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, natürlichen Mikroorganismen, den sogenannten Methanbakterien, verrottet. Einige Beispiele für die natürliche Methangasbildung sind die Entstehung von Sumpfgas, die Methanbildung im Verdauungstrakt von Wiederkäuern, in durchnässten Kompostieranlagen und in überfluteten Reisfeldern

Abb. 1: Die Methanogenese Der Methanbildungsprozess ist sehr komplex. Er verläuft über mehrere Stufen ausgehend von Biomasse über die Hydrolyse der Makromoleküle, die Vergärung der Hydrolyseprodukte zu org.Säuren und Alkoholen und deren weiteren Abbau zu C2 und C1-Körpern sowie Wasserstoff (H2) durch acetogene Bakterien. Die C1-Körper werden schließlich in einem mehrstufigen Prozess von methanogenen Bakterien zu Methan reduziert. In Biogasanlagen macht man sich diesen natürlichen, biologischen Prozess zunutze.

1.3. Verbreitung von Biogasanlagen und vorhandenes Potential für den Betrieb von Biogasanlagen in der Bundesrepublik Deutschland

In der Bundesrepublik Deutschland sind bisher (Stand 11/99) ca. 580 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). Der sehr geringen Verbreitung von Biogasanlagen in Deutschland steht ein enormes Potential von mindestens etwa 150 000 bis 200 000 Biogasanlagen gegenüber, wenn man die Landwirtschaft mit einbezieht und das gesamte, technisch nutzbare Aufkommen an organischen Industrieabfällen, an Biomüll und an unbehandeltem Klärschlamm in die Berechnungen einfließen lässt.

Das Biogaspotential in der Bundesrepublik Deutschland beträgt nach teilweise sehr divergierenden Abschätzungen und Berechnungen zwischen 17,5 x 10⁹ m³ pro Jahr und 22 x 10⁹ 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 zwischen 76 % und 89 %. Der Rest verteilt sich auf Klärschlamm (ca. 4- 10 %), häuslichen Bioabfall (ca. 6 - 11 %) 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 aus dem Industriebereich 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 Stoffwechselwege ist auch das Spektrum an potentiellen Substraten nahezu unbegrenzt. Nur wenige Naturstoffe lassen sich wegen ihrer besonderen chemischen Struktur nur sehr langsam abbauen. Dazu zählt z.B. Lignin, die Gerüstsubstanz des Holzes. Praktisch alle synthetischen, organischen Polymere (Kunststoffe) sind nur extrem langsam oder überhaupt nicht durch Bakterien abbaubar (Ausnahme: PHA, siehe Tabelle 2). Die nachfolgende Auflistung stellt nur einen kleinen, beispielhaften Ausschnitt aus dem potentiellen Substratspektrum zur Erzeugung von Biogas dar und entbehrt jeglicher Vollständigkeit.

Tabelle 2: Geeignete Substrate für Bioreaktoren zur Biogaserzeugung ^(*)

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

1.4. Ökologische Aspekte der Biogasnutzung

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 Kohlendioxid (CO₂)-Bilanz der Erdatmosphäre neutral, da im Gegensatz zur Verbrennung von fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdgas, Erdöl) höchstens nur die Menge an CO₂ 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 (CH₄), das sich stets beim unkontrollierten, anaeroben Abbau von Biomasse bildet, in die Atmosphäre abgegeben wird. Bei gleicher Konzentration ist Methan ein ca. 30-mal stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid.

2. Biogastechnik: Wie funktionieren Biogasanlagen?

In Biogasanlagen entsteht unter kontrollierten und optimierten Bedingungen aus organischen Abfallstoffen durch mehrstufige mikrobielle Abbaureaktionen aus Biomasse ein Gasgemisch, das sog. Biogas. Biogas besteht zu etwa 50 bis 70 Vol % aus Methan. Der Rest ist überwiegend Kohlendioxid mit Spuren von Schwefelwasserstoff (H₂S) und Stickstoff (N₂). 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.

Abb. 2: Funktionsdiagramm einer Biogasanlage für einen landwirtschaftlichen Betrieb

Frischgülle, Festmist und andere organischen 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, getrocknet 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 den Eigenbedarf des landwirtschaftlichen Betriebes. Überschüsse an elektrischer Energie werden gegen Vergütung von derzeit ca. 0,14 DM pro kWh ins Stromnetz eingespeist

2.1. Stand der Technik und Anlagetypen

Der Prozess der Methanbildung aus Biomasse ist umfassend wissenschaftlich erforscht worden und weitgehend aufgeklärt. Derzeitige Forschungsarbeiten befassen sich vorwiegend mit Verfahrenstechnik, Verfahrensoptimierung sowie mit Mess-, Steuer- und Regeltechnik (MSR).

2.2. Substrataufbereitung

Die Aufbereitung von Substraten vor der Vergärung in einer Biogasanlage kann aus mehreren Gründen notwendig werden:

• a) Das Substrat besitzt einen zu hohen Trockensubstanzanteil (% TS). Ideal ist ein Trockensubstanzanteil von 10 bis 12 % TS, wobei der Anteil organischer Trockensubstanz (oTS) in der Gesamt TS möglichst hoch liegen soll. Nur organische Substanzen bilden Biogas, mineralische Bestandteile durchlaufen den Bioreaktor überwiegend unverändert oder bilden im ungünstigsten Fall sogar Ablagerungen. Zu hohe Trockensubstanzkonzentrationen müssen mit Wasser oder wässrigen Substraten verdünnt werden. Man nennt diesen Vorgang anmaischen, wenn dabei gleichzeitig auch gröbere Strukturelemente zerkleinert werden.
• b) Das Substrat muss auf Grund gesetzlicher Auflagen hygienisiert werden. Dies trifft für Speisereste und bestimmte Schlachthofabfälle zu. Die Hygienisierung erfolgt durch Erhitzen bei 70 - 80 °C über eine Std. in einem Pasteurisierbehälter. Über die Hygienisierung muss ein Nachweis in Form eines Temperatur/Zeit-Diagramms geführt werden. Die Verpflichtung zur Hygienisierung ergibt sich aus dem Bundesseuchengesetz und dem Tierkörperbeseitigungsgesetz. Sie steht dennoch seit Jahren unter Anfechtung, da, wie von Seiten der Biogasanlagenbetreiber argumentiert wird, unter geeigneten Reaktorbetriebsweisen ohnehin eine Hygienisierung statt finde.
• c) Das Substrat muss strukturell verändert werden, um nicht zu Prozessstörungen im Biogasreaktor zu führen. Dies trifft z.B. für grob fasrige Stoffe wie Grünschnitt und Stroh zu. Vor dem Anmaischen müssen diese Stoffe zerkleinert werden z.B. im Häcksler.

2.3. Reaktortypen und Verfahrensweisen

Kleine Biogasanlagen in der Landwirtschaft sind überwiegend als klassischer Speicherreaktor gebaut. Dieser Typ besteht aus einem ober- oder unterirdisch stehenden Gärbehälter samt Peripherie und vertikaler Rührwelle (siehe Abb.). Dieser Reaktortyp kann relativ kostengünstig gebaut werden. Der Betrieb gilt heute als verfahrenssicher und relativ einfach. Weniger verbreitet sind Biogasanlagen mit liegenden Stahltank-Reaktoren. Diese Anlagen sind mit horizontaler Rührwelle mit integrierter Reaktortemperierung über Rührschlaufen ausgestattet.

Abb. 3: Zwei Grundbauformen von Biogasreaktoren

An Biogasanlagen zur Energiegewinnung aus Industrieabfallstoffen und aus Biomüll werden je nach Substrat andere technische Anforderungen gestellt. In diesen Anlagen kommt neben dem Reaktor und dem BHKW vor allem der Substrataufbereitung und Nachbehandlung eine entscheidende Bedeutung zu. Substrate müssen vor der Verbringung in den Reaktor häufig von Störstoffen befreit werden (Biomüll), auf den optimalen TS Gehalt von 10 bis 12 % eingestellt werden, miteinander vermischt werden oder sogar chemisch neutralisiert werden (pH 5,5 bis 7,5 je nach Substrat). Die Substratkonditionierung kann im Einzelfall höhere Investitionen erfordern als der Reaktor samt BHKW. Für manchen Anlagenbetreiber ergibt sich die Notwendigkeit, die festen Bestandteile der Gärrückstände aus der Flüssigphase abzutrennen. Dazu werden Schneckenpressen, Siebbandpressen oder auch Durchlaufzentrifugen häufig noch in Verbindung mit Fällungsmitteln eingesetzt. Die Investitionen für die Nachbereitung und Zwischenlagerung der Gärrückstände können in Ausnahmefällen bis zu einem Drittel der Gesamtkosten betragen. Die Wirtschaftlichkeit einzelner Industriebiogasanlagen resultiert unter Umständen weniger aus der Energieproduktion, sondern vielmehr aus der Einsparung von Entsorgungskosten bzw. aus der Einnahme von Entsorgungsvergütung. Auf ein Beispiel für eine besondere Biogas-Anlagenbauform, den sogenannten Festbett-Biogas-Reaktor zur Reinigung von organisch hoch belasteten Industrieabwässern soll im folgenden näher eingegangen werden.

Im Prinzip handelt es sich dabei um eine Biogasanlage, die mit Immobilisierungskörpern in Form von offenporigen Keramikplatten hoher Porosität ausgerüstet ist. Die durch die Immobilisierungskörper bedingte extrem große innere Oberfläche, die von Bakterien besiedelt wird, ermöglicht einen relativ schnellen Durchsatz des Abwassers. Bei kontinuierlicher oder semi-kontinuierlicher Zufuhr von Abwasser werden die Mikroorganismen im Festbett-Bioreaktor zum größten Teil zurückgehalten und nicht ausgewaschen. Das System gewährleistet somit eine kontinuierlich hohe Abbauleistung. Bei konventionellen Biogasanlagen liegt die übliche Retentionszeit (Verweildauer im Reaktor) zwischen 20 und 30 Tagen; in Hochleistungs-Festbett-Bioreaktoren kann sie auf weniger als einen Tag reduziert werden. Festbett-Bioreaktoren eignen sich nur für niedrig konzentrierte Substrate bis zu einem CSB von etwa 20 000 mg/l. Festbett-Bioreaktoren stellen erhebliche Anforderungen an die MSR-Technik. Die Energiegewinnung steht dabei an zweiter Stelle. Wesentlich ist bei diesen Anlagen der höchst mögliche Abbau von organischen Substanzen im Abwasser auf CSB Werte von unter 1000 mg/l. Die Wirtschaftlichkeit von Festbett-Bioreaktoren zur anaeroben Abwasserreinigung ergibt sich aus der Einsparung von Abwassereinleitungsgebühren.

2.4. Verfahren zur Aufreinigung von Biogas

Die heute gängigsten Aufreinigungsverfahren sind das kontrollierte Einblasen von kleinen Luftmengen sowie sie Absorption mit Eisenoxid. In kleinen, vor allem landwirtschaftlichen Biogasanlagen wird der Schwefelwasserstoff durch Eindosieren von Luft zu Schwefel oxidiert. Anfangs glaubte man, dass dies auf die direkte Reaktion von Luftsauerstoff mit Schwefelwasserstoff (H₂S) zurückzuführen sei. Inzwischen steht fest, dass an der Phasengrenzfläche sog. microaerophile Bakterien, die auf geringe Sauerstoffkonzentrationen angewiesen sind, mit hoher Umsatzrate H₂S zu elementaren Schwefel (S) oxidieren. Dieses Verfahren ist sehr kostengünstig und unproblematisch in der Anwendung.

Das chemische Absorptionsverfahren beruht auf der Reaktion von H₂S mit Eisenoxid Fe₂O₃ entsprechend der folgenden Reaktionsgleichung:

2 Fe₂O₃ x 3 H₂O + 3 H₂S -----> Fe₂S₃ + 6 H₂O

Durch Einblasen von Sauerstoff kann die Masse in gewissem Umfang wieder regeneriert werden. Dieses Verfahren wird, da es relativ kostenaufwändig ist, nur bei großen Biogasanlagen eingesetzt. Das entschwefelte Biogas muss in jedem Fall noch getrocknet werden. Derzeit laufen unterschiedliche Untersuchungen zur Abtrennung von Biogas.

2.5. Biogasverwertung: BHKWs und direkte Gasnutzung

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. Die ausschließliche Energiegewinnung nur durch Verbrennung des Biogases wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit heute kaum mehr betrieben. Diesem Verfahren könnte aber in Zukunft große Bedeutung zukommen, wenn es gelingt, Biogas so weit aufzureinigen, dass es in vorhandene Erdgasnetze eingespeist werden kann.

2.6. Sicherheitsfragen

Neben den Sicherheitsfragen, die beim Betrieb aller Maschinen und Anlagen zu beachten sind, ist bei Biogasanlagen dem Umstand Rechnung zu tragen, dass Biogas in Konzentrationen zwischen 5 bis 12 % in Luft explosiv ist und oberhalb dieses Bereiches immer noch abbrennen kann.

3. Schlussbemerkungen und Zusammenfassung der Nutzeffekte

3.1. Ökonomische Gesichtspunkte und Forderung 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. Feste Reststoffanteile, die nach dem Vergärungsprozess zurückbleiben, lassen sich zusammen mit den Holzanteilen hervorragend und ohne die bekannten Geruchsprobleme verkompostieren.

Das am 1.4.2000 in Kraft tretende Gesetz für den Vorrang erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz - EEG) hat erhebliche Auswirkungen auf den Betrieb und die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen. Die Stromeinspeisevergütungen liegen mit nun 20 Pfg. pro kWh erheblich höher als in den vergangenen Jahren. Die Biogastechnik wird voraussichtlich einen steilen Aufschwung erleben, da sich wegen der erhöhten Stromeinspeisevergütung auch zunehmend kleinere Biogasanlagen wirtschaftlich betreiben lassen.

Biogasanlagen als Einrichtungen zur Erzeugung von regenerativer und CO₂-neutraler Energie sollten trotz dieser Verbesserung der Rahmenbedingungen ebenso wie Windkraft- und Solaranlagen von Energiesteuern befreit werden. Es macht keinen Sinn, regenerativ erzeugte Energien, die immer noch mehr oder weniger von Fördermitteln abhängig sind, mit einer Energiesteuer zu belasten und andererseits die Forderung nach verstärkter Nutzung von regenerativen Energien zu stellen. Wer sich die Forderung nach dem Ausstieg aus der Kernenergie zu eigen macht, oder wer sich klar macht, dass die Menschheit im Begriff ist, die fossilen Energieträger, die in mehreren hundert Millionen Jahren Erdgeschichte entstanden sind in wenigen hundert Jahren aufzubrauchen, der muss alle Anstrengungen unternehmen, um die Erzeugung und Nutzung regenerativer Energien weiter zu erhöhen.

3.2. Zusammenfassung

Ökologischer und ökonomischer Nutzen aus der Biogastechnik?

• Gewinnung von regenerativer, Ressourcen und Klima schonender Energie und damit Substitution von Energie die aus fossilen Energieträgern bzw. aus Atomkraftwerken gewonnen wird
• Die Menge an organischen Abfallstoffen kann bis zu 85 % reduziert werden (im Abwasser sogar um bis zu 90 %).
• Die Eigenschaften der verbleibenden Restsubstanzen sind verbessert im Vergleich zum unbehandeltem organischen Abfall: (Beispiel: bessere Homogenität)
• Starke Reduzierung der Geruchsstoffe durch biologischen Abbau der flüchtigen Geruchsstoffe in organischen Abfällen (z.B. in Gülle)
• Erhebliche Reduzierung bzw. vollständige Abtötung von pathogenen Keimen in der verarbeiteten Biomasse
• Erhebliche Reduzierung der Entsorgungskosten für org. Abfallstoffe nach Verarbeitung im Bioreaktor bis hin zur sinnvollen Wiederverwendung (z.B. als Düngemittel und in Form anderer innovativer Produkte)