mini|Speicher der Biogasanlage Güssing, Burgenland, Österreich Biogas ist ein brennbares Gas, das durch Vergärung von Biomasse jeder Art entsteht. Es wird in Biogasanlagen hergestellt, wozu sowohl Abfälle als auch nachwachsende Rohstoffe vergoren werden.

Das Präfix Bio weist auf die „biotische“ Bildungsweise im Gegensatz zum fossilen Erdgas hin und ist hier nicht mit dem EU-weit geschützten Begriff Bio zu verwechseln. Das Gas kann zur Erzeugung von elektrischer Energie, zum Betrieb von Fahrzeugen oder zur Einspeisung nach Aufbereitung als Biomethan in ein Gasversorgungsnetz eingesetzt werden.

Rohstoffe

Ausgangsstoffe sind biogene Materialien wie die folgenden: vergärbare, biomasse­haltige Reststoffe wie Klärschlamm, Bioabfall oder Speisereste Wirtschaftsdünger (Gülle, Mist) bisher nicht genutzte Pflanzen sowie Pflanzenteile (beispielsweise Zwischenfrüchte, Pflanzenreste und dergleichen). gezielt angebaute Energiepflanzen (Nachwachsende Rohstoffe)

Dabei ergeben verschiedene Ausgangsmaterialien unterschiedliche Biogaserträge und je nach ihrer Zusammensetzung ein Gas mit variablem Methangehalt, wie die nebenstehende Tabelle zeigt.

Ein Großteil der Rohstoffe, insbesondere Wirtschaftsdünger und Pflanzenreste, fallen prinzipiell kostenlos in der Landwirtschaft an, daher stellt dieser Wirtschaftszweig das größte Potenzial für die Produktion von Biogas. Ganz andere Auswirkungen hat der Anbau von Energiepflanzen: die Produktion steht in Konkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion. Monokulturen können eine Landschaftsverarmung bewirken.

Vorteile von Biogas kann man mit den (möglichen) Nachteilen von Energiepflanzen abwägen („Ökobilanz“).Zeit online: Biostrom, nein danke!

Entstehung mini|hochkant=1.5|Übersicht über die anaerobe Verwertung von polymeren Substraten und Lipiden Biogas entsteht durch den natürlichen Prozess des mikrobiellen Abbaus organischer Stoffe unter anoxischen Bedingungen. Dabei setzen Mikroorganismen die enthaltenen Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette in die Hauptprodukte Methan und Kohlenstoffdioxid um.

Der Prozess besteht aus mehreren Stufen, die jeweils von Mikroorganismen verschiedener Stoffwechseltypen durchgeführt werden. Polymere Bestandteile der Biomasse, wie Zellulose, Lignin, Proteine, werden zunächst durch mikrobielle Exoenzyme zu monomeren (niedermolekularen) Stoffen umgewandelt. Niedermolekulare Stoffe werden durch gärende Mikroorganismen zu Alkoholen, organischen Säuren, Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) abgebaut. Die Alkohole und organischen Säuren werden durch acetogene Bakterien zu Essigsäure und Wasserstoff umgesetzt. In der letzten Stufe werden durch methanogene Archaeen aus Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und Essigsäure die Endprodukte Methan (CH4) und Wasser gebildet.

Die Bezeichnung Biogas für Gase, die aus organischen Reststoffen und nicht aus landwirtschaftlichen Produkten gewonnen werden, wird zusammenfassend für energiereiche Gase verwendet, die unter anoxischen Bedingungen durch Mikroorganismen aus biotischen Stoffen gebildet werden: Klärgas: das bei der Faulung von Klärschlamm aus der Abwasserreinigung entstehende Gas, eine Unterform des Faulgas Deponiegas: aus einer Mülldeponie austretendes Gas

Zusammensetzung Die Zusammensetzung von Biogas ist sehr unterschiedlich, weil sie von der Substratzusammensetzung und der Betriebsweise des Faulbehälters abhängt. In der Schweiz wird Biogas ausschließlich aus Reststoffen produziert, z. B. über das Verfahren von Kompogas.

Vor der Biogasaufbereitung besteht die Gasmischung aus den Hauptkomponenten Methan (CH4) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Darüber hinaus sind meist auch Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2), Schwefelwasserstoff (H2S), Wasserstoff (H2) und Ammoniak (NH3) enthalten.

Wertvoll im wassergesättigt anfallenden Biogas ist das zu rund 60 % enthaltene Methan. Je höher dessen Anteil ist, desto energiereicher ist das Gas. Nicht nutzbar ist der Wasserdampf. Im Rohbiogas störend sind vor allem Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Sie werden bei der Biogasaufbereitung vor der Verbrennung entfernt, um Gefährdungen des Menschen, Geruchsbelästigungen sowie Korrosion in Motoren, Turbinen und nachgeschalteten Komponenten (unter anderem Wärmetauscher) zu verhindern. Ebenfalls störend ist das CO2, das in bestimmten Anwendungsfällen abgeschieden und verwertet werden kann.

Klima- und Umweltschutz Methan ist ein stark wirksames Treibhausgas. Deshalb ist die Prüfung der Dichtigkeit von Biogasanlagen und aller zugehörigen Komponenten ein relevanter Beitrag zum Klimaschutz. Allerdings müssen sie für Wartungsarbeiten zugänglich bleiben. Deshalb kann beim Betrieb einer Biogasanlage Methan entweichen, das auf mittlere Sicht eine etwa 25-mal stärkere aufheizende Wirkung auf das Klima hat als CO2.

Biogas erreicht seinen maximalen Wirkungs- und Versorgungsgrad, wenn es gleichzeitig zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt wird; in der so genannten Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) weist es die beste Klimabilanz auf. Eine Stromerzeugung ohne Wärmenutzung oder die rein thermische Verwendung von aufbereitetem Biogas in Erdgasthermen sind hingegen erwartungsgemäß nicht optimal, wie die Agentur für Erneuerbare Energien ermittelte.vgl. Grafik-Dossier: Biogas-Nutzungspfade im Vergleich sowie Grafik-Dossier: Nutzungspfade von Biomasse, Energieholz, Energiepflanzen und Reststoffen.

Biogas verbrennt klimaneutral, da das entstehende CO2 vorher von Pflanzen aus der Luft gebunden wurde. Es gibt aber Faktoren, die die Klimabilanz von Biogasanlagen durch den Anbau von Energiepflanzen verschlechtern können:

Bei der Produktion von Energiepflanzen kommt es zu einem hohen Energieeinsatz. Eine mit Maissilage betriebene Anlage verbraucht im Gegensatz zur Abfallverwertung bei allen Produktionsschritten Energie: Saatvorbereitung, Säen, Düngen, Schutz vor Schädlingen (Pflanzenschutzmittelproduktion und Einsatz), Ernte, Transport, Silage, Vergärung unter Umwälzen und Rücktransport der Gärrestmenge auf die Felder. Die Klimabilanz der Energiepflanzen kann verbessert werden, wenn der für die Produktion nötige Energiebedarf selbst aus regenerativen Energien gedeckt wird, etwa wenn die eingesetzten Landmaschinen ebenfalls mit Treibstoffen aus Energiepflanzen oder Ökostrom betrieben werden.

Bei der Stickstoffdüngung, vornehmlich durch die Nutzung mineralischer Dünger, kann Distickstoffmonoxid (auch als „Lachgas“ bezeichnet) entstehen und muss in die Klimabilanz eingerechnet werden. Distickstoffmonoxid wird durch Mikroben gebildet, und zwar aus Luftsauerstoff und dem zugeführten Stickstoff. Distickstoffmonoxid hat ein ungefähr 300-mal größeres Treibhausgaspotenzial als CO2. Auch die Änderung der Landnutzung muss berücksichtigt werden: Beispielsweise setzen trockengelegte Moorflächen große Mengen CO2 frei, da der verfügbare Sauerstoff die mikrobielle Aktivität fördert und somit der langjährige Kohlenstoffspeicher abgebaut wird.

Der Anbau von Mais ist ökologisch umstritten. Mais (Zea mays) ist ein Gras tropischen Ursprungs. Der Anbau erfolgt so, dass Frost vermieden wird, die Aussaat also spät im Jahr stattfindet, die Pflanzen im Mai/Juni gut wachsen und die Ernte Ende September beginnt. Während des größten Teils des Jahres liegen die mit Mais bepflanzten Äcker somit frei, weshalb in Deutschland die Flächen in der Regel zusätzlich mit Zwischenfrüchten bestellt werden. Geschieht dies nicht, werden die Flächen durch Wind und Regen erodiert. Dadurch kann es zum Eintrag von Pflanzenschutzmitteln und Dünger in naheliegende Gewässer, aber auch ins Grundwasser kommen. Der Anbau von Mais ist allerdings nur in geringem Maße von Pflanzenschutzmaßnahmen betroffen. Er wird lediglich kurz vor Reihenschluss gegen Unkraut behandelt. Der Eintrag von Pflanzenschutzmitteln stellt ein Problem dar, da es sowohl zu Eutrophierungen als auch zu Verlandung der Gewässer kommen kann. Ebenso kann es zu Verwehungen von großen Mengen Staub aus trockenen Äckern kommen, was wiederum die Bodenfruchtbarkeit beeinträchtigt, weil hierdurch wichtige Bodenbestandteile verloren gehen; es besteht langfristig die Gefahr der Wüstenbildung, was insbesondere in den USA bekannt ist.

Durch den großflächigen Anbau von Mais-Monokulturen zur Produktion von Biogas kommt es zu weiteren ökologischen Auswirkungen. Weideland und Feuchtwiesen werden in Ackerland umgewandelt (in Deutschland nicht ohne Sondergenehmigung möglich), Brachflächen wieder genutzt. Dies hat Auswirkungen auf Vögel (z. B. Feldlerche, Rebhuhn), Insekten und andere Tiere, die dadurch Nahrungs- und Brutgebiete verlieren.

Anders als bei konventionell wirtschaftenden Betrieben mit Biogasanlagen spielt der Mais als Energiepflanze für die Ökolandwirte nur eine recht geringe Rolle, solange diese Ökolandwirte keine Biogasanlage betreiben. Betreiben sie eine Biogasanlage wird Mais zur Hauptenergiequelle, und sie müssen nur noch ein Bruchteil vom benötigten Mais selbst produzieren. Generell sind Kleegras und Reststoffe wie Gülle und Mist von großer Bedeutung, da sie den einzigen Dünger der ökologischen Landwirtschaft darstellen.

Der Ökolandbau bietet auch Anregungen für konventionell arbeitende Betriebe, was etwa den Anbau von Zwischenfrüchten und Untersaaten oder den gleichzeitigen Anbau mehrerer Pflanzen betrifft; so können auch konventionelle Betriebe für ihren Energiepflanzenanbau von den Erfahrungen der Ökobetriebe profitieren.Agentur für Erneuerbare Energien: Hintergrundpapier: Biogas und Ökolandbau Durch verschiedene Vorbehandlungsmethoden wird zudem versucht, den größtmöglichen Biogas- bzw. Methanertrag aus dem Substrat zu erzielen.

Potenziale Im Jahr 2014 entsprach die Biogasproduktion in Deutschland etwa 20 % der damaligen Erdgasimporte aus Russland. Mit dem verbleibenden Potenzial können etwa weitere 10 % ersetzt werden, unter Berücksichtigung technischer und demografischer Entwicklungen bis zu insgesamt 55 %. In der EU entsprach die Biogasproduktion etwa 6 % dieser Erdgasimporte aus Russland. Mit dem verbleibenden Potenzial können etwa weitere 26 % ersetzt werden, unter Berücksichtigung technischer und demografischer Entwicklungen bis zu insgesamt etwa 125 %.DBFZ: Potenziale für Biogas und Biomethan in Deutschland und Europa. Berlin 2014.

Einspeisung in das Erdgasnetz

Nach einer umfassenden Biogasaufbereitung kann 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. Wegen des hohen technischen Aufwands lohnt sich die Aufbereitung und Einspeisung derzeit nur für überdurchschnittlich große Biogasanlagen. Erste Projekte dazu starteten 2007.Lichtblick verkauft auch Biogas, die tageszeitung vom 12. Juni 2008. Neuentwicklungen wie etwa die Hohlfasermembran der Evonik Industries aus Essen ermöglichen eine Reinigung von Biogas bis zu einem Reinheitsgrad von bis zu 99 Prozent und bringen es damit auf Erdgasqualität.Polyimid-EVONIK: Hohlfasern von Evonik Industries zur Biogasaufbereitung

Um Erdgasqualität zu erreichen, sind folgende Aufbereitungsschritte notwendig:

Entschwefelung: Die Entschwefelung ist notwendig, um Korrosion zu vermeiden. Schwefel findet sich als Schwefelwasserstoff (H2S) im Biogas, bei dessen Verbrennung entstünden bei Anwesenheit von Wasserdampf aggressive Säuren, nämlich Schweflige Säure (H2SO3) und Schwefelsäure (H2SO4). Meist ist der Schwefelwasserstoffanteil gering, kann aber bei proteinreichem Substrat (Getreide, Leguminosen, Schlachtabfälle und dergleichen) stark ansteigen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Entschwefelung, unter anderem sind biologische, chemische und adsorptive Verfahren möglich. Gegebenenfalls sind mehrere Stufen nötig wie Grob- beziehungsweise Feinentschwefelung.