Erneuerbare Energie aus Biogasanlagen

Erneuerbare Energie aus Biogasanlagen – Ein Überblick

Dr.-Ing. Jürgen Wiese

Die Erzeugung von Biogas aus tierischen Wirtschaftsdüngern (z.B. Rindergülle), organischen Reststoffen (z.B. Speiseresten) und Energiepflanzen (z.B. Mais) gewinnt seit einigen Jahren weltweit immer mehr an Bedeutung. Dieser Beitrag soll einen allgemeinen Überblick über diese komplexe Thematik geben.
 

Ist Biogas ein neues Thema?
• Prof. Karl Imhoff baut in den 1920er Jahren in Essen den ersten Faulturm zur anaeroben Klärschlammbehandlung → Klärgas
• Prof. Karl Imhoff entwirft im 2. Weltkrieg eine landwirtschaftlichen Biogasanlage (BGA), um die Treibstoffknappheit zu verringern.
• In den 1950er Jahren werden einige landwirtschaftliche BGA gebaut. Weite Verbreitung finden sie aber nicht (im Gegensatz zur Anaerobbehandlung in der Abwassertechnik). Mögliche Ursachen:
• Trend zur Zentralisierung der Energieversorgung („Großkraftwerke“)
• Günstige Primärenergieträger (z.B. Kohle, Öl, Uran)
• In den letzten Jahren steigt die Zahl der Biogasanlagen in Deutschland (und weltweit) stark an, v.a. wegen der Förderung erneuerbarer Energien. 2006 gab es in Deutschland bereits mehr als 3.000 Biogasanlagen mit einer installierten elektrischen Leistung von ca. 800 MW!
• Biogas ist international ein Topthema (z.B. Indien: 7 Mio. Hausbiogasanlagen!), da Kohle, Öl und Uran immer knapper und teurer werden bzw. der Ausstoß von Treibhausgasen reduziert werden soll.
• Der Trend geht zu größeren BGA (500 kW bis 1,5 MW), da diese besonders wirtschaftlich sind. Sehr große BGA (> 2 MW) konnten sich wegen diverser Probleme (z.B. Logistik) bisher noch nicht durchsetzen.
• Wegen der hohen Energieeffizienz von Blockheizkraftwerken (BHKW) gewinnt die dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung (v.a. im ländlichen Raum und Entwicklungsländern) wieder an Bedeutung: z.B. „Bioenergiedorf“ Jühne – Energieautarkes Dorf
• „Vom Landwirt zum Energiewirt“: Seit einigen Jahren schaffen sich immer mehr Landwirte ein zweites Standbein, indem sie ihre Biomasse zur Energieerzeugung nutzen, Dachflächen mit Solarzellen nachrüsten o.ä.

Was ist Biogas?
• Biogas ist ein Gemisch aus Methan (CH₄: 50 – 75 Vol.-%), Kohlendioxid (CO₂: 25 – 50 Vol.-%), Wasser
(H₂0: 2 – 7 Vol.-%), Schwefelwasserstoff (H₂S: 20 – 20.000 ppm), Stickstoff (N₂: < 2 Vol.-%), Wasserstoff (H₂: < 1 Vol.-%) und Sauerstoff (O₂: < 1 Vol.-%).
• Heizwert: Biogas (ca. 6,4 kWh/Nm³) vs. Erdgas (ca. 10 kWh/Nm³)
• Biogas entsteht
• im anaeroben Milieu (d.h. Sauerstoffmangel, Sauerstofffreiheit)
• bei Temperaturen von 30 bis 40 °C (mesophiler Bereich ) oder 50 bis 60 °C (thermophiler Bereich)
• bei langen Aufenthaltszeiten des Substrats (i.d.R. >> 30 Tage)
• in einem vierstufigen Prozess
• im pH-Wert-Bereich von 7 bis 7,7 (bei simultanem Betrieb)

Wie entsteht Biogas?

Welche Stoffe kann man vergären? z.B. Nachwachsende Rohstoffe (NAWARO)

• Wirtschaftsdünger von Rindern, Schweinen und Hühnern: Gülle, Mist, Trockenkot • Getreide: Weizen, Roggen, Gerste, Hafer, Mais • Ölsaaten: Rapssamen, Sonnenblumenkerne • Eiweißpflanzen: Erbsen, Ackerbohnen, Süßlupinen • Leinpflanzen • Klee, Gras, Luzerne, Sudangras • Markstammkohl, Futterrüben, Topinambur • Knollen

Welche Stoffe kann man vergären? z.B. Kofermente

• Speisereste (z.B. aus Großküchen) • Futtermittel-, Gemüse- und Marktabfälle • Reste der Gelatineproduktion (z.B. Separatorfett) • Reste der Nahrungsmittelproduktion • Bleicherde • Altbrot und Teigabfälle • Altfrittier- und Flotatfette, Käseabfälle • Obst- und Rebentrester, Biertreber • Schlempen aus der Schnapsherstellung • Glycerin (z.B. aus Biodieselproduktion) • Teile der Schlachtabfälle

Welche Stoffe kann man vergären? Auf die Mischung kommt es an!

Die Substrateweisen große Unterschiedebezüglich ihres Biogasertrags auf!

Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.

Was sind die Vorteile von Biogas?

• Aus Biogas gewonnene Energie schont die fossilen Rohstoffreserven und schützt das Klima durch die Verminderung von Treibhausgasen.
• Biogas fällt kontinuierlich an, sodass es auch kontinuierlich verstromt
werden kann
→Keine Lastschwankungen wie z.B. bei Wind- oder Solarenergie!
o einfacher für Netzbetreiber
o (weitgehend) autarke Strom-/Wärmeversorgung im ländlichen Raum
→ Noch erhebliches ungenutztes Potenzial in Deutschland!
• Biogas ist mit Erzeugungskosten von 8 bis 10 ct/kWh (Kofermente) bereits heute recht nahe an den Gestehungskosten von Energie aus fossilen Energieträger. Dies gilt besonders dann, wenn auch die Wärme genutzt werden kann.

Biogasgülle ist ein effektiver Wirtschaftsdünger und besitzt gegenüber normaler Gülle/Mist zahlreiche Vorteile:

Biogas ist effizienter als andere Biokraftstoffe!

Wie hoch ist das Potenzial für Biogas?

Deutschland
• ca. 800 MW elektrische Leistung sind zurzeit auf Biogasanlagen in
Deutschland installiert, das Potenzial liegt jedoch bei 15.000 MWel.
• Bis 2020 könnten jährlich aus Biogas ca. 76 Mrd. kWh Strom in
Grundlast und Spitzenlast produziert werden. D.h. 15 % des
Energiebedarfs könnten durch Biogas gedeckt werden.

Europa (EU-25)
• 75 % der derzeitigen russischen Erdgasförderung!
Quelle: Fachverband Biogas, EU

Zum Vergleich:
Die energieverbrauchsbedingten CO2- Emissionen in Deutschland betrugen 2006 ca. 800 Mio. t.

Wie funktioniert eine NAWARO-BGA?

Wie funktioniert eine Co-Fermente-BGA?

Wie wird das Biogas genutzt?
• Verbrennung in Gasmotoren → wird zur Regel!
• Verbrennung in Zündstrahlmotoren → stark rückläufig!
• Verbrennung in Gasturbinen → in Deutschland nur Einzelfälle!
• Heizkessel → z.B. in Indien/China
• Biogas-Tankstellen für Autos, Busse und Züge
→ in Schweden weit verbreitet
→ die erste Biogastankstelle in Deutschland ging 2006 in Betrieb!
• Brennstoffzellen → noch Prototypenstatus
• Biogasreinigung mit anschließender Einspeisung in Erdgasnetze
→ in Schweden üblich, aber auch erste Anlagen in Deutschland!
• Sonstiges: Stirling-Motoren, ORC-Prozess, …

Tab.: Energieflüsse bei der reinen Stromerzeugung sowie der zentralen und dezentralen Kraftwärmekopplung (Quelle: ASUE)

Die Kraft-Wärme-Kopplung ist energetisch sehr effizient!

