Letzte Aktualisierung: 11.11.2020

Biogasanlagen

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.

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Wie funktioniert eine Biogasanlage?

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.

Funktionsprinzip und technischer Aufbau

Die Zusammensetzung des in der Biogasanlage produzierten Biogases wird im Wesentlichen von

  • den eingesetzten Substraten,
  • dem Fermentationsverfahren und
  • verschiedenen technischen Ausführungen

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:

  1. Substratmanagement (Anlieferung, Lagerung, Aufbereitung, Transport und Einbringung),
  2. Biogasgewinnung,
  3. Gärrückstandslagerung, -aufbereitung und -ausbringung sowie
  4. Biogasspeicherung, -aufbereitung und -verwertung

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:

  • Nassvergärungsverfahren arbeiten mit pumpfähigen Substraten. Bei der Feststoffvergärung kommen stapelbare Substrate zum Einsatz. Bei Nassvergärungsverfahren sind in der Fermenterflüssigkeit Trockensubstanzgehalte von bis zu 12 Masseprozent vorzufinden.
  • Von einer Feststoffvergärung (auch als „Trockenvergärung“ bezeichnet) spricht man hingegen, wenn ein Trockenmassegehalt von mehr als 30 Masseprozent und eine Raumbelastung von mindestens 3,5 kg oTS/(m3 d) im Fermenter vorliegen.

Die chemische Erzeugung von Biogas im Fermenter der Biogasanlagen folgt aber immer einem ähnlichen Prinzip und lässt sich in mehrere Teilschritte unterteilen:

  • Im ersten Schritt, der Hydrolyse, werden die komplexen Verbindungen des Ausgangsmaterials (z.B. Kohlenhydrate, Eiweiße, Fette) in einfachere, organische Verbindungen (z.B. Aminosäuren, Zucker, Fettsäuren) gespalten.
  • Die gebildeten Zwischenprodukte werden dann in der Acidogenese, der sogenannten „Versäuerungsphase“, durch fermentative (säurebildende) Bakterien weiter zu niederen Fettsäuren (Essig-, Propion- und Buttersäure) sowie Kohlendioxid und Wasserstoff abgebaut.
  • In der Acetogenese, der „Essigsäurebildung“, werden diese Produkte anschließend durch acetogene Bakterien zu Vorläufersubstanzen des Biogases (Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid) umgesetzt.
  • In der anschließenden Methanogenese, dem letzten Schritt der Biogasbildung, werden vor allem Essigsäure sowie Wasserstoff und Kohlendioxid von strikt anaeroben methanogenen Archaeen zu Methan umgewandelt.

Substrate für Biogasanlagen

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

  • Verfügbarkeit der Biomasse, deren
  • Kosten und
  • Biogasertrag als auch nach der
  • Anlagentechnik.

Diese limitiert häufig den Einsatz anderer biogenen Stoffe als den ursprünglich bei der Planung der Biogasanlage vorgesehenen.

Tabelle: Übersicht über die meistverwendeten Substrate in Biogasanlagen
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 %
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Was macht man mit Strom und Wärme aus Biogasanlagen

Stromverwendung aus Biogasanlagen

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.

Wärmeverwendung aus Biogasanlagen

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.

Tabelle: Überblick über verschiedene Wärmeverwendungen von Biogasanlagen
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
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Möglichkeiten zur Steigerung der Nachhaltigkeit von Biogasanlagen

Strom und Wärme aus Gülle

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.

Biogassubstrate in vernässten Mooren anpflanzen

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:

  • Es sind weder eine Düngung noch (chemischer) Pflanzenschutz für die Kultur erforderlich;
  • die Flächen werden seltener als herkömmliche Acker- oder Grünlandflächen und zudem außerhalb der Vogelbrutzeiten befahren.
  • Die Flächen dienen ganzjährig als Wasserspeicher.
  • Wenn die Biomasse in Heizkraftwerken oder Biogasanlagen durch Verbrennung oder Vergärung in Strom und Wärme bzw. in Biogasumgewandelt wird, ersetzt sie fossile Energieträger wie Kohle, Erdgas oder Heizöl, wodurch CO2-Emissionen vermieden werden.

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.

Weiterbetrieb von Biogasanlagen nach Ende der EEG-Förderung

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:

  • Teilnahme an Ausschreibung
  • Bereitstellung von Kraftstoff (Bio-CNG-Tankstelle)
  • Neubau einer Gülle-Kleinanlage
  • Eigenverbrauch und Direktlieferung
  • Rohgasseitige Bündelung mehrerer Biogasanlagen zu einer zentralen Aufbereitungs- und Einspeisungsanlage
  • Zusammenschluss der Anlagenbetreiber und Weiterbetrieb einer Gemeinschaftsanlage
  • Stoffliche Nutzung (Umbau der Biogasanlage zur Bioraffinerie und teilweise rohstoffliche Verwertung)

Weitere Biomassekraftwerke im Überblick

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Das Himmelmoor im Kreis Pinneberg (Foto: energie-experten.org)
| Biomasse
[...] Produktionsweg, Hintergründe, Klimaschutzwirkung“ hat nun untersucht, wie man wiedervernässte Moore kultivieren und die angebaute Biomasse in Biogasanlagen nutzbar machen kann. Das Trockenlegen von Mooren hat erhebliche Klimafolgen Durch die Entwässerung der Moorböden sinkt der bis dahin [...]
Weiterlesen
Das Projekt BioBatSys kombiniert Biogasanlagen mit Batteriespeichern: Ziel ist es, mit der Kombination der Speichereigenschaften einerseits neue Vermarktungswege zu erschließen und andererseits den Eigenverbrauch zu optimieren. (Grafik: Fraunhofer IEE - U. Werner)
| Biomasse
[...] 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. [...]
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Herzstück der Pilotanlage zur Methanisierung im schwedischen Köping ist der wabenförmige Katalysatorträger, der Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid zu Methan und Wasser umwandelt. (Foto: Andreas Spiegel – KIT)
| Biomasse
[...] produzieren Biogas vorwiegend durch Vergären von biologischen Abfällen. In Ländern mit einer intensiven Forstwirtschaft, wie Finnland oder Schweden, besteht ein großes Potenzial für die Produktion von oder (Synthetic Natural Gas) aus Holzabfällen. Hierbei wird über die [...]
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