So finden Sie das beste Solaranlagen-Angebot
Letzte Aktualisierung: 25.07.2024
PV-Anlage: Bis zu 37% sparen!
Wir sparen für Sie bis zu 37% - durch unseren Experten-Vergleich!Pflanzen und Reststoffe können in Biogasanlagen zu Biogas umgewandelt werden und als Energiequelle für die Strom- und Wärmeproduktion oder sogar über die weitere Veredlung zu Biomethan als Erdgasersatz in Kraftwerken und Motoren dienen. Zudem hat Biogas den Vorteil, dass es speicherbar ist und so ideal die fluktuierende Stromerzeugung aus Wind und Sonne ergänzen kann. Wie genau eine Biogasanlage funktioniert, erklären wir in unserem Ratgeber über Biogasanlagen.
In einer Biogasanlage wird Biogas durch Vergärung von Biomasse produziert, indem Mikroorganismen organische Masse unter Ausschluss von Sauerstoff zu Biogas umwandeln.
Das Biogas, ein Gasgemisch aus überwiegend Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) sowie Wasserdampf und diversen Spurengasen, wird dann idR vor Ort mit Hilfe eines Blockheizkraftwerkes in Strom und Wärme umgewandelt. Der Strom wird in das Stromnetz eingespeist und die Wärme teils selbst genutzt (z. B. Fischfarmen) oder über Nahwärmenetze zur Beheizung von Siedlungen oder öffentlichen Gebäuden weitergeleitet.
Die Zusammensetzung des in der Biogasanlage produzierten Biogases wird im Wesentlichen von
der Biogasanlage beeinflusst.
Die Anlagentechnik von Biogasanlagen weist ein sehr breites Spektrum auf. Die Möglichkeiten der Komponenten- und Aggregatkombinationen sind nahezu unbegrenzt.
Grundsätzlich kann eine landwirtschaftliche Biogasanlage unabhängig von der Betriebsweise in vier verschiedene Verfahrensschritte unterteilt werden:
In der Praxis bedeutet dies: Das Substrat wird angeliefert (Vorgrube) und wird dann dem Gärbehälter zugeführt (Fermenter). Nachdem der Vergärungsprozess nahezu abgeschlossen ist, wird das vergorene Substrat in das Gärrückstandslager überführt.
Der wichtigste Prozess findet jedoch im Fermenter statt. Folgende Vergärungsvarianten werden dazu häufig eingesetzt:
Die chemische Erzeugung von Biogas im Fermenter der Biogasanlagen folgt aber immer einem ähnlichen Prinzip und lässt sich in mehrere Teilschritte unterteilen:
Die biologischen Rohstoffe, die einer Biogasanlage eingesetzt werden, um durch deren Vergärung Biogas zu gewinnen, bezeichet man als Substrat. Zum Einsatz kommen dabei insbesondere stark wasserhaltige Biomasse, die nicht direkt thermisch verwertet werden kann. Häufig wird eine Substrat-Mischung in Biogasanlagen eingesetzt. Das zusätzlich eingebrachte Substrat nennt man dann Co-Substrat.
Prinzipiell eignen sich fast alle Stoffe organischer Herkunft zur Vergärung in Biogasanlagen. Je weniger Wasser und anorganische Substanz und je mehr leicht abbaubare Substanzen wie Fette, Proteine und Kohlenhydrate im Substrat sind, desto mehr Methan kann potentiell daraus entstehen.
Welches Substrat dann letztlich jedoch zum Einsatz kommen kann richtet sich nach der
Diese limitiert häufig den Einsatz anderer biogenen Stoffe als den ursprünglich bei der Planung der Biogasanlage vorgesehenen.
Biogassubstrat | Biogasertrag (in m3 pro Tonne) | Methangehalt |
---|---|---|
Maissilage | 202 | 52 % |
Grassilage | 172 | 54 % |
Roggen-GPS | 163 | 52 % |
Zuckerrüben-Pressschnitzel (siliert) | 125 | 52 % |
Futterrübe | 111 | 51 % |
Bioabfall | 100 | 61 % |
Hühnermist | 80 | 60 % |
Schweinemist | 60 | 60 % |
Rindermist | 45 | 60 % |
Getreideschlempe | 40 | 61 % |
Schweinegülle | 28 | 65 % |
Rindergülle | 25 | 60 % |
Wärmepumpe & PV-Anlage kombinieren!
