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Biogas
Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
Allgemeines WissenBiogas entsteht bei der anaeroben (sauerstofffreien) Vergärung von organischem Material. Als Ausgangsstoffe für die technische Produktion von Biogas eignen sich:
Dabei stellt die Landwirtschaft mit den drei letztgenannten Möglichkeiten das größte Potenzial für die Produktion von Biogas. Bis auf die letzte Möglichkeit handelt es sich dabei um prinzipiell kostenlose Ausgangsstoffe (abgesehen von Transport- und sonstigen Nebenkosten). Je nach Herkunft wird nach
unterschieden. Im Falle der unkontrollierten Entstehung durch natürliche Prozesse und der ungenutzten Entweichung in die Atmosphäre - aus Gewässern, Mist, Reisfeldern und tierischen Quellen wie dem Pansen von Wiederkäuern - nennt man das Gas im allgemeinen Faulgas oder Sumpfgas. Biogas enthält stets auch unerwünschte Bestandteile wie Schwefelwasserstoff, die ihm bei Bedarf vor der technischen Nutzung entzogen werden. Biogas wird in Deutschland aufgrund der gesetzlich garantierten Vergütung bisher meist als Brennstoff für Blockheizkraftwerke zur Stromerzeugung oder zu Heizungszwecken genutzt. In Schweden, wo die Stromerzeugung aus Biogas wegen niedrigerer Strompreise unrentabel ist, ist hingegen die Aufbereitung auf Erdgasqualität und Einspeisung ins Gasnetz sowie die Nutzung als Treibstoff in Gasfahrzeugen (sog. fordonsgas) die am weitesten verbreitete Nutzungsvariante. Auch in Deutschland denkt man über die Einspeisung von Biogas in Erdgasleitungen nach. [1] ZusammensetzungDie in der Literatur zu findenden Angaben zur Zusammensetzung von Biogas sind sehr unterschiedlich. Generell gilt, dass die Gaszusammensetzung von diversen Parametern, wie Substratzusammensetzung und Betriebsweise des Faulbehälters, abhängen. Die folgende Tabelle zeigt Anhaltswerte für die wichtigsten enthaltenen Gase nach der neuesten DVGW-Studie.
Wertvoll im Biogas ist das Methan. Je höher dessen Anteil ist, desto energiereicher ist das Gas. Nicht nutzbar sind das Kohlendioxid und der Wasserdampf. Problematisch im Biogas sind vor allem der Schwefelwasserstoff und das Ammoniak, die vor dem Verbrennungsvorgang entfernt werden müssen, um die Gasmotoren vor diesen chemisch aggressiven Stoffen zu schützen. NutzungEuropa
DeutschlandDie Angaben zur Nutzung von Biogas in Deutschland sind nicht ganz einheitlich wegen der nicht einheitlichen Zuordnung und Problemen der Datenerfassung. Manchmal wird Klärgas separat geführt, manchmal nicht; die Einordnung von Holzgas bleibt unklar. Nach dem unten aufgeführten Weblink (BMU) gibt es 2005 in Deutschland inzwischen ca. 2700 Biogasanlagen mit einer installierten elektrischen Leistung von 665 MW. Im Jahr 2005 wurden 2.500 GWh Strom erzeugt. Das entspricht 0,42 % des Gesamtstromverbrauchs von ca. 600.000 GWh in Deutschland. Die Quelle gibt diese Zahlen für Stromerzeugung aus gasförmigen Energieträgern an und enthält somit auch einen nicht aufgeschlüsselten Anteil von Strom aus Holzvergaseranlagen. Damit wird jährlich die Emission von 2,5 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid vermieden. Allein für Niedersachsen wird das Potential auf mindestens 1.500 Anlagen geschätzt, die zusammen mit 2.600 GWh mindestens 5 Prozent des Gesamtstromverbrauches in Niedersachsen decken könnten. Aufgrund der Unabhängigkeit von Wind oder Sonneneinstrahlung trägt die Biomasse und damit auch Biogas sinnvoll dazu bei, eine Ergänzung im Energiemix der Erneuerbaren Energieträger einzunehmen. In Jameln im Wendland wurde im Juni 2006 die erste öffentliche Biogastankstelle in Deutschland eröffnet. SchweizEin