Biogasverfahren
Sowohl für den Bau von Biogasanlagen als auch bei der Herstellung von Biogas selbst gibt es verschiedene Verfahren und Konzepte. Um das richtige Konzept für eine Biogasanlage festzulegen, ist es zunächst wichtig, den genauen Zweck zu klären, welchen die Anlage erfüllen soll. Es muss unterschieden werden zwischen Anlagen, die vorrangig dazu dienen, Strom und/oder Wärme beziehungsweise Warmwasser für den eigenen Hof oder ein kleineres, örtlich begrenztes Gebiet zu produzieren und Anlagen, die hauptsächlich dazu gedacht sind, Strom ins öffentliche Netz einzuspeisen und eventuell Fernwärme in Form von Warmwasser zu produzieren. Anhand dieser Punkte kann anschließend die optimal geeignete Biogasanlage konstruiert und schließlich auch gebaut werden.
Neben den genannten Aspekten gibt es noch weitere Punkte, die einen entscheidenden Einfluss auf die Bauform der Anlage sowie das Verfahren zur Herstellung von Biogas haben können. Dabei kann es sich zum Beispiel um die in der Region beziehungsweise in der Umgebung der Anlage verfügbaren Substrate handeln. Nicht überall ist jedes Substrat in ausreichenden Mengen verfügbar. Daher muss die Anlage so konstruiert werden, dass ausschließlich die Substrate zur Herstellung von Biogas verwendet werden, welche am Ort kontinuierlich und in ausreichenden Mengen verfügbar sind. Von den zur Verfügung stehenden Substraten hängt schließlich auch ab, ob die Anlage verfahrenstechnisch für die so genannten Nassfermentation oder eher für eine Trockenfermentation ausgelegt wird. Die weitaus größte Anzahl der Biogasanlagen arbeitet nach dem Prinzip der Nassfermentation. Steht allerdings am Ort ausschließlich Grünschnitt, zum Beispiel aus dem Garten- und Landschaftsbau oder aus der kommunalen Grünflächenpflege, zur Verfügung, kann die Anlage auch nach dem Prinzip der Trockenfermentation gebaut werden. Über die Unterschiede sowie Vor- und Nachteile der Nass- bzw. Trockenfermentation erhalten Sie ausführliche Informationen auf den entsprechenden Unterseiten dieser Webseite.
Weiterhin muss unterschieden werden zwischen Anlagen mit einer kontinuierlichen Vergärung und Anlagen, die nach dem so genannten Batch-Verfahren arbeiten. Auch hierbei ist die Art des zur Verfügung stehenden Substrats wieder ausschlaggebend. Die kontinuierliche Vergärung kommt bei ausreichend nassen Substraten zur Anwendung. Der große Vorteil dabei ist, dass diese Technik quasi vollständig automatisiert werden kann. Substrat kann je nach Bedarf computergesteuert nachgefüllt werden, ebenso wird der bzw. werden die Fermenter automatisch geleert, um Platz für neues Substrat zu schaffen. Entscheidend ist dabei auch, dass alle der Biogasanlage angeschlossenen Einrichtungen wie Reinigungs- und Aufbereitungsanlagen, Blockheizkraftwerke etc. bei der kontinuierlichen Vergärung ebenfalls kontinuierlich und automatisiert arbeiten können. Die Gasproduktion und –nutzung kann also in einem fortwährenden Prozess ohne irgendwelche Unterbrechungen ablaufen.
Anders sieht die Sache bei Anlagen aus, die nach dem Batch-Verfahren arbeiten. Bei ihnen ist eine Automatisierbarkeit schwierig, da die Anlage hierbei nach jedem Fermentationsprozess angehalten werden und der Fermenter anschließend entleert werden muss. Danach muss eine neue Substratschicht in die Anlage eingebracht werden. Erst dann kann die Anlage wieder gestartet und somit neues Biogas produziert werden. Doch aus welchem Grund wendet man das Batch-Verfahren an, wenn es nur Nachteile hat? Bei sehr trockenem und faserigem Substrat wie beispielsweise Bio- bzw. Hausmüll oder Grünschnitt ist das Batch-Verfahren in der Regel notwendig, da hierbei das Substrat wesentlich weniger vergärt und somit an Masse verliert, als bei nassen Substraten. Eine automatisierte Entleerung des Fermenters wäre dadurch äußerst schwierig. Der große Nachteil beim Batch-Verfahren ist also, dass Biogas nicht fortlaufend produziert werden kann, sondern der Prozess immer wieder unterbrochen wird. Dadurch können auch Reinigungsanlagen, Blockheizkraftwerke etc. immer nur etappenweise laufen. Der einzige Weg, diese Nachteile auszumerzen, besteht darin, bei einer Batch-Anlage mehrere Fermenter hintereinander zu schalten, so dass einzelne Fermenter entleert werden können, während andere weiterlaufen und somit auch die Nachschaltaggregate am Laufen halten. Diese Lösung ist allerdings recht teuer.
