HS-Anhalt Abt. Köthen
Hochschule für angewandte Wissenschaften
Fachbereich Lebensmitteltechnologie /
Biotechnologie / Verfahrens- und Umwelttechnik

„Anpassung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der energetischen Nutzung
von Brauereireststoffen durch Vergärung und Verstromung sowie
Einspeisung nach dem EEG“

Diplomarbeit
zur Erlangung des akademischen Grades
Diplom-Ingenieur (FH)

von

Jeannette Jonneck

Februar 2004

Inhaltsverzeichnis

Tabellen- und Abbildungsverzeichnis ... 8
Abkürzungsverzeichnis ... 11

Einleitung ... 13

Aufgabenstellung ... 15

1 Grundlagen ... 17
1.1 Biomasse ... 17
1.2 Abfall ... 18
1.2.1 Abfallaufkommen ... 18
1.2.2 Abfallentsorgung ... 20
1.2.3 Organische Abfälle ... 23
1.3 Nutzung biogener Brennstoffe ... 23
1.4 Potential biogener Brennstoffe ... 30
1.4.1 Potentielle Biogaserträge in Zahlen ... 31
1.5 Zusammenfassung ... 34

2 Verwertung von organischen Abfällen ... 37
2.1 Grundlagen ... 37
2.2 Vergärung von Biomasse ... 38
2.2.1 Grundprinzip des Verfahrens ... 39
2.2.2 Mikrobiologie ... 40
2.3 Prinzipieller Aufbau einer Biogasanlage ... 41
2.3.1 Nassvergärung ... 43
2.3.1.1 Kontinuierliche Verfahren ... 44
2.3.1.2 Diskontinuierliche Verfahren ... 45
2.3.2 Trockenvergärung ... 46
2.4 Betriebsführung von Biogasanlagen ... 47
2.5 Vorteile von Biogasanlagen ... 52

3 Nutzungsmöglichkeiten für Biogas ... 54
3.1 Biogasaufbereitung ... 54
3.2 Einsatzformen ... 57
3.2.1 Heizkessel ... 57
3.2.2 Blockheizkraftwerke ... 58
3.2.2.1 BHKW-Module ... 58
3.2.2.2 Motorische Kraft-Wärme-Kopplung ... 58
3.2.3 Stirling-Motor ... 61
3.2.4 Brennstoffzellen ... 61
3.2.5 Einsatz als Kraftstoff im mobilen Bereich ... 64
3.2.6 Einspeisung in das Erdgasnetz ... 64

4 Rechtliche Grundlagen ... 65
4.1 Gesetze und Technische Anleitungen zum Bau und Betrieb ... 65
4.1.1 BauGB ... 66
4.1.2 BImSchG ... 66
4.1.3 TA Luft ... 68
4.1.3 TA Lärm ... 69
4.2 Gesetze und Verordnungen zur Biogaserzeugung ... 69
4.2.1 KrW-/AbfG ... 69
4.2.2 TASi ... 70
4.2.3 BestüVAbfV ... 71
4.2.4 BioAbfV ... 71
4.2.5 BiomasseV ... 71
4.2.6 TierKBG ... 72
4.3 Gesetze und Verordnungen zur Nutzung des Gärrückstandes ... 72
4.3.1 DüngMG ... 72
4.3.2 DüngMV ... 73
4.3.3 DüngeV ... 73
4.3.4 FuttMG ... 73
4.3.5 AbfKlärV ... 74
4.4 Gesetze zur Stromeinspeisung ... 74
4.4.1 Stromeinspeisungsgesetz ... 74
4.4.2 EEG ... 74
4.4.3 Erneuerbare-Energien-AusbauG ... 76

5 Brauerei ... 77
5.1 Allgemeine Informationen zu Brauereien in Deutschland ... 77
5.1.1 Die Deutsche Brauwirtschaft in Zahlen ... 79
5.1.2 Energiebedarf ... 80
5.2 Brauereireststoffe, Abwässer und Energiebedarf ... 82
5.3 Brauereireststoffe zur Vergärung in Biogasanlagen ... 85
5.4 Betriebliche Konsequenzen hinsichtlich der rechtlichen Grundlagen ... 86

6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ... 89
6.1 Faktoren der Wirtschaftlichkeit einer Biogasanlage ... 89
6.2 Berechnung zur Biogasproduktion ... 91
6.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ... 97
6.3.1 Betrachtung der Kosten ... 97
6.3.2 Betrachtung des Nutzen ... 98
6.3.3 Parameter der Kalkulation ... 99
6.3.4 Ergebnisse und Beurteilung ... 100
6.4 Fördermöglichkeiten ... 104
6.4.1 ERP-Umwelt- und Energiesparprogramm ... 105
6.4.2 KfW-Umweltprogramm ... 106
6.4.3 BMU-Programm zur Förderung von Demonstrationsanlagen ... 106
6.5 Zusammenfassung ... 107

