Biogasanlagen

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.

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.

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 GW_el 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.

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:

• 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.