Quelle: Novatech GmbH BIOGAS REGIONS. Einführung in die Biogastechnologie Biogasnutzung im Landkreis Schwäbisch Hall. Landkreis Schwäbisch Hall

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1 Quelle: Novatech GmbH BIOGAS REGIONS Einführung in die Biogastechnologie Biogasnutzung im Landkreis Schwäbisch Hall Landkreis Schwäbisch Hall

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3 Liebe Leserinnen und Leser, Sie alle wissen, dass der Klimawandel zu den größten Herausforderungen dieser Zeit gehört. Die Nutzung und Erzeugung der Energie spielt hierbei eine zentrale Rolle. Ohne Energie in ihren vielen Erscheinungsformen könnten wir nicht existieren. Energie ist das, was alles antreibt. Deshalb sind eine deutliche Steigerung der erbarer Energien die Grundlage für einen wirksamen Klimaschutz. Klimaschutz ist er geht uns alle an! Der Landkreis Schwäbisch Hall geht hier schon seit über zehn Jahren einen schutz. Der Kreistag des Landkreises Schwäbisch Hall hat sich das Ziel gesetzt, dass zukünftig 100 Prozent der kreisweit benötigten Energie aus erneuerbaren wohner bedeutet das, dass 118 Prozent des Strombedarfs privater Haushalte im Landkreis Schwäbisch Hall über regenerative Energieträger abgedeckt werden. demodernisierungsprogramm mit einem Gesamtvolumen von 30 Mio. Euro schlossen. Mit diesen Mitteln sollen in den nächsten Jahren kreiseigene Gebäude nachhaltig saniert werden. Projekten. Ich hoffe, dass Ihnen diese Informationsbroschüre die Biogastechnologie etwas hender erneuerbaren Energieträger erreichen wir unser Ziel: eine regenerative Selbstversorgung des Landkreises. Klimaschutz geht uns alle an und jeder kann seinen Beitrag dazu leisten. Viel Freude beim Lesen und Durchblättern. VORWORT Ihr Gerhard Bauer Landrat des Landkreises Schwäbisch Hall 1

4 INHALT energiezentrum Aufgaben des energiezentrums 3 Biogas Regions Informationen zum Projekt 4 Biogas Calculator 5 Klimawandel Der Treibhauseffekt 6 Biologisch Grundlagen Entstehung von Biogas 7 Organische Substrate Welche Stoffe eignen sich für die Gewinnung von Biogas 8 Aufbau einer Biogasanlage Die wichtigsten Bauteile und deren Funktion 9 Energiepolitik EU, Bund, Baden-Württemberg 11 Erneuerbare Energien Gesetz 12 Leitbild Energie Energieatlas des Landkreises Schwäbisch Hall 13 Erneuerbare Energien im Landkreis Schwäbisch Hall 14 Mikro Biogas Dezentrale Mikro-Biogaserzeugung 15 Biogasanlagen im Landkreis Schwäbisch Hall Wolpertshausen 16 Blaufelden - Emmertsbühl 17 Schwäbisch Hall - Gailenkirchen 18 2 Links Weitere Informationen rund um das Thema Biogas 19 Impressum 20

5 energiezentrum Das energiezentrum in Wolpertshausen ist eine Abteilung der Wirtschaftsförderungsgesellschaft des Landkreises Schwäbisch Hall mbh (WFG) und wurde im Württemberg und der Landkreis Schwäbisch Hall mit jährlich jeweils Euro. entwickelt werden. Landwirte Ge- Planung Energien energiezentrum gesellschaft des Landkreises Schwäbisch Hall als wichtiges Element der Regio- erschlossen werden können. Die Dienstleistungen des energiezentrums wurden gleich nach der Eröffnung rung dieser für den Landkreis wichtigen Einrichtung nachgedacht werden. Treibhausgases CO2 3

6 BIOGAS REGIONS BIOGAS REGIONS Aufgrund des Berichtes, dass die Biogas-Produktion im Vergleich zu den für 2010 festgelegten Zielsetzungen in Europa noch immer zurückliegt, wird das Projekt Biogas Regions die Entwicklung der Biogasproduktion in sieben hochmotivierten europäischen Regionen vorantreiben. Das Projekt wird durch die Europäische Kommission im Programm Intelligent Energy Europe (IEE) gefördert. wachsenden Markt für Biogasanlagen aufweisen, wird der organisierte Know- How- und Erfahrungsaustausch die weniger entwickelten Regionen schnell befähigen, Biogas-Projekte anzugehen und umzusetzen. Projektpartner: Das Projekt startete im November 2007 und endet im Oktober REGIONE ABRUZZO 4

7 Biogas Calculator Der Biogas Calculator wurde von der WFG im Zuge des Projektes Biogas Regions in sieben verschiedenen Sprachen programmiert und steht auf der Homepage des energiezentrums sowie auf den Internetseiten der Projektpartner als kostenloser Download für interessierte Planer, Berater, Landwirte etc. zur Verfügung. Hierbei handelt es sich um einen Biogasanalgen Quick-Check. In einem ersten Schritt (Abb. 2) wählt der Benutzer seine jährlich verfügbaren Substrate aus. Die Menge wird entweder in Tonnen [t] (z.b. Fettabscheiderreste, Tierblut, etc.), in Hektar [ha] (Grassilage, Raps, Mais, etc.) oder in Großvieheinheiten [GV] (Mist bzw. Gülle von: Rinder, Schweine, Schafe, etc.) eingegeben. Desweiteren müssen noch die Verweilzeit im Fermenter und der eingesetzte Motor des Blockheizkraftwerkes (BHKW: Gas- bzw. Zündstrahlmotor) ausgewählt werden. Abbildung 2 - Biogas Calculator: Eingabetool BIOGAS CALCULATOR Im zweiten Schritt (Abb. 3) werden dann vom Biogas Calculator u.a. der Behälter- berechnet. Nach Auswahl des elektrischen und thermischen Wirkungsgrades des sowie aus einer Datenbank, welche die Vergütungssätze des EEG und Anlagenpreise enthält eine Wirtschaftlichkeitsrechnung erstellt. Somit erhält der Benutzer eine grobe Einschätzung, ob sich sein Projekt lohnt oder nicht. Aufgrund der sich ändernden und unterschiedlichen Vergütungssätze sowie Anlagenpreise in den Partnerländern, können diese Angaben in einer Datenbank separat verwaltet und aktualisiert werden. 5 Abbildung 3 - Biogas Calculator: Berechnungstool

8 KLIMAWANDEL Klimawandel Der Klimawandel stellt eine der größten Bedrohungen der Erde dar. In den letzten 100 Jahren stieg die globale Durchschnittstemperatur um ca. 0,7 C an. Vieles deutet darauf hin, dass der vom Menschen verursachte anthropogene Treibhauseffekt dafür verantwortlich ist (Abb. 4). Neben dem anthropogenen Treibhauseffekt, gibt es den natürlichen Treibhauseffekt, welcher in wenigen Worten wie folgt dargestellt werden kann: Die kurzwellige Strahlung der Sonne durchdringt relativ ungehindert die Atmosphäre der langwellige Wärmestrahlung kann die Atmosphäre nur teilweise durchdringen. Der zusätzlich. Ohne diesen Effekt würde die Durchschnittstemperatur der Erde anstatt bei 15 C bei -18 C liegen. Der anthropogene Treibhauseffekt, welcher durch die Freisetzung von klimawirksamen Gasen wie CO 2, Methan, FCKWs, etc. den Anteil der Spurengase in der Atmosphäre erhöht, verstärkt diesen Prozess. Abbildung 4 - Treibhauseffekt Quelle: Eigene Darstellung 6 Folgen des durch den Menschen verursachten zusätzlichen Temperaturanstiegs sind u.a. das abschmelzen des arktischen Eises, was einen Anstieg des Meeresspiegels nach sich zieht, die Zunahme von extremen Wetterereignissen, wie Stürme, Hochwasser, Dürreperioden sowie der Rückgang von Gletschern. Ein Teil dieser Auswirkungen sind bereits unumkehrbar. Um diesen Prozess abzuwenden, muss zukünftig der Ausstoß klimawirksamer Energie, durch eine Reduktion des Energieverbrauchs und durch die Umstellung der Energieversorgung auf regenerative Quellen.

9 Entstehung von Biogas Biogas ist ein brennbares Gas, welches beim Abbau organischer Biomasse durch Bakterien unter anaeroben Bedingungen, d.h. unter Luftabschluss entsteht. Organische Stoffe wie Fette, Kohlenhydrate und Eiweißstoffe werden von verschiedenen Bakterienstämmen in niedermolekulare Bausteine zerlegt. Der Abbauprozess läuft dabei in vier Teilschritten (Abb. 5) ab. Mikroorganismen zerlegen in der ersten Phase (Hydrolyse) mit Hilfe von Enzymen die langkettigen Ausgangssubstrate (Kohlenhydrate, Eiweiß und Fette) in einfache organische Verbindungen wie Zucker, Fett- und Aminosäuren. In der zweiten Phase (Acidogenese) nehmen fermentative Mikroorganismen die Zwischenprodukte der Hydrolyse (Zucker, Fett- und Aminosäuren) auf und binden diese in ihren Stoffwechsel ein. Anschließend produzieren die Mikroorganismen einfache kurzkettige Fettsäuren (Valerian-, Butter-, Propionsäure, etc.). Des Weiteren wird in kleinen Anteilen Milchsäure, Alkohole, Wasserstoff und Kohlendioxid gebildet. Mit Hilfe von Essigsäure bildenden Bakterien werden in der vorletzten Phase (Acetogenese) die kuzkettigen Fettsäuren zusammen mit Milchsäure, Alkoholen und Glycerin in Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt. In der vierten Phase (Methanogenese) kommen Methan bildende Bakterien zum Einsatz, welche letztendlich das Biogas produzieren. BIOLOGISCHE GRUNDLAGEN Abbildung 5 - Die 4 Phasen der Biogasentstehung Quelle: Eigene Darstellung Zusammensetzung Die Zusammensetzung des Biogases schwankt innerhalb bestimmter Grenzen. Es besteht v.a. aus dem energiereichen Methan (ca % CH4) und aus Kohlendioxid (40-45% CO2). Desweiteren enthält es Spurenanteile an Wasser (H2O), Schwefelwasserstoff (H2S) und Spurengasen. Ausschlaggebend für den Brennwert des Gases ist der Methangehalt. Der Brennwert steigt dabei mit zunehmendem Methangehalt. 7

10 ORGANISCHE SUBSTRATE Substrate Das Ausgangsmaterial für die Biogasproduktion sind organische Substrate. Es gibt dabei eine Vielzahl organischer Substrate welche sich mehr oder weniger gut für die Gewinnung von Biogas eignen. In landwirtschaftlich geprägten Regionen werden oft tierische Exkremente (Gülle bzw. Festmist) von Puten, Schweinen, Rindern etc. als Grundsubstrat eingesetzt. Des Weiteren können Nachwachsende Rohstoffe (NaWaRo) zur Herstellung von Biogas verwendet werden. NaWaRo stammen aus der land- und forstwirtschaftlichen Produktion. Sie werden für weiterführende Anwendungszwecke außerhalb der Nahrungs- und Futtermittelindustrie benötigt. Zu den NaWaRo welche typischerweise in Biogasanlagen eingesetzt werden gehören u.a. Getreide, Gräser sowie Mais. Interessant ist auch der Einsatz von außerlandwirtschaftlich anfallenden Substraten. Sie stehen im Gegensatz zu den NaWaRo in keiner Konkurrenz zu einer anderen Branche. Außerlandwirtschaftlich anfallende Substrate sind zum Beispiel Rückstände aus der Lebensmittelindustrie wie Trester, Schlempe oder Fettabscheiderrückstände. Weiter können Schlachtabfälle, Gemüseabfälle von Großmärkten und Bioabfälle (braune Tonne) eingesetzt werden. Durch die Verwertung bzw. Kofermentation dieser Stoffe in einer Biogasanlage werden zum einen die Stoffkreisläufe geschlossen zum anderen können aber auch Schadstoffe durch das Ausbringen der vergärten Substrate auf die landwirtschaftlichen Flächen gelangen. Hierbei gilt es strengstens die Vorschriften der Düngemittel-, Dünge- und Bioabfallverordnung sowie der EU-Hygieneverordnung einzuhalten. Abbildung 6 zeigt den Biogasertrag in Kubikmeter je Tonne Frischmasse [m³/(t FM)] einiger NaWaRo sowie unterschiedlicher tierischer Exkremente. Abbildung 6 - Biogasertrag [m³/(t FM)] Quelle: Biogas Calculator 8

11 Verfahren der Biogasproduktion Biogas kann mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden. Einen kleinen Überblick der typischen Verfahren gibt Tabelle 1. Trockensubstanzgehalt der Substrate Prozesstemperatur Die meisten landwirtschaftlichen Biogasanlagen nutzen das Verfahren der Nassfermentation und werden im mesophilen Temperaturbereich betrieben. Das Substrat wird hierbei kontinuierlich dem Fermenter zugeführt und abgeleitet. Diskontinuierliche Anlagen werden beschickt und anschließend verschlossen. Nach der Ausgasung (ca. vier Wochen) wird der Behälter vollständig geleert und mit neuem Substrat beschickt. Im Folgenden wird der Aufbau einer kontinuierlich beschickten Anlage (Abb. 7) kurz beschrieben. Fahrsilo, Vorgrube Nassvergärung (< 15%) Trockenvergärung (> 15%) psychrophil (unter 20 C) mesophil (ca C) thermophil (ca C) diskontinuierlich Art der Beschickung kontinuierlich Tabelle 1 - unterschiedliche Verfahren der Biogasproduktion zu silieren. Hierzu werden sie mit Biomasse beschickt, welche gleichmäßig verteilt und anschließend verdichtet und luftdicht abgedeckt wird. In der Vorgrube werden Kosubstrate sowie Gülle zwischengelagert um mögliche Schwankungen beim Substratanfall auszugleichen. Des Weiteren müssen diese Ausgangsstoffe aufbereitet, d.h. zerkleinert, verdünnt und gemischt werden. AUFBAU EINER BIOGASANLAGE Abbildung 7 - Aufbau einer Biogasanlage Quelle: Eigene Darstellung Fermenter Der Fermenter bildet das Kernstück der Biogasanlage. In der in Abbildung 7 dargestellten Anlage wird der Fermenter kontinuierlich über die Vorgrube mit dem Gärsubstrat beschickt. Bei der Bauform des Fermenters gibt es unterschiedliche Typen. 9

12 AUFBAU EINER BIOGASANLAGE 10 Er kann dabei aus Stahl bzw. Beton, rechteckig oder zylindrisch sowie liegend oder stehend gefertigt werden. Ausschlaggebend für die im Fermenter werke für die Homogenität des Substrates, um eine möglichst hohe Ausbeute zesstemperatur. Wie oben beschrieben werden die meisten Biogasanlagen in der Landwirtschaft im mesophilen Temperaturbereich (Tab. 1) betrieben. Die benötigte Heizleistung liefert dabei das Biogas Blockheizkraftwerk (BHKW). Endlager Die ausgefaulten Substrate des Fermenters gelangen über ein Fördersystem in das Endlager. Dieses sollte wie der Fermenter mit einer Abdeckung versehen werden. Durch die Abdeckung kann zum einen das Biogas welches bei der Nachgärung entsteht genutzt werden. Des Weiteren vermindern sich die Emissionen und Gerüche. Werden seuchenhygienische Kosubstrate wie Bioabfall, Schlachtabfälle, Speiseabfälle, etc. eingesetzt, ist u.a. eine Hygienisierungseinrichtung erfor lich. In ihr werden die Substrate mind. 60 Minuten auf 70 C erhitzt um gesundheitsgefährdende Stoffe in den Substraten abzutöten. Die Gärreste dung ausgebracht werden. Gasspeicher / Gasreinigung cher zwischengelagert. Bei stehenden Fermentern mit Tragluftdach hat sich ein integrierter Folienspeicher durchgesetzt. Da während der Biogasproduktion auch korrosionsfördernde Stoffe wie Schwefelwasserstoff und Wasserdampf entstehen, muss das Biogas gereinigt werden, bevor es dem BHKW zugeführt wird. Eine Möglichkeit der Gasreinigung ist die biologische Ausfällung des Schwefels durch Schwefelbakterien. Hierbei wird Luft in den Gasraum des Fermenters bzw. des Endlagers eingeblasen. Da die Biogasproduktion unter anaeroben Bedingungen gehaltes im Biogas. BHKW verstromt. Der Strom wird in den meisten Fällen in ein Stromnetz eingespeist. Die bei der Verbrennung des Biogases freiwerdende Wärme wird genutzt um das Wohnhaus, die Stallungen und den Fermenter zu versorgen. Da hierzu nur ein geringer Teil der vom BHKW gelieferten Wärme benötigt wird, bietet es sich an, die restliche Wärme über ein Nahwärmenetz an den Verbraucher zu bringen. nisierung) des Biogases auf Erdgasqualität mit anschließender Einspeisung des Gases in das Erdgasnetz an. Des Weiteren kann das Biogas ohne Methanisierung in ein reines Biogasnetz eingespeist werden, an dessen Ende ein BHKW steht welches ein Nahwärmenetz versorgt. In beiden Fällen steht nur noch ein kleines BHKW am Hof, welches die Wärme für die Landwirtschaftlichen Gebäude und den Fermenter liefert.