Biomethan: Herstellung, Einsatz & Klimawirkung

• Als Biomethan (oder auch Bio-Erdgas) wird aufbereitetes (Roh-) Biogas verstanden, welches nach der Aufbereitung (Trocknung, CO₂-Abscheidung und Entschwefelung) die gleichen verbrennungstechnischen Eigenschaften wie Erdgas hat und in das Erdgasnetz eingespeist werden kann.
• Biomethan, das regional und nachhaltig über die gesamte Wertschöpfungskette produziert wird, kann einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten. Denn Biomethan ist flexibel einsetzbar, liefert gesicherte Leistung und ist über lange Zeiträume speicherbar.
• Im Verkehrssektor stellt Biomethan eine der umweltschonendsten und kostengünstigsten Alternativen zum herkömmlichen Verbrennungsmotor und Elektromobil dar. Gemessen am gesamten Lebens- und Herstellungszyklus stellt Biomethan als CNG-Antrieb in diversen Studien die „grünste“ Antriebsart dar.

In Biomethananlagen wird das produzierte Rohbiogas zu Bioerdgas aufbereitet, um es dann in das Erdgasnetz einspeisen zu können. Dabei durchläuft das spätere Biomethan eine Vielzahl von Verfahrensschritten*.

Es werden unerwünschte Gasbestandteile wie zum Beispiel Schwefelwasserstoff (H₂S), Ammoniak (NH₃) aber auch Wasserdampf (H₂O) aus dem Rohbiogas entfernt. Im weiteren Verlauf werden Inertgasbestandteile wie zum Beispiel Kohlendioxid (CO₂) vom Rohbiogas abgetrennt. Es entstehen ein methanreicher und ein kohlendioxidreicher Teilstrom, wo-von der methanreiche Teilstrom als aufbereitetes Biogas oder Biomethan bezeichnet wird.

Damit Biomethan anschließend in das Erdgasleitungsnetz eingespeist werden kann, wird dessen Beschaffenheit auf die Bedingungen im Erdgasnetz und an die erforderliche Erdgasqualität angepasst. Je nach Einspeisestelle sind hierfür unterschiedliche technische Einrichtungen zur Druck- und Brennwertanpassung, aber auch zur Odorierung des Biomethans, erforderlich.

Zur Aufbereitung von Biogas zu Biomethan sind im Wesentlichen dafür folgende Schritte erforderlich:

• Entschwefelung
• Gastrocknung
• Methananreicherung bzw. CO₂-Abtrennung
• Entfernung von weiteren Gasbegleitstoffen, wie z. B. Halogenkohlenwasserstoffen, Siliziumverbindungen und Ammoniak
• Abgasnachbehandlung zur Reduzierung klimarelevanter Emissionen

Bevor Biomethan zur Einspeisung ins Erdgasnetz oder direkt als Kraftstoff zum Einsatz kommt, muss es weitestgehend schwefelfrei sein. Dabei können unterschiedliche Verfahren angewendet werden. Grundsätzlich können nach Verfahrensprinzip – biologische bzw. absorptive, chemische und adsorptive oder auch sorptionskatalytische Verfahren – und nach Anwendungsfall – Grob- oder Feinentschwefelung – unterschieden werden.

Eine Trocknung des mit Wasserdampf gesättigten Biogases ist zur Weiteraufbereitung zwingend notwendig. Einerseits um Korrosion zu verhindern und andererseits um anschließende Gasreinigungsprozesse in ihrer Wirkung nicht negativ zu beeinflussen. Als Trocknungsverfahren für Biogas sind Adsorptionsverfahren mithilfe von Kieselgel, Aluminiumoxiden oder Molekularsieben, die Kondensationstrocknung sowie grundsätzlich auch die Glykolwäsche als absorptives Verfahren geeignet.

Bei der eigentlichen Aufbereitung wird der Methangehalt von 50-55% auf bis zu 98% erhöht. Die Höhe des Methangehaltes ist von der Methankonzentration im Gasnetz abhängig, in das eingespeist werden soll. Diese reichen von 80% (sogenanntes L-Gas aus Niedersachsen, Holland und der Nordsee) bis zu 98 % (H-Gas aus Russland).