Unsere Experten erstellen Dir in wenigen Minuten ein Komplett-Angebot nach Deinen Wünschen. Digital & kostenlos.In der Regel wird Strom relativ gleichmäßig entsprechend des Betriebs der Biogasanlage als produziert und größtenteils in das Stromnetz eingespeist. Denn für einen wirtschaftlichen Betrieb ist der Großteil der Anlagen auf die Festvergütung für den eingespeisten Strom aus dem Erneuerbaren Energien-Gesetzt (EEG) angewiesen. Dieser Grundlastbetrieb führt - ähnlich wie bei der Windkraft oder Solarenergie - zu Regelaufwand im Stromnetz. Daher wird darauf hingewirkt, dass Biogasanlagen flexibler Strom einspeisen, wenn ein Bedarf im Netz herrscht. Bei hoher Netzbelastung ruhen die Biogas-BHKWs und machen das Netz frei für Wind- und Solarstrom. Denn Biogas hat den erheblichen Vorteil gegenüber anderen erneuerbaren Energien: es ist speicherbar und kann somit Spitzenstrom liefern. So können Biogasanlagen zu „Batterien“ für die Stromversorgung in Engpasszeiten werden.
Bestehende Biogasanlagen mit Stromerzeugung müssen dafür jedoch vom Grundlastbetrieb auf die bedarfsorientierte Betriebsweise umgestellt werden. Dies erfordert erhebliche Investitionen in die Anlagen. Mit der Direktvermarktung und der Flexibilitätsprämie des EEG fördert die Bundesregierung die Anpassung von Biogasanlagen an das Stromnetz der Zukunft. Laut einer Studie des Deutschen Biomasseforschungszentrum (DBFZ) erhalten aktuell ca. 3.300 Biogas- und Biomethan-BHKW mit einer installierten elektrischen Leistung von ca. 2,2 GWel die sogenannte Flexprämie. Obwohl die Stromeinspeisung zu Hochpreisphasen Mehrerlöse verspricht, fahren die meisten dieser Biogasanlagen laut einer Analyse der Agrarservice Lass GmbH und des Flexperten-Netzwerkes im Auftrag des FNR (11/2020) trotzdem bislang nicht marktpreisorientiert.
Mit der derzeit üblichen Verstromung von Biogas in Blockheizkraftwerken (BHKW) können derzeit etwa 40 % der eingesetzten Energie in Strom umgewandelt werden. Ein Großteil der Energie fällt als Abwärme an. Die Energie ist in der Motorabwärme, Motorkühlung und vor allem im heißen Abgas der BHKWs enthalten.
Die in Biogasanlagen entstehende Abwärme wird idR nur zu einem kleinen Anteil von etwa 10 % für die Fermenterbeheizung und für die Beheizung des landwirtschaftlichen Anwesens genutzt. Eine Nutzung dieses Abwärmepotenzials verbessert aber nicht nur die Energieeffizienz und Rentabilität der Biogasanlagen, sondern schafft weitere Entwicklungs- und Einkommensmöglichkeiten für landwirtschaftliche Betriebe und schafft Entwicklungsmöglichkeiten für den ländlichen Raum.
Verwendung | Anwendung |
---|---|
Wärmenutzung in der Landwirtschaft und Kommune | Trocknung von land- oder forstwirtschaftlichen Produktionsgütern |
Trocknung von Klärschlamm in landwirtschaftlichen oder kommunalen Anlagen | |
Beheizung eines Gewächshauses oder Aquaponic | |
Beheizung einer Ferkelaufzucht | |
Wärmeversorgung über ein Nahwärmenetz | Wärmeversorgung von Wärmeabnehmer mit einem Nahwärmenetz inkl. Kurzzeit-Pufferspeicher |
Wärmeversorgung mit einem Nahwärmenetz und einem saisonal wirkenden Erdsondenspeicher | |
Wärme- und Kälteversorgung | Versorgung von Gebäuden oder Produktionsstätten mit Absorptionskältemaschinen |
Biogasleitung | Verlegung einer Biogasleitung und Stromerzeugung mittels Motor-BHKW beim Wärmeverbraucher |
Eigene PV-Anlage im Rundum-Sorglos-Paket!
