Erfolgsfaktoren für Biogasanlagen ein europäischer Vergleich

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1 Erfolgsfaktoren für Biogasanlagen ein europäischer Vergleich Diplomarbeit an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich Institut für Agrarwirtschaft Referent: Prof. Dr. Bernard Lehmann Korreferent: Prof. Dr. Michael Kreuzer Betreuung: Michael Hartmann vorgelegt von: Nanina Gubler Sommersemester 2006 Agri-food and Agri-environmental Economics Group Head: Prof. Dr. Bernard Lehmann Institut für Agrarwirtschaft IAW

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3 Eidgenössische Technische Hochschule Zürich ETH Agri-food and Agri-environmental Economics Group Head: Prof. Dr. Bernard Lehmann Institut für Agrarwirtschaft IAW ETH SOL CH-8092 Zürich Tel Fax

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7 Vorwort und Dank Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Erfolgsfaktoren für Biogasanlagen. Diese Arbeit hat mir die Gelegenheit gegeben, mich eingehend mit der Biogasthematik zu befassen und die landwirtschaftlichen Biogasanlagen in der Schweiz im europäischen Vergleich zu untersuchen. Am Ende meiner Diplomarbeit möchte ich mich bei allen bedanken, die mich bei den dabei auftretenden kleineren und grösseren Herausforderungen unterstützt haben: Herrn Prof. Dr. Lehmann und Korreferent Prof. Dr. Kreuzer danke ich für die Vergabe der interessanten Aufgabenstellung und die Inputs zu Beginn der Arbeit. Meinem Betreuer Michael Hartmann danke ich für seine jederzeit offene Tür, die Zeit, die er aufgebracht hat um mich zu unterstützen, sowie die vielen wertvollen Ratschläge und Hinweise. Die Möglichkeit, an der Vortragsveranstaltung in Weihenstephan (Deutschland) teilzunehmen, hat mir einen sehr guten Einstieg ins Thema ermöglicht. Ich danke meinen Studienkollegen Patricia, Martina, Martin, Christoph, Stephan und Georg für die angenehme Zeit, die wir zusammen verbracht haben, die Tipps zum MS Word und die offenen Ohren jedes andere Thema betreffend. Bedanken möchte ich mich auch bei allen Personen, die sich bereit erklärt haben, den Fragebogen auszufüllen und sich für weitere Gespräche zur Verfügung gestellt haben. Bei allen Personen, die sich die Zeit genommen haben, meine Arbeit Korrektur zu lesen, bedanke ich mich herzlichst. An dieser Stelle möchte ich mich auch bei meiner Familie bedanken, die mich während der Studienzeit bei allem unterstützt hat und mir gegebenenfalls mit Rat und Tat beiseite stand. Meinem Freund danke ich für die unschätzbare Art und Weise, wie er mich unterstützt bei allem. Zürich, den 24. August 2006 Nanina Gubler I

8 Zusammenfassung Seit neuerer Zeit nehmen die Anzahl der Biogasanlagen und das Interesse an dieser Technologie im Allgemeinen zu, dies ist insbesondere in Ländern der EU (Europäische Union) zu beobachten. In der Schweiz steigt die Anzahl landwirtschaftlicher Biogasanlagen zwar auch, aber bedeutend weniger schnell wie zum Beispiel in Österreich, obwohl das Land geographisch vergleichbare Regionen hat und die Betriebe strukturelle Ähnlichkeiten aufweisen. Aus dieser Ausgangslage ergab sich die Aufgabenstellung für die vorliegende Diplomarbeit. Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Herausarbeitung der Faktoren, die zum erfolgreichen Betreiben von landwirtschaftlichen Biogasanlagen in der EU und in der Schweiz führen. Die EU wurde an Hand der Länder Dänemark, Deutschland und Österreich untersucht. Zur Einarbeitung und zum Verständnis der Thematik wurden die Grundlagen des Biogasprozesses aufgezeigt. Die Beantwortung der Forschungsfragen erfolgte mittels schriftlichen Experteninterviews, Literaturanalysen und Grundlagen der Investitionsrechnung. In Anlehnung an eine SWOT-Analyse werden die Chancen und Gefahren, Stärken und Schwächen für die Schweizer Biogasanlagen zusammengefasst und bezogen auf die drei EU- Länder Dänemark, Deutschland und Österreich reflektiert. Die Resultate aus den Literaturanalysen, welche durch die Ergebnisse der Experteninterviews weitgehend bestätigt wurden, zeigen, dass die Rahmenbedingungen ein überaus wichtiger Faktor sind, der die Nutzung von erneuerbaren Energien, also auch die Nutzung der Biogastechnologie, bestimmt. In den drei EU Ländern Dänemark, Deutschland und Österreich ist es die EU-Richtlinie 2001/77/EG, welche die wichtigsten rechtlichen Rahmenbedingungen beinhaltet. Diese werden von Deutschland mit dem EEG (Erneuerbare Energien Gesetz), von Dänemark mit den Energieplänen und von Österreich mit dem Ökostromgesetz umgesetzt. Mit der Revision des Elektrizitätsgesetzes (EleG) sowie dem Gesetz über die Stromversorgung (StromVG) sind in der Schweiz durch den Bundesrat erstmals energiepolitische Zielvorgaben und ein konkretes Vorgehen zur Förderung der Wasserkraft und anderen erneuerbaren Energien vorgesehen. Die staatliche Unterstützung, z.b. die Mindestvergütung für Strom aus erneuerbaren Energien als Rahmenbedingung, ist ein wichtiger Erfolgsfaktor für Biogasanlagen, wie die Ergebnisse der Expertenbefragung und Literaturrecherchen ergaben. Es hat sich auch gezeigt, dass durch klare gesetzliche Grundlagen Planungsunsicherheiten verringert werden können und dies einen positiven Effekt auf die Verbreitung von Biogasanlagen haben kann. So rechnen Biogasexperten in der Schweiz mit einer zunehmenden Anzahl von Biogasanlagen, werden die II

9 Zusammenfassung Revision des Raumplanungsgesetzes und eine kostendeckende Einspeisevergütung im Rahmen der Strommarktliberalisierung gutgeheissen. Die unterschiedlichen Förderstrategien der vier Länder im Bereich erneuerbare Energien lassen sich auch an Hand der verwendeten Inputs aufzeigen. In Deutschland und Österreich werden NaWaRo (Nachwachsende Rohstoffe) verwendet, in Dänemark und der Schweiz kaum. Unter den NaWaRo ist vor allem Silomais interessant, dies auf Grund der relativ geringen Kosten im Anbau und der möglichen Gasausbeuten. In Dänemark, Österreich und der Schweiz werden in landwirtschaftlichen Biogasanlagen zur Hauptsache Hofdünger verwertet, meistens in Kombination mit einem Co-Substrat oder mit NaWaRo im Falle von Österreich. Die verschiedenen Hofdünger sind die günstigsten Inputfaktoren und stabilisieren den Biogasprozess. Der Einfluss von Co-Substraten auf die Wirtschaftlichkeit beruht zum einen auf ihren Eigenschaften, die Biogasausbeute zu erhöhen, was zu einer höheren Strom- und Wärmeproduktion und somit zu einem höheren Gesamtergebnis führt. Zum anderen lassen sich über die Verwertung von Co-Substraten zum Teil Entsorgungsgebühren einlösen, die einen Ertrag in der Gesamtrechnung bedeuten. Mittels Investitionsrechnung wurde die Wirtschaftlichkeit einer Modellanlage unter Variation einzelner Parameter (z.b. Inputs, Wirkungsgrad, Strompreis) berechnet. Damit sollte die Frage beantwortet werden, ob landwirtschaftliche Biogasanlagen in der Schweiz eine zusätzliche Einnahmequelle darstellen können. Es hat sich gezeigt, dass die Frage bejaht werden kann, wenn der Strompreis im Modell auf 0.23 Franken erhöht würde. Solche Preise können in der Schweiz höchstens für zertifizierten Ökostrom über bilaterale Verträge zwischen Produzenten und Stromabnehmer gelöst werden. Für jede andere Anlage müsste diese Frage neu geklärt werden, was nur möglich ist, wenn detaillierte Informationen zur Dimension der Anlage, zur verwendeten Technologie, den verwendeten Inputs etc. vorhanden sind. Die Stärken der Biogasanlagen in der Schweiz liegen darin, dass es möglich ist, durch den Betrieb einer Anlage ein zusätzliches Einkommen zu generieren. Dafür besteht die Schwäche einer gewissen Abhängigkeit von Entsorgungsgebühren aus der Co-Substrat Verwertung. Verändern sich diese Preise, kann dies sehr grosse Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit einer Biogasanlage haben. Eine Chance für die Biogastechnologie bietet die Mindestvergütung und eine Revision des RPG (Raumplanungsgesetz), dies würde grosse Planungsunsicherheiten beheben. Eine mögliche Gefahr geht davon aus, dass im Bereich Uni/Fachhochschule wenig im Bereich der Biogastechnologie geforscht wird. Dies wird durch Private übernommen, was auch eine Stärke bedeuten kann, indem durch private Firmen praxisorientierte Probleme aufgriffen werden. III

10 Inhaltsverzeichnis VORWORT UND DANK...I ZUSAMMENFASSUNG...II INHALTSVERZEICHNIS... IV ABBILDUNGSVERZEICHNIS... VII TABELLENVERZEICHNIS... VIII GLOSSAR... X 1 EINLEITUNG Ausgangslage und Problemstellung Forschungsziel Aufbau der Arbeit und Methodisches Vorgehen 2 2 GRUNDLAGEN BIOGASPROZESS Geschichtliches zu Biogasanlagen GESCHICHTLICHES ZU DEN BIOGASANLAGEN IN DEUTSCHLAND ENTWICKLUNGEN WELTWEIT Der Biogasprozess Grundlagen der anaeroben Fermentation Einflussgrössen auf den Biogasprozess SUBSTRATE TEMPERATUR, VERWEILZEIT UND GASAUSBEUTE PH-WERT NÄHRSTOFFVERSORGUNG HEMMSTOFFE Die wichtigsten Verfahren zur Biogaserzeugung 23 3 METHODIK UND DATENGRUNDLAGE Erfolgsfaktoren DER BEGRIFF ERFOLGSFAKTOR ERFOLGSFAKTORENFORSCHUNG 26 IV

11 Inhaltsverzeichnis KRITIK AN DER ERFOLGSFAKTORENFORSCHUNG Interviews ERHEBUNG AUFBAU DES FRAGEBOGENS AUSWAHL DER EXPERTEN BEFRAGUNG AUSWERTUNG SWOT - Analyse Investitionsrechnung KAPITALWERT EINER INVESTITION INTERNE ZINSFUSS EINER INVESTITION ANNUITÄTENMETHODE DATENGRUNDLAGE DER MODELLANLAGE 34 4 FORSCHUNGSFRAGEN UND HYPOTHESEN Forschungsfragen Hypothesen 36 5 RAHMENBEDINGUNGEN EU RECHTLICHE ASPEKTE ENERGIEPOLITIK Deutschland RECHTLICHE ASPEKTE UND ENERGIEPOLITIK Dänemark RECHTLICHE ASPEKTE UND ENERGIEPOLITIK Österreich RECHTLICHE ASPEKTE UND ENERGIEPOLITIK Schweiz RECHTLICHE ASPEKTE UND ENERGIEPOLITIK Synthese der Rahmenbedingungen 55 6 IDENTIFIZIERUNG DER ERFOLGSFAKTOREN Erfolgsfaktoren für Biogasanlagen aus der Literatur SCHWEIZ 56 V

12 Inhaltsverzeichnis DÄNEMARK DEUTSCHLAND ÖSTERREICH Identifizierung der Erfolgsfaktoren durch Experteninterviews RAHMENBEDINGUNGEN INPUTS OUTPUTS ERFOLG UND WIRTSCHAFTLICHKEIT Zusammenfassung der Erfolgsfaktoren aus den Experteninterviews 74 7 WIRTSCHAFTLICHE BETRACHTUNGEN Einleitung zum Grundmodell Beschreibung des Grundmodells und dessen Varianten GRUNDMODELL VARIANTE I VARIANTE II VARIANTE III VARIANTE IV SYNTHESE DER VARIANTEN 92 8 DISKUSSION Stärken und Schwächen, Chancen und Gefahren für Biogasanlagen in der Schweiz Diskussion der Hypothesen Beantwortung der Forschungsfragen 99 9 SCHLUSSFOLGERUNGEN LITERATURVERZEICHNIS INTERNETLINKS ANHANG Anhang 1 Fragebogen 110 Anhang 2 Daten zur Investitonsrechnung 114 VI

13 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Aufbau der Arbeit... 2 Abbildung 2 Flussdiagramm Biogasprozess... 8 Abbildung 3 Domäne der Archaea Abbildung 4 Verfahren zur Herstellung von Biogas Abbildung 5 Stromverbrauch in Deutschland, total und pro Kopf im Jahre Abbildung 6 Primärenergieanteile in Deutschland Abbildung 7 Stromverbrauch in Dänemark, total und pro Kopf im Jahre Abbildung 8 Primärenergieanteile in Dänemark Abbildung 9 Stromverbrauch in Österreich, total und pro Kopf im Jahre Abbildung 10 Primärenergieanteile in Österreich Abbildung 11 Stromverbrauch in der Schweiz, total und pro Kopf im Jahre Abbildung 12 Primärenergieanteile in der Schweiz Abbildung 13 Bewertung von Outputs als Hauptprodukt resp. Nebenprodukt Abbildung 14 Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen VII

14 Tabellenverzeichnis Tabelle 1 Inhalt, Methodik und Literaturquellen...3 Tabelle 2 Die 4 Verfahrensschritte zur Biogasherstellung...9 Tabelle 3 Grundlagen der anaeroben Fermentation...11 Tabelle 4 Zusammenstellung der Substrate für landwirtschaftliche Biogasanlagen...19 Tabelle 5 Die drei Prozesstemperaturen...20 Tabelle 6 ph-optima der verschiedenen Prozessstufen...21 Tabelle 7 Die 7 Befragungstypen nach Atteslander...27 Tabelle 8 Befragte Biogasexperten...29 Tabelle 9 Zusammensetzung der Hofdünger...34 Tabelle 10 Zusammenstellung der Forschungsfragen und Hypothesen...37 Tabelle 11 Richtziele für den Anteil von Strom aus erneuerbaren Energiequellen (EE) am Bruttostromverbrauch für Dänemark, Deutschland und Österreich...39 Tabelle 12 Synthese der Rahmenbedingungen...55 Tabelle 13 Übersicht zu Frage Tabelle 14 Übersicht zu Frage Table 15 Übersicht Frage Tabelle 16 Übersicht Frage Tabelle 17 Übersicht Frage Tabelle 18 Übersicht Frage Tabelle 19 Übersicht Frage Tabelle 20 Übersicht Frage Tabelle 21 Übersicht Frage Tabelle 22 Übersicht Frage Tabelle 23 Zusammenstellung der Erfolgsfaktoren aus den Experteninterviews...77 Tabelle 24 Kennzahlen zum Grundmodell...81 Tabelle 25 Investitionsrechnung zum Grundmodell...83 Tabelle 26 Zinsen und Laufzeiten der Anlagenbestandteile...84 VIII

15 Tabellenverzeichnis Tabelle 27 Ausgangslage der Variante I Tabelle 28 Ergebnisse der Variante I Tabelle 29 Kennzahlen der Variante II Tabelle 30 Ergebnisse der Variante II Tabelle 31 Kennzahlen der Variante III Tabelle 32 Ergebnisse der Variante III Tabelle 33 Kennzahlen der Variante IV Tabelle 34 Ergebnisse Variante IV Tabelle 35 Zusammenstellung der Resultate des Grundmodells und der Varianten I-IV Tabelle 36 SWOT-Analyse für landwirtschaftliche Biogasanlagen in der Schweiz IX

16 Glossar BAFU BFE BHKW Co- Fermentation EEG EU k.a. kw el kwh KWK NaWaRo ots TS RME RPG Substrat z.b. Bundesamt für Umwelt, vormals BUWAL (Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft) Bundesamt für Energie Blockheizkraftwerk Vergärung von Gülle oder Festmist zusammen mit anderen organischen Stoffen (Def. Nach EDER und SCHULZ 2006) Erneuerbare Energien Gesetz Europäische Union keine Angaben elektrische Leistung Kilowattstunde Kraft-Wärme-Kopplung Nachwachsende Rohstoffe. Definition für Deutschland nach EDER und SCHULZ (2006): Biomasse gilt als NaWaRo, wenn es sich um: Pflanzen und Pflanzenbestandteile handelt, die in landwirtschaftlichen, forstwirtschaftlichen oder gartenbaulichen Betrieben oder im Rahmen der Landschaftspflege anfallen, und keiner weiteren als der zur Ernte, Konservierung oder Nutzung in der Biomasseanlage erfolgten Aufbereitung oder Veränderung unterzogen wurde und oder es sich um Gülle handelt. Eine Ausnahme ist Schlempe. Diese gilt als bonusfähig, wenn sie aus einer landwirtschaftlichen Brennerei im Sinne des 25 Brandtweinmonopolgesetzes anfällt. Anteile der organischen Bestandteile an der TS Trockensubstanz; diese misst den Feststoffgehalt eines Produktes, umfasst die festen organischen wie die mineralischen Bestandteile (Definition nach EDER und SCHULZ 2006) Raps-Methyl-Ester Raumplanungsgesetz Zur Vergärung mit dem Ziel der Biogasgewinnung vorgesehenes organisches und biologisches abbaubares Material (FNR 2005c) Zum Beispiel X

17 1 Einleitung Übersicht Kapitel 1 Kapitel 1 Einleitung 1.1 Ausgangslage und Problemstellung 1.2 Forschungsziel 1.3 Aufbau der Arbeit und methodisches Vorgehen 1.1 Ausgangslage und Problemstellung Biogas ist ein erneuerbarer Energieträger, aus dem sich nutzbare Endenergie in Form von Strom, Wärme, Gas oder Kraftstoff gewinnen lässt. Die Nutzung von Biomasse als Energieträger wird als Möglichkeit gesehen, die knapp und teurer werdenden fossilen Energieträger wie Erdöl oder Erdgas zu ergänzen. Die Landwirtschaft kann mit der Nutzung der anfallenden Biomasse und der Herstellung eines CO 2 -neutralen Energieträgers einen Beitrag zum Klima- und Umweltschutz leisten. Seit jüngerer Zeit nimmt das Interesse für die Biogastechnologie stark zu (EDER und SCHULZ 2006). In einigen Ländern der EU, zum Beispiel Dänemark, Deutschland und Österreich werden Biogasanlagen durch die geltenden Rahmenbedingungen gezielt gefördert. In der Schweiz besteht keine gezielte Förderung der Biomasse-Nutzung. Somit lassen sich klare Unterschiede in den Förderstrategien erkennen, nicht nur zwischen der Schweiz und der EU, sondern auch innerhalb der EU zwischen den drei Beispielen Dänemark, Deutschland und Österreich. Diese Unterschiede werden im Kapitel Rahmenbedingungen zusammengetragen. Die EU als Einheit mit der Schweiz zu vergleichen wäre den herrschenden Unterschieden innerhalb der EU, was die Biogasthematik betrifft, nicht gerecht geworden. Die Auswahl der drei Länder erfolgte auf Grund einer relativ guten Datengrundlage aus der Literatur und auf Grund von persönlichen Kontakten zu Forschungseinrichtungen, die sich mit der Biogasthematik befassen. Eben diese oben erwähnten Rahmenbedingungen beinhalten unter anderem wichtige Erfolgsfaktoren, was die Verbreitung und die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen betrifft. Weitere Erfolgsfaktoren zu eruieren war ein Ziel dieser Arbeit. Mittels Experteninterviews in den vier Ländern und einer Berechnung der Wirtschaftlichkeit an Hand einer Investitionsrechnung für eine Modellanlage in der Schweiz sollte dieses Ziel erreicht werden. Bei der Ermittlung der Erfolgsfaktoren für Schweizer Biogasanlagen lag der Fokus der Arbeit auf Anlagen, wie sie in Dimension und Betrieb auf die durch Naturaplan_Biogas50 von COOP unterstützten Anlagen zutreffen könnten. In der Diskussion soll eine vereinfachte SWOT- 1

18 Einleitung Analyse die Frage nach den Chancen und Gefahren, Stärken und Schwächen für die Schweizer Biogasanlagen beantworten. Dafür werden die Erfolgsfaktoren aus der Literatur, den Interviews und der Wirtschaftlichkeitsberechnung in ein SWOT-Schema eingetragen. Anschliessend werden die Faktoren diskutiert und bezogen auf die drei EU-Länder Dänemark, Deutschland und Österreich reflektiert. 1.2 Forschungsziel Mit dieser Arbeit sollen die rechtlichen Rahmenbedingungen für die EU, für Dänemark, Deutschland, Österreich und die Schweiz zusammen getragen werden, welche die erneuerbaren Energien in den jeweiligen Ländern betreffen. Weiterhin sollen die wichtigsten Erfolgsfaktoren für Biogasanlagen in Dänemark, Deutschland, Österreich und der Schweiz identifiziert werden. Für bestimmte Biogasanlagen in der Schweiz sollen Chancen und Gefahren, Stärken und Schwächen untersucht werden. 1.3 Aufbau der Arbeit und Methodisches Vorgehen In diesem Kapitel wird aufgezeigt, aus welchen Teilen die Arbeit aufgebaut ist und wie die einzelnen Teile methodisch bearbeitet werden. Abbildung 1 Aufbau der Arbeit 1 Einleitung 2 Grundlagen Biogasprozess 3 Methodik und Datengrundlage 4 Forschungsfragen und Hypothesen 5 Rahmenbedingungen 6 Identifizierung der Erfolgsfaktoren 7 Wirtschaftliche Betrachtungen 8 Diskussion 9 Schlussfolgerungen Anschliessend an die Einführung und die Zielsetzung der Arbeit in Kapitel 1 folgt das Kapitel 2, in dem der geschichtliche Hintergrund, die biologischen Grundlagen des Biogasprozesses, wichtige Einflussfaktoren und die wichtigsten Verfahren zur Biogasgewinnung erläutert werden. Diese Grundlagen zu erwähnen wurde für wichtig empfunden, da sie den Schlüssel zum weiteren Verständnis der Thematik bedeuten. 2

19 Einleitung Im dritten Kapitel werden die Begriffe und Methoden (Erfolgsfaktoren, Experteninterviews, Investitionsrechnung, SWOT-Analyse) und die Datengrundlagen erläutert, die verwendet wurden um die Forschungsfragen und Hypothesen aus Kapitel 4 zu beantworten. Kapitel 5,6 und 7 dienen der Bearbeitung der Kernproblematik. Hier wurde mittels der erwähnten Methoden und Literaturrecherchen der Themenkreis Biogasanlagen umrissen und die Erfolgsfaktoren daraus abgeleitet. Diese werden schliesslich im Kapitel 8 am Beispiel landwirtschaftlicher Biogasanlagen in der Schweiz zusammengestellt und übertragen auf die Länder Dänemark, Deutschland und Österreich diskutiert. Im Anhang finden sich das Experteninterview und eine Zusammenstellung der Excell-Sheets die zu den Resultaten der wirtschaftlichen Betrachtungen in Kapitel 7 führen. Tabelle 1 Inhalt, Methodik und Literaturquellen Kapitel Inhalt Methodik Literatur/Quelle Ausgangslage und Problemstellung 1 Einleitung Forschungsziel Fragestellung Aufbau der Arbeit und methodisches Vorgehen Geschichtliches zu den Biogasanlagen Der Biogasprozess 2 Grundlagen Biogasprozess Grundlagen der anaeroben Fermentation Einflussgrössen auf den Literaturrecherche WELLINGER (1991), EDER und SCHULZ (2006), FNR a (2005), VDI-Berichte (2005) Biogasprozess Die wichtigsten Verfahren zur Biogaserzeugung 3 Methodik und Datengrundlage Fragebogentechnik und Auswertungsmethodik, Klärung des Begriffs Erfolgsfaktor, Grundlagen SWOT-Analyse, Grundlagen der Investitionsrechnung Literaturanalyse Atteslander (2003), KROMREY (2002), SCHÄFER (1995), NICOLAI und KIESER (2002), LOMBRISER und APLANALP (2004), KUNZ (1984), SCHEUERLEIN (1997) 3

20 Einleitung 4 Forschungsfragen und Hypothesen Richtlinie 2001/77/EG, IEA Energy Statistics 2003, FNR 5 Rahmenbedingungen EU Deutschland Dänemark Österreich Schweiz Literaturanalyse Mündliche Mitteilungen 2005a,d, VDI-Bericht 2005, Danish Energy Authority 2005, mündliche Informationen K. Hjort- Gregersen (University of Southern Denmark) in Weihenstephan, Mai 2006, Austrian Energy Agency, Bundesamt für Energie 6 Identifizierung der Erfolgsfaktoren Auswertung der Experteninterviews, gegliedert nach: Rahmenbedingungen, Inputs, Outputs, Wirtschaftlichkeit Experteninterviews, deskriptive Statistik 7 Wirtschaftliche Betrachtungen Beschreibung des Grundmodells und dessen vier Varianten Investitionsrechnung Mündliche Mitteilung Ch. Waffenschmidt, COOP resp. H.-Ch. Angele BiomassEnergie 8 Diskussion SWOT- Analyse 9 Schlussfolgerungen Kritik und weiterführende Ansatzpunkte für weiterführende Forschung 10 Literatur- verzeichnis 11 Anhang 4

21 2 Grundlagen Biogasprozess Das Kapitel 2 ist in die Abschnitte 2.1 Geschichtliches zu Biogasanlagen, 2.2 Der Biogasprozess Grundlagen der anaeroben Fermentation, 2.3 Einflussgrössen auf den Biogasprozess, 2.4 Die wichtigsten Verfahren zur Biogaserzeugung unterteilt. Übersicht Kapitel 2 Kapitel 2 Grundlagen Biogasprozess 2.1 Geschichtliches zu Biogasanlagen 2.2 Der Biogasprozess Grundlagen der anaeroben Fermentation 2.3 Einflussgrössen auf den Biogasprozess 2.4 Die wichtigsten Verfahren zur Biogaserzeugung In diesem Kapitel wird zum einen der allgemeine geschichtliche Hintergrund zu den Biogasanlagen anhand der Entwicklungen der Biogasanlagen in Deutschland aufgezeigt und zum anderen wird der biologische und technische Hintergrund der Biogaserzeugung erläutert. Dazu werden die vier Verfahrensschritte des Biogasprozesses und die wichtigsten Einflussgrössen auf den Prozess beschrieben. 2.1 Geschichtliches zu Biogasanlagen Schon im alten China und Persien wurde Erdgas genutzt. Erst im 18. Jahrhundert wurde jedoch erkannt, dass Methan nicht nur im fossilen Erdgas vorkommt, sondern auch neu gebildet wird (WELLINGER 1991). Erste Verbrennungsversuche mit Sumpfgas aus oberitalienischen Seen machte der Italiener Alessandro Volta um Es dauerte rund hundert Jahre, bis der mikrobielle Ursprung des Methans durch BECHAMP und POPOFF erkannt wurde (WELLINGER 1991). Der englische Physiker Faraday experimentierte ebenfalls mit Sumpfgas und identifizierte es als Kohlenwasserstoff. Erst 1821 gelang es Avogadro, die chemische Formel für Methan, CH 4, zu ermitteln. Pasteur machte als erster den Vorschlag, den Pferdemist der Pariser Fuhrwerke zur Gasproduktion für die Strassenbeleuchtung zu verwenden Geschichtliches zu den Biogasanlagen in Deutschland In Deutschland begann der Klärtechniker Imhoff ab 1906 im Ruhrgebiet mit dem Bau anaerober, zweistöckiger Abwasserreinigungsanlagen, die er Emscherbrunnen nannte. Vor 5

22 Grundlagen Biogasprozess dem zweiten Weltkrieg wurde in Deutschland wegen steigender Nachfrage nach dem Treibgas versucht, die Gasproduktion durch die Beigabe von festen organischen Abfallstoffen zu erhöhen. Dieses Verfahren wird heute Co-Fermentation genannt. Erst in der Nachkriegszeit wurde die Landwirtschaft als potentieller Lieferant für Biogas entdeckt (EDER und SCHULZ 2006). Die TU Darmstadt baute 1947 die erste Biogasanlage für kleinere landwirtschaftliche Betriebe (System Darmstadt, horizontaler Fermenter) ging in Niedersachsen die erste grössere landwirtschaftliche Biogasanlage in Betrieb (System Schmidt-Eggersglüss). Es wurde ausschliesslich Festmist verwendet, der in einer Vorgrube mit Wasser und Faulschlamm vermischt wurde, weil Aufstallungssysteme mit Flüssigmist (Spaltenböden, Gitterroste) erst später aufkamen. In den 1950er Jahren wurden in der Bundesrepublik Deutschland an die 50 Anlagen gebaut. Viele davon wurden aber nach kurzer Zeit wegen mangelhafter Funktion wieder stillgelegt (EDER und SCHULZ 2006). Gegen 1955 setzte die Erdölschwemme ein. Heizöl kostete damals umgerechnet 0.1 Euro pro Liter, bis 1972 fielen die Preise auf 0.04 bis 0.08 Euro pro Liter. Gleichzeitig stieg der Einsatz von Mineraldünger rapide an. Alle Biogasanlagen bis auf zwei wurden in Deutschland stillgelegt (EDER und SCHULZ 2006). In ganz Europa kam infolge der tiefen Erdölpreise die Entwicklung von Biogasanlagen zum Stillstand (WELLINGER 1991). Die zweite Biogasbewegung begann nach der Ölkrise 1972/73. Das Biogasverfahren wurde in den folgenden Jahren von zahlreichen Landwirten, Bastlern, Erfindern, Firmen und Forschungsstellen weiterentwickelt waren in Bayern 15 Anlagen, in Baden- Württemberg 10 Anlagen erfasst. Es gab ein deutliches Nord-Süd Gefälle in der Verbreitung dieser Technik. Die meisten Anlagen fanden sich in Bayern und Baden-Württemberg. Die Gründe dafür waren die Bedeutung der Tierproduktion (und die somit entstehende Nährstoffproblematik in Regionen mit hohem Tierbesatz), die Betriebsgrössenstruktur und die Beratung der Landwirte durch die landwirtschaftlichen Beratungsdienste. Ein dritter Aufschwung für die landwirtschaftliche Biogasnutzung begann um 1990 durch die gesetzliche Regelung der Einspeisevergütung für Strom aus Biogas. Durch die Reform des Stromeinspeisegesetzes im Jahr 2000 in Form des Erneuerbaren Energien Gesetz (EEG, 2004), wurde eine höhere und gesicherte Vergütung für Strom aus Biogas festgeschrieben. 6

23 Grundlagen Biogasprozess Zusammenfassend lässt sich die Entwicklung der Biogasanlagen in Deutschland folgendermassen gliedern: Ab 1930 steigende Nachfrage nach dem Treibgas, nach 1945 wird die Landwirtschaft als potentielle Biogasproduzentin erkannt, Entwicklung kam in den sechziger Jahren jedoch zum Stillstand wegen den tiefen Erdölpreisen in Europa (WELLINGER, 1999) Nach Ölkrise 1973, Nährstoffproblematik soll entschärft werden in Gebieten mit hoher Tierdichte Ab 1990 initiieren die gesetzlichen Regelungen zur Einspeisevergütung von Strom aus Biogas einen Aufschwung, mit dem EEG 2004 wird diese Förderung ausgebaut, NaWaRo werden attraktiver Entwicklungen weltweit EDER und SCHULZ (2006) schreiben, dass die Biogastechnologie in den Industrieländern vorwiegend zur Stromproduktion eingesetzt wird. In anderen Ländern wird die Technologie vorwiegend verwendet, um Holz als Brennstoff zu substituieren indem das anfallende Biogas zum Kochen verwendet wird. Dabei handelt es sich meist um kleine bis kleinste Biogasanlagen (Fermentervolumen zwischen 1 und 4 m 3 ). Seit Anfang der 90er Jahre ist ein Trend hin zu grösseren Anlagen zu beobachten, dies vor allem in Regionen mit sehr intensiver Tierhaltung in Asien, Afrika und Lateinamerika. Zum einen liesse sich die entstehende Problematik der Gewässerverschmutzung durch die intensive Tierhaltung etwas entschärfen und zum anderen kann dadurch die gesteigerte Energienachfrage abgefedert werden. In China gibt es heute etwa 5 Millionen Biogasanlagen, dies entspricht einer Nutzung des möglichen Potentials von 2.5%. Auch in Ländern wie Australien, Neuseeland, Japan und den USA steigt das Interesse für die Biogastechnologie. 2.2 Der Biogasprozess Grundlagen der anaeroben Fermentation In Kapitel 2.2 wird auf den schematischen Verfahrensablauf bei der Biogasgewinnung eingegangen und es werden die Grundlagen der anaeroben Fermentation erläutert. Damit soll die Grundlage für das weitere Verständnis der vorliegenden Arbeit geschaffen werden. 7

24 Grundlagen Biogasprozess Abbildung 2 Flussdiagramm Biogasprozess Input Output Hofdünger, Co-Substrate Biogasprozess Hauptprodukt Output Nebenprodukt Zur Einführung wird in Abbildung 2 der Biogasprozess als Flussdiagramm dargestellt. Die Inputs umfassen das Material, welches in eine Biogasanlage eingebracht werden kann, z.b. Hofdünger und Co-Substrate. Diese werden in die Biogasanlage eingebracht und während dem Biogasprozess entstehen verschiedene Outputs. Zum einen die Gärreste, die als Dünger weiterverwertet werden, dann Biogas aus dem Strom generiert werden kann und Wärme um die wichtigsten Outputs zu nennen. Je nach Anlagenkonzept wird ein Output als Hauptprodukt oder als Nebenprodukt betrachtet. Kann die Wärme z.b. genutzt werden, ist sie ein Hauptprodukt, wird sie ungenutzt an die Umwelt abgegeben oder kann nur teilweise genutzt werden, ist sie eher ein Nebenprodukt. Diese Unterschiede werden im Kapitel 6, Identifizierung der Erfolgsfaktoren, noch einmal aufgegriffen. Der Biogasprozess kann in vier Verfahrensschritte unterteilt werden. Diese werden in Tabelle 2 aufgezeigt. 8

25 Grundlagen Biogasprozess Tabelle 2 Die 4 Verfahrensschritte zur Biogasherstellung 1.Verfahrensschritt Anlieferung und Lagerung von Substrat Aufbereitung und Vorbehandlung (optional) Sortieren, Zerkleinern, Anmaischen, Homogenisieren Einbringung in Anlage 2. Verfahrenschritt Biogasgewinnung Entstehende Produkte: Gärreste Biogas 3. Verfahrensschritt 4.Verfahrensschritt Gärrestlager und/oder Nachgärung Gärrestaufbereitung Biogasaufbereitung- und speicherung Trockung, Entschwefelung Fest-Flüssig-Trennung (optional) Flüssigdünger Ausbringung oder Kompostierung Ausbringung oder Kompostierung ohne Fest-Flüssig- Trennung Biogasverwertung Strom- und Wärmeproduktion (Kraft-Wärme- Kopplung) Quelle: verändert nach FNR 2005a 9

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