Wirtschaftlichkeit einer landwirtschaftlichen Biogasanlage unter besonderer Berücksichtigung der Kofermentation von Gras


Diplomarbeit, 2001
111 Seiten, Note: sehr gut

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung und Problemstellung

2 Rahmenbedingungen
2.1 Rechtliche Rahmenbedingungen
2.1.1 Zu Grunde liegendes Prämiensystem
2.1.2 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
2.1.3 Marktanreizprogramm der Bundesregierung
2.1.4 Düngemittelgesetz / Düngemittelverordnung / Düngeverordnung
2.1.5 Bioabfallverordnung (BioAbfV) und Biomasseverordnung (BiomasseV)
2.1.6 Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG)
2.2 Der Betrieb
2.3 Biologie und Technik von Biogasanlagen
2.3.1 Der Biogasprozeß
2.3.2 Verfahrenstechnik Biogas
2.3.3 Meß- und Betriebsgrößen und Reaktionskinetik
2.3.4 Integration in den landwirtschaftlichen Betrieb
2.3.5 Die Verwertung von Biogas
2.3.6 Mögliche Einsatzstoffe in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage und ihre Biogasausbeuten

3 Material und Methoden
3.1 Methoden der Nährstoffbilanzierung
3.2 Ökonomische Methoden
3.2.1 Investition und Rentabilität
3.2.2 Liquidität und Finanzplan
3.2.3 Deckungsbeitrag
3.2.4 Risiko bei der Planung
3.2.5 Auswahl von Investitionsalternativen

4 Ergebnisse am Beispielbetrieb
4.1 Nährstoffbilanzierung
4.2 Ökonomische Betrachtung
4.2.1 Investitionsrechnungen für Variante 1
4.2.2 Investitionsrechnung für Alternative 2
4.2.3 Liquidität und Finanzplan
4.2.4 Deckungsbeiträge einzelner Einsatzstoffe

5 Gesamtbewertung
5.1 Stoffliche Bewertung
5.2 Ökonomische Bewertung
5.2.1 Investitionsrechnung
5.2.2 Finanzplan und Liquidität
5.3 Risiko und Aussagesicherheit der Ergebnisse
5.4 Ausblick für den Betrieb

6 Zusammenfassung

7 Literatur

Anhang

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Verfahrensschritte bei der Vergärung

Abbildung 2: Schema verschiedener Anlageverfahren

Abbildung 3: Schema einer Biogasanlage

Abbildung 4: Biogasfermenter zur kontinuierlichen Vergärung von Festmist

Abbildung 5: Grund-, Belastungs- und Bemessungsparameter landwirtschaftlicher Biogasanlagen

Abbildung 6: Allgemeine Beziehung zwischen Verweilzeit, Biogasausbeute und Biogasrate in landwirtschaftlichen Biogasanlagen

Abbildung 7: Nährstoffkreislauf im landwirtschaftlichen Betrieb mit Biogasanlage

Abbildung 8: Komplexität bei der Brenngasaufbereitung

Abbildung 9: Kofermente zur Vergärung in Biogasanlagen

Abbildung 10: Jahresüberschuß im Zeitablauf der Investition 1

Abbildung 11: Jahresüberschuß im Zeitablauf der Investition 2

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Vergütungssätze für Strom von Biogasanlagen

Tabelle 2: Umrechnungsfaktoren zur Ermittlung des Teilschulderlasses

Tabelle 3: BioAbfV und notwendige Kontrollen

Tabelle 4: Genehmigungen nach BImSchV

Tabelle 5: allgemeine Betriebsdaten

Tabelle 6: Merkmale verschiedener Motorentypen

Tabelle 7: Notwendigkeit der Biogasreinigung in Abhängigkeit vom Verwendungszweck

Tabelle 8: Merkmale verschiedener Brennstoffzellen-Typen

Tabelle 9: Methan- und Biogasausbeuten von Wirtschaftsdüngern, Silage und Obsttrester

Tabelle 10: Gasbildungsrate und Methangehalt

Tabelle 11: Durchschnittswerte für Biogasertrag und Methangehalt für Futtermittel

Tabelle 12: Deckungsbeiträge für Grünland und Kleegras bei Einsatz in der Biogasanlage

Tabelle 13: Deckungsbeitrag für den Mehreinsatz von Obsttrester

Tabelle 14: Gegenüberstellung der Investitionsrechnungen

Tabelle 15: Spezifische Kennwerte der beiden Investitionsalternativen

1 Einleitung und Problemstellung

Am 1. April 2000 trat das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) in Kraft. Mit diesem Gesetz wird die Nutzung sogenannter regenerativer Energien durch eine Festschreibung der Stromeinspeisevergütung auf 20 Pf/kWh unterstützt. Parallel dazu gibt es seit September 1999 das Marktanreizprogramm der Bundesregierung. Neben Unterstützungen für den privaten Haushalt und für Firmen z.B. durch die Nutzung von Sonnenenergie mit Hilfe von Photovoltaik-Modulen zur Stromerzeugung oder von solarthermischen Anlagen wird auf Grundlage des Marktanreizprogramms auch ein speziell für die Landwirtschaft interessan­ter Bereich unterstützt: der Bau von Biogasanlagen.

Für einen ökologisch bewirtschafteten Betrieb im Main-Kinzig-Kreis in Hessen soll in dieser Arbeit die Möglichkeit des Einsatzes der Biogastechnologie als weiterer Betriebs­zweig erörtert werden. Eine Erweiterung der bewirtschafteten Ackerfläche ist für den Betrieb nur durch Zupacht möglich. Um aber Ackerland pachten zu können, muß man von den meisten Verpächtern auch Grünlandflächen pachten. Viele Landwirte in der Umge­bung geben ihre Höfe auf und wollen ihre gesamte Fläche und nicht nur die Ackerfläche abgeben. Aus dem Gras, das von diesem Grünland gewonnen wird, Strom zu gewinnen, bietet dem Landwirt eine neue Möglichkeit, sowohl seine Grünlandflächen zu nutzen als auch aus dem Verkauf von Strom weiteres Einkommen zu erzielen. Dieser kann im eige­nen Betrieb verwertet und durch das Erneuerbare Energien Gesetz auch mit großer Sicher­heit zu stabilen Konditionen verkauft werden.

In Biogasanlagen ist es möglich, neben Gülle als Grundsubstrat weitere Stoffe, sogenannte Kofermente, zu vergären oder diese sogar in unterschiedlichen Verfahren ganz ohne Gülle zu vergären. Als Kofermente eignen sich viele organische Substanzen, seien es pflanzliche Produkte oder auch Abfälle aus der Ernährungsindustrie. Gras (bzw. um eine ganzjährige Versorgung mit Gärsubstrat zu gewährleisten Grassilage) eignet sich ebenfalls zur stoffli­chen Verwertung. Neben dem Einsatz von Gras soll der Einsatz von Obsttrester als Kofer­ment statt der Fütterung an Tiere untersucht werden.

Die wesentlichen Rahmenbedingungen dafür werden in Kapitel 2 behandelt. Gesetzliche Rahmenbedingungen werden unter 2.1 beschrieben. In Kapitel 2.2 wird der Betrieb näher erläutert. Für die Vergärung von Gras als Koferment gibt es unterschiedliche technische Ansätze. Es werden unter 2.3 nach einer Einführung in den Prozeß und die allgemeinen Charakteristika von Biogasanlagen die technischen Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt, die derzeit als Stand der Technik gelten.

In Kapitel 3 werden die notwendigen Methoden erläutert, um die Veränderungen, die sich durch den Bau einer Biogasanlage ergeben, herauszuarbeiten und monetär zu bewerten. Abschnitt 3.1 zeigt Ansätze für eine Betrachtung der Änderungen im Nährstoffkreislauf innerhalb des Betriebes. Es folgt eine Zusammenstellung ökonomischer Methoden zur Entscheidungsfindung, um sehen zu können, ob es rentabel ist, in eine solche Anlage zu investieren. Anschließend werden Investitionsalternativen nach den betrieblichen Vorga­ben und den technischen Möglichkeiten ausgewählt.

Die Berechnungen anhand des Beispielbetriebes werden in Kapitel 4 beschrieben. Nach einer Betrachtung der Veränderungen des betrieblichen Nährstoffkreislaufs in den Investi­tionsalternativen im Vergleich zu der Ist-Situation in Abschnitt 4.1 erfolgt die Beschrei­bung der Durchführung der Berechnungen für die Investitionsalternativen.

Es werden die einzelnen Kosten und Erlöse zusammengestellt. Neben der Rentabilitätsbe­trachtung findet auch eine Bewertung der Liquidität mit Hilfe der Aufstellung von Finanz­plänen statt.

Es folgt die Darstellung und Bewertung der Ergebnisse und eine Risikoanalyse sowie einige Anmerkungen zur Aussagesicherheit der Ergebnisse. Eine Zusammenfassung der gewonnenen Ergebnisse findet sich in Kapitel 6.

2 Rahmenbedingungen

Für eine Entscheidung zur Verwertung von Gras und anderen Kofermentationsstoffen sind die Rahmenbedingungen für deren Einsatz genauer zu analysieren. Das betrifft sowohl die Rechtslage als auch die betriebliche Situation wie Lage, Bundesland, Flächenausstattung und besonders auch bebaubare Flächen, die für eine Biogasanlage nötig sind.

2.1 Rechtliche Rahmenbedingungen

Ein landwirtschaftlicher Betrieb ist heute sehr stark von Gesetzen und Verordnungen abhängig, die ihn direkt oder auch indirekt betreffen. Darunter gibt es das Prämiensystem, das allgemein für landwirtschaftliche Betriebe gilt. Speziell beim Bau einer Biogasanlage gelten viele weitere Regelungen, die beachtet werden müssen. Dazu zählen das Erneuer­bare Energien Gesetz (EEG), welches die Einspeisevergütung und -regularien für Strom aus regenerativen Energien festlegt und das Marktanreizprogramm der Bundesregierung (Förderung regenerativer Energien). Das Düngemittelrecht greift bei allen Fragen, bei denen es um die Verwendung oder die Veräußerung von Düngemitteln geht. Die Bioab­fallverordnung (BioAbfV) regelt den Umgang mit zur Kompostierung geeigneter Abfall­stoffe. Wenn Abfälle aus Schlachthöfen verwertet werden sollen, findet das Tierkörperbe­seitigungsgesetz (TierKBG) Anwendung. Bei der Errichtung einer größeren Biogasanlage wird das Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) wirksam, bei kleineren Anlagen reicht meist eine Genehmigung nach Baurecht aus.

Darüber hinaus sind bei dem Betrieb einer Biogasanlage auf einem biologisch wirtschaf­tendem Betrieb weitere Regelungen zu beachten. Beim Einsatz von Kofermenten ist es wichtig zu wissen, ob diese auch nach den EU-Verordnungen oder den Verbandsrichtlinien einsetzbar sind. Eine weitere Einschränkung bilden manche länderspezifischen Extensivie­rungsprogramme. Dabei sind die genauen Bedingungen für den Einsatz von Kofermenten aus pflanzlicher Produktion des eigenen Betriebes zu beachten.

2.1.1 Zu Grunde liegendes Prämiensystem

Es sollen in diesem Abschnitt kurz die maßgeblichen Prämien zusammengestellt werden, die bei dem Bau einer Biogasanlage auf einem landwirtschaftlichen Betrieb in Anspruch genommen werden können. Die Höhe der Prämien differiert teilweise von Bundesland zu Bundesland stark. Es gibt zum einen die Flächenprämien, die unterteilt werden in Getreide­flächen, Mais, Ölsaaten, Eiweißpflanzen und Stillegungsflächen. Die hier genannten Werte beziehen sich auf Hessen für die Ernte 2001 (KTBL, 2000). Für Stillegungs- und Getreide­flächen wird ein Betrag von 678,-- DM/ha ausgezahlt, während für Ölsaaten 855,-- DM/ha gezahlt werden. Die Flächenprämien werden beim Landwirtschaftsamt beantragt.

Zusätzlich gibt es in Hessen das „Hessische Kulturlandschaftsprogramm“ (HEKUL), dessen Ziel es ist, die Umwelt und den ländlichen Lebensraum zu schützen. Das Programm ist in zwei Kategorien eingeteilt (MULF, 2000):

a) Förderung des ökologischen Landbaus
b) Förderung extensiver Grünlandnutzung

Unter a) wird eine Unterstützung nach den Kriterien des ökologischen Landbaus gezahlt, sofern ein Betrieb die EU Verordnungen 2092/91 und 1804/99 einhält, welche die Kenn­zeichnung von Lebensmitteln aus ökologischem Landbau und die Voraussetzungen dafür regeln. Es wird je Hektar ein Betrag von 350,-- DM für Ackerkulturen, Dauergrünland sowie Feldgemüse- und Spargelanbau gezahlt. Für Dauerkulturen liegt der Betrag bei 1.200,-- DM.

Alternativ gibt es eine Unterstützung für extensive Grünlandnutzung (b), die grundsätzlich einen Tierbesatz von weniger als 1,4 rauhfutterfressenden GVE (RGV)/ha, mindestens jedoch 0,3 RGV/ha fordert. Hier liegt der Betrag zwischen 175,-- und 250,-- DM, je nach zusätzlicher Umweltleistung wie z.B. dem eingeschränkten Einsatz von chemisch-synthe­tisch hergestellten Stickstoff oder dem Verzicht auf Pflanzenschutzmittel.

2.1.2 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)

Das wohl wichtigste Gesetz, wenn es um erneuerbare Energien in Deutschland geht, ist das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), das im März 2000 verabschiedet wurde. Darin ist einerseits die Pflicht der Stromversorger zur Abnahme und andererseits die Vergütung des Stromes aus regenerativen Energiequellen geregelt. Dazu zählt die Erzeugung von elektri­scher Energie aus Wasserkraft, Windkraft, solarer Strahlungsenergie, Geothermie, Depo­niegas, Klärgas, Grubengas und Biomasse. Unter den letzten Punkt fällt auch der Bereich Biogas. Dabei ist zu berücksichtigen, daß Anlagen zur Gewinnung von Strom aus Wasser­kraft, Deponiegas- oder Klärgasanlagen, sowie aus Biomasse eine elektrische Anschlußlei­stung von 20 MW nicht übersteigen dürfen[1]. Berücksichtigung finden weiterhin nur Neuanlagen, die ab dem 1. April 2000 in Betrieb genommen wurden oder „in wesentlichen Teilen erneuert worden“ sind[2].

Der lokale Netzbetreiber wird verpflichtet, Strom aus o.g. Energiequellen entsprechend dem EEG abzunehmen und zu vergüten. Dazu gehört der Anschluß der Energieerzeu­gungsanlage an das öffentliche Netz. Verhandlungspartner ist der Netzbetreiber, der die kürzeste Entfernung zur Anlage hat. Er ist verpflichtet, einen Netzanschlußpunkt für die Anlagen zur Verfügung zu stellen und trägt hierfür auch die Kosten sowie die weiteren Kosten für einen Ausbau des Netzes, der erforderlich werden kann. Besonders bei größeren Biogasanlagen, die eine Anschlußleistung über 40 kW besitzen sind die Betreiber von einem möglichen Netzausbau betroffen, da die Anschlüsse für landwirtschaftliche Betriebe meist nicht größer ausgelegt sind.

Das bedeutet, daß der Übergabepunkt mehr oder weniger Verhandlungssache zwischen dem Anlagenbetreiber und dem Netzbetreiber ist und dabei im ungünstigen Fall auf den Betreiber einer Stromerzeugungsanlage enorme Kosten zukommen können. Seit kurzem ist für die Vermittlung zwischen dem Anlagen- und dem Netzbetreiber eine Clearingstelle beim Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie eingerichtet worden. Sie soll Streitfälle schlichten und zwischen den beiden Parteien vermitteln[3].

Die Vergütung für Strom aus Biomasse beträgt dem Gesetz nach im Jahr 2000 und 2001 0,20 DM/kWh bei Anlagen bis einschließlich 500 kW installierter elektrischer Leistung, über 500 kW bis zu 5 MW 0,18 DM/kWh und über 5 MW 0,17 DM/kWh, wie in Tabelle 1 ersichtlich. Die Vergütungen für Energie aus Biomasse werden beginnend mit dem 1. Januar 2002 um jährlich 1 % reduziert. So ergibt sich folgende Tabelle für die Mindester­löse aus dem Stromverkauf:

Tabelle 1: Vergütungssätze für Strom von Biogasanlagen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: EEG, 2000; eigene Berechnungen.

Für Energie aus anderen Quellen wie z.B. bei Windkraftanlagen sind unterschiedliche Preise maßgebend. Der Netzbetreiber muß jedoch nicht alleine für die Kosten der Vergü­tungen aufkommen. Diese werden über eine Ausgleichsregelung auf alle deutschen Netz­betreiber verteilt und wiederum auf alle Energieversorgungsunternehmen, die anteilig ihrer abgenommenen Gesamtenergie für die Mehrkosten aufkommen müssen. Eine Ausnahme besteht für die Energieversorger, die mindestens 50 % des verkauften Stromes aus regene­rativen Energien entsprechend dem EEG verkaufen. Sie müssen sich an den Ausgleichs­zahlungen nicht beteiligen. Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß das EEG eine Mindestvergütung für regenerativ erzeugten Strom festlegt und den Anschluß an das öffentliche Stromnetz regelt.

2.1.3 Marktanreizprogramm der Bundesregierung

Die Bundesregierung hat im August 1999 ein Marktanreizprogramm aufgesetzt, mit wel­chem die Entwicklung von Anlagen zur Nutzung regenerativer Energiequellen gefördert und deren Einsatz verbreitet werden soll. Die „Richtlinien zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien vom 20. August 1999“ stellen das Programm vor. Unterstützt werden der Einsatz von Solarkollektor-, Biomasseheiz-, Biogas-, Wasserkraft- und Photovoltaikanlagen sowie Wärmepumpen und Maßnahmen zur Energieeinsparung an Gebäuden.

Von 2000 bis 2003 werden für die Förderung Mittel in Höhe von etwa 1 Mrd. DM einge­setzt (BMWI, 2000). Die Förderung wird als Zuschuß oder als Darlehen gewährt. Es ist zu berücksichtigen, daß ein Kumulierungsverbot besteht, d.h. es dürfen außer dieser keine weiteren öffentlichen Förderungen in Anspruch genommen werden. Als Ausnahme gelten hier nur Darlehen aus öffentlichen Mitteln oder private Förderprogramme.

Weitere wichtige Aspekte zur Förderung von Biogasanlagen:

- Die Anforderungen der TA-Luft müssen auch im Teillastbetrieb des BHKW eingehalten werden.
- Die Sicherheitsrichtlinien für landwirtschaftliche Biogasanlagen in der jeweils gültigen Fassung des Fachverbandes Biogas e.V. sind einzuhalten.
- Eine Bestätigung durch das Landwirtschaftsamt über bewirtschaftete Flächen und Großvieheinheiten, für die eine Förderung beantragt wird, muß vorliegen.

Die Investitionskosten für die Maßnahme werden in einem zinsgünstigen Darlehen von der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) durch das „Programm zur Förderung erneuerbarer Energien“ (Programm Nr. 128) bereitgestellt. Die Laufzeit beträgt 20 Jahre, wobei der Zinssatz für die ersten 10 Jahre festgelegt ist und anschließend neu verhandelt wird. Der derzeitige Zinssatz beträgt p.a. effektiv 5,18 % (Stand Februar 2001). Die ersten 3 Jahre sind tilgungsfrei, was zu einer deutlichen Verbesserung der finanziellen Situation nach der Inbetriebnahme beiträgt. Die Förderung wird über die Hausbank des Anlagenbetreibers abgewickelt. Zusätzlich zu dem Darlehen gibt es einen Teilschulderlaß, der maximal 30 % der Investitionskosten sowie maximal 300.000,-- DM (153.387,56 €) betragen kann und über einen Schlüssel errechnet wird. Er wird bei Aufnahme des Kredites sofort von der Kreditsumme abgezogen und somit zu Beginn der Laufzeit ausgezahlt.

Die Höhe des Teilschulderlasses richtet sich nach den vorhandenen Großvieheinheiten der jeweiligen Tiere, von denen Gülle oder Mist vergoren werden soll, sowie nach der für die Biogaserzeugung genutzten Fläche.

Tabelle 2: Umrechnungsfaktoren zur Ermittlung des Teilschulderlasses

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Anlage der „Richtlinien zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien vom 20. August 1999“

Multipliziert man den Wert in Tabelle 2 mit der Anzahl der Großvieheinheiten, bzw. der Größe der Stillegungsfläche, auf der nachwachsende Rohstoffe angebaut werden sollen, so erhält man eine theoretische Anlagengröße. Man kann nun in der Tabelle des KfW-Pro­gramms den Betrag des Teilschulderlasses ablesen. Mit steigender theoretischer Anlagen­leistung steigt somit auch die Höhe des Teilschulderlasses bis zur maximalen Förderungs­summe von 30 % der Investitionssumme oder maximal 300.000,-- DM.

Nach den neuen Richtlinien vom 23. März 2001 (BAFA, 2001) werden keine Energieein­sparungen an Gebäuden mehr gefördert, wenn sie nicht mit einer Heizungsmodernisierung einhergehen. Weitere Änderungen betreffen die Höhe Förderungen bei Solarkollektoranla­gen und Biomasseverbrennungsanlagen.

2.1.4 Düngemittelgesetz / Düngemittelverordnung / Düngeverordnung

Das Düngemittelgesetz (DüMG) und die zugehörigen Verordnungen Düngemittelverord­nung (DüngemittelVO) sowie Düngeverordnung (DüngeVO) regeln die Anwendung und das Inverkehrbringen von Abfällen und Wirtschaftsdüngern. In der Düngemittelverord­nung werden zugelassene Düngemittel aufgeführt. Wenn Biogasgülle als Sekundärnähr­stoff in Verkehr gebracht werden soll, so muß sie

- einem zugelassenen Düngemitteltyp entsprechen,
- ordnungsgemäß aufbereitet sein und
- eine Zusammensetzung und Deklarierung entsprechend dem jeweiligen Düngemitteltyp aufweisen (nach ARENDS, 2000).

Werden betriebsfremde Kofermente eingesetzt, so muß ebenfalls die Bioabfallverordnung (siehe Kapitel 2.5) eingehalten werden. Nach DüngemittelVO ist es nicht möglich, Biogas­gülle auf fremden Flächen auszubringen oder die Gülle an andere Betriebe zu verkaufen, da Biogasgülle derzeit noch keine eigene Deklarierung nach DüngemittelVO besitzt.

Werden Düngemittel und damit auch Biogasgülle auf landwirtschaftlich genutzte Flächen ausgebracht, so gilt die DüngeVO. Sie beschreibt die „gute fachliche Praxis“, durch die maximale Ausbringmengen und angestrebte Nährstoffgehalte im Boden festgelegt werden. Grundsätzlich ist nach dem Bedarf der Pflanzen zu düngen, d.h. in Abhängigkeit von Bodenreserven und dem erwarteten Ertrag mit der dazu nötigen Menge an Düngemitteln (KTBL, 2000).

Bei flüssigen, N-haltigen Düngemitteln (TM-Gehalt kleiner als 20 %) sind zudem Sperr­fristen für die Ausbringung einzuhalten. Das Ausbringen von Gülle ist zwischen dem 15. November und dem 15. Januar verboten. Die Ausbringung muß mit geeigneter Technik zur Vermeidung von Nährstoffverlusten erfolgen und ist auf unbestellten Böden unmittelbar nach der Ausbringung einzuarbeiten.

2.1.5 Bioabfallverordnung (BioAbfV) und Biomasseverordnung (BiomasseV)

Die Bioabfallverordnung (auch „Verordnung über die Verwendung von Bioabfällen auf landwirtschaftlich, forstwirtschaftlich und gärtnerisch genutzten Böden“) regelt die Ver­wertung von Bioabfällen, die mit der Einführung des Kreislaufwirtschafts- und Abfallge­setzes vorgeschrieben wurde.

Bioabfälle sind wie folgt definiert:

„Abfälle tierischer oder pflanzlicher Herkunft zur Verwertung, die durch Mikroorganis­men, bodenbürtige Lebewesen oder Enzyme abgebaut werden können; hierzu gehören insbesondere die in Anhang 1 Nr. 1 genannten Abfälle; Bodenmaterial ohne wesentliche Anteile an Bioabfällen gehört nicht zu den Bioabfällen; Pflanzenreste, die auf forst- oder landwirtschaftlich genutzten Flächen anfallen und auf diesen Flächen verbleiben, sind keine Bioabfälle“ (BIOABFV, 1998, §2 Abs. 1).

Die Bioabfallverordnung enthält notwendige Nachweisverfahren über die Verwendung und Verwertung von organischen Abfällen und die entsprechenden Überwachungsmethoden. Bioabfälle sollen so behandelt werden, daß sie unbedenklich in Hinsicht auf Phyto- und Seuchenhygiene sowie Schadstoffe auf landwirtschaftlich, forstwirtschaftlich oder gärtne­risch genutzte Böden ausgebracht werden können. Dafür sind verschiedene Überwa­chungsrichtlinien zur Einhaltung der vorgeschriebenen Standards zu beachten.

Die Verwertung von Bioabfällen in einer Biogasanlage unterliegt grundsätzlich den Be­stimmungen der Bioabfallverordnung. Betreiber einer Abfallbehandlungsanlage für Bioab­fälle müssen die Unbedenklichkeit der Endprodukte durch direkte Prozeßprüfung, indirekte Prozeßprüfung und eine Endproduktprüfung nachweisen. Grundsätzlich müssen die Stoffe, deren Wassergehalt über 40 % und deren pH-Wert um 7 liegen soll, entweder über 2 Wochen auf eine Temperatur über 55 °C, bei einer Temperatur von über 65 °C über min­destens eine Woche oder bei einer Temperatur von über 70 °C eine Stunde behandelt werden. Für Anaerobanlagen sind eine gesicherte hydraulische Verweilzeit (siehe auch Kapitel 2.3.2) von 20 Tagen und eine Mindesttemperatur von über 55 °C über 24 Stunden vorgeschrieben. Biogasanlagen, die in einem Temperaturbereich unter 55 °C betrieben werden, bedürfen einer vorgeschalteten Hygienisierung, um den Anforderungen der BioAbfV zu entsprechen.

Es gibt mehrere Methoden der Überprüfung bei Biomassebehandlungsanlagen:

- Die direkte Prozeßprüfung fordert die Mitbehandlung eines Test- oder Indikatororganismus. Die Anforderungen sind in der Verordnung detailliert aufge­führt[4].
- Die indirekte Prozeßprüfung beinhaltet die kontinuierliche Messung der Tempera­tur in der Anlage und die Aufzeichnung mindestens eines Meßwertes am Tag. Die Messung muß an mindestens drei repräsentativen Meßstellen erfolgen.
- Eine Endproduktprüfung soll die Sicherheit der aus der Anlage gelangenden Stoffe gewährleisten. Untersucht werden hier eine unterschiedliche Anzahl Proben je Jahr auf Salmonellen, keimfähige Samen und austriebsfähige Pflanzenteile.
- Es sind eine Endproduktprüfung auf Schwermetalle sowie Messungen auf den Fel­dern, auf denen ausgefaultes Substrat ausgebracht werden soll, erforderlich.

Es können Ausnahmen besonders in Bezug auf eine direkte Prozeßprüfung beantragt werden, da diese Art der Prüfung in einer Biogasanlage schwierig ist. Dazu müssen aus dem Gärraum jederzeit Proben entnommen werden können, was durch den Luftabschluß nur mit einer technischen Einrichtung möglich ist.

Auch nach der neuen Biomasseverordnung (BiomasseV) – in der vom Bundeskabinett verabschiedeten Fassung vom 07. März 2001 – regelt der §2 Abs. 1 der Bioabfallverord­nung die Definition von Biomasse. Nur der aus diesen Eingangsmaterialien produzierte Strom wird nach den Sätzen des EEG vergütet.

In der Biomasseverordnung werden z.B. folgende Stoffe als Biomasse im Sinne der Ver­ordnung ausgeschlossen[5]:

- fossile Brennstoffe sowie daraus hergestellte Neben- und Folgeprodukte
- Torf
- gemischte Siedlungsabfälle
- Altholz (näher erläutert)
- Papier, Pappe, Karton
- Klärschlamm im Sinne der Klärschlammverordnung
- Hafenschlick und sonstige Gewässerschlämme und –sedimente
- Textilien
- Deponiegas
- Klärgas
- Tierkörper, Tierkörperteile und Erzeugnisse im Sinne des Tierkörperbeseitigungsgesetzes

Es gelten auch nach der neuen Biomasseverordnung die gleichen Einsatzstoffe und die entsprechenden Begriffsbestimmungen wie in der BioAbfV. Einer Eigenverwertung von Biomasse auf betriebseigenen Flächen, wie die Verwendung von nachwachsenden Roh­stoffen, ist demnach weiterhin ohne Einschränkungen möglich.

Für den Landwirt als Biogasanlagenbetreiber ist die BioAbfV nur maßgebend, sofern er betriebsfremdes Material und nicht nur eigene Silage in der Anlage vergären will. Nicht unter die Bestimmungen fallen auch Futtermittel und Futterreste, da diese nicht als Abfall behandelt werden müssen. Werden in einer Anlage Bioabfälle mitvergoren, so ist auch zu beachten, daß das gesamte Endprodukt den Bestimmungen des Abfallrechtes unterliegen. Somit wird auch die eingesetzte Gülle und eingesetzte eigene Biomasse zwangsläufig zu Abfall und muß vor der Ausbringung auf die Felder entsprechend der Bioabfallverordnung untersucht werden.

Für den in der Einleitung erwähnten Obsttrester gibt es in der BioAbfV die Einschränkung, daß das Produkt daraus nicht auf Dauergrünlandflächen ausgebracht werden darf (BIOABFV, 2000, Anhang 1), obwohl Obsttrester als Futtermittel anerkannt ist und in der Landwirtschaft verfüttert werden darf. Nach der Biomasseverordnung ist der Einsatz von Obsttrester in Energieanlagen jedoch eindeutig erlaubt, wie die Einzelbegründung zu § 2, Abs. 1 Satz 2 in der BiomasseV erklärt (BIOMASSEV, 2001). Die Biomasseverordnung wurde auch vom Budestag am 1.06.2001 beschlossen und wird in den nächsten Tagen in Kraft treten[6].

Tabelle 3 gibt Aufschluß über die Bedeutung der Bioabfallverordnung bei unterschiedli­chen Bioabfällen.

Tabelle 3: BioAbfV und notwendige Kontrollen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: nach Helm (2001), eigene Darstellung

2.1.6 Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG)

Das Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) findet beim Bau von Gebäuden und Anlagen Anwendung, von denen Emissionen in hohen Konzentrationen zu erwarten sind, wie z.B. im landwirtschaftlichen Betrieb von größeren Mastställen und größeren Güllela­gern. Beim Bau von Biogasanlagen gilt es ebenfalls, wenn die Lagerkapazität 2500 m³ übersteigt (vgl. Tabelle 4).

Ziel des Gesetzes ist der Schutz von Mensch und Tier vor gefährdenden Umwelteinwir­kungen und die Gefahrenabwehr durch Betriebsstätten, Produktionsstätten und Einrichtun­gen. Dabei steht der Schutz durch geeignete Wahl von Sicherheitsmaßnahmen im Vorder­grund. Durch einen Mindeststandard an Sicherheitseinrichtungen wird versucht, das Risiko, welches solche Anlagen beinhalten, auf ein Minimum zu beschränken. In den Bundes-Immissionsschutzverordnungen werden die Auflagen für das Errichten und Betreiben solcher Einrichtungen geregelt. Grundsätzlich bedarf es einer Genehmigung durch die Genehmigungsbehörde.

Es gibt verschiedene Verordnungen, die im Zusammenhang mit dem Bundes-Immisions­schutzgesetz erlassen wurden. Die 4. BImSchV (4. BIMSCHV, 1999) regelt, ab welchen Grenzen eine Anlage genehmigungsbedürftig ist. Die Verordnung gilt sowohl für aerobe Biomassebehandlungsanlagen wie Kompostierungsanlagen als auch für anaerobe wie z.B. Biogasanlagen.

Biogasanlagen sind nach der 4. BImSchV genehmigungsbedürftig, wenn ihre Feuerungs­wärmeleistung (d.h. die thermische und elektrische Leistung zusammen) 350 kW übersteigt. Zusätzlich darf die Menge an Bioabfall als Kosubstrat 10 t/d nicht übersteigen. Darüber kommt ein förmliches Verfahren mit Einbeziehung der Öffentlichkeit und Grundbelastungsmessungen am Standort zur Anwendung. In Tabelle 4 sind für aus­gewählte Anlagen im Sinne der 4. BImSchV die Schwellenwerte und die Art des Geneh­migungsverfahrens dargestellt.

Vorteil einer Genehmigung nach 4. BImSchV ist, daß über den Genehmigungsantrag innerhalb von drei Monaten entschieden wird[7], was bei einer Genehmigung nach Baurecht nicht gewährleistet ist.

Tabelle 4: Genehmigungen nach BImSchV

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quellen: nach Weiland (1997) und Arends (2000); eigene Darstellung

2.2 Der Betrieb

Der ökologisch wirtschaftende landwirtschaftliche Betrieb liegt im nördlichen Main-Kinzig-Kreis in Hessen. Die Höhenlage reicht von 180 m bis 320 m über n.N. Die Land­schaft ist durch ein schmales Tal und umliegende Bergkuppen gekennzeichnet. Durch die Ausläufer von Rhön, Vogelsberg und Spessart sind viele verschiedene Bodenarten vorhan­den und die Flächen bestehen jeweils etwa zur Hälfte aus mittelschweren und schweren, vielfach sehr steinigen Böden. Die mittlere Jahresdurchschnittstemperatur beträgt 8,5 °C und die mittlere jährliche Niederschlagsmenge liegt bei 810 mm. Die Ackerzahlen der bewirtschafteten Flächen reichen von 25 bis 65 und die Grünlandzahlen von 30 bis 67.

Die Agrarstruktur der Gegend ändert sich in den letzten Jahren rasant. So gibt es in der Umgebung nur noch wenige kleinere Betriebe. Da viele Betriebe die Milchviehhaltung aufgeben, aber nur einige von ihnen auf Mutterkuhhaltung umsteigen, werden Grünland­flächen frei. Da die meisten Verpächter sowohl Ackerland als auch Grünland besitzen und hauptsächlich Ackerland zur Pacht nachgefragt wird, ist Grünland sehr günstig. Oder es gibt, wie eingangs erwähnt, zusätzliches Ackerland nur zusammen mit Grünland zu pach­ten. Die Pachtpreise liegen derzeit bei etwa 120,-- DM/ha für Grünlandflächen und 150,-- DM/ha für Ackerland[8].

Der untersuchte Betrieb umfaßt derzeit eine landwirtschaftliche Nutzfläche (LN) von etwa 280 ha. Davon entfallen rund 110 ha auf Grünland. Der Betrieb benötigt nicht die gesamte Grünlandfläche zur Versorgung der Tiere, so daß Heu von etwa 30 ha der Fläche verkauft wird. Zur Bindung von Stickstoff wird auf der vorgeschriebenen Flächenstillegung 2-jährig Kleegras angebaut. Über die vorgeschriebene Stillegung hinaus sind Leguminosen in die Fruchtfolge integriert. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Ackerbohnen und Erb­sen. Die Trockenmasseerträge bei Gras liegen bei rund 5 t/(ha*a), die durch eine Düngung mit Gülle noch zu steigern sind, da die genutzten Flächen derzeit nicht mit Stickstoff oder schnell wirkenden Düngemitteln versorgt werden. Bei Kleegras ist mit einem Ertrag von 6,5 t TM/(ha*a) zu rechnen.

Auf dem Betrieb bestehen derzeit 280 Mastschweineplätze auf Tiefstreu. Es ist eine Er­weiterung der Schweinemast geplant, an die eine Biogasanlage angeschlossen werden kann. Nach der Planung wird ein Außenklimastall mit Auslauf und einem außenliegenden Teilspaltensystem mit Güllekanal für weitere 370 Mastplätze sowie 84 Zuchtsauen gebaut. Der Ferkelaufzuchtbereich wird 300 Plätze für Ferkel von 10 kg Absetzgewicht bis 35 kg Umstallgewicht umfassen.

Weiterhin werden zur Zeit 55 Mutterkühe mit Nachzucht gehalten. Die Mast von 70 Och­sen und Färsen findet in einem Boxenlaufstall statt, der in eine Güllegrube abgeschoben wird. Während der Wintermonate (November bis April) befinden sich die Mutterkühe ebenfalls in dem Boxenlaufstall. Dieser Stall befindet sich etwa 5 km von der Hauptbe­triebsstätte entfernt. Das Güllelager dort umfaßt eine Lagerkapazität von etwa 1.500 m³.

Die wichtigsten betrieblichen Daten sind in Tabelle 5 zusammengefaßt.

Tabelle 5: allgemeine Betriebsdaten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: eigene Darstellung

Für Sommer und Winter entstehen unterschiedliche Güllemengen in dem Stall für Och­senmast und Mutterkuhhaltung. Es fallen in den 6 Wintermonaten etwa 1015 m³ Gülle an, während im Sommer nur 412 m³ anfallen.[9] Da auf dem Gelände etwa 1500 m³ Güllelager vorhanden sind, würde diese Kapazität ausreichen, um eine gleichmäßige Beschickung der Biogasanlage vorzunehmen. Es könnte täglich bei der Fütterung der Tiere Substrat mit dem Schlepper und einem Güllefaß transportiert werden. Da dieser Transport bei der Aus­bringung auf die Felder auch zu einem großen Teil an der Hauptbetriebsstätte vorbeiführen würde, werden vom Betriebsleiter keine weiteren Kosten für den Transport angesetzt.

Bei der Schweinemast und den Zuchtsauen fällt die Gülle kontinuierlich an und der Fest­mist nach dem Abverkauf oder dem Umstallen einer Gruppe. Es kann daher angenommen werden, daß mit einer kleinen Lagerplatte für den Festmist das Substrat kontinuierlich zugeführt werden kann.

Eine 15 km entfernt gelegene Kelterei, mit der der Betrieb zusammenarbeitet, bietet zur Verwertung jährlich etwa 2000 t Obsttrester kostenlos zur Abholung an. Der Trester hat nach Schätzungen einen Trockenmassegehalt von etwa 40 % und besteht zum größten Teil aus Apfel- aber auch aus Birnen-, Holunder- und Johannisbeertrester.

2.3 Biologie und Technik von Biogasanlagen

Die Biogastechnologie ist nicht neu. So gab es bereits in den 30er Jahren die ersten Bio­gasanlagen in Deutschland. Auch in Entwicklungsländern oder im asiatischen Raum sind viele Biogasanlagen zu finden. Die meisten von ihnen sind auf eine thermische Nutzung des Biogases zum Kochen und Heizen ausgelegt. Es handelt sich hierbei meist um kleine Anlagen, die den Bedarf an Energie in einem oder wenigen Haushalten decken können. Seit einigen Jahren werden allerdings auch dort große Anlagen zur Reinigung von Abwäs­sern und landwirtschaftliche Anlagen gebaut.

Seit der Ölkrise in den 70er Jahren gab es einen Schub beim Bau von landwirtschaftlichen Biogasanlagen in Deutschland; ein weiterer fand mit der Öffnung des Strommarktes und der Einführung des Stromeinspeisegesetzes zu Beginn der neunziger Jahre statt[10]. Dabei zielte die Biogasproduktion immer mehr auf die Gewinnung von elektrischer Energie zum Verkauf ab, statt wie bisher auf eine Selbstversorgung mit Strom und Wärme. Stand der Technik ist heute das Verbrennen des Gases mit Hilfe eines Blockheizkraftwerkes (BHKW), das aus einem Motor, einem Generator zur Stromerzeugung und der entspre­chenden Technik zur Steuerung des Motors besteht. Dazu werden noch ein Wärmetauscher zur Nutzung der Motorabwärme sowie ein Notkühler benötigt.

In dem folgenden Abschnitt wird die Gewinnung von Biogas etwas näher erläutert. Es gibt dabei viele Unterschiede, die es auch bei der Auswahl einer geeigneten Anlage für einen landwirtschaftlichen Betrieb zu berücksichtigen gilt. Ein geeignetes System zur Erzeugung von Biogas hängt ganz von den betrieblichen Gegebenheiten ab. Als erstes kommt es darauf an, welche Einsatzstoffe zur Verfügung stehen, da hier große Unterschiede zwi­schen den Verfahren bestehen. Es gibt unzählige Kombinationsmöglichkeiten, eine Bio­gasanlage aus verschiedenen an die betrieblichen Gegebenheiten angepaßten Komponenten zusammenzustellen. Weiterhin werden von verschiedenen Firmen und Planern bestimmte Baugruppen bevorzugt eingesetzt und als die beste Lösung für ein Problem angesehen. Die Details der Anlagenplanung gehen über den Rahmen dieser Arbeit hinaus und sollen deshalb nicht beschrieben werden. Im Folgenden soll eine Einführung in die verschiedenen Möglichkeiten der Biogastechnologie gegeben werden, die den derzeitigen Stand des Wissens darstellen.

2.3.1 Der Biogasprozeß

Doch zunächst einmal eine kurze Einführung in den Prozeß der Biogasbildung. In einer Biogasanlage wird das zu vergärende Substrat mit Hilfe von Bakterien in unterschiedlichen Stufen zu Methan und Kohlendioxid abgebaut. Als Endprodukte entstehen Biogasschlamm und Biogas. Der Schlamm besitzt ähnliche Eigenschaften wie Gülle und enthält Mikro­benmasse und nicht abbaufähiges Material. Es gehen bei dem Prozeß fast keine Nährstoffe verloren, wodurch Biogasgülle ein sehr wertvoller Pflanzendünger ist.

Die Biogasbildung findet unter anaeroben Bedingungen bei einer Temperatur um etwa 27 °C (psychrophil), 37 °C (mesophil) oder 55 °C (thermophil) statt. Das eingesetzte Substrat wie z.B. Gülle wird in vier Stufen zu Biogas, einem Gasgemisch aus 60 bis 75 % Methan (CH4), 23 – 38 % Kohlendioxid (CO2) und etwa 2 % verschiedener Gase (Wasser­stoff, Schwefelwasserstoff und Kohlenmonoxid), umgewandelt[11].

Dabei unterscheiden sich die Substanzklassen Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße deutlich in der jeweiligen daraus hervorgehenden Gaszusammensetzung. Entsprechend differiert auch die Gasqualität von verschiedenen Gärsubstraten, so daß in der Planungsphase nur bestimmte Annahmen bezüglich der erwarteten Gasqualität getroffen werden können.[12]

Die folgenden Vorgänge finden während der Vergärung aufeinander aufbauend durch verschiedene Bakterienstämme statt:[13]

- Hydrolytische Phase:

In dieser Phase werden die hochmolekularen Verbindungen in kurzkettige Bau­steine zerlegt.

- Acidogene Phase:

In der zweiten Phase werden Produkte der hydrolytischen Spaltung mikrobiell ver­goren. Es entstehen dabei methanogene (z.B. Acetat, Formiat, Methanol, Wasser­stoff und Kohlendioxid) und nicht methanogene Abbauprodukte (wie Propionat, Butyrat, diverse Alkohole und Aldehyde). Methanogene Produkte entstehen ver­stärkt bei niedrigem Wasserstoffpartialdruck.

- Acetogene Phase:

Acetogene Bakterien bauen die nicht methanogenen Zwischenprodukte weiter zu Acetat, Wasserstoff und Kohlendioxid ab. Während der Umwandlung der nicht methanogenen Verbindungen steigt durch die Bildung von zusätzlichem Wasser­stoff der Wasserstoffpartialdruck, hemmt die acetogenen Bakterien und bewirkt, daß weniger methanogene Zwischenprodukte bei der acidogenen Phase gebildet werden. Daher ist vonnöten, daß der Wasserstoff unmittelbar von den methanoge­nen Bakterien abgebaut wird, die deshalb auch in der Nähe der acetogenen Bakte­rien angesiedelt sein müssen.

- Methanogene Phase:

Durch den Abbau von Wasserstoff sinkt der Wasserstoffpartialdruck und neuer Wasserstoff kann in den beiden vorhergehenden Phasen gebildet werden. Die Me­thanbakterien bilden unter streng anaeroben Bedingungen Methan. Sie gehören zu den sauerstoffempfindlichsten Bakterien.

Abbildung 1 zeigt eine Übersicht über die ablaufenden Prozesse, die entstehenden Zwi­schen- und Endprodukte sowie die zugehörigen Bakteriengruppen bei der Vergärung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Verfahrensschritte bei der Vergärung (Quelle: VON BAUR, 1993)

2.3.2 Verfahrenstechnik Biogas

Neben der in Kapitel 2.3.1 beschriebenen Unterscheidung der Temperatur der Gärverfah­ren kann man den Gärprozeß weiter unterteilen nach

- Flüssig- oder Trockenverfahren,
- der Trennung des Prozesses in verschiedene Verfahrensstufen,
- der Art der Beschickung,
- der Art der Durchmischung und
- verschiedene Systeme der Trockenfermentation.

Flüssig- oder Trockenverfahren

Bei Einsatz von flüssigen Stoffen bietet sich das Flüssigverfahren an. Es kann, bedingt durch die Bauart der verwendeten Pumpen und Rührwerke, meist ein Substrat von bis zu 15 % Trockenmasse behandelt werden. Einen besseren Anhaltspunkt stellt die Viskosität des Substrates dar, da bei der Trennung in feste oder flüssige Vergärung die Pumpfähigkeit entscheidend ist und somit die Viskosität eine bessere Aussagekraft hat. Vielfach gibt es jedoch nur eine Bestimmung des TM-Gehaltes, weshalb dieser trotzdem als Kriterium herangezogen wird.

Sollen Substrate mit höheren TM-Gehalten als 15 % verwertet werden, so müssen sie entweder mit Wasser oder mit anderen Stoffen mit geringem TM-Gehalt verdünnt werden. Auch eine Verdünnung mit ausgefaulter Biogasgülle (sogenanntes Recyclat oder Fugat) ist möglich, da in dem Prozeß des mikrobiellen Abbaus die organische Masse des Substrates abnimmt und Kohlenstoff in Form von Methan und Kohlendioxid im Biogas enthalten ist. Eine weitere Möglichkeit stellt die direkte Beschickung der Feststoffe in den Fermenter durch Einspülkanäle, -trichter oder mit Hilfe von hydraulischen Schubstangen oder Schnecken dar. Diese Verfahren sind möglich, solange das Substrat im Fermenter rührfä­hig bleibt, was bis etwa 18 % TS der Fall ist.

Bei überwiegend festen Substraten ist zu überlegen, ob sie verflüssigt werden können (z.B. durch vorhandene Flüssigkeit) oder besser ein Trockengärverfahren gewählt werden sollte, was sich bei TM-Gehalten über 25 % anbietet (Hoffmann, 2000).

Einstufige und mehrstufige Verfahren

Außerdem ist eine Unterteilung in ein- und zweistufige Verfahren möglich. Da die hydro­lytische Phase bei leicht vergärbaren Substanzen einen Engpaß darstellen kann, gibt es die Möglichkeit, sie in einer vorgeschalteten Hydrolysestufe ablaufen zu lassen. Das bedeutet, daß das Substrat zuerst eine getrennte Hydrolysestufe durchläuft, in der niedere organische Säuren gebildet werden, die in der folgenden Stufe methanisiert werden. Für die Energie­gewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen wie Gras ist dies jedoch aufgrund des vergli­chen mit Abwässern sehr hohen TM-Gehaltes und der langen Verweilzeit nicht nötig.

Beschickung

Eine weitere Unterscheidung ist nach der Art der Beschickung möglich. So gibt es

- Speicheranlagen,
- Durchflußanlagen und
- Batch-Anlagen.

Speicheranlagen werden heute kaum noch gebaut. Sie stellen die einfachste Art der Bio­gasgewinnung dar. Ein möglicherweise vorhandener Güllebehälter wird isoliert, beheizt und gasdicht abgeschlossen und somit zu einem einfachen Fermenter umgebaut. Der Behälter dient neben der Produktion von Biogas auch der Speicherung des Gärsubstrates. Diese einfache Form hat den Nachteil, daß die Biogasproduktion und somit die Energie­gewinnung mit dem Füllstand des Behälters und dem Alter des Substrates schwankt. Wenn der Behälter gefüllt wird, steigt die Biogasproduktion an und erreicht vor dem Entleeren sein Maximum.

Die Durchflußanlage weist im Gegensatz zur Speicheranlage einen getrennten Raum für Fermenter und Endlager auf. Häufig wird dem Fermenter noch ein Nachgärbehälter nach­geschaltet, dann spricht man von einer Speicher-Durchflußanlage. Hinter dem Fermenter unvollständig vergorenes Material soll in einem Nachgärbehälter weiter abgebaut werden. Besonders bei Einsatz von Biomasse als Koferment wird diese Zeit benötigt, da der Gär­prozeß über einen längeren Zeitraum abläuft.

Batch-Anlagen bestehen aus mehreren teilweise parallel betriebenen Fermentern, die einmal mit Gärsubstrat und etwa 10 % Impfsubstrat gefüllt werden und anschließend ausgasen. Das Impfen kann durch unvollständige Entleerung und anschließende Mischung geschehen.

Nach der vollständigen Füllung und dem Verschließen eines Behälters steigt die Biogas­produktion an, erreicht nach einer vom Substrat abhängigen Zeit ein Maximum und fällt dann wieder langsam ab. Befüllt man bei einer Verweildauer von 60 Tagen vier Behälter nach jeweils etwa 14 Tagen, so ist eine recht gleichmäßige Gasausbeute mit geringem technischem Aufwand möglich. Es darf bei dieser Variante jedoch der Aufwand für das Befüllen und Entleeren nicht vernachlässigt werden, auch wenn sie teilautomatisiert statt­finden kann. Da sich das Gärsubstrat in unterschiedlichen Behältern befindet, wirkt sich bei dieser Variante eine Störung des Biogasprozesses in einem Behälter nicht so gravierend auf die gesamte Anlage aus, wie in einer Anlage mit nur einem Fermenter. Gelangen z.B. Giftstoffe in einen Fermenter, so fällt die Biogasproduktion von nur diesem einen Behälter aus, während die übrigen Behälter weiterhin Gas produzieren. Ähnlich funktioniert das Wechselbehälterverfahren, bei dem mehrere Behälter abwechselnd gefüllt, aufgefault und entleert werden. Es ist jedoch in der Praxis fast nicht umgesetzt. In Abbildung 2 sind die verschiedenen Verfahren zusammengefaßt bildlich erklärt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Schema verschiedener Anlageverfahren (Quelle: SCHULZ, 1996)

In Abbildung 3 sind die einzelnen Anlagenkomponenten einer Flüssigvergärungsanlage mit Kofermentation dargestellt (BML, 2000).

Abbildung 3: Schema einer Biogasanlage (Quelle: BML, 2000)

Werden Kofermente eingesetzt, die nicht kontinuierlich anfallen, so wird ein Lager benö­tigt. Bei Einsatz von Gras oder Obsttrester, wie es für den vorliegenden Betrieb ange­nommen wird, besteht das Lager aus einer Lagerplatte oder einem Fahrsilo. Hygienisch bedenkliche Stoffe müssen in einer der Anlage vorgeschalteten Stufe hygienisiert werden (vgl. Kapitel 2.1.5). In der Vorgrube werden die anfallenden Wirtschaftsdünger zwischen­gespeichert und Kofermente eingemischt, sofern sie nicht direkt in den Fermenter einge­bracht werden. Von da aus wird das homogenisierte Substrat ein- oder mehrmals täglich in den beheizten Fermenter gepumpt. Dort findet die Vergärung statt. An den Fermenter schließt sich ein Gasspeicher an, in dem das entstehende Gas aufgefangen und zwischen­gelagert wird, um anschließend z.B. in einem BHKW verwertet zu werden. Für den Ein­satz von feststoffreichen Substraten als Koferment wie es Grassilage und Obsttrester sind, bietet sich zur Verlängerung der Verweilzeit ein Nachgärbehälter an, der ebenfalls beheizt ist. Die beiden Gasräume von Fermenter und Nachgärbehälter sind in diesem Fall verbunden. Das Endlager wird für das ausgefaulte Substrat benötigt, um es bis zur Aus­bringung auf die Felder zu lagern. Nach TA-LUFT (Nr. 3.3.7.1.1) muß der Lagerraum ausreichend sein, um den Biogasschlamm ein halbes Jahr lang aufnehmen zu können.

[...]


[1] EEG (2000), § 2, Abs. 2

[2] EEG (2000), § 2, Abs. 3

[3] Diskussionsforum der 10. Jahrestagung des Fachverbandes Biogas e.V. am 09.01.2001 in Borken (Hessen)

[4] vgl. BIOABFV, 1998, Anhang 2, Punkt 2.2.1

[5] vgl. BIOMASSEV, 2001, §3

[6] siehe BIZ (2001) oder Pressemeldungen unter www.boxer99.de vom 01.06.2001.

[7] vgl. BImSchG, §10, 6a

[8] mündliche Auskunft des Betriebsleiters am 20.02.2001

[9] errechnet nach Daten aus KTBL (2000)

[10] vgl. SCHULZ (1996), S. 7 ff.

[11] vgl. GRAF (1999), S. 13

[12] vgl. WELLINGER et al. (1991), S. 27 ff.

[13] vgl. GRAF (1999), S. 15 ff.

Ende der Leseprobe aus 111 Seiten

Details

Titel
Wirtschaftlichkeit einer landwirtschaftlichen Biogasanlage unter besonderer Berücksichtigung der Kofermentation von Gras
Hochschule
Georg-August-Universität Göttingen  (Institut für Agrartechnik)
Note
sehr gut
Autor
Jahr
2001
Seiten
111
Katalognummer
V1161
ISBN (eBook)
9783638107327
Dateigröße
6192 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Es werden Rahmenbedingungen zur Biogaserzeugung beschrieben und anhand eines Beispielbetriebes wird sowohl eine Nährstoffbilanzierung als auch eine ökonomische Betrachtung durchgeführt. Dabei wird auch das Risiko der Investition in verschiedener Hinsicht bewertet.
Schlagworte
Biogas, Grasvergärung, Kofermentation, Landwirtschaft
Arbeit zitieren
M.Sc. Andreas Euler (Autor), 2001, Wirtschaftlichkeit einer landwirtschaftlichen Biogasanlage unter besonderer Berücksichtigung der Kofermentation von Gras, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1161

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