Biogas - eine alternative Energiequelle mit Zukunft

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1 Biogas - eine alternative Energiequelle mit Zukunft Maturaarbeit von Lucius Schneeberger, Klasse 1c, Gymnasium Köniz-Lerbermatt Betreuung: H. Kammer (Physik), M. Meier (Biologie)

2 Inhaltsverzeichnis: 1. Einführung Theoretischer Teil Entstehung von Biogas Vorkommen von Methangas (CH 4 ) Erdgas Andere natürliche Vorkommen/Erzeugungsarten von Methangas Biogas - ein erneuerbarer und CO neutraler Energieträger Verwendung von Biogas Physikalisch relevante Grössen Die Biogasanlage der Familie Wyss in Ittigen Kurzbeschreibung der Biogasanlage Die Funktionsweise einer Biogasanlage Informationen rund um die Biogasanlage Erdgasbusse von Bernmobil Die Biogasherstellung in der ARA Neubrück Biogas in der Schweiz und in Deutschland Biologischer Teil Methanbakterien Mikroskopierversuch Praktischer Teil: Bau einer Modell-Biogasanlage Zielsetzung Vorbereitung Darstellung der Modell-Biogasanlage Funktionsweise Die Kleinflansch Rohrverbindungen Erster Versuch Zweiter Versuch Untersuchung des selber produzierten Biogases Schlussfolgerung Dank Quellenverzeichnis Bildnachweis Literaturverzeichnis Anhang: Informationsblatt der Familie Wyss... 34

3 1.Einführung Da mir das Wohlergehen der Natur und der Menschen am Herzen liegt, interessiere ich mich schon seit längerer Zeit für Umweltfragen. In meiner Primarschulzeit entdeckte ich mehrmals auf Motorfahrzeugen die Aufschrift Ich fahre mit Kompogas (Biogas), was ich für eine geniale Erfindung hielt, da so das Problem der Umweltverschmutzung durch Erdöl umgangen werden kann. Ich habe das Thema Biogas gewählt, um dem Leser, der Leserin meiner Maturaarbeit einen umfassenden Einblick in dieses Thema zu gewähren und selbst mehr darüber zu erfahren. Für die Energieversorgung der Zukunft müssen neue Lösungen gefunden werden. Die Produktion von Biogas liefert einen Beitrag dazu. Das Thema Biogas erhält in unserer Stadt umso mehr Aktualität, als Bernmobil Ende August 005 beschloss, ihre Dieselbusse sukzessive durch Gasbusse, die mit Biogas betrieben werden, zu ersetzen. Sie als LeserIn dieser Maturaarbeit werden erkennen, dass Biogas in Zukunft eine wichtige Rolle spielen kann.. Theoretischer Teil.1 Die Entstehung von Biogas Organische Stoffe, wie zum Beispiel Eiweisse, Fette oder Kohlenhydrate können durch eine Vielzahl verschiedener natürlicher Prozesse abgebaut werden. Für die Entstehung von Biogas ist jedoch nur die Vergärung von Bedeutung. Vergärung: Unter dem Begriff Vergärung versteht man den Abbau von organischen Stoffen durch Mikroorganismen in Abwesenheit von Sauerstoff, d.h. unter anaeroben Bedingungen. Mehrere Bakteriengruppen, welche eng zusammenarbeiten, verwandeln organische Stoffe in Biogas (siehe auch Abschnitt 3.1). Biogas besteht zu etwa 45 bis 70 Prozent aus brennbarem Methan und zu rund 5 bis 55 Prozent aus Kohlendioxid sowie einem geringen Anteil Wasserdampf und verschiedenen Restgasen (Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Schwefelwasserstoff, Ammoniak). Erdgeschichtlich gesehen sind anaerobe Bakterien uralt, d.h. sie entwickelten sich schon, als es in der Erdatmosphäre noch keinen Sauerstoff gab. Mit Ausnahme von Lignin, einem Bestandteil von Holz, den sie nicht angreifen können, bauen sie praktisch jedes organische Material ab. 1 Von Biogas spricht man dann, wenn es vom Menschen produziert und energetisch genutzt wird. Biogas wird auf verschiedene Weisen erzeugt, zum Beispiel in landwirtschaftlichen oder in gewerblich-industriellen Anlagen, welche das Biogas aus verschiedensten Gärsubstraten erzeugen. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Kläranlagen, welche im Stande sind, grosse Mengen an Biogas zu produzieren; auch grössere Grüngut-Vergärungsanlagen (z.b. der Firma Kompogas) sind von Bedeutung. Methangas entsteht aber auch bei anderen natürlichen oder technischen Prozessen und trägt deshalb verschiedene Namen wie Sumpf-, Deponie-, Klär- oder Faulgas. 3

4 .1.1 Vorkommen von Methan (CH 4 ) Erdgas Erdgas entstand vor Millionen von Jahren durch die Vergärung von organischen Stoffen. Unter der Erdkruste gelagert, stellt es einen wichtigen fossilen Brennstoff dar. Erdgas besteht zu über 90 Prozent aus dem farb- und geruchlosen Methan (CH 4 ), dem einfachsten Kohlenwasserstoff, der in der Natur vorkommt. Erdgas ist ein nicht zu unterschätzender wirtschaftspolitischer Faktor, wie sich am Beispiel von Russland im Winter 005/006 gezeigt hat (russischukrainischer Gasstreit). 9 In der Schweiz wurden 004 knapp 35 Terawattstunden (= kwh) Erdgas genutzt. Dies entspricht einem Anteil von rund 1% am gesamten Schweizer Endenergieverbrauch. Weltweit werden pro Jahr rund 6'000 TWh eingesetzt. Der Verbrauch der Schweiz liegt somit bei etwas mehr als einem Promille. Den grössten Anteil am Erdgas in der Schweiz nutzen die Haushalte mit rund 40%, gefolgt von den Sektoren Industrie (3%), Dienstleistungen (%). Rund 6% (Gruppe Übrige) werden für Fernwärme, die Stromproduktion und andere Anwendungen eingesetzt Andere natürliche Vorkommen/Erzeugungsarten von Methangas Methangas entsteht in der Natur, wenn sich organische Stoffe an Orten anhäufen, wo nicht genügend Sauerstoff für einen aeroben Abbau vorhanden ist. Dies geschieht im Schlamm von Meeren, von Seen oder von Mooren. In Mülldeponien, in Gülle- oder Klärgruben sowie beim Reisanbau, wo ebenfalls Methangas entsteht. 4 Sogar Termiten produzieren Methangas, welches in relativ grossen Mengen in die Atmosphäre gelangt. 5 Dabei ist zu beachten, dass Methan ein äusserst schädliches Treibhausgas ist, denn es wirkt sich 1mal schädlicher aus als Kohlendioxid. 6 Dem ist jedoch beizufügen, dass der weitaus grösste Teil der Methanemissionen indirekt oder direkt auf den Menschen zurückzuführen ist! Methan bildet sich ausserdem im Pansen-Magen von Wiederkäuern, zum Beispiel von Rindern oder von Schafen. Diese Tiere könnten das Gras, das sie fressen, nicht direkt verdauen, wenn nicht anaerobe Bakterien die Cellulose im Gras in Moleküle aufspalten würden, welche vom Tier aufgenommen werden können. Bei diesem Vorgang bilden anaerobe Bakterien Methan, welches durch Aufstossen aus den Mägen der Tiere freigesetzt wird. 7 Eine Kuh rülpst ungefähr 00 Liter Methan im Tag Biogas - ein erneuerbarer und CO neutraler Energieträger Biogas zählt zu den erneuerbaren Energieträgern und wird aus Biomasse hergestellt. Biomasse bezeichnet sämtliches durch Photosynthese direkt oder indirekt erzeugtes organisches Material, das nicht über geologische Prozesse verändert wurde (im Gegensatz zu fossiler Biomasse - Erdöl, Kohle, Erdgas). Bei der energetischen Nutzung von Biomasse kann nur so viel CO freigesetzt werden, wie zuvor mit Hilfe von Sonnenenergie mittels Photosynthese in der Biomasse gebunden wurde. Deshalb ist Biogas ein CO -neutraler Energieträger; die Stoff- und Energiekreisläufe sind de facto geschlossen. 9 4

5 .1.3 Verwendung von Biogas Biogas kann grundsätzlich wie Methan verwendet werden, allerdings ist die Energiedichte aufgrund des relativ hohen Kohlendioxidanteils (ca. 30 Prozent) geringer. Für die folgenden Verwendungsmöglichkeiten ist es deshalb erforderlich, das Biogas einem Aufbereitungsverfahren zu unterziehen, um die Begleitstoffe (Kohlendioxid, Wasserdampf, sowie Spuren von Ammoniak und Schwefelwasserstoff) weitgehend vom Biogas abzutrennen. Verwendungsmöglichkeiten sind z.b., die direkte energetische Verwertung (Verbrennung zu Heizzwecken), die Produktion von elektrischer Energie mittels Verbrennungsmotors, gegebenenfalls unter Ausnutzung der Abwärme (Blockheizkraftwerke) oder die Verwendung als Treibstoff. Je nach Anforderung wird das Biogas mit mehr oder weniger grossem Aufwand gereinigt. So ist es zum Beispiel nicht nötig, einem Blockheizkraftwerk Methangas in bester Qualität zuzuführen. Anders verhält es sich, wenn man Biogas ins Erdgasnetz einspeisen will, dann nämlich muss das Biogas mit einem gründlicheren Verfahren auf Erdgasqualität aufgewertet werden. Das heisst, dass der Methangehalt auf mindestens 96 Prozent erhöht wird. 10. Physikalisch relevante Grössen Kilowatt (kw): Masseinheit für die Leistung (Energieaufwand pro Zeit) Kilowattstunde (kwh): Masseinheit für Wirkenergie (Wird die Leistung mit der Zeit multipliziert, erhält man die aufgewendete Energie) Beispiel: Eine 100-Watt-Glühlampe setzt während 10 Stunden Brenndauer 1 kwh an elektrischer Energie um. (100 W x 10 h = 1000 Wh = 1 kwh) Neben kwh sind folgende weitere Einheiten gebräuchlich: MWh Megawattstunde = 10 6 Wh = kwh GWh Gigawattstunde = 10 9 Wh = kwh TWh Terawattstunde = 10 1 Wh = kwh PWh Petawattstunde = Wh = kwh Installierte elektrische Leistung (in kw el ): Gibt an wie viele Kilowatt elektrischer Energie in einer Stunde maximal produziert werden kann. kwh/a = Kilowattstunden pro Jahr 5

6 .3 Die Biogasanlage der Familie Wyss in Ittigen (BE) Am 14. Juni 06 besuchten Frau Meier, Herr Kammer und ich die Biogasanlage der Familie Wyss. Die Vereinigung Pro Natura organisierte eine Führung, bei welcher den Besuchern die Funktionsweise der Biogasanlage auf einem Rundgang erklärt wurde. Beim anschliessenden Apéro konnte ich mit Herrn Wyss sprechen, welcher mir ohne grosse Umstände sogleich eine Probe Gärgut mitgab, die ich mit Frau Meier am 9. Juni nach Methanbakterien untersuchte (siehe 3. Teil). Abb. 1: Peter Wyss Kurzbeschreibung der Biogasanlage Seit Mitte August 005 steht die Biogasanlage auf dem Bauernhof der Familie Wyss in Betrieb. Durch die Vergärung von Gülle und anderer Abfälle (so genannte Co-Substrate = organische Reststoffe) produziert sie Biogas. Das Biogas wird in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) in elektrische Energie und in Wärme umgewandelt. Die produzierte elektrische Energie wird ins Elektronetz der BKW FMB Energie AG eingespeist. 00 Mutterkühe und Kälber sowie Mastrinder des Bauernbetriebs sorgen so dafür, dass über 50 Haushalte des Kantons Bern mit Strom versorgt werden können. (Mit der Gülle, die eine ausgewachsene Kuh oder ein ausgewachsenes Rind pro Tag produziert, können 0,56 bis 1,9 Kubikmeter Biogas gewonnen werden. Dies entspricht ungefähr dem Heizwert von 0,6 Litern Heizöl.) Die Funktionsweise einer Biogasanlage Ein mechanischer Schieber befördert Mist und Gülle in eine abgedeckte Vorgrube. Diesem Material werden in der Vorgrube organische Reststoffe beigegeben; die gesamte Masse wird dann mit einem Rührwerk vermischt. Als Co-Substrat eignet sich z.b. Gras, Mühlestaub, Kaffeesatz, Laub, Gemüseabfälle, Molkereiabfälle wie Joghurt und vieles mehr. Dabei ist es wichtig, dass die Transportwege für die Co-Substrate möglichst kurz sind, damit deren Zugabe ökologisch und ökonomisch noch vertretbar ist. Die Molkerei-Firma Emmi zum Beispiel liefert regelmässig Milchprodukte-Abfälle auf den Hof der Familie Wyss und entrichtet ihr für diese biologisch sinnvolle Abfallbeseitigung Entsorgungsgebühren. Die Beigabe von Co- Substraten führt ausserdem zu einem wesentlich höheren Biogasertrag, als wenn nur Gülle vergärt würde. Für den wirtschaftlichen Betrieb einer Biogasanlage sind die Einnahmen aus den Entsorgungsgebühren sehr wichtig, weil der Stromabnehmerpreis mit 15 Rappen pro Kilowattstunde (gesetzlicher Mindestpreis) heute immer noch zu tief ist. Die Einnahmen sehen nämlich folgendermassen aus: 50 Prozent der Einnahmen werden mit dem verkauften Strom (gesetzlicher Mindestpreis) erzielt. 40 Prozent aus den Entsorgungsgebühren von Co- Substraten und 10 Prozent aus dem Verkauf von Ökostrom. Erst mit Einnahmen von 30 Rp. pro Kilowattstunde ist ein wirtschaftlicher Betrieb der Anlage gegeben. 6

7 Abb. : links verschiedene Co-Substrate, unten rechts Öffnung zur Vorgrube 1 Bevor die gesamte Masse in den gasdichten Fermenter (Gärbehälter) gepumpt wird, wird sie noch feiner gehäckselt, um eine bessere Gasausbeute zu erzielen. Denn je feiner das Gärgut ist, desto besser können es die Methanbakterien zersetzen. Im beheizten Fermenter herrschen Temperaturen von C (mesophiler Temperaturbereich). Die Gärmasse im Fermenter wird dazu mit der Abwärme des Blockheizkraftwerks erhitzt, weil die anaeroben Bakterien in diesem Temperaturbereich ihr Aktivitätsoptimum haben. Ein weiterer wichtiger Punkt ist der ph-wert der Gärmasse. Die meisten Methanbakterien zeigen ihr Aktivitätsoptimum bei einem ph-wert um 8.0. Der ph-wert muss von Zeit zu Zeit gemessen werden, um abzuklären, ob man der Anlage nun sauer oder basisch reagierende Stoffe zugeben muss, um den ph-wert von 8.0 wieder einzustellen. Abb. 3: Fermenter mit Heizungsleitungen (Leerzustand während der Bauphase, daher noch Lichteinfall sichtbar) 1 Täglich wird dem Fermenter von der Vorgrube neues Gärsubstrat zudosiert. Das Güllegemisch wird im Fermenter während rund 30 Tagen unter ständigem Rühren vergoren. Die Methanbakterien produzieren Biogas, welches ungefähr zu 60 Prozent aus Methangas und zu 30 Prozent aus CO besteht. Das entstandene Biogas wird in einer über dem Fermenter liegenden 7

8 elastischen schwarzen Gasfolienhaube aufgefangen. Die Höhe der Folienhaube wird durch den Gasdruck bestimmt. Bevor das Gas im Blockheizkraftwerk (BHKW) verbrannt werden kann, wird ihm mit einem Filter Schwefelwasserstoff entnommen. Ausserdem wird es in einer Lagergrube auskondensiert, um das Wasser abzutrennen. Abb. 4: Fermenter (links) Technikraum (mitte) und Nachgärer (rechts) Im Blockheizkraftwerk, welches sich im Technikraum befindet, wird das Biogas in elektrische Energie und Wärme umgewandelt. Das Gas wird mit einem so genannten Zündstrahlmotor verbrannt. Der Motor ist an einen elektrischen Generator (Dynamo-Prinzip) gekoppelt, welcher die elektrische Energie erzeugt. Beim Zündstrahlmotor handelt es sich um einen abgeänderten Dieselmotor, der neben dem angesaugten Biogas zur Zündung zusätzlich eine kleine Menge Dieselöl benötigt. Ein moderner SCR-Katalysator hält den Schadstoffausstoss in die Luft gering. Der produzierte Strom wird direkt ins Elektronetz der BKW FMB Energie AG eingespeist und kann auch als Ökostrom gekauft werden. Der Zündstrahlmotor läuft im 4 Stunden Betrieb. Abb. 5: Zündstrahlmotor mit Stromgenerator 1 Die Steuerungsanlage der Biogasanlage befindet sich ebenfalls im Technikraum. Mit dieser werden beispielsweise die Rührwerke, die Pumpen oder die Temperatur im Fermenter geregelt. Das Spezielle an der Steuerungsanlage ist, dass sie auch über das Internet von 8

9 irgendeinem Ort auf der Welt bedienbar ist. So können zum Beispiel Softwareprobleme von Technikern von Deutschland aus behoben werden, was auch schon einmal der Fall war. Abb. 6: Steuerungselemente 1 Beim Verbrennungsprozess entsteht neben der elektrischen Energie auch nutzbare Abwärme. Mit einem Teil davon wird der Fermenter beheizt, damit der Abbauprozess beschleunigt werden kann (s.o.). Die Wärme gelangt dazu über Rohrleitungen, welche in Abbildung 7 sichtbar sind, in den Fermenter. Mit einem anderen Teil der Abwärme wird das Wohnhaus der Familie Wyss beheizt und Warmwasser erzeugt. Der verbleibende Wärmeüberschuss kann für betriebliche Abläufe, wie z.b. für das Trocknen von Getreide und Heu oder für das Beheizen eines Treibhauses verwendet werden. Abb. 7: Die Abwärme beheizt den Fermenter 1 Mithilfe eines Überlaufes gelangt die vergorene Masse des Fermenters in den Nachgärer. Der Nachgärer ist ebenfalls mit einer Gasfolienhaube bedeckt, damit der Gärmasse in einem zweiten Anlauf weiteres Biogas entnommen werden kann. Vom Nachgärer gelangt die vergärte Biomasse in eine Grube, beziehungsweise in ein Endlager. Da sämtliche Pflanzennährstoffe noch vorhanden sind, eignet sich die vergärte Masse als hochwertiger Dünger. Die vergorene Gülle wirkt sich gegenüber herkömmlichem Dünger vorteilhaft aus, da sie viel weniger stinkt, ph-neutral ist und ausserdem eine gute Fliessfähigkeit aufweist. Die Austragung der Biogasgülle auf die Felder wird mit einem so genannten Schleppschlauchverteiler vorgenommen. 9

10 Abb. 8: Schleppschlauchverteiler 1 Die Schleppschlauchverteilung birgt den Vorteil, dass das Entweichen von Ammoniak in die Luft vermindert wird. Andere Landwirte der Umgebung nehmen den Überschuss an Dünger gegen ein Entgelt ab. Die Nährstoffbilanz des Bodens der Familie Wyss bleibt somit ausgeglichen. In einer landwirtschaftlichen Biogasanlage wird mehr Biogas pro Kubikmeter Gärmaterial gewonnen als in gewerblich-industriellen Biogasanlagen. Der Grund dafür ist, dass sich in der Gülle schon Methanbakterien befinden, welche im Pansen der Wiederkäuer Cellulose abbauen. Somit gibt es in landwirtschaftlichen Fermentern mehr methanbildende Bakterien, welche die Biogasproduktion günstig beeinflussen Informationen rund um die Biogasanlage Daten der Biogasanlage 13 Verarbeitete Substrate pro Jahr: '300 t Rindergülle und 1'000 t Co-Substrate Volumen Fermenter: 40 m 3 Volumen Nachgärer: 860 m 3 Installierte elektrische Leistung BHKW: 100 kw el Stromproduktion netto: ca. 700'000 kwh/a (für ca. 50 Haushalte) Wärmeproduktion brutto: ca. 1'050'000 kwh/a Gesamtkosten: ca. 700'000 CHF Pro Tag: - werden der Anlage ca. 3 Tonnen Co-Substrate zusätzlich zur Gülle zugeführt - produziert die Anlage 100 bis 1400 Kubikmeter Gas Zum Bau der Biogasanlage Der Bau der Biogasanlage war nicht ganz einfach zu realisieren. Der grösste Teil der Entstehungszeit nahm das Bewilligungsverfahren in Anspruch. Weil gesetzliche Grundlagen fehlen, haben die Behörden nicht gewusst, wie sie die Sache angehen sollen, sagte Peter Wyss. Zweimal wurde der Bau von den Behörden abgewiesen. Die Hauptschwierigkeit war, dass die Anlage in einer Landwirtschaftszone steht. Eine Biogasanlage gilt jedoch als gewerblich- industrielle Anlage und ist somit in der Landwirtschaftszone nicht zonenkonform. Die Familie Wyss jedoch blieb hartnäckig und verfügte über die erforderlichen finanziellen Mittel, so dass es ihr schliesslich doch noch gelang eine Baugenehmigung zu erhalten

11 Ökostrom Schweiz Die Familie Wyss ist Mitglied der Genossenschaft Ökostrom Schweiz, welche bäuerliche Biogasanlagebetreiber vereinigt. Die Genossenschaft hat in erster Linie zum Ziel, elektrische Energie von Biogasanlagebetreibern zu vermarkten. Bei Ökostrom Schweiz handelt es sich um ein Aufpreismodell, bei welchem der Kunde bei seinem Stromversorger bleibt, er aber die elektrische Energie bezahlt, die aus Biogas hergestellt wird. Der ökologische Mehrwert kommt direkt den landwirtschaftlichen Biogasanlagebetreibern zugute, denn der gesetzliche Mindestpreis von 15 Rp./kWh reicht in den wenigsten Fällen für eine wirtschaftliche Stromproduktion. Im Anhang auf Seite 34 befinden sich noch genauere Angaben zur Tätigkeit der Genossenschaft und für die Bestellung von Ökostrom von der Biogasanlage der Familie Wyss. Wie Herr Wyss auf die Idee einer eigenen Biogasanlage kam Bereits vor über 0 Jahren gab es einen kleineren Boom von Biogasanlagen, erzählte mir Herr Wyss. Vor sechs Jahren erfuhr er von moderneren Anlagen. Zu dieser Zeit waren Biogasanlagen kaum noch ein Thema. Herr Wyss besuchte einen Kurs über die Vergärung und schaute sich verschiedene Biogasanlagen in der Schweiz und im Ausland an. Dass vergorene Gülle nicht stinkt und somit die Ittiger Bevölkerung nicht mehr belästigt, war für Herrn Wyss ein massgebender Aspekt für die Erstellung der Anlage. Mögliche bauliche Anpassungen Weil das Blockheizkraftwerk schon heute nonstop in Betrieb ist, überlegt sich Herr Wyss, ob er nicht ein zweites erstellen will. Noch mehr Gas könnte mit zusätzlichen Co-Substraten produziert werden. Die Wirtschaftlichkeit der Anlage Herr Wyss erklärte mir, dass er mit seiner Anlage in den schwarzen Zahlen liege. (D.h. die Einnahmen müssen bei ca. 30 Rp. pro kwh liegen, was aufgrund der Erträge aus der Co- Vergärung und des Ökostrom-Verkaufs auch der Fall ist) Anteil der als Ökostrom" verkauften elektrischen Energie. Laut Herrn Wyss wird nur rund die Hälfte der elektrischen Energie, welche die Biogasanlagen der Genossenschaft Ökostrom Schweiz produzieren, auch als Ökostrom gekauft. Die andere Hälfte der eingespeisten elektrischen Energie wird den Biogasanlagebetreibern nur mit dem Mindestpreis der Stromunternehmen vergütet. 11

12 .4 Erdgasbusse von Bernmobil Erster Erdgas-Bus in Bern in Betrieb Bernmobil ist der erste schweizerische Verkehrsbetrieb, der sukzessive den grössten Teil der mit Dieseltreibstoff betriebenen Fahrzeugflotte auf Biogasbetrieb umstellt. Im Juni 006 haben die Verkehrsbetriebe der Stadt Bern den ersten Erdgas-Bus der Firma Volvo in Betrieb genommen. 3 Erdgas-Busse bis Ende 006 Seit Mitte August stehen 10 Busse im Einsatz. Bis Ende 006 werden auf dem Bernmobil- Netz 3 gasbetriebene Gelenkautobusse verkehren. Für 007 ist die Beschaffung von weiteren 13 Autobussen geplant. Damit werden ab 007 die heute noch in Betrieb stehenden Dieselbusse ohne Partikelfilter abgelöst und nach dem Umbau des Bahnhofplatzes ganz aus dem Verkehr gezogen. Unterstützung durch Partnerschaften Die Nutzung von einheimischem Biogas der ARA Region Bern AG als Treibstoff ist dank der Partnerschaft von BERNMOBIL und Energie Wasser Bern möglich geworden. Die Mehrkosten werden von Energie Wasser Bern (ewb) und mit Beiträgen aus dem Ökofonds der ewb und dem Gasverbund Mittelland (GVM) getragen. Zudem unterstützt das Bundesamt für Energie (BFE) das Projekt. Betankung Die Betankungsanlage wird durch Energie Wasser Bern gebaut und betrieben und bleibt auch in deren Besitz. Vorerst werden total 48 Busabstellplätze mit Langsambetankungsvorrichtungen für die Betankung der Busse in den Nachtstunden ausgerüstet. Eine Schnellbetankungsanlage mit zwei Tanksäulen ermöglicht zudem die vollständige Betankung innert weniger Minuten. Der Sicherheit wird grosse Bedeutung beigemessen. Daher werden in den Garagen umfassende Anpassungen an Elektro-, Heizungs- und Lüftungsinstallationen sowie den Fahrleitungen vorgenommen. Die Abstellanlagen und die Werkstattplätze werden mit Gassensoren ausgerüstet, welche eine überhöhte Gaskonzentration feststellen und die Entlüftung automatisch in Gang setzen können. Da Erdgas leichter ist als Luft, könnte das austretende Gas so ungefährlich in die Umgebungsluft entweichen. Biogas - der umweltschonende und CO -neutrale Treibstoff Die Erdgas-Busse entsprechen dem EEV-Abgasstandard (Enhanced Environmentally friendly Vehicle) der EU, der besonders umweltschonende Fahrzeuge auszeichnet. Der Gasbus stösst deutlich weniger Stickoxid (NOx) und Kohlendioxid als ein Dieselbus aus. Bei der Feinpartikelemission (PM10) liegt der Gas- im Vergleich zum Dieselbus ebenfalls signifikant tiefer. Die Abgase werden durch einen Dreiwegkatalysator mit Lambda-Sonde gereinigt. Der Treibstoff wird gasförmig in Hochdruck-Tanks (00 bar) auf dem Fahrzeugdach mitgeführt. Grundsätzlich wird CO -neutrales Biogas als Treibstoff eingesetzt, das von der Ara Region Bern AG produziert und zu Erdgas-Qualität aufbereitet ins Netz von Energie Wasser Bern eingespeist wird. 15 1

13 Abb. 9: Volvo 7700A CNG 3 Technische Daten Volvo 7700A CNG Masse/Gewichte 18 Meter lang,.55 Meter breit, 3.4 Meter hoch Leergewicht 18. Tonnen, Gesamtgewicht 8 Tonnen Motor / Antriebstrang: CNG (Compressed Natural Gas) Motor mit Abgasstandard EEV 9 Liter Hubraum, 6 Zylinder-Ottomotor, Dreiwegkatalysator, Lambda-Sonde Drehmoment 1400 Nm bei 1400 U/min Leistung 3 kw bei 1800 U/min Gastanks aus Verbundwerkstoff auf dem Fahrzeugdach, 1500 Liter Volumen = ca. 300 kg Gas (Verbrauch kg Gas pro 100 km) Aufbau/Ausstattung Marke Volvo, Produktion in Polen Fahrerplatz und Fahrgastraum mit Klimaanlage Rollstuhlrampe, Rollstuhlplätze Preis Komplett ausgerüstet kostet ein Fahrzeug ca Franken Die Biogasherstellung in der ARA Neubrück Ich war neugierig darauf, zu wissen, wo genau das Biogas für die neuen Gasbusse von Bernmobil produziert wird. So nahm ich über das Internet Kontakt mit der ARA Region Bern AG (ARB) auf. Herr Beat Ammann, der Direktor der Ara Neubrück, lud mich freundlicherweise sogleich zu einem Gespräch ein. Er erklärte mir, wie Biogas in einer Abwasserreinigungsanlage gewonnen wird und wie es um die Verfügbarkeit des Biogases für die Gasbusse von Bernmobil steht. 13

14 Produktion von Biogas (auch Klärgas genannt) in der ARA Neubrück Ein Grobrechen und ein Feinrechen filtern zuerst gröbere Verunreinigungen aus dem Abwasser, welche diesem unsachgemäss zugefügt wurden. Danach wird das Abwasser einer chemischen Fällung (Sedimentation) unterzogen, bei welcher die im Wasser gelösten Teilchen auf den Boden des Klärbeckens sinken, wo sich Schlamm bildet. Anschliessend durchläuft das Abwasser die biologische Stufe. Einzeller (Mikroorganismen) bauen die noch verbleibenden Schmutzstoffe ab und vermehren sich. Die Einzeller haben nur eine kurze Lebensdauer und sinken zu Boden, wenn sie abgestorben sind, wobei sich wiederum Schlamm bildet. Der Bioschlamm, welcher bei der chemischen Fällung und bei der biologischen Stufe entsteht, wird den drei Bioreaktoren (Faultürmen) mit je 6000 m 3 Volumen mittels Pumpen zugeführt. In den gasdichten und wärmeisolierten auf rund 35 C beheizten Faultürmen findet die anaerobe Vergärung statt. Das Biogas der ARB-Biogasanlage weist einen durchschnittlichen Methangehalt von ungefähr 65 Prozent auf. Nebst dem Klärschlamm werden zusätzlich noch Co- Substrate vergärt. Im Gegensatz zu einer landwirtschaftlichen Biogasanlage dürfen dieser Anlage auch Stoffe wie Flotat (ein Anteil von Schlachtabfällen in flüssig/fetthaltiger Form) oder Essensreste zugeführt werden, weil die vergorene Masse nicht wieder in den natürlichen Stoffkreislauf gebracht wird. Die vergorene Masse findet nach einer Entwässerung und Trocknung weitere sinnvolle Verwendung als Brennstoff in der Zementindustrie. Die durchschnittliche Tagesproduktion von Biogas in der ARB beläuft sich auf ca Betriebskubikmeter, was ca Litern Benzin entspricht. Verwendung des produzierten Biogases Die ARA Neubrück verfügt über ein Blockheizkraftwerk, in welchem das Biogas verstromt und in Wärme umgewandelt werden kann. Der Wärmebedarf der Abwasserreinigungsprozesse wird zu hundert Prozent mit der Abwärme des Blockheizkraftwerkes gedeckt. Ein Teil der elektrischen Energie wird für die Abwasserreinigungsanlage verwendet, der andere Teil wird unter dem Stromlabel naturemade star verkauft. Der Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors (BHKW) steigt in Kombination mit der thermischen- und elektrischen Energienutzung auf ca. 87 %. Weil in den letzten Jahren überschüssiges Biogas durch Abfackelung vernichtet werden musste, stellte sich die Frage, wie man dieses wertvolle Gas nutzen könnte. Die Abfackelung ist eine Verbrennung des Gases am Austrittsende eines kaminähnlichen Rohres, das am oberen Ende den sogenannten Fackelkopf, einen Brenner mit einer Zündvorrichtung trägt. Ein zweites BHKW oder eine Gasaufbereitungsanlage standen zur Debatte. Obwohl die Gasaufbereitungslage wirtschaftlich weniger attraktiv ist, wurde diese Variante gewählt. Dank Beiträgen aus dem Ökofonds Energie Wasser Bern und Subventionen durch das Wasser und Energiewirtschaftsamt kann der Differenzbetrag reduziert werden. Aus Sicht der Umwelt ein glücklicher Entscheid, denn die Aufbereitung und Einspeisung des Biogases ins Erdgasnetz ist wesentlich ökologischer als die Verbrennung zur Stromproduktion. Die Bereitstellung des Biogases für Bernmobil stellt kein Problem dar, denn die benötigte Menge entspricht ungefähr einem Drittel der Biogas-Jahresproduktion (Total: 9'00'000 kwh/a). Dies sind 13 Millionen kwh pro Jahr, welche aufgrund eines Vertrags ins Erdgasnetz der E- nergie Wasser Bern eingespeist werden müssen. Momentan wird jedoch noch kein Biogas eingespeist, weil die Gasaufbereitungsanlage erst im Frühjahr 007 in Betrieb stehen wird. Der Grund für diese Verzögerung ist der Biogasboom in Deutschland. Die deutsche Herstellerin macht längere Lieferfristen geltend. 14

15 .5 Biogas in der Schweiz und in Deutschland Deutschland Die Biogasbranche in Deutschland erlebte in den letzten fünf Jahren einen wahren Boom. Der Hauptgrund dafür ist ein neues Gesetz, das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), welches im Jahr 000 in Kraft trat und im Jahr 004 überarbeitet wurde. Das Ziel des EEG ist die Förderung des Ausbaus der erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung. Das Instrument dazu ist die Mindestpreisregelung, welche vorsieht, dass der nächstgelegene Netzbetreiber zur Aufnahme und Vergütung des Stroms aus erneuerbaren Energien verpflichtet ist. Die entstehenden Mehrkosten, d.h. die Differenz zwischen Vergütungssatz und Marktpreis des Stroms, werden unter den Energieversorgungsunternehmen gleichmässig aufgeteilt (Bundesweite Ausgleichsregelung) und auf den Strompreis aufgeschlagen, also von allen Stromverbrauchern getragen. Die EEG-Mehrkosten betrugen im Jahr 004 ungefähr.5 Milliarden Euro. 17 Dabei muss aber auch bemerkt werden, dass das EEG tausende Arbeitsplätze sichert. Bis 004 gab es eine relativ kontinuierliche Zunahme von Biogasanlagen. Ausgehend von etwa 850 in Betrieb befindlichen Biogasanlagen Ende 1999 hat sich deren Anzahl bis Ende 005 auf rund 700 Anlagen mehr als verdreifacht. Insgesamt gingen 005 mehr als 600 Anlagen vorwiegend im landwirtschaftlichen Bereich in Betrieb. Die fördernde Wirkung der Überarbeitung des EEG ist somit deutlich erkennbar. Noch deutlicher ist dieser Trend bei der elektrisch installierten Anlagenleistung zu erkennen. Hier ist ebenfalls bis 004 ein relativ kontinuierlicher Zuwachs von ca. 30 bis 55 MW el jährlich erfolgt. Im Jahr 005 stieg die elektrisch installierte Anlagenleistung im Vergleich zur Anlagenzahl deutlich stärker an. Bereits in den ersten fünf Monaten des Jahres 005 ist ein Zuwachs von knapp 100 MW el, also ca. dem vierfachen der Vorjahre, zu erkennen. Ende 005 betrug die gesamte installierte Anlagenleistung der in Betrieb befindlichen Biogasanlagen rund 665 MW el. Abb. 10: Anlagenbestand aller Biogasanlagen in Deutschland 4 15

16 Aufgrund des Trends hin zu größeren Biogasanlagen sei es durch Neubau oder durch Erweiterung bestehender Anlagen verschiebt sich die durchschnittliche installierte elektrische Leistung der Biogasanlagen ebenfalls deutlich nach oben. Betrug der Durchschnitt 1999 noch rund 60 kw el konnten Ende 004 bereits rund 15 kw el und Ende 005 sogar rund 50 kw el verzeichnet werden. Die oben genannten Effekte sind vorwiegend auf den Zubau von Biogasanlagen in den größeren Leistungsbereichen zurückzuführen. 18 Ein Begriff, nämlich Nachwachsende Rohstoffe (NawaRo), ist dem Thema Biogas in Deutschland noch beizufügen. Laut Definition sind Nachwachsende Rohstoffe land- und forstwirtschaftlich erzeugte Produkte, die einer Verwendung im Nichtnahrungsbereich zugeführt werden. In Deutschland zeichnet sich der Trend zum verstärkten Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen in landwirtschaftlichen Biogasanlagen ab. Das wichtigste NawaRo- Substrat in der Biogasbranche ist Mais. In der Schweiz, ist der Anbau von NawaRo-Pflanzen für die Biogasproduktion hingegen momentan noch kein Thema. Schweiz Über die Anzahl aller Biogasanlagen (Landwirtschaft, Industrie, Kläranlagen u.a.) in der Schweiz, habe ich unterschiedliche Zahlen gefunden. In einer Statistik des Bundesamts für Energie (BFE) werden zum Beispiel nicht alle Biogasanlagen der schweizerischen Abwasserreinigungsanlagen miteinbezogen. Der Grund dafür könnte sein, dass die Kläranlagen primär für den Eigenverbrauch Biogas produzieren. Im Jahr 004 standen in der Schweiz laut dieser Statistik des BFE gesamthaft 157 Biogasanlagen in Betrieb. 19 Die Anzahl der Biogasanlagen blieb seit Beginn der Neunzigerjahre relativ konstant. Einzig bei den landwirtschaftlichen Biogasanlagen ist die Anzahl von 10 (1990) auf 67 Anlagen (004) gesunken. Heutzutage ist in diesem Sektor jedoch wieder ein leichtes Wachstum zu erkennen. Zusammenfassend kann man sagen, dass es in den letzten paar Jahren nur eine sehr geringe Anzahl Neubauten gab. Anders verhält es sich bei der installierten elektrischen Leistung, wo eine Steigerung merklich spürbar ist. Betrug die durchschnittliche installierte elektrische Leistung im Jahr 1999 noch 5.8 kw el, stieg sie an auf 5.1 kw el im Jahr 004. Die installierte elektrische Leistung, aller in der Statistik erfassten Anlagen, betrug 136 kw el (004). Dies zeigt, dass die Anlagen tendenziell immer grösser und damit leistungsfähiger werden. 16

17 Abb. 11: Anteil des Biogases zur Elektrizitätsproduktion 004 (8'683 TJ entsprechen 63'53 GWh) 5 Im Jahr 004 wurden in der Schweiz aus Biogas 148 GWh (148 Millionen kwh) elektrische Energie produziert. Dies entspricht einem Anteil von 0.3 Prozent an der gesamten Elektrizitätsproduktion in diesem Jahr. Zum Vergleich: In Deutschland wurden im Jahr 004 nach meiner Ermittlung 3. Milliarden kwh elektrische Energie aus Biogas erzeugt. In Deutschland wurde somit etwa -mal mehr Biogas produziert als in der Schweiz (absolute Zahl). 0 Zukunftsaussichten für Biogasanlagen in der Schweiz Vor allem Betreiber von landwirtschaftlichen Biogasanlagen bewegen sich in einem Umfeld mit relativ unsicheren Zukunftsaussichten. Noch im Verlaufe dieses Jahres (006) werden die Politiker die Rahmenbedingungen für die Biogasproduktion mit zwei massgebenden Entscheiden gestalten. Da gibt es zum Beispiel die zukünftige Regelung der Einspeisetarife für Strom aus erneuerbaren Energien. Die Phase mit einem gesetzlichen Mindestpreis von 15 Rp./kWh läuft im Juni 008 aus, es muss ein Ersatz gefunden werden. Zur Diskussion steht eine so genannte «kostendeckende Einspeisevergütung» wie man sie beispielsweise in Deutschland seit Jahren kennt. Diese würde dem Bauherrn einer neuen Anlage einen an den Produktionskosten von Referenzanlagen orientierten Preis auf eine minimale Lebensdauer der Anlage garantieren. Das dafür notwendige Geld würde dem gesamten Elektrizitätsmarkt belastet. Weiter zur Debatte steht eine Teilrevision des Raumplanungsgesetzes. Bisher war die Bewilligungspraxis der Kantone für Biogasanlagen mit Co-Substratvergärung relativ grosszügig. «Wir stellen unter den Politikern eine breite Unterstützung für das Anliegen fest, dass Biogasanlagen auch mit Co-Substratvergärung zonenkonform werden», berichtet Bruno Guggisberg, Bereichsleiter Biomasse beim Bundesamt für Energie (BFE). Allerdings wolle man vermeiden, dass in der Landwirtschaftszone gewerblich-industrielle Anlagen betrieben würden, so Guggisberg weiter. In der Botschaft ans Parlament wird dazu eine Regelung auf Stufen vorgeschlagen: Erstens dürfte die der Anlage «verfütterte» Frischsubstanz nur bis zu ei- 17

18 nem begrenzten Anteil von ausserhalb der Landwirtschaft zugeführt werden. Eine ähnliche Regel würde es auch für die Zufuhr nach Energiegehalt geben. «Als dritten Punkt schlagen wir ein Zweikreismodell vor, das die maximalen Transportdistanzen von Substraten aus der Landwirtschaft und in einem etwas weiteren Umkreis von Co-Substraten beschränkt», so Guggisberg. Damit will man einen weder ökonomisch noch ökologisch sinnvollen «Abfalltourismus» verhindern. 1 Fazit Sowohl in Deutschland wie auch in der Schweiz liegt noch ein sehr grosses Biogasenergiepotenzial brach. In beiden Ländern liegt das grösste Potenzial im landwirtschaftlichen Bereich. Mit der Realisation des EEG ist Deutschland der Schweiz jedoch voraus. Es bleibt zu hoffen, dass die PolitikerInnen in der Schweiz ähnliche Rahmenbedingungen schaffen werden, damit die erneuerbaren Energien, insbesondere Biogas, gefördert werden. 3. Biologischer Teil 3.1 Was man über die Methanbakterien weiss Systematische Stellung der Methanbakterien Methanbakterien treten in verschiedenen Zellformen auf. Es gibt stäbchenförmige (Methanobacterium), kokkoide (Methanococcus), sarcinaähnliche (Methanosarcina) und spirillumförmige (Methanospirillum). Einige bekannte Arten Methanobacterium thermoautotrophicum Methanobacterium arbophilicum Methanobacterium formicicum Methanobacterium ruminantium Methanobacterium mobile Methanococcus vannielii Methanosarcina barkeri Methanosarcina mazei Methanospirillum hungatii Die Methanbakterien sind eine eigene Gruppe, denn sie unterscheiden sich von anderen Bakterien nicht nur durch ihren Stoffwechseltyp, sondern auch durch einige Merkmale bezüglich der Zusammensetzung ihrer Zellbestandteile. Ausserdem sind methanogene Bakterien resistent gegenüber Penicillin. 18

19 Physiologie Methanbildner gehören zu den streng anaeroben Bakterien: Sie sind ausgesprochen sauerstoffempfindlich, was bedeutet, dass sie vom Sauerstoff der Luft abgetötet werden. Dies erklärt, warum die physiologischen, biochemischen und ökologischen Kenntnisse über diese Bakteriengruppe noch relativ gering sind. Die Biogasbildung Die methanbildenden Bakterien sind das letzte Glied einer anaeroben Nahrungskette, an deren Anfang Biomasse aufgeteilt in Polysaccharide (Cellulose, Stärke), Proteine und Fette stehen und an der verschiedene fermentative Bakterien beteiligt sind. Ausser Lignin, der strukturgebenden Komponente von Holz und Stroh, können diese Bakteriengruppen praktisch jedes organische Material abbauen. Abb. 1: Biogasbildung 6 A: Bakterien, die Stoffe der Biomasse zu Succinat, Propionat, Butyrat, Lactat, Acetat, Alkoholen, CO und H vergären. B: Acetogene (Acetat bildende) Bakterien, die diese primären Gärprodukte zu Acetat, Formiat, CO und H vergären. C: Die methanbildenden Bakterien benutzen die Produkte der anderen Bakteriengruppen als Substrate, aus welchen sie dann Biogas erzeugen. 3. Mikroskopierversuch Am 9. Juni 006 untersuchte ich unter der Anleitung von Frau Meier eine Probe Gärgut aus der Biogasanlage in Ittigen. Das Ziel war es, Methanbakterien unter dem Mikroskop zu sehen. Aufgrund der Fachliteratur wussten wir, welche Zellformen Methanbakterien aufweisen. Ein Problem bestand jedoch darin, dass es andere Bakteriengruppen gibt, welche dieselben Zellformen aufweisen, wie die der Methanbakterien. Daher war ein Nachweis von Methanbakterien mit dem Mikroskop unsicher. 19

20 Mikroskopierprotokoll Materialien: Mikroskop, Objektträger, Deckgläser, Pipette, flüssiges Gärgut, schwarze Zeichentusche Vorgehensweise: In einem ersten Schritt erstellten wir verschiedene Präparate, um diese mikroskopieren zu können. Wir präparierten auf drei verschiedene Arten. 1. Lebendpräparat: Mit der Pipette wird ein Tröpfchen flüssiges Gärgut auf den Objektträger gegeben und dieses mit einem Wassertröpfchen verdünnt. Anschliessend legt man mit Vorsicht, damit keine Luft mit eingeschlossen wird, ein Deckglas darauf.. Ausstrichpräparat: Es wird wiederum flüssiges Gärgut mit der Pipette auf einen Objektträger gegeben. Nun verstreicht man das Tröpfchen Gärgut mit einem zweiten Objektträger gleichmässig über den Objektträger und lässt es antrocknen. 3. Tuschpräparat: Die Vorgehensweise ist dieselbe wie bei Präparat Nummer zwei, nur dass nach dem Antrocknen eine dünne Schicht schwarze Zeichentusche ausgestrichen wird. Dies hat den Vorteil, dass das Präparat unter dem Mikroskop schwarz erscheint. Die Bakterien hingegen erscheinen weiss, weil sie die Tusche nicht aufnehmen und somit gut erkennbar sind. Auswertung: Bei Präparat Nummer eins konnten wir bei 1'000-facher Vergrösserung Bakterien erkennen, welche eine Eigenbewegung aufwiesen. Die Bakterien waren, wie der Präparatname (Lebendpräparat) schon sagt, noch am Leben. Das Präparat Nummer zwei war am wenigsten geeignet, da wir keine Bakterien erkennen konnten. Beim letzten Präparat liessen sich die Bakterien in ihren Eigenformen bei 1'000-facher Vergrösserung am besten erkennen. Daher fertigte ich die untenstehende Skizze von Präparat Nummer drei an. Es waren verschiedene Zelltypen sichtbar: 1. Kokke. Stäbchen 3. Vermutlich Spirille Abb. 13: Skizze, bei 1'000-facher Vergrösserung Es ist nicht sicher, dass die gefundenen Bakterien auch wirklich Methanbakterien sind. Da die untersuchte Probe aus einer Biogasanlage stammt, kann man jedoch annehmen, dass es sich bei den beobachteten Bakterien tatsächlich um Methanbakterien handelt. 0

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