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Biogas

Biogas ist ein Gemisch aus den Hauptkomponenten Methan, Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Schwefelwasserstoff. Es entsteht bei der anaeroben (sauerstofffreien) Vergärung von organischem Material. Als Ausgangsstoffe für die technische Produktion von Biogas eignen sich:

  1. vergärbare, biomassehaltigen Reststoffe wie Klärschlamm, Bioabfall oder Speisereste,
  2. Wirtschaftsdünger (Gülle, Mist)
  3. gezielt angebaute Energiepflanzen.
Dabei stellt die Landwirtschaft mit 2. und 3. das größte Potenzial für die Produktion von Biogas. Je nach Herkunft kann man auch nach Klärgas (aus Kläranlagen), Deponiegas (aus Deponien) und Biogas (aus Biogasanlagen) unterscheiden.

Im Falle der unkontrollierten Entstehung durch natürliche Prozesse und der ungenutzten Entweichung in die Atmosphäre - aus Gewässern, Mist, Reisfeldern und tierischen Quellen wie Pansen von Wiederkäuern - nennt man das Gas im allgemeinen Faulgas oder Sumpfgas.

Biogas enthält stets auch ungewünschte Bestandteile wie Schwefelwasserstoff, der ihm vor der technischen Nutzung entzogen wird. Biogas wird als Brennstoff für Blockheizkraftwerke zur Stromerzeugung oder zu Heizungszwecken genutzt. In der Entwicklung ist derzeit die Aufbereitung auf Erdgasqualität, um Biogas ins Gasnetz einzuspeisen bzw. in Erdgasfahrzeugen als Treibstoff zu nutzen.

Biogas aus Energiepflanzen

Analog zur Verwendung von Holz in Biomasseheizkraftwerken werden vermehrt Pflanzen gezielt zur Vergärung in Biogasanlagen und zur Produktion von Biogas angebaut. Dies können im Prinzip alle ackerbaulich genutzten Früchte oder Gras sein. Aktuell (2004) ist die Nutzung von Mais, Getreide (Acker) und Gras (Wiese (Grünfläche)) am weitesten verbreitet.

Zur Abschätzung der Nutzung für die Stromproduktion:

1 ha Mais = ca. 2 kW elektr. Dauerleistung; 1 ha Getreide = ca. 1,5 kW; 1 ha Gras = ca. 1 kW; Gülle von 1 Kuh = ca. 0,15 kW.

Biogaserzeugung

Die Biogaserzeugung findet in einer Biogasanlage statt. In dem gesteuerten Prozess der Biogasentstehung sind verschiedenste Arten von anaeroben Mikroorganismen beteiligt, deren Mengenverhältnis zueinander durch Ausgangsstoffe der Gärung, pH-Wert, Temperatur- und Gärungsverlauf beeinflusst wird. Aufgrund der Anpassungsfähigkeit dieser Mikroorganismen an die Prozessbedingungen können nahezu alle organischen Substanzen durch Gärung abgebaut werden. Lediglich höhere Holzanteile können durch das mikrobiologisch schwer zersetzbare Lignin schlecht verwertet werden. Voraussetzung für eine erfolgreiche Methanbildung ist ein hoher Wasseranteil im Ausgangssubstrat von mindestens 50 %.

Man unterscheidet nach dem heutigen Erkenntnisstand vier parallel bzw. nacheinander ablaufende und ineinandergreifende biochemische Einzelprozesse, die den anaeroben Abbau biogener Substanzen ermöglichen:

  1. Während der Hydrolyse werden die Biopolymere in monomere Grundbausteine oder andere lösliche Abbauprodukte zerlegt. Hierbei kann festgestellt werden, dass Fette in Fettsäuren, Kohlenhydrate, wie z.B. Polysaccharide in Mono- oder Oligosaccharide und Proteine, wie Eiweiße in Peptide bzw. Aminosäuren zerlegt werden. Diese Reaktion wird durch fakultativ anaerobe Mikroorganismen katalysiert, wobei diese durch Ausschüttung von Exoenzymen die Hydrolyse der Edukte vollziehen. Dieser Reaktionsschritt ist aufgrund der Komplexität des Ausgangsmaterials der Geschwindigkeitsbestimmende.
  2. Im Rahmen der Acidogenese (allg.-sprachlich auch als Fermentation bezeichnet) - die zeitgleich zur Hydrolyse stattfindet - werden die monomeren Interdukte einerseits in niedere Fett-/Karbonsäuen, wie z.B. Butter-, Propion- und Essigsäure, andererseits in niedere Alkohole, wie z.B. Ethanol, umgesetzt. Bei diesem Umsetzungsschritt verzeichnen die fakultativ anaeroben Mikroorganismen erstmals eine Energiegewinn. Bei dieser Umsetzung werden bereits bis zu 20% des Gesamtanteils an Essigsäure gebildet.
  3. Während der Acetogenese werden die niederen Fett- und Karbonsäuen sowie die niederen Alkohole durch acetogene Mikroorganismen primär zu Essigsäure, bzw. dessen gelöstem Salz, dem Acetat umgesetzt.
  4. In der letzten, obligat anaerob ablaufenden Phase - der Methanogenese - wird die Essigsäure durch entsprechend acetoclastische Methanbildner in Methan und Kohlenstoffdioxid sowie Wasserstoff umgewandelt.

Zurück bleibt ein Gemisch aus schwer abbaubarem organischen Material beispielsweise Lignin und anorganischen Stoffen wie zum Beispiel Sand oder andere Mineralien.

Der mikrobiologische Prozess der Biogaserzeugung, die Vergärung, läuft bis heute noch als sogenannter "Black Box"-Betrieb ab, was heißt, man kennt zwar, was in den Reaktor hinein- und was herauskommt, der mikrobiologische Prozess dazwischen ist aber weitgehend noch nicht wissenschaftlich erforscht. So ist es schwierig, Steuerungsparameter für eine geregelten und auf maximale Methanausbeute ausgelegten Ablauf zu finden - meist beruhen diese auf längerer Praxiserfahrung, das Zusammenspiel der Mirkoorganismen ist aber nur unzureichend bekannt. Forschungsprojekte zur Erklärung des genauen Ablaufs und der Charakterisierung der mikrobiologischen Populationen bzw. Gemeinschaften werden aber bald Aufschluss über den genauen Verlauf geben können.

Zur Aufrechterhaltung des Gärprozesses wird etwa die Hälfte der Abwärme aus der Stromproduktion mit Biogas benötigt. Die verbleibende Wärme kann für andere Heizzwecke verwendet werden. Für den Gesamtwirkungsgrad einer solchen Anlage ist daher die optimale Nutzung der Abwärme und eine Temperaturregelung im Gärprozess entscheidend.

Zusammensetzung

Methan 40-75 %
Kohlenstoffdioxid 25-55 %
Wasserdampf 0-10 %
Stickstoff 0-5 %
Sauerstoff 0-2 %
Wasserstoff 0-1 %
Ammoniak 0-1 %
Schwefelwasserstoff 0-1 %

Wertvoll im Biogas ist das Methan. Je höher dessen Anteil ist, desto energiereicher ist das Gas. Nicht nutzbar sind das Kohlenstoffdioxid und der Wasserdampf. Problematisch im Biogas sind vor allem der Schwefelwasserstoff und der Ammoniakanteil, die vor dem Verbrennungsvorgang entfernt werden müssen, um die Gasmotoren vor diesen chemisch aggressiven Substanzen zu schützen.

Siehe auch

  • Gülle, Zukunftstechnologie

Literatur

  • Top agrar, Das Magazin für moderne Landwirtschaft., "Biogas: Strom aus Gülle und Biomasse. Planung, Technik, Förderung, Rendite." (2000) ISBN 3-7843-3075-4
  • Barbara Eder und Heinz Schulz, "Biogas-Praxis. Grundlagen, Planung, Anlagenbau, Beispiele." (2. Aufl., 2001) ISBN 3-922964-59-1
    • Das Buch vermittelt die Grundlagen der Biogasentstehung bzw. -erzeugung und behandelt die Anlagentechnik (Behälter, Rührwerke, Gasspeicher und die zugehörigen Betriebseinrichtungen) Ein eigenes Kapitel ist der Cofermentation organischer Reststoffe (z.B. aus der Lebensmittelverarbeitung) gewidmet, welche die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen verbessern kann. Mit einer Übersicht über Beratungsstellen und einem ausführlichen Lieferantenverzeichnis.
  • Bayerisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz (StMUGV): Biogas Handbuch Bayern. München, 15. November 2004. http://www.stmugv.bayern.de/de/abfall/biogashandbuch.pdf

Weblinks