Nassfermentation
Die Nassfermentation (auch Nassgärung genannt) ist das mit Abstand am weitesten verbreitete Verfahren zur Biogasherstellung in Deutschland. Sie ist günstiger, schneller und leichter automatisierbar als die Trockenfermentation. Der Grund für die weite Verbreitung besteht darin, dass die meisten Biogasanlagen auf landwirtschaftlichen Höfen errichtet werden und vorrangig mit Schweine- oder Rindergülle betrieben werden – die optimalen Voraussetzungen für eine Nassfermentation.
Wie der Begriff Nassfermentation bereits andeutet, besitzt das Substrat bei diesem Verfahren zur Biogasherstellung einen hohen Wasseranteil. Dadurch wird es rühr- und fließfähig und ist relativ leicht zu handhaben. Damit sich die einzelnen Inhaltsstoffe nicht voneinander trennen, muss das nasse Substrat während dem Fermentationsprozess in regelmäßigen Abständen durchgemischt werden. Das Verfahren der Nassfermentation bedeutet jedoch nicht, dass ausschließlich Gülle als Substrat für die Biogasherstellung verwendet wird. Auch bei der Nassfermentation werden in der Regel neben dem Grundstoff Gülle Feststoffe als Substrate wie z.B. Biomüll, Pflanzenschnitt, Mais- oder Grassilage hinzugegeben. Es ist lediglich darauf zu achten, dass das Gesamtsubstrat immer einen ausreichenden Wasseranteil aufweist. Dieser kann jedoch auch durch die Zugabe von Wasser in den Fermenter entsprechend reguliert beziehungsweise erhöht werden.
Grundsätzlich unterscheidet man bei Biogasanlagen mit Nassfermentation zwischen so genannten Speicheranlagen und Durchflussanlagen. Speicheranlagen sind dabei wesentlich günstiger in der Herstellung und sehr einfach im Betrieb. Sie sind jedoch heute zunehmend weniger im Einsatz, da sie keine kontinuierliche Produktion von Biogas gewährleisten. Dies ist deshalb nicht möglich, weil bei einer Speicheranlage der Fermenter auch gleichzeitig das Gärrückstandslager darstellt. Das Substrat verbleibt also so lange im Fermenter, bis es vollständig ausgefault ist. Danach muss der Fermenter geöffnet werden und die Gärrückstände können zur weiteren Verwendung entnommen werden. Erst nach diesem Schritt kann der Fermenter wieder mit neuem Substrat gefüllt und die Biogasproduktion kann wieder gestartet werden. Da die der Biogasanlage angeschlossenen Geräte wie zum Beispiel Blockheizkraftwerke aber darauf angewiesen sind, dass kontinuierlich Biogas produziert wird, bietet sich eine solche Speicheranlage heute in der Regel nicht mehr an. Der größte Teil der heute im Bereich Nassfermentation eingesetzten Anlagentypen sind so genannte Durchflussanlagen. Sie besitzen mehrere Stationen, durch die das Substrat automatisch fließt. Somit kann sichergestellt werden, dass das Biogas in einer Durchflussanlage kontinuierlich, das heißt ohne Unterbrechungen, produziert werden kann. Zu diesem Zweck besitzt eine Durchflussanlage, welche nach dem Prinzip der Nassfermentation arbeitet, neben dem eigentlichen Fermenter noch zusätzlich ein Gärrückstandslager, in das das ausgefaulte Substrat automatisch gepumpt werden kann. In einer speziellen Vorgrube wird ständig neues Nasssubstrat bereitgehalten, so dass jedes Mal, wenn der Fermenter automatisch geleert wird, neues Substrat nachgefüllt werden kann.
Wichtig bei der Nassfermentation ist, dass das Substrat immer gut durchgemischt wird, so dass sich die einzelnen Inhaltsstoffe nicht voneinander trennen und so die Biogasproduktion behindern können. Dies wird dadurch erreicht, dass im Fermenter ein- oder mehrere Rührwerke eingebaut sind, die manuell oder automatisch gesteuert in regelmäßigen Abständen das Substrat durchmischen. Bei der Trockenfermentation sind diese Einrichtungen nicht notwendig.