In Deutschland kommen derzeit 5 Aufbereitungsverfahren zur Anwendung:

• Druckwechseladsorption (engl. PSA – Pressure Swing Adsorption)
• Druckwasserwäsche (DWW)
• physikalische und chemische Wäsche
• Membrantrennverfahren
• Kryogene Verfahren

Je nach Ausgangslage (Biogasqualität), Einspeisebedingungen und wirtschaftlichen Rahmenparametern können verschiedene Prozessschritte zum Einsatz kommen. Dabei kann es verfahrensbedingt vorkommen, dass mehrere der oben genannten Punkte in einem Prozessschritt durchgeführt werden.

Für die Abtrennung von Methylsiloxanen oder höheren Kohlenwasserstoffen hat sich die Adsorptionstechnik auf Basis von Aktivkohlen bewährt. In der Regel erfolgt die Spurengasabreinigung in zwei seriell geschalteten Adsorbern. Gasbestandteile bzw. Spurengase wie u. a. Luftsauerstoff, Ammoniak oder höhere Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Benzol, Toluol und Xylol (BTX) müssen oder werden häufig nicht extra entfernt.

Bei der Schwachgasnachbehandlung unterscheidet man derzeit drei Verfahren. Die Wahl des Verfahrens richtet sich dabei hauptsächlich nach dem Methangehalt im Schwachgas. So wird bei sehr geringen Methangehalten vor allem eine regenerativ thermische Oxidation (RTO) zum Einsatz kommen. Katalytische Nachverbrennungen (KNV) können nur für die Nachbehandlung (Oxidation höherer Kohlenwasserstoffe) eingesetzt werden, wenn im Abgas keine Katalysatorgifte wie Schwefel enthalten sind. Zudem sind Methanmindestgehalte zu beachten oder entsprechend Stützgase (z. B. Biogas) zuzugeben. Bei hohen Methan-Konzentrationen ab ca. 4 Vol.-% Methan kann auch eine Schwachgasverbrennung zur Anwendung kommen.

Der Großteil der Biogasanlagen nutzt das erzeugte Biogas direkt vor Ort. Das heißt, das Biogas wird direkt am Entstehungsort mittels Kraft-Wärme-Kopplungsprozess (KWK) in einem Blockheizkraftwerk zu Strom und Wärme umgewandelt. Aber auch Biomethan wird verstromt:

Im Jahr 2018 wurden aus Biogas und Biomethan insgesamt 33 TWh Strom erzeugt, größten-teils in den ca. 9.200 Anlagen mit Direktverstromung. Das entspricht 5,47 Prozent am Bruttostromverbrauch.

Mit der Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) im Sommer 2014 haben sich die Rahmenbedingungen für den Einsatz von Biomethan zur Stromerzeugung deutlich verändert. Eine in den Jahren davor mit wachsender Dynamik entstandene Nutzung für Biomethan wurde damit abgebremst. Auch die Streichung der Biomethan-Ziele in der Gasnetzzugangsverordnung und die Befristung der vermiedenen Netzentgelte für die Einspeisung von Biomethan auf 10 Jahre haben die Entwicklung gestoppt.

Das zu Biomethan veredelte Gas kann ohne Bedenken in allen Erdgasanwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in stationären Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen oder in häuslichen Anwendungen zu Heizzwecken. Dabei wird jedoch in der Regel nur eine Mischung aus Biomethan und Erdgas verwendet, da sich das Biomethan bei der Einspeisung untrennbar mit dem im Netz vorhandenen Erdgas vermischt.

Zur Nutzung des Biomethans kommen dabei verschiedene Technologien zum Einsatz:

• Blockheizkraftwerke (BHKW)
• Brennstoffzellen (BZ)
• Gaswärmepumpen (GWP)

In Neubauten, die seit dem 1. Januar 2009 neu errichtet werden, müssen Eigentümer bei der Wärmeversorgung Erneuerbare Energien nutzen oder entsprechende Ersatzmaßnahmen durch-führen. Diese Pflicht kann grundsätzlich auch durch die Nutzung von Biomethan erfüllt werden. Der Wärmeenergiebedarf des jeweiligen Gebäudes muss dann zu 30 % aus Biomethan gedeckt werden. Die Nutzung des Biomethans muss dabei in einer hoch-effizienten KWK-Anlage erfolgen. Nutzung von Biomethan in Gasthermen erfüllt die Anforderungen des EEWärmeG nicht.

Rechtlich gilt das in einem BHKW eingesetzte Erdgas gemäß § 27c Absatz 1 Nummer 1 EEG bzw. der Nummer II. 1. lit. c) bb) EEWärmeG als Biomethan, wenn die Menge des entnommenen Gases im Wärmeäquivalent der Menge von Biomethan entspricht, das an anderer Stelle in das Gasnetz eingespeist worden ist. Diese Fiktion gilt unabhängig von den gaswirtschaftlichen Bilanzierungsregeln.