7 Ausblick ... 109

8 Anhang ... 111
8.1 4. BImSchV ... 111
8.2 TA Luft ... 113
8.3 TASi ... 117
8.4 BioAbfV Anhang ... 119
8.5 Erneuerbare-Energien-AusbauG ... 120
8.6 Verfahrensschemata ... 124
8.7 Berechnungsbeispiel Biogasausbeute ... 126

Literaturverzeichnis ... 130

Einleitung
Die Entwicklung der Energienutzung kann in verschiedene aufeinander folgende Phasen eingeteilt werden. Während die Menschen in einer ersten solaren Zivilisation bis weit in das 18. Jahrhundert ausschließlich erneuerbare Energien, wie Holz, Wind und Wasserkraft nutzten, kam am Ende des 18. Jahrhunderts die Ära der fossilen Energieträger und mit ihr die Industrialisierung durch die Nutzung von erstmals industriell geschürfter Kohle. Im 19. und 20. Jahrhundert folgte das Erbohren von Erdöl und Erdgas sowie der bergmännischen Gewinnung von Uran vor gerade erst 50 Jahren. Das Energiesystem änderte sich radikal und an die Stelle der Erneuerbarkeit trat die Erschöpflichkeit. Die Bereitstellung von Energie bedeutete fortan Energieumwandlung und zusätzlich Stoffumwandlung, mit allen umwelt- und klimaökologischen Konsequenzen.

Die Industrialisierung brachte aber nicht nur ein Umdenken in der Energiepolitik, sondern auch das Problem der Abfallbeseitigung mit sich. Sie brachte eine Zeit des Überflusses und der Wegwerfgesellschaft.

Heute befindet sich die Menschheit an einem Wendepunkt, an der sie handeln muss. Die ökologischen Konsequenzen unseres Handels sind bereits sichtbar und auch schon spürbar. Wir schaffen Prognosen für zukünftige Szenarien unseres derzeitigen Strebens bzw. Bestrebens einerseits unbeschwert und im Überfluss leben zu können, andererseits auch teilweise mit beginnender Rücksichtnahme auf unsere Umwelt und diesen Planeten. Der Schritt zur Nachhaltigkeit und in ein zweites solares, hoch technisiertes Zeitalter ist noch sehr langsam und unsicher.

Dass sich die Welt im Wandel befindet und unser Handeln sich auf alle Staaten auswirkt, zeigen Übereinkommen und Konferenzen wie z.B. das Wiener Übereinkommen von 1985 zum Schutz der Ozonschicht oder die Konferenz der Vereinten Nationen für Umwelt und Entwicklung im Juni 1992 in Rio de Janeiro, auf der die Agenda 21 beschlossen wurde. In Deutschland befinden wir uns in einem Staat, der sich den Schutz der Umwelt zur Aufgabe gemacht hat. Durch umfangreiche Gesetze und Maßnahmen, welche nicht immer auf die entsprechende Akzeptanz treffen, wird das umweltbewusstere Denken und Handeln sowohl der Bevölkerung als auch der Wirtschaft bewirkt.

Mit dem Erneuerbaren Energien Gesetz, aber auch dem Schließen der Deponien im Jahr 2005 oder der Einführung des Dualen Systems Deutschlands wurde eine klare Wende zu einer nachhaltigen Energieversorgung und Abfallentwicklung eingeläutet.

Wind, Wasser, Sonne, Biomasse und Erdwärme sind die erneuerbaren Energien der Zukunft und bergen enorme Potentiale für den Klimaschutz, den Schutz natürlicher Ressourcen und den Aufbau einer nachhaltigen Energieversorgung.

Was Nachhaltigkeit in der Abfallwirtschaft bedeutet, macht uns die Natur vor: Sie kennt keine Abfälle. Was immer sie erschafft, zersetzt sie mit dem Erreichen der Lebensgrenze, damit daraus Neues entstehen kann. Alle Stoffe werden in der Natur im Kreislauf geführt. Abfall wird nicht mehr nur als ein Problem der Beseitigung zu betrachten sein, sondern den Platz des Sekundärrohstofflieferanten einnehmen. Heute wird bereits durch die getrennte Sammlung von Altglas, Altpapier/Altpappe sowie Verpackungen des Grünen Punktes in begrenztem Maße Kreislaufrückführung betrieben. Während Glas und Papier recycelt und wieder verwendet werden, landet ein Großteil der Verpackungen in Verbrennungsanlagen zur thermischen Nutzung des Energiepotentials.
Gesetze wie das Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz dienen der Förderung der Kreislaufwirtschaft zur Schonung der natürlichen Ressourcen und Sicherung der umweltverträglichen Beseitigung von Abfällen.

An dieser Stelle schließt sich dann auch der Kreislauf. Das Abfallgesetz gibt der Verwertung Vorzug vor der Beseitigung, wobei unter Verwertung auch die letztendlich thermische Nutzung des Energiepotentials des Abfalls fällt.

