie z. B. Schwimmhallen, errichtet werden. Dadurch ist die Abwärme fast vollständig absetzbar. Aufbereitetes Biogas kann ebenso als Treibstoff für erdgasbetriebene Fahrzeuge eingesetzt werden. Die Anlagentechnik zur Aufbereitung von Biogas zu Biomethan und Einspeisung in das Erdgasnetz ist derzeit allerdings noch recht kostenintensiv und ist daher nur für „große Anlagen“ (ab 1,5 MWel) wirtschaftlich rentabel.

Gärrest

Hauptartikel: Gärrest

Die Gärrückstände aus Biogasanlagen werden weitestgehend als landwirtschaftliche Düngemittel verwendet. Sie sind chemisch weit weniger aggressiv gegenüber den Pflanzen als Rohgülle, die Stickstoffverfügbarkeit ist höher und der Geruch weniger intensiv. Der Gärrest der Nassfermentation ("Biogasgülle") ist eine gülleähnliche Substanz. Bei der Trockenfermentation entsteht kein Kompost, sondern stapelbarer Gärrest, der ebenfalls als Dünger eingesetzt werden kann und ungefähr die Hälfte der Ausgangsmenge ausmacht. Die Menge des Gärrests lässt sich durch eine aerobe Nachbehandlung noch weiter verringern. Außerdem wird durch diese Behandlung die Belastung durch Krankheitskeime (Entseuchung), sowie die Belastung durch Schwefelwasserstoffverbindungen verringert. Eine Verbrennung zur weiteren Mengenreduzierung und/oder Energiegewinnung ist möglich.

Entwicklung der Biogasanlagen

Allgemeine technische und marktbezogene Entwicklung

Der italienische Physiker Alessandro Volta gehört zu den ersten, die Biogas untersucht haben. Schon 1789 hat er ein brennbares Gas aufgefangen, das im Sediment des Lago di Como entstand. Viele bekannte Wissenschaftler, darunter Faraday (der es als Kohlenwasserstoff identifizierte), Davy und Dalton haben die Experimente von Volta nachvollzogen. Avogadro entdeckte die chemische Formel für Methan (CH4). Dieses leicht zu erhaltende Gas war im 19. Jahrhundert bei physikalischen und chemischen Experimentalvorlesungen sehr beliebt.

Ende des 19. Jahrhunderts entdeckte man, dass Abwasser mittels anaerober Vergärung geklärt werden kann. Ab 1906 entstanden im Ruhrgebiet Abwasserreinigungsanlagen mit beheizten Fermentern. Ziel war damals (wie später auch) eigentlich nicht die Biogasgewinnung, sondern die Abfallverringerung. Erst von etwa 1922 an wurde Biogas aufgefangen und in das städtische Gasnetz eingespeist. Einige Klärwerke verdienten damit soviel, dass sie ihre Betriebskosten decken konnten. Bis 1937 hatten einige deutsche Städte ihren Fuhrpark auf Biogas umgestellt. Die Müllabfuhr der Stadt Zürich fuhr bis 1973 mit Biogas.

Erste Versuche, Biogas nicht nur aus Abwasser zu gewinnen, wurden in den späten 30er und in den 50er Jahren zuerst mit Festmist und später mit Gülle gemacht. Es entstanden damals ca. 50 Anlagen. Wegen des damals immer billigeren Erdöls hat man diese Versuche wieder eingestellt.

In der Energiekrise von 1973 wurde die Biogastechnik wieder aktuell. Aber durch fallende Erdölpreise wurde die weitere Entwicklung dann erneut gebremst.

Durch die große Menge landwirtschaftlicher Abfälle und Gülle haben die Niederlande, Schweiz Kompogas, und Schweden die meisten Erfahrungen mit Biogas. In diesen Ländern werden BHKW seltener genutzt. Hier wird das Biogas zu Biomethan aufbereitet. In den Niederlanden und in der Schweiz wird es in das Erdgasnetz eingespeist. In Schweden wird es für Kraftfahrzeuge genutzt.

