Biogasnutzung

Biogas ist ein sehr wertvoller Energielieferant und kann sowohl zur Herstellung von Strom als auch zum Produzieren von Wärme gleichzeitig genutzt werden. In den meisten Fällen werden dazu so genannte Blockheizkraftwerke eingesetzt, die nach dem physikalischen Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung arbeiten. Um Biogas für die Strom- und Wärmeproduktion nutzen zu können, muss es allerdings entsprechend aufbereitet werden. Zunächst muss das Gas getrocknet werden, das heißt, der relativ hohe Anteil an Wasser im Gas muss mit geeigneten Mitteln herausgefiltert werden. Dazu befindet sich in den meisten Biogasanlagen ein- oder mehrere Kondensatoren, durch die des Biogas fließt. Hier wird das Gas soweit abgekühlt, dass darin vorhandenes Wasser beziehungsweise Wasserdampf kondensiert und so aus dem Gas ausgeleitet werden kann.

Frau vor einer Biogasanlage
Von der Landwirtin zur Energiewirtin

Weiterhin muss das Biogas, damit es in einem Gas- beziehungsweise Verbrennungsmotor verwendet werden kann, entschwefelt werden. Dies kann entweder durch spezielle Aktivkohlefilter, oder aber durch das Einblasen von Frischluft geschehen. Die Entschwefelung ist deshalb notwendig, weil das Gas ansonsten beim Verbrennungsvorgang aggressive Schwefelsäure bilden könnte, die empfindlichen Teile von Motoren angreifen oder gar zerstören kann. Je nach Zusammensetzung des in der Anlage erzeugten Biogases kann es außerdem notwendig sein, den Heizwert des Biogases nachträglich zu regulieren, um einen optimalen Verbrennungsvorgang und damit einen guten Wirkungsgrad bei der Strom und/oder Wärmeerzeugung zu erzielen. Der Heizwert kann insbesondere durch die Zugabe von anderen Gasen wie z. B. Bhutan oder Propan eingestellt werden. All diese Vorgänge laufen normalerweise automatisch in der Steuerungszentrale der Biogasanlage ab. Dort ist in der Regel auch das angeschlossene Blockheizkraftwerk untergebracht, so dass die Aufbereitung des Gases und die anschließende Verbrennung in einem geschlossenen System vor sich gehen kann.

Neben der direkten Nutzung von Biogas durch ein Blockheizkraftwerk innerhalb der Anlage ist es auch möglich, das Gas nicht selbst weiter zu verarbeiten, sondern in das öffentliche Erdgasnetz einzuspeisen. Hier kam es zum Beheizen von Gebäuden oder als Treibstoff für erdgasgetriebene Kraftfahrzeuge genutzt werden. Sofern das Biogas ins öffentliche Netz eingespeist werden soll, muss aber ,zusätzlich zu den oben genannten Aufbereitungsverfahren, überschüssiges Kohlendioxid entfernt werden. Bei der direkten Verbrennung in einem angeschlossenen Blockheizkraftwerk ist dies in der Regel nicht notwendig. Um Kohlendioxid aus dem Biogas zu entfernen, wendet man spezielle Absorptionsverfahren an, die jedoch recht aufwendig und teuer sind.

Stromerzeugung durch Biogas

Eine Biogasanlage erzeugt in der Regel Strom und Wärme gleichzeitig. Dies wird durch das Nachschalten eines Blockheizkraftwerks innerhalb der Biogasanlage erreicht. Das Gas wird dabei zunächst durch eine Saugpumpe oder ein Gebläse aus dem Fermenter in die Steuerungszentrale der Anlage geleitet. Hier müssen nun einige Aufbereitungsschritte wie zum Beispiel das Entschwefeln und Abtrennen von Wasser vorgenommen werden. Sind diese Schritte vollzogen, steht das Biogas in einer Form zur Verfügung, die für die Verbrennung in einem Gasmotor geeignet ist. Bevor das Gas jedoch im Motor verbrannt werden kann, muss daraus zunächst ein Gemisch hergestellt werden. Das Gas an sich könnte nur sehr schwer gezündet werden, da es in der Konzentration, wie es nach Verlassen des Fermenters vorliegt, kaum explosiv ist. Damit ein zündfähiges Gas für den Motor hergestellt werden kann, durchläuft das Biogas nun eine Gemischaufbereitungseinrichtung. Diese ist mit einem Vergaser oder einer Einspritzanlage beim Auto oder Motorrad zu vergleichen. Dem Gemisch wird hier Frischluft zugefügt, die dafür sorgt, dass die Zündfähigkeit steigt. Das Mischungsverhältnis zwischen Biogas und Frischluft wird dabei automatisch durch einen Computer gesteuert.

