Biogasanlagen: Flexibel erneuerbare Energien aus Biomasse produzieren
Mit Biogastechnik natürliche Prozesse umweltschonend nutzen
Biogas ist sachlich betrachtet ein brennbares Nebenprodukt, welches beim Vergären von organischen Stoffen unter Ausschluss von Sauerstoff entsteht. Daneben steht der Begriff Biogas für eine der flexibelsten Komponenten im Mix der erneuerbaren Energien. Es ist speicherbar, so dass die Energie dann erzeugt werden kann, wenn sie benötigt wird. Das gilt sowohl bei Wärme- als auch bei elektrischer Energie. Damit ist Biogas eine ideale, da flexible Ergänzung zur nur schwer regelbaren und stark fluktuierenden Sonnen- bzw. Windenergie.
Vogelsang liefert zuverlässige Komponenten für die wirtschaftliche Biogasproduktion. Von Pumptechnik, über Zerkleinerungs- und Desintegrationstechnik bis hin zu Feststoffdosiersystemen bietet Vogelsang ein umfassendes Biogastechnik-Portfolio für die gesamte Gärstrecke. Dabei verstehen wir uns als Partner der Biogasbranche: Zusammen mit unseren Kunden entwickeln wir unsere Biogastechnik kontinuierlich weiter, passen sie an veränderte Rahmenbedingungen an und können so unseren Kunden Lösungen für die effiziente Biogasproduktion liefern. Wichtig ist dabei die individuelle Analyse jeder einzelnen Biogasanlage. Nur so ist es möglich Potentiale zur Optimierung ausfindig zu machen und auszuschöpfen.
Entwicklung im Biogas-Bereich
In Deutschland hat Biogas eine lange Tradition. Bereits in der Mitte des letzten Jahrhunderts wurden erste Biogasanlagen von Landwirten gebaut. In den achtziger und neunziger Jahren arbeiteten einzelne Pioniere wieder verstärkt an der Technik. Mit dem Inkrafttreten eines Gesetzes zur Förderung von Biogasanlagen kam es dann zu Beginn des Jahrtausends zu einem ersten Biogas-Boom. Heute tragen alleine in Deutschland je nach Zählweise ca. 10.000 Biogasanlagen zur Energieversorgung der Bevölkerung bei - in ganz Europa sind es über 17.000. Die durchschnittliche Größe der Biogasanlagen ist dabei von Land zu Land unterschiedlich und hängt stark von der Art der eingesetzten Biomasse ab. So werden in einigen Ländern kleine Biogasanlagen besonders gefördert. In Deutschland sind dies Anlagen bis max. 75 kWel, die fast ausschließlich nur landwirtschaftliche Reststoffe verwerten. Dem gegenüber stehen große Anlagen mit mehreren Megawatt (MW). Als Inputstoffe werden hier zum einen nachwachsende Rohstoffe (NaWaRo), zum anderen aber auch Biomasse aus häuslichem Biomüll und Speiseresten verwertet.
Anwendungen von Biogasanlagen
Eine Biogasanlage ist so aufgebaut, dass sie optimale Bedingungen für die Biogasgewinnung bietet: In großen Behältern, den sogenannten Fermentern, vergärt die Biomasse unter Ausschluss von Licht und Sauerstoff. Diese sogenannte anaerobe Vergärung im Fermenter der Anlage erfolgt dabei in vier Stufen, in denen jeweils spezialisierte Bakterien die Biomasse Schritt für Schritt umsetzen, wobei das Biogas entsteht. Diese auch Phasen genannten Stufen lauten:
- Erste Stufe: Hydrolyse (Aufschluss der Ausgangsstoffe)
- Zweite Stufe: Acidogenese (Versäuerung)
- Dritte Stufe: Acetogenese (Essigsäurebildung)
- Vierte Stufe: Methanogenese (Methanbildung)
Das Biogas selbst besteht zum größten Teil aus Methan und Kohlendioxid, beinhaltet aber zahlreiche weitere Gase wie z. B. Schwefelwasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Ammoniak. Am Ende dieses Gärprozesses bleibt der sogenannte Gärrest zurück, der als Dünger in der Landwirtschaft eingesetzt werden kann. Da sich so der natürliche Kreislauf schließt; es bleiben keine nicht nutzbaren Reststoffe zurück; zeichnet sich Biogas durch eine hohe Nachhaltigkeit aus.