Obwohl Biogasanlagen erst in den letzten 10 Jahren in das Bewusstsein der europäischen Bevölkerung gerückt ist, wurde in Indien bereits Ende des 19. Jahrhunderts Biogas zur Energieversorgung eingesetzt. Die ökonomische Verbreitung der Biogasnutzung hängt vor allem von der Weltenergiepolitik (z.B. während der Erdölschwemme von 1955-1972 und der Ölkrise von 1972-73) und den jeweiligen nationalen Gesetzgebungen (zum Beispiel dem Erneuerbare-Energien-Gesetz in Deutschland) ab. Unabhängig davon wurden stets kleine Biogasanlagen in Ländern wie Indien, Südkorea, Taiwan und Malaysia zur privaten Energieversorgung gebaut, wobei mit über 40 Millionen Haushaltsanlagen die meisten in China stehen.

Hier wurde zuerst das Biogas aus Mist und Kot gewonnen und vor allem für Koch- und Heizzwecke genutzt. Es gilt hier als wichtiger Faktor gegen die Abholzung. Die Stromerzeugung ist von geringerem Interesse. Besonders die dezentrale Nutzung und die Kleinanlagen sollen direkt vor Ort die Lebensqualität der Menschen verbessern. Führend sind hier Indien, Botswana und China.

Entwicklung in Deutschland

Der Anbau nachwachsender Rohstoffe zur Biogasnutzung in Deutschland ist von 400.000 ha im Jahr 2007 auf 530.000 ha im Jahr 2009 gestiegen.[3]

Auch die Zahl der Anlagen sowie der installierten elektrischen Leistung ist in den vergangenen Jahren stark gestiegen. Ein vergleichsweise hoher Anstieg lässt sich mit der seit 2004 gültigen ersten Novelle des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ausmachen. Betrug die Zahl der Anlagen im Jahr 2004 vor der Novelle noch 2010, so waren es 2005 schon 2690 Anlagen in Deutschland. Im Jahr 2007 ist diese Zahl auf 3711 weiter gestiegen. Diese Entwicklung lässt sich durch die Erhöhung der Vergütung der durch Biogasanlagen erzeugten kWh erklären. Die elektrische Leistung stieg von 247 MW im Jahr 2004 über 665 MW 2005 bis auf 1270 MW 2007. Da die Leistung neu installierter Anlagen zunimmt, steigt die Gesamtleistung schneller als die Anzahl der Anlagen. Weil viele Biogasanlagen einen großen Anteil der Abwärme ungenutzt an die Umwelt abgeben, besteht hier noch weiteres Potential, beispielsweise durch den Aufbau von Nahwärmenetzen oder die Aufbereitung zu Biomethan.[4]

Im Jahr 2009 waren in Deutschland 4671 Biogasanlagen in Betrieb, die insgesamt rund 11 % des Stroms aus erneuerbare Energien produzieren.[5] Ende 2011 waren 7.100 Biogasanlagen mit einer installierten Leistung ca. 2.800 MW in Betrieb, entsprechend der Nennleistung zweier großer Kernkraftwerke.[6] Mit dem EEG 2012 und der neuen Vergütungsstruktur war der Zubau an Biogasanlagen 2012 deutlich geringer als im Vorjahr. Der Fachverband Biogas gibt den Anlagenbestand zum 31. Dezember 2012 auf 7.515 mit einer installierten Leistung von 3.352 MW an[7].

Mit der von 2009 bis 2011 gültigen 2. Novelle des EEG wurde ein Güllebonus eingeführt, der kleinere Anlagen mit hohem Gülleanteil fördern soll. In Deutschland werden schätzungsweise lediglich 15 % der verfügbaren Gülle aus der Tierhaltung energetisch genutzt. Mit der Nutzung dieses Potentials könnte die Biogastechnologie ihren Beitrag zum Klimaschutz weiter ausbauen.

Das EEG 2012 sieht keine Boni mehr vor.

Vergütung in Deutschland

In Deutschland wird das Einspeisen von regenerativ erzeugtem Strom in das Stromnetz durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) geregelt. Die Betreiber der Übertragungsnetze müssen den erzeugten Strom zu definierten Preisen abnehmen, können diese Kosten aber an den Endkunden weiterreichen. Zwischen den Übertragungsnetzbetreibern findet ein Ausgleich der Mehrkosten für die Pflichtabnahme des Stroms statt, so dass die Mehrbelastung des Endkunden bundesweit gleich ist. Die Vergütungshöhe gemäß EEG-Novelle 2009 ist in der unten stehenden Tabelle vereinfacht aufgeführt.[8] Wenn das Biogas nur thermisch verwertet wird, erhält der Biogasanlagenbetreiber keine EEG-Vergütung. Für Deponie- und Klärgas sind im EEG eigene Mindestvergütungssätze und Boni festgelegt.

Mindestvergütungssätze und Boni nach EEG, in €-ct/kWhel
Anlagengröße Grundvergütung
(2009)
NaWaRo-
Bonus
KWK-
Bonus
Technologie-
bonus
Gülle-
bonus
Formaldehyd-
bonus
bis 150 kWel 11,67 7 3 bis 2 4 1
bis 500 kWel 9,18 7 3 bis 2 1 1
bis 5 MWel 8,25 4 3 bis 2 0 0
bis 20 MWel 7,79 0 3 0 0 0

Die Vergütungshöhe ist, ab dem Jahr der Inbetriebnahme, für 20 Jahre garantiert. Ein Inflationsausgleich findet nicht statt. Für Neuanlagen gilt eine Degression der Vergütung von 1 % pro Jahr. Für eine Anlage, die 2009 in Betrieb genommen wurde, gelten also für 20 Jahre die Vergütungssätze nach EEG 2009. Eine Anlage, die 2010 in Betrieb genommen wird, bekommt für 20 Jahre 99 % dieser Sätze und so weiter.

Der NaWaRo-Bonus wird gewährt, wenn in der Biogasanlage nur Pflanzen oder pflanzliche Bestandteile verwendet werden, die in der Landwirtschaft, Forstwirtschaft, im Gartenbau oder in der Landschaftspflege anfallen und keinen anderen Zweck als die Verwertung in der Biogasanlage haben. Darüber hinaus darf auch Gülle in einer NaWaRo-Anlage verwendet werden. Bei mindestens 30 % Gülleanteil am Substrat (jederzeit) wird zudem ein Gülle-Bonus gewährt, der bei Anlagen bis 150 kWel 4 Cent, bei Anlagen bis 500 kWel 1 Cent/ kWhel beträgt.

Die Höhe des KWK-Bonus ist, je nach Anlagenkonzept, variabel. Er hängt zum einen von der Stromkennzahl (SKZ) ab, die sich durch Division des elektrischen durch den thermischen Wirkungsgrad des Blockheizkraftwerkes berechnet. Durch Multiplikation von SKZ und der Menge (kWhth) der tatsächlich und sinnvoll genutzten BHKW-Abwärme ergibt sich die Strommenge (kWhel), für die der Bonus tatsächlich gewährt wird. Ein hoher elektrischer Wirkungsgrad und eine große Menge tatsächlich genutzter Wärme sorgen also für einen hohen Bonus. Förderwürdige Wärmenutzungskonzepte sind durch das EEG 2009 definiert.

Der Technologiebonus wird bei Verwendung von neuartigen Technologien in der Biogasanlage gewährt, sofern eine Wärmenutzung stattfindet oder bestimmte elektrische Wirkungsgrade erreicht werden. Diese können z. B. die Verwendung eines Stirlingmotors, einer ORC-Turbine, eines Kalina-Prozesses, einer Brennstoffzelle oder einer Gasturbine sein. Zudem gilt der Bonus bei Aufbereitung des Biogases auf Erdgasqualität zur Einspeisung in das Gasnetz sowie bei bestimmten Verfahren zur Vergärung von Bioabfällen.

Bei Anlagen bis 500 kWel wird ein Emissionsminderungs-Bonus (Erhöhung der Grundvergütung um 1,0 c/kWh für Anlagen nach BImSchG bei Einhaltung der entsprechenden Formaldehydgrenzwerte nach Emissionsminimierungsgebot der TA Luft) von 1 Cent/ kWh gewährt, wenn bestimmte Grenzwerte eingehalten werden.

