Die Biomasse wird für den bakteriellen Stoffwechselprozess mechanisch aufberei-tet. Eine Zerkleinerung der Biomasse er-höht die nutzbare Oberfläche, bringt mit einen vollständigeren Abbau und da-mit auch eine höhere Biogasausbeute. Die anaerobe Vergärung ist im Gegensatz zur Kompostierung, an der sich auch primitive Pilze und andere niedere Lebewesen am Abbau beteiligen, ein rein bakterieller Pro-zess. Die anaeroben Bakterien sind im Wasser oder in sehr feuchter Umgebung besonders aktiv. Anaerobe Abbauprozesse eignen sich daher speziell für leicht abbau-bare, nasse und feuchte Substrate. Sie bauen mit Ausnahme von Holz, dessen Bestandteil Lignin sie nicht angreifen kön-nen, praktisch alles biogene Material ab.
Die in einem geschlossenen Behälter (ei-nem Fermenter oder Gärreaktor) unter kontrollierten Bedingungen ablaufende Vergärung ist ein Stoffwechselprozess in vier Schritten.
Im ersten Schritt, der Hydrolyse, werden die komplexen Verbindungen des Aus-gangsmaterials wie Kohlenhydrate, Eiwei-sse, Fette in einfachere Verbindungen wie Aminosäuren, Zucker, Fettsäuren zerlegt.
Die daran beteiligten Bakterien setzen hierzu Enzyme (also Fermente und Kataly-satoren der chemischen Umsetzung in le-benden Zellen) frei, die das Material auf biologischem Weg zersetzen (d. h. die Bil-dung und Zerlegung chemischer Stoffe in der Zelle).
Die entstehenden Zwischenprodukte werden dann in der Versäuerungsphase durch säurebildende Bakterien weiter zu niederen Fettsäuren wie Essig-, Propion- und Buttersäure sowie zu Kohlendioxid und Wasserstoff abgebaut. Nebenbei wer-den aber auch Kleinstmengen an Milch-säure und Alkohole gebildet.
Diese Produkte werden anschliessend in der Essigsäurebildung durch Bakterien zu Vorläufersubstanzen des Biogases – Essig-säure, Wasserstoff und Kohlendioxid – um-gesetzt. Da ein zu hoher Wasserstoffgehalt für die Bakterien der Essigsäurebildung schädlich ist, müssen die Essigsäurebildner mit den Bakterien des letzten Schritts, der Methanogenese, eine enge Lebensge-meinschaft bilden. Diese verbrauchen bei der Bildung von Methan Wasserstoff und sorgen so für akzeptable Lebensbedingun-gen für die Essigsäurebildner.
Im letzten Schritt, der Methanogenese, wird aus den Produkten Essigsäure, Was-serstoff und Kohlendioxid das Methan ge-bildet.
Je nach Art der organischen Reststoffe er-geben sich unterschiedliche Biogaserträge.
Die Höhe des Methangehalts im Biogas wird in erster Linie durch den Gehalt an organischer Trockensubstanz und Subs-tratgehalt an Proteinen, Fetten und Eiwei-ssen bestimmt. Im Hinblick auf den Me-thangehalt lassen sich mit fetthaltigen Substraten die höchsten Biogaserträge er-reichen, mit eiweisshaltigen die niedrigs-ten. Die organische Trockensubstanz (oTS) eines Stoffes umfasst die organischen
Be-Durch die Arbeit der Bakterien entsteht Die «Arbeit» der Bakteriengruppen:
- Aufspaltung, Hydrolyse - Versäuerungsphase
9ohne Sauerstoff
Bakterien bauen die Organik ab
Abbildung 152: Der Stoffwechselprozess im Fermenter.
TS = Trocken-substanz
oTS = organische Trockensubstanz
standteile nach vollständigem Wasserent-zug und AbWasserent-zug aller nichtorganischen Stoffe. Die oTS wird in der Biogasanlage vergärt und in Biogas umgewandelt. Somit sind die Abbaubarkeit und der Anteil der
oTS entscheidend für den Biogasertrag und dessen Methangehalt.
Zur Biogas-Ertragsermittlung dienen Richt-werte. Zur ganz groben Hochrechnung der Biogasproduktion einer Biogasanlage mit
Kohlenhydrate Fette
Eiweisse
Essigsäure
Mechanisch zerkleinerte, feuchte organische Reststoffe Aufspaltung
Hydrolyse
Versäuerungs-phase (Acido-genese)
Vergärung der Spaltprodukte
Propionsäure Buttersäure (Milchsäure) (Alkohole)
Essigsäure-bildung (Aceto-genese)
Bildung von methanogenen Substanzen
Methanbildung,
(Methanogenese) Biogasbildung
Nicht abgebaute und nicht abbaubare Biomasse (Holz-leim Lignum, Wasser, etc.)
Biogas CH4 + CO2 + Spuren von weiteren Elementen
Gärgut – ausgegorenes Rest-material zur Aufbereitung zu Kompost und Flüssigdünger
Aufspaltung der Makromoleküle
Wasser-stoff Kohlen-dioxid
Biogas zur Aufbereitung und Verwertung Essigsäure
Abbildung 153:
Der biochemische Stoffwechsel-prozess.
Berechnungsbeispiel
1 Tonne Speisereste weist einen TS-Gehalt von ca. 18 % auf.
1 Tonne x 18 % = 0,180 Tonnen TS
Der oTS-Gehalt einer Tonne Speisereste beträgt ca. 90 %.
0,180 Tonnen TS x 90 % = 0,162 Tonnen oTS
Der Gasertrag aus einer Tonne oTS Speisereste beträgt laut Laboruntersu-chung ca. 900 m3 Biogas.
0,162 Tonnen oTS x 900 m3/Tonne = 146 m3 Biogas
1 m3 Biogas hat ca. 60 % Methananteil mit einen Energieinhalt von ca. 10 kWh/m3 (9,94 kWh/m3).
146 m3 Biogas x 60 % Methananteil x ca. 10 kWh/m3 Biogas = 876 kWh
Abbildung 154:
Berechnungsbei-spiel zum Energie-inhalt von Bio-masse.
Abbildung 155:
Grobe Richtwerte zur Biogasausbeute (gemäss
Fachlitera-tur).
kommunalen und gewerblichen Grün- und Bioabfällen kann mit 100 m3 Biogas pro Tonne Bioabfälle gerechnet werden.
Zur Ermittlung des Energieertrags lassen sich für Überschlagsrechnungen die Bio-gaserträge mit 6 kWh pro m3 Biogas mul-tiplizieren. Für genauere Berechnungen lohnen sich spezifische Detailanalysen zur Biomasse.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Rindergülle Schweinegülle Kartoffelschlempe Weizenschlempe Molke Rindermist frisch Magen- und Darminhalt Panseninhalt Hühnerkot frisch Magermilch, frisch Schweinemist frisch Hühnergülle Gemüseabfälle Kartoffelschälabfall, roh Grünschnitt, Rasenschnitt Hühnerkot fest Kommunales Grüngut (Laub, Gras) Pferdemist frisch Biertreber Wiesengras , 1. Schnitt Kartoffelkraut Biotonne Gastro-Abfälle Obsttrester Maissilage, teigreif, mittlerer Körneranteil Kartoffeln roh, mittlerer Stärkegehalt Rapsstroh Grassilage, 1. Schnitt, Mitte Blüte Maissilage Weizenstroh grob Zuckerrüben Maissilage, wachsreif, körnerreich Gerstenstroh Haferstroh Weizenstroh fein Maisstroh Getreideabgang (Mühlestaub und Stroh) Heu, Wiese, Beginn Blüte Fettabscheidermaterial entwässert Altbrot Weizen Teig-/Backabfälle Käseabfall Rohglycerin Altfrittierfett
m3 Biogas pro Tonne Feststoffmasse
Abbildung 156:
Prinzipschema eines Blockheiz-kraftwerks.
Abbildung 157:
Berechnungsbei-spiel Strom- und Wärme ertrag.
Biogasnutzung
Das Biogas als erneuerbare Energie kann direkt als Brennstoff zu Heizzwecken, mit-tels spezieller Aufbereitungstechnik als Fahrzeug-Treibstoff oder mittels Wärme-kraftkopplung umgewandelt und als Strom und Wärme genutzt werden.
Strom- und Wärmegewinnung
Für die Strom- und Wärmegewinnung aus Biogas kommen zum Einsatz:
Blockheizkraftwerke
Mikrogasturbinen
Organic Rankine Cycle (ORC)
Der Einsatz dieser Technologien für die Biogasnutzung ist «Stand der Technik», er-probt und optimiert. Auf dem Markt sind viele Hersteller aktiv. In der Regel wird der elektrische Strom in das örtliche Netz ein-gespiesen. Mit der Wärme kann ein eige-nes Wärmenetz versorgt werden. Immer öfter entstehen Kombi-Wärmezentralen, in denen die Wärme der Biogasanlage die Bandwärme, eine Holzschnitzel- oder Pel-letanlage die Winterwärme und ein Gas- oder Ölbrenner die Spitzenwärme liefern.
Wärmekraftkopplungsanlagen
Wärmekraftkopplungsanlagen sind meist Blockheizkraftwerke (BHKW), die aus ei-nem Verbrennungsmotor und eiei-nem Ge-nerator bestehen. Die genutzte Abwärme stammt aus der Motorenkühlung und dem Abgas. Bei Kombi- oder GuD-Anlagen (Gas und Dampf) wird zweimal Strom er-zeugt: einmal mit einer Gasturbine und ein zweites Mal aus Dampf des Abhitzekessels der Gasturbine. Auch Brennstoffzellen zählen zur Wärmekraftkopplung. Sie er-zeugen in einem elektrochemischen Pro-zess aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom und Wärme. Unter Wärmekraftkopplung (WKK) versteht man vereinfacht eine Hei-zung, die gleichzeitig Strom produziert oder auch ein Stromkraftwerk, das gleich-zeitig Wärme liefert. Der Verbraucher wird so mit den beiden wichtigsten Energiear-ten, Strom und Wärme, versorgt. Die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme wird hierbei sinnvoll zur Bereitstellung von Heizwasser, Dampf oder
Trocknungs-wärme verwendet. Der Brennstoff wird somit zu 80 % bis 95 % genutzt. Je nach Grösse haben moderne Blockheizkraft-werke zur Biogasnutzung folgende Wir-kungsgrade:
Elektrisch: 38 % bis 40 %
Thermisch: 42 % bis 45 % Treibstoff für Fahrzeuge
Soll das Biogas zu Fahrzeug-Treibstoff auf-bereitet werden, müssen die Gasqualitä-ten jenen des Erdgases entsprechen. Dem-zufolge muss das Gas mindestens 96 % Methan enthalten. Also sind durch ent-sprechende Schritte Wasser, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Schwefelwas-serstoff sowie namentlich das CO2 aus dem Biogas abzutrennen. Hierzu kommen un-terschiedliche Technologien zum Einsatz.
Wärmetauscher
el. Strom Abgas Biogas
Brenn-kammer Kolben
Kaltes Wasser
Motor
Generator
Heisses Wasser
Berechnungsbeispiel
Soll das in der Biogasanlage gewonnene Gas mittels BHKW genutzt werden, ist der Strom- und Wärmegewinn grob zu ermitteln:
Biogasproduktion: ca. 2 Mio. m3/Jahr
Energieinhalt: ca. 6 kWh/m3 Biogas
2 Mio. m3 Biogas x 6 kWh/m3 = 12 Mio. kWh/Jahr
Verfügbarkeit des BHKW: ca. 95 % pro Jahr
Stromproduktion: Wirkungsgrad elektrisch 38%
12 Mio. kWh/Jahr x 95 % x 38 % = 4,332 Mio. kWh/Jahr
Wärmeproduktion: Wirkungsgrad thermisch 42%
12 Mio. kWh/Jahr x 95 % x 42 % = 4,788 Mio. kWh/Jahr
Abbildung 158:
Berechnungs-beispiel für die
Reinbiogas-ermittlung.
Technologien zur Biogasaufbereitung:
Druckwechseladsorption (DWA) respek-tive Pressure Swing Adsorption (PSA) in Ak-tivkohlefiltern
Druckwasserwäsche in Füllkörperpa-ckungen
Polyglykol-Wäsche in Füllkörperpackun-gen
Aethanolamin-Wäsche in Füllkörperpa-ckungen
Membrantechnik
(Gasverflüssigungstechnik)
Die Technologie der Biogasaufbereitung auf Erdgasqualität für Vergärungsanlagen
ist erst seit ein paar Jahren auf dem Markt.
Die Basisverfahren sind aber verfügbar, werden sie doch zur Erdgasaufbereitung schon seit Jahrzehnten eingesetzt. Es ist davon auszugehen, dass mittelfristig die Technologie der Biogasaufbereitung auf Erdgasqualität für Vergärungsanlagen an Bedeutung gewinnen wird. In der Regel wird das auf Erdgasqualität aufbereitete Biogas ins Erdgasnetz eingespeist und so einer Erdgas-Biogas-Tankstelle zugeführt.
Das Erdgasnetz wird in diesem Fall nicht nur als Transportmittel sondern auch als Gasspeicher genutzt.
Berechnungsbeispiel
Soll das in der Biogasanlage gewonnene Gas gereinigt und ins Erdgasnetz einge-speist werden, ist der Reinbiogasertrag grob zu berechnen:
Rohbiogasproduktion: ca. 2 Mio. m3/Jahr
Methangasmenge CH4 feucht: ca. 60 % der Rohbiogasmenge 2 Mio. m3/Jahr x 60 % = 1,2 Mio. m3 Rohmethanmenge CH4
Faktor für Methangas trocken: 0,88
1,2 Mio. m3 CH4/Jahr Methangas feucht x 0,88 = 1,056 Mio. m3 CH4/Jahr
Methanschlupf der Gasreinigungsanlage: 1 % – 3 % (abhängig vom Verfah-ren) 1,056 Mio. m3 CH4/Jahr x (100 % – Annahme 2 % Schlupf) = 1,035 Mio. m3 CH4/Jahr
Verfügbarkeit der Anlage: ca. 95 % pro Jahr 1,035 Mio. m3/Jahr x 95 % = 0,983 Mio. m3 CH4/Jahr
Energieinhalt von Methangas: 10,6 kWh/m3 CH4
0,983 Mio. m3 CH4/Jahr x 10,6 kWh/m3 CH4 = 10,421 Mio. kWh/Jahr
Gasver-dichtung
Adsorp-tion CO2 Desorp-tion CO2 Rohbiogas
Reinbiogas (mindestens 96% CH4)
Abgas CO2
CO2 wird durch bevorzugte Adsorption unter Druck im Genosorb gebunden H2
S-Ent- schwefe-lung mit Aktivkoh-lefilter
CO2 wird mittels Entspannung und Strippung durch Luft aus dem Geno-sorb entfernt. Dabei muss die Sorptions-energie in Form von Wärme in die Waschflüssigkeit zugeführt werden.
Abbildung 159:
Prinzip einer PSA- Gasreinigungsan-lage mit Wasch-flüssigkeit.
Anmerkungen
Für einen wirtschaftlichen Betrieb einer Biogasreinigungsanlage ist eine minimale Durchsatzmenge von 100 m3 pro Stunde Rohbiogas notwendig.
Das Biogas muss mit dem Druck, welcher in der Erdgasleitung herrscht, eingespeist werden. Je nach dem gewählten Biogas-Reinigungsverfahren braucht es dazu noch einen zusätzlichen Kompressor oder eine Druckreduzierstation.
Bevor eine Biogasreinigungsanlage reali-siert wird, ist mit dem Erdgasnetzbetreiber zu klären, ob es möglich ist, das Rohbiogas mit einem Methangehalt von ca. 60 % di-rekt einzuspeisen. Dies ist allenfalls mög-lich, wenn der Anteil Biogas im Erdgas zu jeder Jahreszeit einen vernachlässigbaren Anteil ausmacht.
PSA-Gasreinigungsverfahren: Das Ver-fahren basiert auf einer physikalischen Gaswäsche (PSA) mit der Waschflüssigkeit Genosorb.
Membranverfahren: Nach einer Vorreini-gung wird der Rohbiogasstrom auf über 10 bar verdichtet und über eine mehrstu-fige Membranmodulschaltung aufberei-tet. Durch Verwendung hochselektiver Hohlfasermembranen ist eine Konzentra-tion auf über 97 % Methan am Volumen möglich. Das Biomethan ist nach der Auf-bereitung trocken und erfüllt die Taupunk-tanforderungen für die Netzeinspeisung.
Aminwäscheverfahren: Die drucklose Aminwäsche ist ein wärmegeführtes Ver-fahren zur Biomethanerzeugung aus
Roh- Membran-module
Gasver-dichtung
Rohbiogas Reinbiogas
(mindestens 96% CH4) Abgas CO2
H2 S-Ent- schwefe-lung mit Aktivkoh-lefilter
CO2, Wasserdampf sowie Spuren von Ammoniak und Schwefel-wasserstoff werden an der Nieder-druckseite abgezogen, während sich am anderen Ende der Mem-bran – der Hochdruckseite – das Methan ansammelt.
Abbildung 160:
Prinzip einer Mem- bran-Gasreinigungs-anlage.
Abbildung 161:
Prinzip einer Amin- wäsche-Gasreini-gungsanlage.
Adsorp-tion CO2
Desorp-tion CO2
Auf-heizung Rohbiogas
Reinbiogas
(mindestens 96% CH4) Abgas CO2
H2 S-Ent- schwefe-lung mit Aktivkoh-lefilter
CO2 wird durch Adsorption im Amin gebunden
Das vom CO2 abge-trennte Amin wird in der Adsorption wieder eingesetzt (Kreislauf-betrieb)
Abbildung 162:
Energetisches Potenzial aus Bioabfällen.
biogas. Es wird dabei zunächst getrocknet und entschwefelt. Anschliessend erfolgt mittels einer chemischen Wäsche die Er-höhung des Methangehalts durch die Ab-trennung des Kohlendioxids. Die Aminwä-sche erreicht eine Methanreinheit von bis zu 99 % und verliert dabei weniger als 0,1 % des Energiegehaltes im Prozess (Me-thanschlupf).
Biogas-Kennzahlen
1 m3 Biogas entsprechen etwa 0,5 kg konventionellem Treibstoff wie Benzin.
Der Energiegehalt von 1 m3 Biogas ent-spricht ca. 6 kWh.
1 m3 Biogas entspricht etwa 0,6 bis 0,65 Liter Heizöl.
Ein Erdgas-Biogas-Auto benötigt ca.
0,06 kg Treibstoff pro km. Ein Erdgas-Bio-gas-Auto benötigt pro Jahr im Mittel 1000 kg Treibstoff.
1 kg Erdgas-Biogas entspricht ca. 1,5 Li-ter Benzin bzw. 1,3 LiLi-ter Diesel.
Aus Umweltgründen müsste Erdgas-Bio-gas als Treibstoff inskünftig favorisiert wer-den. Der Abgasausstoss von Erdgas-Bio-gas-Fahrzeugen ist bedeutend weniger umweltbelastend als bei Benzin-Dieselfahr-zeugen (Tabelle 27).
Biogas ist nachweislich der sauberste aller Treibstoffe. Denn es bietet einen noch grös seren Umweltbeitrag als das Erdgas, da es CO2-neutral ist. Je höher der Benzin- und Dieselpreis steigt, desto grösser ist der Anreiz, auf gasbetriebene Fahrzeuge
um-zusteigen. Aus Umweltgründen müsste Erdgas-Biogas als Treibstoff inskünftig fa-vorisiert werden. Der Abgasausstoss von Erdgas-Biogas-Fahrzeugen ist bedeutend weniger umweltbelastend als von Benzin- respektive Dieselfahrzeugen.
Reduktion von Emissionen
Emittierter Stoff Benzin Dieselöl
Kohlendioxid CO2 25 % 15 %
Stickoxid NOx 55 % 85 %
Kohlenmonoxid CO 55 % 98 %
Ozon 65 % 85 %
Tabelle 27 : Reduk-tion von Emissionen
in % durch Einsatz von Biogas im Ver-gleich zu den Treib-stoffen Benzin und
Dieselöl.
Mit 20 Bananenschalen …
… 1 km CO2-neutral mit Gas-PW fahren
… 90 Minuten CO2-neutral TV sehen
… 10 Minuten CO2-neutral bügeln
Pro gefahrenem km mit Biogas ergibt sich eine Einsparung von 100 g CO2.
… 90 Minuten CO2-ne
… 10 Minuten CO
Pro gefahren ergibt sich ei
Produkt Zusammensetzung Heizwert Umrechnung Äquivalent Anmerkungen Rohbiogas 60 % – 65 % CH4
(Methan) und 35 % – 40 % CO2
ca. 6 kWh/m3 ca. 1,2 kg/m3 Rohbiogas wird das Gas genannt, welches bei der Bioabfallver-gärung gewonnen wird.
Reinbiogas 96 % CH4 (Methan) 10,3 kWh/m3 0,8 kg/m3
1 kg entspricht ca. 1,5 Liter Benzin, respek-tive ca. 1,3 Li-ter Diesel.
Reinbiogas wird das Gas genannt, welches nach der Biogasauf-bereitung ins Erdgas-netz eingespeist wird.
Erdgas 98 % CH4 (Methan) 10,5 kWh/m3 0,81 kg/m3
Benzin 11,4 kWh/kg 9300 kWh/m3
Diesel 11,8 kWh/kg 9800 kWh/m3
Tabelle 28: Kenn-werte zu Treib-stoffen.