Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel
- University of Applied Science -
Produktions- und Verfahrenstechnik

Dezentrale, regenerative Energiequelle – Die Biogasanlage

von: Lars Melde

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

2 Theorie 2

2.1 Entstehung von Biogas 2
2.2 Biogaszusammensetzung 4
2.3 Biogaseigenschaften 4

3 Verfahren zur Biogasgewinnung 6

3.1 Anlagentypen 6

3.1.1 Das Batch-Verfahren 6
3.1.2 Das Wechselbehälter-Verfahren 7
3.1.3 Das Durchfluss-Verfahren 7
3.1.4 Das Speicher-Verfahren 8
3.1.5 Kombinierte Durchfluss-Speicher-Anlagen 8

3.2 Verfahrensvarianten 9
3.3 Fermenterbauarten 10

3.3.1 Horizontale Bauart 10
3.3.2 Vertikale Bauart 10
3.3.3 Gängige Fermenterbauarten 11

3.4 Aufbau einer Biogasanlage 11

4 Anlagenplanung 13

4.1 Anlagendimensionierung 13

4.1.1 Berechnung des Fermenters 14
4.1.2 Ermittlung des Trockensubstanz- und des organischen TS-Gehalts 14
4.1.3 Berechnung der täglichen Gasproduktion 15
4.1.4 Lagervolumen 15
4.1.5 Gasspeichervolumen 15
4.1.6 Bestimmung der BHKW-Leistung 16

5 Wirtschaftlichkeit 17

5.1 Kosten der Biogasnutzung 17
5.2 Investitionskosten 17
5.3 Abschreibung und jährliche Kosten 19
5.4 Nutzen 20
5.5 Möglichkeiten zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit 21
5.6 Fördermöglichkeiten 21

5.6.1 Bundesprogramm zur Förderung erneuerbarer Energien 21
5.6.2 Förderprogramm der Kreditanstalt für Wiederaufbau 22
5.6.3 Deutsche Ausgleichsbank – Umweltprogramm 22
5.6.4 Förderprogramm des Landes Niedersachsen 23
5.6.5 Förderleitlinie Biomasse der Energiestiftung Schleswig-Holstein 23

5.7 Beispielrechnungen 24

6 Derzeitige Biogasanlagen 26

7 Bedarfsaussichten 28

8 Aktuelle Entwicklungen 30

9 Probleme 32

10 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 33

11 Literaturverzeichnis 34

1 Einleitung

In der Projektarbeit „Dezentrale, regenerative Energiequelle – Biogasanlage“ werden die Entwicklungen in der Biogastechnologie, die Wirtschaftlichkeit und die Bedarfsaussichten erörtert, da der Einsatz regenerativer Energiequellen durch die Einführung der Ökosteuer und die damit verbundene Erhöhung der Heizöl-, Gas- und Benzinpreise neuen Aufwind erfährt. Nachwachsende Rohstoffe leisten zusätzlich einen wichtigen Beitrag zum Klima- und Umweltschutz, zur Schonung endlicher Ressourcen, zur Sicherung landwirtschaftlicher Einkommen und zur Erhaltung der Kulturlandschaft. Allein in Deutschland werden inzwischen auf mehr als 400.000 Hektar nachwachsende Rohstoffe für chemisch-technische Verwendungen und als Energieträger angebaut. Dies entspricht etwa 3% der bundesdeutschen Ackerfläche (Stand 1995).

Da der weltweite „Raubbau“ an fossilen Energieträgern nicht unendlich fortzuführen ist, ist die Entwicklung bzw. Förderung Erneuerbarer Energieträger erforderlich. Neben verstärkten Bemühungen zur Energieeinsparung und rationellen Energienutzung können der Verbrauch der fossilen Energieträgern und die damit verbundenen CO2-Emissionen durch den Einsatz erneuerbarer Energieträger vermindert oder gar vermieden werden. Alternative Energiequellen sind in diesem Fall seit bestehen der Erde Wind, Sonne und Biomasse. Da unsere Breitengrade aufgrund der klimatischen Bedingungen in den Bereichen Wind- und Sonnenenergie etwas benachteiligt sind, die organischen Abfälle aber kontinuierlich und in großen Mengen anfallen, ist es sinnvoll die darin enthaltene gespeicherte Energie zu nutzen. Die energetische Nutzung der Biomasse ist annährend CO2 neutral, da die bei der Verbrennung von Biogas frei werdende CO2-Menge beim Anbau der Biomasse über Photosynthese eingebunden wurde. Dieser natürliche Kreislauf wird am schnellsten geschlossen, in dem die organischen Abfälle dem natürlichen Prozess der Verrottung, Fermentation, zugeführt werden. Die dabei entstehende Energie in Form von methanhaltigem Gas, Biogas, wird zur Energieerzeugung genutzt.