Wesentliche Neuerungen gegenüber dem EEG 2004 sind die Abschaffung des Technologiebonus für Trockenfermentation, die Erhöhung der Grundvergütung von Kleinanlagen und des Nawaro-Bonus, die Einführung eines Gülle- Landschaftspflegematerial- und Emissionsminderungs-Bonus und die strukturierte Förderung der Gaseinspeisung unterschiedlicher Kapazitäten sowie zahlreiche Detailregelungen.

Seit der Einführung des EEG 2012 ist die Vergütungsstruktur neu geregelt worden. Es gibt keine Boni mehr, nur noch eine Grundvergütung sowie Vergütungen für Einsatzklassen. Ferner gibt es im Rahmen der Direktvermarktung eine Marktprämie sowie eine Flexprämie.

Steuerliche Behandlung in Deutschland

Zur steuerlichen Behandlung von Biogasanlagen siehe BMF-Schreiben vom 6. März 2006, IV C 2 - S 2236 - 10/05/IV B 7 - S 2734 - 4/05.

Entwicklung in der Schweiz

Seit dem 1. Januar 2009 gilt in der Schweiz die kostendeckende Einspeisevergütung (KEV); damit verbunden ist ein erhöhter Einspeisetarif (Einspeisevergütung für aus Biogas erzeugten Strom) für erneuerbare Energien, welcher auch Biogas einschließt. Die Vergütung besteht aus einem festen Abnahmepreis und einem zusätzlichen sogenannten Landwirtschaftsbonus, der gewährt wird, wenn mindestens 80 % der Substrate aus Hofdünger bestehen. Das schweizerische Fördermodell soll so die nachhaltige Entwicklung im Energiesektor forcieren, da es insbesondere die güllebasierten und damit nachhaltigsten Biogasanlagen fördert.

Das schweizerische Förderinstrument für erneuerbare Energien (KEV) trägt bei der Biomasseverwertung dem Umstand Rechnung, dass keine Flächen für den Anbau von nachwachsenden Rohstoffen vorhanden sind. Das Gesetz hat bisher im Bereich der Nutzung von Gülle keinen Zuwachs an landwirtschaftlichen Biogasanlagen bewirkt. Die geringe Attraktivität von Grüngut als Co-Substrat für landwirtschaftliche Anlagen und das somit energetisch ungenutzte Potenzial hat Biogasfirmen dazu bewogen, neue Anlagenmodelle zu entwerfen[9]. Kombiniert mit Festmist, Speiseresten oder Bioabfällen aus Gemeinden[10] [11], bieten sich neue Möglichkeiten, ohne die Rohstoffe über große Entfernungen zu zentralen Anlagen zu transportieren. Die gleichzeitige Möglichkeit zur Gülleveredelung stellt ein neuartiges Konzept zur Gewinnung erneuerbarer Energie dar.

Sicherheit

Da in Biogasanlagen große Mengen brennbarer Gase erzeugt und verarbeitet werden, ist die Betriebssicherheit von großer Bedeutung. Bei falscher Bedienung der Biogasanlage, bei Konstruktionsfehlern und Materialschäden besteht die Möglichkeit einer Verpuffung oder Explosion, wie u.a. bei drei Unfällen in Biogasanlagen im Jahr 2007 deutlich wurde (in Riedlingen, Walzbachtal[12] und Deiderode).[13] Folgenschwer können damit verbundene Umweltschäden sein, vor allem durch Eintrag von Gärsubstraten oder Gärrest in Gewässer, wie es bei Biogasunfällen in Barßel und in Bassum der Fall war.[14] In Einzelfällen können auch Schadgase in erheblichem Umfang emittiert werden, z.B. Schwefelwasserstoff bei einem Unfall bei Zeven im Jahr 2005, bei dem vier Menschen starben[15].

