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Biogas




Als Biogas wird überwiegend ein Gemisch aus den Hauptkomponenten Methan und Kohlenstoffdioxid bezeichnet, obwohl auch andere Gase (beispielsweise Wasserstoff) biologischen Ursprungs sind. Der wertgebende Anteil, der energetisch genutzt wird, ist das Methan. Daneben enthält es je nach Ausgangsbedingungen geringe Mengen an Wasserdampf, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasserstoff (H2), Stickstoff (Distickstoff N2) und Spuren von niederen Fettsäuren und Alkoholen.

Inhaltsverzeichnis

Allgemeines Wissen

    Biogas entsteht bei der anaeroben (sauerstofffreien) Vergärung von organischem Material. Als Ausgangsstoffe für die technische Produktion von Biogas eignen sich:

  • vergärbare, biomasse

    haltige Reststoffe wie Klärschlamm, Bioabfall oder Speisereste,
  • Wirtschaftsdünger (Gülle, Mist),
  • bisher nicht genutzte Pflanzen bzw. Pflanzenteile (z.B. Zwischenfrüchte und Kleegras im Biolandbau)
  • gezielt angebaute Energiepflanzen (Nachwachsende Rohstoffe).

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

  • Klärgas (aus Abwasserreinigungsanlagen), (bei großen Abwasserreinigungsanlagen wird das Gas nach Reinigung in Gasmotoren zur Stromerzeugung verwendet, mit dem zum Beispiel die Gebläse für die Belebtschlammbecken angetrieben werden),
  • Deponiegas (aus Abfalldeponien) 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. Auch in Deutschland denkt man über die Einspeisung von Biogas in Erdgasleitungen nach. [1]

Zusammensetzung

Die 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.

SchwankungsbreiteDurchschnitt
Methan 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/m³0,7 mg/m³
Schwefelwasserstoff 10 - 30.000 mg/m³500 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 das Ammoniak, die vor dem Verbrennungsvorgang entfernt werden müssen, um die Gasmotoren vor diesen chemisch aggressiven Stoffen zu schützen.

Nutzung

Europa

Biogas energie 2006 (GWh)[2]
Staat Gesamt Deponiegas Klärgas Andere
Deutschland 22 370 6 670 4 300 11 400
UK 19 720 17 620 2 100 0
Italien 4 110 3 610 10 490
Spanien 3 890 2 930 660 300
Frankreich 2 640 1 720 870 50
Niederlande 1 380 450 590 340
Österreich 1 370 130 40 1 200
Dänemark 1 100 170 270 660
Polen 1 090 320 770 10
Belgien 970 590 290 90
Griechenland 810 630 180 0
Finnland 740 590 150 0
Tschechien 700 300 360 40
Irland 400 290 60 50
Schweden 390 130 250 10
Ungarn 120 0 90 40
Portugal 110 0 0 110
Luxemburg 100 0 0 100
Slowenien 100 80 10 10
Slowakei 60 0 50 10
Estland 10 10 0 0
Malta 0 0 0 0
EU (GWh) 62 200 36 250 11 050 14 900
Biogas 2006 (MWh/1000 Bewohner )[2]
Staat MWh/1000 Bw.
UK 327
Deutschland 271
Luxemburg 226
Dänemark 202
Österreich 166
Finnland 141

Deutschland

Die 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.

Schweiz

  Ein 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.

