Institut für Energetik und Umwelt gemeinnützige GmbH

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1 Institut für Energetik und Umwelt gemeinnützige GmbH Institute for Energy and Environment Endbericht Kurzfassung DBU Projekt Biogasgewinnung aus Gülle, organischen Abfällen und aus angebauter Biomasse - Eine technische, ökologische und ökonomische Analyse - Geschäftsführer: Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt Deutsche Bank AG Stadt- und Kreissparkasse Leipzig Handelsregister: Amtsgericht Leipzig HRB 8071 (BLZ ) (BLZ ) Sitz und Gerichtsstand Leipzig Konto-Nr.: Konto Nr.: Zert.-Nr /1

2 Biogasgewinnung aus Gülle, organischen Abfällen und aus angebauter Biomasse - Eine technische, ökologische und ökonomische Analyse - Auftraggeber: Deutsche Bundesstiftung Umwelt Postfach Osnabrück Auftragnehmer: Institut für Energetik und Umwelt ggmbh (IE) Torgauer Str Leipzig Geschäftsbereich: Leiter: Energiewirtschaft & Umwelt Dr.-Ing. Thomas Weidele : +49 (0) 341 / : Verantwortliche Bearbeiter: Institut für Energetik und Umwelt ggmbh (IE) Ronny Wilfert Moritz Nill Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) / Institut für Technologie und Biosystemtechnik (TB) Alexander Schattauer Leipzig, 17. Mrz. 2004

3 Tabellenverzeichnis - I - Inhaltsverzeichnis Tabellenverzeichnis...III Abbildungsverzeichnis...IV 1 Einleitung Ausgangssituation Projektziele und -inhalte Grundlagen der anaeroben Vergärung Vergärungsprozess Prozessstufen Verfahren Verfahrenstechnik Eigenschaften und Zusammensetzung von Biogas Erhebung und Charakterisierung der nutzbaren Potenziale Potenzialbegriffe Vorgehensweise Datengrundlage Ausgangssituation - Stand der Nutzung von Substraten in Deutschland Zusammenfassung Erhebung des Standes der Technik von Biogasanlagen Vorgehensweise bei der Datenerhebung Darstellung der Anlagenkomponenten Zusammenfassung Prozesstechnische Analyse Ausgangssituation und Zielstellung Anaerober Abbauprozess Vorgehensweise Stand der Gewinnung und Nutzung von Biogas in Deutschland Ausgangssituation Anlagenanzahl und Leistung... 21

4 Tabellenverzeichnis - II Entwicklung des Biogasanlagenbestandes Leistungsentwicklung von Biogasanlagen Ökonomische Analyse Wirtschaftlichkeit von Anlagen Kostenanalyse Investitionen Kostenblöcke Spezifische Investitionen Investitionsentwicklung Betriebskosten Wartung und Instandhaltung Zündöl Betriebsmittel Prozessenergie Personalkosten Versicherungen Sonstige Betriebskosten Abschreibungen Kapitaldienst Steuerliche Aspekte Substratkosten Ertragsanalyse Energieproduktion Stromeinspeisevergütung Nutzung und Vergütung von Wärme Entsorgungserlöse Düngemittel Modellanlagen Anlagenkonfiguration Verfahrenstechnische Auslegung Substratspezifische Basisannahmen Kostenwirksame Basisannahmen Wirtschaftlichkeitsberechnung Auswahl der Berechnungsart... 54

5 Tabellenverzeichnis - III Bestimmung von Gestehungskosten Vorgehensweise Wirtschaftlichkeit verschiedener Leistungsbereiche Parametervariation Wirtschaftlichkeit verschiedener Kosubstrate Darstellung der Basisfälle Darstellung der Leistungsklassen Zusammenfassung Darstellung der Parametervariationen Zusammenfassung Ökologische Analyse Ökologische Aspekte im Lebensweg Die Methodik der Ökobilanzierung Bilanzierte Wirkungsgrößen Untersuchte Referenztechniken Zusammenfassung und Schlussfolgerung Literatur- und Quellenverzeichnis...III Tabellenverzeichnis Tabelle 2-1: Merkmale zur Unterscheidung von Gärverfahren... 6 Tabelle 2-2: Zusammensetzung von Biogas im Vergleich zu Erdgas... 9 Tabelle 2-3: Eigenschaften von Biogas im Vergleich zu Erdgas... 9 Tabelle 3-1: Mengenanteile einzelner Reststofffraktionen und ihr energetisches Potenzial Tabelle 5-1: Gleichungen für den anaeroben Abbau organischer Stoffgruppen (Beispiele) Tabelle 7-1: Anteile verschiedener Kostenblöcke an der Gesamtinvestition Tabelle 7-2: Ausgleichsfunktion zur BHKW-Wartung Tabelle 7-3: Auszug aus der amtlichen AfA-Tabelle Tabelle 7-4: EEG-Stromeinspeisetarife nach 5 EEG (Angaben in ct / kwh) Tabelle 7-5: Vorschläge zur Neuregelung des Rechts der Erneuerbaren Energien im Strombereich (EEG-Novelle) Stand 18. November 2003 (Angaben in ct/kwh) Tabelle 7-6: Entsorgungserlöse für verschiedene Gärsubstrate Tabelle 7-7: Basisannahmen- Technische Ausrüstung... 49

6 Abbildungsverzeichnis - IV - Tabelle 7-8: Stoffdaten ausgewählter Gärsubstrate Tabelle 7-9: Basisannahmen-Substratkosten und -erlöse Tabelle 7-10: Basisannahmen Kosten und Erträge Tabelle 7-11: Erklärung der Abkürzungen Tabelle 7-12: Basisfälle Tabelle 7-13: Leistungsklassen der Basisfälle Tabelle 7-14: Substratgemische und Kosubstratanteile Tabelle 7-15: Parametervariationen I Tabelle 7-16: Kosubstrate und deren jeweilige Anteile Tabelle 7-17: Parametervariation II Tabelle 7-18: Wirtschaftlichkeit der Monovergärung von Rindergülle Tabelle 7-19: Tabelle 7-20: Tabelle 7-21: Tabelle 7-22: Tabelle 7-23: Tabelle 7-24: Tabelle 7-25: Wirtschaftlichkeit der Kovergärung von nachwachsenden Rohstoffen zusammen mit Rindergülle Wirtschaftlichkeit der Kovergärung von hygienisch unbedenklichen Substraten von außerhalb der Landwirtschaft zusammen mit Rindergülle Wirtschaftlichkeit der Kovergärung von hygienisch unbedenklichen Substraten von außerhalb der Landwirtschaft zusammen mit Rindergülle Auswirkungen verschiedener Parametervariationen auf den Betrieb von Biogasanlagen zur Monovergärung von Rindergülle im Vergleich zu den Basisfällen Auswirkungen verschiedener Parametervariationen auf den Betrieb von Biogasanlagen zur Kovergärung von nachwachsenden Rohstoffen im Vergleich zu den Basisfällen Auswirkungen verschiedener Parametervariationen auf den Betrieb von Biogasanlagen zur Kovergärung von hygienisch unbedenklichen Kosubstraten im Vergleich zu den Basisfällen Auswirkungen verschiedener Parametervariationen auf den Betrieb von Biogasanlagen zur Kovergärung von hygienisch bedenklichen Kosubstraten im Vergleich zu den Basisfällen Tabelle 8-1 Zusammenstellung der bilanzierten Parameter Abbildungsverzeichnis Abbildung 2-1: Schematisierter Ablauf der anaeroben Vergärung... 4 Abbildung 2-2: Allgemeiner Verfahrensablauf bei der Biogasgewinnung... 5 Abbildung 2-3: Abbildung 2-4: Typische Anlagensysteme für die Vergärung (Institut für Agrartechnik Bornim e.v., Dr. B. Linke)... 6 Schema einer landwirtschaftlichen Biogasanlage mit Kofermentation (Institut für Agrartechnik Bornim e.v., Dr. B. Linke)... 8 Abbildung 3-1: Energetische Potenziale der einzelnen Reststofffraktionen... 13

7 Abbildungsverzeichnis - V - Abbildung 5-1: Abbildung 6-1: Abbildung 6-2: Möglichkeit der Bewertung von Biogasanlagen mittels Prozessparametern und Kenngrößen Entwicklung des Bestandes und der elektrischen Gesamtleistung von Biogasanlagen in Deutschland seit Inkrafttreten von MAP und EEG /Darstellung IE Leipzig auf Datenbasis KfW) Zeitliche Entwicklung der zugesagten Kredite für den Bau von Biogasanlagen innerhalb des MAP seit September 1999/ Darstellung IE Leipzig auf Datenbasis KfW Abbildung 6-3: Anteile der einzelnen Bundesländer am Biogasanlagenbestand in Deutschland / Darstellung IE Leipzig auf Datenbasis KfW Abbildung 6-4: Abbildung 6-5: Spezifische elektrische Leistung pro Biogasanlage / Durchschnittswerte (Darstellung IE Leipzig auf Datenbasis KfW) Spezifische elektrische Leistung (Durchschnittswerte) pro Biogasanlage in den Bundesländern / Darstellung IE Leipzig auf Datenbasis KfW Abbildung 6-6: Installierte, elektrische Gesamtleistung der Biogasanlagen in den Bundesländern / Darstellung IE Leipzig auf Datenbasis KfW und eigene Erhebung Abbildung 6-7: Abbildung 6-8: Gegenüberstellung der Anteile von Leistung und Bestand der Biogasanlagen in den Bundesländern / Darstellung IE Leipzig auf Datenbasis KfW und eigene Erhebung Entwicklung der Anzahl von Biogasanlagen in Abhängigkeit der elektrischen Leistungsbereiche und dem Jahr der Kreditbeantragung / Darstellung IE Leipzig auf Datenbasis KfW und eigene Erhebung Abbildung 7-1: Durchschnittliche spezifische Investitionen für Biogasanlagen unterschiedlicher elektrischer Leistungsklassen (Datenbasis KfW) Abbildung 7-2: Entwicklung der spezifischen Investitionen für Biogasanlagen in Abhängigkeit der Leistung und des Zeitpunktes der Kreditbeantragung (Datenbasis KfW) Abbildung 7-3: Stromeinspeisevergütung nach EEG im Vergleich zu den Vorschlägen der EEG-Novelle (Stand 18.November 2003) Abbildung 7-4: Basisannahmen für die Substratzusammensetzung Abbildung 7-5: Schema zur Berechnung der Stromgestehungskosten Abbildung 7-6: Abbildung 7-7: Abbildung 7-8: Abbildung 7-9: Stromgestehungskosten von Biogasanlagen mit 50 kw installierter elektrischer Leistung (EEG=rot; Novellierung=grau; Novellierung ausschließlich nachwachsende Rohstoffe und Gülle=blau) Stromgestehungskosten von Biogasanlagen mit 150 kw installierter elektrischer Leistung (EEG=rot; Novellierung=grau; Novellierung ausschließlich nachwachsende Rohstoffe und Gülle=blau) Stromgestehungskosten von Biogasanlagen mit 350 kw installierter elektrischer Leistung (EEG=rot; Novellierung=grau; Novellierung ausschließlich nachwachsende Rohstoffe und Gülle=blau) Stromgestehungskosten von Biogasanlagen mit 750 kw installierter elektrischer Leistung (EEG=rot; Novellierung=grau; Novellierung ausschließlich nachwachsende Rohstoffe und Gülle=blau)... 72

8 - VI - Abbildung 7-10: Auswirkungen verschiedener Parametervariationen auf den Betrieb von Biogasanlagen zur Monovergärung von Rindergülle (EEG=rot; Novellierung ausschließlich nachwachsende Rohstoffe und Gülle=blau) Abbildung 7-11: Auswirkungen verschiedener Parametervariationen auf den Betrieb von Biogasanlagen zur Kovergärung von nachwachsenden Rohstoffen (EEG=rot; Novellierung ausschließlich nachwachsende Rohstoffe und Gülle=blau) Abbildung 7-12: Auswirkungen verschiedener Parametervariationen auf den Betrieb von Biogasanlagen zur Kovergärung von hygienisch unbedenklichen Kosubstraten (EEG=rot; Novellierung=blau) Abbildung 7-13: Auswirkungen verschiedener Parametervariationen auf den Betrieb von Biogasanlagen zur Kovergärung von hygienisch bedenklichen Kosubstraten (EEG=rot; Novellierung=blau) Abbildung 8-1: Skizze zum Vorgehen bei einer Hybrid-Ökobilanz... 87

9 Einleitung Einleitung 1.1 Ausgangssituation Vor dem Hintergrund der globalen Anstrengungen zur Reduzierung der Emission von Treibhausgasen verabschiedete die Europäische Kommission 1998 das Weißbuch für erneuerbare Energieträger. Darin wird eine Verdoppelung des Anteils erneuerbarer Energien an der Energiebereitstellung auf 12 % bis zum Jahr 2010 (Referenzjahr 1995) angestrebt. Dabei soll der Anteil der Biomasse überdurchschnittlich wachsen. Eine diesbezüglich viel versprechende Möglichkeit besteht in der anaeroben Vergärung geeigneter Biomassen. Aus dem dabei entstehenden Biogas kann Strom und Wärme mittels Kraft-Wärme-Kopplung CO 2 -neutral produziert werden. Die Gewinnung und Nutzung von Biogas ist im Gegensatz z.b. zu Wind- und Solarenergie saisonal unabhängig und somit grundlastfähig. Durch die Auflage des Marktanreizprogramms zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien (MAP) im Jahr 1999 und das Inkrafttreten des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) am 1. April 2000 wurden in der Bundesrepublik Deutschland Instrumente geschaffen, die der Umsetzung der europäischen Zielvorgaben dienen. Flankiert werden sie durch verschiedene Investitionsförderprogramme der Länder und Kommunen. Neben energie- und umweltpolitischen Fragestellungen liegen hier weitere starke Akzente im beschäftigungspolitischen Bereich, vor allen für land- und forstwirtschaftlich geprägte Gebiete. Notwendig ist in diesem Zusammenhang somit eine Gesamtbewertung der sich abzeichnenden Trends hinsichtlich Fertigung und Errichtung von Biogasanlagen und Komponenten. Die Rahmenbedingungen und Erfordernisse für den wirtschaftlichen Betrieb einer Biogasanlage sind uneinheitlich und abhängig vom Blickwinkel der verschiedenen Akteure. Die Angaben zu technischen Einrichtungen und Komponenten und die dafür anfallenden Investitionen sind auf Grund der raschen und komplexen Entwicklungen innerhalb der Branche schnell überholt. Die Ableitung von Forschungs- und Entwicklungsbedarf und Empfehlungen für eventuelle Änderungen bzw. Anpassungen von bestehenden Fördermaßnahmen wird somit teilweise erschwert. Vorliegende Arbeiten zu dieser Thematik betrachten lediglich Einzelaspekte der Biogastechnik. Bisher kaum realisiert ist u.a. die Darstellung und Bewertung von Umwelteffekten beim Bau und Betrieb von Biogasanlagen sowie deren vorgelagerter Produktionsketten. Informationsdefizite stellen grundsätzlich ein Hemmnis bei der Realisierung von Biogasanlagen dar. Die aufgeführten Problematiken führten und führen in Summe nicht selten zu einer Verlangsamung der agrar-, umwelt- und energiepolitisch sinnvollen Entwicklung der Biogasbranche in den letzten Jahren.

10 Einleitung Projektziele und -inhalte Vor dem Hintergrund der in Abschnitt 1.1 geschilderten Situation beauftragte die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) im Juni 2001 das Institut für Energetik und Umwelt ggmbh (IE) in Leipzig und das Institut für Technologie und Biosystemtechnik der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) in Braunschweig mit der Erarbeitung einer Analyse der Gewinnung und Nutzung von Biogas in der Bundesrepublik Deutschland für den landwirtschaftlichen Bereich. Im ersten Teil des Bearbeitungszeitraums waren hauptsächlich ausführliche Erhebungen im Bereich Biogasgewinnung und nutzung vorgesehen. Im August 2002 wurde ein Zwischenbericht mit ersten Ergebnissen vorgelegt und präsentiert. Die Schwerpunkte dabei waren: Potenzialerhebungen nutzbarer organischer Stoffströme Erhebung des aktuellen Standes der Technik für Biogasanlagen und Systemkomponenten Erhebung des aktuellen Standes der Gewinnung und energetischen Nutzung von Biogas in der Bundesrepublik Deutschland. Darüber hinaus dienen die Ergebnisse des Zwischenberichtes als Basis für weitergehende Analysen des Baus und Betriebs von Biogasanlagen. Als Schwerpunkte im zweiten Abschnitt der Projektbearbeitung waren folgende drei Hauptaspekte vorgesehen: Prozesstechnische Analyse Analyse des mikrobiologischen Abbauprozesses und Ermittlung von verfahrenstechnischen Parametern und Betriebsgrößen (z.b. Abbauraten, Raumbelastung, Gasqualität und -quantität). Untersuchung der Daten hinsichtlich ihrer systemtechnischen Aussagekraft mit dem Ziel der Bestimmung von Kenngrößen zur Bewertung und zum Vergleich von Anlagen und Verfahren. Ökonomische Analyse Darstellung der Möglichkeiten zur Finanzierung von Biogasanlagen Ermittlung und Analyse der Kosten und Erträge beim Bau und Betrieb von Biogasanlagen Berechnung von Energiegestehungskosten Variation von Eingangsparametern (z.b. Investitionshöhe, Förderhöhe, Zinssatz etc.) zur Überprüfung der jeweiligen Einflüsse auf die Wirtschaftlichkeit der Anlagen Ökologische Analyse Untersuchung der Umwelteffekte wie z.b. der klimawirksamen Spurengasen beim Bau und Betrieb von Biogasanlagen durch Erarbeitung von ökobilanziellen Lebenszyklusanalysen unter Einbeziehung vor- und nachgelagerter Prozessketten

11 Grundlagen der anaeroben Vergärung Das Projekt hat folglich das Ziel, Einblicke in verschiedene Bereiche der Biogastechnologie zu vermitteln. Unter Berücksichtigung der aktuellen Potenziale an organischen Stoffströmen und verschiedener Technikoptionen wird versucht, anhand repräsentativer und praxisnaher Beispiele technische und wirtschaftliche Möglichkeiten sowie Grenzen der Biogasgewinnung und -nutzung in Deutschland darzustellen. Hierdurch soll einem Informationsbedürfnis in der Öffentlichkeit Rechnung getragen werden. Des Weiteren soll eine Datenbasis geschaffen werden, die für potenzielle Investoren, Betreiber, Planer und Genehmigungsbehörden bei Entscheidungen bezüglich der Realisierung und des Betriebs von Biogasanlagen hilfreich sein kann. Bei dem vorliegende Bericht handelt es sich um eine Kurzfassung des Endberichtes des o.g. Projektes. Im Gegensatz zur Langfassung sind hierbei wesentliche Teile der Erhebungen und Darstellungen hinsichtlich der Erhebungen einzelner Substratpotenziale, der Verfahrenstechnik sowie technischer Einzelkomponenten (Erhebungen des Standes der Technik) nicht enthalten. Dies gilt im gleichen Maße für die ausführliche Darstellung des anaeroben Vergärungsprozesses, der Prozessbedingungen und Einflussfaktoren sowie der Ausführungen im Bezug auf relevante Kenngrößen inklusive deren Anwendung zur Beurteilung von Prozessen. Die ökologische Analyse ist in der Kurzfassung ebenfalls nicht komplett enthalten. Der Schwerpunkt der Kurzfassung liegt somit auf der ökonomischen Analyse und somit der Untersuchung der Wirtschaftlichkeit von verschiedenen modellhaften Anlagenkonfigurationen. Allen Ausführungen und Darstellungen liegen die jeweiligen Kenntnisstände zwischen Juli und November 2003 zugrunde. 2 Grundlagen der anaeroben Vergärung Zum besseren Verständnis der komplexen Thematik werden an dieser Stelle einige Grundlagen der anaeroben Vergärung bzw. des anaeroben Abbaus von organischem Material und somit der Biogasgewinnung kurz dargestellt und ausgeführt. 2.1 Vergärungsprozess Der Vergärungsprozess ist eine komplexe Stoffwechselkette verschiedenster Mikroorganismen. Nach heutigem Wissensstand läuft dieser Prozess prinzipiell in vier voneinander abhängigen Stufen ab, die jeweils durch die Anwesenheit von speziellen Bakterienstämmen gekennzeichnet sind. In der Hydrolysephase werden langkettige organische Verbindungen (Polymere) durch Exoenzyme gespalten. Da hierbei feste Substanzen in Lösung gehen, nennt man diesen Schritt auch Verflüssigung bzw. Hydrolyse. Bei den entstehenden Produkten handelt es sich um niedermolekulare Verbindungen (Monomere und Dimere). Die Hydrolysephase ist in der Regel der geschwindigkeitsbestimmende

12 Grundlagen der anaeroben Vergärung Schritt des anaeroben Abbaus. Die nieder-molekularen Verbindungen werden in der Versäuerungsphase durch strikt und/oder fakultativ anaerobe acidogene Bakterien zu kurzkettigen Fettsäuren sowie zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid abgebaut. In der Essigsäurephase werden die Stoffwechselprodukte, die nicht bereits von den in dieser Phase ebenfalls anwesenden Methanbakterien umgesetzt werden konnten, von acetogenen Bakterien zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid abgebaut. In der Methanbildungsphase wird durch anaerobe, sogenannte methanogene Bakterien aus den in den vorangegangenen Phasen gebildeten Produkten mit Hilfe molekularen Wasserstoffs Methan gebildet. Abbildung 2-1 zeigt den Ablauf der anaeroben Vergärung in vereinfachter Form. Die ausführliche Beschreibung des anaeroben Abbauprozesses durch z.b. die Anforderungen von Mikroorganismen und Substraten an die einzusetzende Technik, die optimalen Milieubedingungen sowie die verschiedenen Verfahrensvarianten finden sich in der Langfassung des Endberichtes. Tierische Exkremente, Landwirtschaftliche Reststoffe, Industrielle Neben- und Abfallprodukte, Kommunale Rest- und Abfallprodukte Hydrolytische Acidogene Langkettige Polymere Fette, Eiweiße, Kohlenhydrate Acetogene Bakterien Kurzkettige Monomere u. Dimere Fettsäuren, Aminosäuren, Zucker Bakterien Kurzkettige organische Säuren (z.b. Propionsäure) Alkohole Bakterien Essigsäure (CH 3 COOH), Kohlendioxid (CO 2 ), Wasserstoff (H 2 ) 1. Phase Hydrolyse 2. Phase Versäuerung 3. Phase Essigsäurebildung Methanogene Bakterien Methan (CH 4 ), Kohlendioxid (CO 2 ), Schwefelwasserstoff (H 2 S) u.a. 4. Phase Methanbildung Biogas Abbildung 2-1: Schematisierter Ablauf der anaeroben Vergärung 2.2 Prozessstufen Die technische Umsetzung der Vergärung orientiert sich zwangsläufig an den biologischen Grundlagen des anaeroben Vergärungsprozesses. Dabei kommen, je nach Anforderungen seitens der Substrate, verschiedene Anlagenkonfigurationen zum Einsatz. Trotzdem gibt es einen grundsätzlichen Verfahrensablauf, so dass sich alle Anlagen hinsichtlich ihres systemtechnischen Aufbaus ähneln.

13 Grundlagen der anaeroben Vergärung Eine landwirtschaftliche Biogasanlage kann grundsätzlich in vier Prozessstufen unterteilt werden. In der ersten Stufe wird das Substrat bereitgestellt, gelagert, je nach Anforderungen aufbereitet und in den Fermenter eingebracht. Als zweite Stufe folgt der eigentliche anaerobe Vergärungsprozess im Fermenter. Die dritte Stufe beinhaltet die Gasaufbereitung und die Gasnutzung. Als vierte Stufe, quasi parallel zur dritten, folgt die Lagerung, Verwertung und / oder Nutzung der Gärreste. Abbildung 2-2 zeigt den Verlauf und die Zusammenhänge der vier Prozessstufen und die dabei jeweils ablaufenden verfahrenstechnischen Vorgänge. Anlieferung u. Lagerung Aufbereitung u. Vorbehandlung Sortierung, Zerkleinerung, Anmaischen, Homogenisieren 1. Prozesstufe Einbringung Förderung, Dosierung Biogasgewinnung Vergärung Biogas Biogasaufbereitung- u. speicherung Trocknung, Entschwefelung Biogas Gärrestlagerung u./o. Nachgärung Gärrestaufbereitung Separierung (fest/flüssig) Biogasverwertung Stromproduktion u. Wärmegewinnung (KWK) 2. Prozessstufe Gärreste Abwasserbehandlung Ausbringung, Kompostierung 3. Prozessstufe 4. Prozessstufe Abbildung 2-2: Allgemeiner Verfahrensablauf bei der Biogasgewinnung 2.3 Verfahren Für die anaerobe Vergärung werden im Wesentlichen Speicher-, Durchfluss- und Speicher- Durchfluss-Anlagen eingesetzt. Bei Speicheranlagen dient der Fermenter gleichzeitig als Lagerbehälter. Durchfluss- und Speicher-Durchflussanlagen werden (quasi)kontinuierlich beschickt, wobei gleichzeitig die entsprechende Menge Gärreste ausgetragen wird. Während bei reinen Durchflussanlagen die Gärreste in offenen Behältern gelagert werden, ist bei Speicher- Durchflussanlagen der Lagerbehälter gasdicht ausgeführt, um das sich bei der Nachgärung bildende Biogas nutzen zu können.

14 Grundlagen der anaeroben Vergärung Abbildung 2-3: Typische Anlagensysteme für die Vergärung (Institut für Agrartechnik Bornim e.v., Dr. B. Linke) Zur Klassifikation der verschiedenen Verfahrensvarianten dienen signifikante Prozessparameter sowie bauliche Merkmale (Tabelle 2-1). Tabelle 2-1: Merkmale zur Unterscheidung von Gärverfahren Kriterium Art und Herkunft der Substrate TS-Gehalt der Substrate Prozesstemperatur Prozessrealisierung Beschickungsintervalle Unterscheidungsmerkmale Landwirtschaftliche Mono- und Kovergärungsanlagen Bioabfallvergärungsanlagen Nassvergärung (TS < 15%; pumpfähig) Trockenvergärung (TS > 15 bis < 35 %; stapelbar) psychrophil (< 20 C) mesophil (25-43 C) thermophil (< 55 C) ein-, zwei- und mehrstufig diskontinuierlich semi- bzw. quasikontinuierlich Bei nahezu allen landwirtschaftlichen Biogasanlagen wird als Basisverfahren die Nassvergärung eingesetzt. Anlagen zur Trockenvergärung spielen in der Praxis bisher kaum eine Rolle. Sie sind größtenteils noch im Versuchs- bzw. Pilotstadium anzusiedeln. Etwa 64 % der Biogasanlagen bundesweit werden einstufig betrieben. Eine zweistufige Prozessführung kommt bei 30 % der Anlagen zum Einsatz. Drei und mehr Stufen sind nur in einigen wenigen Fällen anzutreffen. Die mesophile Betriebsweise dominiert mit einem Anteil von etwa 86 % aller Anlagen. Etwa 10% der Anlagen werden thermophil betrieben. Bei rund 15 % kommt eine Kombination beider Betriebsweisen zur Anwendung. Der verbleibende Rest wird im psychrophilen Milieu betrieben. Lokale

15 Grundlagen der anaeroben Vergärung Verschiebungen dieser Anteile resultieren oft aus der Marktführerschaft eines Anbieters in einer bestimmten Region. 2.4 Verfahrenstechnik Zur Realisierung der einzelnen Verfahrensschritte innerhalb der Prozessstufen werden verschiedene technische Anlagenkomponenten (Baugruppen und Aggregate) eingesetzt. Diese sind auf Grund ihrer Funktionen eng miteinander verbunden und voneinander abhängig. Die Wahl der verfahrenstechnischen Ausrüstung für eine Biogasanlage ist, wie auch schon die Auswahl des eigentlichen Gärverfahrens, in erster Linie von den zur Verfügung stehenden Substraten abhängig. Diese bestimmen durch ihre Quantität (anfallende Menge pro Zeiteinheit) die Dimensionierung von Behältervolumina usw. sowie durch ihre Qualität (TS- Gehalt, Struktur der Gärsubstrate u.a.) die Auslegung der Vorbehandlungstechnik. Die Basis- und Kosubstrate werden meist in einer Vorgrube gesammelt, zerkleinert und homogenisiert. Je nach ihrer Zusammensetzung kann zusätzlich eine Anmaischung und/oder Abtrennung von Störstoffen erforderlich sein. Werden Kosubstrate von außerhalb der Landwirtschaft eingesetzt, kann unter Umständen deren Hygienisierung notwendig werden. Die Substrateinbringung in den Fermenter wird meist durch elektrisch betriebene Pumpen realisiert. Die Einbringung von Feststoffen wird über Einspülschächte, Förderschnecken u.a. realisiert. Hauptkomponente der Biogasanlage ist der Fermenter. Die verschiedenen verfügbaren Systeme unterschiedet man nach ihrer Form (Pfropfenstromfermenter, Rührkessel), Bauweise (stehend, liegend), Art der Durchmischung (mechanisch, hydraulisch, pneumatisch) sowie Art der Temperierung (interne und externe Wärmetauscher) und nicht zuletzt nach den verwendeten Materialien (Stahl, Beton). Grundanforderungen für alle Varianten sind Gasdichtheit, Temperierung und Isolierung, Einrichtungen zur Durchmischung sowie zum Ein- und Austrag von Substrat. Bei thermophiler Betriebsweise verkürzt sich die Verweilzeit. Der Prozess ist dann jedoch anfälliger gegenüber auftretenden Temperaturschwankungen. Die Speicherung des gewonnenen Biogases erfolgt in Niederdruckspeichern entweder intern und somit direkt über dem Fermenter (Folienhauben) oder extern in separaten Gebäuden bzw. Räumen (Folienkissen). Verwertet wird das Biogas nach seiner Aufbereitung (Entwässerung und Entschwefelung) derzeit überwiegend in Blockheizkraftwerken (BHKW) zur gekoppelten Produktion von Strom und Wärme. Hierbei kommen hauptsächlich Gas-Ottomotoren und Zündstrahlmotoren zum Einsatz. Die aus dem Fermenter ausgetragenen Gärreste werden in geschlossenen oder offenen Nachgär- bzw. Gärrestbehältern gesammelt bzw. gelagert und in den dafür vorgesehenen Zeiträumen als Flüssigdünger auf landwirtschaftlichen Nutzflächen ausgebracht. Die wesentlichen Anlagen-

16 Grundlagen der anaeroben Vergärung komponenten, Baugruppen und Aggregate einer landwirtschaftlichen Biogasanlage mit Kofermentation und ihre Verknüpfung innerhalb des landwirtschaftlichen Betriebs sind in Abbildung 2-4 dargestellt. Gülle 1 9 organische Abfälle Faulschlamm Biogas Strom 7 5 Wärme Abbildung 2-4: 1 Stallanlagen 2 Güllegrube 3 Sammelbehälter 4 Hygienisierungstank 5 Biogasreaktor 6 Gasspeicher 7 Blockheizkraftwerk 8 Güllelagerbehälter 9 Ackerfläche 8 Schema einer landwirtschaftlichen Biogasanlage mit Kofermentation (Institut für Agrartechnik Bornim e.v., Dr. B. Linke) 2.5 Eigenschaften und Zusammensetzung von Biogas Das bei der Vergärung gebildete Gasgemisch (Biogas) besteht hauptsächlich aus Methan (CH 4 ) und Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) und ist wasserdampfgesättigt. Methan stellt hierbei die energetisch nutzbare Fraktion dar, deren Anteil zwischen 55 und 70 % liegt. Je nach Zusammensetzung der eingesetzten Gärsubstrate (z.b. Eiweißüberschuss) entstehen geringe Mengen an Schwefelwasserstoff (H 2 S) und Ammoniak (NH 3 ). Der Heizwert (H u ) von Biogas ist grundsätzlich proportional zum Methangehalt. Er schwankt bei einem Volumenanteil von 55 bis 70 % Methan im Biogas zwischen 19,8 und 25,2 MJ/m 3. Methan, Kohlendioxid, Stickstoff und Sauerstoff sind farb- und geruchlose Gase. Schwefelwasserstoff hingegen besitzt den charakteristischen Geruch von faulen Eiern und wirkt bei einer Konzentration von 400 ppm in der Atemluft nach 30 Minuten toxisch (MAK-Wert=10ppm) Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff bilden in Verbindung mit Feuchtigkeit Säuren und wirken somit korrosiv. Insbesondere Schwefelwasserstoff schädigt bereits in geringen Mengen technische Einrichtungen und gelangt durch Oxidation bei der Verbrennung mit dem Abgas als umweltschädigendes Schwefeldioxid (SO 2 ) in die Atmosphäre. Erhöhte Ammoniakkonzentrationen führen zur Herabsetzung der Klopffestigkeit des Gases. Hierdurch kann es zu Selbstentzündungen des

17 Erhebung und Charakterisierung der nutzbaren Potenziale Gases an heißen Teilen des Brennraums kommen. Die Folge ist eine so genannte harte Verbrennung, wodurch Schwingungen und Überhitzungen entstehen, die den Motor schädigen. Tabelle 2-2: Zusammensetzung von Biogas im Vergleich zu Erdgas Substanz Biogas Erdgas Gehalte in Vol. % Methan (CH 4 ) Kohlendioxid (CO 2 ) Stickstoff (N 2 ) < 3 1 Sauerstoff, Wasserstoff (O 2, H 2 ) < 2 - Schwefelwasserstoff (H 2 S) < 1 - Ammoniak (NH 3 ) Spuren - Ethan (C 2 H 6 ) - 3 Propan, Butan (C 3 H 8, C 4 H 10 ) - 2 Tabelle 2-3: Eigenschaften von Biogas im Vergleich zu Erdgas Eigenschaft Biogas Erdgas Brennwert (MJ / Nm 3 ) Dichte (kg / Nm 3 ) 1,05 1,20 0,6 0,9 Zündgrenze (% / Nm 3 Luft) Zündtemperatur ( C) Zündgeschwindigkeit, max. (m/s) 0,25 0,39 Messungen an Biogasanlagen hinsichtlich weiterer luftverunreinigender sowie geruchsintensiver Stoffe wie z.b. PAK, BTX, Mercaptane, Cumol u.a. ergaben bis auf wenige Ausnahmen Konzentrationen unterhalb der jeweiligen Nachweisgrenze. 3 Erhebung und Charakterisierung der nutzbaren Potenziale 3.1 Potenzialbegriffe Bei den Energiepotenzialen der einzelnen Bioenergieträger kann zwischen theoretischen, technischen, wirtschaftlichen und erschließbaren Potenzialen unterschieden werden. Das theoretische Potenzial regenerativer Energien ergibt sich aus dem physikalischen Angebot der erneuerbaren Energiequellen (sämtliche Phyto- und Zoomasse) und stellt damit eine theoretische Obergrenze des verfügbaren Energieangebots dar. Wegen grundsätzlich unüberwindbarer technischer, ökologischer, struktureller und administrativer Schranken kann es zumeist nur zu sehr geringen

18 Erhebung und Charakterisierung der nutzbaren Potenziale Anteilen erschlossen werden und ist deshalb zur Beurteilung der tatsächlichen Nutzbarkeit des erneuerbaren Energieangebots im Allgemeinen nicht relevant. Das technische Potenzial beschreibt demgegenüber den Anteil des theoretischen Potenzials, der unter Berücksichtigung der derzeitigen technischen Möglichkeiten nutzbar ist. Im Einzelnen werden bei der Berechnung die verfügbaren Nutzungstechniken, ihre Wirkungsgrade, die Verfügbarkeit von Standorten auch im Hinblick auf konkurrierende Nutzungen sowie "unüberwindbare" strukturelle, ökologische (z. B. Naturschutzgebiete) und weitere nicht-technische Beschränkungen berücksichtigt. Unter dem wirtschaftlichen Potenzial einer Option zur Nutzung regenerativer Energien wird der Anteil des technischen Potenzials verstanden, der im Kontext der gegebenen energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen wirtschaftlich genutzt werden kann. Um die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit des betrachteten regenerativen Energieträgers bzw. -systems beurteilen zu können, sind die innerhalb der jeweiligen Einsatzbereiche konkurrierenden anderen Energiebereitstellungssysteme zu definieren. Das wirtschaftliche Potenzial zur Nutzung regenerativer Energien wird damit sowohl von den konventionellen Energiesystemen als auch den Energieträgerpreisen beeinflusst. Das erschließbare Potenzial beschreibt den zu erwartenden tatsächlichen Beitrag einer Option zur Nutzung regenerativer Energien. Es ist in der Regel zumindest zeitweise geringer als das wirtschaftliche Potenzial, da dieses i. Allg. nicht sofort und vollständig nur sehr langfristig (z. B. wegen begrenzter Herstellkapazitäten oder mangelnder Information) erschließbar ist. Das erschließbare Potenzial kann aber auch größer als das wirtschaftliche sein, wenn beispielsweise die betreffende Option zur Nutzung regenerativer Energien subventioniert wird (z. B. Markteinführungsprogramm). 3.2 Vorgehensweise Ziel dieses Kapitels ist es, die energetischen Potenziale der unterschiedlichen Substrate, die für eine anaerobe Vergärung genutzt werden können, zu erfassen, belastbar zu quantifizieren und zu diskutieren. Schwerpunktmäßig sollen im Rahmen der folgenden Potenzialerhebungen für verschiedene ausgewählte Substrate die jeweiligen technischen Angebotspotenziale und daraus abgeleitet die technischen Energieerzeugungspotenziale. Bei der Potenzialermittlung wird grundsätzlich von Anlagenkonzepten bzw. technischen Systemen zur Nutzung von Biomasse ausgegangen, wie sie derzeit auf dem Markt verfügbar sind. Die Erhebung der Daten erfolgt gesondert in den jeweiligen Bundesländern. Im weiteren Verlauf wurde versucht, die Resultate der Potenzialerhebungen unter Einbeziehung bestehender und sich abzeichnender wirtschaftlicher sowie rechtlicher Rahmenbedingungen hinsichtlich ihrer Erschließbarkeit realistisch einzuschätzen.

19 Erhebung und Charakterisierung der nutzbaren Potenziale Dies erstreckt sich im Wesentlichen auf Stoffströme aus folgenden Quellen: Landwirtschaft - hier vor allem tierische Exkremente und Futterreste aus der Viehhaltung sowie Ernterückstände aus der Pflanzenproduktion Nachwachsende Rohstoffe die zwar der Landwirtschaft zuzuordnen sind, jedoch auf Grund ihrer speziellen Situation gesondert betrachtet werden sollen Lebens- und Genussmittelindustrie hier z.b. Herstellung von Bier, Säften, Zucker, Fleisch etc. Kommunale Aufkommensquellen hier z.b. die organische Müllfraktionen der Haushalte, Abfälle aus der Landschaftspflege, Marktabfälle, Reststoffe aus Kantinen sowie dem sogenannten Außer-Haus-Verzehr Für diese verschiedenen Stoffströme wurden die anfallenden Stoffmengen weitestgehend quantifiziert und räumlich nach Aufkommen in den einzelnen Bundesländern erfasst und gegliedert. 3.3 Datengrundlage Die Datengrundlage für die quantitative und qualitative Ermittlung der verschiedenen Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle aus Landwirtschaft, Industrie und Kommunen bilden aktuelle Statistiken der Statistischen Landesämter, Abfallbilanzen der Länder, Angaben verschiedener Verbände der jeweiligen Industriezweige etc. So dienen z.b. als Basis für die regionale Untersetzung der organischen Stoffströme aus der Viehhaltung die aktuellen Viehzählungen. Die Erhebung der organischen Stoffströme aus Industrie und Gewerbe gestaltete sich auf Grund der oft geringen Anzahl relevanter Betriebe schwieriger. Zur Sicherung der Plausibilität der Potenzialerhebungen wurden und werden diese Ermittlungen durch punktuelle Befragungen überprüft und gegebenenfalls konkretisiert. Dies gilt insbesondere für Potenziale, deren Relevanz als regional begrenzt anzusehen ist. Des Weiteren findet anhand verschiedener einschränkender Kriterien wie z.b. Betriebsgrößen und - strukturen in der Landwirtschaft, alternative und/oder konkurrierende Verwertungsmöglichkeiten für organische Rest- und Abfallstoffe, Infrastruktur etc. eine erste Abschätzung der tatsächlichen Relevanz der Stoffströme hinsichtlich deren energetischer Nutzung in Biogasanlagen statt. Ausgehend von den resultierenden organischen Stoffströmen wurden zunächst die daraus technisch gewinnbaren Biogasmengen ermittelt. Für die Bestimmung der jeweiligen Biogas- und Energieerträge wurden substratspezifische Werte der unterschiedlichen organischen Stoffe benötigt. Diese wurden aus der Fachliteratur entnommen und resultieren meist aus der Durchführung von Labor-Gärversuchen verschiedener Fachinstitutionen. In Tabelle 7-8 sind repräsentative Werte aufgeführt, die in diesem Zusammenhang Orientierungswerte darstellen.

20 Erhebung und Charakterisierung der nutzbaren Potenziale Da in Abhängigkeit von der verfahrenstechnischen Gestaltung und Betriebsweise von Biogasanlagen Unterschiede hinsichtlich der gewinnbaren Biogasmenge gegeben sind, werden den Berechnungen Durchschnittswerte zu Grunde gelegt. 3.4 Ausgangssituation - Stand der Nutzung von Substraten in Deutschland Die folgenden Angaben entstammen dem 1. Zwischenbericht des Forschungsvorhabens Wissenschaftliches Messprogramm zur Bewertung von Biogasanlagen im landwirtschaftlichen Bereich, das in der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) Institut für Technologie und Biosystemtechnik in Braunschweig bearbeitet wird. Derzeit werden bundesweit schwerpunktmäßig Schweine- und Rindergülle als Basissubstrate in landwirtschaftlichen Biogasanlagen eingesetzt. Diese beiden Substratarten überwiegen in 45 bzw. 65 % der Biogasanlagen, wobei 10 % der Betriebe beide Stoffe nutzen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt bei Rinderfestmist, der in etwa 40 % der Anlagen vergoren wird. Geflügelmist bzw. -trockenkot spielen mit etwa 15 % entsprechend ihrem Aufkommen eine eher untergeordnete Rolle, wobei jedoch einige regionale Schwerpunkte im Nordwesten Deutschlands existieren. Hinsichtlich der Verarbeitungskapazitäten der Biogasanlagen gibt es regional große Unterschiede. Im Nordosten Deutschlands haben z.b. 70 % der Anlagen einen Durchsatz von 7500 m 3 und mehr pro Jahr. Bundesweiter Durchschnitt ist ein Durchsatz von etwa bis m 3 pro Jahr. Zusätzlich zu den tierischen Exkrementen setzten bundesweit etwa 93 % der Biogasanlagen Kosubstrate ein. Die Art der Kosubstrate und die Häufigkeit ihres Einsatzes unterscheiden sich regional nur wenig. Das gemessen an der Häufigkeit des Einsatzes am meisten genutzte Kosubstrat sind die nachwachsenden Rohstoffe und hier allen voran der Silomais. Danach folgen in dieser Reihenfolge: Ernterückstände, Rasenschnitt, Fette, Speiseabfälle, Bioabfall und Abfälle aus der Lebensmittelindustrie. In Biogasanlagen, die in Kofermentation betrieben werden, werden bis zu sechs verschiedene Kosubstrate zugesetzt. Die meisten Anlagen werden jedoch lediglich mit ein bis zwei verschiedenen Kosubstraten betrieben. Der Anteil der Kosubstrate bezogen auf das insgesamt zugeführte Substratgemisch beträgt bundesweit bei etwa 40 % der Biogasanlagen unter 25 %. In weiteren 25 % der Anlagen werden bis zu 50 % an Kosubstraten mitverarbeitet. 3.5 Zusammenfassung Insgesamt ergibt sich für die Bundesrepublik Deutschland ein nutzbares Abfall- und Reststoffaufkommen von ca t. Dabei entfällt auf die Exkremente aus der Landwirtschaft der größte Mengenanteil von etwa 75 %.

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