Dr. Kurt Frunzke

bioteg GmbH

Vortrag anlässlich der "Oberfränkischen Energietage"
vom 25. bis 27. Januar 1999 in Kulmbach

Inhaltsübersicht

• 1. Die Entstehung von Methangas (Biogas)
• 2. Ökologische Gesichtspunkte
• 3. Wie funktionieren Biogasanlagen?
• 4. Verbreitung von Biogasanlagen und vorhandenes Potential für Biogasanlagen in der Bundesrepublik Deutschland
• 5. Stand der Technik und Anlagetypen
• 6. Ökonomische Gesichtspunkte und Forderungen an die Politik
• 7. Zusammenfassung

1. Die Entstehung von Methangas in der Natur

Die biologische Methangasbildung ist ein Prozess, der in der Natur überall dort statt findet, wo organisches Material (Biomasse) in feuchter Umgebung und unter Luftabschluss durch die Stoffwechselaktivität einer Gruppe von überall vorkommenden natürlichen Mikroorganismen, den sogenannten Methanbakterien, verrottet. Einige Beispiele für die natürliche Methangasbildung in der Natur sind die Entstehung von Sumpfgas, die Methanbildung im Verdauungstrakt von Wiederkäuern, in nassen Kompostieranlagen und in überfluteten Reisfeldern.

Der Methanbildungsprozess ist sehr komplex. Er verläuft über mehrere Stufen ausgehend von der Biomasse über die Hydrolyse der Makromoleküle, die Vergärung der Hydrolyseprodukte zu org. Säuren und Alkoholen und deren weiteren Abbau zu C2 und C1-Körpern und Wasserstoff durch acetogene Bakterien. Die C1-Körper werden schließlich in einem mehrstufigen Prozess von methanogenen Bakterien zu Methan reduziert.

2. Ökologische Gesichtspunkte

Die Energie aus Biogasanlagen zählt zu den erneuerbaren (regenerativen) Energien, da beim bakteriellen Abbau der Biomasse letztendlich Sonnenenergie, die in Pflanzen zwischengespeichert wurde, in Form des Energieträgers Biogas wieder frei wird. Der Prozess ist in Bezug auf die CO2-Bilanz der Erdatmosphäre neutral, da im Gegensatz zur Verbrennung von fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdgas, Erdöl) höchstens nur die Menge an Kohlendioxid wieder frei gesetzt werden kann, die unmittelbar zuvor durch pflanzliche Photosynthese aus der Erdatmosphäre entnommen (assimiliert) wurde.

Durch Einsatz der Biogastechnologie wird außerdem verhindert, dass das extrem starke Treibhausgas Methan, das sich stets beim unkontrollierten, anaeroben Abbau von Biomasse bildet, in die Atmosphäre abgegeben wird. Bei gleicher Konzentration ist Methan ein ca. 30-mal stärkerer Treibhausgas als Kohlendioxid.

3. Wie funktionieren Biogasanlagen

In Biogasanlagen macht man sich diesen natürlichen, biologischen Prozess zunutze. Unter kontrollierten und optimierten Bedingungen entsteht aus organischen Abfallstoffen durch mehrstufige mikrobielle Abbaureaktionen aus Biomasse ein Gasgemisch, das sog. Biogas. Biogas besteht zu etwa 50 bis 70 Vol % aus Methan (CH4). Der Rest ist überwiegend Kohlenstoffdioxid (CO2) mit Spuren von Schwefelwasserstoff (H2S) und Stickstoff (N2).

Tabelle 1

Organische Substrate werden in einem Vorbehälter vermischt, über eine Fördereinrichtung in den Bioreaktor überführt und hier vergoren. Das im Bioreaktor erzeugte Biogas wird in einem Gasspeicher gesammelt und entschwefelt. Das Gasgemisch wird als Treibstoff für einen Gasmotor eingesetzt, der über einen angekoppelten Generator elektrischen Strom erzeugt. Die Abwärme des Motors wird über einen Wärmetauscher auf einen oder mehrere Heizkreisläufe übertragen und dient somit zur Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung. Der im Generator erzeugte Strom deckt z.B. den Eigenbedarf des Betriebes. Überschüsse an elektrischer Energie werden gegen Vergütung von derzeit ca. 14 Pf pro kWh ins Stromnetz eingespeist

Biogas kann zur direkten Wärmeerzeugung wie Erdgas verbrannt werden oder als Treibstoff für einen Gasmotor eingesetzt werden. Der Gasmotor mit Wärmetauscher und angekoppeltem Generator wird auch als Blockheizkraftwerk (BHKW) bezeichnet. Das BHKW erzeugt mit einem Wirkungsgrad von etwa 30 % elektrischen Strom und mit etwa 60 % Wärme bezogen auf den Energiegehalt von Biogas.

4. Verbreitung von Biogasanlagen und vorhandenes Potential für Biogasanlagen in der Bundesrepublik Deutschland

In der Bundesrepublik Deutschland sind bisher (Stand 11/98) ca. 320 Biogasanlagen im Betrieb. Zum Vergleich sei hier erwähnt, dass in der Volksrepublik China zwischen 6 und 7 Millionen Anlagen laufen (überwiegend sehr einfache Kleinanlagen mit ca. 10 m3 Reaktorvolumen). Sehr im Gegensatz zu dieser geringen Verbreitung besteht in Deutschland ein Potential von etwa 150 000 bis 200 000 Biogasanlagen, wenn man die Landwirtschaft mit einbezieht und das gesamte, technisch nutzbare Aufkommen an organischen Industrieabfällen, und an Haushaltsbiomüll als Berechnungsgrundlage heranzieht.

Das Biogaspotential in der Bundesrepublik Deutschland beträgt nach teilweise sehr divergierenden Abschätzungen zwischen 17,5 Milliarden m³ (1) pro Jahr und 22 Milliarden m³ pro Jahr. Dies entspricht einem Energiepotential von etwa 1,1 x 1011 kWh/a bis 1,4 x 1011 kWh/a. Der Anteil des landwirtschaftlichen Potentials liegt dabei je nach Berechnungsgrundlage und entsprechend unterschiedlicher Schätzungen zwischen 75 % und 89 %. Der Rest verteilt sich auf Klärschlamm (ca. 6%), häuslichen Bioabfall (ca. 7 %) und Industrieabfall (derzeit noch ca. 1-3 %). Das Potential aus Industrieabfallstoffen dürfte während der nächsten Jahre mit Sicherheit ansteigen, da gerade in jüngster Zeit durch die Ergebnisse zahlreicher Forschungsarbeiten neue Stoffströme zur Biogaserzeugung erschlossen werden konnten. Zur Biogasgewinnung kann grundsätzlich jede organische oder biologische Substanz (Biomasse) herangezogen werden, die durch Mikroorganismen verstoffwechselt werden kann. Aufgrund der extremen Vielfalt der bakteriellen Stoffwechselreaktionen ist auch das Spektrum an möglichen Substraten nahezu unbegrenzt. Manche Naturstoffe lassen sich wegen ihrer besonderen chemischen Struktur jedoch nur langsam abbauen. Dazu zählt z.B. Lignin, die Gerüstsubstanz des Holzes. Auch die meisten synthetischen, organischen Polymere (Kunststoffe) sind nur langsam oder überhaupt nicht durch Bakterien abbaubar (Ausnahme: siehe unten). Die nachfolgende Tabelle stellt nur einen kleinen Ausschnitt aus dem potentiellen Substratspektrum zur Erzeugung von Biogas dar und entbehrt jeglicher Vollständigkeit.

Tabelle 2

(*) die hier angegebenen Werte sind aus zahlreichen Quellen sowie eigenen Messreihen entnommen und nur als Durchschnittswerte zu sehen

5. Stand der Technik und Anlagetypen

Der Prozess der Methanbildung aus Biomasse ist umfassend wissenschaftlich erforscht worden und weitgehend aufgeklärt. Forschungsarbeiten in jüngster Zeit befassen sich vorwiegend mit Verfahrenstechnik, Verfahrensoptimierung- sowie mit Mess- und Steuerungstechnik.

Kleine Biogasanlagen in der Landwirtschaft sind überwiegend als klassischer Speicherreaktor gebaut. Dieser Typ besteht aus einem ober- oder unterirdisch stehendem Gärbehälter (siehe Abb.) samt Peripherie und vertikaler Rührwelle. Dieser Reaktortyp kann relativ kostengünstig gebaut werden. Der Betrieb gilt heute als sicher und relativ einfach. Daneben existieren auch noch einige liegende Reaktoren mit horizontaler Rührwelle: Hier ist die Reaktortemperierung in die Rührwelle integriert.

Die Energiegewinnung aus dem entstehenden Biogas erfolgt heute fast ausschließlich über Kraft-Wärme-Kopplungen, d.h. das Gas wird in Gasmotoren als Treibstoff verbrannt, der angekoppelte Generator erzeugt Strom und die Abwärme der Verbrennung (60 %) wird als Heizenergie genutzt. Energiegewinnung nur durch Verbrennung des Biogases wird heute kaum mehr betrieben.

6. Ökonomische Gesichtspunkte und Forderungen an die Politik

Biogasanlagen arbeiten umso gewinnbringender, je mehr Biomasse verarbeitet wird. Das Verhältnis Energieausbeute zu Investitionskosten und damit die Wirtschaftlichkeit verbessert sich mit zunehmender Größe der Anlage. Biogasanlagen bieten in der Abfallentsorgung bisher noch kaum genutzte Möglichkeiten. Aus einer Tonne frischem Biomüll lassen sich etwa 130 m³ Biogas gewinnen. Daraus können ca. 250 kWh elektrischer Strom und 480 kWh Wärme erhalten werden. Bei der Biogaserzeugung aus Biomüll entstehen keine lästigen oder schädlichen Emissionen.

Die Vergärung von Biomüll in Biogasanlagen ist aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht der Biomasse-Verbrennung oder der ausschließlichen Kompostierung vorzuziehen. Im Idealfall sollten Biomüllvergärung und Kompostierung miteinander kombiniert werden: Holzabfälle wie Baum- oder Heckenschnitt würden wie bisher kompostiert werden, während die feuchten und nassen Anteile des Biomülls vergärt würden. Die festen Reststoffanteile, die nach dem Vergärungsprozess zurückbleiben, lassen sich zusammen mit den Holzanteilen hervorragend und ohne die bekannten Geruchsprobleme verkompostieren.

Biogasanlagen sollten im Hinblick auf das Genehmigungsverfahren nach der 4. BImSchV nicht weiter benachteiligt werden. BHKWs sollten wie im Fall des Betriebes mit Erdgas oder Öl bis 1 MW genehmigungsfrei sein.

Ein wichtiger ökonomischer Gesichtspunkt sind die heutigen und zukünftigen Energiepreise. Sollten sich diese durch die Einführung einer Energie- oder CO2-Steuer oder durch den Ausstieg aus der Kernenergie erhöhen, würde die Rentabilität von Biogasanlagen steigen. Biogasanlagen als Einrichtungen zur Erzeugung von regenerativer und CO2-neutraler Energie sollten von derartigen Steuern nicht betroffen werden. Es macht keinen Sinn regenerativ erzeugte Energien, also nicht nur die Biogastechnologie, die noch mehr oder weniger von Fördermitteln abhängig sind, mit einer Energiesteuer zu belasten.

Leider sind Biogasanlagen gegenüber Windkraftanlagen und Solarstromanlagen erheblich benachteiligt. Die Stromeinspeisungsvergütungen liegen mit derzeit etwa 0,14 DM/kWh erheblich unter denen für Solarstrom und Windstrom. Dass die Biogastechnik sich dennoch verbreiten konnte und stetig zunimmt liegt sicher nicht nur an der inzwischen weitgehend ausgereiften Verfahrenstechnik sondern ist zumindest in der Vergangenheit vielen Idealisten zu verdanken, die auch ohne großen wirtschaftlichen Gewinn das Investitions- und Betriebsrisiko nicht scheuten.

7. Zusammenfassung

Tabelle 3

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