Biogas
Biogas ist ein Gemisch aus den Hauptkomponenten Methan und Kohlenstoffdioxid. Der wertgebende Anteil, der energetisch genutzt wird, ist das Methan. Daneben enthält es je nach Ausgangsbedingungen geringe Mengen an Wasserdampf, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasserstoff, N2 (Luftstickstoff, bei biologischer Entschwefelung) und Spuren von niederen Fettsäuren und Alkoholen. Biogas entsteht bei der anaeroben (sauerstofffreien) Vergärung von organischem Material. Als Ausgangsstoffe für die technische Produktion von Biogas eignen sich:
vergärbare, biomassehaltige Reststoffe wie Klärschlamm, Bioabfall oder Speisereste, Wirtschaftsdünger (Gülle, Mist), gezielt angebaute Energiepflanzen (Nachwachsende Rohstoffe).
Dabei stellt die Landwirtschaft mit den beiden letztgenannten Möglichkeiten das größte Potenzial für die Produktion von Biogas. Je nach Herkunft wird nach Klärgas (aus Kläranlagen), (das Gas wird bei großen Kläranlagen nach Reinigung in Gasmotoren zur Stromerzeugung verwendet, mit dem zum Beispiel die Gebläse für die Belebtschlammbecken angetrieben werden), Deponiegas (aus Deponien) und Biogas (aus Pflanzen hergestellt in Biogasanlagen) 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.
Zusammensetzung
Die in der Literatur zu findenden Angaben zur Zusammensetzung von Biogas schwanken stark. 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.
SchwankungsbreiteDurchschnittMethan 45-70 % 60 % Kohlendioxid 25-55 % 35 % Wasserdampf 0-10 % 3,1 % Stickstoff 0,01-5 % 1 % Sauerstoff 0,01-2 % 0,3 % Wasserstoff 0-1 % < 1% Ammoniak 0,01-2,5 mg/m³ 0,7 mg/m³ Schwefelwasserstoff 10-30.000 mg/m³ 500 mg/m³ 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 der Ammoniakanteil, die vor dem Verbrennungsvorgang entfernt werden müssen, um die Gasmotoren vor diesen chemisch aggressiven Substanzen zu schützen.
Herstellung
Biogas 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 Stromproduktion bei durchschnittlichem Wirkungsgrad: 1 ha
Technologie
Die Biogaserzeugung findet in einer Biogasanlage statt. In dem gesteuerten Prozess der Biogasentstehung sind verschiedenste 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 Substanzen 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 Substanzen ermöglichen:
Während der Hydrolyse werden die Biopolymere in monomere Grundbausteine oder andere lösliche Abbauprodukte zerlegt. Hierbei kann festgestellt werden, dass Fette in Fettsäuren, Kohlenhydrate, wie z.B. Polysaccharide in Mono- oder Oligosaccharide und Proteine, wie Eiweiße in Peptide bzw. Aminosäuren zerlegt werden. Diese Reaktion wird durch fakultativ anaerobe Mikroorganismen katalysiert, wobei diese durch Ausschüttung von Exoenzymen die Hydrolyse der Edukte vollziehen. Dieser Reaktionsschritt ist aufgrund der Komplexität des Ausgangsmaterials geschwindigkeitsbestimmend.
Im Rahmen der Acidogenese (allgemeinsprachlich auch als Fermentation bezeichnet) - die zeitgleich zur Hydrolyse stattfindet - werden die monomeren Interdukte einerseits in niedere Fett-/Karbonsäuren, wie z.B. Butter-, Propion- und Essigsäure, andererseits in niedere Alkohole, wie z.B. Ethanol, umgesetzt. Bei diesem Umsetzungsschritt verzeichnen die fakultativ anaeroben Mikroorganismen erstmals einen Energiegewinn. Bei dieser Umsetzung werden bereits bis zu 20 % des Gesamtanteils an Essigsäure gebildet.