Biogas: Die Beton-Kuh
Schaut man sich die oben beschriebenen Prozessschritte an, ergibt sich eine große Ähnlichkeit mit dem Verdauungssystem einer Kuh, weshalb eine Biogasanlage auch gerne als Beton-Kuh bezeichnet wird. Sowohl in der Biogasanlage als auch im Verdauungssystem eines Wiederkäuers sind Bakterien beteiligt, die die zugeführte Biomasse in Energie umsetzen. Was auf modernen Biogasanlagen unter dem Begriff Substrataufbereitung erfolgt, geschieht bei der Kuh mit den Zähnen. Im Pansen erfolgt die Hydrolyse. Die Versäuerung und Essigsäurebildung erfolgt anschließend im Blätter- und Labmagen, bevor final im Dünn-, Dick- und Blinddarm die Energie erzeugt bzw. vom Organismus der Kuh aufgenommen wird. Eine weitere große Ähnlichkeit besteht bei den zum Einsatz kommenden (Fest-)Stoffen, den sogenannten Substraten. Wie eine Kuh so füttern viele Landwirte ihre Biogasanlagen mit nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo) wie etwa Maissilage und Grassilage.
Die Komponenten einer Biogasanlage
Wichtige Kernkomponenten für jede Biogasanlage sind
- Substrateinbringung / Feststoffdosierung
- Fermenter als Gärraum
- Rührwerke zum Durchmischen der Fermenter
- Gasspeicher
- Gärrestlager zur Lagerung des vergorenen Materials
- Biogasverwertung i.d.R. für ein Blockheizkraftwerk, seltener Gasaufbereitung und Einspeisung ins Netz
Beim Blockheizkraftwerk (BHKW) handelt es sich um einen Gasmotor, welcher mit einem Generator gekoppelt ist und aus der Energie im Biogas elektrische Energie (Strom) erzeugt. Rührwerke sind erforderlich, da nur dann optimale Bedingungen für die Biogasentstehung herrschen, wenn der Fermenter gut und gleichmäßig durchmischt wird. Aufgabe der Feststoffdosierung ist es, die feste Biomasse in den Fermenter einzubringen. Im Idealfall geschieht dies, unabhängig von der eingesetzten Art der Biomasse, mit geringem Energieaufwand und störungsfreiem Betrieb.
Welche Feststoffe man der Biogasanlage zuführen kann, hängt von mehreren Faktoren ab. Grundsätzlich sollte der organische Anteil sehr hoch sein, da nur dieser zu Biogas umgesetzt werden kann. Darüber hinaus muss die Verweilzeit zu den Feststoffen passen. Unter Verweilzeit versteht man dabei die Zeit, die die Biomasse durchschnittlich im Fermenter verbleibt bis sie abfließt. Ist diese zu kurz, dann benötigen die Bakterien für den Abbau der meisten Bestandteile deutlich mehr Zeit als die Biomasse durchschnittlich im Fermenter verweilt. In der Folge wird die in der Biomasse enthaltene Energie nicht vollständig genutzt. Technologisch gesehen ist dies unproblematisch, jedoch erschwert es den wirtschaftlichen Betrieb der Biogasanlage. Und auch energiereiche Inputstoffe sind nicht automatisch die am wirtschaftlich ertragsreichsten. Hier müssen die Kosten für den Bezug und die tatsächlich daraus erzeugbare Energie betrachtet werden. Letztlich muss für die ausgewählte Biomasse eine behördliche Genehmigung beantragt werden.
Nassfermentation und Trockenfermentation – die zwei Methoden der Vergärung
Biogasanlagen werden gerne nach unterschiedlichen Gesichtspunkten unterteilt. So wird zum Beispiel zwischen Nassfermentation und Trockenfermentation unterschieden. Bei der Nassfermentation werden die Feststoffe mit einer Flüssigkeit vermischt. Die so entstandene Biosuspension ist in der Regel fließfähig und wird mit Pumpen gefördert. Bei der Trockenfermentation wird stapelbare Biomasse in einem sogenannten Boxen-Fermenter bzw. Garagen-Fermenter aufgepackt und anschließend mit einer Flüssigkeit, dem sogenannten Perkolat, berieselt. Unten austretendes Perkolat wird auffangen und wieder von oben auf die Biomasse gegeben. So wird der Vergärungsprozess und damit die Biogas-Produktion ermöglicht. Dieser Anlagentyp ist nicht so weit verbreitet und kommt vornehmlich beim Vergären von Bioabfällen wie Grünschnitt oder den sogenannten brauen bzw. grünen Mülltonnen (Bioabfall aus Haushalten) zum Einsatz.
Biogasanlagen und Biomethananlagen – Wichtig ist was rauskommt
Eine weitere Variante ist die Unterteilung in Biogasanlagen- und Biomethananlagen. In beiden Anlagentypen wird Biogas produziert. In Biogasanlagen, dem in Deutschland am meisten verbreiteten Typ, wird dieses Biogas etwas aufbereitet und direkt vor Ort in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) in elektrische und Wärmeenergie umgewandelt. Biomethananlagen bereiten das Biogas so weit auf, dass es – wie Erdgas – fast nur aus Methan besteht. Dieses Biomethan kann daher direkt in das Erdgasnetz gespeist werden, um anschließend dort entnommen und verbrannt zu werden, wo die Energie benötigt wird.
Abfall-Anlagen: Biomüll und organische Abfälle sinnvoll nutzen
Eine weitere verbreitete Einteilung erfolgt aufgrund der eingesetzten Biomasse. Sie unterscheidet zwischen Kofermentations- bzw. Abfall-Anlagen und NaWaRo-Anlagen. Der Begriff der Kofermentations-Anlage geht zurück in die Anfangszeit des Biogas-Booms in Deutschland. Landwirte bauten Anlagen, mit denen Sie die Energie, welche noch in der Gülle enthalten ist, in Form von Biogas nutzbar machen wollten. Schnell merkten sie, dass sich deutlich mehr Biogas erzeugen lässt, wenn man der Biogasanlage neben der Gülle sogenannte Ko-Fermente wie Futterreste, Getreide oder auch Biomüll bzw. Bioabfälle zuführt. So entstand der Begriff Kofermentations-Anlage für Biogasanlagen, die neben landwirtschaftlichen Reststoffen wie Gülle und Mist auch industrielle Rest- und Abfallstoffe fermentieren. In der weiteren Entwicklung ging der Anteil dieser landwirtschaftlich basierten Biogasanlagen, die Abfallstoffe vergären, stark zurück. Dafür wurden viele industrielle Anlagen zur Verwertung von kommunalen, gewerblichen und industriellen Reststoffen und Abfällen gebaut. In Zuge dieser Entwicklung setzte sich für Biogasanlagen in denen Bioabfall vergoren wird, der Begriff Abfall-Anlage durch.
NaWaRo-Anlagen – Was das ist und worin sich diese unterschieden
Der Begriff NaWaRo-Anlagen entstand, als die Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen, wie z.B. Energiepflanzen, finanziell besonders gefördert wurde: Neben landwirtschaftlichen Reststoffen dürfen diese Biogasanlagen nur nachwachsende Rohstoffe vergären. Landwirtschaftliche Reststoffe sind i.d.R. Mist und Gülle. Typische NaWaRo (Energiepflanzen) sind
- Mais- und Grassilage,
- GPS (Ganzpflanzensilage) aber auch
- Feldfrüchte wie Kartoffeln und Rüben usw., sofern Sie nicht für die Lebensmittelproduktion geeignet sind bzw. vorgesehen waren.
Gerade in Deutschland ist dieser Anlagentyp weit verbreitet, für den hier spezielle Vorschriften aber auch Förderungen nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) gelten. Sie stellen für viele landwirtschaftliche Betriebe ein weiteres Standbein dar, welches einen relativ gut kalkulierbaren und wenig schwankenden Ertrag liefert.
Sind all diese Punkte berücksichtigt, muss eine geeignete Feststoffdosiertechnik auf der Biogasanlage installiert sein, welche die Biomasse wirtschaftlich zuführen kann. Flüssige Abfallstoffe aus der Landwirtschaft wie Gülle sowie Glycerin oder Flotate aus Fettabscheidern lassen sich in der Regel mit Pumpen direkt in den Fermenter fördern. Da hier oftmals Abfälle zum Einsatz kommen, die Fremdkörper wie Steine und Metallteile und Störstoffe, z. B. Holz, Bänder usw., beinhalten, empfiehlt sich der Einsatz von Zerkleinerern und Schwergutseparatoren, um diese Stoffe abzuscheiden bzw. auf eine unproblematische Größe zu reduzieren.