2 Theorie

2.1 Entstehung von Biogas

Biogas wird in einem mehrstufigen Prozess durch die Aktivität von anaeroben Mikroorganismen beim Abbau organischer Substanz unter Luft- bzw. Sauerstoffabschluss erzeugt. An der Biogasbildung sind mehrere verschiedene Bakterienstämme beteiligt, deren Zusammensetzung sich jeweils aus den spezifischen Prozessbedingungen ergibt (z.B. Ausgangsstoff der Vergärung, Temperaturniveau, pH- Wert,...). Da sich die Mikroorganismen an die verschiedenen Ausgangsstoffe anpassen können, ist fast jede organische Substanz durch Vergärung abbaubar. Die in der Regel hochmolekulare organische Substanz wird in mehreren Stufen zu niedermolekularen Verbindungen abgebaut bis hin zum Methan. Neben dem Biogas entsteht bei der Prozesskette als Gärrückstand ein Gemisch aus Wasser, nicht abgebauter organischer Substanz (meist zellulosereiche oder holzartige Substanz) sowie nicht organischer Substanz (meist Sand und andere Bodenteilchen, Salz und andere Minerale). Die Vergärung findet im feuchten Milieu statt, die Mikroorganismen benötigen mindestens ca. 50 % Wasser im Ausgangssubstrat. Der Abbau der Biomasse wird in 4 Stufen betrachtet:

Die 1. Stufe der Vergärung ist die Hydrolyse. In dieser Phase werden hochmolekulare organische Verbindungen von Bakterien zu kleineren Einheiten aufgespalten. Die meisten der organischen Moleküle treten als verkettete, sich wiederholende Einheiten auf. Bakterien können diese Ketten nicht nutzen, sie scheiden zur Aufspaltung der organischen Verbindungen Enzyme aus. Aufgabe dieser Enzyme ist es, die großen Moleküle der Grundstoffgruppen, Eiweißstoffe, Kohlenhydrate und Fette soweit aufzuspalten, dass sie, in Wasser gelöst, durch die Zellmembranen der Bakterien diffundieren und durch Endoenzyme dem weiteren Stoffwechsel der Zelle verfügbar gemacht werden können. Die 2. Stufe der Vergärung ist die Säurebildung. Zunächst verwerten die anaeroben Bakterien den im Schlamm gelösten Sauerstoff und schaffen dadurch erst die für die Methanbakterien anaeroben Lebensverhältnisse. Sie sind aus diesem Grund für Methangärung von besonderer Bedeutung. Ist der gelöste Sauerstoff aufgebraucht, bedienen sie sich der molekularen Atmung, d.h. sie verwerten molekular gebundenen Sauerstoff. Die Säurebildner genannten Bakterien greifen die bei der Hydrolyse entstandenen Verbindungen an und zerlegen diese in Spaltprodukte mit niedrigerem Molekulargewicht, vor allem in Alkohole, Essigsäure, Propansäure, Buttersäure, Milchsäure , Aminosäuren, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und geringe Mengen Methan.

Da die Spalt- und Stoffwechselprodukte zum größten Teil aus Säuren bzw. aus Stoffen mit Säurecharakter bestehen, sinkt der pH-Wert im Schlamm unter 7, daher der Name „Säurebildung“. Das Temperaturoptimum für die Säurebildung liegt bei etwa 30 °C. Im gesamten Prozess gebildeter und nicht abgeführter Wasserstoff hat eine hemmende Wirkung auf die Säurebildungsphase. Die 3. Stufe ist die Essigsäurebildung. Hier werden die niedermolekularen organischen Säuren und Alkohole von Bakterien zu Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff abgebaut. Auch auf diesen Prozess wirkt eine erhöhte Wasserstoffkonzentration hemmend.

In der 4. Stufe, der Methanbildung, werden Essigsäure, CO2 und Wasserstoff von Bakterien zu Methan umgesetzt, Kohlendioxid ist hierbei im Überschuss und verbleibt als Rest im Gasgemisch. Aufgrund verschiedener Mikroorganismengruppen ergeben sich für diesen Prozess zwei Temperaturoptima, der mesophile Bereich (ca. 35 °C) und der thermophile Bereich (ca. 55 °C). Sie leben durch intramolekulare Atmung, d.h. sie entnehmen ihren lebensnotwendigen Sauerstoff den Molekülen anderer Stoffe. Dadurch sind sie in der Lage, organische Stoffe bis zur kleinsten, gasförmigen Molekularform zu zersetzten, nämlich zu Methan und Kohlendioxid. Das pH-Optimum liegt bei etwa pH 7, so dass eine kontinuierliche Verarbeitung der Zwischenprodukte erforderlich ist, um einer Versäuerung des Prozesses entgegenzuwirken.[2,4,8]

2.2 Biogaszusammensetzung

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