Als Kraftstoff im Verkehrssektor kann Biomethan Bio-CNG (compressed natural gas) in diversen Erdgasfahrzeugen, die bereits seit Längerem serienreif auf dem Markt erhältlich sind, eingesetzt werden. Diese weisen wesentlich geringere Abgasemissionen auf und sind durch die verringerte Kraftfahrzeugsteuer und reduzierte Kraftstoffkosten wirtschaftlicher zu fahren.

Um das Biomethan als CNG dem Verkehr zur Verfügung zu stellen, wird es über das Erdgasnetz zu den Tankstellen transportiert und dort in Fahrzeuge vertankt. Das Erdgasnetz in Deutschland ist weit verbreitet, und ein Anschluss von potenziell neu errichteten Biogasanlagen an das Netz ist in vielen Fällen möglich.

Auch derzeitige Biomethananlagen zeigen eine weitflächige Verbreitung auf, sodass von einem geringen Transportweg (150 km) zwischen Biomethaneinspeisung und der Tankstelle ausgegangen wird.

Für die Bereitstellung von Bio-LNG muss gasförmiges Biomethan verflüssigt werden. Bisher sind nur wenige LNG-Tankstellen in Deutschland verfügbar und bisher wurde erst eine Anlage zur Verflüssigung von Biomethan realisiert. Es sind unter-schiedliche Entwicklungen denkbar, wie in Zukunft eine Bio-LNG-Versorgungskette gestaltet sein könnte. So ist technisch eine direkte Verflüssigung an der Biomethanlage ebenso möglich wie auch eine zentrale Verflüssigung an wenigen Standorten in Deutschland.

In der Studie „Klimabilanz, Kosten und Potenziale verschiedener Kraftstoffarten und Antriebssysteme für Pkw und Lkw“**, die Pkw mit Verbrennungsmotoren mit PKW mit Hybrid-Diesel mit Anteilen an Biokraftstoff, Batteriefahrzeuge, Erdgasfahrzeuge, Fahrzeuge mit Bio- und synthetischem Methan sowie LKW mit drei Gas-Lkw (fossiles Erdgas, Biomethan, synthetisches Methan) vergleicht kommen Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für System und Innovationsforschung (ISI), der Technischen Universität Hamburg (TUHH) und dem Institut für Ressourceneffizienz und Energiestrategien -IREES GmbH in einer Well-to-Wheel-Betrachtung zu dem Schluss,

• dass Biomethan die beste Treibhausgasbilanz aufweist und zudem die Schadstoffemissionen senkt. Für den Einsatz von Biomethan im Mobilitätssektor ergeben sich sogar negative Treibhausgasminderungspotenziale, sofern Gutschriften bei der Erzeugung von Biomethan aus Gülle oder Festmist gemäß der europäischen Gesetzgebung (RED II) berücksichtigt werden.
• Von den Kosten hergesehen, seien die Biomethanpfade bei Pkw gegenüber dem fossilen Kraftstoff Diesel heute und 2030 nur etwas teurer. Gegenüber den anderen erneuerbaren Antrieben inklusive der E-mobilität lägen die Kosten für biomethanbetriebene Fahrzeuge in der Gesamtlebensbetrachtung am niedrigsten.
• Bei Lkw hätten die Kraftstoffkosten einen deutlich höheren Einfluss als bei Pkw. Deshalb, so die Studie, wiesen schwere Lkw betrieben mit flüssigem Erdgas (LNG) aus Biomethan deutlich höhere Kosten als fossile Diesel- und fossile LNG-Lkw auf. Biomethan-Lkw seien aber heute und auch in der Strategie, signifikant günstiger als alle anderen erneuerbaren Antriebsarten für Lkw. Langfristig hätten nur Elektrofahrzeuge das Potenzial, an die Kosteneffizienz von Biomethan heran zu kommen.
• Würden die heute zur Verfügung stehenden Biomethanmengen und die erschließbaren Biomethanpotenziale für eine nachhaltige Mobilität genutzt, so könnten damit bis zu 18 Millionen Mittelklasse-Pkw – das sind mehr als ein Drittel des derzeitigen PKW-Bestandes - betrieben werden.

* "Leitfaden Biogasaufbereitung und -Einspeisung" von Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)

** "Klimabilanz, Kosten und Potenziale verschiedener Kraftstoffarten und Antriebssysteme für Pkw und Lkw" von Martin Wietschel et al. Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI