Biogasanlage

hochkant=1.3|alternativtext=Biogasanlage zur energetischen Verwertung von kommunalem Bioabfall in Sundern.|mini|Biogasanlage zur energetischen Verwertung von kommunalem Bioabfall in Sundern mini|hochkant=1.3|Luftbild einer Biogasanlage

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 oder Abfallprodukte aus der Lebensmittelproduktion. Als Nebenprodukt wird ein als Gärrest bezeichneter Dünger produziert oder es erfolgt die anschließende stoffliche Weiterverwertung mittels angeschlossener Kompostierung (Kaskadennutzung). Bei den meisten Biogasanlagen wird das entstandene Gas vor Ort in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt. Andere Biogasanlagen bereiten das gewonnene Gas zu Biomethan auf und speisen es ins Erdgasnetz ein.

Prinzip einer Biogasanlage

In einer Biogasanlage erfolgt der anaerobe (ohne Sauerstoff) mikrobielle Abbau (Vergärung) des eingesetzten Substrats. Dieses besteht meist aus gut abbaubarer Biomasse wie Gülle und Energiepflanzen (vor allem Mais-, Getreide- und Grassilage), aber auch aus organischen Abfällen und Reststoffen von Landwirtschaft und Industrie, sowie Bioabfällen aus kommunalen Sammlungen. 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 Abbau (mit Sauerstoff, wie etwa bei der Kompostierung) können die Organismen bei der anaeroben Vergärung nur einen geringen Teil der enthaltenen Energie nutzen. Die anaerob nicht nutzbare Energie befindet sich im „Abfallprodukt“ Methan.

Hauptprodukte des anaeroben Abbaus sind das energiereiche Methan (CH4) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Da beide gasförmig sind, trennen sie sich vom Gärsubstrat und bilden die Hauptkomponenten des Biogases. CO2 ist nicht weiter oxidierbar, d. h., es brennt nicht. Es braucht aber nicht vom energiereichen CH4 abgeschieden werden und kann zusammen mit diesem im Blockheizkraftwerk der Verbrennung zugeführt werden.

Substrate zur Biogaserzeugung

mini|Silo mit Biomasse einer Biogasanlage bei Hannover

Der zur Biogaserzeugung eingesetzte Rohstoff wird als Substrat oder Einsatzstoff bezeichnet. Geeignet ist jede Art von Biomasse, die unter anaeroben Bedingungen (Vergärung) abgebaut wird. Die jeweilige chemische Zusammensetzung, insbesondere die enthaltenen Kohlenhydrate, Fette und Proteine, ist entscheidend für die erzeugbare Menge Biogas und deren Methananteil.

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 ihrer Zellmasse (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. Zurück bleibt der sogenannte Gärrest, ein wässriges Gemisch aus schwer abbaubarem organischen Material, wie Lignin und Cellulose, sowie anorganischen, d. h. überwiegend mineralischen Stoffen. Der Gärrest wird meistens als landwirtschaftlicher Dünger verwendet. Er enthält noch sämtliche Spurenelemente des Substrats, fast den gesamten Stickstoff, Phosphor und – abhängig von der Verfahrensart der Biogasanlage – auch fast den gesamten Schwefel.

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 Stoffwechsel der Gemeinschaft von Mikroorganismen können die meisten organischen Stoffe abgebaut werden. Lediglich Cellulosefasern 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. Die gängigen Anlagenkonzepte sehen meist eine fortwährende Substratzufuhr zum Fermenter vor, so dass die vier Phasen parallel stattfinden. mini|hochkant=1.5|Übersicht über die anaerobe Verwertung von polymeren Substraten und Lipiden

1. Phase: Hydrolyse Mikroorganismen können die polymeren Makromoleküle der Kohlenhydrate und Proteine nicht direkt verarbeiten. Als Hilfsstoffe dienen ihnen darum verschiedene Arten von Exoenzymen, wie Amylasen, Proteasen und Lipasen, welche die Makromoleküle zu löslichen Oligomeren und Monomeren hydrolysieren. Kohlenhydrate wie Stärke und Hemicellulose werden in Oligo- und Monosaccharide (Mehrfach- und Einfachzucker) zerlegt. Proteine werden zu Peptiden oder Aminosäuren abgebaut. Fette können in ihre Bestandteile Fettsäuren und Glycerin, hydrolysiert werden.

2. Phase: Acidogenese oder Versäuerungsphase Die Produkte der Hydrolyse werden durch säurebildende Mikroorganismen im Verlauf der Acidogenese zu niederen Fett- und anderen Carbonsäuren, wie Valerian-, Butter- sowie Propionsäure, und Alkoholen wie Ethanol verstoffwechselt. Abbauprodukte der Proteine sind Schwefelwasserstoff (H2S) und Ammoniak (NH3).

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), Wasserstoff und Kohlendioxid 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 verläuft die Methanbildung entgegen der bisherigen Lehrbuchmeinung bei geringerer Verweilzeit und höherer Temperatur vorwiegend über den hydrogenotrophen (Wasserstoff verwertenden) Reaktionsweg. Acetat wird nicht unbedingt 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). Die Methanogenese ermöglicht als energieliefernder (exothermer) Prozess (–ΔH°’: frei werdende Reaktionsenergie) die energiezehrenden Reaktionen der Acetogenese und der syntrophen Acetat-Oxidation(+ΔH°’: energiezehrende Reaktion).

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

Wasserstoff verwertend (hydrogenotroph): (2) CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O (ΔH°’ = −131,0 kJ/mol)

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

Anlagenbetrieb alternativtext=Flüssig-, Pfropfenstrom- und Trockenfermenter|mini|Vergleichstabelle gängiger Anlagenkonzepte. Flüssig-, Pfropfenstrom- und Trockenfermenter in der Übersicht. Über das genaue Zusammenspiel der Mikroorganismen ist nur wenig bekannt. Daher kann die optimale Einstellung der verschiedenen Parameter (Substratart, Substratmenge, Temperatur, Rührwerkseinstellungen etc.) oft nur experimentell gefunden werden. In Forschungsprojekten werden Charakterisierungen der mikrobiologischen Populationen beziehungsweise Gemeinschaften vorgenommen, um die Zusammenhänge besser zu verstehen.

Bei niedrigen Substratkonzentrationen wird ein nicht unerheblicher Teil der Abwärme aus der Biogasverstromung zur Aufrechterhaltung der Fermentertemperatur der Nassvergärung im mesophilen Zielbereich von 30 bis etwa 35 Grad Celsius benötigt. Anlagen mit Trockenfermentation benötigen einen deutlich geringeren Anteil der produzierten Wärme. Für den Gesamtwirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit einer Biogasanlage kann die Nutzung der Abwärme etwa zur Gebäudeheizung oder zur Holz- und Getreidetrocknung einen wichtigen Faktor darstellen.

mini|hochkant|Ein Mix-Propeller einer Biogasanlage Verschiedene z. T. recht unterschiedliche Anlagenkonzepte werden in der Praxis angewendet, die sich in erster Linie an der Zusammensetzung des Substrats orientieren. Aber auch die Rahmenbedingungen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes zur Vergütung des eingespeisten Stroms spielen eine Rolle. Auch Vorschriften zur Hygiene und Vermeidung von Emissionen müssen bei der Planung der Biogasanlage berücksichtigt werden.

Nass- und Trockenfermentation Das Gärsubstrat der Nassfermentation hat einen hohen Wasseranteil. Es ist dadurch rühr- und fließfähig und wird während der Fermentation laufend durchmischt. Die Trockenfermentation oder auch Feststoffvergärung erfolgt mit stapelbarer organischer Biomasse, die weder verflüssigt noch während der Vergärung ständig durchmischt wird. Die Verfahrenswahl hängt im Wesentlichen von den Substraten ab.

Zur Nutzung von Gülle kommt nur die Nassvergärung in Frage, während strukturreiche Biomasse die für die Nassvergärung nötigen Rührwerke blockieren kann. Zur Nassvergärung wird die feste Biomasse gut zerkleinert und durch Zugabe von Wasser pumpbar gemacht. In Deutschland ist die Nassvergärung vorherrschend, weil die meisten Anlagen von Landwirten mit Viehzucht errichtet wurden, die häufig sowohl Energiepflanzen als auch Gülle einsetzen. alternativtext=Biogasanlage zur Feststoffvergärung|mini|Visualisierung einer Biogasanlage zur Feststoffvergärung stapelbarer Biomasse wie Bioabfall, Grünschnitt und Festmist Domäne der Trockenfermentation ist die Vergärung von stapelbarer Biomasse mit einem Trockenanteil von 20–55 %, wie sie im Garten- und Landschaftsbau anfällt, sowie von Wiesen- oder Ackergras. Bei der Trockenfermentation werden organische Einsatzstoffe zur Gewinnung von Biogas unter anaeroben Bedingungen (ohne Luftsauerstoff) vergoren. Die Anlage besteht aus befahrbaren, gasdichten und säurebeständigen Beton-Fermenterboxen welche zeitversetzt befüllt und entleert werden (Diskontinuierlicher bzw. Batch-Betrieb).Trockenfermentation wird auch als Ergänzung oder Ersatz zur Kompostierung eingesetzt. Auch bei der „Trockenvergärung“ benötigen die zur Vergärung notwendigen Mikroorganismen ausreichend Feuchtigkeit.

Ab 2004 wurde im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) ein Technologiebonus von 2 Cent/kWh für den durch Trockenfermentation erzeugten Strom bezahlt. In den folgenden Jahren nahm dadurch die Bedeutung der Trockenfermentation auch in der Landwirtschaft stark zu. Für neu errichtete Anlagen ab 2009 entfällt der Technologiebonus, da das Verfahren inzwischen als etablierte Technik gilt.

Batch- und kontinuierliche Vergärung