Bewertungen

Biogasanlagen sind neben Wasserkraftwerken, Solaranlagen, Biomasseheiz(-kraft-)werken und Windkraftanlagen wichtige Erzeuger von Strom und Wärme aus erneuerbaren Energien. Je nach Substrattyp und Anlagenbauweise haben Biogasanlagen Vor- und Nachteile:

Vorteile

  • Regenerative Energiequelle (nachwachsende, örtlich verfügbare Rohstoffe) sowie Einsparung fossiler Energieträger
  • Verwendung bisher ungenutzter Pflanzen und Pflanzenteile (Zwischenfrüchte, Pflanzenreste)
  • Hohe Energieausbeute pro Anbaufläche im Vergleich mit anderen Bioenergien (Biodiesel, BtL)
  • CO2-Ausstoß ist fast neutral, allerdings muss man den Anbau- und Erntevorgang und die Düngung mit berücksichtigen
  • Dezentrale Stromerzeugung kann Transportstrecke zum Endverbraucher verringern
  • Durch kontinuierliche Stromerzeugung grundlastfähig, könnte alternativ aber auch Regelenergie bereitstellen, somit gute Ergänzung zu Strom aus Windkraft- und Solaranlagen
  • Verbesserte Düngerqualität des Gärrests im Vergleich zu Rohgülle:
    • verringerte Geruchsintensität und Ätzwirkung bei der Ausbringung
    • bessere Pflanzenverfügbarkeit der Nährstoffe
  • Vergärung von Gülle verhindert die sonst bei der Lagerung entstehenden Methan- und Geruchsemissionen (Minimierung THG-Emissionen)
  • Biogas kann zur Produktion von Strom, Wärme und als gereinigtes Methan als Treibstoff für umgerüstete Kraftfahrzeuge verwendet werden.
  • Entgegen anderer erneuerbaren Energien wie Wind und Sonne ist Biogas ein wetterunabhängiger, speicherbarer Energieträger (Spitzenlastabdeckung)
  • Aufbereitetes Biogas kann als Biomethan in das Erdgasnetz eingespeist und als Erdgasersatz verwendet werden (Minimierung THG-Emissionen)
  • Wertschöpfungserhöhung/Einkommensalternative für den landwirtschaftlichen Raum
  • Einsparung von Kunstdünger durch ackerbauliche Gärrestnutzung
  • Nutzung von Bioabfällen, Reststoffen und Nebenprodukten möglich

Nachteile

Biogasanlage mit 240 Kilowatt Leistung auf einem Bauernhof in Niederbrechen, Hessen, Baujahr 2004
  • Negative Umwelteinflüsse durch intensive Landwirtschaft (Artenrückgang).[16]
  • Regionale Flächenkonkurrenzen zwischen Anbauflächen für Nahrungsmittel-, Futtermittel und Energiepflanzenerzeugung möglich.[17]
  • deutlicher Anstieg der Pachtpreise für landwirtschaftliche Flächen, hoher Kostenfaktor für die Bauern, mittelbare Folge: Anstieg der Lebensmittelpreise[18]
  • In der Biogasanlage entstehende Gase können bei unsachgemäßem Umgang zur Explosion, Erstickung oder Vergiftung führen. Proteinreiche Substrate können zu relativ hohen Anteilen des hochgiftigen Schwefelwasserstoff im Biogas führen. Entsprechende Sicherheitsvorschriften sind einzuhalten.
  • Methan hat pro Masse einen 25-fach höheren Treibhauseffekt als Kohlendioxid. Daher sind Emissionen an Biogasanlagen durch einen ordnungsgemäßen Betrieb zu vermeiden.[19]
  • Für die Ausbringung des Gärrests müssen genügend Flächen zur Verfügung stehen. Jedoch sind die Flächen für den Substratanbau hierfür meist ausreichend.
  • In den Wintermonaten darf keine Gülle und kein Gärrest ausgebracht werden. Während dieser Zeit muss der Gärrest – ebenso wie unvergorene Gülle aus der Tierhaltung – gelagert werden. Entsprechende Lagerkapazitäten sind nachzuweisen und werden daher in der Regel bereits beim Bau einer Biogasanlage eingerichtet.
  • Es muss verhindert werden, dass Gülle von Tieren, die mit Antibiotika behandelt worden sind, in zu hoher Konzentration in den Faulbehälter gelangt.
  • Durch den erhöhten Anbau von Maismonokulturen steigen die Schwarzwildbesätze, was zu mehr Wildschäden führt.

