Biogas in der Landwirtschaft. Leitfaden für Landwirte und Investoren im Land Brandenburg

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1 Biogasinitiative der Brandenburgischen Energie Technologie Initiative (ETI) Biogas in der Landwirtschaft Leitfaden für Landwirte und Investoren im Land Brandenburg PROJEKT TEILFINANZIERT VON DER EUROPÄISCHEN UNION

2 Impressum Biogas in der Landwirtschaft Leitfaden für Landwirte und Investoren im Land Brandenburg 3. überarbeitete und erweiterte Auflage Erarbeitet von: Autorenkollektiv (siehe Autorenverzeichnis) Redaktionelle Bearbeitung: B. Linke, M. Heiermann, M. Plöchl, Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v. T. Kenkmann, BioenergieBeratungBornim GmbH B. Höhne, Referat 24, MLUV S. Dahle, ETI Herausgeber: Ministerium für Ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz des Landes Brandenburg Referat Presse- und Öffentlichkeitsarbeit Heinrich-Mann-Allee Potsdam Tel.: Gefördert durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des BSR Interreg III B Projektes Baltic Biomass Network in Projektträgerschaft der IHK Potsdam Bildnachweis: Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v. Ines Ficht, Monika Heiermann, Stephen Dahle, Bernd Höhne Potsdam, November 2006

3 Autorenverzeichnis Dipl.-Ing. Martina Bischert Ministerium für ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz Referat 24 Heinrich-Mann-Allee Potsdam Dipl.-Ing. (BA) Christiane Herrmann Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v. Abteilung Technikbewertung und Stoffkreisläufe Max-Eyth-Allee Potsdam Dipl.-Geoökol. Sybille Brozio Fachhochschule Eberswalde Fachbereich Landschaftsnutzung und Naturschutz Friedrich-Ebert-Str Eberswalde Dipl.-Landw. Bernd Höhne Ministerium für ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz Referat 24.1 Heinrich-Mann-Allee Potsdam Stephen Dahle Brandenburgische Energie Technologie Initiative (ETI) Industrie- und Handelskammer Potsdam Breite Straße 2 a-c Potsdam Dipl.-Geogr. Tanja Kenkmann BioenergieBeratungBornim GmbH Max-Eyth-Allee Potsdam Dipl.-Ing. Manfred Gegner Fachverband Biogas Regionalgruppe Brandenburg Karl-Liebknecht-Str Nauen Dipl.-Ing. Architekt Martin Krassuski Planungsbüro ALV Markt Angermünde Dr. sc. agr. Philipp Grundmann Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v. Abteilung Technikbewertung und Stoffkreisläufe Max-Eyth-Allee Potsdam Dipl.-Ing. (FH) Severine Laufer Fachhochschule Eberswalde Fachbereich Landschaftsnutzung und Naturschutz Friedrich-Ebert-Str Eberswalde Dipl.-Ing. agr. Holger Hanff Landesanstalt für Landwirtschaft Brandenburg Referat 41 Dorfstraße Teltow/Ruhlsdorf Prof. Dr. agr. habil Dipl.-Ing. Bernd Linke Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v. Abteilung Bioverfahrenstechnik Max-Eyth-Allee Potsdam Dipl.-Ing. Gerd Hampel Projektmanagement E.NOB Büro für Kommunalberatung und Projektsteuerung Salveymühle Geesow Dipl.-Ing. Christoph Luckhaus BioenergieBeratungBornim GmbH Max-Eyth-Allee Potsdam Dr. rer. hort. Monika Heiermann Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v. Abteilung Technikbewertung und Stoffkreisläufe Max-Eyth-Allee Potsdam Dipl.-Ing. agr. Pia Mähnert Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v. Abteilung Bioverfahrenstechnik Max-Eyth-Allee Potsdam

4 Dipl.-Soz. Erwin Meyer-Wölfing Projektmanagement E.NOB tamen. Entwicklungsbüro Arbeit und Umwelt GmbH Leberstraße Berlin Dipl.-Vet. med. Ralf Plagemann Ministerium für ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz Referat 32 Heinrich-Mann-Allee Potsdam Dipl.-Ing. (FH) Daniela Müller Fachhochschule Eberswalde Fachbereich Landschaftsnutzung und Naturschutz Friedrich-Ebert-Str Eberswalde Dr. phil. nat. Matthias Plöchl Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v. Abteilung Technikbewertung und Stoffkreisläufe Max-Eyth-Allee Potsdam Dipl.-Ing. agr. Jan Mumme Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v. Abteilung Bioverfahrenstechnik Max-Eyth-Allee Potsdam Dr. agr. Manfred Roschke Landesamt für Verbraucherschutz und Landwirtschaft Frankfurt/O. Referat 43 Steinplatz Waldstadt (b. Wünsdorf) Dipl.-Ing. Barb-Kerstin Müschner Landesumweltamt Referat RW1 Michendorfer Chaussee Potsdam Dr. agr. Michael Schulz Ministerium für Ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz Referat 64 Heinrich-Mann-Allee Potsdam Dr. Dieter Noack Landesumweltamt Referat I9 Müllroser Chaussee Frankfurt/O. Dr. Berthold Wilck Landesumweltamt Referat T1 Michendorfer Chaussee Potsdam Prof. Dr. Hans-Peter Piorr Fachhochschule Eberswalde Fachbereich Landschaftsnutzung und Naturschutz Friedrich-Ebert-Str Eberswalde

5 Vorwort Im Rahmen der Erneuerbaren Energien hat die Biogasnutzung in Brandenburg eine beachtliche Größe erreicht, inzwischen arbeiten 45 Biogasanlagen mit einer elektrischen Leistung von rd. 23 MW. Dreh- und Angelpunkt für diese positive Entwicklung sowie für den zielgerichteten Ausbau der Biogasnutzung war und ist nach wie vor das 2004 novellierte Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) mit dem neuen Bonussystem, welches heute maßgeblich dazu beiträgt, dass der Biogassektor weiter boomt. Über 80 Anlagen befinden sich derzeit in der Genehmigungsphase, weitere Anlagen sind geplant und eine Reihe neuer Entwicklungen auf dem Biogassektor z.b. die Trockenfermentation mit stapelbarer Biomasse oder die Aufbereitung von Biogas auf Erdgasqualität und Einspeisung in das Erdgasnetz zeichnen sich ab. Viele Landwirte tragen diesem neuen Trend Rechnung und wollen einen Schritt in Richtung Energiewirt gehen; sie produzieren diesbezüglich nicht nur Rohstoffe, sondern werden über die Verstromung von Biogas Energieerzeuger! So entstehen geschlossene Stoff- und regionale Wirtschafts- kreisläufe, die die Wertschöpfung der Landwirtschaft erhöhen. Gleichzeitig werden über die Biogaserzeugung in optimaler Weise neue Einkommensmöglichkeiten mit Ressourcen- und Klimaschutz verbunden. Um diesen neuen technologischen Entwicklungen Rechnung zu tragen und neueste Ergebnisse aus Forschung und Entwicklung für die praktische Anwendung in der Land- und Energiewirtschaft zu vermitteln, wurde der brandenburgische Biogasleitfaden erstellt. Mit dieser Broschüre liegt nun eine dritte Auflage des Biogasleitfadens vor, der potenziellen Investoren, Beratungsunternehmen und Behörden Hilfe und Unterstützung auf diesem innovativen Geschäftsfeld für die Zukunft geben soll mit dem Ziel, die Chancen für die Wertschöpfung im ländlichen Raum effizient zu nutzen! Dietmar Woidke Minister für Ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz

6 Vorwort Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Stand und Potenzial der Biogasproduktion in Brandenburg Ergebnisse der Biogasinitiative Zielstellung und Tendenzen bis Biogaspotenzial des Landes Brandenburg Grundlagen und Verfahren der Biogasgewinnung Grundlagen des Gärprozesses Biochemie und Mikroorganismen Physiologie und Milieueinflüsse Biogasausbeuten diverser Substrate Reaktionskinetik und Bemessung Verfahren und Anlagentechnik Verfahren und Anlagentechnik zur Nassvergärung Verfahren und Anlagentechnik zur Trockenvergärung Energiepflanzen für Biogasanlagen Energiepflanzenanbau und Energieproduktion ein neuer Betriebszweig Energiepflanzen Kulturarten Anbausysteme Anbautechniken Optimierungsansätze Ausblick Technische Nutzung von Biogas Chemische und physikalische Eigenschaften Aufbereitung Nutzungsmöglichkeiten Brennstoffzellen Gaseinspeisung und Nutzung als Biokraftstoff Kälteproduktion Eigenschaften und Zusammensetzung der Gärreste Eigenschaften von Gärresten Einsatz im Pflanzenanbau Seite

7 7 Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit Betriebsstruktur und Know-How Substratverfügbarkeit und -kosten Investitionen Betriebs- und Fixkosten Gasnutzung Anlagenwirtschaftlichkeit in Szenario- und Beispielbetrieben Maximale Investitionen für Biogasanlagen Abhängigkeit der Renditen von den Investitionen Beispielbetriebe in Brandenburg Fazit Ökologische Bewertung der Biogaserzeugung und -nutzung Grundlagen der ökologischen Bewertung Biogas als Energieträger Ökobilanz der Anlagen zur Produktion und Nutzung von Biogas Ökobilanz von Gülle und pflanzlichen Reststoffen als Biogassubstrat Ökobilanz von Energiepflanzen als Substrate für Biogasanlagen Auswirkungen auf die Landwirtschaft und das Grundwasser Fazit Förderung von Biogasanlagen Gesetzliche Rahmenbedingungen für die Erzeugung und Nutzung von Biogas und Gärresten Genehmigungspflichten für die Errichtung, die Änderung und den Betrieb von landwirtschaftlichen Biogasanlagen Immissionsschutzrechtliche Genehmigungsbedürftigkeit und Anforderungen aus Gründen des Immissionsschutzes Bauordnungsrechtliche Genehmigungsbedürftigkeit Abfall- und düngemittelrechtliche Anforderungen an die landwirtschaftliche Verwertung von Gärresten Düngemittelrechtliche Einordnung von Gärresten Abfallrechtliche Einordnung von Gärresten Sicherheitstechnische Anforderungen an die Errichtung und den Betrieb landwirtschaftlicher Biogasanlagen Ansprechstelle Koordinierung Planung und Errichtung von Biogasanlagen Das Eneuerbare-Energien-Gesetz als Grundlage für die Errichtung landwirtschaftlicher Biogasanlagen Anlagenplanung

8 11.3 Genehmigungsverfahren Träger des Genehmigungsverfahren und beteiligte Behörden Zu beachtende Rechtsgrundlagen bei Biogasanlagen Standort der Anlage Rückbauverpflichtung und Sicherheitsleistung Eingriffs- und Ausgleichsplanungen Anforderungen an das Baugrundstück Die Antragsunterlagen Stromeinspeisung ins Netz Netzanschluss und Einspeisevertrag Netzsicherheitsmanagement Bau und Inbetriebnahme der Anlage Beispielanlagen und -projekte Biogasanlage Meinsdorf Biogasanlage Tornitz Biogasanlage Pirow Biogasanlage Dolgelin Biogasanlage Dedelow Biogasanlage Fehrbellin Biogasanlage Wittstock Biogasanlage Groß Kreutz Anlagen 1 Abkürzungsverzeichnis Biogasanlagen im Land Brandenburg Übersicht der wichtigsten gesetzlichen Regelungen im Zusammenhang mit der Genehmigung und dem Betrieb von Biogasanlagen Beispielhafte Liste von Stoffen, die dem Gesetzestext aus 8 (2) EEG entsprechen und zum Bezug des NawaRo-Bonus berechtigen Checkliste für die Antragsunterlagen von Biogasanlagen im Verfahren nach brandenburgischer Bauordnung Zuliefererkatalog für Biogasanlagen in Brandenburg Berechnungsprogramm für Biogasanlagen

9 7 1 Einleitung Bernd Linke Die Entwicklung von technologischen Verfahren zur Energiegewinnung aus Biomasse hat im Biomasseaktionsplan des Landes Brandenburg einen hohen Stellenwert und steht damit im Einklang mit den Zielen der Bundesregierung und der Europäischen Union. Neben festen und flüssigen Energieträgern hat sich die Biogaserzeugung in der Landwirtschaft zu einem wichtigen Standbein für Erneuerbare Energie in Deutschland dank einer nachhaltig ausgerichteten Energiepolitik entwickelt. Biogas, das überwiegend Methan (CH 4 ) und Kohlendioxid (CO 2 ) enthält, entsteht immer dann, wenn Biomasse unter Ausschluss von Luftsauerstoff (anaerob) umgesetzt und dabei in ihre Grundbausteine zerlegt wird. So zum Beispiel im Verdauungstrakt von Wiederkäuern, in Süß- und Meerwassersedimenten, in kommunalen Faulbehältern, anaeroben Abwasserreinigungsanlagen oder in landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Mit der Entdeckung der brennbaren Luft aus Sümpfen und dem Nachweis von Methan in diesem Gas durch den Physiker VOLTA im Jahre 1778 begann die Suche nach dem Ursprung von Biogas. In einem Experiment zur anaeroben Zersetzung von Zucker entdeckte BECHAMP 90 Jahre später unter dem Mikroskop ein als beweglicher Punkt erscheinendes lebendes Ferment als Ursache der Gasentwicklung. Die mikrobielle Herkunft des Gases wurde 1906 durch OMELIANSKI bestätigt. Ein weiterer Meilenstein in der Erforschung des anaeroben Abbaus war die Entdeckung der acetogenen Bakterien durch BRYANT im Jahre Obwohl in den letzten Jahren der Erkenntnisstand zur Methanogenese deutlich zugenommen hat, besteht noch Forschungsbedarf zum Verständnis des anaeroben Abbaus in Biogasanlagen und zur technologischen Optimierung des anaeroben Fermentationsprozesses. Obwohl der Einbau von Faulkammern in die Abwasserkanäle bereits lange vor der christlichen Zeitrechnung bei den Sumerern bekannt war, können erst die Mitte des 19. Jahrhunderts in Asien errichteten Biogasanlagen als Beginn der technischen Nutzung angesehen werden. Das aus wenigen Kubikmetern Fermentervolumen anfallende Biogas diente ausschließlich zur Deckung des Energiebedarfs im Haushalt. Erste Anfänge einer Biogasnutzung in Europa begannen Ende des 19. Jahrhunderts in der Stadt Exeter (UK), indem Klärgas aus luftdichten Absetzbecken für die Straßenbeleuchtung eingesetzt wurde. Mit der Entwicklung geschlossener und beheizbarer Faulbehälter durch IMHOFF in den zwanziger Jahren des vorigen Jahrhunderts stand erstmals ein leistungsfähiges System zur Stabilisierung des Klärschlammes zur Verfügung, das die Nutzung von Klärgas zur Wärme- und Elektroenergiegewinnung im kommunalem Bereich ermöglichte. Anfänge einer Biogastechnik in der europäischen Landwirtschaft waren erst nach dem zweiten Weltkrieg zu verzeichnen. Hervorzuheben sind das an der TU Darmstadt entwickelte Gärkanalverfahren (System Darmstadt) und das nach den Erfindern SCHMIDT und EGGERSGLÜSS entwickelte Wechselbehälterverfahren. Die nicht ausgereifte Technik insbesondere zur Durchmischung der Reaktionsmasse sowie die Konkurrenz des Erdöls waren wesentliche Gründe für das nachlassende Interesse an der Biogasgewinnung, obwohl die Vorzüge einer besseren Mistqualität nach der anaeroben Vergärung bereits damals bekannt waren. Erst die Ölkrise Anfang der siebziger Jahre sowie die Verbreitung der Güllewirtschaft mit den bekannten Vorteilen bei der Entmistung brachten einen erneuten Aufschwung für die Biogasgewinnung, der bis heute insbesondere durch den Bonus für Energiepflanzen und/oder Gülle anhält. Neben der vollständigen Erschließung der aus der Tierhaltung anfallenden Wirtschaftsdünger ist eine erhebliche Steigerung der Biogasproduktion vor allem an die Nutzung von Energiepflanzen als Gärsubstrat gebunden. Hierbei ist nicht nur der Ertrag der jeweiligen Pflanze, sondern das Ergebnis des langjährigen Anbausystems einschließlich Mischfruchtanbau mit entsprechenden Fruchtfolgen für den jeweiligen Standort von Bedeutung. Energiepflanzen und Gülle werden heute in der Mehrzahl der im Betrieb befindlichen Biogasanlagen durch Kofermentation in Nassvergärungsanlagen vergoren. Ein interessanter Ansatz ist die Biogasgewinnung aus Energiepflanzen in satzweise betriebenen Fermentern (Trockenfermentation). Die Funktionsund Leistungsfähigkeit dieses Systems konnte in einem Leitprojekt der Brandenburgischen Energie Technologie Initiative (ETI) nachgewiesen werden. Die Technische Nutzung von Biogas erfolgt heute, bedingt durch die im EEG geregelten Vergütungssätze, in Blockheizkraftwerken (BHKW) mit Nutzung der Abwärme an speziellen Standorten. Aber auch die Abtrennung des Kohlendioxids mit anschließender Einspeisung des Biomethans in das Erdgasnetz oder die Verwertung als Treibstoff sind zukunftsorientierte Nutzungsalternativen. In Brandenburg befindet sich zurzeit eine Biomethantankstelle im Bau. Gärrückstände aus landwirtschaftlichen Biogasanlagen können als Wirtschaftsdünger und organische Düngemittel eingeordnet und deshalb auf landwirtschaftlichen Nutzflächen verwertet werden. Der nunmehr in dritter Auflage herausgegebene Biogasleitfaden richtet sich vor allem an Landwirte und Unternehmer, die im Land Brandenburg in eine nachhaltige und auch wirtschaftlich interessante Technologie investieren wollen.