Wie wird das Biogas genutzt? – Wärmenutzung
Eigenbedarf:
• Betriebsgebäude der Biogasanlage
• ggf. thermische Hygienisierung
• Aufheizung der Fermenter und Nachgärer
Nahwärmenetze:
• Öffentliche Gebäude (z.B. Schule, Rathaus)
• Büro- und Wohngebäude
Wärmespeicher:
• Mobile Latentwärmespeicher
Gartenbaubetriebe:
• Gewächshäuser
Hofeinrichtungen:
• Ställe
• Wohngebäude
Trocknung:
• Getreide
• Holzhackschnitzel/-pellets
• Gärreste und Klärschlamm
Kälte:
• Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
Sonstiges:
• Stirling-Motoren
• ORC-Prozess

Wie wird Biogas vergütet?
Das novellierte Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) regelt auch die Einspeisevergütungen für
Strom aus Biomasseanlagen. Dabei hängt die Vergütung von der installierten Leistung der
Anlage ab. Folgende Vergütungen sind vom EEG vorgesehen (alle Angaben in ct/kWh_el):

Den Brennstoffbonus erhalten Anlagen, wenn der Strom ausschließlich aus Pflanzen- und
Pflanzenbestandteilen im Sinne der Biomasseverordnung und/oder aus Gülle gewonnen wird.
Der Bonus für KWK-Anlagen wird gewährt, soweit es sich um Strom im Sinne des Kraft-Wärme-
Kopplungs-Gesetzes handelt. Den Technologiebonus erhalten Anlagen, die auch in Kraft-
Wärme-Kopplung betrieben werden und die Biomasse mittels innovativer Techniken umwandeln
(z.B.: Brennstoffzellen, Gasturbinen, Organic-Rankine-Anlagen).
Beispiel einer NaWaRo-Biogasanlage mit einer Leistung von 500 kW_el (2007):
Grundvergütung 150/500 x 10,98 ct + 350/500 x 9,45 ct = 9,91 ct
Brennstoffbonus (NAWARO) 6,00 ct
Gesamtvergütung ohne KWK- und Technologiebonus 15,91 ct
*Für das Jahr 2007; Degression für alle folgenden Jahre von 1,5 % pro Jahr

Biogas als Spitzentechnologie
• Deutschland ist Technologie- und Weltmarktführer im Bereich „Biogasanlagen“→ große Exportchancen!
• Der Branchenumsatz 2005 betrug 450 Mio. €. Für 2020 wird für Deutschland ein Branchenumsatz von 7,5 Mrd. € prognostiziert.
• 2005 arbeiteten in Deutschland ca. 8.000 Menschen im Biogassektor, 2020 sollen es bereits 85.000 Arbeitsplätze sein.
• Das mittlere Branchenwachstum in Deutschland dürfte bis 2010 bei 40 % pro Jahr liegen.
• Biogas ist eine Mittelstandstechnologie:
• Über 270 Unternehmen sind im Fachverband Biogas organisiert.
• 2/3 des Umsatzes bleiben in der Region
Quelle: Fachverband Biogas, 2005

Praxisbeispiel: SBW Biogas Lelbach

Beispiel: SBW Biogas Lelbach – Übersicht

Beispiel: SBW Biogas Lelbach – Eingangsstoffe

Fahrsilo für Feststoffe Vorgrube

Breites Stoffspektrum, um Fruchtfolgegesetze zu beachten und Marktchancen zu nutzen: • Rindergülle (≈ 15 t/d) • Mais- und Grünroggensilage (25 bis 30 t/d) • Sudangras (< 1 t/d) • Hühnertrockenkot (< 1 t/d) • Getreideschrot (Mischung) (i.d.R. < 1 t/d) • Roggen • Dinkel • Corn-Crop-Mix (Mais) • Raps • Zuckerrüben 1 • Futterrüben 1 1 Saisonal als Substitut für Silagen bzw. Getreideschrot

Beispiel: SBW Biogas Lelbach – Feststoffdosierer

Dosierer für Silagen, Trockenkot und Getreide  • Automatisierte Beschickung der Biogasanlage • Container (68 m3) mit Schubboden • Vertikale und horizontale Rohrförderschnecken • Wägezellen  Wasch- und Zerkleinerungsanlage für Rüben o.ä.  • Semi-automatisch • Einsetzbar für Zucker- und • Futterrüben, Kartoffeln o.ä.

Beispiel: SBW Biogas Lelbach – Fermenter/Nachgärer

• 1 x Tauchmotorrührwerk • 1 x Großflügelrührwerk • Messgeräte: • Füllstand (Flüssgkeit) • Füllstand (Gas) • Überfüll-/Schaumwächter • Temperaturmessungen • Energieverbrauch

Beispiel: SBW Biogas Lelbach – Pumpstation 

• voll automatisiert • Messgeräte: • Durchfluss (MID) • pH-Sonde • Redox-Sonde • TS-Sonde • … • „Spinne“: Durch Nutzung dieser Konstruktion kann jeder Reaktionsraum mit nur einem Satz Messgeräte mehrmals am Tag überwacht werden.

Beispiel: SBW Biogas Lelbach – Gärrestlager

• Im Winterhalbjahr wird der Gärrest im Gärrestlager gespeichert. • Der Gärrest wird von März bis Oktober auf die Felder ausgebracht! Beispiel: SBW Biogas Lelbach – Gärrestlager • Beliebter Wirtschaftsdünger in der Region (Beispiel) • 6,68 % TS • 3,88 kg Nges/t • 1,71 kg P2O5/t • 4,40 kg K2O/t • 0,32 kg S/t

Beispiel: SBW Biogas Lelbach – Gasanalyse

• Gasdurchfluss • Gasanalyse • Methan (CH4) (IR) • Kohlenstoffdioxid (CO2) (IR) • Sauerstoff (O2) (EC) • Schwefelwasserstoff (H2S) (EC) • Ex-Zonen-Überwachung  EC = Elektrochemisch IR = Infrarot Absorption

Beispiel: SBW Biogas Lelbach – Energieproduktion

Energieerzeugung Elektrische Leistung (Opt.): 500 kW Elektrische Leistung (Max.): 530 kW Thermische Leistung: 623 kW Wärmenutzungskonzept • Latent-Wärmespeicher („Wärmetankstelle Biogasanlage“) • Holzhackschnitzeltrocknung • Holzscheittrocknung • > 400 kW

Beispiel: SBW Biogas Lelbach – Automation

• State-of-the-art Prozessleitsystem (WinCC 6.0) • Leistungsfähige Speicherprogrammierbare Steuerung (S7) • Digitaler Prozessbus (PROFIBUS-DP) • High-Level Automation • Fernwirktechnik und Störmeldekonzepte • Internetbasierte Lösungen sind möglich Beispiel: SBW Biogas Lelbach – Automation Fernziel: Viele Biogasanlagen zu einem virtuellen Großkraftwerk verbinden, um Grund- und Spitzenlast zur Verfügung zu stellen!

Beispiel: Betriebslabor
Ergebnisse von Vergleichsmessungen auf der Kofermente-BGA Leese (Wiese u. König, 2006)

Beispiel: SBW Biogas Lelbach – Betriebsergebnisse

Zusammenfassung und Fazit

• Biogas ist eine ökologisch verträgliche Form der Energieerzeugung.
• Biogas ist eine wirtschaftliche Form der Erneuerbaren Energien.
• Biogas gibt der Landwirtschaft eine Zukunftsperspektive („Vom Landwirt zum Energiewirt“) und erhöht die regionale Wertschöpfung.
• Das ungenutzte Potenzial für Biogas ist weltweit noch sehr groß!
• Der Trend geht zur mittleren bis größeren Biogasanlagen (d.h. 300 bis 1.500 kW), da diese besonders wirtschaftlich sind.
• Moderne Biogasanlagen erzielen hohe Anlagenverfügbarkeiten und Auslastungsgrade (> 90 %) und sind damit Grund- und Spitzenlastfähig.
• Die zunehmend Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung macht die Biogasnutzung immer interessanter.
• In den nächsten Jahren wird die Einspeisung von Biogas in Erdgasnetze (und ggf. auch die Nutzung von Biogas für Brennstoffzellen) stark an Bedeutung gewinnen.

Autor:
Dr.-Ing. Jürgen Wiese
GKU
Gesellschaft für kommunale Umwelttechnik mbH
Heinrichstraße 17/19
36037 Fulda

Tel.: 0661/12-408
Fax: 0661/12-409
URL: http://www.gku-fulda.de
E-Mail: juergen.wiese@uewag.de