Biogas

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Biogas ist ein gasförmiger Biokraftstoff, der aus Abfällen und Restoffen, aber auch aus Feldfrüchten, wie beispielsweise Silomais, gewonnen werden kann. Im Gegensatz zu anderen bereits verfügbaren Technologien zur Erzeugung von Biokraftstoffen, kann bei der Herstellung von Biogas die ganze Pflanze genutzt werden und nicht nur die Frucht (Korn, Ölsaat). Damit erzielt Biogas eine höhere Kraftstoffausbeute pro Hektar. Dieser Umstand und die Möglichkeit der Verwendung von Reststoffen (biogene Abfälle, Gülle) als Rohstoff, führen zu vergleichsweise niedrigen Treibhausgas-Emissionen. Bei der Verbrennung fallen im Vergleich zu flüssigen Kraftstoffen nur geringe Luftschadstoffemissionen wie beispielsweise Feinstaub an.

Der mehrstufige Prozess der Biogasgewinnung erfordert eine Vielzahl an Mikroorganismen, die unter anaeroben Bedingungen die in Kohlehydraten, Fetten und Proteinen gespeicherte Energie für ihren Stoffwechsel nutzen. Von den enthaltenen Methanbakterien nutzen ca. 70% Essigsäure (acetogenotroph) für ihren Stoffwechsel, während etwa 30% der bekannten Arten Wasserstoff und Kohlendioxid (hydrogenotroph) verwerten. Optimale Bedingungen für die Entstehung von Biogas herrschen bei 30 bis 40°C (mesophil) oder auch bei 55 bis 60°C (thermophil). Der pH-Wert sollte im neutralen bis schwach alkalischen Bereich liegen.

Die an der jeweiligen Abbaustufe beteiligten Bakterien sind zum Teil voneinander abhängig, indem die Stoffwechselprodukte der einen Gruppe den Nährboden für die andere Gruppe darstellen, während sich andere Bakteriengruppen wiederum gegenseitig hemmen. Da die Abbauschritte in der angeführten Reihenfolge ablaufen, dauert es beim Anfahren eines Fermenters vier bis sechs Wochen, bis die Gasbildung einsetzt.

Je nach Einsatzgebiet kommen unterschiedliche Verfahren zur Biogaserzeugung zum Einsatz. Diese können nach dem vorhandenen Trockensubstanzgehalt im Fermenter (Nassvergärung: bis ca. 15% TS-Gehalt, Trockenvergärung: 25-50% TS-Gehalt), der Art der Beschickung (kontinuierlich, Batch-Betrieb), nach der Prozesstemperatur (psychrophile Betriebsweise bis 20°C, mesophile Betriebsweise 30-40°C, thermophile Betriebsweise 55-60°C) und der Stufigkeit des Prozesses (Einstufige, zweistufige, mehrstufige Anlage) unterteilt werden.

In der Landwirtschaft wird hauptsächlich das Verfahren der Nassvergärung eingesetzt, bei welchem sich im Laufe der Zeit verschiedene Anlagenbauweisen entwickelt haben. Die Technik der Nassvergärung hat sich deswegen durchgesetzt, da diese für fließfähige Substrate wie Gülle, die in den meisten Betrieben anfällt, am besten geeignet ist, und da für diese auch schon die entsprechenden Ausbringungsgeräte vorhanden sind. Zur Erzeugung von Biogas aus stapelbaren, schüttfähigen Biomassen wurden die Verfahren der Trockenvergärung entwickelt. Diese Verfahren sind jedoch tendenziell weniger oft anzutreffen als die Nassvergärung.
In Abbildung 1 ist eine landwirtschaftliche Biogasanlage schematisch dargestellt.