10 8 2 Stand und Potenzial der Biogasproduktion in Brandenburg Bernd Höhne 2.1 Ergebnisse der Biogasinitiative Inzwischen sind seit dem Start der Biogasinitiative Brandenburg 2002 im Rahmen der Energie Technologie Initiative rund vier Jahre vergangen und die nachfolgenden Ergebnisse sprechen für sich: Mit Stand vom arbeiten in Brandenburg 45 Biogasanlagen mit einer installierten elektrischen Leistung von rund 23 MW (Anlagenübersicht siehe Anlage), gegenüber 2002 ist das eine anlagenbezogene Steigerung auf 150 %. Mehr als 80 Biogasanlagen befinden sich derzeit in der Planungs- und Genehmigungsphase. Die in Brandenburg durchschnittlich installierte Anlagenleistung beträgt 510 kw el und liegt weit über dem Bundesdurchschnitt von 250 kw el (Stand: Dezember 2005). Der Anteil Brandenburgs an der bundesweiten Biogasverstromung beträgt derzeit 4,1 % und im Vergleich der Bundesländer nimmt Brandenburg Platz 6 ein (Stand: Dezember 2005). An über 85 % der Biogasanlagen werden neben Gülle und Futterresten in steigendem Maße Energiepflanzen als Substrate eingesetzt. Zwei Anlagen werden ausschließlich mit stapelbaren Feststoffen (Energiepflanzensilage) ohne Gülle nach dem Verfahren der Trockenfermentation betrieben. In sechs Biogasanlagen werden biogene Reststoffe nach der Bioabfallverordnung verstromt. Das Land Brandenburg ist ein Standort für innovative Entwicklungen im Biogassektor, Beispiele dafür sind: Entwicklung eines Leitprojektes für Trockenund Nasssimultanvergärung am Standort Pirow mit dem Schwerpunkt des Einsatzes von Energiepflanzen im Rahmen eines wissenschaftlichen Messprogramms zur Optimierung der Trockenvergärung unter Federführung des Leibniz- Institutes für Agrartechnik Potsdam-Bornim (ATB), gefördert von der Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe (FNR). Errichtung einer Pilotanlage (Biomethan-Anlage) zur Biogasaufbereitung auf Erdgasqualität auf der Basis von Energiepflanzen am Standort Rathenow und Einspeisung des Biogases in das Erdgasnetz (Verbundvorhaben zwischen der Biomethananlage Rathenow GmbH & Co KG sowie der Erdgas Mark Brandenburg GmbH, Baubeginn 2. Halbjahr 2006). Etablierung des INNOPUNKT-Projektes Biogascluster in der Uckermark im Zeitraum von Zielsetzung des Projektes ist die Schaffung eines Verbundes von Unternehmen, die von der ingenieurtechnischen Betreuung, dem Bau der Anlagen Made in Uckermark bis zum Absatz des Biogases bzw. des Stroms alles anbieten, um eine höchst mögliche Wertschöpfung in der Region zu sichern. ATB-Forschungsprojekt Mehrjährige Prüfung des Einsatzes von Biogas in einer Brennstoffzelle mit Schlussfolgerungen für die praktische Anwendung. Diverse Forschungsprojekte des ATB zu Anbau und Einsatz von Energiepflanzen in Monovergärung in Biogasanlagen. ATB-Forschungsprojekt Ermittlung des Einflusses von Pflanzenart und Silierung auf Substratqualität und Biogasausbeute im Rahmen des FNR Verbundvorhabens Energiepflanzenanbau zur Biogasgewinnung ( Entwicklung des Bioenergie- und Biomassehofes Kerkow als Kompetenzzentrum für die autarke Energieversorgung eines Landwirtschaftsbetriebes mit der tragenden wirtschaftlichen Säule der Biogasanlage. Errichtung des Konsultationspunktes Vom Landwirt zum Energiewirt im Biomassehof der Agrar GbR Jähne/Marquard in der Nordwestuckermark. Gründung der BioenergieBeratungBornim GmbH (B 3 ) im Jahre 2003 zur Information und Beratung von Land- und Forstwirten zu Einsatz und Erzeugung von Biogas und Biokraftstoffen. Reaktivierung des Arbeitskreises Nachwachsende Rohstoffe des Landesbauernverbandes mit dem Ziel, die Wirtschaftskraft in den ländlichen Räumen, insbesondere durch die energetische Nutzung von Biomasse, zu stärken. Bildung einer Koordinierungsstelle Biogas beim Landesumweltamt (LUA), Referat Technischer Umweltschutz zur Klärung von Problemen im Rahmen der Genehmigungsverfahren für Biogasanlagen (Ansprechpartner Dr. Wilck, Telefonnummer: 0331/ ). Allein im Zeitraum von 2003 bis zum sind in Brandenburg im Rahmen der Energie Technologie Initiative 21 Informationsveranstaltungen rund um Biogas durchgeführt worden. Nach wie vor finden die Veranstaltungen der Arbeitsgruppe Biogas der Energie Technologie Initiative großen Anklang bei Landwirten und Beratungsunternehmen, weil dort die neuesten Ergebnisse der Forschung und Innovationen für die Praxis vorgestellt werden. 2.2 Zielstellung und Tendenzen bis 2010 Im Zusammenhang mit den rasanten Preissteigerungen für Erdöl und Erdgas in den letzten 2 Jahren und der Novellierung des EEG im August 2004 erlebt der Biogassektor einen starken Schub.

11 9 Ausgehend vom derzeitigen Entwicklungsstand wird bis zum Jahre 2010 mit einem Ausbau der Biogasproduktion auf annähernd 75 MW elektrisch (ca. 175 Biogasanlagen) in Brandenburg gerechnet. Durch die Betreuung dieser Anlagen werden etwa 70 Dauerarbeitsplätze geschaffen werden. Insgesamt könnten bei Erreichung dieses Ziels allein durch den Betrieb der Biogasanlagen mit den vorund nachgelagerten Bereichen rund 200 Vollzeitstellen entstehen. Die zusätzliche Wertschöpfung durch den Verkauf von Biogas und Elektroenergie schafft neue Arbeitsplätze und stabilisiert vorhandene. Beim Bau der Anlagen würden Investitionen von mehr als 150 Mio. Euro ausgelöst werden; rund 300 Beschäftigte könnten mit dieser Auftragssumme ein Jahr lang finanziert werden. Diese Zahlen verdeutlichen, dass die Biogasproduktion sich zu einem lukrativen Wirtschaftszweig entwickelt. Dennoch muss festgestellt werden, dass die Potenziale im Bereich der Wärmenutzung aufgrund der bisherigen Struktur unzureichend genutzt werden, die Zusammenarbeit von Biogasanlagenbetreibern und Energieversorgungsunternehmen beim Netzanschluss der Anlagen verbessert werden muss, der Ausbau des Stromnetzes durch die Energiewirtschaft derzeit nur schleppend erfolgt, die Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz und dessen Nutzung in Verbindung mit Kraft- Wärme-Kopplung (KWK) zur Zeit nur in wenigen Fällen thematisiert wird und die Energiewirtschaft sich insgesamt noch nicht in ausreichendem Maße auf die Nutzung des Biogaspotenzials und auf die wirtschaftlichen Perspektiven, die der Biogassektor bietet, eingerichtet hat. Deutlich wird, dass sich mit der anstehenden Liberalisierung des Gasmarktes, mit der weiteren Entwicklung der Energiemärkte, mit den weiter steigenden Preisen für Erdöl und Erdgas, mit dem klaren Bekenntnis der Bundes- und Landesregierung zu Erneuerbaren Energien und mit dem großen Potenzial von Biogas auf der Basis nachwachsender Rohstoffe (Energiepflanzen) für die Biogasproduzenten und -nutzer neue innovative Geschäftsfelder entwickeln. Regenerativ erzeugte Energie wird zunehmend auf Nachfrage stoßen, auch in Brandenburg. Je schneller und nachhaltiger sich Unternehmen und Regionen in Brandenburg auf die globalen Trends einrichten, desto besser können sie die Chancen für die regionale Wirtschaft und Beschäftigung nutzen. 2.3 Biogaspotenzial des Landes Brandenburg Sybille Brozio, Daniela Müller, Severine Laufer, Hans-Peter Piorr In vorliegender Studie, die an der Fachhochschule Eberswalde im Rahmen des Projektes Baltic Biomass Network entstanden ist, wurde das Biogaspotenzial für das Land Brandenburg unter Einhaltung von Richtlinien der nachhaltigen Landwirtschaft und der guten fachlichen Praxis ermittelt. Methode Das regionale, landwirtschaftliche Biogaspotenzial im Land Brandenburg ergibt sich hauptsächlich aus der jährlich verfügbaren Menge an Silage von Silomais und Getreide-Ganzpflanzen und der jährlich aufkommenden Gülle aus den Tierbeständen. Es wurden folgende regionale Daten genutzt: Biogasanlagen: Eigene Datenerhebung und Digitalisierung (Dahle et al. 2006) Ackerflächen und Verwaltungsgrenzen: Aus Basis DLM; ATKIS 2005 (Landesvermessung und Geobasisinformation Brandenburg 2005) Niederschlag: Daten des Deutschen Wetterdienstes mit arithmetischem Mittelwert aus den Jahresniederschlägen von 1991 bis 2005 Bodendaten: GEMDAT 1995 mit mittlerer Ackerzahl für jede Gemeinde Statistische landwirtschaftliche Daten: Statistisches Bundesamt (2006a) bzw. Landesbetrieb für Datenverarbeitung und Statistik Brandenburg (2005). Biomassepotenzial aus der Pflanzenproduktion Das an der Fachhochschule Eberswalde entwickelte Biomasse-Ertragsmodell (biomass-yield-model = bym) (Piorr et al. 1998; Brozio et al. 2006) ermittelt für regionalspezifische und standortangepasste Fruchtfolgen das jährliche Biomasseaufkommen. Das System besteht aus Ertragsfunktionen und Fruchtfolgealgorithmen, die an Geodaten gekoppelt sind und im Geographischen Informationssystem (GIS) verarbeitet werden. Je nach Ackerzahlgruppe des Standortes wurde eine typische Fruchtfolge bestehend aus sieben Feldern angenommen. Darin enthalten sind dominierende Früchte und Cross-Compliance Bedingungen. Für diese Fruchtarten werden unter Berücksichtigung von Vorfruchtwirkungen und Bewirtschaftungsintensitäten (konventionell; mittlerer Viehbesatz) über Ertragsfunktionen potenzielle, theoretische Erträge modelliert. Zusätzlich zu den Erträgen der Früchte werden auch die Koppelprodukte modelliert.

12 10 Von den brandenburgischen Landwirten werden am häufigsten Silomais und Winterroggen-Ganzpflanzensilage für Biogasanlagen verwendet. Daher gehen in die weiteren Betrachtungen nur diese Früchte unter Berücksichtigung von 10 % Silierverlust ein. Außerdem ist davon auszugehen, dass nach Abzug der benötigten Futtermittelmengen und anderer konkurrierender Nutzungen nur etwa 50 % als tatsächlich nutzbares Potenzial zur Verfügung stehen. Biomassepotenzial aus der Tierhaltung In bestehenden Biogasanlagen werden zumeist Gülle mit Silagen als Kosubstrat verwendet der Gülleanteil kann dabei 0 bis 100 % betragen. Auch Betriebe mit geringen Viehzahlen können durch die Ergänzung mit Energiepflanzen oder die Investition in Gemeinschaftsanlagen ihre Güllemengen energetisch verwerten. Daher wurde zur Potenzialermittlung das gesamte Gülleaufkommen herangezogen. Allerdings sind die Daten von Tierbeständen (Milchkühe und Schweine) nur auf der räumlichen Ebene der Landkreise verfügbar (Landesbetrieb für Datenverarbeitung und Statistik Brandenburg 2005), für Zucht-, Mast- und Jungrinder über einem Jahr sogar nur auf Bundeslandebene (Statistisches Bundesamt 2006a). Die Umrechnung des Tierbestandes in Güllemengen erfolgte nach dem Statistischen Bundesamt (2006b) und MUNR (2000): 1 Großvieheinheit (GV) = 1 Rind älter als 2 Jahre bzw. 1,43 Rinder zwischen 1-2 Jahren = 29 t Gülle pro Jahr (bei 8 % Trockensubstanz) 1 GV = 9,07 Schweine= 21 t Gülle pro Jahr (bei 6 % Trockensubstanz) Mist von Geflügel wurde nicht berücksichtigt, da deren Kot aufgrund von Haltungsformen bzw. der Zusammensetzung (hohe Kalk-, Sand- und Federgehalte, dadurch Neigung zur Schwimmdeckenbildung) kaum in Biogasanlagen zum Einsatz kommt. Potenzielle Biogasanlagenzahlen und Gasmengen Aus den Silage- und Güllemengen wurden die erzeugbaren Biogasmengen der einzelnen Substrate sowie die Stromerträge bei einem Wirkungsgrad von 35 % abgeleitet (vgl. Kap. 7): 225 m 3 bzw. 367 kwh el pro Tonne Frischmasse Roggen-Ganzpflanzensilage 281 m 3 bzw. 403 kwh el pro Tonne Frischmasse Maissilage 26 m 3 bzw. 47 kwh el pro Tonne Frischmasse Rindergülle Abb. 2.1: Potenzial Biogasanlagen: Insgesamt je Gemeinde potenziell installierbare elektrische Leistung aus Energiepflanzen (Silomais und Winterroggen-Ganzpflanzen) bei Volllaststunden pro Jahr.

13 11 22 m 3 bzw. 39 kwh el pro Tonne Frischmasse Schweinegülle Potenzial Biogas in Brandenburg Insgesamt ergibt sich für das Land Brandenburg ein Potenzial aus den untersuchten Energiepflanzen (Winterroggen-Ganzpflanzen und Silomais) und Gülle (Rinder, Schweine) von rund Millionen m 3 Biogas. Daraus könnten Anlagen zur Stromerzeugung mit 299 MW elektrischer Leistung installiert werden. Bei einer durchschnittlichen Größe von 500 kw el entspräche dies etwa 600 Anlagen (Tab. 2.1). Die potenzielle installierbare elektrische Leistung aus Energiepflanzen bei Volllaststunden im Jahr ist in Abb. 2.1 auf Gemeindeebene dargestellt. In Abb. 2.2 wurde das Potenzial aus Energiepflanzen auf Landkreisebene summiert und die Potenziale aus der Tierhaltung (Milchvieh-, Schweinegülle) hinzugefügt. Da für Zucht-, Mast- und Jungrinder über einem Jahr die Daten nur auf Bundeslandebene verfügbar sind, wurden die darüber möglichen 40 Anlagen für Brandenburg separat bestimmt und nicht in den Karten dargestellt. Tab. 2.1: Potenzialberechnung im Untersuchungsgebiet Brandenburg Landkreise Potenziell verfügbare Silage Anfallende Gülle pro Jahr potenzielle Anzahl Winterroggen-GPS & (Tonnen pro Landkreis) Biogasanlagen mit Silomais berechnet aus Landwirt- 500 kw el Leistung (Tausend Tonnen FM schaft im Land Branden- pro Landkreis pro Jahr im Landkreis) burg1991 bis 2003 [Landesbetrieb für berechnet durch Datenverarbeitung und Biomasse-Ertragsmodell Statistik 2005] [Brozio et al, 2006] Rind (Milchkühe) Schwein Barnim Dahme-Spreewald Elbe-Elster Havelland Märkisch-Oderland Oberhavel Oberspreewald-Lausitz k.a. 16 Oder-Spree Ostprignitz-Ruppin Potsdam-Mittelmark Prignitz Spree-Neiße k.a. 21 Teltow-Fläming Uckermark Landkreise Brandenburg Brandenburg mit kreisfreien Städten Anfallende Gülle pro Jahr (Tonnen je Bundesland) [Statistisches Bundesamt] nur auf Bundeslandebene verfügbar Zucht-, Mast- und Jungrinder über 1 Jahr Brandenburg mit kreisfreien Städten Brandenburg mit kreisfreien Städten Gesamtpotenzial Biogasanlagen: 598

14 12 Abb. 2.2: Potenzial Biogasanlagen: Gesamte potenzielle Anzahl je Landkreis von mit Gülle (Milchvieh und Schwein) und Energiepflanzen (Silomais und Winterroggen-GPS) versorgten Biogasanlagen mit 500 kw el Leistung bei Volllaststunden pro Jahr. Literatur Brozio, S., Piorr, H.-P. & F. Torkler (2006): Modellierung landwirtschaftlicher Bioenergie, Tagungsband, 26. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik in der Land-, Forst und Ernährungswirtschaft e.v März 2006, Potsdam; S Dahle, S., Müller, D., Ochmann, K., Rau, H. (2006): Biogasanlagen im Land Brandenburg. Eigene Erhebungen Stand Oktober 2006 (unveröffentlicht); Brandenburgische Energie Technologie Initiative (ETI), Potsdam. Landesbetrieb für Datenverarbeitung und Statistik (2005): Beiträge zur Statistik Band 15 Landwirtschaft im Land Brandenburg 1991 bis Ministerium für Landwirtschaft, Umweltschutz und Raumordnung Brandenburg (MLUR, 2000): Rahmenempfehlungen zur Düngung 2000 im Land Brandenburg, de/cms/media.php/2331/duengbro.pdf Piorr, H.-P., Kersebaum, K.C. & Koch, A. (1998): Die Bedeutung von Extensivierung und ökologischem Landbau für Strukturwandel, Umweltentlastung und Ressourcenschonung in der Agrarlandschaft. Eberswalder Wissenschaftliche Schriften Bd. 3, Statistisches Bundesamt (2006a): GENESIS- Online; Statistisches Bundesamt (2006b): Land- und Forstwirtschaft, Fischerei, Viehbestand und tierische Erzeugung - Fachserie 3, Reihe , Wiesbaden, p. 6. Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft (TLL, 2000): Umrechnungsschlüssel für Großvieheinheiten;

15 13 3 Grundlagen und Verfahren der Biogasgewinnung Bernd Linke, Pia Mähnert, Monika Heiermann, Jan Mumme 3.1 Grundlagen des Gärprozesses Biochemie und Mikroorganismen Die Gewinnung von Biogas ist ein mehrstufiger Prozess, bei dem Mikroorganismen unter anaeroben Bedingungen, d.h. unter Ausschluss von Luftsauerstoff, die in Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen gespeicherte chemische Energie für ihren Stoffwechsel nutzen. Hierbei werden zunächst Makromoleküle durch hydrolytische Bakterien in Verbindungen mit geringerem Molekulargewicht (z.b. Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren, Basen) aufgespalten (Abb. 3.1). Die auf diese Weise entstandenen Spaltprodukte werden durch fermentative Bakterien weiter vergoren, wobei reduzierte niedermolekulare Verbindungen, wie Carbonsäuren, Gase oder Alkohole entstehen. Methanogene Bakterien sind nicht in der Lage, alle Stoffwechselprodukte der fermentativen Bakterien zu verwerten, so dass acetogene Bakterien ein wichtiges Bindeglied zwischen Vergärung (Versäuerung) und Methanbildung darstellen. Sie bauen insbesondere Propionsäure, Buttersäure (Carbonsäuren) und Alkohole zu Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff ab, die von den methanogenen Bakterien als Substrate genutzt werden. Da acetogene Bakterien nur bei sehr geringen Wasserstoffpartialdrücken leben können, andererseits aber selbst Wasserstoff produzieren, sind sie auf methanogene Bakterien angewiesen, die Wasserstoff als Substrat nutzen und somit für den notwendigen geringen Wasserstoffpartialdruck sorgen. Etwa 70 % aller bekannten Methanbakterien verwerten Essigsäure (acetogenotroph), während etwa 30 % der bekannten Arten Wasserstoff und Kohlendioxid (hydrogenotroph) für ihren Stoffwechsel nutzen. In Gärungen komplexer Substrate kommen methanogene Bakterien in Konzentrationen von 10 5 bis 10 8 Keimen je ml vor. Klärschlämme z.b. enthalten vorwiegend Vertreter der Genera Methanobacterium, Methanospirillum, Methanosarcina und Methanococcus. Die sauerstoffempfindlichen methanogenen Bakterien stehen am Ende einer Stoffwechselkette, deren Leistungsfähigkeit nicht nur in technischen Systemen genutzt wird, sondern sie tragen vor allem in natürlichen Ökosystemen zur biologischen Entgiftung von Wasserstoff und organischen Säuren bei Physiologie und Milieueinflüsse Alle von Mikroorganismen ausgehenden Stoffwechselprozesse erfordern physiologisch günstige Milieubedingungen. Es sind vor allem die Temperatur, der ph-wert und die Konzentration von Substraten und Hemmstoffen im Reaktionsmedium, die den Biogasprozess beeinflussen. Von der Temperatur ist bekannt, dass steigende Werte auch höhere Reaktionsgeschwindigkeiten zur Folge haben. Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Reaktionsgeschwindigkeit lässt sich durch die ARRHENIUS-Beziehung beschreiben (Gl. 3.1), die für biologische Vorgänge durch die Einführung eines Temperaturterms (Randall et al., 1982) vereinfacht werden kann. Als Maß für die Reaktionsgeschwindigkeit kann die Biogasrate, d.h. die je Kubikmeter Fermenterraum täglich produzierte Biogasmenge, verwendet werden (Gl. 3.2). (Gl. 3.1) (Gl. 3.2) T 1, T 2 Temperaturen in K (T 2 höher als T 1 ) k 1, k 2 Reaktionsgeschwindigkeitskonstante in 1/d bei T 1 und T 2 (k 2 größer als k 1 ) E A Aktivierungsenergie in kj Mol -1-1 R Gaskonstante in kj kmol -1 K Temperaturterm, dimensionslos f r Die meisten Biogasanlagen werden mesophil, d.h. zwischen 35 C und 45 C betrieben. Für diesen Temperaturbereich kann man für Rinder- und Schweinegülle mit einem Wert für f r von 1,06 bzw. von 1,13 rechnen (Linke und Vollmer, 1989). Würde Abb. 3.1: Vereinfachtes Schema der Biogasbildung

16 14 z.b. die Temperatur einer bei T 2 = 35 C betriebenen Biogasanlage, bei der eine Biogasrate von k 2 = 1,0 m 3 m -3 d -1 gemessen wird, auf eine Prozesstemperatur von T 1 = 28 C abfallen, hätte diese Maßnahme eine Reduktion der Biogasrate auf k 1 = 1,0/1,06 (35-28) = 0,66 m 3 m -3 d -1 zur Folge. Neben der mesophilen Betriebsweise arbeiten Biogasanlagen auch bei 55 C bis 65 C. Man spricht in diesem Fall von thermophiler Prozessführung. Diese Anlagen erfordern jedoch wegen der höheren Empfindlichkeit der Mikroorganismen, insbesondere gegen Ammoniak, einen höheren Aufwand für die Prozessführung. Trotz der erforderlichen stabilen Temperaturführung ist der thermophile Betrieb einer Biogasanlage interessant, insbesondere wenn überwiegend Biogaspflanzen vergoren werden, bei denen keine kritischen Ammoniakkonzentrationen im Fermenter zu erwarten sind. Ein Vorteil der thermophilen Biogaserzeugung liegt in der Inaktivierung seuchenhygienisch relevanter Organismen, die in der Regel bei mesophilen Anlagen nicht gewährleistet werden kann (Anonymous, 1996). Kaltanlagen, die im psychrophilen Bereich bei Temperaturen unter 20 C arbeiten und insbesondere in den 80er Jahren in der Schweiz untersucht wurden (Wellinger und Kaufmann, 1982; Göbel, 1986), haben sich in der heutigen Praxis der Biogaserzeugung nicht durchgesetzt. Der ph-wert der Reaktionsmasse in Biogasanlagen mit Gülle als Substrat wird kaum außerhalb des für Mikroorganismen verträglichen Bereichs liegen. Allgemein werden Werte im neutralen bis schwach alkalischen Milieu (ph = 7,0 bis 8,5) gemessen. Hierfür sorgt das hohe Pufferungsvermögen, wenn z.b. Gülle vergoren wird, so dass H 3 O + oder OH - Ionen abgefangen und neutralisiert werden. Die Pufferwirkung wird dabei hauptsächlich durch den Carbonat- und Ammoniakpuffer erreicht (Gl. 3.3 bis Gl. 3.5). Werden beispielsweise Biogaspflanzen vergoren, so ist die Pufferung weniger ausgeprägt, und es kann schneller zu einer Übersäuerung des Prozesses kommen. (Gl. 3.3) (Gl. 3.4) (Gl. 3.5) Durch das gute Pufferungsvermögen des Fermenterinhaltes wird der ph-wert in der Regel zu einem ungeeigneten Kontrollparameter, da z.b. eine Übersäuerung der Reaktionsmasse nicht zwangsläufig zu einem messbaren Abfall des ph-wertes führt. Für die Überwachung des Biogasbildungsprozesses ist die Bestimmung der organischen Säuren besser geeignet. Bei einer ungestörten Bio- gasbildung werden im Biogasreaktor Werte kleiner mg l -1 gemessen. Die Hemmkonzentrationen sind jedoch im Zusammenhang mit dem im Fermenter vorliegenden ph-wert zu sehen. Es ist bekannt, dass Mikroorganismen nur den undissoziierten Anteil der Substrate verwerten können, dessen Konzentration wiederum vom ph-wert abhängt. So beträgt z.b. die Konzentration des undissoziierten Anteils der stark hemmenden Propionsäure bei ph=6, mol l -1, während bei ph=8,3 die entsprechende Konzentration nur noch 10-5 mol l -1 beträgt. Das Festlegen einer bestimmten Grenzkonzentration ist deshalb schwierig und lässt sich für die Vielzahl der Substratmischungen nicht verallgemeinern. Erst wenn durch Überlastung des Biogasreaktors oder durch Zugabe toxischer Inhaltsstoffe die Säurekonzentration Werte über mg l -1 übersteigt, ist eine Störung des mikrobiellen Gleichgewichts eingetreten, was sich in einem höheren CO 2 -Anteil im Biogas und einer Verringerung der Biogasproduktion äußert. Tritt ein solcher Fall ein, kann es mehrere Wochen dauern, bis das Gleichgewicht wieder zur methanogenen Seite verschoben ist und die Biogasproduktion wieder einsetzt. Ammoniak und Schwefelwasserstoff als Stoffwechselprodukte des anaeroben Abbaus von Proteinen oder von anorganischen Schwefelverbindungen können die Biogasbildung ebenfalls stören. Ammoniak hemmt besonders bei höheren ph- Werten und Temperaturen die Biogasbildung, da unter diesen Bedingungen das Gleichgewicht zwischen NH 3 und NH 4 zunehmend auf die Seite des + toxisch wirkenden NH 3 verschoben ist (Gl. 3.5). + Gesamtkonzentrationen an NH 3 /NH 4 von mehr als etwa mg l -1 werden, trotz der Fähigkeit methanogener Bakterien, sich an physiologisch bedenkliche Konzentrationen zu gewöhnen (Akklimation), als kritisch betrachtet. Für Schwefelwasserstoff ist eine Konzentration von mehr als 100 mg l -1 Sulfid, was einem Volumenanteil von etwa 1 % im Biogas entspricht, bedenklich. Die für die Methanogenese wichtigen Spurenelemente wie Nickel, Kobalt, Molybdän und Eisen werden bei solchen Schwefelwasserstoffkonzentrationen als schwerlösliche Metallsulfide ausgefällt und stehen dann nicht mehr für den methanogenen Stoffwechsel zur Verfügung. Gefahr für den Stoffwechsel besteht auch dann, wenn chlorierte Kohlenwasserstoffe, Bakterizide, Insektizide, Lösungsmittel oder Schwermetalle in toxischen Konzentrationen auftreten. Insbesondere sind es Futteradditive, Antibiotika oder Stalldesinfektionsmittel, bei denen durch nicht ordnungsgemäßen Gebrauch Hemmwirkungen nachgewiesen wurden (Wellinger et al., 1984). In der Regel sind jedoch nahezu alle Reststoffe aus Tierhaltungsbetrieben für die Biogasgewinnung nutzbar.

17 Biogasausbeuten diverser Substrate Kennt man die chemische Zusammensetzung des Gärsubstrates mit einer bestimmten Anzahl Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen, dann können mit Hilfe der vereinfachten BUSWELL-Gleichung (Gl. 3.6) die Anteile an Methan (CH 4 ) und Kohlendioxid (CO 2 ) im Biogas berechnet werden. (Gl. 3.6) Pflanzliche Biomassen (ohne Nährstoffe und Spurenelemente) lassen sich näherungsweise mit der Summenformel C 38 H 60 O 26 (Molgewicht 932) beschreiben und liefern nach Gl. 3.6 je Mol Biomasse zusammen mit 10 Mol H 2 O 18 Mol CO 2 und 20 Mol CH 4. Unter Berücksichtigung des Molvolumens idealer Gase von 22,4 Liter entspricht das einem Biogasvolumen von insgesamt (18+20) 22,4 = 851 Liter je Mol bzw. 851/932 = 0,914 Liter Biogas oder 0,914 0,53 = 0,48 Liter Methan je Gramm pflanzlicher Biomasse. Der Methananteil im Biogas beträgt (20/38) 100 = 53 %, was einem Bruttoenergiegehalt des Biogases von 5,3 kwh m -3 entspricht. Da die genaue chemische Zusammensetzung von Biomassen oft nicht bekannt ist, kann die zu erwartende Methanproduktion über den Abbau des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) während der Biogasbildung berechnet werden (Gl. 3.7). (Gl. 3.7) Unter Berücksichtigung der in Gl. 3.7 umgesetzten Molmassen und dem Molvolumen idealer Gase, ergibt sich, dass je Liter gebildetes Methan 2,857 g CSB umgesetzt werden. Eine Übertragung dieser Rechnung auf pflanzliche Biomassen (Molgewicht 932 g) ergibt, dass ein Mol dieses Substrats ein CSB-Äquivalent von 1280 g aufweist und bei vollständigem Abbau zu Biogas einem Methanvolumen von 1280/2,857 = 448 l entspricht. Je kg Biomasse werden dann /932 = 480 l Methan gebildet, was mit der Berechnung aus der BUS- WELL-Gleichung gut übereinstimmt. Die aus den drei Hauptstoffgruppen (Kohlenhydrate, Fette und Proteine) zu erwartende Biogaszusammensetzung sowie die maximal möglichen Biogasausbeuten wurden auf der Grundlage der BUSWELL-Gleichung berechnet (Tab. 3.1). Den mengenmäßig größten Anteil organischer Verbindungen auf der Erde bilden Kohlenhydrate, die ebenso viele Kohlenstoff- wie Sauerstoffatome aufweisen. Das aus dieser Stoffgruppe produzierte Biogas besteht zur Hälfte aus CO 2, wogegen aus Fetten und Proteinen ein deutlich höherer Methangehalt im Biogas erwartet werden kann. Aus Labor-, Pilot- und Praxisexperimenten liegen zahlreiche Ergebnisse zur Biogasausbeute von nahezu allen vergärbaren Substraten vor (Braun, 1982; Wellinger et al., 1984; Kuhn, 1998; Graf, 1999; Schulz, 2001). Ein Problem hierbei ist jedoch die Vergleichbarkeit, da die Randbedingungen (z.b. Temperatur, Gärzeit oder Gärraumbelastung) oft nicht angegeben werden. So sind auch die zum Teil erheblichen Streuungen für gleiche Substrate zu erklären. Hinzu kommt, dass z.b. bei Abfällen aus der Tierhaltung die Verwendung des Futtermittels, die Art der Entmistung und damit das Güllealter den Wert der Biogasausbeute beeinflussen. Bestandteil jeder Planung sollten deshalb Gärversuche mit den zu behandelnden Substraten sein, aus denen die zu erwartende Biogasausbeute bestimmt werden kann. Neben den wirtschaftseigenen Düngern wie Gülle, Jauche und Mist aus der Nutztierhaltung werden Energiepflanzen zur Vergärung eingesetzt (vgl. Kap. 4) Eine Zusammenstellung, im Gärtest bei 35 C, gemessener Biogasausbeuten von Wirtschaftsdüngern, organischen Reststoffen und Energiepflanzen (Tab. 3.2) zeigt die große Schwankungsbreite der untersuchten Substrate. Hinsichtlich des Methangehaltes im Biogas gelten die in Tab. 3.1 dargestellten Grundsätze, wonach bei Tab. 3.1: Biogaszusammensetzung und -ausbeuten verschiedener Stoffgruppen Stoffgruppen Molgewicht Molanteile CO 2 Molvolumen mögliche und CH 4 im Biogas des Biogases Biogasausbeute [g mol -1 ] [mol] [g mol -1 ] [l g -1 ] Kohlenhydrate C 6 H 12 O 6 oder (CH 2 O) n CO CH ,4 = 134,4 134,4/180 = 0,746 Fette (z.b. Palmitin) C 16 H 32 O ,5 CO ,5 CH ,4 = 358,4 358,4/256 = 1,39 Proteine mit 21 Aminosäuren C 13 H 25 O 7 (N 3 S) 367 5,125 CO 2 + 7,857 CH ,4 = /367 = 0,79 Pflanzliche Biomasse C 38 H 60 O CO CH ,4 = /932 = 0,91

18 16 Wirtschaftsdüngern sich ein Methangehalt im Biogas von etwa 60 % und bei den genannten organischen Reststoffen und Energiepflanzen ein Wert von etwa 55 % einstellt Reaktionskinetik und Bemessung Von den in der Praxis verwendeten Fermentersystemen überwiegt der vollständig durchmischte Reaktor (Rührkessel) mit kontinuierlicher Substratzufuhr. Zur Charakterisierung des hierbei ablaufenden Biogasprozesses ist die Kenntnis der Gärtemperatur sowie bestimmter Grundparameter Voraus- setzung für die Bemessung einer Biogasanlage (Abb. 3.2). Bei festgelegtem Volumen des Fermenters V R in m 3 ergibt sich je nach Belastung des Fermenters die Masse des täglichen Zulaufes m 0 und damit des täglichen Ablaufes m A. Da die organische Trockenmasse (otm) ein Maß für die Konzentration vergärbarer Verbindungen ist, entspricht die Konzentration des Zulaufes c 0 und des Ablaufes c A dem Gehalt an otm in kg pro t Frischmasse. Mit Hilfe dieser Grundparameter lassen sich einfache Belastungs- und Leistungsparameter nach Abb. 3.2 berechnen. Für die Bemessung des Biogasreaktors dient die Raumbelastung B R. Sie Tab. 3.2: Biogasausbeuten verschiedener Substrate aus Gärtests (35 C, Auswertung entsprechend VDI 4630 am Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim) Substrate TM otm Biogasausbeute [% FM] [% TM] [m 3 kg -1 otm] [m 3 t -1 FM] Wirtschaftsdünger Rindermist ,45 95 Schweinemist , Putenmist (Stroh) , Putenmist (Holzspäne) , Hühnertrockenkot , Milchviehgülle ,41 26 Mastviehgülle 8,5 80 0,41 28 Schweinegülle ,42 22 organische Reststoffe Zuckerrübenpressschnitzel , Roggenschlempe 5,5 95 0,79 41 Apfeltrester ,68 53 Citrustrester (ohne Pektin) ,51 83 Weizenstroh (4 mm) , Kartoffelschalen , Kartoffelpülpe ,72 93 Melasse , Getreidestaub (Mühle) , Rapskuchen , Energiepflanzen Triticale GPS (Milchreife) , Roggen GPS (Milchreife) , Gerste GPS (Milchreife) , Sudangras 1. Schnitt , Schnitt , Roggenschrot , Rübensilage , Maissilage (mittelfrühe Sorte) Erntetermin , Erntetermin , Erntetermin , Maissilage (frühe Sorte) Erntetermin , Erntetermin , Erntetermin , Gras-Welksilage , Hanfsilage , Luzerne (FM, 2. Schnitt) , FM = Frischmasse; TM = Trockenmasse; otm = organische Trockenmasse; GPS = Ganzpflanzensilage

19 17 Abb. 3.2: Grund- und Bemessungsparameter landwirtschaftlicher Biogasanlagen gibt an, mit welcher otm-last in kg pro Tag ein Kubikmeter Reaktorraum belastet wird. Der zulässige Wert ist substratspezifisch und muss in Experimenten ermittelt werden, um den Biogasreaktor vor Überlastung zu schützen. Daraus ergibt sich je nach otm-konzentration und Dichte des Zulaufs die mittlere hydraulische Verweilzeit t m in Tagen. Andererseits lässt sich bei gegebener Zulaufmasse und angestrebtem t m das notwendige V R berechnen. Geht man davon aus, dass die Dichte des Zulaufs ρ 0 im Reaktor 1 t m -3 beträgt und die Zwischenräume im Biogasreaktor mit Flüssigkeit aufgefüllt sind, besteht zwischen t m und B R der in Abb. 3.3 dargestellte Zusammenhang. In der Praxis ist z.b. für die Vergärung von Schweine- und Rindergülle für t m meist ein Wert zwischen 20 und 30 Tagen anzutreffen. Bei einer Rindergülle mit c 0 =100 kg t -1 ergeben sich daraus Raumbelastungen von 5 bzw. 3,3 kg m -3 d -1. Wird dagegen Maissilage (c 0 =300 kg t -1 ) als einziges Substrat vergoren, sind mittlere Verweilzeiten von 20 bis 30 Tagen nicht möglich, da wegen der zu hohen Raumbelastung eine Übersäuerung des Prozesses eintreten würde. Bei mesophiler Monovergärung von Maissilage kann B R in Höhe von 3,3 kg m -1-3 d schon als sehr hoch, aber unter optimalen Bedingungen als noch praktikabel angesehen werden. In diesem Fall ergibt sich eine dreimal höhere Verweilzeit von 90 Tagen gegenüber der Güllevergärung. Von den Leistungsparametern einer Biogasanlage (Abb. 3.2) ist für den Landwirt vor allem die Biogasausbeute y von Interesse. Sie ist ein substratspezifischer Wert und gibt an, welche Menge Biogas je kg zugeführter otm gebildet wurde. Die Biogasausbeute sollte jedoch immer in Verbindung mit der Gärtemperatur und der Belastung des Biogasreaktors betrachtet werden. Niedrigere Tem- Abb. 3.3: Beziehung zwischen Raumbelastung, Verweilzeit und Substratkonzentration

20 18 peraturen und höhere Belastungen haben in der Regel auch geringere Biogasausbeuten zur Folge (Abb. 3.4). Ab einer kritischen Raumbelastung B R,k beginnt die Übersäuerung und damit die Überlastung des Prozesses. Als unmittelbare Folge fällt die Biogasausbeute so stark ab, bis kaum noch eine Gasproduktion zu verzeichnen ist. Die Biogasbildungsrate r als Produkt aus y und B R in m 3 Biogas pro m 3 Reaktorvolumen und Tag nimmt mit steigender Raumbelastung bis B R,k stetig zu und fällt im Bereich der Überlastung ebenso wie die Biogasausbeute stark ab. Der Optimalbereich der Biogasproduktion liegt also bei einer Raumbelastung, die möglichst hoch ist, aber noch unterhalb von B R,k anzutreffen ist. Lage und Breite dieses Optimalbereichs sind von zahlreichen biologischen, chemischen und physikalischen Faktoren abhängig. Daher ist keine pauschale substratspezifische Festlegung möglich. Bezogen auf t m nimmt die Biogasausbeute mit steigender Verweilzeit stetig zu, während die Biogasbildungsrate ein Maximum durchläuft. Dieses Maximum liegt bei der kritischen Verweilzeit t m,k, die in jedem Fall überschritten werden sollte. Da diese Beziehungen für alle fließfähigen Substrate gelten, wurde auf die Angabe von Werten für y und r auf den Achsen verzichtet (Abb. 3.4). Zur mathematischen Beschreibung der von Mikroorganismen ausgehenden Stoffwechselaktivitäten lassen sich grundsätzlich die aus der Bioprozesstechnik bekannten Beziehungen anwenden (Moser, 1981). Dazu müssen die am Stoffwechsel beteiligten Substrate und Mikroorganismen jedoch bekannt sein. Für ein komplex zusammengesetztes Medium, wie z.b. Gülle und pflanzliche Biomasse, mit einer kaum überschaubaren Anzahl von Substraten, Bakterien und Stoffwechselprodukten erscheint es nahezu aussichtslos, diese Beziehungen anzuwenden. Bei der Bemessung von Biogasanlagen ist man deshalb gezwungen, Summenparameter zu verwenden, die mit hinreichender Genauigkeit den Prozess beschreiben. Unter der Annahme, dass der mikrobielle Substratabbau nach einer Reaktion erster Ordnung erfolgt, lässt sich y in Abhängigkeit von B R für den Bereich bis B R,k mit hoher Genauigkeit über Gl. 3.8 beschreiben. Diese hyperbolische Funktionsgleichung enthält als Konstanten die maximal mögliche Biogasausbeute y max sowie einen weiteren Parameter b, die über Kurvenanpassungen an Ergebnisse aus Langzeitversuchen ermittelt werden können. Der Wert für y max ist substratspezifisch und kann alternativ mit Hilfe eines einfachen Gärtests bestimmt werden. Der Parameter b hängt von c 0, Abb. 3.4: Allgemeine Beziehung zwischen Biogasausbeute und Biogasbildungsrate in Abhängigkeit von Raumbelastung bzw. mittlerer hydraulischer Verweilzeit in landwirtschaftlichen Biogasanlagen