TECHNIK VON BIOGASANLAGEN Dr. Kurt Frunzke bioteg GmbH, von Linde Str. 16, 95 326 Kulmbach Tel. 09221 9053 80, Fax 09221 9053 99 Inhaltsübersicht 1. Einleitung 1.1. Was ist Biogas? 1.2. Die Entstehung von Methangas (Biogas) in der Natur 1.3. Verbreitung von Biogasanlagen und vorhandenes Potential für den Betrieb von Biogasanlagen in der Bundesrepublik Deutschland 1.4. Ökologische Aspekte der Biogasnutzung 2. Biogastechnik: Wie funktionieren Biogasanlagen? 2.1. Stand der Technik und Anlagetypen 2.2. Substrataufbereitung 2.3. Reaktortyen und Verfahrensweisen 2.4. Umwälzung 2.5. Verfahren zur Aufreinigung von Biogas 2.6. BHKWs 3. Schlussbemerkungen und Zusammenfassung 3.1. Ökonomische Gesichtspunkte und Forderung an die Politik 3.2. Tabellarische Aufsummierung des vielfältigen Nutzens der Biogastechnik 1. Einleitung 1.1. Was ist Biogas Biogas ist ein Gemisch aus CO2, Methan, Schwefelwasserstoff und Stickstoff. Die genaue Zusammensetzung entnehmen Sie bitte Tabelle 1. Der Methananteil verleiht dem Biogas seine wertvolle Eigenschaft als Energieträger. Gleichzeitig ist der Methangehalt natürlich auch verantwortlich für die brennbaren und explosiven Eigenschaften von Biogas in Gemisch mit Luft. Beim Umgang und der Verwertung/Verwendung von Biogas sind deshalb besondere Vorsichtsmaßnahmen und Regeln zu beachten. TABELLE 1 Eigenschaften von Biogas Zusammensetzung: 50-70 % Methan (CH 4 ) 30-45 % Kohlenstoffdioxid (CO 2) < 1 % Schwefelwasserstoff (H 2S) (Entfernung durch Filter oder Luftoxidation) Wasserdampf (Entfernung durch Kondensation) Energiegehalt: im Durchschnitt 6,0-6,5 kwh/m 3 Heizöläquivalent von 0,60-0,65 l Öl/m 3 Biogas Explosionsgrenze: 6-12 % Biogas in Luft Zündtemperatur 650-750 C
1.2. Die Entstehung von Methangas in der Natur Die biologische Methangasbildung ist ein Prozeß, der in der Natur überall dort statt findet, wo organisches Material (Biomasse) in feuchter Umgebung und unter Luftabschluß durch die Stoffwelchselaktivität einer Gruppe von, natürlichen Mikroorganismen, den sogenannten Methanbakterien, verrottet. Einige Beispiele für die natürliche Methangasbildung sind die Entstehung von Sumpfgas, die Methanbildung im Verdauungstrakt von Wiederkäuern, in durchnässten Kompostieranlagen und in überfluteten Reisfeldern. Der Methanbildungsprozeß ist sehr komplex. Er verläuft über mehrere Stufen ausgehend von der Biomasse über die Hydrolyse der Makromoleküle, die Vergärung der Hydrolyseprodukte zu org. Säuren und Alkoholen und deren weiteren Abbau zu C 2 und C 1 -Körpern sowie Wasserstoff (H 2 ) durch acetogene Bakterien. Die C 1 -Körper werden schließlich in einem mehrstufigen Prozeß von methanogenen Bakterien zu Methan reduziert. In Biogasanlagen macht man sich diesen natürlichen, biologischen Prozeß zunutze. 1.3. Verbreitung von Biogasanlagen und vorhandenes Potential für den Betrieb von Biogasanlagen in der Bundesrepublik Deutschland In der Bundesrepublik Deutschland sind bisher (Stand 11/99) ca 580 Biogasanlagen im Betrieb. Zum Vergleich sei hier erwähnt, daß in der Volksrepublik China zwischen 6 und 7 Millionen Anlagen laufen (überwiegend sehr einfache Kleinanlagen mit ca. 10 m 3 Reaktorvolumen). Der sehr geringen Verbreitung von Biogasanlagen in Deutschland steht ein enormes Potential von mindestens etwa 150 000 bis 200 000 Biogasanlagen gegenüber, wenn man die Landwirtschaft mit einbezieht und das gesamte, technisch nutzbare Aufkommen an organischen Industrieabfällen, an Biomüll und an unbehandeltem Klärschlamm in die Berechnungen einfließen läßt. Das Biogaspotential in der Bundesrepublik Deutschland beträgt nach teilweise sehr divergierenden Abschätzungen und Berechnungen zwischen 17,5 x 10 9 m³ pro Jahr und 22 x 10 9 m³ pro Jahr. Dies entspricht einem Energiepotential von etwa 1,1 x 10 11 kwh/a bis 1,4 x 10 11 kwh/a. Der Anteil des landwirtschaftlichen Potentials liegt dabei je nach Berechnungsgrundlage zwischen 76 % und 89 %. Der Rest verteilt sich auf Klärschlamm (ca. 4-10 %), häuslichen Bioabfall (ca. 6-11 %) und Industrieabfall (derzeit noch ca 1-3 %). Das Potential aus Industrieabfallstoffen dürfte während der nächsten Jahre mit Sicherheit ansteigen, da gerade in jüngster Zeit durch die Ergebnisse zahlreicher Forschungsarbeiten neue Stoffströme aus dem Industriebereich zur Biogaserzeugung erschlossen werden konnten. Zur Biogasgewinnung kann grundsätzlich jede organische oder biologische Substanz (Biomasse) herangezogen werden, die durch Mikroorganismen verstoffwechselt werden kann. Aufgrund der extremen Vielfalt der bakteriellen Stoffwechselwege ist auch das Spektrum an potentiellen Substraten nahezu unbegrenzt. Nur wenige Naturstoffe lassen sich wegen ihrer besonderen chemischen Struktur nur sehr langsam abbauen. Dazu zählt z.b. Lignin, die Gerüstsubstanz des Holzes. Praktisch alle synthetischen, organischen Polymere (Kunststoffe) sind nur extrem langsam oder überhaupt nicht durch Bakterien abbaubar (Ausnahme: PHA, siehe Tabelle 2). Die nachfolgende Auflistung stellt nur einen kleinen, beispielhaften Ausschnitt aus dem potentiellen Substratspektrum zur Erzeugung von Biogas dar und entbehrt jeglicher Vollständigkeit.
Biogasanlagen zur Gewinnung von Energie aus Industrieabfallstoffen Seite 3 Tabelle 2 Geeignete Substrate für Bioreaktoren zur Biogaserzeugung Biogasausbeute (m³/kg ots) (*) Trebern aus Brauereien 0,42-0,5 Obst- und Weintrester aus Keltereien 0,45 Schlachthofabfälle 0,34-0,71 Abfälle aus der Fischverarbeitung ca. 0,5 Grüngut (Landwirtschaft und Gartenbaubetriebe) 0,35-0,46 Produktionsabfälle aus Lebensmittel- und Futtermittelindustrie 0,32-0,8 unvergorener, frischer Schlamm aus kommunalen Kläranlagen 0,39-0,41 pflanzliche Extraktionsrückstände aus der Pharmaindustrie 0,2-0,75 Kartoffelschlempe aus Brennereien ca 0,48 Abfälle aus der Papier und Kartonagenproduktion 0,2-0,3 Biomüll aus dem Haushalt ca. 0,40-0,58 biologische Öle und Schmiermittel >0,5 biolgisch abbaubare Verpackungskunststoffe 0,64 (z.b. Polyhydroxy-Buttersäure PHB) Fettabscheiderreste, Fettreste aus der Gastronomie und aus Großküchen 0,7-1,3 Gülle und Festmist aus der Landwirtschaft 0,22-0, 55 (*) die hier angegebenen Werte sind aus zahlreichen Quellen sowie eigenen Messreihen entnommen und nur als Durchschnittswerte zu sehen 1.4. Ökologische Aspekte der Biogasnutzung Die Energie aus Biogasanlagen zählt zu den erneuerbaren (regenerativen) Energien, da beim bakteriellen Abbau der Biomasse letztendlich Sonnenenergie, die in Pflanzen zwischengespeichert wurde, in Form des Energieträgers Biogas wieder frei wird. Der Prozeß ist in Bezug auf die Kohlendioxid (CO 2 )-Bilanz der Erdatmosphäre neutral, da im Gegensatz zur Verbrennung von fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdgas, Erdöl) höchstens nur die Menge an CO 2 wieder frei gesetzt werden kann, die unmittelbar zuvor durch pflanzliche Photosynthese aus der Erdatmosphäre entnommen (assimiliert) wurde. Durch Einsatz der Biogastechnologie wird außerdem verhindert, daß das extrem starke Treibhausgas Methan (CH 4 ), das sich stets beim unkontrollierten, anaeroben Abbau von Biomasse bildet, in die Atmosphäre abgegeben wird. Bei gleicher Konzentration ist Methan ein ca 30-mal stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid. 2. Biogastechnik: Wie funktionieren Biogasanlagen In Biogasanlagen entsteht unter kontrollierten und optimierten Bedingungen aus organischen Abfallstoffen durch mehrstufige mikrobielle Abbaureaktionen aus Biomasse ein Gasgemisch, das sog. Biogas. Biogas besteht zu etwa 50 bis 70 Vol % aus Methan. Der Rest ist überwiegend Kohlendioxid mit Spuren von Schwefelwasserstoff (H 2 S) und Stickstoff (N 2 ). Biogas kann zur direkten Wärmeerzeugung wie Erdgas verbrannt werden oder als Treibstoff für einen Gasmotor eingesetzt werden. Der Gasmotor mit Wärmetauscher und angekoppeltem Generator wird auch als Blockheizkraftwerk (BHKW) bezeichnet. Das BHKW erzeugt mit einem Wirkungsgrad von etwa 30 % elektrischen Strom und mit etwa 60 % Wärme bezogen auf den Energiegehalt von Biogas.
Biogasanlagen zur Gewinnung von Energie aus Industrieabfallstoffen Seite 4 Heizung/Warmwasser Kraft-Wärme-Kopplung Elektrische Energie Gasspeicher Pumpen Gasfilter Gasmotor Generator Biogas Überlauf mit Absperrung Rührwerk Reaktortemperierung Frischgüllebehälter Güllepumpe Bioreaktor (Gärbehälter) Aufbereitete Gülle Abbildung: Funktionsdiagramm einer Biogasanlage für einen landwirtschaftlichen Betrieb Frischgülle, Festmist und andere organischen Substrate werden in einem Vorbehälter vermischt, über eine Fördereinrichtung in den Bioreaktor überführt und hier vergoren. Das im Bioreaktor erzeugte Biogas wird in einem Gasspeicher gesammelt, getrocknet und entschwefelt. Das Gasgemisch wird als Treibstoff für einen Gasmotor eingesetzt, der über einen angekoppelten Generator elektrischen Strom erzeugt. Die Abwärme des Motors wird über einen Wärmetauscher auf einen oder mehrere Heizkreisläufe übertragen und dient somit zur Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung. Der im Generator erzeugte Strom deckt den Eigenbedarf des landwirtschaftlichen Betriebes. Überschüsse an elektrischer Energie werden gegen Vergütung von derzeit ca 0,14 DM pro kwh ins Stromnetz eingespeist.
Biogasanlagen zur Gewinnung von Energie aus Industrieabfallstoffen Seite 5 2.1. Stand der Technik und Anlagetypen 2.2. Substrataufbereitung 2.3. Reaktortyen und Verfahrensweisen 2.4. Umwälzung 2.5. Verfahren zur Aufreinigung von Biogas 2.6. BHKWs Der Prozeß der Methanbildung aus Biomasse ist umfassend wissenschaftlich erforscht worden und weitgehend aufgeklärt. Derzeitige Forschungsarbeiten befassen sich vorwiegend mit Verfahrenstechnik, Verfahrensoptimierung sowie mit Meß-, Steuer- und Regeltechnik (MSR). Kleine Biogasanlagen in der Landwirtschaft sind überwiegend als klassischer Speicherreaktor gebaut. Dieser Typ besteht aus einem ober- oder unterirdisch stehenden Gärbehälter samt Peripherie und vertikaler Rührwelle (siehe Abb.). Dieser Reaktortyp kann relativ kostengünstig gebaut werden. Der Betrieb gilt heute als verfahrenssicher und relativ einfach. Weniger verbreitet sind Biogasanlagen mit liegenden Stahltank-Reaktoren. Diese Anlagen sind mit horizontaler Rührwelle mit integrierter Reaktortemperierung über Rührschlaufen ausgestattet. Die Energiegewinnung aus dem entstehenden Biogas erfolgt heute fast ausschließlich über Kraft-Wärme-Kopplungen, d.h. das Gas wird in Gasmotoren als Treibstoff verbrannt, der angekoppelte Generator erzeugt Strom und die Abwärme der Verbrennung (60 %) wird als Heizenergie genutzt. Die ausschließliche Energiegewinnung nur durch Verbrennung des Biogases wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit heute kaum mehr betrieben. An Biogasanlagen zur Energiegewinnung aus Industrieabfallstoffen und aus Biomüll werden je nach Substrat andere technische Anforderungen gestellt. In diesen Anlagen kommt neben dem Reaktor und dem BHKW vor allem der Substrataufbereitung und Nachbehandlung eine entscheidende Bedeutung zu. Substrate müssen vor der Verbringung in den Reaktor häufig von Störstoffen befreit werden (Biomüll), auf den optimalen TS Gehalt von 10 bis 12 % eingestellt werden, miteinander vermischt werden oder sogar chemisch neutralisiert werden (ph 5,5 bis 7,5 je nach Substrat). Die Substratkonditionierung kann im Einzelfall höhere Investitionen erfordern als der Reaktor samt BHKW. Für manchen Anlagenbetreiber ergibt sich die Notwendigkeit, die festen Bestandteile der Gärrückstände aus der Flüssigphase abzutrennen. Dazu werden Schneckenpressen, Siebbandpressen oder auch Durchlaufzentrifugen häufig noch in Verbindung mit Fällungsmitteln eingesetzt. Die Investitionen für die Nachbereitung und Zwischenlagerung der Gärrückstände können in Ausnahmefällen bis zu einem Drittel der Gesamtkosten betragen. Die Wirtschaftlichkeit einzelner Industriebiogasanlagen resultiert unter Umständen weniger aus der Energieproduktion, sondern vielmehr aus der Einsparung von Entsorgungskosten bzw aus der Einnahme von Entsorgungsvergütung. Auf ein Beispiel für eine besondere Biogas-Anlagenbauform, den sogenannten Festbett- Biogas-Reaktor zur Reinigung von organisch hoch belasteten Industrieabwässern soll im folgenden näher eingegangen werden. Im Prinzip handelt es sich dabei um eine Biogasanlage, die mit Immobilisierungskörpern in Form von offenporigen Keramikplatten hoher Porosität ausgerüstet ist. Die durch die Immobilisierungskörper bedingte extrem große innere Oberfläche, die von Bakterien besiedelt wird, ermöglicht einen relativ schnellen Durchsatz des Abwassers. Bei kontinuierlicher oder semi-kontinuierlicher Zufuhr von Abwasser werden die Mikroorganismen im Festbett-Bioreaktor zum größten Teil zurückgehalten und nicht ausgewaschen. Das System gewährleistet somit eine kontinuierlich hohe Abbauleistung.
Biogasanlagen zur Gewinnung von Energie aus Industrieabfallstoffen Seite 6 Bei konventionellen Biogasanlagen liegt die übliche Retentionszeit (Verweildauer im Reaktor) zwischen 20 und 30 Tagen; in Hochleistungs-Festbett-Bioreaktoren kann sie auf weniger als einen Tag reduziert werden. Festbett-Bioreaktoren eignen sich nur für niedrig konzentrierte Substrate bis zu einem CSB von etwa 20 000 mg/l. Festbett-Bioreaktoren stellen erhebliche Anforderungen an die MSR-Technik. Die Energiegewinnung steht dabei an zweiter Stelle. Wesentlich ist bei diesen Anlagen der höchst mögliche Abbau von organischen Substanzen im Abwasser auf CSB Werte von unter 1000 mg/l. Die Wirtschaftlichkeit von Festbett-Bioreaktoren zur anaeroben Abwasserreinigung ergibt sich aus der Einsparung von Abwassereinleitungsgebühren. 3. Schlussbemerkungen und Zusammenfassung 3.1. Ökonomische Gesichtspunkte und Forderung an die Politik Biogasanlagen arbeiten umso gewinnbringender, je mehr Biomasse verarbeitet wird. Das Verhältnis Energieausbeute zu Investitionskosten und damit die Wirtschaftlichkeit verbessert sich mit zunehmender Größe der Anlage. Biogasanlagen bieten in der Abfallentsorgung bisher noch kaum genutzte Möglichkeiten. Aus einer Tonne frischem Biomüll lassen sich etwa 130 m³ Biogas gewinnen. Daraus können ca 250 kwh elektrischer Strom und 480 kwh Wärme erhalten werden. Bei der Biogaserzeugung aus Biomüll entstehen keine lästigen oder schädlichen Emissionen. Die Vergärung von Biomüll in Biogasanlagen ist aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht der Biomasse-Verbrennung oder der ausschließlichen Kompostierung vorzuziehen. Im Idealfall sollten Biomüllvergärung und Kompostierung miteinander kombiniert werden: Holzabfälle wie Baum- oder Heckenschnitt würden wie bisher kompostiert werden, während die feuchten und nassen Anteile des Biomülls vergärt würden. Feste Reststoffanteile, die nach dem Vergärungsprozeß zurückbleiben, lassen sich zusammen mit den Holzanteilen hervoragend und ohne die bekannten Geruchsprobleme verkompostieren. Das am 1.4.2000 in Kraft tretende Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz - EEG) hat erhebliche Auswirkungen auf den Betrieb und die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen. Die Stromeinspeisevergütungen liegen mit nun 20 Pfg. pro kwh erheblich höher als in den vergangenen Jahren. Die Biogastechnik wird voraussichtlich einen steilen Aufschwung erleben, da sich wegen der erhöhten Stromeinspeisevergütung auch zunehmend kleinere Biogasanlagen wirtschaftlich betreiben lassen. Biogasanlagen als Einrichtungen zur Erzeugung von regenerativer und CO 2 -neutraler Energie sollten trotz dieser Verbesserung der Rahmenbedingungen ebenso wie Windkraft- und Solaranlagen von Energiesteuern befreit werden. Es macht keinen Sinn regenerativ erzeugte Energien, die immer noch mehr oder weniger von Fördermitteln abhängig sind, mit einer Energiesteuer zu belasten und andererseits die Forderung nach verstärkter Nutzung von regenerativen Energien zu stellen. Wer sich die Forderung nach dem Ausstieg aus der Kernenergie zu eigen macht, oder wer sich klar macht, daß die Menschheit im Begriff ist, die fossilen Energieträger, die in mehreren hundert Millionen Jahren Erdgeschichte entstanden sind in wenigen hundert Jahren aufzubrauchen, der muß alle Anstrengungen unternehmen, um die Erzeugung und Nutzung regenerativer Energien weiter zu erhöhen.
Biogasanlagen zur Gewinnung von Energie aus Industrieabfallstoffen Seite 7 Welchen ökologischen und ökonomischen Nutzen bringt die Biogastechnik? Gewinnung von regenerativer, Ressourcen und Klima schonender Energie und damit Substitution von Energie die aus fossilen Energieträgern bzw. aus Atomkraftwerken gewonnen wird Die Menge an organischen Abfallstoffen kann bis zu 85 % reduziert werden (im Abwasser sogar um bis zu 90 %). Die Eigenschaften der verbleibenden Restsubstanzen sind verbessert im Vergleich zum unbehandeltem organischen Abfall: (Beispiel: bessere Homogenität) Starke Reduzierung der Geruchsstoffe durch biologischen Abbau der flüchtigen Geruchsstoffe in organischen Abfällen (z.b. in Gülle) Erhebliche Reduzierung bzw. vollständige Abtötung von pathogenen Keimen in der verarbeiteten Biomasse Erhebliche Reduzierung der Entsorgungskosten für org. Abfallstoffe nach Verarbeitung im Bioreaktor bis hin zur sinnvollen Wiederverwendung (z.b. als Düngemittel und in Form anderer innovativer Produkte) Literatur Klingler Barbara Schulz Heinz Schlegel Hans G. Oremland Ronald S Kofermentation, das Ölscheichsyndrom? Biogas Journal 1998 (2), Fachverband Biogas ev, Kirchheim Biogas Praxis 1996, ökobuch Verlag, Staufen bei Freiburg Allgemeine Mikrobiologie 1996, Thieme Verlag Stuttgart Biogeochemistry of methanogenic bacteria, pp 641-707 in: Biology of anaerobic microorganisms, Alexander J.B. Zehnder (ed), John Wiley & Sons, New York (1988)