Während der Acetogenese werden die niederen Fett- und Karbonsäuren sowie die niederen Alkohole durch acetogene Mikroorganismen primär zu Essigsäure, bzw. dessen gelöstem Salz, dem Acetat umgesetzt.
In der letzten, obligat anaerob ablaufenden Phase - der Methanogenese - wird die Essigsäure durch entsprechend acetoclastische Methanbildner in Methan und Kohlenstoffdioxid sowie Wasserstoff umgewandelt.
Zurück bleibt ein Gemisch aus schwer abbaubarem organischen Material beispielsweise Lignin und anorganischen Stoffen wie zum Beispiel Sand oder andere Mineralien. Der mikrobiologische Prozess der Biogaserzeugung, läuft bis heute noch als sogenannte "Black Box" ab. Das bedeutet, dass man zwar weiß, was in den Reaktor hinein- und was herauskommt, der mikrobiologische Prozess dazwischen ist jedoch noch weitgehend unerforscht. So ist es schwierig, Steuerungsparameter für einen geregelten und auf maximale Methanausbeute ausgelegten Ablauf zu finden (meist beruhen diese auf Erfahrung), das Zusammenspiel der Mikroorganismen ist aber nur unzureichend bekannt. 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 etwa die Hälfte der Abwärme aus der Stromproduktion mit Biogas zur Aufrechterhaltung der Temperatur der Biogasanlage benötigt. 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.
Reinigen und Aufbereitung
Wie im Abschnitt "Zusammensetzung" 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.
Entschwefelung Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Gegebenenfalls sind mehrere Stufen nötig wie Grob- bzw. Feinentschwefelung.
Die Reinigung nach der Gasproduktion durch Entschwefelungsfilter. Hier wird das Gas durch eisenhaltiges Filtermaterial geleitet. Das Filtermaterial muss ausgetauscht werden, wenn das Füllmaterial gesättigt ist.
Die Reinigung im Gasraum durch Zugabe von Sauerstoff. Das H2S (Schwefelwasserstoff) wird in elementaren Schwefel umgewandelt. Der Schwefel lagert sich im Gasraum ab. Dies ist bisher die gängigste Methode, hat aber den Nachteil, dass der Schwefel die Biogasanlage nicht verlassen kann, daher ist das Verfahren nur für sehr geringe Konzentrationen von Schwefelwasserstoff geeignet.
Bei hohen Proteinanteilen im Ausgangssubtrat können die Schwefelwasserstoffkonzentrationen schon 20000 ppm übersteigen. Hier ist jeder Filter überfordert. Die Zugabe von Eisen-II-ionen hilft hier die Bildung von Schwefelwasserstoff im Faulbehälter wegen der hohen Affinität zum Eisen zu verhindern. Das Eisen verbindet sich mit Schwefel zu unlöslichen Eisensulfid (FeS). Das Eisensulfid verbleibt als Feststoff in der Gülle.
Zu beachten ist hier die Hemmwirkung des in der Gülle gelösten Schwefelwasserstoffes auf die Methanbildung. Wird nur auf die Entschwefelung des Gases (obige Punkte 1 und 2) geachtet und die im Punkt 3 beschriebene Entschwefelung vernachlässigt, geht ab einer bestimmten H2S-Konzentrationen die Methanbildung durch Vergiftung der Methan erzeugenden Bakterien bis auf Null zurück.
Verdichtung
Die 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.
Trocknung Biogas 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-Abtrennung Die 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). 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.
Die Biogasanlage
In einer Biogasanlage werden verschiedene Rohstoffe, z.B. Bioabfall, Gülle, Klärschlamm, Fette oder Pflanzen in einen luftdicht verschlossenen Fermenter eingebracht. Dort entsteht durch anaerobe Gär- oder Fäulnisprozesse das Biogas
Derzeit wird Biogas
Die in Frage kommenden Bakterienstämme, die die Biomasse abbauen, arbeiten am besten in einem Temperaturbereich von entweder 37 (mesophil) oder 55 °C (thermophil). Überschüssige Wärme des Motors kann zur Beheizung von Gebäuden oder zum Trocknen der Ernte (Getreide) verwendet werden. In mehreren Projekten wird das Biogas
Nassfermentation
Bei der Nassfermentation werden in der Vorgrube Gülle und Kosubstrate zwischengelagert und bei Bedarf zerkleinert, verdünnt oder gemischt. In Kofermentationsanlagen (Biogasanlagen die überwiegend überwiegend organische Rest- und Abfallstoffe wie Speisereste, Schlachtabfälle vergären) können je nach Art der Substrate Annahmebunker, Zerkleinerung, Einbringung und Störstoffabtrennung zusätzlich erforderlich sein.