Herstellung

Biogas aus Energiepflanzen

  Analog 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:

ha Mais = ca. 2 kW elektr. Dauerleistung
1 ha Getreide = ca. 1,5 kW
1 ha Gras = ca. 1 kW
Gülle von 1 Kuh = ca. 0,15 kW

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 Prozesse

Die 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:

 

  1. Während der Hydrolyse werden die Biopolymere in monomere Grundbausteine oder andere lösliche Abbauprodukte zerlegt. Fette werden in Fettsäuren, Kohlenhydrate, wie z. B. Polysaccharide, in Mono- oder Oligosaccharide und Proteine, in Peptide bzw. Aminosäuren zerlegt. Diese Reaktionen werden durch fakultativ anaerobe Mikroorganismen katalysiert, wobei diese die Edukte mittels ausgeschiedener Exoenzyme hydrolysieren. Dieser Reaktionsschritt ist aufgrund der Komplexität des Ausgangsmaterials geschwindigkeitsbestimmend.
  2. Im Rahmen der Acidogenese (allgemeinsprachlich auch als Fermentation bezeichnet) – die zeitgleich zur Hydrolyse stattfindet – werden die monomeren Interdukte einerseits in niedere Fett-/Carbonsäuren, wie z. B. Butter-, Propion- und Essigsäure, andererseits in niedere Alkohole, wie z. B. Ethanol, umgesetzt. Bei diesem Umsetzungsschritt gewinnen die fakultativ anaeroben Mikroorganismen erstmals Energie. Bei dieser Umsetzung werden bereits bis zu 20 % des Gesamtanteils an Essigsäure gebildet.
  3. Während der Acetogenese werden die niederen Fett- und Karbonsäuren sowie die niederen Alkohole durch acetogene Mikroorganismen zu Essigsäure (Anion Acetat) umgesetzt.
  4. In der letzten, obligat anaerob ablaufenden Phase – der Methanogenese – wird die Essigsäure durch entsprechend acetoklastische Methanbildner nach Gleichung 1 in Methan umgewandelt. Etwa 30 % des Methans entstehen nach Gleichung 2 aus Wasserstoff und CO2.
Gleichung 1:    \mathrm{CH_3COOH \rightarrow CO_2 + CH_4 }
Gleichung 2:    \mathrm{CO_2 + 4\;H_2 \rightarrow CH_4 + 2\;H_2O}

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.

Technologie

Die 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 Aufbereitung

Wie 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.

Entschwefelung

Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Gegebenenfalls sind mehrere Stufen nötig wie Grob- bzw. Feinentschwefelung.

  1. Die Reinigung nach der Gasproduktion durch Entschwefelungsfilter. Hier wird das Gas durch eisenhaltiges Filtermaterial (Raseneisenerz, Stahlwolle) geleitet. Das Filtermaterial muss ausgetauscht oder regeneriert (Raseneisenerz) werden, wenn es gesättigt ist.
  2. 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 und billigste Methode, hat aber den Nachteil, dass elementarer Schwefel in der Anlage akkumuliert. Das Verfahren kann nur eine begrenzte Menge von Schwefelwasserstoff neutralisieren. Außerdem ist dieses Verfahren nur möglich, wenn das Biogas vor Ort in einem BHKW oder Brenner verwendet wird. Bei Aufreinigung auf Erdgasqualität sind die restlichen Luftanteile kaum zu entfernen, da sich Luft und Methan in vielerlei Hinsicht ähnlich verhalten.
  3. Ein verbessertes Verfahren ist die Zugabe von Luft oder eines anderen Oxidationsmittels direkt in die Reaktorflüssigkeit (Linde-Patent). Es läuft der selbe Prozess wie bei der Gasraumentschwefelung ab.
  4. Laugenwäsche: Das Biogas wird in einer Füllkörperkolonne im Gegenstrom mit Lauge gewaschen. Die Lauge muss anschließend entsorgt werden. Die Laugenwäsche reichert auch CO2 im Biogas ab.
  5. Biologische Entschwefelung: Ähnlich der Laugenwäsche, die Lauge wird in einem zweiten Aerobreaktor zur Hälfte regeneriert. Es entsteht ein im Vergleich zur Laugenwäsche reduzierter, schwefelfreier Abwasserstrom und ein Elementarschwefelschlamm. (Paques-Patent)
  6. Bei hohen Proteinanteilen im Ausgangssubtrat können die Schwefelwasserstoffkonzentrationen schon 20000 ppm übersteigen. Hier ist jeder Filter überfordert. Die Zugabe von Eisen-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.
  7. Irreversible Adsorption an Aktivkohle. Die Aktivkohle wird teilweise iodiert, um die Beladungsfähigkeit zu erhöhen. Dieses Verfahren eignet sich nur bei sehr geringen H2S-Konzentrationen, z.B. als Endreinigung.
  8. Rückführung von teilweise entschwefeltem Biogas in die Reaktorflüssigkeit. Dadurch wird das Austreiben des noch in der Flüssigkeit gelösten H2S verbessert.

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.

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). 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

  • Zukunftstechnologie
  • Erneuerbare Energien
  • Bioethanol (Ethanol-Kraftstoff)
  • Biodiesel

Literatur

  • Biogas: Strom aus Gülle und Biomasse. Planung, Technik, Förderung, Rendite. Top agrar, Das Magazin für moderne Landwirtschaft. Landwirtschaftsverlag, o.O. 2000, ISBN 3-7843-3075-4
  • Martin Stroh, Saarbrücken: "Vom Bauern zum Energielieferant. Die Zukunft des Energiewirt" (250 Seiten) kostenloses Buch über die Entwicklung der Biogas-Branche
  • Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR): diverse Studien und Publikationen zum Thema Biogas und anderen Bioenergieträgern unter http://www.bio-energie.de Rubrik "Literatur"
  • Heinz Schulz, Barbara Eder: Biogas-Praxis. Grundlagen, Planung, Anlagenbau, Beispiele. Ökobuch, o.O. 2005, ISBN 3-922964-59-1
Das Buch vermittelt die Grundlagen der Biogasentstehung bzw. -erzeugung und behandelt die Anlagentechnik (Behälter, Rührwerke, Gasspeicher) und die zugehörigen Betriebseinrichtungen. Ein eigenes Kapitel ist der Kofermentation organischer Reststoffe (z.B. aus der Lebensmittelverarbeitung) gewidmet, welche die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen verbessern kann. Mit einer Übersicht über Beratungsstellen und einem ausführlichen Lieferantenverzeichnis.
  • Bayerisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz (StMUGV): Biogas Handbuch Bayern. München, 15. November 2004. [1]
Die kostenlose Broschüre (50 Seiten) enthält Grundlagen und Techniken zur Biogasgewinnung sowie Informationen zu Genehmigungsverfahren. Der 500-seitige Materialband kann unter der Web-Adresse [2] heruntergeladen werden.
  • Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.: Frank Hofmann, André Plättner, Sönke Lulies, Dr.Frank Scholwin, Dr.Stefan Klinski, Klaus Diesel: Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz; Leipzig 2006; ISBN 3-00-018346-9 [3]
  • Bernward Janzing: Nicht förderwürdig - Mit Biodiesel ist eine flächendeckende Energieversorgung nicht möglich. - Biogas versus Biodiesel. In: taz 20.5.2006, S. 11
  • Analyse und Bewertung der Nutzung von Biomasse. Eine Studie im Auftrag des BGW und DVGW (Wuppertal Institut, 2005). Die Studie ist im Netz verfügbar (siehe untenstehende Links).: Band 1- Gesamtergabnisse und Schlussfolgerungen. Band 2-Darstellung der Biogas-Potenziale zur Einspeisung in das bestehende Erdgasnetz. Band 3-Technologien und Kosten der Biogasaufbereitung zu Erdgassubstituten.

Quellen

  1. spiegel.de: Erdgas vom Maisfeld
  2. a b Biogas barometer 2007 - EurObserv’ER Systèmes solaires - le journal des énergies renouvelables n° 179, s. 51-61, 5/2007
  3. http://www.idowa.de/aktuell/nachricht/nachricht/nac/2168636/red/66.html
 
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