Grünlandnutzung in Form von Biogaserzeugung und Kompostierung in Österreich

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1 Grünlandnutzung in Form von Biogaserzeugung und Kompostierung in Österreich Praktikumsbericht 2012 Eva Rößler Im Auftrag der Im Rahmen des INTERREG-Projekts AMC Promo Biodiversität,

2 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 2 Vorwort Im Rahmen meines Bachelor-Studiums Umweltsystemwissenschaften mit dem Schwerpunkt Volkswirtschaft musste ich ein Pflichtpraktikum im Ausmaß von 160 Stunden bzw. vier Wochen Vollbeschäftigung absolvieren. Mein Praktikim dauerte von Ich befasste mich im Rahmen meines Pflichtpraktikums mit der Verwertung von biogenem Material zu Biogas und mit der Kompostierung. Ausgegangen bin ich von der Grünlandnutzung in Österreich. Ich befasste mich mit dem derzeitigen Flächenverbrauch und deren Nutzung von Grünland. Wichtig für mich waren noch die Funktionen des Grünlandes generell aufzuzeigen. Ebenso recherchierte ich wie viele Biogasanlagen in Österreich vorhanden sind und wo noch Potential für weitere Biogasanlagen vorhanden ist. Anschließend befasste ich mich kurz mit den unterschiedlichen Verfahren, die es bei der Biogasherstellung gibt. Da wäre die Art der Beschickung, Trocken- bzw. Nassvergärung usw. In einem Blockheizkraftwerk wird in Folge der biogenen Aufbereitung Strom und Wärme erzeugt. Deshalb ging ich auch anschließend auf die Biomethanerzeugung ein. Als Beispiel führte ich die Biotankstelle an und deren Vor- und Nachteile an. Im zweiten Teil der Arbeit befasste ich mich mit der Kompostierung. Auch hier zeigte ich den aktuellen Stand auf. Ich befasste mich mit den Anforderungen an den Boden, die wichtig sind, um einen qualitativhochwertigen Kompost zu erhalten. Anschließend wollte ich erfahren, womit man die Qualität des Komposts noch weiter verbessern kann. Ein wichtiger Punkt sind auch die Emissionen, die entstehen können, wenn man falsch kompostiert. Abschließend befasste ich mich mit der ökonomischen Machbarkeit von Biogasanlagen und Kompostierungsanlagen. Je nach angestrebter Nutzung des Grünschnitts muss auch eine spezifische Bewirtschaftung und Aufbereitung erfolgen. Möchte man den Grünschnitt verbrennen, muss er trocken sein. Will man den Grünschnitt allerdings zu Biogas weiterverarbeiten, muss das verwendete Material relativ feucht sein. Heraus kam, dass nur wenige Biogasanlagen ohne Förderungen (Ökostromverordnung) überleben würden. Biogasanlagen sind dezentral ausgelegt. Das bringt ein Problem für die Abnehmer, die sich meist zentral befinden. Zu guter Letzt möchte ich mich sehr herzlich bei der Arge NATURSCHUTZ bedanken, dass ich mein Pflichtpraktikum hier absolvieren durfte. Weiters möchte ich mich bei Mag. Klaus Krainer als meine Kontaktperson zur Arge NATURSCHUTZ bedanken und für seine endlose Geduld. Erich Rößler stellte den Kontakt zur Arge NATURSCHUTZ her. Alexander Herzog half mir beim technischen Verständnis. Ao. Univ.-Prof. Mag.phil. Dr.rer.nat. Gerhard Lieb war mein Betreuer auf der Karl-Franzens-Universität.

3 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 3 Inhaltsverzeichnis Vorwort... 2 Einleitung... 5 Situation der derzeitigen Grünlandnutzung in Österreich... 6 Funktionen des Grünlands... 9 Biogas als ein Vertreter der Energiegewinnung durch Grünlandnutzung Was ist Biogas? Verfahren zur Biogasherstellung Substratzusammensetzung Nassvergärung Bauteile von Biogasanlagen Beschickungseinrichtung: Der Fermenter Gaszwischenlager Blockheizkraftwerk Lagerung bzw. Endlager Biotankstellen Beispiel für eine Biogasanlage Was sind die Unterschiede Zwischen Grünschnitt, Heupellets und Holzpellets? Kompostierung von Grünschnitt Was ist Kompostierung? Ist-Zustand der Kompostierung in Österreich: Ziel der Kompostierung Anforderungen für den Boden Ablauf der Kompostierung Verbesserungsmöglichkeiten der Kompostierung durch Hilfsmittel Hygienisierung des Komposts Einflussfaktoren auf die Kompostierung... 35

4 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 4 Emissionsproblematik bei der Kompostierung Kompostierungsversuch: Ökonomische Bewertung der Grünlandnutzung Ausblick für den weiteren Weg von Grünlandnutzung Zusammenfassung Abbildungen Tabellen Quellen... 43

5 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 5 Einleitung Es gibt drei Möglichkeiten, wie man mit biogenem Abfall umgehen kann: die Vergärung, die Kompostierung und die Verbrennung. In diesem Bericht wird nur auf die ersten beiden Komponenten eingegangen. Wenn Bakterien organische Substanz ohne Verwendung von Sauerstoff abbauen, dann entsteht Biogas. Ein Gegenbeispiel ist die Kompostierung. Hier wird die organische Substanz abgebaut, wenn Sauerstoff vorhanden ist (Brunmayr, Kirchmeyr, 2005). Wann welches Verfahren bevorzugt wird, zeigt die Abbildung 1. Abbildung 1: Prinzipielle Aufteilung von biogenen Substraten für die jeweilige Verwertung abhängig von Wassergehalt und Anteil an Strukturmaterial. Quelle: ARGE eco.in, 2011 Prinzipiell kann gesagt werden, dass je höher der Wassergehalt in den Substraten ist, desto eher wird eine Vergärung bevorzugt. Hingegen wenn der Strukturanteil steigt, wird die Kompostierung bzw. die Verbrennung angewendet. Oft wird die Diskussion entfacht, dass man keine Lebensmittel für die Produktion von Biogas verwenden soll, da andere Menschen auf der Welt nicht genug zu essen haben. Aber Biogas kann auch aus Abfällen (z.b. aus der Biotonne) hergestellt werden. Da diese weder mit der Lebensmittelproduktion noch mit der Futtermittelproduktion konkurrieren, bringt das einen Vorteil, der sich auch gesellschaftlich durchsetzen kann(arge eco.in, 2011).

6 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 6 Situation der derzeitigen Grünlandnutzung in Österreich Vor dem industriellen Zeitalter haben die Menschen zur Energieerzeugung nur unmittelbar vorhandene Rohstoffe verwendet. Wasser, Wind und Holz waren in jenem Maß vorhanden, um die richtige Menge Energie erzeugen zu können. Erst mit dem Eintreten der industriellen Revolution begann man fossile Brennstoffe zu nutzen. Erst als man begriff, dass die Verbrennung fossiler Brennstoffe zu klimarelevanten Emissionen führen, kam ein Umdenken hin zu erneuerbarer Energieerzeugung auf. Zu beachten ist, dass man erkannte, dass der Planet, auf dem wir leben, aus endlichen Ressourcen besteht. Seither sind die Anteile für Photovoltaik-, Wind- und Biomasseanlagen gewachsen(leutner, 2009). Die EU hat die Richtlinie 2009/28/EG zur Förderung und Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen erstellt. Von Seiten der EU ist der dezentrale Charakter der Biogasanlagen von großer Bedeutung. Dadurch kann die nachhaltige Entwicklung speziell im ländlichen Raum gewährleistet werden und die Landwirte können zusätzlich eine zweite Einkommensquelle beziehen. Da bei Landwirten meist die nötige Infrastruktur für die Weiterverarbeitung von Grünschnitt und Abfällen bereits vorhanden ist, ist es ein Vorteil, da nicht noch weitere Anlagen angebaut werden müssen. In der Richtlinie 2009/28/EG wurde festgelegt, dass bis 2020 die Energieeffizienz um 20% gesteigert werden soll. Dabei ist jedoch auch wichtig die Energieeffizienz und die Energieeinsparung möglichst kostengering zu gestalten. Außerdem ist der EU wichtig, dass auch die externen Kosten in den Preis der erneuerbaren Energiequellen mit einberechnet werden, die den tatsächlichen Wert der Produkte wiederspiegeln. Externe Kosten sind Kosten, die nicht in den ökonomischen Preis einberechnet werden, da sie schwer zu quantifizieren sind. Darunter fallen z.b. Verbesserung der Lebensqualität, Umweltqualität usw (EU, 2009). Das Ökostromgesetz regelt Mindestpreise und eine Abnahmepflicht für Ökostrom (ARGE eco.in, 2011, S.99). Um keine Nachteile am Markt zu haben, soll der Anschluss an das Gas- bzw. Elektrizitätswerk aus erneuerbaren Energiequellen objektiv und nicht diskriminierend gegenüber der erneuerbaren Energiequelle sein. Die Einspeisetarife laut Ökostromgesetz 2010(WKO, 2012) für Biogas fasst die folgende Tabelle 1 zusammen. Im Moment jedenfalls wird ein 20%iger Abschlag von Biogasanlagen genommen, die in irgendeiner Form Abfälle zusätzlich in das Ausgangssubstrat beimischen. Eine Aufwertung der zusätzlichen Vergärung bringt folgende Vorteile: Ungenutztes Potential wird freigesetzt und kann folglich auch finanziell genutzt werden. Diese Aufwertung wäre auch ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung Kreislaufwirtschaft. Durch eine veränderte Wahrnehmung in der Gesellschaft wird aus Abfall wieder ein Wertstoff.

7 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 7 Um nicht diskriminierend gegen Biogasanlagen zu agieren, könne man quartalsweise den spezifischen Materialmix ermitteln und an den Ökostromtarif anpassen. Da die laufend anfallenden Kosten kalkulierbar sind, unterliegen nur die Substratkosten den Schwankungen, die die Schwankungen beim Strompreis bewirken (ARGE eco.in, 2011). Tab.1: Einspeisetarife für elektrischen Strom nach Ökostromverordnung 10, Quelle: ARGE eco.in, 2011 Rohstoffabhängige Technologien/ Laufzeit 15 Jahre Einspeisetarif [Cent/kWh] Biogas aus landwirtschaftlichen Produkten (wie Mais, Gülle) Mischfeuerungen bis 250 kw 18, bis 500 kw 16,50 Über 500 kw 13,00 Biogas bei Co-Fermentation -20% von Abfallstoffen Zuschlag für Erzeugung in 2,00 effizienter Kraft-Wärme- Kopplung Zuschlag bei Aufbereitung 2,00 auf Erdgasqualität anteilig In Österreich gibt es zurzeit fünf Großanlagen, die sich damit befassen, biogene Abfälle zu vergären um daraus Strom und Wärme zu erhalten. Diese Anlagen befinden sich in Siggerwiesen, Lustenau, Roppen, Wels und Wien. Außerdem gibt es 4 Betriebe, die Biogas in Biomethan weiterverarbeiten(lampert et al., 2011). Die Bandbreite von Biogasanlagen in Österreich ist recht breit gestreut, wobei sich die üblichen Anlagengrößen zwischen 250 und Kilowatt installierter elektrischer Leistung (kw el ) liegen. Größere Anlagen machen aufgrund der regional meist begrenzten Substrate wenig Sinn (ARGE eco.in, 2011, S. 48). Im Vergleich zu der Stromerzeugung ist die Wärmeerzeugung in einer Biogasanlage 1,2 mal größer (ARGE eco.in, 2011). Die Grünlandflächen in Österreich erstrecken sich hauptsächlich auf Niederösterreich, Oberösterreich, Teile Salzburgs, Kärnten und der Steiermark. Die genauen Grünlandflächen veranschaulicht die Abbildung 2. Das entspricht einer Fläche von 2,4 Millionen ha (Buchgraber, Schaumberger, 2006). Man schätzt, dass in Österreich derzeit 80% der vorhandenen Grünlandfläche für die Futtermittelproduktion genutzt werden. Die restlichen 20% der Grünlandfläche bleiben ungenutzt. Es besteht die Möglichkeit, dass die ungenutzten Flächen des Grünlandes auf

8 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 8 vertraglicher Basis wieder als Produktionsflächen verwendet werden können. Der Vorteil bei der erneuten Nutzung besteht darin, dass die Almen nicht mehr verwachsen(arge eco.in, 2011). Abb.2: Verteilung der Flächennutzung in Österreich, Quelle: ARGE eco.in, 2011 Die Erschließung neuer Verwendungsmöglichkeiten für landwirtschaftliche Rohstoffe ist ein wichtiges Anliegen der Agrarpolitik geworden und kann zur Stabilisierung vieler Agrarbetriebe beitragen. Die Biomasseproduktion und Verwertung von Grünland für den Non-Food-Bereich kann künftig eine herausragende Rolle für die Grünlandwirtschaft spielen (Albert et al., 2007, S.1).Abbildung 2 zeigt die Verteilung der Flächennutzung in Österreich. Abb.3: graphische Verteilung der Biogasanlagen von 2006, Quelle: methapur, 2012

9 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 9 Abbildung 3 zeigt die Verteilung der vorhandenen, geplanten und nicht in Betrieb seienden Biogasanlagen in Österreich. Legt man Abbildung 2 und Abbildung 3 gedanklich übereinander, kann man sehen, wo es noch Potential für Biogasanlagen gibt. Auffällig ist, dass Vorarlberg eine äußerst hohe Dichte an Biogasanlagen besitzt und das, obwohl Vorarlberg ein schwieriges Gelände hat. Aufholbedarf gibt es vor allem im nordöstlichen Niederösterreich und im nördlichen Burgenland. Quantitativ betrachtet weist Oberösterreich eine relativ hohe Dichte an Biogasanlagen auf. In Niederösterreich sind bezogen auf die nutzbaren Grünflächen nur wenige Biogasanlagen vorhanden. Zieht man einen Vergleich mit Vorarlberg, erkennt man, dass Vorarlberg eine weit höhere Dichte an Biogasanlagen aufweist, trotz schwierigen Geländes. Potential gibt es auch noch nördlich von Wien, da auch in diesem Bereich genügend Grünlandfläche vorhanden ist und die Abnehmer in unmittelbarer Nähe wären. Funktionen des Grünlands Der Anbau von Biomasse als Energiepflanzen hat leider mehrere Nachteile. Die Biomasse benötigt eine große Anbaufläche. Dies führt jedoch dazu, dass vermehrt Mais als Lieferant für das Biogas angebaut wird. Doch unter dem großflächigen Anbau von Mais leiden die Biodiversität und das regionale Landschaftsbild. Dies führt wiederum zu einer sinkenden Akzeptanz bei den Bürgern der Region, da möglicher Tourismus abgeschreckt wird und der Naherholungseffekt verzerrt wird. Weiters ist das Leistungsangebot nicht konstant und die Wirtschaftlichkeit ist nur bei wenigen Biogasanlagen gewährleistet. Die Heterogenität der Brennstoffe kann außerdem zu einem unvollständigen Verbrennen führen. Das bewirkt somit auch wiederum einen Anstieg der Emissionen. Doch es geht auch anders. Forscher aus Bayern haben versucht mehrjährige, wildartenreiche Saatgutmischungen zu finden.mehrjährige Erntebestände, die nicht jedes Jahr bearbeitet werden, führen zu einer ganzjährigen Bodenbedeckung und somit zu einem besseren Lebensraum für Tiere. Außerdem wird gewährleistet, dass der Boden nicht erodiert und das Nitrat nicht ausgewaschen wird(kuhn et al., 2010). Wichtig für die qualitätsbestimmenden Faktoren für die Nutzung von Grünland sind die Zusammensetzung des Bestandes der Pflanzen, das Stadium der Reife zum Zeitpunkt der Ernte, die Düngung und die Häufigkeit der Nutzungsowie die Witterung im jeweiligen Gebiet (Meak, 2002).

10 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 10 Möchte man den Grünschnitt zur Vergärung von Biogas verwenden, muss man bedenken, dass ein zu hoher Gehalt an Stickstoff, Kalium und Chlor Probleme verursachen kann. Durch den Vorgang des Verbrennens entstehen zu hohe Emissionen und es können Korrosion und Verschlackungen entstehen. Wenn das technische Knowhow vorhanden ist, kann dieses Problem behoben werden (Albert et al., 2007). Die durchdachte Mischung aus ein-, zwei- und mehrjährigen Wild- und Kulturpflanzen zeigt eine kostengünstige Variante über mehrere Jahre auf. Ein weiterer Vorteil ist, dass über mehrere Jahre hinweg ein stabiler Artenreichtum besteht. Es gelingt auch meist eine größere Biomasse ohne Düngung hervorzubringen. Die bayrische Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau (LWG) (2010) hat 8 verschiedene Saatgutmischungen zusammengestellt. Diese sind in Abhängigkeit von ihrer Wasserverfügbarkeit zusammengestellt. Manche sind eher für trockenere Böden geeignet und andere eher für mäßig frische Standorte. Die Grundmischung bestand aus einjährigen Kulturpflanzen wie Malve und Sonnenblume. Aus dieser Grundmischung wurden sowohl ökologische als auch ökonomische Saatgutmischungen erstellt. Die ökologischen Saatgutmischungen haben den Vorteil, dass die Pflanzen heimisch sind. Diese können auch für den Naturschutz interessant sein oder auch als Ausgleichs- oder Ersatzflächen dienen. Die ökonomischen Saatgutmischungen zeichnen sich durch hohe Erträge aus. Die Methanausbeutung von Kultur- und Wildpflanzen muss noch verbessert werden. Indem die Ernte etwas früher eingeholt wird, kann der Methanwert erhöht werden, weil dann die optimalen Inhaltsstoffe in den Pflanzen sind, die zu einer besseren Methanausbeute führen. Außerdem muss man stärker verholzende Pflanzenarten in der Saatgutmischung reduzieren.der Wert der Wildpflanzen für die Tierwelt ist enorm. So konnte nachgewiesen werden, dass im Vergleich zu Silomais mehr Spinnen, die den Boden bewohnen und Laufkäfer leben. Auch ist die Anzahl der verschiedenen Fledermausarten größer in den mehrjährigen Wildpflanzen als im Silomais. Bienen kommen vermehrt zu Wildpflanzen, um deren Nektar zu trinken (Kuhn et al., 2010). Biogas als ein Vertreter der Energiegewinnung durch Grünlandnutzung Was ist Biogas? Grundsätzlich ist Biogas ein Gasgemisch und besteht hauptsächlich aus den Gasen Methan, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Stickstoff. Es gelten somit auch alle Eigenschaften der einzelnen Gase in ihren volumetrischen Anteilen.

11 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 11 Der Abbau durch Bakterien bringt Biogas und Endsubstrat hervor. Beide Bestandteile sind wichtig. Da sich die im zugegebenen Substrat vorhandenen Nährstoffe auch im Endsubstrat wiederfinden, ist die Biogasgülle ein sehr guter Dünger und somit Energieträger für die nächsten Kulturen Die energetischen Eigenschaften des Biogases werden dabei hauptsächlich von Methan u. Kohlendioxid bestimmt. Während Methan selbst sehr energiereich ist und gute Zündeigenschaften aufweist, enthält Kohlendioxid keine nutzbare Energie mehr und bringt bei entsprechender Konzentration eine Flamme zum Ersticken (Brunmayr, Kirchmeyr, 2005, S.4). Die folgende Tabelle 2 zeigt die Inhaltsstoffe von Biogas und deren prozentuelle Verteilung im Biogas auf. Tab.2: Inhaltsstoffe und prozentuelle Anteile im Biogas, Quelle: Brunmayr, Kirchmeyr, 2005 Inhaltsstoff [Einheit] Anteil [Vol.-%] Methan [CH4] Kohlendioxid [CO2] Stickstoff [N2] 0-3 Schwefelwasserstoff [H2S] 0-2 Wasserstoff [H2] 0-1 Sauerstoff [O2] 0-1 Ammoniak [NH3] 0-0,5 Tabelle 3 verweist auf die physikalischen Eigenschaften von Biogas und Biomethan hin. Wichtig zu beachten ist, dass die Werte aus Tabelle 3 unter idealen Bedingungen auftreten. Deshalb müssen die jeweiligen Werte für den praktischen Gebrauch umgerechnet werden. Tab.3:Vergleich der Eigenschaften von Methan und Biogas in einer bestimmten Mischung, Quelle: Brunmayr, Kirchmeyr, 2005 Eigenschaft/Parameter [Einheit] Methan Biogas Heizwert (Hu) [kwh/m³] 10 6 Dichte [kg/m³ ] 0,72 1,2 Rel. Dichteverhältnis zu Luft - 0,55 0,9 Zündtemperatur [ C ] Max. Verbrennungsgeschwindigkeit [m/s ] 0,47 0,25 Zündgrenze Gas in Luft [Vol.-%] Theoretischer Luftbedarf [m³/m³ ] 9,5 5,7 Taupunkt der Abgase [ C ] Biogas= 60Vol.-% CH4, 40Vol.-% CO2

12 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 12 Weiters ist zu beachten, dass das Dichteverhältnis zu Luft stark davon abhängt, wie viel Prozent CO 2 im Gasgemisch enthalten sind. Dieses Dichteverhältnis zu Luft hat große Bedeutung, wenn es zu einem Gasaustritt kommt (Brunmayr, Kirchmeyr, 2005). Während methanreiches Gas aufsteigt, kann kohlendioxid-reiches Gas schwerer als Luft sein und sich daher in Senken absetzen (Brunmayr, Kirchmeyr, 2005, S.6). Verfahren zur Biogasherstellung Es gibt zwei wesentliche Verfahren zur Biogasherstellung nämlich das kontinuierliche Vergärungsverfahren sowie das diskontinuierliche Batch-Verfahren. Im Rahmen des Batch- Verfahren ist es äußerst wichtig, den Grünschnitt in der optimalen Zeit zu schneiden. Ob ein Substrat trocken oder nass vergoren wird, hängt von der Substratmischung und den Substrateigenschaften ab. Beide Verfahren können sowohl im mesophilen als auch im thermophilen Bereich in Betrieb genommen werden. Wie in jedem anderen lebenden Prozess auch benötigen die Bakterien eine Mindesttemperatur von ca. 5 C. um überhaupt tätig zu werden. Bei einer Biogasanlage unterscheidet man drei unterschiedliche Temperaturbereiche, in denen die Anlage gefahren werden kann. Jeder dieser Temperaturbereiche hat dabei seine spezifischen Bakterienstämme und ein jeweiliges Optimum bei der Abbauleistung (Brunmayr, Kirchmeyr, 2005,S.9). Grundsätzlich kann zwischen 3 Temperaturbereichen unterschieden werden: psychrophil (10-20 C) mesophil (20-40 C) thermophil (>40 C) Der mesophile Bereich verfügt über eine stabile Fermentation, während der thermophile Bereich einenschnellen, jedoch instabilen Abbau hat. Die optimale Verweildauer im Fermenter liegt mindestens bei 20-30Tagen und maximal bei 40 Tagen, da die Abbaurate in diesem Zeitraum den optimalen Grad aufweist, ohne exorbitante Kosten zu verursachen. Eine zu geringe Verweildauer im Fermenter könnte bedeuten, dass sich zu wenige methanbildende Bakterien gebildet haben (Brunmayr, Kirchmeyr, 2005). Die folgende Abbildung zeigt die optimale Verweildauer des Substrates im Fermenter in Abhängigkeit der Temperatur.

13 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 13 Abb.4:Substratverweildauer im Fermenter; Quelle: Allgemeines zur Biogasherstellung Für die Herstellung von Biogas bzw. Biomethan benötigt man sowohl elektrische Energie als auch Wärmeenergie. Die Biogasanlage braucht Strom für das Durchmischen der Gärreaktoren und für die Aufbereitung der Abfälle. Weiters wird Strom für das Einbringen des Substrates verwendet. Wärmeenergie wird verwendet, um das Substrat für den Fermenter vorzubereiten. Dieser hat eine höhere Temperatur als das Ausgangsmaterial (~40 C, bei ~angenommener Substrattemperatur von 20 C und Fermentertemperatur von 60 C). Wichtig ist auch, dass die Temperatur im Fermenter immer konstant bleibt. Der Stromverbrauch ist generell sehr groß relativ zum selbst erzeugten Strom. Der größte Teil des Stromverbrauchs geht auf die Aufbereitung zurück. Wird Biogas weiterverarbeitet zu Biomethan, sind die Emissionen um ca kg CO 2-eq /t höher als wenn nur Biogas verwendet wird, um Strom und Wärme herzustellen (Lampert et al., 2011).

14 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 14 Die Abbildung 5 veranschaulicht ein Fließschema in einer Biogasanlage. Abb.5:Fließschema einer Biogasanlage, Quelle: Albert, 2005 Im Fermenter verlaufen mehrere Schritte nebeneinander bzw. hintereinander ab. Diese sind die Hydrolyse, die Säurebildung, der Säureabbau und die Methanbildung. Den Prozess von der Gewinnung von Biogas veranschaulicht Abbildung 6. Abb.6: Schema der Biogasgewinnung, Quelle: Brunmayr, Kirchmeyr, 2005 Mit Hilfe der Hydrolyse teilen Bakterien die komplexen organischen Bestandteile in einfachere Bestandteile auf. So werden aus den hochwertigen Proteinen Aminosäuren, aus den Kohlenhydraten wird Einfachzucker und aus Fetten werden Fettsäuren. Dieser Prozess ist der langsamste und somit auch jener Prozess, der die Verweildauer bestimmt (Brunmayr, Kirchmeyr, 2005).

15 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 15 Die in der Hydrolysephase gebildeten Fettsäuren, Aminosäuren u. Zucker werden bei der Säurebildung von Bakterien in niedermolukare Alkohole (z.b. Ethanol), organischen Säuren (z.b. Milchsäure) und flüchtigen Fettsäuren (z.b. Essigsäure) sowie Wasser abgebaut (Brunmayr, Kirchmeyr, 2005, S.8). In der Phase des Säureabbaus werden die zuvor entstandenen Säuren zu Essigsäure (CH 3 COOH), Wasserstoff (H 2 ) und Kohlendioxid (CO 2 ) verarbeitet. Die Bakterien in dieser Phase sind sehr wärmeliebend. In der vierten Phase wandeln die Bakterien die entstandene Essigsäure in Methan und Bicarbonat um. In einem nächsten Schritt wird das Bicarbonat mit Hilfe des Wasserstoffs ebenfalls zu Methan abgebaut. In dieser Phase meiden die Bakterien den Sauerstoff. Am Schluss dieser vier Prozesse stehen ein energiereiches Gas und ein dünn-flüssiges Endsubstrat zur Verfügung. Zu beachten ist, dass die optimalen Bedingungen für die säurebildenden Bakterien gänzlich verschieden sind zu den Bakterien, die Methan bilden. Diese Gegensätzlichkeit veranschaulicht die Tabelle 4. Tab.4:Einflussfaktoren für säurebildende und methanbildende Bakterien, Quelle: Brunmayr, Kirchmeyr, 2005 Einflussfaktoren Säurebildende Bakterien Methanbildende Bakterien Sauerstoff, Licht Kein Problem Nur ohne Empfindlichkeit bei Kaum Sehr empfindlich, ab 2-3 K Temperaturschwankungen irreversible Schäden PH-Wert Bereiche Sauer (5-6,5) Alkalisch (6,5-7,5) Wachstumsraten Rel. kurz, Verdopplung <24h Rel. lang, Verdopplung 2-10 Tage Empfindlichkeit gegenüber Zellgiften geringer höher Hydrolyse, Säurebildung und Säureabbau bewirken einen Versäuerungsprozess mit einer ph- Wertabsenkung. Durch Zugabe von leicht aufschließbarem Material können sich die säurebildenden Bakterien gut und schnell vermehren. Diese Vermehrung der Bakterien führt wiederum zu einer ph-wertsenkung. Während die säurebildenden Bakterien gut mit diesen Bedingungen zurechtkommen, gibt es bei den methanbildenden Bakterien Probleme. Weil sich die methanbildenden Bakterien langsam vermehren, ist das Überangebot an Nahrung negativ zu bewerten und durch die ph-wertsenkung kommt es zur Leistungshemmung. Schlimmstenfalls kann es passieren, dass diese Bakterien ihre Tätigkeit Methan zu bilden, einstellen. Dies ist bekannt als Kippen der Fermentation (Brunmayr, Kirchmeyr, 2005).

16 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 16 Energiebringer in der Biogasproduktion sind die Kohlehydrate, Fette u. Proteine. Das eingesetzte Material sollte von hervorragender Qualität sein. Bei der Wahl des Schnittzeitpunktes sollte ebenso wie in der Fütterung auf den Energieinhalt wert gelegt werden. Altständiges Gras von einmähdigen Wiesen kann bestenfalls als Massenträger angesehen werden, es stopft den Bauch bringt aber nicht den gewünschten Ertrag. Zu beachten ist, dass gerade bei der Tierhaltung die Werte sehr stark schwanken können. Bei Tretmistverfahren, Tieflaufställen etc. kann es vorkommen, dass die organische Masse während der Lagerung bereits zum Großteil abgebaut wird (Brunmayr, Kirchmeyr, 2005, S.14). Diskontinuierliche Beschickung Bei der diskontinuierlichen Beschickung wird der gesamte Fermenter in einem Schritt mit frischem Substrat gefüllt und luftdicht verschlossen. Das gesamte Substrat bleibt die gesamte Verweilzeit im Fermenter. Diese Art der Beschickung hat vor allem bei Trockenvergärungsanlagen Bedeutung (Biogasnetzeinspeisung, 2008). Abbildung 7 zeigt ein Schema eines diskontinuierlichen Verfahrens zur Biogaserzeugung. Allerdings muss beachtet werden, dass sich die Technologie nicht durchgesetzt hat. Abbildung 7: diskontinuierliche Batch-Verfahren, Quelle: FNR, 2008 Ein großer Nachteil des Batch-Verfahren ist, dass die Bereitstellung von Biogas instationär erfolgt. Dem entgegenzuwirken werden mehrere Fermenter parallel aber zeitlich versetzt betrieben. Dies hat natürlich hohe Investitionskosten zur Folge.

17 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 17 Kontinuierliche Beschickung Im Gegenzug das kontinuierliche Verfahren(Abbildung 8). Abb.8: Kontinuierliches Verfahren der Vergärung, Quelle: Albert et al., 2007,Ferchau, 2004 Um zu gewährleisten, dass die Biogasanlage effizient läuft, müssen mehrmals am Tag Nährstoffe für die Bakterien bereit gelegt werden. Der Vorteil ist, dass dieser Prozess der Fütterung zeitgesteuert betrieben werden kann und somit keinen großen Aufwand mit sich bringt. Außerdem wird dadurch auch garantiert, dass es nie zu wenig Nährstoffe zu einer bestimmten Zeit zur Verfügung stehen. Das hat den Vorteil, dass kontinuierlich Biogas hergestellt werden kann. (Brunmayr, Kirchmeyr, 2005). Substratzusammensetzung Zu beachten ist, dass eine Substratmischung immer einem Substrat mit nur einem Bestandteil vorgezogen werden sollte. Das hat den Vorteil, dass verschiedene Makronährstoffe und Mikronährstoffe in ausreichender Menge enthalten sind. In den Substraten können sich verschiedene Störstoffe befinden. Diese sind z.b. Plastiksäcke, Knochen, Papier, Steine, Sand, Dosen und Glas. Um diese Störstoffe aus dem Substrat herauszufiltern, muss das Substrat vor der Beschickungaufbereitet werden. Bestimmte Substratarten müssen vor der Fermentation noch hygienisiert werden. Bei den nachwachsenden Rohstoffen (NAWAROs), die nicht in der Biotonne gesammelt werden, sind die Störstoffe relativ gering (ARGE eco.in, 2011).

18 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 18 Einzelne flüssige Substratarten (Co-Substrate) können z.b. in einer Vorgrube gemischt werden, die festen Substrate können direkt über Feststoffeintragsysteme in Gärfermenter eingebracht werden. Bei Mischung unterschiedlicher Substrate werden diese als Co-Substrate bezeichnet. Die gemeinsame Fermentation von Co-Substraten bezeichnet man als Co-Fermentation (ARGE eco.in, 2011, S. 20). Verschiedene Abfallarten weisen verschiedene Lagerungszeiten auf. Küchenabfälle zum Beispiel müssen relativ rasch weiterverarbeitet werden, denn diese können zu enormen Geruchsemissionen führen. Außerdem führt dies zu einer verminderten Biogasausbeute. Grünschnitt bzw. silagen mit hoher Futtermittelqualität stellen Kosubstrate mit sehr guten Vergärungseigenschaften dar und bieten die besten Voraussetzungen für einen hohen Biogasertrag (Albert et al., 2007; FNR, 2004; Lemmer, Öchsner, 2004). Eigenschaften von Substraten Substrate können mit Hilfe der Silage haltbar gemacht werden. Damit kann man Substrate wie Grünschnitt effizienter lagern. So kann das Substrat auf den nächsten Schritt der Biogasherstellung warten, ohne, dass es verdirbt. Wenn sich das Gras im Rispenschieben befindet, ist der optimale Zeitpunkt für die Mahd gekommen, um das Gras danach zu silieren. Dann enthalten die Gräser die optimale Menge Zucker, Spurenelemente und Vitamine. Sobald die Gräser zu blühen beginnen, ist die Qualität des Grases wieder geringer. Der Zucker wird nämlich relativ schnell wieder abgebaut. Somit haben die Milchsäurebakterien, die für die Silage wichtig sind, weniger Nahrung zur Verfügung. Sobald das Gras zu blühen beginnt, werden die enthaltenen Stoffe wieder abgebaut, die für die Milchsäurebakterien wichtig sind(arge eco.in, 2011). Ausschlaggebend für den Anteil an Methan bzw. Biogas, der gewonnen wird, ist wie die Zusammensetzung aus Kohlehydraten, Fetten und Proteinen der eingesetzten Substrate aussehen. Die besten Vergärungseigenschaften weist die Triticaleganzpflanzensilage auf, weil sie den größten Rohprotein- und Rohfettgehalt aufweisen. Außerdem zeichnet sich diese Art durch einen geringen Rohfaseranteil aus. Aus einem Kubikmeter Biogas lassen sich ca. 5 bis 7 kwh Energie erzeugen. Durch die Beimischung so genannter Kosubstrate (z.b. Maispflanzen, Gras und andere Futterpflanzen) zur Gülle lässt sich der Biogasertrag steigern (Albert et al., 2007, S.79; Heiermann, Plöchl, 2004). Tabelle 5 vergleicht die verschiedenen Inhaltsstoffe von Biogas in m 3 /t Frischmasse (FM) mit dem potentiellen Methangehalt in Prozent. Daraus lässt sich erkennen, dass Schweinegülle und Rindergülle trotz geringer Dichte einen relativ hohen Methanertrag bringen. Hingegen Maissilage und Grassilage bringen zwar einen hohen Biogasertrag aber im Verhältnis einen geringeren Methanertrag.

19 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 19 Tab.5: Vergleich von Biogasrohstoffen und deren Methangehalt, Quelle: FNR, 2008 Material Biogasertrag in m 3 pro Tonne (FM) Methangehalt in % Maissilage Grassilage Roggen Futterrübe Bioabfall Hühnermist Zuckerrübenschnitzel Schweinemist Rindermist Getreideschlempe Schweinegülle Rindergülle Grünschnitt ist biologisch schwer abbaubar, weil er Lignin beinhaltet. Deshalb ist es förderlich, wenn dieser für die energetische Nutzung verwendet wird. Allerdings muss genügend Strukturmaterial in der Mischung enthalten sein, damit ein gutes Endprodukt entsteht. Unter Strukturmaterial versteht man z.b. Hackschnitzel und zerkleinerte Äste. Das Strukturmaterial soll eine lockere Struktur im Rottegut hervorbringen. Für trockene Vergärung eignen sich faserige Abfälle und auch solche mit hohem Strukturanteil. Wird der Abfall und Grünschnitt zerkleinert, so kann auch eine Nassvergärung stattfinden(lampert et al., 2011). Nassvergärung Nach Amlinger et al. (2006) ist Nassvergärung ein anaeroberprozess zur Aufbereitung von Bioabfällen. Bei der Nassvergärung weist das Substrat einen prozentuellen Anteil an Trockenmasse (TM) von 8-12% aus. Hingegen hat die Trockenvergärung einen Anteil von 20-30% TM. Damit die biogenen Abfälle zur Vergärung bereit sind, müssen diese aufbereitet werden. Die folgenden Prozesse finden bei der Aufbereitung statt: Vorsortierung weiterführende Störstoffentfernung Zerkleinerung Lösung (Anmaischung) Separation (Störstoffabtrennung und Sandabscheidung) Hygienisierung

20 Grünlandnutzung Biogas Kompostierung 20 Nach der Aufbereitung lässt sich das Substrat ohne Probleme im Fermenter vergären. Positiv zu bewerten ist, dass das die Nassvergärung eine größere Substratauswahl zulässt. Häufig wir für die Vergärung von Grünschnitt die Nassvergärung gewählt. Allerdings muss darauf geachtet werden, dass das Material auf eine maximale Größe von 5cm zerkleinert wird. Ansonsten könnte es zu Problemen beim Rühren kommen und es könnte sich eine Schwimmschicht bilden. Besonders gut lässt sich Grünschnitt von Rasenflächen nutzen. Nachteilig zu bewerten ist, dass bei der Nassvergärung einen eigenen zusätzlichen Prozessschritt mit der Abtrennung von Störstoffen gibt. Bei der Trockenvergärung gibt es diesen Schritt nicht. Auch die Anmaischung findet nur bei der Nassvergärung statt. Bei diesem Schritt wird organisches Material in einen flüssigen Zustand gebracht. Der Stofflöser dient bei der Maischung als wichtiger Faktor. Mit Hilfe des Stofflösers wird das Material nochmals zerkleinert. Außerdem werden Verpackungen geleert und sauber gemacht, da die Geschwindigkeit der Flüssigkeit sehr hoch ist. Schließlich werden Schwerstoffe durch den Stofflöser abtransportiert (ARGE eco.in, 2011). Abb.9: Schema der Abfallaufbereitung am Beispiel der Nassvergärung, Quelle: strabag, 2004 Bauteile von Biogasanlagen Für gewöhnlich bestehen Biogasanlagen aus folgenden Teilen: Beschickungseinrichtung Fermenter Endlager Gaszwischenlager Blockheizkraftwerk (Energiegewinnung für Eigen- bzw. Fremdbedarf) Die Bestandteile einer Biogasanlage werden im Folgenden eingehend beschrieben.

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