Stelle Dir jetzt Deine eigene Solar-Anlage zusammen + erhalte in wenigen Minuten die besten Angebote aus Deiner Region!Wirtschaftsdünger wie Gülle und Mist führen den Ackerflächen wichtige Nährstoffe zu, erhöhen die Bodenfruchtbarkeit und sparen Mineraldünger ein. Wohin aber soll die überschüssige Gülle?
Rund 7.500 Biogasanlagen (Stand: August 2020) erzeugen in Deutschland erneuerbaren Strom und Wärme unter Einsatz von Gülle. Der mittels Kraft-Wärme-Kopplung gewonnene Strom wird mehrheitlich in das Netz eingespeist. Hinzu kommen über 580 Güllekleinanlagen bis 75 Kilowatt für den landwirtschaftlichen Betrieb.
2020 lag die aus Gülle erzeugte Strommenge bei rund vier Terawattstunden. Bei Erschließung der Hälfte der noch insgesamt verfügbaren Güllemengen ließe sich diese Menge verdoppeln. Zu diesem Ergebnis kommt das vom Umweltbundesamt (UBA) beauftragte Forschungsprojekt "Aktuelle Entwicklung und Perspektiven der Biogasproduktion aus Gülle und Bioabfall."
Doch erst rund ein Viertel des hierzulande anfallenden Wirtschaftsdüngers wird in Biogasanlagen tatsächlich vergoren, was „allein durch die Vermeidung der Methanemissionen jährlich über zwei Millionen Tonnen CO2 einspart.
Würde das EEG die Güllevergärung in Biogasanlagen – z. B. über die Sondervergütungsklasse über die neue Güllekleinanlagen eine Vergütung erhalten können - honorieren, so könnte der Anteil der Güllevergärung laut Branchenexperten auf 60 Prozent gesteigert werden, was zusätzlich ca. drei Millionen Tonnen CO2 vermeiden würde.
Biogasanlagen, die Gülle verwerten, („Hofbiogasanlagen“) gibt es in Modulbauweise zwischen 30 und 75 Kilowatt. Die Systeme zeichnen sich durch ihre kompakte Bauweise aus und lassen sich auch bei geringem Platzbedarf optimal in jeden landwirtschaftlichen Betrieb integrieren. Fermenter in dieser Größenklasse umfassen typischerweise zwischen 500 und 1.200 Kubikmeter Substrat. Rund ein Drittel der Wärme fließt zurück in die Biogasherstellung. Mit dem verbleibenden Überschuss lassen sich dank moderner Nahwärmenetze die landwirtschaftlichen Gebäude und Stallungen heizen oder Produkte wie Getreide und Stroh trocknen.
Künftig sollen Hochlastreaktoren das Potenzial der flüssigen Phase separierter Gülle fast vollständig ausschöpfen. Wissenschaftler an der FH Münster kombinieren dafür im Projekt "BioSmart" verschiedene Substrate: Co-Vergärung heißt das Stichwort. Im Fokus stehen fünf Substrate, darunter Rindergülle, Schweinegülle und stärkehaltiges Abwasser. Die Forscher wollen eine detaillierte Reststoffdatenbank aufbauen.
Biogasanlagen können auch mit z. B. Windrädern gekoppelt werden, um Methan zu produzieren (siehe auch „Power-to-Gas“). Die Windräder liefern dann Strom für einen Elektrolyseur, der Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff (H2) zerlegt. Die Biogasanlage liefert wiederum Rohbiogas, dessen CO2-Anteil in einem Reaktor mit dem Wasserstoff zu Methan (CH4, erdgasäquivalent) reagiert.
Bei dieser biologischen Methanisierung erzeugen spezialisierte Mikroorganismen, sogenannte Archaeen, in einem Rieselbettreaktor, unter anaeroben Bedingungen Methan und setzen dabei auch Wärme frei.
Im Gegensatz zur katalytischen Methanisierung ist das Verfahren apparatetechnisch weniger aufwändig und technologisch sehr robust. Es benötigt weder Überdruck noch hohe Temperaturen und verbraucht relativ wenig Energie, vor allem durch den Verzicht auf ein Rührwerk. Schließlich kann das Verfahren mit einer hohen Produktgasreinheit punkten.
Für die synergistische Kopplung mit Biogasanlagen spricht nicht nur die Verwendung von Rohbiogas als Input, sondern auch, dass die Nährstoffversorgung der Mikroorganismen im Rieselbett über die flüssigen Gärreste der Biogasanlage erfolgen kann und die ausgekoppelte Reaktionswärme für eine Nutzung, z. B. für die Fermenterheizung, zur Verfügung steht.
Moore sind heute in Deutschland weitgehend entwässert und werden zu einem großen Anteil durch die Landwirtschaft genutzt. Durch die Entwässerung beginnt ein oxidativer Abbau des Torfs, welcher große Mengen Methan freisetzt, das eine 24-mal stärkere Treibhauswirkung hat als CO2. Durch die kluge Nutzung von Moorflächen zur Produktion von Biogas lassen sich im Vergleich zu Erdgas jährlich 5,5 Millionen Tonnen CO2 einsparen. Das entspricht dem Ausstoß von 1,7 Millionen Diesel-PKW.
Um Moore wieder zu natürlichen CO2-Speichern zu machen, empfehlen Experten so genannte Paludikulturen. Dabei werden spezielle Gras- und Schilfarten gepflanzt, die in wiedervernässten Moorböden gut gedeihen. Diese Pflanzen können gemäht und die Mahd in Biogas-Anlagen vergoren werden.
Der Anbau von Paludikulturen und die Wiedervernässung der Flächen bringen diverse Vorteile bringen – für den Klima-, Umwelt-, Arten- und Landschaftsschutz:
Auf diese Weise wird nicht nur wertvolles Biogas erzeugt ohne die sonst mitunter damit verbundenen Nachteile wie Monokulturen oder Massentierhaltung. Dank der Einnahmen aus dem Verkauf von Paludipflanzen könnten Bauern auch auf eine ökologische Landnutzung umstellen. Die Moore würden wieder zu wertvollen Biotopen mit großer Bedeutung für den Artenschutz – bei zugleich hohem Klimanutzen.
Die Vergärung von Biomasse aus einer Paludikultur ist bislang lediglich in Laborversuchen untersucht worden. Die Biogasgewinnung aus Gras ist hingegen Stand der Technik, so dass auf diesen Erfahrungen aufgebaut werden kann.
Im Jahr 2000 wurde das EEG eingeführt. Seither bekommen Betreiberinnen und Betreiber einer Biogasanlage 20 Jahre lang eine finanzielle Unterstützung durch das Erneuerbare-Energie-Gesetz (EEG). Mit Beginn des Jahres 2021 ist für die ersten Biogasanlagen das Ende der Förderperiode erreicht.
Doch wie kann eine Anlage auch nach Ablauf dieser Zeit noch wirtschaftlich arbeiten? Dies untersuchten Wissenschaftler des Fachbereichs Energie – Gebäude – Umwelt der FH Münster, der Technischen Hochschule Ingolstadt und des C.A.R.M.E.N. e.V. im Verbundvorhaben „Repoweringmaßnahmen hinsichtlich zukünftiger Aufgaben von Biogasanlagen“ (REzAB).
Die Wissenschaftler haben folgende Perspektiven für einen wirtschaftlichen Weiterbetrieb von Biogasanlagen nach Auslaufen der EEG-Vergütung identifiziert und in einem Leitfaden eine Methodik entwickelt, mit der Betreiberinnen und Betreiber überprüfen können, welche Maßnahmen für eine Generalüberholung und Weiternutzung für sie selbst in Frage kommen und wo die Schwachstellen der jeweiligen Biogasanlage liegen: