Die Biogasanlage Ist eine Biogasanlage zukunftsfähig?

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1 Dietrich-Bonnhoeffer-Gymnasium, Wiehl Facharbeit aus dem Fach Projekt-Kurs erneuerbare Energien Die Biogasanlage Ist eine Biogasanlage zukunftsfähig? Verfasser: Projekt-Kurs: Kurs-Leiter: Nadja Faulenbach Erneuerbare Energien Herr Geck Abgabetermin: Montag, 19.November.2012 Note:... Unterschrift:... Abgabe am:... Unterschrift:... Schuljahr 20012/2013

2 Erneuerbare Energien Die Biogas Anlage Inhaltsverzeichnis 1Einleitung Was sind erneuerbare Energien Entwicklung erneuerbarer Energien Sinn einer Biogasanlage...4 2Die Biogasanlage Aufbau der Biogasanlage Wie arbeitet die Biogasanlage? Wie entsteht Methangas? Phase 1: Hydrolyse (Verflüssigung) Phase 2: Acidogenese (Versäuerung) Phase 3: Acetogenese (Essigsäurebildung) Phase 4: Methanogenese (Methanbildung)...6 3Eigene Experimente und Messergebnisse Bau der eigenen Biogasanlage Eigene Messergebnisse...8 4Anwendungsmöglichkeiten einer Biogasanlage Einspeisen ins Erdgasnetz Verbrennung in einem Blockheizkraftwerk (BHKW)...9 5Zukunftsfähigkeit einer Biogasanlage Vor- und Nachteile einer Biogasanlage Vorteile: Nachteile Unterschiede/Vorteile anderer erneuerbarer Energien Zukunftschance JA oder NEIN? Fazit

3 Erneuerbare Energien Die Biogas Anlage 1 Einleitung Dieser Abschnitt befasst sich damit, was erneuerbare Energien sind, wie sie sich in den letzten Jahren entwickelt haben, welche Probleme dabei entstehen und was der Sinn einer Biogasanlage eigentlich sein sollte. Außerdem gibt es eine Einleitung in die Fragestellung, ob die Biogastechnologie zukunftsfähig ist. 1.1 Was sind erneuerbare Energien In unserer heutigen Welt, wo fossile Brennstoffe immer weniger werden und das Ende dieser schon bald in Sicht ist, wird die Bedeutung der erneuerbaren, regenerativen Energien immer wichtiger. Zwischen 1995 und 2000 stieg der Stromverbrauch aufgrund immer mehr elektrischer Geräte im Haushalt und auch im Alltag um 11 prozent an.1 Erneuerbare, regenerative Energien gewinnen daher immer mehr an Bedeutung, sie können sich selbst relativ schnell erneuern und stehen damit praktisch unerschöpflich zur Verfügung, im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen. Diese können sich nur über einen Zeitraum von Millionen Jahren regenerieren. 1.2 Entwicklung erneuerbarer Energien Erneuerbare Energien haben nicht nur den Vorteil dass sie eine höhere Energieeffizienz haben, sie sind dazu auch noch umweltfreundlicher als die Energieformen, die wir zur Zeit noch größtenteils nutzen und haben somit in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen Erneuerbare Energien, Sven Geitmann 3

4 Erneuerbare Energien Die Biogas Anlage Mit erneuerbaren Energien können wir den Klimawandel zwar nicht stoppen, aber wir können ihn verlangsamen und somit unsere Umwelt besser schützen. Die Biogastechnologie ist eine Art der erneuerbaren Energien. Ende 2000 gab es Biogasanlagen, allein im Jahre 2001 wurden 600 Anlagen neu gebaut.3 Doch es bleibt die Frage ob Biogasanlagen eine ernsthafte Zukunft haben. Viele Anlagen werden nicht mit Abfällen, sonder mit Getreide betrieben, was zusätzlich ein Problem darstellt. Wertvolle Lebensmittel werden dazu verwendet um Energie herzustellen, obwohl es viele Menschen gibt, die nicht genug zu Essen haben. Dieses Ökologische Problem sorgt für Streit, ob es sinnvoll und vertretbar ist Lebensmittel in Energie zu verwandeln. Die drastisch steigenden Getreidepreise, durch die aktuelle Dürre in den USA, könnten zum Ende des Biogasanlagen-Aufschwungs führen, denn wenn die Preise weiter steigen, wird es bald nicht mehr wirtschaftlich sein die Anlagen zu betreiben Sinn einer Biogasanlage Der Sinn einer Biogasanlage ist es, aus biologischem/organischem Material Methangas zu gewinnen, welches schließlich zur Weiterverarbeitung genutzt wird um Energie und Wärme zu erhalten. Die Biogasanlage kann mit sämtlichen Produkten aus der Biotonne betrieben werden. Dahinter steckt also, aus nutzlosem Müll, wertvolle Energie zu gewinnen. In den letzten Jahren hat dies allerdings eine Wende genommen. Es werden nicht nur Abfälle verwendet um Biogas herzustellen, es wird Getreide aus verschiedenen anderen Ländern angeliefert um damit die Anlagen zu befüllen und somit an Biogas zu gelangen. Damit verliert die Biogasanlage ihre ursprüngliche Funktion, aus nutzlosem Biomüll, wertvolle Energie zu schaffen. Dieses Problem wird heiß diskutiert, ob es moralisch vertretbar ist Lebensmittel zu benutzen um Methangas zu gewinnen und auch dies könnte dazu führen, dass der Aufschwung der Biogasanlagen abnimmt und man somit nicht weiß, ob die Zukunftsfähigkeit der Biogastechnologie gesichert ist

5 Erneuerbare Energien Die Biogas Anlage 2 Die Biogasanlage Dieser Teil beschreibt wie eine Biogasanlage arbeitet, wie der Aufbau einer Biogasanlage ist und wie schließlich das Methangas entsteht. 2.1 Aufbau der Biogasanlage Eine Biogasanlage besteht aus einer Vorgrube, zwei Fermentern, einem Gärrestlager, einem Biogasspeicher und einem Blockheizkraftwerk. Im folgenden wird erklärt, welche Funktion die verschiedenen Bereiche haben Wie arbeitet die Biogasanlage?6 In Biogasanlagen wird mittels einer kontrolliert ablaufenden Vergärung von Biomasse ein Gas produziert, das aufgrund des hohen Anteils an Methangas zur Herstellung von elektrischer oder thermischer Energie verwendet werden kann. Die Produkte die zur Vergärung benutzt werden sind meist Gülle, Bioabfälle und agroindustrielle Abfälle, d.h. Abfälle aus weiter verarbeitenden landwirtschaftlichen Erzeugnissen. Aus einem Vorratsbehälter werden die Abfälle über ein Förderband direkt in den Gärbehälter, oder auch Fermenter genannt, befördert. Sie sind Luftdicht verschlossen und werden ständig auf C beheizt, um die Methangas Produktion zu beschleunigen. Die enthaltenen Abfälle werden kontinuierlich vermischt um die Bildung von Sinkschichten zu verhindern. Im ersten Fermenter verweilen die Abfälle circa 30 Tage, bis sie schließlich zum Ausgasen in den zweiten Fermenter gelangen. Die dünnflüssigen Reste werden nach der Vergärung in Betonbehälter gepumpt, wo sie darauf warten, auf landwirtschaftlichen Flächen als Dünger

6 Erneuerbare Energien Die Biogas Anlage ausgebracht zu werden oder zu Blumenerde oder ähnlichen Dingen weiter verarbeitet zu werden. Innerhalb weniger Tage entsteht das gewünschte Biogas im ersten Fermenter. Durch die kontinuierliche Vermischung der Abfälle kann das Gas aufsteigen. Das entwässerte Biogas wird in einer biologischen Entschwefelungsanlage vom Schwefelwasserstoff getrennt.in einem Verdichter wird das übrige Biogas zur späteren Weiterverarbeitung auf 70 mbar verdichtet. Das Biogas wird einer Waschtrocknung unterzogen, um das Biogas von Schwebstoffen und Selikaten zu befreien. Das Methangas kann schließlich in einem Verbrennungsmotor (Blockheizkraftwerk) verbrannt werden und somit Strom erzeugen. Die Abwärme die dabei entsteht kann genutzt werden um die Fermenter zu beheizen. In den ganzen Prozess der Herstellung muss somit keine Energie eingespeist werden. Ganz im Gegenteil, es entsteht so viel Methangas, dass man mit einer Biogasanlage die Tonnen Bioabfall im Jahr verarbeitet, die Anlage und zusätzlich circa 1000 Haushalte 1 Jahr lang versorgen kann. 2.3 Wie entsteht Methangas?7 Methangas entsteht in vier verschiedenen Phasen. Mikroorganismen setzten mit Hilfe verschiedener Bakterien die enthaltenen Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette in die Hauptbestandteile Methan und Kohlenstoffdioxid um. In den folgenden Absätzen werden diese vier Phasen voneinander abgegrenzt und erklärt Phase 1: Hydrolyse (Verflüssigung) In der ersten Phase werden Proteine, Kohlenhydrate und Fette durch mikrobielle Exoenzyme zu monomeren Stoffen, dass heißt Aminosäuren, Zucker und Fettsäuren, zerlegt. Diese Enzyme werden von obligat anaeroben Bakterien produziert und an deren Außenseite angelagert Phase 2: Acidogenese (Versäuerung) Die entstandenen monomeren Stoffe werden ins Zellinnere der acidogenen Bakterien transportiert, wo sie zu organischen Säuren, niederen Alkoholen und anderen Stoffen abgebaut. 7 Wikipedia Wie entsteht Methangas? 6

7 Erneuerbare Energien Die Biogas Anlage Phase 3: Acetogenese (Essigsäurebildung) In dieser Phase werden die zuletzt gebildeten Fettsäuren sowie die Alkohole von acetogenen Bakterien zu Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff umgesetzt. Diese Bakterien können nur mit wasserstoffverbrauchenden Bakterien leben, den methanogenen Bakterien, die in Phase 4 benötigt werden Phase 4: Methanogenese (Methanbildung) Man unterscheidet bei den Stoffwechselwegen zwischen acetoklastischen und hydrogenotrophen Bakterien. Die acetoklastischen setzen Essigsäure zu Methan um, die hydrogenotrophen wandeln Wasserstoff und CO2 zu Methan um. 3 Eigene Experimente und Messergebnisse Thema drei meiner Facharbeit zum Thema Biogasanlagen beschäftigt sich damit, wie wir in der Schule selbst eine Biogasanlage gebaut haben. Außerdem liefert es Ergebnisse die bei den Versuchen damit heraus gekommen sind. 3.1 Bau der eigenen Biogasanlage In der Schule haben wir eigene Experimente zum Thema Biogasanlage durchgeführt. Dazu haben wir eine eigene Biogasanlage gebaut. Wir haben die Anlage vereinfacht, denn der Bau einer professionellen Biogasanlage wäre in der Schule nicht Möglich gewesen. Als Heizung haben wir eine große Tonne mit Wasser befüllt und an dem Rand der Tonne eine Aquarium7

8 Erneuerbare Energien Die Biogas Anlage Heizung befestigt, die das Wasser innerhalb der Tonne beheizt. Dies fungiert also als Heizung wie in einer richtigen Biogasanlage. In das warme Wasser haben nun eine kleiner Tonne, die mit Speiseresten und Zuckerrübenschnitzeln befüllt wurde, gestellt. Das Innere der Tonne wurde nun durch das außen liegende Wasser erhitzt und wurde so auf eine höhere Temperatur gebracht um besser gären zu können. Von der inneren Tonne führt ein Schlauch nach außen, wo man schließlich das heraus strömende Gas auffangen kann. Das Gas kann nun auf Brennbarkeit und Methangehalt geprüft werden. Der Grund dafür, dass wir die innere Tonne mit Speiseresten und Zuckerrübenschnitzeln befüllt haben ist der, dass verschiedene Biomassen unterschiedlichen Gehalt an Methan aufweisen wenn sie vergärt werden. Zuckerrübenschnitzel weisen dabei den meisten Methangehalt auf. Zur Verdeutlichung der verschiedenen Methangehalte8: Material Biogasertrag in m³ pro Tonne Methangehalt Zuckerrübenschnitzel 67 72,00% Getreideschlempe 40 61,00% Bioabfall ,00% Maissilage ,00% Rindergülle 25 60,00% 3.2 Eigene Messergebnisse Für eigene Messergebnisse haben wir unser Model einer Biogasanlage in Betrieb genommen.wie in 3.1 schon beschrieben, haben wir die kleine Tonne mit Zuckerrübenschnitzeln und Speisereste befüllt. Es Dauert eine Zeit bis sich Gas entwickelt deswegen haben wir das Model zunächst zwei Wochen gären lassen. Nach zwei Wochen haben wir das Gas durch einen Schlauch geleitet durch ein Wasserbad in ein Reagenzglas blubbern lassen. Das aufgefangene Gas haben wir versucht anzuzünden, wobei allerdings keine Reaktion zu erkennen war. Das bedeutet also das (noch) kein brennendes Gas im Reagenzglas enthalten war, wobei man allerdings eine deutliche Geruchsbildung feststellen konnte, was ein Zeichen des Gärens ist. Das kein Methangas festzustellen war kann daran liegen, dass das System des Gas auffangen noch nicht perfekt ist, oder dass die Zuckerrübenschnitzel und die Speisereste noch nicht lang genug gegärt sind, sodass sich noch kein Methan bilden konnte. 8 Wikipedia Biogas 8

9 Erneuerbare Energien Die Biogas Anlage Das Modell hat noch Verbesserungen hinsichtlich des Gasauffangbehälters nötigt, was wir in den folgenden Wochen noch verbessern wollen, um schließlich auch Methan auffangen und nachweisen zu können. Das aufgefangene Gas wollen wir schließlich in einen GasChromatograph analysieren um fest zu stellen wie viel Methangehalt unser Gas aufweist. 4 Anwendungsmöglichkeiten einer Biogasanlage9 Hier geht es darum, welche verschiedenen Möglichkeiten es gibt, eine Biogasanlage und die dabei entstehenden Produkte zu nutzen. 4.1 Einspeisen ins Erdgasnetz Es gibt zwei Möglichkeiten um das bei einer Biogasanlage entstehende Biogas zu nutzen. Eine Möglich ist es, das einspeisen des gewonnenen Biogases in das Erdgasnetz. Um das Biogas ins Erdgasnetz einspeisen zu dürfen muss es allerdings sehr rein sein. Diese Reinheit muss mindestens 96% betragen. Das Biogas muss also gereinigt werden, da es außerdem nur einen Sauerstoffanteil von 0,5% aufweisen darf und einen Spurengasanteil von 5% nicht überschreiten darf. Es muss zudem verdichtet und zur Entnahmestelle Geleitet werden. All diese Verfahren sind sehr kostenintensiv, weswegen diese Möglichkeit auch nur selten benutzt wird. 4.2 Verbrennung in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) Bei dieser Möglichkeit wird das Gas in einem umfunktionierten Otto- oder Zündstrahlmotor verbrannt, welcher an einen Generator angeschlossen ist, der Strom erzeugt. Die Abwärme die dabei entsteht, wird wie auch oben schon erklärt, zum heizen von Wasser,zum Beispiel im Fermenter, verwendet. Der beim verbrennen des Gases entstehende Strom kann ins Stromnetz eingespeist werden, der vom Abnehmer bezahlt werden muss, oder für den eigenen Haushalt verwendet werden. 5 Zukunftsfähigkeit einer Biogasanlage Um nun auf die Fragestellung zurück zu kommen, ob eine Biogasanlage eine reelle Zukunftschance hat müssen wir nicht nun die Biogasanlage mit ihren Vor- und Nachteilen betrachten auch andere erneuerbare Energien und ihre Effizienz. Biogas kann noch so 9 de.scibd.com 9

10 Erneuerbare Energien Die Biogas Anlage umweltfreundlich und sinnvoll sein, aber wenn es wirtschaftlich einfach nicht mehr vertretbar ist eine Biogasanlage zu betreiben, weil andere regenerative Energien effizienter und billiger sind, werden sie die Biogasanlage überholen. Um ein wirkliches Urteil darüber abgeben zu können, müssen wir zunächst die Vor- und Nachteile einer Biogasanlage und den Unterschied zu anderen erneuerbaren Energien betrachten. 5.1 Vor- und Nachteile einer Biogasanlage Vorteile: Eine Biogasanlage liefert Gas/Strom aus nutzlosem Biomüll Das Methangas was entstehen würde bei der Verrottung auf Kompostern von Biomüll wird aufgefangen dadurch wird das Klima geschützt, da Methan 22-mal so schädlich ist wie Kohlendioxid Kohlendioxid neutrale Energieerzeugung Es werden weniger fossile Brennstoffe genötigt Nachteile Biogasanlagen haben einen hohen Arbeitsaufwand Es wird viel Platz für das errichten einer Biogasanlage benötigt Wenn Methangas austritt ist das sehr schädlich für die Umwelt Essbares Getreide wird dazu genutzt um Strom und Gas herzustellen Ökologische Probleme durch den gezielten Anbau von Energiepflanzen Hohe Anfangsinvestition Geruchsbelästigung der umliegenden Umgebung Andere Formen der erneuerbaren Energien sind effizienter 10

11 Erneuerbare Energien Die Biogas Anlage Unterschiede/Vorteile anderer erneuerbarer Energien Andere erneuerbare Energien sind effizienter geworden Es gibt keine Risiken, wie bei der Biogasanlage den Austritt von Methan Andere regenerative Energien sind nicht von der Anlieferung von Biomüll oder den steigenden Getreidepreisen abhängig Es wird weniger Fläche für den Bau diese Energielieferanten benötigt Der Arbeitsaufwand bei anderen Formen der erneuerbaren Energie ist wesentlich geringer 5.2 Zukunftschance JA oder NEIN? Aufgrund der offensichtlichen Nachteile der Biogasanlage und den überwiegenden Vorteilen anderer erneuerbarer Energien kann ich zu dem Schluss kommen, dass Biogasanlagen eine gute Form sind um Strom und Gas umweltfreundlich zu gewinnen, andere regenerative Energien aber effizienter sind. Dazu kommt es dass es schließlich einfach wirtschaftlicher ist andere Formen der erneuerbaren Energien mehr zu fördern, da sie weniger Platz benötigen, preiswerter sind, nicht so viel Arbeitsaufwand nötig ist und keine großen Risiken vorhanden sind. 6 Mativation für diese Arbeit Die Motivation diese Facharbeit zu schreiben, lag in der Arbeit im Zusammenhang mit Biogasanlagen anlässlich des Projekt-Kurses in der Schule. Mit dieser Arbeit wollte ich Menschen die sich für Erneuerbare Energien im Bezug auf Biogasanlagen interessieren einen kleinen, für jeden verständlichen Einblick geben. 7 Fazit Das Fazit, welches ich aus dieser Arbeit ziehe ist das, dass mir nun durch die vielen Recherchen und praktischen Versuchen die Wichtigkeit erneuerbarer Energien eindeutung klarer geworden ist. Ich weiß nun das eine Zukunft ohne erneuerbare Energien nicht möglich ist und das jede Form der erneuerbaren Energien gefördert werden sollte. Durch die Arbeit ist mir dir Funktionsweise einer Biogasanlage mit ihren Vor- und Nachteilen 11

12 Erneuerbare Energien Die Biogas Anlage deutlicher geworden. Meine eigene Meinung zur Benutztung der Biogasanlage liegt darin, dass es sehr sinnvoll ist wenn man die Anlage mit Biomüll befüllt und all den Dingen, die sonst auf dem Müll landen würden, die aus der Region kommen und keinen weiten Transportweg zurücklegen müssen. Wenn es allerdings dazu kommt, dass Getreide aus anderen Ländern importiert wird um damit die Anlagen zu befüllen, ist das für mich nicht mehr vertretbar im Sinne damit Energie herzustellen. Das Getreide könnte zur Herstellung von Nahrungsmitteln besser genutzt werden, denn es gibt viele Menschen auf der Welt, die an Hunger leiden. Außerdem hat es nicht mehr viel mit Umweltschutz zu tun wenn man Biostrom herstellen will aus Dingen, die zuvor mehrere Tausend Kilometer zurückgelegt haben und durch diesen Tansport die Umwelt wiederum verschmutzt wurde. Ich hoffe die Arbeit hat Ihnen die Arbeitsweise einer Biogasanlage mit ihren Vor-und Nachteilen nähergebacht, sodass sie sich nun eine eigene Meinung über erneuerbare Energien und Biogasanlagen bilden können, im Bezug auf die Informationen die sie in dieser Arbeit erhalten haben. 12

13 Erneuerbare Energien Die Biogas Anlage Literaturverzeichnis Erneuerbare Energien, Sven Geitman, ISBN: Wikipedia Wie entsteht Biogas? 8. Wikipedia Biogas 9. de.scribd.de 13