Trockenfermentation
Bei der Trockenfermentation handelt es sich um ein noch recht junges Verfahren zur Herstellung von Biogas, das zumindest in Deutschland noch nicht sehr verbreitet ist. Während die Nassfermentation mittels Gülle aus dem landwirtschaftlichen Bereich zur Biogasherstellung seit vielen Jahren etabliert ist, wuchs zunehmend der Wunsch, auch Substrate in Biogas umzuwandeln, welche nicht in flüssiger Form verfügbar sind. Dies können zum Beispiel Bioabfälle, Grassilage oder Grünschnitt aus der kommunalen Entsorgung oder auch aus der Landwirtschaft sein. Aus diesen Wunsch hat sich das Verfahren der Trockenfermentation entwickelt. Es sorgt dafür, dass Biomüll- und Grünabfälle nicht mehr teuer entsorgt werden müssen, sondern ebenfalls in weiterverwertbare Produkte wie Biogas sowie hochwertiges Düngemittel umgewandelt werden können.
Ein Nachteil bleibt dabei jedoch. Es ist sehr schwierig, das Verfahren der Trockenfermentation in einer Biogasanlage vollständig zu automatisieren. Dies rührt daher, dass die ausgefaulte Biomasse bei der Trockenfermentation in der Regel manuell aus dem Fermenter entfernt werden muss, bevor die Anlage mit einer Lage neuem Substrat wieder gestartet werden kann. Da dieser Umstand ungünstig für die weitere Verwendung des Biogases beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk ist, wurden in den letzten Jahren auch hier Lösungen entwickelt, um die kontinuierliche Biogasproduktion zu gewährleisten. Eine solche Lösung ist, bei der Trockenfermentation mehrere Fermenter parallel arbeiten zu lassen, so dass, wenn ein Fermenter entleert werden muss, der bzw. die anderen Fermenter weiterhin Biogas produzieren können. Aufgrund dieser Lösungsansätze ist die Trockenfermentation in Deutschland zunehmend auf dem Vormarsch und wird sich nach Ansicht von Experten in absehbarer Zeit in einem ähnlichen Umfang wie die Nassfermentation auf dem Markt etablieren.
Da sich Trockenfermentationsanlagen in unseren Breitengraden aber noch im Entwicklungsstadium befinden, arbeiten die bereits im Betrieb befindlichen Biogasanlagen mit Trockenfermentation hauptsächlich nach dem so genannten Batch-Verfahren. Das Substrat wird dabei in einer oder mehreren Schichten in den Fermenter eingebracht und danach mittels einer Wand- und/oder Bodenheizung erwärmt. Dadurch fängt das Substrat an zu gären und es entwickelt sich Biogas, welches durch entsprechende Leitungen aus dem Fermenter zur weiteren Verwendung zum Beispiel in ein Blockheizkraftwerk gelangt. Zusätzlich kann auf das Substrat ein so genanntes Impfmittel aufgetragen werden, welches dafür sorgt, dass die Gärung schneller vor sich gehen kann. Ein Durchmischen das Substrats ist bei der Trockenfermentation nicht notwendig.
Ein sehr großer Vorteil bei der Trockenfermentation ist der niedrige Energieverbrauch. Während Anlagen mit Nassfermentation viel Energie für die Zerkleinerung von Substraten oder zum Durchrühren beziehungsweise Ein- und Abpumpen des Substrats verbraucht wird, fallen all diese Punkte bei der Trockenfermentation weg. Eine Biogasanlage mit Trockenfermentation wird weitgehend statisch betrieben, das heißt, es muss keine Energie aufgewendet werden, um Teile wie zum Beispiel ein Rührwerk zu bewegen. Zu Beginn der Entwicklung der Trockenfermentation befürchtete man, dass die Gasausbeute bei Trockensubstraten wesentlich geringer sein könnte, als bei der Verwendung von Nasssubstraten. Diese Befürchtung hat sich jedoch als haltlos erwiesen. Mittlerweile konnte nachgewiesen werden, dass die Gasausbeute bei der Trockenfermentation in etwa der bei der Nassfermentation entspricht. Zudem gilt das Endprodukt Biogas bei der Trockenfermentation als wesentlich hochwertiger, da es mehr Methan und weniger Schwefel als das Biogas aus der Nassfermentation entfällt. Eine aufwendige und teure Nachbehandlung des Gases fällt so weitgehend weg. Die ausgegärte Biomasse aus der Trockenfermentation kann anschließend als Dünger in der Landwirtschaft verwendet oder auch weiter fermentiert werden.
Über den Autor
