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Beschreibung der Produktion von Biogas in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage

BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Graz

Biogas stellt einen erneuerbaren Energieträger dar, dessen Hauptkomponenten Methan und Kohlendioxid sind. Es entsteht durch den mikrobiellen Abbau organischer Substanz (z. B. Gülle aus der Vieh- und Geflügelhaltung, Pflanzenbestandteile, Rest- und Abfallstoffe). Zur Biogasnutzung können theoretisch alle dem mikrobiologischem Abbau zugänglichen Substrate genutzt werden. Außer in der Landwirtschaft hat sich die Biogasproduktion auch zur Stabilisierung von Schlämmen aus der Abwasserreinigung oder als Vorstufe zur Behandlung hoch belasteter Abwässer aus der Lebensmittelindustrie bewährt. Während in der Landwirtschaft hauptsächlich Wirtschaftsdünger in Form von Gülle und Stallmist verarbeitet wird, erweist es sich als wirtschaftlicher die Gülle gemeinsam mit organischen Reststoffen aus der Agrar- und Lebensmittelindustrie oder mit Energiepflanzen (nachwachsende Rohstoffe) zu vergären, da solche Co-Substrate im Vergleich zu Wirtschaftsdüngern deutlich höhere Biogasausbeuten liefern.

Arbeitsprinzip von Biogasanlagen

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.

Abb. 1

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.

Abbildung 2

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. Weiters 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.

Relevante technische Daten und Wirkungsgrade für landwirtschaftliche Biogasanlagen

  • Gaszusammensetzung Biogas
    CH4: 50-70%
    CO2: 30-40%
    H2O: 2-7%
    N2: < 2%
    H2: < 1%
    H2S: 200-5.000 ppm
    NH3: < 500 ppm
  • Betriebstemperatur und pH-Wert im Fermenter:
    Mesophiler Betrieb: 30-40°C
    Thermophiler Betrieb: 55-60°C
    pH-Wert: neutral bis schwach alkalisch
  • Elektrische Leistung: 100–1.500 kWel
  • Elektrischer Jahresnutzungsgrad: 20-30 %

Realisierte bzw. in Realisierung befindliche Biogasanlagen- und Monitoringprojekte

  • Biogasanlage auf Basis landwirtschaftlicher Reststoffe mit Gasmotor-BHKW, Zwettl (Niederösterreich, Österreich)
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  • Biogasanlage auf Basis landwirtschaftlicher Reststoffe mit Brennstoffzelle und inkludierter Gasaufbereitung
  • Biogasanlage samt Gasaufbereitung zur Einspeisung des Biogases in ein bestehendes Gasnetz
  • Landwirtschaftliche Biogasanlage mit Gasmotor-BHKW, Saaz (Steiermark, Österreich)
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  • Biogasanlage auf Basis landwirtschaftlicher Reststoffe samt Gasaufbereitung zur Einspeisung des Biogases in ein bestehendes Erdgasnetz und Nutzung im Gasmotor-BHKW bei den Abnehmern, Bad Tatzmannsdorf (Burgenland, Österreich)
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  • Kombination einer anaeroben Abwasserreinigungsanlage und Biogasanlage zur energetischen Reststoffverwertung mit Biogasnutzung in einem Gasmotor-BHKW und Einspeisung ins firmeninterne Erdgasnetz – Hermann Pfanner Getränke Ges.m.b.H., Enns (Oberösterreich, Österreich)
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