Liegt schließlich das zündfähige Gemisch aus Biogas und Frischluft vor, kann es in einen Gasmotor geleitet werden, wo es schließlich entzündet und verbrannt wird. Durch den Verbrennungsvorgang entsteht Energie, die sich im Motor auf eine rotierender Welle (die so genannte Kurbelwelle) übertragen lässt. Mit dieser Welle ist ein Generator, das heißt ein Elektromotor, gekoppelt, der durch die Gasmotorwelle angetrieben wird. Der Generator erzeugt nun elektrischen Strom, der entweder direkt ins öffentliche Netz eingespeist werden kann, oder aber wiederum zum Betrieb der Biogasanlage und zusätzlich der angeschlossenen Haushalte beziehungsweise Gebäude des landwirtschaftlichen Hofes genutzt werden kann. Als besonderes Schmankerl für die Betreiber von Biogasanlagen, die den produzierten Strom ins öffentliche Stromnetz einspeisen, winkt die so genannte Einspeisevergütung. Dabei handelt es sich also um die Bezahlung, welche für den produzierten Strom geleistet wird. Diese Einspeisevergütung teilt sich wiederum in eine Grundeinspeisevergütung sowie verschiedene Zuschläge auf. All diese Vergütungen sind im Gesetz für erneuerbare Energien (EEG) in Deutschland festgelegt. Die Grundeinspeisevergütung wird dabei immer gezahlt, unabhängig davon, aus welchen Substraten das Biogas hergestellt und mit welchem Verfahren es anschließend weiterverarbeitet wird. Im Jahr 2017 beträgt diese Grundeinspeisevergütung bei einer Anlagengröße bis zu 150 Kilowatt 13,32 Cent pro KWh, bei einer Anlage von bis zu 500 Kilowatt sind es 11,49 Cent pro KWh.

Zusätzlich zur Grundeinspeisevergütung gibt es den so genannten NAWARO-Zuschlag. Das Wort NAWARO ist hierbei die Abkürzung für „nachwachsende Rohstoffe“. Um diesen Zuschlag zu erhalten, muss der Betreiber der Biogasanlage nachweisen, dass er ausschließlich nachwachsende Rohstoffe als Substrate in seiner Anlage einsetzt. Solche Rohstoffe können zum Beispiel Energiepflanzen wie Mais und ähnliches sein. Weist der Betreiber der Anlage also nach, ausschließlich solche Stoffe zu verwenden, bekommt er zur Zeit einen Zuschlag von 7 Cent auf die Grundeinspeisevergütung bei Anlagen bis 500 Kilowatt. Bei größeren Anlagen beträgt die Zulage noch 4 Cent. Zusätzlich zum NAWARO-Zuschlag gibt es noch den so genannten KWK-Zuschlag. Diese Abkürzung steht für Kraft-Wärme-Kopplung. Der Zuschlag wird für Anlagen gezahlt, die das Biogas nach dem Verfahren der Kraft-Wärme-Kopplung weiterverarbeiten, die also aus dem Gas nicht nur Strom, sondern auch Wärme erzeugen. Um die Zuschläge einheitlich festzulegen, gibt es ein eigenes KWK-Gesetz. Die Höhe der Zuschläge schwankt hier allerdings ständig und ist zusätzlich in ein Mehrklassensystem unterteilt. Das Erneuerbare Energien Gesetz 2017 bringt einige Ă„nderungen mit sich. Weitere Informationen unter: www.gesetze-im-internet.de

Wärmeerzeugung aus Biogas

Neben Strom erzeugt eine Biogasanlage, die nach dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Prinzip arbeitet und der ein Blockheizkraftwerk nachgeschaltet ist, auch Wärme. Diese entsteht dadurch, dass der Motor, welcher zum Verbrennen des Biogases genutzt wird, durch sein Kühlwasser und seine Abgasanlage Wärme abgibt. Diese kann anschließend aufgefangen, umgewandelt und weitergenutzt werden. Sofern der Motor dabei über ein offenes Kühlsystem verfügt, kann das heiße Kühlwasser direkt, das heißt ohne weitere Umwandlung, als Warmwasser zum Beispiel für angeschlossene Wohngebäude genutzt werden. Ebenso ist es möglich, die Wärme des Kühlwassers durch einen Wärmetauscher in Warmluft umzuwandeln und diese anschließend zum Beispiel zum Trocknen von Getreide auf dem Hof oder zum Beheizen von Stallungen zu verwenden.

Ein Teil der erzeugten Wärme wird in jeder Biogasanlage dafür abgezweigt, den bzw. die Fermenter zu beheizen. Dies kann sowohl in Form von Warmwasser, z.B. durch eine Bodenheizung, oder auch durch Warmluft, die durch die Wände des Fermenters geleitet wird, geschehen. Im Fermenter ist bei den meisten Substratarten eine Temperatur zwischen 37 und 55 Grad Celsius notwendig, damit sich die Bakterienstämme optimal entwickeln und ausbreiten können. Durch die Nutzung der Abwärme des Motors zum Beheizen des Fermenters reduzieren sich die Betriebskosten für eine Biogasanlage deutlich. Durch den bereits angesprochenen Zuschlag bei der Einspeisevergütung durch die Verwendung des Kraft-Wärme-Kopplungs-Prinzips wird außerdem ein weiterer Anreiz zum Erzeugen von Wärme aus Biogas geschaffen. Es gibt also mehrere Möglichkeiten, die Wärme, welche bei der Verbrennung von Biogas in einem Blockheizkraftwerk entsteht, zu nutzen. Wenn in der Anlage so viel Wärme entsteht, dass zusätzlich zur Nutzung innerhalb der Anlage ein nennenswerter Anteil übrig bleibt, kann die überschüssige Wärme in ein vorhandenes Nahwärmenetz eingespeist werden. Damit können zum Beispiel Gewerbebetriebe sowie öffentliche und kommunale Gebäude in der näheren Umgebung beheizt werden. Bei größeren Biogasanlagen, in denen sehr viel Wärme anfällt, lohnt es sich auch die entstehende Wärme über größere Entfernungen zu transportieren. Bei größeren Entfernungen ist es dabei grundsätzlich möglich, die Wärme durch Leitungen des örtlichen Gasversorgers fließen zu lassen. Dieses Verfahren ist allerdings nur in enger Zusammenarbeit mit dem Gasversorger umsetzbar und die Kosten sind dabei nicht unerheblich.

Ebenso wie bei der Erzeugung von Strom in der Biogasanlage und anschließender Einspeisung in das öffentliche Stromnetz, wird auch für die Lieferung von Wärme eine Vergütung gezahlt. Im Gegensatz zum Strom lässt sich diese allerdings nicht pauschal festlegen, da ihre Höhe von vielen verschiedenen Faktoren abhängig ist. So spielen zum Beispiel der Übergabeort, die Leitungsbaukosten und ähnliches eine große Rolle.

Verwertung der Gärreste einer Biogasanlage

Der große Vorteil einer Biogasanlage ist, dass hier nicht nur Strom und Wärme produziert werden kann. Auch das Substrat, welches im Fermenter das Biogas erzeugt und schließlich als ausgefaulte Restmasse vorliegt, muss nicht etwa entsorgt werden, sondern kann vollständig weiterverwendet werden. Diese ausgefaulten Substrate nennt man auch Gärrest.
Die Gärreste können entweder unbehandelt weiterverwendet werden (z.B. als Dünger in der Landwirtschaft), oder durch spezielle Verfahren für besondere Einsatzzwecke aufbereitet werden. Werden die unbehandelten Gärreste auf Felder ausgebracht, muss der Landwirt die bereits vorhandenen Hilfsmittel (z.B. Düngewagen) in der Regel nicht austauschen, sondern kann sie unverändert weiterverwenden. Die Gärreste stellen dabei einen sehr wertvollen Dünger dar, da sie einen hohen Nährstoffgehalt, insbesondere an Phosphor, Kalium, Magnesium und Calcium, aufweisen und der Stickstoff in der Biomasse in Form von gut verwertbarem Ammoniak vorliegt. Die Keimbelastung ist dabei meist wesentlich geringer als bei der Nutzung von unfermentierter Gülle.

Ob und wie eine Aufbereitung erfolgt, liegt sowohl an den verwendeten Substraten in der Biogasanlage, also auch am Verwendungszweck der Gärreste. Außerdem muss zunächst geklärt werden, ob ein ausreichend großer Markt für das durch die Aufbereitung erzeugte Produkt vorhanden ist. Das Ganze muss streng wirtschaftlich durchgerechnet werden, da der Aufbereitungsvorgang selbst sowie die dazu verwendeten Zusatzstoffe einen nicht zu unterschätzenden Kostenfaktor darstellen. Die Entscheidung, Gärreste aufzubereiten, kann aus verschiedenen wirtschaftlichen Gründen getroffen werden. Neben den Ausbringkosten, die damit eingespart werden können, kann auch eine zusätzliche Einnahmequelle durch den Verkauf von Dünger bzw. Düngerkonzentraten erschlossen werden. Einzelne Nährstoffe können zudem mit geeigneten Verfahren extrahiert und anschließend ebenfalls in Konzentratform verkauft werden. Die verschiedenen Verfahren zur Aufbereitung von Gärresten lassen sich zunächst in drei verschiedene Klassen unterteilen: physikalische, chemische und biologische Verfahren. Auch die Kombination von mehreren Verfahren ist möglich. Nachfolgend die wichtigsten Verfahren in der Übersicht:

1. Mechanische Separierung der enthaltenen Feststoffe

Durch die mechanische Separierung der Feststoffe kann die Biomasse in zwei Teile getrennt werden – in Festmist mit einem hohen Trockensubstratanteil sowie eine besonders nährstoffreiche Flüssigphase. Diese können dann getrennt voneinander verwendet bzw. verkauft werden, der Festmist z.B. als Dünger über Gärtnereien und Baumärkte, die Flüssigphase zum Anreichern von Substraten in Fermentern oder als Felddünger. Das Verfahren lässt sich relativ leicht unter Zuhilfenahme von Dekantern, Pressen und Sieben durchführen. Allerdings können bei diesem Verfahren keine einzelnen Nährstoffe abgespalten werden.

2. Verdampfen

Hierbei wird der flüssige Anteil des Gärrestes komplett aufgebraucht, so dass nur noch Festmist übrig bleibt. Dieser kann dann – wie im vorigen Abschnitt beschrieben – weiterverwendet werden.

3. Umkehrosmose

Bei der Umkehrosmose werden die Gärreste mit hohem Druck durch eine Membran gepresst. Durch können bis zu 99 Prozent aller Feststoffe und Bakterien vom wässrigen Anteil getrennt werden. Das dabei übrig bleibende Wasser ist so sauber, dass es ungefährdet in Fließgewässer eingeleitet werden kann. Der separierte Feststoffanteil kann wiederum als konzentrierter Dünger verkauft werden.

4. Erzeugen von Phosphatdünger

Durch die Zugabe von Metallionen zum Gärrest reduzieren sich die vorhandenen Nährstoffe drastisch. Anschließend muss das Gemisch gefällt werden, um als Endprodukt einen wertvollen Phosphatdünger zu erhalten.

5. Chemische Pyrolyse

Hierbei handelt es sich um eine recht neue und innovative Technologie, bei der zunächst der Feststoffanteil im Restsubstrat separiert und getrocknet wird. Anschließend wird die getrocknete Masse einer chemischen Pyrolyse unterzogen, bei der Gas erzeugt wird. Dieses Gas kann dann – wie normales Biogas auch – in einem BHKW verbrannt und in Energie umgewandelt werden.

6. Biologische Reinigung

Ähnlich wie in einer Kläranlage kann der Gärrest auch im Rahmen einer aeroben Reinigung in Wasser und Feststoffe aufgetrennt werden. Hierbei kommen spezielle Bakterienkolonien zum Einsatz, die das in der Flüssigkeit enthaltene, organische Material biologisch abbauen. Das Verfahren ist allerdings mit hohem Aufwand und entsprechenden Kosten verbunden und rentiert sich nur in wenigen Fällen

Über den Autor

Foto vom Frank Schiffer
Frank Schiffer
Jahrgang 1962, war über 20 Jahre als System-Ingenieur in einem führenden Informatik Unternehmen tätig. Neben Führungsaufgaben war er dort auch konzeptionell tätig. Seine Urteilsfähigkeit ist geprägt durch analytische und logische Gedankenführung, die ihn zu sicheren Entscheidungen befähigt. Seit 2007 ist er im Bereich Web-Development und Online-Marketing selbstständig tätig. Er ist Herausgeber zahlreicher Internetportale, die der Wissensvermittlung dienen. Seit Jahren interessiert er sich für die Verfahrenstechnik von Biogasanlagen und deren Nutzung. Frank Schiffer ist verheiratet und hat zwei Kinder. In seiner Freizeit ist er ehrenamtlich in gemeinnützigen und sozialen Organisationen tätig.

Kontakt unter: info@mifratis.de