Abfälle aus Schlachthöfen müsen aber aufgrund seuchenhygienischer Gefahren vor der Verwendung im Fermenter ein Hygienisierungsverfahren durchlaufen um alle Keime abzutöten (das Substrat muss mindestens eine Stunde lang auf über 70 °C erhitzt werden). Der Fermenter muss für die erfolgreiche Vergärung gas- und wasserdicht, sowie auch lichtundurchlässig sein. Das Rührwerk sorgt für eine gute mischung des Substrates.Damit bleiben Bakterien und Substrat in engem Kontakt stehen.
Von einer einstufigen Anlage spricht man, wenn die mikrobiellen Abbauschritte gemeinsam in einem Fermenter stattfinden. Die verschiedenen Prozessphasen (Hydrolyse, Versäuerung, Essigsäurebildung und Methanbildung) finden in einem Behälter statt.
Bei zwei- bzw. mehrstufigen Anlagen laufen die verschiedenen Prozessphasen der Vergärung in unterschiedlichen Behältern ab. Die Bedingungen für die Bakteriengruppen können dadurch besser an die Bakteriengruppen angepasst werden und es lassen sich, durch eine stabilere Methanbildungsphase, höhere Biogaserträge erreichen.
Das vergorene Substrat , wird in das Gärrestlager gepumpt und kann später als Wirtschaftsdünger genutzt werden.
Bevor das produzierte Biogas in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) verstromt wird, muß es erst gereinigt und entschwefelt werden. Die dabei entstehende Prozesswärme wird zur Beheizung angrenzender Wohn- und Wirtschaftsgebäude genutzt.
Trockenfermentation / Trockenvergärung
Bei der Trockenvergärung wird schüttfähiges Substrat eingesetzt. Das zu vergärende Material ist weder pump- noch fließfähig . Eine Trockenvergärung eignet sich für Betriebe, in denen keine Gülle als Basissubstrat anfällt. Um sich das Anmaischen (verdünnen von Trockensubstanzkonzentrationen mit Wasser oder wässrigen Substraten) mit hohem Energie- und Wasserbedarf zu ersparen, kann eine Trockenvergärung sinnvoll sein.
Differenziert werden muss hier zwischen der kontinuierlichen und der diskontinuierlichen Trockenvergärung. Bei der kontinuierlichen Trockenvergärung konstant frisches Substrat in den Gärraum eingebracht und Gärreste entnommen werden.
Bei der diskontinuierlichen Vergärung wird ein sogenanntes Perkolat (mit Methanbakterien versetzte Flüssigkeit) auf die Biomasse gesprüht. Das Perkolat durchläuft dabei das Gärsubstrat und die darin enthaltenen Bakterien siedeln sich an der Biomasse an. Die überschüssige Flüssigkeit wird aufgefangen, und für die spätere Perkolation (Perkolation beschreibt das Durchfließen von Wasser durch ein festes Substrat) zwischengelagert. Es können keine neue Gärsubstanz dem Faulraum zugegeben werden, dadurch müssen für einen gleichmäßigen täglichen Gasertrag, mehrere Trockenfermenter in Reihe geschaltet werden. Besonders zu Beginn und Ende des Gärprozesses treten starke schwankungen der Gaserträge auf.Aller drei bis sechs Wochen muß die gesamte Anlage zum Ausleeren und zur Neubefüllung mit Substrat heruntergefahren werden.