Siehe auch

Literatur

  • Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR): Handreichung Biogasgewinnung und -nutzung, 4. Aufl. 2009. ISBN 3-00-014333-5 (pdf)
Umfassendes, aktuelles 233-Seiten Literaturwerk zum Thema Biogas und (landwirtschaftliche) Biogasanlagen. Die Handreichung kann kostenlos von der FNR bezogen werden.
  • Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR): Biogas-Messprogramm II - 61 Biogasanlagen im Vergleich, 1. Aufl. 2010, ISBN 978-3-9803927-8-5, ([2]), Umfassendes, aktuelles 168-Seiten Literaturwerk zum Vergleich von 61 Biomasse-Biogasanlagen, die ausschließlich Energiepflanzen und Wirtschaftsdünger einsetzen.
  • Bayerisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz (StMUGV): Biogas Handbuch Bayern. München, 15. November 2004.
Die kostenlose Broschüre (50 Seiten) enthält Grundlagen und Techniken zur Biogasgewinnung sowie Informationen zu Genehmigungsverfahren. Kurzfassung Langfassung
  • B. Eder, H. Schulz: Biogas Praxis. Grundlagen, Planung, Anlagebau, Beispiele und Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen ökobuch Verlag Staufen 2006, 3. Auflage, ISBN 978-3-936896-13-8
  • M. Madigan, J. Martinko, J. Parker: Brock - Mikrobiologie, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, deutsche Übersetzung, Berlin 2001, ISBN 978-3-8274-0566-1
  • Bundesverband der landwirtschaftlichen Berufsgenossenschaften (Hrsg.): Sicherheitsregeln für Biogasanlagen, unter http://www.lsv.de/fob/66dokumente/info0095.pdf
  • aid-Infodienst: Broschüre Biogasanlagen in der Landwirtschaft, 5. Aufl. 2009, ISBN 978-3-8308-0856-5
  • Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V. (KTBL): Faustzahlen Biogas, 2. Aufl. 2009, ISBN 978-3-941583-28-3

Einzelnachweise

  1. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR): Biogas Basisdaten Deutschland Stand: Januar 2008.
  2. Grundlagen Biogas [1]
  3. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.: Deutschland setzt weiter auf nachwachsende Rohstoffe.
  4. Fachverband Biogas: Monitoring zur Wirkung des EEG auf die Entwicklung der Stromerzeugung aus Biomasse (BMU, 2007) Fachverband Biogas (2007)
  5. Bestandsentwicklung der Biogasanlagen in Deutschland
  6. Biogasanlagen ersetzen zwei Atomkraftwerke. In: www.agrarheute.com, 25. Mai 2012. Abgerufen am 25. Mai 2012.
  7. Fachverband Biogas e.V. Branchenzahlen (PDF)
  8. Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG 2009), verfügbar bei juris.de
  9. Thurgauer Zeitung - Neuer Schub für die Biogasbranche (PDF; 263 kB)
  10. Biogas Journal - Bioabfälle bieten noch Potential für Biogas (PDF; 1,6 MB)
  11. Biogas Journal - Energieresource kommunale Bioabfälle (PDF; 989 kB)
  12. ka-news.de: Verpuffung an Biogasanlage 15. Juni 2007
  13. Spiegel online: Biogasanlage explodiert, 16. Dezember 2007;Schwäbische Zeitung: Havarie in der Biogasanlage: Gutachten macht Betreibern Hoffnung, 26. August 2008
  14. NWZ online: Schweißfunken entfachen Feuer 23. September 2008
  15. NWZ online: Biogas erhitzt die Gemüter, 24. September 2008
  16. Spiegel online vom 11. Dezember 2010: Bundesländer kritisieren teuren Biogasboom
  17. Spiegel online vom 11. Dezember 2010, a. a. O.
  18. Spiegel online vom 11. Dezember 2010: Bundesländer kritisieren teuren Biogasboom
  19. Klimabilanz von Biogasstrom, Information der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL), August 2007, 12 Seiten, als pdf

Weblinks

 Commons: Biogasanlagen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Biogasanlage – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen