Biogas

Herstellung und Verwendung

Unterlagen zum Referat im Rahmen der Vorlesung

Energietechnik von Prof. J. Fischer an der Universität f. Bodenkultur, Wien

von Ernst Murnleitner im März 1996

Erneuerbare Energieträger

Biogas ist ein erneuerbarer Energieträger, da es aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt wird. Eine energetische Nutzung dieser Energieträger setzt netto kein Kohlendioxid frei, der Einfluß auf den Treibhauseffekt ist also günstig. Zu den erneuerbaren Energieträgern zählen:

Ein Vergleich des Stromerzeugungspotentiales aus alternativen Energiequellen mit dem derzeitigen Stromaufkommen zeigt, daß der Strombedarf nicht ohne weiteres zur Gänze aus alternativen Energiequellen gedeckt werden kann (Abbildung 1, Daten für Deutschland). Bei dieser Gegenüberstellung wurde für die Sonnenenergienutzung nur die Dachflächen berücksichtigt und bei der Biomasse nur die Rest- und Abfallstoffe (Daten aus: [1]). Wenn die brachliegende Landesfläche mit Photovoltaik-Zellen belegt würde oder auf dieser Fläche Biomasse angebaut würde, welches dann zu Biogas umgesetzt werden könnte, dann wäre das Potential natürlich höher. Es wird angenommen, daß Biogas nur aus dafür gut geeigneten Reststoffen wirtschaftlich erzeugt wird, wodurch 2 % des Gesamtstromaufkommens gedeckt werden könnten.

Abbildung 1. Vergleich der derzeitigen Stromerzeugung mit alternativen Potentialen (Deutschland).

Verwertung organischen Materials

Verbrennung

Organische Abfälle

Biomasse Biogas

Abwasser/Klärschlamm

Vergasung

Biogas: Grundlagen

Organisches Material wird von vielen Bakterien unter anaeroben Bedingungen über mehrere Stufen abgebaut, bis schließlich CO2 und CH4 (Methan) entstehen.

Dieses organische Material wurde zuvor von Pflanzen mittels Photosynthese synthetisiert:

CO2 + H2O CH2O + O2

-394 kJ - 237 kJ -153 kJ + 0 kJ (Gibbs'sche Energie Gf01/mol bei pH 7)

Kohlendioxid Wasser Kohlenhydrat Sauerstoff

DGf01 = 478 kJ/mol

Der Biogas-Bildungsprozess kann vereinfacht dargestellt werden als:

CH2O 0.5 CH4 + 0.5 CO2

- 153 kJ 0.5 * -51 kJ 0.5 * -394 kJ

Kohlenhydrat Methan Kohlendioxid

DGf01 = -70 kJ/mol

Bei der Verbrennung des Methans entsteht wieder Kohlendioxid und Wasser, womit sich der Kreislauf schließt:

0.5 CH4 + O2 0.5 CO2 + H2O

0.5 * -51 kJ 0 kJ 0.5 * -394 kJ -237 kJ

Methan Sauerstoff Kohlendioxid Wasser

DGf01 = -408 kJ/mol

In Summe wird also keine der Substanzen (CO2: Treibhauseffekt) angereichtert noch geht sie verloren. Somit trägt die Verwendung von Biogas nicht zur Erhöhung des Treibhauseffektes bei. Biogas enthält 40 bis 80 % (meist jedoch 60 %) Methan, der Rest ist hauptsächlich Kohlendioxid. Das wasserdampfgesättigte Gas enthält außerdem in geringen Mengen Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Das Verhältnis von CO2 und CH4 wird vom Reduktions-Grad des organischen Ausgangsmaterials bestimmt. Bei Verwendung von Glucose zum Beispiel entsteht CO2 und CH4 im Verhältnis 1:1, da nur so die Redoxbilanz erfüllt ist: Glucose hat einen Reduktionsgrad von +4, Methan von +8, relativ zu CO2 (=0).

Der Fermentationsprozeß zu Methan und Kohlendioxid verläuft allerdings nicht in einem Schritt. In der Regel sind vier verschiedene Prozesse notwendig, für die unterschiedliche Mikroorganismen verantwortlich sind:

Der entstehende Schlamm besteht aus unverdauten Anteilen, Mineralstoffen und mikrobielle Biomasse.

Thermodynamische Überlegungen

Die Energie, die bei der Verbrennung von Kohlenhydraten freigesetzt wird, ist theoretisch die selbe, die bei der Biogasprodukton plus anschließender Verbrennung des Methans erzeugt wird. Sie ist identisch mit der Energiemenge, die für die Photosynthese benötigt wurde. Allerdings wird die Wärmeenergie, die bei der Biogaserzeugung produziert wird, meist nicht genutzt (wenig Exergie) und der Umsatz zu Biogas ist nicht vollständig (da nicht alles abgebaut wird sowie auch neue Biomasse geformt wird, was dann als Schlamm entnommen wird).

Abbildung 2. Energieflußbilanz bei der Biogasherstellung, schematisch. Energiegehalt relativ zu CO2 (=0).

Durch direkte Zerlegung von Glucose in CO2 und Wasser (z.B. Verbrennung) können 470 kJ/mol-Kohlenstoff an Gibbs'scher Energie freigesetzt werden, während die Verbrennung von 1/2 Methan nur 400 kJ ergibt. Der Energieinhalt des Kohlenhydrates ist also zu 85 % im produzierten Methan enthalten. Der Energieverlust durch Austragen des Schlammes aus dem System hängt hauptsächlich von der Aufenthaltszeit im Reaktor ab. Bei entsprechend langer Aufenthaltszeit könnte nahezu der gesamte Kohlenstoff veratmet werden.

Von großem Vorteil ist beim Biogas, das dieses relativ einfach in einem Verbrennungsmotor mit angeschlossenem Generator verbrannt werden kann, wobei elektrische Energie und Wärme erzeugt wird (Kraft-Wärme-Kopplung). Außerdem ist eine direkte energetische Nutzung der organischen Substanz oft gar nicht möglich (z.B. Abwasser).

Herstellung von Biogas

Ausgangsstoffe

Grundsätzlich sind alle Arten von Biomasse geeignet. Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße, Cellulose können von den Mikroorganismen verwertet werden. Nicht umgesetzt wird jedoch Lignin, da es mikrobiell nur sehr langsam abgebaut wird. Die einzelnen Ausgangsstoffe sind:

Die hier aufgelisteten Quellen sind sehr gut für die Biogasproduktion geeignet, da diese Stoffe auf jedenfall entsorgt werden müßten. Natürlich könnte auch pflanzliche Biomasse angebaut und anschließend zu Biogas vergärt werden, dies ist aber aus Kostengründen in Europa derzeit nicht sinnvoll.

Optimale Bedingungen

Die erzeugte Biogasmenge hängt vor allem vom Ausgangsstoff, der Temperatur, dem pH-Wert und der Verweilzeit ab. Die besten Bedingungen sind:

Technische Erzeugung

Je nach Ausgangsstoff, werden für die Biogaserzeugung unterschiedliche Reaktorkonfigurationen eingesetzt.

Biogas aus festen bzw. dickflüssigen Ausgangsstoffen

Das größte (wirtschaftlich nutzbare) Potential ist in der Landwirtschaft zu finden. Die Mischug von Mist und Jauche ist relativ dickflüssig, daher ist der Fermenter anders ausgelegt als z. B. in der Abwasserreinigung. Aus den Exkreten einer Großvieheinheit werden pro Tag etwa 1 m³ Biogas gewonnen (23 MJ). Üblich sind Gärzeiten von etwa 3 Wochen bei einer Temperatur von ca. 28 - 37 °C [8].

Verfahrensablauf

In der Landwirtschaft hat sich folgender Verfahrensablauf durchgesetzt: Entmistung in eine Vorgrube mit Mixer, eventuell Zusatz von organischen Reststoffen, Verdünnung bis zur Pumpfähigkeit und Eintrag in der Fermenter. Im Fermenter werden die organischen Reststoffe bei neutralem bis schwach alkalischem Milieu unter Luftausschluß ausgefault. Die Masse wird sporadisch gerührt und eventuell temperiert. Im Falle der Kraft-Wärmekopplung erfolgt die Temperierung mit der Motorabwärme. Das Volumen des Gärbehälters variiert in der Praxis zwischen 20 und 4000 m³. Meist wird ein kontinuierliches Verfahren angewandt. Durch einen Überlauf wird die Substratmenge im Fermenter konstant gehalten. Die durchschnittliche Verweilzeit t (Tage) im Fermenter errechnet sich aus der Zuflußrate F (m³/Tag) und dem Fermentervolumen V (m³)nach der Formel Gleichung 1

Mit täglich durchschnittlich 5 kg organischer Substanz (bezogen auf Trockenmasse), welche auf mindetens 50 l verdünnt werden muß, ergibt sich somit bei einer Aufenthaltszeit von 20 Tagen ein Fermentervolumen von mindesten 1 m³ pro Milchkuh (beim Schwein: 0.4 m³ davon). Das entstandene Biogas wird am Fermenter oben abgezogen und meist in Foliengasspeichern zwischengespeichert.

Der im Biogas enthaltene Schwefelwasserstoff kann mittels Mittels biokatalytischer Oxidation ( 5 % Luftzufuhr) entfernt werden. Der entstehende elementare Schwefel kann gemeinsam mit dem Fermenterablauf als Dünger verwendet werden.

Abbildung 3 zeigt ein Verfahrenschema des hier beschriebenen Prozesses.

Abbildung 3. Verfahrensschema einer Biogasanlage

Biogas aus Abwasser: Klärgas

Abwasser kann prinzipiell auch anaerob gereinigt werden. In der Praxis erfolgt der 1. Reinigungsschritt jedoch aerob. Die letzte Stufe ist aber immer anaerob, wodurch das Schlammvolumen vermindert wird.

Um große Mengen an Abwasser behandeln zu können, muß eine hohe Bakteriendichte vorhanden sein, um die Anlagendimensionen nicht übermäßig groß geraten zu lassen. Daher wird in der Praxis der Ablaufschlamm vom Absetzbecken meist in den Fermenter zurückgeführt. In den letzten Jahren wurden Verfahren entwickelt, um die Mikroorganismen im Reaktor zurückhalten zu können. Beispiele dafür sind: Biofilm-Reaktor, Flotationsbett-Reaktor (fluidized bed), UASB-Reaktor (upflow anaerobic sludge blanket).

Im folgenden wird der UASB-Reaktor, welcher in den 70er-Jahren entwickelt wurde, beschrieben. Durch die besondere Konstruktion erspart man sich bei diesem Reaktor die Rührung sowie das Absetzbecken (Abbildung 4).

Verfahrensablauf

Der Einlauf wird am Reaktorboden zugeführt. Über dem Reaktorboden befindet sich ein Schlammbett, welches dekantierte Teilchen enthält. Dieses wirkt gleichzeitig als Filter. Darüber befindet sich eine Schicht mit Schwebeteilchen, welche durch entstehendes Biogas aufgewirbelt werden. Durch eine spezielle Anordnung von Schikanen (siehe Abbildung 4) gelangen diese jeoch nicht in den Kopfraum des Reaktors. Die Konstruktion bewirkt außerdem, daß das entstehende Gas auch nicht in den Kopfraum des Reaktors gelangt, sondern es wird seitlich abgelenkt. Dadurch befindet sich im oberen Teil des Reaktors kein Gas, was ein Absetzen der Schwebeteilchen ermöglicht. Durch das Sammeln des Gases unter dem Flüssigkeitsspiegel wird dieses zusätzlich leicht komprimiert, was ein Sammeln in einem Gasballon erleichtert. Das geklärte Wasser gelangt in den Kopfraum des Reaktors, wo es über einen Überlauf abläuft.

Abbildung 4. Schema des UASB-Reaktors.

Verwendung von Biogas

Biogas kann grundsätzlich wie Methan verwendet werden, allerdings ist die Energiedichte durch Verdünnung mit Kohlendioxid geringer. Verwendungsmöglichkeiten sind z. B. Verbrennung zu Heizzwecken, Stromerzeugung, Synthese von Methanol, eventuell mit vorheriger Verflüssigung oder Komprimierung.

Die sinnvollste Verwendung ist die Verbrennung in einem Verbrennungsmotor zur Stromerzeugung bei gleichzeitiger Wärmenutzung (Kraft-Wärme-Kopplung).

Kraft-Wärme-Kopplung

Nach vorhergehender Entschwefelung wird das Biogas in der Regel einem Ottomotor zugeführt, welcher einen Generator antreibt und ca. 3000 Stunden pro Jahr in Betrieb ist. Als Zwischenspeicher dient meist ein Gasballon aus Folie für die Zeit, in der kein Biogas entnommen wird. Dies ist vor allem in der Nacht der Fall - wegen des geringeren Stromtarifes. Anstatt des Ottomotors kann auch ein Zündstrahldieselmotor verwendet werden, welcher einen höheren Wirkungsgrad als der Ottomotor und eine längere Lebensdauer aufweist. Dabei muß jedoch ca. 10 % Diesel als Zündhilfe zugesetzt werden. Die Abwärme kann zum Beheizen des Fermenters benutzt werden, wodurch die Produktionsrate erhöht wird bzw. bei gleichbleibender Verweilzeit der Wirkungsgrad verbessert wird.

Die mittels Asynchrongemerator erzeugte elektrische Energie kann relativ einfach in das Netz eingespeist werden.

Potential und Kosten der Stromerzeugung aus Biogas

Derzeitige Nutzung

In Europa wird Biogas derzeit nur in der Schweiz und in Dänemark in nennenswertem Umfang genutzt. In beiden Ländern wird Biogaserzeugung hauptsächlich mit Mist- und Gülle betrieben. Früher wurde dieses Biogas praktisch nur zur Wärmeerzeugung verwendet, in letzter Zeit jedoch auch zur Stromerzeugung, da Kleinststromerzeuger jetzt in vielen europ. Ländern umgerechnet zwischen öS 0,80 und 1,10 für die Kilowattstunde bekommen (A, CH, D, ...). Laut Literatur [1] betragen die Kosten der Stromerzeugung aus Biogas derzeit etwa das doppelte im Vergleich zu den fossilen Brennstoffen. Man muß jedoch bedenken, daß diese Technologie erst am Anfang der Entwicklung steht.

Im Rahmen einer Exkursion der ÖH-Boku wurde 1994 eine Biogasanlage besichtigt, welche ca. 20 kWh elektrische Energie für 5 - 8 Stunden am Tag ans Netz liefert. Diese Anlage wurde vom Landwirt großteils in Eigenregie erstellt, als Verbrennungsmotor wurde ein Gasmotor aus einem alten PKW verwendet. Die Erzeugungskosten betragen bei dieser Anlage nur ca. 0.40 pro kWh (Eigenleistung groß, Arbeitseinsatz nicht mitgerechnet). Der Erlös bei Einspeisung ins Netz beträgt ca. öS 0.80 pro kWh zu den Spitzenzeiten.

Interessant ist die Biogasnutzung in Entwicklungsländern, da hier der Strombedarf nicht sehr hoch ist und die Temperaturen für eine Biogaserzeugung meist günstig sind. In einem kleinen Ort in Indien (Pura, 130 Einwohner) wird der Strombedarf zu 77 % aus Biogas, der Rest aus Diesel gedeckt. Ein Anschluß an das Verbundnetz käme wegen der weiten Entfernung viel teurer [5].

Ebenfalls zur Stromerzeugung genutzt werden die Abgase aus der anaeroben Faulung in Kläranlagen und teilweise Mülldeponien. Wenn man die Gasentsorgung zum Betrieb der Kläranlage hinzurechnet, dann ist diese Art der Energiegewinnung fast gratis.

Mögliche Nutzung

Der Umfang der möglichen Nutzung von Biogas hängt in erster Linie vom politischen Umfeld ab. Durch günstige Einspeistarife in den Elektrizitätsverbund ist es z. B. für Landwirte durchaus profitabel, Elektrizität aus Biomasse zu erzeugen und dieses (in den Spitzenzeiten) an das Netz abzugeben.

Bei Kläranlagen, wo eine Nachfaulung zur Schlammverringerung notwendig ist, verursacht die energetische Nutzung von Biogas kaum zusätzliche Kosten. Für Mülldeponien gilt das selbe, da das entstehende Deponiegas in Zukunft auf jeden Fall beseitigt werden muß.

Das Potential der Energieerzeugung mittels Biogas aus tierischen Exkrementen und landwirtschaftlichen Abfällen beträgt in Deutschland ca. 1 % des gesamten Energieverbrauchs. [1]. Da die meisten Anlagen sehr klein wären, wären allein in Deutschland ca. 200000 solcher Anlagen nötig.

Würde das Klärgas und das Deponiegas vollständig genützt sowie der Klärschlamm thermisch unter Stromerzeugung verwertet, so könnte damit ebenfalls ca.1 % des gesamten Energiebedarfes gedeckt werden (Daten gelten für Deutschland, [1]).

Das theoretische Potential der Biogasnutzung ist jedoch viel größer. Im Vergleich zu fossilen Brennstoffen kann der Anbau von Biomasse mit anschließender Vergärung und Gasgewinnung jedoch nicht gewinnbringend betrieben werden. Anders stellt sich die Tatsache dar, wenn die konventionellen Energieträger mit einer sehr hohen CO2-Abgabe belastet würden (zur Einschränkung des Treibhauseffektes) und/oder die Rohölpreise anstiegen. Um den CO2-Ausstoß in etwa konstant zu halten, wäre laut einem Szenario der OECD [3] eine Abgabe von $11 pro Barrel (163 l) Ölequivalent notwendig. Dies entspricht ca. öS 0.70 pro liter. Für eine Senkung des Ausstoßes an CO2 müßte die Abgabe wesentlich höher sein.

In tropischen Ländern mit hohem Pflanzenertrag ist die Stromerzeugung mit Biogas billiger als in Europa. Es gibt Berechnungen [8], wonach es in Brasilien wirtschaftlicher wäre, den Saft aus dem Zuckerrohr direkt zu Biogas zu vergären anstatt zuerst Ethanol zu erzeugen, dieses dann zu destillieren und schließlich unter Energiegewinnung zu verbrennen.

Schluß

Die Stromerzeugung aus Biogas ist noch sehr unbedeutend, der Anbau von pflanzlicher Biomasse für die Biogaserzeugung ist in Europa nicht wirtschaftlich. Es ist jedoch sinnvoll, Biogas zu nutzen, wo es sowieso anfällt (Kläranlagen, Deponien) oder relativ billig zu erzeugen ist (Landwirtschaft). Diese Potential müßte schon alleine wegen der damit verbundenen Verminderung des Treibhauseffektes genützt werden und würde 2 % des gesamten Energiebedarfes abdecken. Für eine stärkere Nutzung in Europa müßten sich die politischen Rahmenbedingungen ändern (CO2-Abgabe, höherer Erdölpreis, Förderungen). Interessanter ist die Nutzung von Biogas in subtropischen oder tropischen Ländern, da hier die Umgebungstemperaturen höher sind, was die Biogasbildungsrate bzw. den Wirkungsgrad erheblich verbessern würde.

Literatur

[1] Kaltschmitt, M., Wiese, A. (1993): Erneuerbare Energieträger in Deutschland: Potentiale und Kosten. Springer-Verlag. Berlin.

[2] Heijnen, J. J. (1994): Mass and energy balances in microbial growth. In: Kursunterlagen zu Environmental Biotechnology. TU Delft, Niederlande.

[3] Internationale Energie-Agentur: Weltenergieausblick bis zum Jahre 2010.OECD/IEA. Paris.

[4] Spreng, D. (1995): Graue Energie: Energiebilanzen von Energiesystemen. vdf Hochschulverlag an der ETH Zürich.

[5] Rajabapaiah, Jayakumar, Reddy (1993): Biogas Electricity - The Pura Village Case Study. In: Renewable Energy. Earthscan Publications, London.

[6] Hall, D. O., Grassi, G., Scheer, H. (Eds., 1992): Biomass for Energy and Industry: 7th E.C. Conference. Ponte Press, Bochum.

[7] Lettinga, G., Hulshoff Pol, L.W. (1994): Comparison of anaerobic systems (UASB, IC, FB). In: Kursunterlagen zu Environmental Biotechnology. TU Delft, Niederlande.

[8] Lettinga, G., van Haandel, A. C. (1993): Anaerobic digestion for energy production and environmental protection. In: Renewable Energy - Sources for Fuel and Electricity. Earthscan. London.

[9] Hartmann, H. (1995): Energie aus Biomasse. Verein Deutscher Ingenieure (VDI).