Hygienisierung
Kommen Inputstoffe zum Einsatz, die der sogenannten Hygieneverordnung unterliegen, so ist eine Hygienisierung erforderlich, die sicherstellt, dass darin ggf. enthaltene Parasiten, Viren und Bakterien abgetötet werden und somit keine weitere Gefahr für die Umwelt besteht. Dies betrifft besonders Substrate tierischen Ursprungs wie z. B. Schlachtabfälle und Lebensmittelreste. Das am meisten verbreitete Verfahren sieht eine Erhitzung auf mindestens 70°C über eine Stunde vor, wobei das Inputmaterial auf eine Größe von maximal 12 mm zerkleinert sein muss. Bewährt haben sich hier Systeme, die kontaktbasierte Zerkleinerer mit Verdrängerpumpen kombinieren. Die Verdrängerpumpen von Vogelsang fördern die oftmals viskosen und abrasiven Abfälle sicher, während im Zerkleinerer RotaCut dank eines 12 mm Wabensiebes alle Bestandteile auf die maximal zulässige Größe reduziert werden. Spezielle Optionen sorgen dabei dafür, dass kein Inputmaterial den Zerkleinerer unbehandelt passiert.
Fütterungsverfahren für nicht fließfähige Biomasse
Größtenteils werden Biogasanlagen mit nicht fließfähigen Feststoffen, den sogenannten Substraten, gefüttert. Die Fütterungsverfahren dafür lassen sich grob in zwei Kategorien unterteilen: Die trockene Feststoffdosierung und die Flüssigfütterung. Bei der trockenen Feststoffdosierung werden die Inputstoffe direkt in den Fermenter eingetragen. Am häufigsten sind Förderschnecken anzutreffen, die die Feststoffe oben auf die Biosuspension fördert. Hauptvorteil dieser Technik sind die relativ geringen Investitionskosten. Dafür müssen die Feststoffe von den Rührwerken im Fermenter eingerührt werden, was nur mit einem hohen Energieeinsatz möglich ist. Ferner ist diese Technik bei langfaserigen Substraten wie z.B. Ladewagengras, Stroh oder landwirtschaftlichen Reststoffen wie Mist nur bedingt geeignet.
Bei der Flüssigfütterung wird die Biomasse zuerst mit einer flüssigen Phase, dem Gärrest oder sogenannten Rezirkulat aus dem Fermenter, vermischt. Dieser Vorgang wird auch als Anmaischen bezeichnet. Der so entstandene Futterbrei wird anschließend in den Gärraum gefördert, in der Regel bedeutet das gepumpt. Vorteile dieses Verfahrens sind, dass die Biomasse in flüssiger Form in den Fermenter gelangt und sich daher mit einem erheblich geringeren Energiebedarf mit dem Fermenterinhalt, der Biosuspension, vermischen lässt. Erfolgt dabei gleichzeitig eine Aufbereitung der Feststoffe, macht sich das neben dem reduzierten Eigenenergiebedarf oft auch in höheren Biogaserträgen bemerkbar. Zudem wird auch ein weit verbreitetes Problem, die Bildung von Schwimmschichten, deutlich reduziert wird.
Insbesondere für die sogenannten NaWaRo-Anlagen gibt es spezielle Technik für unterschiedliche Inputmaterialien. Systeme wie der EnergyJet z.B. sind speziell für den Eintrag der oft sehr langfaserigen und stark mit Fremdkörper belasteten Substrate wie Festmist, Tretmist, Ladewagengras aber auch Pflanzenreste wie Maisstroh konzipiert.
Alternativ gibt es Flüssigfütterungssysteme, die neben NaWaRo auch oder nur Bioabfälle und Reststoffe mit stark variierenden Eigenschaften einbringen können. Viele Biogasanlagen setzen auf solche Systeme. Sei es, weil sie neben klassischen NaWaRo auch Feldfrüchte wie Kartoffeln oder Rüben einsetzen wollen oder weil die eingesetzte Biomasse selbst stark schwankende Eigenschaften aufweist, wie bspw. bei Speiseresten oder häuslichem Biomüll. Andere Biogasanlagen reagieren auch sehr flexibel, denn sie kaufen die jeweils am Markt aktuell verfügbare Biomasse zu günstigen Konditionen ein. Systeme wie der PreMix sind für solche Biogasanlagen konzipiert. Sie können viele unterschiedliche Arten von Biomasse zuverlässig, störungsfrei und gut angemaischt in den Fermenter dosieren und erfüllen somit eine Grundvoraussetzung für den wirtschaftlichen Betrieb dieser Biogasanlagen.