Erneuerbare Energien: Biogasanlagen und die Bedeutung von Biogas

Gliederung

Verzeichnis der Abbildungen

Verzeichnis der Abkürzungen

1. Einleitung

2. Biogasanlagen
2.1. Aufbau und Funktionsweise einer Biogasanlage
2.1.1. Aufbau einer Biogasanlage
2.1.2. Prozess- und Vergärungsstufen
2.1.3. Wichtige Faktoren beim Gärprozess
2.2. Landwirtschaft und Biogasanlagen
2.2.1. Energiepflanzen
2.2.2. Flächenbedarf und Erträge
2.2.3. Bedeutung von Tierexkrementen
2.2.4. Verwertung der Gärsubstratreste
2.3. Nutzungsvorrausetzungen

3. Nutzung und Bedeutung von Biogas
3.1. Stromerzeugung und Einspeisevergütung
3.2. Einspeisung in Erdgasnetze
3.3. Nutzung für den Kraftverkehrssektor
3.4. Zukunftsaussichten der Biogasbranche

4. Schlussbemerkungen und Ausblick

Internetquellen

Bibliographie

Abbildungsbibliographie

Verzeichnis der Abbildungen

Abbildung 1: Schematischer Aufbau der Triesdorfer Biogasanlage

Abbildung 2: Befüllungsschnecke für das Einbringen des Gärsubstrates

Abbildung 3: Innenansicht eines Fermenters .

Abbildung 4: Zerkleinerte Maissilage im Silo

Abbildung 5: Maissilage auf Halde

Abbildung 6: Innenansicht und Konsistenz des Restsubstrates.

Abbildung 7: Außenansicht eines Gärrestetanks

Abbildung 8: Anzahl Biogasanlagen und installierte elektrische Leistung in der BRD

Abbildung 9: Generator zur Stromproduktion

Abbildung 10:Verbrennungsmotoren für Biogas

Abbildung 11: Prognose für den Strom aus Bioenergie in Deutschland bis 2020.

Verzeichnis der Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit über erneuerbare Energien befasst sich mit dem Aufbau und dem Betrieb von Biogasanlagen, sowie der Nutzung des Rohstoffes Biogas. Zuerst wird der technische Aufbau und Betrieb der Biogasanlagen erläutert. Anschließend wird der anaerobe Gärprozess detailliert aufgezeigt und dargelegt welche Vorrausetzungen für den erfolgreichen Betrieb einer solchen Anlage benötigt werden. Im nächsten Schritt wird dann der Zusammenhang zwischen den Biogasanlagen und der Landwirtschaft dargestellt. Besonderes Augenmerk liegt auf dem Begriff der Energiepflanzen und dem Flächenbedarf der Pflanzenrohstoffe. Natürlich muss in diesem Rahmen dann auch die Bedeutung der Tierexkremente und die Nutzung der Gärabfallprodukte angesprochen werden. Im zweiten Teil der Arbeit wird dann der Rohstoff Biogas betrachtet. Die Nutzung des Gases im Bereich der Stromproduktion, der direkten Einspeisung und beim neuen Feld der Kraftfahrzeugantriebe, wird erläutert und schließlich die Zukunft dieses Rohstoffes prognostiziert.

1. Einleitung

Die Menschheit hat bis zum Beginn der Industrialisierung im frühen 19. Jahrhundert ihre Energie ausschließlich aus regenerativen Energiequellen bezogen. So waren die Wind- und Wasserkraft neben Holz die einzigen Energieträger, die in nennenswerten Umfang zur Verfügung standen. Holz und holzähnliche Produkte wurden vor allem zur Erzeugung von Wärme genutzt. Die natürlichen Grenzen dieser Nutzung stellten die Transportkosten und die jährliche Biomassenzunahme einer Region dar. Die nachwachsenden Energierohstoffe wurden während den letzten 200 Jahren besonders in den Industrieländern Europas und Nordamerikas zugunsten der fossilen Rohstoffe, wie Kohle, Erdöl oder Erdgas vernachlässigt. Erst mit dem allmählichen Anstieg der Preise, dem Wissen über die ökologischen Folgen und der Erkenntnis über die Endlichkeit dieser Ressourcen, setzten erste Versuche ein, sich wieder verstärkt um die regenerativen Energierohstoffe zu bemühen. Neben der Photovoltaik und dem Nutzen der Windenergie, ist in den vergangenen Jahren besonders die Nutzung von Biomasse stark angewachsen. Bei der Energieproduktion aus Biomasse ist die Umwandlung in Gas mit Hilfe von Gärprozessen in Deutschland am weitesten verbreitet. Diese Form der Energieerzeugung vereint mehrere wichtige Vorteile. Zum einen wird den Land- und Forstwirten eine zusätzliche Einnahmequelle verschafft, zum anderen wird die Abhängigkeit von Erdgasimporten aus Osteuropa, Nordafrika und dem Nahen Osten reduziert. Außerdem arbeiten die Biomassekraftwerke CO2 neutral, da sie nur die Menge emittieren, die zuvor durch die Photosynthese gebunden worden ist. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel einen breiten Überblick über die aktuelle Situation der Biogasbranche zu erarbeiten. Des Weiteren soll ein Überblick über die technischen Anlagen und die Nutzungsvorrausetzungen gegeben werden. Im zweiten Teil der Arbeit werden dann die Nutzung und die potentielle Leistungsfähigkeit des Biogases untersucht. Als letzter Schritt ist es dann notwendig über die Zukunftsfähigkeit dieser regenerativen Energie zu diskutieren.

2. Biogasanlagen

Biogasanlagen sind nur eine Form der Energieumwandlung aus Biomasse. Auch das Verbrennen von holzartiger Biomasse oder das Umwandeln von Pflanzenstärke in Ethanol stellt Bioenergie dar. Durch die Novellierung des Erneuerbare– Energien– Gesetz zum 01.01.2009 wurden den Betreibern von Biogasanlagen langfristige Sicherheit bei der Einspeisevergütung für den erzeugten Strom garantiert. Hatte schon das erste EEG^[1] für eine Expansion im Bereich der regenerativen Energien gesorgt, wird dieses Gesetz besonders auch für die Ausdehnung der Stromproduktion aus Biomasse von großer Bedeutung sein. Die Anlagen, die Pflanzen und die Tierexkremente verarbeiten und in Biogas umwandeln sind heute technisch ausgereift und in der Lage kontinuierlich Strom und Wärme zu produzieren. Je nach Größe der Anlage sind eine bestimmte Anbaufläche und eine bestimmte Menge an verwertbaren Tierexkrementen erforderlich. Außerdem ist nicht jede Pflanze gleich gut für die anaerobe Zersetzung in den Gärbehältern geeignet. Pflanzen mit hohem Wasseranteil und stark verholztes Grüngut benötigen Vorarbeiten, die die Effizienz der Anlagen reduzieren. (vgl. Perwanger, 1997: S. 139 – 141)

2.1. Aufbau und Funktionsweise einer Biogasanlage

Der Bau und Betrieb einer Biogasanlage erfordert in der Regel bestimmte technische und chemische Kenntnisse des Benutzers. Schwierigkeiten bestehen aber vor allem bei der technischen Ausführung des Aufbaus, und der Nutzung der Endprodukte. Wichtig für die Funktionstüchtigkeit der Anlage ist der richtige Aufbau des Gärbehälters. Dieser muss absolut Luft- und Lichtdicht sein und außerdem so konzipiert werden, das das gewonnene Gas nur in Notfällen entweichen kann^[2]. Eine weitere große technische Herausforderung ist die Umwandlung des erzeugten Gases zu Strom. Häufig werden hierfür konzipierte Kraftfahrzeugmotoren eingesetzt. Neue technische Anlagen ermöglichen es mit Hilfe von Sensoren und speziellen Computerprogrammen gezielt, den Gärprozess zu beschleunigen oder zu hemmen. Im Idealfall muss der Betreiber nur für den Nachschub an Gärsubstrat sorgen, den Prozess überwachen und den Fermenter regelmäßig befüllen. Alle anderen anfallenden Arbeitsschritte können automatisiert werden. (Interview mit Herrn Günter am 28.06.2009)

2.1.1. Aufbau einer Biogasanlage

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eine Biogasanlage besteht im Wesentlichen aus einem Behälter in dem die Biomasse anaerob vergoren wird, und dem Blockheizkraftwerk, das aus dem gewonnenen Gas Strom erzeugt. Im Gärungsbehälter, dem Fermenter, wird das biologische Substrat eingebracht und mit Hilfe von Mikroorganismen zu Gas (v.a. Methan CH 4 und Kohlendioxid CO2) umgewandelt. Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Testanlage der Hochschule Triesdorf. Ein ähnliches Prinzip wird heute in allen Biogasanlagen in Deutschland angewendet. Die Vergärung findet unter Luft (anaerob) – und Lichtabschluss statt. Bei dem Vorgang der Vergärung entstehen neben dem Biogas, als Nebenprodukte Wärme und Substratreste, die als Düngemittel Verwendung finden. Im Fermenter steigt das Biogas Abbildung 1: Schematischer Aufbau einer Biogasanlage^[3] aufgrund seiner geringen Dichte auf und konzentriert sich im oberen Bereich des Gärtanks^[4]. So kann es leicht abgepumpt und weiterverarbeitet werden. Die Weiterverarbeitung besteht in der Abscheidung von Kondenswasser und der Filterung des Gases. Nachdem das Biogas diese Schritte durchwandert hat, ist die Speicherung in speziellen Tanks möglich^[5]. Später kann der gewonnene Rohstoff entweder in ein vorhandenes Gasnetz eingespeist, oder zur Stromerzeugung verwendet werden. Die Stromproduktion erfolgt in der Regel in der Nähe der Biogasanlage. So werden Transportkosten des Gases minimiert und gleichzeitig eine Dezentralisierung der Stromversorgung möglich. Im aufgeführten Schaubild (Abbildung 1) wandelt ein Sterlingmotor das Gas direkt in Energie um^[6]. Die Abwärme des Motors wird dann zur Beheizung von Gebäuden oder des Fermenters, sowie für die Trocknung verschiedener landwirtschaftlicher und forstwirtschaftlicher Erzeugnisse^[7] genutzt. Der Fermenter und das BHKW sind jedoch nur kleinräumige Einheiten im Vergleich zu den ernormen Lagerflächen für das Pflanzensubstrat. Das Einbringen des Substrates kann in den gemäßigten Breiten nur einmal im Jahr erfolgen. Daher ist es nötig, das Substrat für den Rest des Jahres zu lagern und je nach Bedarf in den Gärungskreislauf einzubringen. (vgl. Scholwin/ Weidele /Gattermann, 2004: S. 36 - 38)

2.1.2. Prozess- und Vergärungsstufen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei der Befüllung und beim Betrieb der Anlage sind zwei Vorgehensweisen zu unterscheiden. Die häufigste Beschickungsart ist der (quasi-) kontinuierliche Vorgang. Hierbei wird beständig neues Substrat mit Hilfe einer elektrischen Schnecke zugeführt (Abbildung 2) und zur selben Zeit der vergorene Rest mit einer zweiten Schnecke entfernt bzw. ein Teil des Gärsubstrates zum Animpfen im Fermenter zurückgelassen. Dadurch ist eine beständige Zufuhr an Biogas gewährleistet. Bei dieser Vergärung sind vier wesentliche Schritte zu Abbildung 2: Befüllungsschnecke eines Fermenters^[8] unterscheiden. Im ersten Schritt, der

Hydrolyse werden die Ausgangsstoffe durch die Mikroorganismen vereinfacht und zerlegt. Hierbei werden Bausteine wie Kohlenhydrate und Fette in Zucker und Fettsäuren zerlegt. Im zweiten Schritt, der Acidogenese, werden diese einfachen Stoffe weiter zerlegt und in Säuren (z. B. Butter- und Essigsäure) umgewandelt. Nach dem Abschluss der Versäuerungsphase (Acetogenese) werden im Fermenter dann im dritten Schritt die Substanzen erzeugt, aus denen dann das spätere Biogas besteht (Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid). Im vierten und letzten Schritt (Methanogenese) wird schließlich aus der Essigsäure und dem Wasserstoff Methan, das für Brennbarkeit des Biogases verantwortlich ist (vgl. Schattauer/ Weiland, 2004: S. 25). Beim zweiten potentiellen Beschickungsvorgang wird nur diskontinuierlich Substrat zugeführt. Auf der einen Seite ist die Gasausbeute zwar in der Spitze höher, da die Gärung im gesamten Fermenter gleichzeitig abläuft, auf der anderen Seite ist aber kein konstanter Gasaustritt möglich. Dieses Problem der Gasertragsschwankungen kann allerdings durch die Koppelung mehrer Fermenter gelöst werden. (vgl. BMVEL, 2002: S. 209 – 214)

[...]

^[1] Das erste EEG trat am 01.04.2000 in Kraft und beinhaltete z. B. das 100.000 Dächer- Programm.

^[2] Ein plötzliches Entweichen des Gases hätte neben dem Wertverlust auch hohe Sicherheitsrisiken für Anwohner und Nutzer der Anlage zur Folge.

^[3] http://www.triesdorf.de/EBA/triesdorferbiogasanlage.htm (aufgerufen am 24.06.2009)

^[4] Die Abdeckung des Fermenters ist elastisch, damit das Gärbehältnis gleichzeitig als Speichermedium fungieren kann.

^[5] Allerdings sind diese Speicher sehr kostenintensiv, daher wird das Gas häufig kontinuierlich weiterverarbeitet.

^[6] Auch andere Formen von Verbrennungsmotoren sind möglich. Allerdings ist der Sterlingmotor wegen geringem Verschleiß der am häufigsten genutzte Motor.

^[7] z. B. kann Bau- und Scheitholz aber auch Heu und Getreide getrocknet werden.

^[8] Eigene Bilder der Biogasanlage in Fuchsstadt (Winterhäuserstraße 2) vom 28.06.2009