Schweizer Biogasanlagenbauer und -betreiber gewinnt aus der Fermentation von Bioabfällen Biogas. Dieses Unternehmen betreibt 22 von 83 Gastankstellen in der Schweiz. An vielen Gastankstellen wird unter der Bezeichnung "Naturgas" ein Gemisch von Kompogas und Erdgas verkauft. Im Mai 2007 betrug der Anteil von Kompogas im Raum Zürich ungefähr 40%, hingegen im Welschland 0%. Schweizweit soll der Anteil vom Biogas am "Naturgas" mindestens 10% betragen. In der Schweiz wird häufig von Kompogas gesprochen, wenn Biogas gemeint ist. Da zur Zeit schweizweit noch keine gesetzlich vorgeschriebenen Förderbeiträge (Einspeisevergütung für aus Biogas erzeugten Strom) bezahlt werden, wird das Potenzial der Biogasgewinnung in der Schweiz insbesondere in der Landwirtschaft noch relativ wenig ausgeschöpft. Das Potenzial von landwirtschaftlich betriebenen Biogasanlagen liegt in der Schweiz bei ca. 700 Anlagen bis 2020. Als wirtschaftlich problematisch sind zur Zeit die Co-Substrat-Exporte in die EU-Länder zu bewerten. Biogasanlagebetreiber in der Schweiz sind sehr häufig den Co-Substrat-Abnehmern aus den EU-Länder preislich unterlegen. HerstellungBiogas aus EnergiepflanzenAnalog zur Verwendung von Holz in Biomasseheizkraftwerken werden vermehrt Pflanzen gezielt zur Verfaulung in Biogasanlagen, d.h. zur Produktion von Biogas angebaut. Dies können im Prinzip alle ackerbaulich genutzten Früchte oder Gras sein. Aktuell (2004) ist die Nutzung von Mais, Getreide (Acker) und Gras (Wiese) am weitesten verbreitet. Zur Abschätzung der Nutzung für die Leistungserzeugung bei durchschnittlichem Wirkungsgrad:
Beispiel: Mit der Gülle von 4 Kühen bzw. von 32 Schweinen oder mit dem Ertrag von 6.000 Quadratmeter Silomaisfläche könnte man genügend Biogas herstellen, um einen Vier-Personen-Haushalt mit elektrischer Energie zu versorgen. Ausschlaggebend für die Gesamteffizienz der Bodennutzung ist jedoch die Kulturfolge. Wenn eine Kultur mit hohem Energieertrag die einzige wirtschaftlich nutzbare Kultur im Anbaujahr darstellt, ist dies u. U. insgesamt weniger effizient, als der auf das Jahr verteilte Anbau mehrerer wirtschaftlich (d. h. als Nahrungs-, Futtermittel oder Biogas-Ausgangsstoff) nutzbarer Kulturen mit jeweils geringerem Energieertrag. Mikrobielle ProzesseDie Biogaserzeugung findet in einer Biogasanlage statt. In dem gesteuerten Prozess der Biogasbildung sind verschiedene Arten von anaeroben Mikroorganismen beteiligt, deren Mengenverhältnis zueinander durch Ausgangsstoffe, pH-Wert, Temperatur- und Faulungsverlauf beeinflusst wird. Aufgrund der Anpassungsfähigkeit dieser Mikroorganismen an die Prozessbedingungen können nahezu alle organischen Stoffe durch Verfaulen abgebaut werden. Lediglich höhere Holzanteile können durch das mikrobiologisch schwer zersetzbare Lignin schlecht verwertet werden. Voraussetzung für eine erfolgreiche Methanbildung ist ein Wasseranteil im Ausgangssubstrat von mindestens 50 %. Man unterscheidet nach dem heutigen Erkenntnisstand vier parallel bzw. nacheinander ablaufende und ineinandergreifende biochemische Einzelprozesse, die den anaeroben Abbau biogener Stoffe ermöglichen:
