Gas aus Gülle: So funktioniert s

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1 Energie Gas aus Gülle: So funktioniert s Die Bundesregierung will die Güllevergärung in Biogasanlagen künftig stärker fördern. Schon heute gibt es vielversprechende Konzepte dazu. Wir haben Praktiker nach ihren Erfahrungen befragt. Philip Kleizen setzt in seiner Anlage mit 50 kw ausschließlich Rindergülle ein. Gülle hat ein enormes Potenzial: Würde der gesamte in Deutschland anfallende Wirtschaftsdünger von rund 200 Mio. t in Biogasanlagen vergoren, ließen sich damit über 8000 Hof- Biogasanlagen mit einer Leistung von 75 Kilowatt (kw) betreiben. Der damit erzeugte Strom könnte wiederum 1,7 Mio. Haushalte versorgen. Doch heute fließen erst 20 % des braunen Goldes aus der Landwirtschaft in die Biogaserzeugung. Denn Gülle ist relativ energiearm. So lässt sich aus einer Tonne Mais fast siebenmal so viel Strom erzeugen wie aus der gleichen Menge Gülle. Auch der im Jahr 2009 eingeführte Güllebonus im Erneuerbare-Energien- Gesetz (EEG) brachte der Güllevergärung keinen großen Auftrieb. Die Regelung hat zwar das Interesse an Gülle erhöht. Dennoch hatten die Betreiber wenig Anreiz, mehr als die für den Bonus geforderten 30 % Gülle einzusetzen (siehe top agrar 7/2011, Seite 22). Die Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen war lukrativer. Künftig könnte sich das ändern. Die Bundesregierung will mit dem ab 2012 geltenden EEG die Güllevergärung in kleineren Anlagen bis 75 kw stärker fördern. Dafür muss der Betreiber mindestens 80 % Gülle einsetzen (siehe Kasten unten). Der Einsatz von Gülle hat jedoch seine Besonderheiten. Das zeigen unsere Beispiele aus ganz Deutschland. Dirk Westrup aus Bissendorf bei Osnabrück (Niedersachsen) beispielsweise betreibt eine Anlage mit 190 kw. In dieser setzt er zu fast 90 % Gülle seiner 520 Kühe ein. Lediglich 10 % des Inputs besteht aus Mais, Futterresten, Mist und Grünroggen. Wir bauen nur 5 ha für die Anlage an, betont der Biogaserzeuger stolz. Allerdings musste der Landwirt für seine Fermenter 500 m 3 Volumen mehr einplanen, als bei Anlagen in derselben Leistungsklasse, die überwiegend Ener- So wird die Güllevergärung ab 2012 gefördert Nach dem neuen EEG erhalten Betreiber von neuen Anlagen ab 2012 eine Vergütung von 25 Cent je kwh, wenn sie 80 % Gülle in Anlagen bis maximal 75 kw einsetzen. Zu dieser neuen Anlagenklasse hat der Gesetzgeber Folgendes festgelegt: Die 80 % Gülle müssen im Durchschnitt des Jahres vorliegen. Nicht als Gülle zählen Geflügelmist und -trockenkot, Pferde- und Schafmist. Die Stromerzeugung muss am Anlagenstandort stattfinden, es sind keine Satelliten-BHKW erlaubt. 75 kw gelten als Höchstgrenze, die Anlage darf nicht größer sein. Darüber hinaus gibt es weitere indirekte Anreize für die Güllevergärung: giepflanzen vergären (Mehrkosten: ). Denn Gülle ist sehr energiearm. Während zur Produktion von einer Kilowattstunde Strom aus Mais nur 2,5 kg nötig sind, benötigt man für die gleiche Strommenge 16 m 3 Rindergülle. Frische Gülle für mehr Gas Einfluss auf den Energiegehalt hat allerdings auch das Alter der Gülle. So kommt Philip Kleizen aus Twente (Niederlande) bei seiner 50 kw-anlage mit lediglich 120 m 3 Fermenterraum aus. Grund: Die Gülle der rund 600 Mastkälber wird per Schieber mehrmals täglich in eine geschlossene Sammelgrube und von dort einmal stündlich in den Fermenter gepumpt. Somit gelangt immer frisches Substrat in den Fermenter, das energiereicher ist, als abgestandenes. Dass die Gasausbeute frischer Gülle Bei einem Gülleanteil von 60 % entfällt die Pflicht für ein Wärmenutzungskonzept. Bei allen anderen Anlagen ist eine Nutzung von mindestens 60 % der Abwärme ab dem zweiten Jahr vorgeschrieben. Wer ausschließlich Gülle einsetzt, benötigt kein gasdichtes Gärrestlager. Wichtig dabei: Als Gülle zählt hierzu nur flüssiger Wirtschaftsdünger mit maximal 15 % TS, der Futterreste enthalten darf. Grund ist, dass die Gülle bei dieser Regelung nach dem Düngegesetz definiert ist. Daher zählt Mist nicht dazu! Wer Mist und nachwachsende Rohstoffe einsetzen will, muss das Gärrestlager abdecken, um eine hydraulische Verweilzeit von 150 Tagen sicherzustellen. 110 top agrar 10/2011

2 Rindergülle hat einen besonders hohen Trockensubstanz-Gehalt und liefert relativ viel Biogas. Daher sind güllebasierte Anlagen besonders für Rinderhalter interessant. höher ist, macht eine Untersuchung der LUFA in Oldenburg deutlich. Demnach liegt der Ertrag der Gülle aus Kleizens Stall mit einem TS-Gehalt von 11,5 % bei 54 m 3 Biogas pro Tonne und fällt damit fast doppelt so hoch aus als der übliche Kalkulationswert (Übersicht 1). Doch auch wenn der Einsatz frischer Gülle wünschenswert ist: Nicht immer gehen das Aufstallungssystem und die Biogasanlage Hand in Hand. So muss z. B. bei der Johne-Lorenz-GbR aus Volkersdorf bei Dresden (Sachsen) die Gülle rund 20 Tage im Milchviehstall verbleiben. Wir brauchen einen Teil der Gülle zum Spülen der Güllekanäle, daher können wir nicht alles sofort in die Biogasanlage pumpen, sagt Betriebsleiter Frank Lorenz. Trotzdem vergärt er die Gülle von 200 Kühen komplett in der Biogasanlage mit 150 kw, der Gülleanteil liegt bei 75 bis 80 %. Die Gasausbeute hängt aber nicht nur von dem Alter der Gülle ab, sondern Bei der Anlage von Kleizen lagert der Gärrest in einem gasdichten Güllelagersack (vorne links). Frank Lorenz lässt die Eingangsstoffe in einer Hydrolyse (rechts) vorversäuern, bevor sie in den Fermenter kommen. top agrar 10/

3 Energie Übersicht 1: Gasausbeuten von Wirtschaftsdünger und Mais Gülleart Trockenmasse (% FM) Biogasertrag (Nm 3 /t FM) Stromausbeute in kwh/t FM 1) Gülle-/Mist pro Tierplatz und Jahr (t) Nötige Tierplätze für 75 kw bei 80 % Gülle/20 % Mais Sauengülle 4, Mastschweinegülle , Rindergülle Rindermist Silomais ) Bei 38 % Wirkungsgrad im BHKW Quelle: KTBL, IBS GmbH, eigene Berechnungen Im Vergleich mit Rindergülle lässt sich aus Mais die siebenfache Gasmenge erzeugen. Dirk Westrup vergärt fast die ganze Gülle seiner 520 Kühe in einer 190-kW-Anlage. auch von der Tierart. So lässt sich aus Rindergülle doppelt so viel Gas erzeugen wie aus der dünnen Sauengülle (Übersicht 1). Hinzu kommen noch andere Einflüsse. Gülle kann z. B. durch Waschwasser erheblich verdünnt werden, hat Fütterungsberater Lars Stahmer von der Biogasberatung IBS aus Bremen festgestellt. Bruno German aus Hoßkirch (Baden- Württemberg) kennt diese Problematik. Er betreibt eine Biogasanlage in einem mobilen Container mit 75 kw. Für diese Anlagenleistung reicht der Energieinhalt der Gülle von 210 Kühen nicht ganz aus: Er ergänzt die Ration deshalb täglich um rund eine Tonne Mais oder Gras. Auch Frank Lorenz füttert zu den 16 m 3 Gülle täglich noch 3,5 t Maissilage und 250 kg Triticale-Schrot. Die Rohstoffe gelangen über ein Förderband zunächst in einen vorgeschalteten Hydrolysebehälter mit 80 m 3 Volumen. Nach zwei Tagen Vorversäuerung werden sie von dort in den Fermenter gepumpt. Eine weitere Besonderheit bei der Güllevergärung: Die Verweilzeit des Substrates ist sehr viel geringer als bei herkömmlichen Anlagen (bis zu 120 Tage). In Germans Anlage bleibt das Sub strat dagegen nur acht Tage bei einer Temperatur von 50 C. Dann ist es weitestgehend ausgegast. Ungewöhnlich ist auch die enorme Raumbelastung in Germans Anlage. Mit bis zu zehn Kilogramm organischer Trockensubstanz je Kubikmeter Fermentervolumen und Tag liegt diese deutlich über denen für Anlagen, die nachwachsende Rohstoffe einsetzen. Trotz der hohen Mengen, die die Bakterien im Fermenter täglich abbauen müssen, haben unsere Praktiker bislang damit keine Probleme. Rinder- wie auch Schweinegülle lässt sich sehr gut vergären, da sie Säuren beim Abbau der organischen Substanz gut abpuffern kann. Hohe Raumbelastungen sind daher kein Problem, sagt German. Störstoffe müssen raus Bei der Güllevergärung muss auch an eine Störstoffabscheidung gedacht werden. Westrup hat dafür eine Schneid- Pumpe vor der Hauptförderpumpe eingebaut, über die typische Fremdstoffe wie Halsbänder, Klauenklötze oder Steine abgetrennt werden. Auf diese Weise wird die Pumpe nicht beschädigt. Auf keinen Fall kann auch bei Gülleanlagen auf eine leistungsfähige Rührtechnik verzichtet werden. Kleizen homogenisiert zum Beispiel stündlich mit einem zentralen Rührwerk die Gülle in seinem Hochbehälter. In dem liegenden Behälter von German dagegen rührt ein Paddelrührwerk kontinuierlich aufschwimmende Gras- oder Maisbestandteile unter. Ganz ohne ein mechanisches Rührwerk kommt dagegen die Anlage von Frank Lorenz aus: Das Substrat wird mit Biogas umgewälzt, das von unten über Im Winter ist Gülle oftmals zu kalt für die Biogasanlage. Viele Betreiber wärmen sie daher in einem Durchlauferhitzer vorher auf. Bei der Anlage Lorenz wird Luft durch die hier gezeigten Leitungen in den Fermenter geblasen, um das Substrat zu rühren. 112 top agrar 10/2011

4 Bruno German setzt auf eine Verweilzeit von ca. acht Tagen. Der hohe, schlanke Fermenter ist typisch für die Kleinanlagen von 4Biogas. am Boden liegende, perforierte Rohrleitungen eingeblasen wird. Ein außen liegender Verdichter sorgt dabei für einen Gasdruck von 0,6 bar. Um Strom zu sparen, wird der Fermenter nicht immer komplett durchgemischt, sondern Gas in drei Zonen im Fermenter abwechselnd und intervallgesteuert eingeblasen. Der Vorteil dieses Systems: Es ist verschleißärmer als herkömmliche Rührwerke. Gülle erst aufwärmen Als Nachteil der Güllevergärung sehen viele Skeptiker den hohen Wasseranteil, der viel Energie zur Erwärmung benötigt. Die von uns befragten Landwirte bestätigen das: Bei Westrup werden im Winter rund 60 Prozent der im Blockheizkraftwerk (BHKW) erzeugten Wärme für das Aufheizen von Fermenter und Nachgärer benötigt. Bei -10 C muss auch schon mal die alte Ölheizung aushelfen, um auch das Wohnhaus ausreichend mit Wärme zu versorgen, erläutert er. Aus dem Grund pumpt Westrup im Winter an sehr kalten Tagen maximal 45 m 3 Gülle in den Fermenter, während es im Sommer bis zu 55 m 3 Gülle pro Tag sein können. Für mehr reicht die Wärme aus dem Blockheizkraftwerk im Winter nicht, um die kalte Gülle aufzu- Neue Kleinanlagen im Kommen Auch kleinere Betriebe ab 30 Milchkühen sollen künftig wirtschaftlich Biogas aus Gülle erzeugen können. Dafür hat Schmack Biogas das Anlagenkonzept Eucolino entwickelt. Die Biogasanlage ist in einem containerähnlichen Gebäude untergebracht, das auf einem LKW transportiert werden kann. Der Container hat eine Breite von 3,50 m. Im Technikraum sind BHKW, Pumpen und die Steuerung untergebracht. Der Raum ist 5 m lang. Dahinter befindet sich in einem 10 m langen Container der Fermenter. Er wird von einem langsam drehenden, horizontalen Paddelrührwerk durchmischt. Der Betreiber soll unterschiedliche Substratkombinationen von 0 bis 100 % Gülle vergären können. Je nach Menge und Gasoutput der Einsatzstoffe stehen vier verschiedene Blockheizkraftwerke von 18 bis 75 kw elektrischer Leistung mit drei Fermentergrößen (97, 150 und 247 m 3 ) zur Verfügung. Eine der ersten Anlagen dieser Bauart wird demnächst auf dem Lehr- und Versuchsbetrieb Eichhof (Hessen) installiert (www. schmack-biogas.de). Ebenfalls Kleinanlagen von 50 bis 190 kw bietet der Hersteller 4Biogas seit 2001 an. Bis Mitte des Jahres waren diese Anlagen unter dem Namen Bebra Biogas auf dem Markt. Zentrales Element des Anlagentyps Nova Plus ist ein zylindrischer Hochbehälter, in dem mehr als 80 % Wirtschaftsdünger vergoren werden können. Mit einem neu entwickelten System Selecta sollen die Methanbakterien in dem Fermenter aufkonzentriert werden. Der Fermenter hat ein Volumen von 115 bis 150 m 3. In diesen integriert ist eine kontinuierlich beschickte Hydrolysestufe, in dem die Rohstoffe vorversäuert werden ( top agrar 10/

5 Energie Der Fermenter der Mini-Anlage Eucolino von Schmack. Fotos: 4Biogas, Binowa, Einhoff,(4), Host, Neumann (4) Der Blick in den Fermenter gehört für German zu den täglichen Routinearbeiten. Mehr Infos! Wie viel Arbeitszeit Sie für eine Gülleanlage einplanen müssen, was Anlagen derzeit kosten und wie viel Sie maximal ausgeben sollten, lesen Sie im nächsten EnergieMagazin. Es liegt der kommenden top agrar-ausgabe bei (11/2011). Übersicht 2: Die Anlagenkonzepte im Überblick Kleizen German Johne-Lorenz GbR Westrup In Betrieb seit El. Leistung 50 kw 75 kw 150 kw 190 kw Hersteller/Ge neralunternehmer Host Agrikomp Binowa Bioconstruct Einsatzstoffe Rindergülle wärmen, lautet seine Erfahrung. Zudem kann im Winter die Gülle im Stall auf unter fünf Grad abkühlen, musste er erfahren. Um sie nicht derart kalt in den Fermenter zu füllen und damit die Wärme liebenden Bakterien zu stören, hat er einen externen Durchflusswärmetauscher installiert. Bei diesem Rohr-in- Rohr-System fließt im inneren Rohr die Gülle. Im äußeren dagegen befindet sich 65 Grad warmes Wasser, das mit der Abwärme aus dem BHKW erwärmt wird. Im Fermenter selber sind die Heizschlangen in den Beton eingelassen. Sie sorgen dafür, dass das Gärsubstrat immer auf eine Temperatur von 40 Grad kommt. Heute würde Westrup allerdings die Heizleistungen auf die Innenwand des Fermenters verlegen. Dann ist der Wärmeübergang auf das Substrat besser, sagt er. Landwirt Lorenz dagegen hat sich für einen Ring-in-Ring-Fermenter entschie- Rindergülle, Mais, Gras Rindergülle, Mais, Triticale Rindergülle, Mais, Mist, Futterreste Tierbestand 600 Mastkälber 210 Kühe 200 Kühe 520 Kühe Gülleanteil 100 % 94 % 80 % 90 % Fermenterbauart Fermentervolumen Besonderheiten 12 m hoher Hochbehälter 21 m langer Container Ring-in-Ring-Behälter (22 m Ø), zweistufig Rührkessel (zweistufig) 120 m m m m 3 Gülle wird frisch vergoren; kein Feststoffdosierer nötig Container ist mobil und lässt sich schnell installieren kein Rührwerk im Fermenter; stattdessen Gasumwälzsystem; vorgeschaltete Hydrolyse Durchflusswärmetauscher erwärmt Gülle extern Kosten je kw Weitere Infos www. agricomp.de den. Denn dieser ist nicht nur platzsparender, sondern hat auch einen geringeren Wärmebedarf als bei anderen Systemen. Das Ring-in-Ring-System besteht aus zwei ineinanderliegenden Behältern, wobei der innen liegende der eigentliche Hauptfermenter ist (1 100 m 3 Volumen). Außen herum liegt wie ein Ring der Nachgärer (1 000 m 3 Volumen), der gleichzeitig als Wärmedämmung für den 37 C warmen Inhalt des Hauptfermenters dient. Ein weiterer Nachteil beim Einsatz von Gülle ist der hohe Schwefelwasserstoffgehalt in der Gülle. Darum steigt auch die Schwefelwasserstoff-Konzentration im Biogas an. Da der Gasbestandteil schwefelige Säure bildet und in der Form nicht nur den Beton der Fermenter angreifen kann, sondern auch dem Motor im BHKW schadet, muss er entfernt werden. Richtig entschwefeln Eine rein biologische Entschwefelung durch Einblasen von Luft in den Fermenterraum reicht bei einem hohen Gülleanteil selten aus. Um die herkömmliche biologische Entschwefelung zu unterstützen, hat Landwirt Westrup die Rührwerke im Nachgärer so programmiert, dass sich immer eine leichte Schwimmschicht auf dem Substratspiegel bildet. Diese soll als Besiedlungsfläche für die Schwefelbakterien dienen, die den Schwefelwasserstoff zu elementarem Schwefel umbauen. Alle vier Anlagen haben zwischen bis /kw gekostet. www. bioconstruct.de 114 top agrar 10/2011

6 Zur Unterstützung gibt Westrup etwa 40 kg Eisenhydroxid pro Woche über die Dosierstation in die Anlage. Den Bedarf ermittelt er über eine stationäre Gasanalyse. Steigt der H 2 S-Gehalt über 80 ppm, gibt er Eisenhydroxid hinzu. Demnächst will er sich allerdings einen Aktivkohlefilter zulegen. Dann kann er auf die Zugabe von Eisenhydroxid verzichten. Auch Kleizen arbeitet zusätzlich zur biologischen Entschwefelung mit einem Aktivkohlefilter. Der Schwefelgehalt liegt bei frischer Gülle bei ppm, lautet die Erfahrung des Niederländers. Da die Substratzugabe jedoch konstant ist, lässt sich die Entschwefelung gut darauf einstellen. Der ausgegaste Gärrest gelangt in einen gasdichten Güllelagersack mit m 3 Volumen. Im Gärrest sind noch rund 10 % Restgas, deshalb ist eine gasdichte Abdeckung wichtig, erläutert Kleizen. Der Sack ist in einem Erdbecken untergebracht. Diese Lagerung ist nur beim Einsatz von reiner Gülle möglich, da sich dabei keine Schwimmschichten bilden und dementsprechend im Endlager nicht gerührt werden muss. Diethard Rolink, Hinrich Neumann Das Fazit der Anlagenbetreiber Die von uns befragten Landwirte haben zum Teil mehrere Jahre Erfahrung mit der Güllevergärung. Ihre Erkenntnisse haben wir hier noch einmal zusammengefasst: Je nach Tierart unterscheiden sich die Gülle- und Biogasmengen ganz erheblich. Um die Grenze von 80 % Gülle wie im EEG 2012 gefordert zu erfüllen, sind rund 190 Kühe, 700 Sauen oder 2900 Schweinemastplätze nötig (siehe Übersicht 2). Aus diesem Grund haben sich heute kleinere Anlagen mit einem Großteil Gülle vor allem auf Milchviehbetrieben etabliert. Frische Rindergülle kann über 50 m 3 Biogas je Tonne liefern und damit deutlich mehr, als in der Literatur angegeben. Die Verweilzeit des Substrates in der Biogasanlage ist sehr viel geringer als bei herkömmlichen Anlagen. Damit kann bei einem hohen Gülleanteil das Fermentervolumen reduziert werden. Viel Wert muss auf eine gründliche Entschwefelung gelegt werden, die biologische reicht selten aus. Eine Störstoffabtrennung hat sich als sinnvoll erwiesen. Die Abwärme aus dem BHKW wird im Winter fast ausschließlich für die Fermenterbeheizung benötigt. Mit kleinen, güllebasierten Anlagen lassen sich damit kaum noch weitere Gebäude beheizen. Die vorgestellten Anlagenkonzepte lassen sich für 4700 bis 5700 /kw realisieren. Damit lässt sich Gülle wirtschaftlich vergären: Nach Berechnungen der Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen dürfen Anlagen mit 75 kw und einem Gülleanteil von maximal 80 % beim Einsatz von Sauengülle und CCM nicht mehr als 5400 /kw kosten. Bei Anlagen mit Rindergülle, Mais- und Grassilage dürfen die Baukosten dagegen 6500 /kw nicht überschreiten. top agrar 10/

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