Das bei der Vergärung gebildete Gasgemisch besteht zu 50-70% aus dem Energieträger Methan. Weitere Bestandteile sind 30-40% Kohlendioxid (CO2) sowie Spuren von Schwefelwasserstoff (H2S), Stickstoff (N2), Wasserstoff (H2), Ammoniak (NH3) und Kohlenmonoxid (CO). Das Biogas kann auf mehrere Arten genutzt werden (Verbrennung zur Erzeugung von Strom und Wärme, Einspeisung in ein Erdgasnetz, Energiegewinnung in Brennstoffzellen oder als Treibstoff), wobei die am weitesten verbreitete Nutzungsvariante jene der Verbrennung in einem Gasmotor zur Erzeugung von Strom und Wärme ist. Der erzeugte Strom kann meist zu geförderten Tarifen in das öffentliche Netz eingespeist werden. Dabei ist zur optimalen energetischen Nutzung des Biogases unbedingt auf eine Verwertung der beim Verbrennungsprozess anfallenden Abwärme zu achten. Diese kann entweder wieder dem Vergärungsprozess als Prozesswärme für die Vergärung zugeführt, oder auch betriebsintern für die Beheizung von Wohn- und Stallgebäuden genutzt werden. Im besten Fall kann die thermische Energie an externe Wärmeabnehmer verkauft werden.

Neben dem Biogas entsteht ein Gärprodukt, das entweder als flüssiger Dünger in der Landwirtschaft oder, nach Entwässerung und kurzer Nachrotte, als Kompost verwendet werden kann. Dabei ergibt sich zusätzlich der Vorteil, dass bei der Vergärung die biologisch instabilen organischen Verbindungen zu 30 – 40% zersetzt werden und der Faulschlamm den belästigenden Geruch des Rohproduktes weitgehend verliert. Außerdem wird die Geruchsbelästigung bei der Vergärung im Vergleich zur Kompostierung minimiert, da diese in einem geschlossenen Behälter erfolgt. Das entstehende Biogas kann als erneuerbare, komfortable und flexible Energiequelle zur dezentralen Energieversorgung genutzt werden.

Um das entstandene Biogas verwerten zu können, muss es noch weitgehend von unerwünschten Verunreinigungen befreit werden. Das Hauptproblem stellt dabei der im Biogas enthaltene Schwefelwasserstoffgehalt dar, da dieser bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen die mit Gülle und landwirtschaftlichen Reststoffen betrieben werden, gewöhnlich in Konzentrationen von 200 bis 5.000 ppm auftritt. Neben der starken Toxizität und der stark korrosiven Wirkung von H2S gegenüber Stahl, wird der Entschwefelung auch deshalb große Bedeutung beigemessen, da schon geringfügig überhöhte H2S-Gehalte im Biogas zu Schäden bei der zur Verstromung nachgeschalteten Technologie führen können. Um eine Beschädigung des Blockheizkraftwerks und sonstiger Komponenten (z.B. Wärmetauscher, Katalysator, Gasmotor, Brennstoffzelle) zu verhindern, muss der Schwefelwasserstoff aus dem Biogas entfernt werden, bzw. der H2S-Gehalt unter den vom Hersteller der eingesetzten Konversionstechnologie vorgegebenen Grenzwert abgesenkt werden. Dabei sollte für BHKW-Motoren ein H2S-Grenzwert von 100 - 500 ppm (abhängig vom Hersteller) nicht überschritten werden. Je niedriger der Wert ist, umso höher ist die Lebensdauer des Aggregats. Abbildung 2 zeigt ein Gasmotor-BHKW mit einer elektrischen Leistung von 500 kW.

Zur Reinigung des erzeugten Biogases werden die Verfahren der Entschwefelung mittels Eisenoxid (Trockenfilter die Eisenoxid oder Eisenhydroxide enthalten), durch direkte Zugabe von Eisen in Form von Eisenschlämmen oder Eisensalzen in das Substrat, mittels Druckgaswäsche (Absorption), Adsorption (Druckwechselverfahren mit Aktivkohle) oder der biologischen Entschwefelung durch Oxidation mit Sauerstoff zu elementarem Schwefel eingesetzt. Weiteres werden auch Molekularsiebe zur Gasreinigung und Methananreicherung des Biogases eingesetzt.

Zusätzlich zur Entschwefelung erfolgt meist noch eine Trocknung des Biogases. Diese kann auf mehrere Arten durchgeführt werden, wobei aus Kostengründen oft die Entfeuchtung mittels langer Leitungen in denen das Gas abkühlt und das Wasser kondensiert, eingesetzt wird. Für noch niedrigere Wassergehalte werden Wasserabscheider im Speicher oder Kondensattrockner eingesetzt.

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Biogas


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