Aufgabenstellung
Die zunehmende Abfallmenge mit Beginn des 20. Jahrhunderts machten in erster Linie Abfallbeseitigung und auch die Abfallverwertung zu einer wichtigen Aufgabe. Die stetige Zunahme des Hausmülls brachte auch große Mengen an organischen Abfallstoffen als große Einzelfraktion mit sich. Diese bergen Entsorgungsprobleme vor allem bei der thermischen Abfallverwertung aufgrund des hohen Wassergehaltes. Aber nicht nur im privaten Bereich fallen größere Mengen an organischen Abfällen an, auch im gewerblich/industriellen und vor allem im landwirtschaftlichen Bereich sind die Mengen nicht unerheblich.

Zunächst stand die aerobe Behandlung der organischen Bestandteile des Abfalls im Vordergrund, welche jedoch mit Einschränkungen nur für strukturstarke und verhältnismäßig trockene Abfälle angewendet werden kann und nur die Nutzung des entstehenden Kompostes ermöglicht. Zudem gerät die Menge an abnehmbarem Kompost an seine Grenzen, so dass neue Wege der Nutzung des organischen Abfallpotentials eingeschlagen werden müssen.

Die anaerobe Behandlung von organischen Abfällen fand im landwirtschaftlichen Sektor seinen eigentlichen Beginn und Verbreitung. Besonders das durch die Massentierhaltung entstandene Gülleproblem, zwang die Bauern zu einem Umdenken. Das Prinzip der anaeroben Behandlung stammt aus der Abwasserreinigung. Das Ziel war zunächst in erster Linie die Gülle so zu behandeln, dass hinsichtlich Geruch und Aggressivität des Güllesubstrates eine erhebliche Verbesserung erzielt wurde. Das Biogas wurde in erster Linie verbrannt und als Wärmelieferant genutzt. Heute steht, gestützt durch das EEG, die Verstromung und Stromeinspeisung des Biogases im Vordergrund. Aufgrund der Speicherbarkeit der Biomasse ist insbesondere die Produktion von Energie im Grundlastbereich möglich.

Auch organische Abfälle aus anderen Bereichen werden heute anaerob behandelt. Die Erwartungen im Gegensatz zur Kompostierung sind dabei in erster Linie die Energiegewinnung, aber auch ein geringerer Platzbedarf und Verminderung von Geruchsemissionen. Zudem können vor allem feuchte und strukturschwache organische Abfallstoffe verwertet werden, was eine Reduktion des Abfallvolumens mit sich bringt.

Heute gibt es verschiedene Verfahren zur Vergärung organischer Abfälle, die entsprechend den Abfalleigenschaften angepasst werden.

Für diese Diplomarbeit hat sich die Aufgabe gestellt, dass Potential von Brauereireststoffen abzuschätzen, mögliche Verfahren zur Vergärung aufzuzeigen und die Wirtschaftlichkeit zu kalkulieren.

Die aktuelle Situation ist hinsichtlich Abfallaufkommen und Energieerzeugung dargestellt, wobei die Potentiale der organischen Abfälle und dem daraus erzeugbaren Biogas mittels Vergärung genauer in Betracht gezogen werden.

Die Verwertung organischer Abfälle durch Fermentation wird hinsichtlich des Verfahrens sowie der Möglichkeiten der Verfahrenstechnik und der Betriebsführung aufgezeigt.

Für die Nutzung des Biogases gibt es ein relativ großes Anwendungsspektrum, in welches an dieser Stelle ein Einblick gegeben wird. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Nutzung in Blockheizkraftwerken.

Einen Einblick in die rechtlichen Rahmenbedingungen geben die gesetzlichen Grundlagen, welche entsprechend der Konsequenzen bezüglich der Vergärung von Brauereireststoffen grob angepasst wurden.

Die Grundlage für die Kalkulation der Wirtschaftlichkeit bildet eine Datenerhebung bei verschiedenen Brauereien Deutschlands hinsichtlich ihres Reststoff- und Abfallaufkommens sowie Energiebedarf, Art der Wärmeerzeugung und des eingesetzten Brennstoffes bezogen auf die Jahresbierproduktion.

Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung baut auf der Datenrecherche sowie auf der Berechnung der theoretisch nutzbaren Biogasmenge auf. Weiterhin werden auch die Möglichkeiten von Förderungen aufgezeigt.

1 Grundlagen
1.1 Biomasse
Die Grundlage für die Bildung von Biomasse ist die Photosynthese. Die Umsetzung der Sonnenenergie in Biomasse ist für die Biosphäre eine der wichtigsten Energieumwandlungen, da ohne die Produktion von Pflanzen keine Nahrungsgrundlage vorhanden wäre. Die in der organischen Substanz enthaltene biochemische Bindungsenergie beruht auf der Fähigkeit der Pflanzen, die eingestrahlte Lichtenergie der Sonne durch Photosynthese in biochemische Energie umzuwandeln. Aus energiearmen Grundsubstanzen wie Bodenminerale, Wasser und das Kohlendioxid der Luft werden energiereiche Stoffe, die Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff. Mit Hilfe von Farbstoffen, hauptsächlich Chlorophyll, wird das Licht absorbiert und in energiereiche biochemische Bindungen übertragen. Die Photosynthese wird durch folgende Reaktionsgleichung ausgedrückt:

[...]