Grundlagen der Bioerdgaserzeugung

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung

1. Einführung in das Thema
1.1 Grundlagen und Hintergründe der Thematik
1.2 Stand der Technik
1.3 Begriffs- und Abkürzungserklärung

2. Biogasgewinnung
2.1 Verwendete Grundstoffe
2.2 Aufbau und Funktion einer Biogas Anlage
2.3 Endprodukte
2.3.1 Biogase
2.3.2 Reststoffe

3. Biogasaufbereitung
3.1 Grundlagen der Aufbereitung
3.2 Entschwefelung
3.3 Gastrocknung
3.4 CO2 Abtrennung
3.4.1 DWA – Druckwechseladsorption
3.4.2 DWW – Druckwasserwaschung
3,5 Genosorbwäsche
3.6 Aminwäsche
3.7 Einspeisung ins Erdgasnetz

4. Rechtliche und ökonomische Möglichkeiten
4.1 Vermarktung des Bio-Erdgases über Biomethanhändler
4.2 Einspeisung in das Erdgasnetz
4.3 Zukunftsperspektiven
4,4 Direktvermarktung
4.5 Ökonomische Betrachtung des Prozesses
4.5.1 Berechnungsbeispiel für den Prozess
4.5.2 Analyse der Ergebnisse

Fazit

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Quellenverzeichnis

Zusammenfassung

Die Biogasgewinnung ist eine in Deutschland schon seit vielen Jahren genutzte Technik die durch innovative Möglichkeiten der Aufbereitung zu Bio-Erdgas, welche in den letzten Jahren entstanden sind, einen deutlichen höheren Anreiz, auch ökonomischer Natur hinzu gewonnen hat. Die Biogasgewinnung und Nutzung kann in der Zukunft einen deutlichen Teil dazu beitragen den deutschen, aber auch den weltweiten Energiebedarf zu decken, was vorteilhafterweise mit einem sehr geringen Ausstoß an klimaschädlichen Gasen verbunden ist.

Die vorliegende Ausarbeitung zur Biogasproduktion und deren Aufbereitung zu Bio-Erdgas hat ergeben, dass bereits sehr viele Formen dieses Verfahrens existieren, die auf dem Markt angeboten und auch betrieben werden und welche jetzt und noch zunehmend in absehbarer Zeit ökonomisch vertretbar und gewinnbringend nutzbar sind. Die Kosten für die Biogasproduktion und deren Aufbereitung zu Bio-Erdgas variieren je nach Anlagentyp und genutzten Substraten, dies allerdings im Durchschnitt auf geringem Niveau, wobei die größten Kosten in der Investition beim Anlagenbau liegen, da die laufenden Kosten bei Betrieb eher gering ausfallen.

Eine Versorgung der Biogasanlagen mit den zum Betrieb nötigen Substraten ist insoweit unproblematisch, da verschiedenste Formen von nachwachsenden Rohstoffen genutzt werden können, wie auch alle Formen von organischen Abfällen aus Industrie, Landwirtschaft oder privaten Betrieben und Liegenschaften. Somit dient die Biogasgewinnung auch der Nutzung und Aufbereitung von Abfällen und macht diese nach der Biogasgewinnung in Form von Reststoffen zu einem idealen Dünger für die landwirtschaftliche Nutzung. Diese Art der Gasgewinnung ist gerade in kleineren dezentralen Biogas Anlagen äußerst effektiv und somit ideal für die Nutzung in landwirtschaftlichen Betrieben oder kleineren Industrieanlagen. Gerade für diese gibt es heute bereits Produzenten welche die Anlagen schlüsselfertig liefern und aufstellen.

Das produzierte Biogas kann direkt vor Ort genutzt oder aber in Erdgasqualität als sogenanntes Bio-Erdgas aufbereitet und ins Erdgasnetz eingespeist werden. Dies macht es standortunabhängig und kann somit dort genutzt werden, wo es gebraucht wird. Das jedoch muss vertraglich geregelt werden. Diese Bestimmungen werden gerade in einer Gesetzesinitiative mit dem Namen Erneuerbares-Gas-Einspeisegesetz neu geregelt und sollen den Prozess weiter vereinfachen. Zurzeit wird die Einspeisung von Bio-Erdgas noch durch sogenannte Biomethanhändler, in Form von verschieden Firmengruppen, gehandhabt. Diese planen und verwalten die Einspeise- und Ausspeiseverträge von Produzenten, Netzbetreibern und Abnehmern in Gasbilanzkreisläufen. Da der gesamte Ablauf allerdings sehr aufwendig ist, stellt die genannte Gesetzesinitiative einen guten Schritt in Richtung Vereinfachung der Produktion. Vermarktung und Verwaltung der Biogastechnik dar.

Der Produktion von Biogas, sowie der Aufbereitung zu Bioerdgas liegt ein technisch komplizierter Prozess zugrunde, der allerdings durch Innovationen in den letzten Jahren vereinfacht wurde und heute schon in vielen Anlagen auch in Deutschland genutzt wird. Ein Ausbau und eine weitere Förderung dieser Technik sind zu wünschen, da sie den Anteil an klimaschädlichen Gasen bei der Energiegewinnung verringert und den Anteil von regenerativen Energien „Made in Germany“ vergrößert.

1. Einführung in das Thema

1.1 Grundlagen und Hintergründe der Thematik

Die weltweit steigende Nachfrage nach Energie hat in den letzten Jahren dazu geführt, dass sich ein Umdenken in der Technik der Primärenergiegewinnung eingestellt hat. Es wurde erkannt, dass die fossilen Energieträger endlich und immer schwerer zugänglich sind. Dieses Umdenken führte dazu, dass Länder wie Deutschland, die keine größeren Vorräte an fossilen Energieträgern besitzen, sich langfristig Alternativen überlegen müssen.

Aus diesem Problem heraus wurden Techniken zur Energiegewinnung aus Sonneneinstrahlung, Windkraft und Wasserkraft herausgebildet. Des Weiteren wurden neue Formen der Wärme- und Energiegewinnung erforscht und eingesetzt, wie z.B. die Wärmetauschertechnik mit Erdwärme.

Einen eigenen Bereich bildet die Gewinnung von biologisch angebauten, nachwachsenden Energieträgern. Die Verwendung von Bioethanol und Biogas rückt dabei immer stärker in den Fokus. Sie sind mit den normalen Anlagen und Prozessen der Energieumwandlungskette, wie z.B. Verbrennungsmotoren, nutzbar. Zudem können auch Reststoffe oder Abfälle herangezogen werden, um Kraftstoffe zu gewinnen.

Die Gewinnung von Biogas und die Aufbereitung zu Bioerdgas sind das Thema dieser Ausarbeitung. Die Nutzung und Verbrennung des Biogases können dabei aufgrund der Komplexität nur angerissen werden.

Ein großer Vorteil dieser Biogastechnik ist es, dass durch diese die Form der dezentralen Energiegewinnung und die zugehörigen Regionen, in denen die Anlagen betrieben werden, gefördert werden. Dies ist einerseits durch die Unabhängigkeit von Energiezulieferern möglich und andererseits durch die Nutzung der eigenen Agrarflächen und Abfälle, aber auch durch die Schaffung von Arbeitsplätzen vor Ort. (Agentur für Erneuerbare Energien, 2010)

Der Nutzen für die Umwelt, d.h. die Einsparung von CO2 und anderen klimaschädlichen Gasen ist ein weiteres Argument, dieser Technik Aufmerksamkeit zu schenken. So geht man heute davon aus, dass weniger als die Hälfte des CO2 verursacht wird, wenn Biogas anstelle von normalem Erdgas genutzt wird. Somit kann man mit Biogas den Energiebedarf vorhandener Systeme decken, ohne deren Funktionsweise zu verändern. Zudem wird dadurch der Ausstoß von klimaschädlichen Gasen vermindert. (Agentur für Erneuerbare Energien, 2010)

Die Gewinnung und Nutzung von Biogas und Bio-Erdgas ist auch in Bezug auf die bundespolitischen Ziele im Bereich der Nutzung von erneuerbaren Energien und der CO2-Einsparung zielführend. Die Agentur für erneuerbare Energien hat eine Studie zum Thema des Potentials von erneuerbaren Energien im Dezember 2009 veröffentlicht. Aus dieser geht hervor, dass aus in Deutschland gewonnener Biomasse, welche zu Biogas verarbeitet wird, ein Anteil von über 20% des Kraftstoffverbrauchs, 13 % des Wärmeenergiebedarfs und 9 % des elektrischen Energiebedarfs der Bundesrepublik gedeckt werden kann. Dies kann dementsprechend einen erheblichen Anteil an der Einsparung von klimaschädlichen Gasen zur Folge haben kann.

1.2 Stand der Technik

Die Gewinnung von Bioerdgas lässt sich in zwei große verfahrenstechnische Schritte einteilen. Dazu zählen zum einen die Biogasgewinnung im Zusammenhang mit der Vergärung und zum anderen die Biogasaufbereitung zu Bioerdgas, welche für die weitere Nutzung besonders interessant ist.

Die Biogasgewinnung ist ein Verfahren, das schon seit vielen Jahren zur Anwendung kommt, insbesondere durch Landwirte. Sie verwenden ihre Abfallprodukte sowie produzierte Nutzpflanzen, um sie zu fermentieren und daraus Biogas zu gewinnen. In der Regel wird das gewonnene Gas vor Ort in einem BHKW verbrannt. Die erzeugte elektrische Energie wird vom Betreiber direkt genutzt oder ins Netz eingespeist. Die thermische Energie wird zu einem kleineren Teil für Prozesszwecke (z. B. Fermenterbeheizung) sowie zur Deckung des eigenen Wärmebedarfs genutzt. In vielen Fällen ist der Wärmebedarf vor Ort über lange Zeiträume kleiner als das Energiedargebot, so das ein erheblicher Teil der Wärme über Kühler nutzlos an die Umgebung abgegeben werden muss.

Der Bereich der direkten Nutzung hat sich in den letzten Jahren dahingehend geändert, dass es durch technische Innovationen möglich geworden ist, verschiedene Nutzpflanzen sowie Abfälle aus der Landwirtschaft und organische Industrieabfälle zur Vergärung zu nutzen. Dies hat das Spektrum der Biogasgewinnung erheblich vergrößert und zu einem Zuwachs interessierter Unternehmen geführt.

Die Aufbereitung von Biogas zu Bioerdgas ist hingegen eine Technik, die erst seit wenigen Jahren genutzt wird. Diese Aufbereitung hat die Möglichkeiten zur Nutzung erweitert und dazu geführt, dass das aufbereitete Gas auch über das Erdgasnetz transferiert werden kann. Für diesen feingliedrigen Prozess gibt es inzwischen verschiedenste Verfahrensweisen, welche im Folgenden näher erläutert werden.

Das durch die Aufbereitung von Biogas gewonnene Bioerdgas kann bei entsprechender Behandlung ins Erdgasnetz eingespeist werden und ist dadurch nicht mehr an den Produktionsstandort gebunden. Während das Biogas nur direkt genutzt wurde, um elektrische und thermische Energie vor Ort zugewinnen, kann das Bioerdgas nun über das Erdgasnetz von jedem beliebigen Abnehmer genutzt werden. Das Bioerdgas kann dann wiederum auch z.B. in einem BHKW genutzt werden, um elektrische und thermische Energie zu gewinnen, jedoch kann dies nun dort geschehen wo ausreichender Energiebedarf vorhanden ist. Dies ist vor allem ein Fortschritt in der Nutzung der Wärmeenergie, da diese meist am Produktionsstandort nicht in dem Maße benötigt wird, wie er vorhanden ist.

1.3 Begriffs- und Abkürzungserklärung

- BHKW: Block-Heiz-Kraftwerke sind Verbrennungskraftmaschinen, welche in verschiedenen Baugrößen von 5 bis über 5.000 KW angeboten werden. Sie werden mit verschiedenen Brennstoffen, wie z.B. Erdgas/Biogas oder Diesel betrieben. Meist kommen Motoren mit interner Verbrennung zum Einsatz (i.d.R. Otto- und Dieselmotoren), seltener mit externer Verbrennung (Stierlingmotoren). Deren Besonderheit ist es, dass sie aus der Verbrennung von Energieträgern gleichzeitig Strom und Wärme erzeugen (Kraft-Wärme-Kopplung) und so in der Summe einen sehr hohen Wirkungsgrad erzielen.
- DVGW: Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. Der DVGW ist der technisch-wissenschaftliche Verein im Gas- und Wasserfach der technische Standards festsetz und Innovation des Faches antreibt und weiterentwickelt.
- Fermentieren: Fermentieren ist Synonym für die Vergärung, welche in einem Silo zur Biogasgewinnung entsteht. Diese Silos werden auch Fermenter genannt.
- Gärrest: Dieser beschreibt die nach der Vergärung im Fermenter einer Biogasanlage zurückbleibenden Fest und Flüssigstoffe, welche nach dem Abtransport zumeist als hochwertiger Dünger Verwendung finden.
- Hydrolyse: Unter dieser versteht man die Aufspaltung einer chemischen Verbindung durch Anlagerung eines Wassermoleküls. Chemisch gesehen ist der Dipol-Charakter des Wassermoleküls für die Spaltung eines Stoffes verantwortlich.
- Marktakteure: Darunter sind in diesem Zusammenhang die verschiedenen Akteure des Einspeise-, Transport- und Ausspeiseprozesses zu verstehen.
- Nachwachsende Rohstoffe (NaWaRo): Als diese werden alle pflanzlichen Produkte beschrieben, welche in der Land- und Forstwirtschaft produziert werden können, d.h. Feldfrüchte wie Mais, Roggen oder Soja, aber auch Hackschnitzel aus Baumschnitt.
- Primärenergie: Primärenergie beschreibt alle Energieformen, welche von der Natur zur Verfügung gestellt werden. Dies sind einerseits fossile Energieträger z.B. Kohle, Öl Gas, aber auch regenerative Energieformen wie z.B. Sonnen- und Windenergie oder Biomasse.
- Substrat: In unseren Fall spricht man bei den zur Biogaserzeugung eingesetzten Rohstoffen von einem Substrat. Dieses setzt sich je nach Anlage aus verschiedenen organischen Abfallstoffen, nachwachsenden Rohstoffen oder Mist und Gülle zusammen.
- Tricale: Ist eine speziell gezüchtete Getreideart mit ihrem Ursprung aus der Kreuzung von Weizen und Roggen. Der Name setzt sich aus den Anfangs- und Endbezeichnungen der lateinischen Bezeichnung von Roggen und Weizen zusammen.
- Verbrennungsmotor: Als dieser werden alle Wärmekraftmaschinen bezeichnet, welche chemische Energie (Benzin, Gas u.ä.) durch Verbrennung in mechanische und thermische Energie umwandeln.
- Wobbeindex: Der Wobbeindex, auch als Wobbezahl, Wobbekennzahl oder Wobbewert bezeichnet, beschreibt und charakterisiert die Qualität von brennbaren Gasen, welche je nach Zusammensetzung unterschiedlich seien können. Je nach Erdgasnetzregion kann dieser verschieden sein.
- Zeolithe: Auch Stoffgruppe genannt, beschreibt dieser eine in der Natur vorkommende, aber synthetisch herstellbare Alumosilikate, also auf Aluminium basierende Kristallstrukturen, welche Wasser und andere niedermolekulare Stoffe aufnehmen können.

2. Biogasgewinnung

2.1 Verwendete Grundstoffe

Eine Biogasanlage kann mit verschiedenen Grundstoffen oder Substraten betrieben werden. Daraus ergibt sich eine Vielzahl von Möglichkeiten, da einerseits nachwachsende Rohstoffe (im folgenden NaWaRo abgekürzt) und andererseits jede organische Form von Abfall zur Herstellung von Biogas genutzt werden kann.

Die im Folgenden als Substrat bezeichneten, verwendeten Rohstoffe lassen sich wie folgt aufteilen: (Agentur für Erneuerbare Energien, 2010)

- NaWaRo: Diese sind in fast jeder bekannten Form zur Biogasgewinnung nutzbar. Am meisten werden jedoch Mais, Ganzpflanzensilage aus Roggen oder Tricale, Zuckerrüben, Grassilage, aber auch Holzhackschnitzel u. ä. Holzreste verwendet. Des Weiteren werden Sonnenblumen, Sojapflanzen, Weizen und Gerste sowie andere Pflanzen, deren Nutzbarkeit gerade erprobt wird, herangezogen.
- Rückstände aus der Tierhaltung: Zum einen wird der Mist aus der Haltung von Zucht- und Masttieren, wie z.B. Schweinen, Hühnern, Rinder usw. genutzt, zum anderen aber auch die Gülle, welche in fast jedem landwirtschaftlichen Betrieb im Übermaß vorhanden ist
- Organische Reststoffe: Hiermit sind Reste aus der Agrarindustrie gemeint wie z.B. Malzreste aus der Bierherstellung oder Stärke aus der Kartoffelverarbeitung. Es sind aber auch ganz allgemein private oder industrielle Bioabfälle sowie Speise- und Fettreste aus Großküchen nutzbar.
- Sonstige Substrate: Es gibt noch viele weitere Möglichkeiten, welche jedoch entweder erst in der Erprobungsphase sind, wie viele Formen industriellen Abfalls, oder aber nur in kleinen Maße zugänglich sind, wie z.B. Reste aus der industriellen Nahrungsverarbeitung.

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