Zurück bleibt ein Gemisch aus schwer abbaubarem organischem Material, beispielsweise Lignin und anorganischen Stoffen wie zum Beispiel Sand oder anderen mineralischen Stoffen, der sogenannte Gärrest. Er kann als Dünger verwendet werden, da er noch alle Spurenelemente und zusätzlich noch fast den gesamten Stickstoff des Substrates in bioverfügbarer Form (NH4+ bei neutralem pH) enthält. TechnologieDie Biogaserzeugung findet in einer Biogasanlage statt. Das Zusammenspiel der Mikroorganismen ist nur unzureichend bekannt. So ist es schwierig, Steuerungsparameter für einen geregelten und auf maximale Methanausbeute ausgelegten Ablauf zu finden (meist beruhen diese auf Erfahrung). Forschungsprojekte zur Erklärung des genauen Ablaufs und der Charakterisierung der mikrobiologischen Populationen bzw. Gemeinschaften werden bald Aufschluss über den genauen Verlauf geben können. Zur Aufrechterhaltung des Faulprozesses wird bei niedrigen Substratkonzentrationen und damit großen Wassermengen etwa die Hälfte der Abwärme aus der Stromproduktion mit Biogas zur Aufrechterhaltung der Temperatur der Biogasanlage benötigt. Trockenfermentationen, die feste, stapelbare Substrate ohne Wasserzugabe verarbeiten, benötigen maximal 10% der produzierten Wärme. Die verbleibende Wärme kann für andere Heizzwecke verwendet werden. Für den Gesamtwirkungsgrad einer solchen Anlage ist daher die optimale Nutzung der Abwärme und eine Temperaturregelung im Prozess entscheidend. Reinigung und AufbereitungWie im Abschnitt vorher (Zusammensetzung von Biogas) schon angedeutet, wirken sich die Verunreinigungen durch Schwefelwasserstoff und Ammoniak negativ auf die Nutzung von Biogas aus. Es ist daher fast immer notwendig, eine Reinigung und Aufbereitung vorzunehmen. Im Wesentlichen sind das vier Verfahrensschritte. EntschwefelungDafür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Gegebenenfalls sind mehrere Stufen nötig wie Grob- bzw. Feinentschwefelung.
Zu beachten ist hier die Hemmwirkung des in der Gülle gelösten Schwefelwasserstoffes auf die Methanbildung. Wird nur auf die Entschwefelung des Gases geachtet und die Entschwefelung der Reaktorflüssigkeit vernachlässigt, geht die Methanbildung durch Vergiftung der Methan erzeugenden Bakterien bis auf Null zurück. VerdichtungDie Verdichtung von Biogas ist meist dann notwendig, wenn Biogas, nach dessen Aufbereitung, in das Erdgasnetz eingespeist werden soll. Vor allem aber für die Nutzung als Treibstoff ist eine starke Komprimierung auf über 200 bar notwendig, um ausreichende Energiedichten zu erhalten. Solch hohe Drücke sind nur mit einer mehrstufigen Verdichtung realisierbar. TrocknungBiogas wird durch die Kühlung des Gases im Erdreich oder durch Kompressorkälte entfeuchtet. Die Unterschreitung der Taupunkttemperatur des Wasserdampfes lässt das Wasser kondensieren (von der gasförmigen in die flüssige Phase übergehen). Dann kann das Wasser in Tiefpunkten der meist erdverlegten Biogasleitung gesammelt und abgeleitet werden. Bei einer Kühlung durch Kältemaschinen fällt das Wasser im Biogas an den Kälteregistern aus und kann dort gesammelt und abgeleitet werden. CO2-AbtrennungDie Aufbereitung des Biogases umfasst neben den bereits geschilderten Verfahren zur Entschwefelung und zur Reduzierung des Ammoniak-Anteils vor allem die Reduzierung des CO2- und O2-Anteils. Die derzeit gängigen Verfahren der Methananreicherung durch CO2-Abtrennung sind Gaswäschen wie z.B. die Druckwasserwäsche (Absorptionsverfahren mit Wasser oder speziellen Waschmitteln) und die Druckwechsel-Adsorption (Adsorptionsverfahren an Aktivkohle). Bereits in den 1980er Jahren wurden in zwei Klärwerken in Deutschland eine Trennung des CO2 im Klärgas durch Absorptionsmittel wie z.B. Monoethanolaminlösung (Aminwäsche) über Jahre erfolgreich betrieben, um sie dann ins Erdgasnetz einzuspeisen. [3]Daneben sind weitere Verfahren wie eine kryogene Gastrennung (mittels tiefen Temperaturen) oder eine Gastrennung durch eine Membran in der Entwicklung für eine allgemeine Anwendung im Biogasbereich. Siehe auch
Literatur
Quellen |
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Biogas aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |