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Biogas ist ein brennbares, farbloses und stechend (nach faulen Eiern) riechendes Gas, das entsteht, wenn Biomasse jeglicher Art verrottet oder vergärt. Sowohl die Verrottung als auch die Gärung sind natürliche Prozesse, bei denen das organische Material unter Luftabschluss zersetzt wird. Die Zersetzung findet in einer technischen Anlage zur Erzeugung von Biogas statt: einer sogenannten Biogasanlage.
Biogas ist also ein Brennstoff, der verbrannt werden kann, um Wärme und/oder Strom zu erzeugen. Und damit wird der Unterschied zwischen erneuerbaren Energien mit Biogas auf der einen Seite und Sonne, Wasser und Wind auf der anderen Seite sofort deutlich: Biogas muss verbrannt werden, um die darin gespeicherte Energie nutzbar zu machen. Die Verbrennung als solche ist aus ökologischer Sicht nicht unumstritten, aber dazu später mehr.
In solchen Biogasanlagen werden verschiedene Rohstoffe zu Biogas verarbeitet. Dies können zum einen
- organische Abfälle
- und nachwachsende Rohstoffe sein.
Die Rohstoffe werden auch als Biomasse bezeichnet. Ein alternativer Begriff sind Substrate.
Dazu gehören zum Beispiel: Holz, sogenannte Energiepflanzen wie Mais oder Maissilage (Silage aus der ganzen Maispflanze), Raps oder Sonnenblumen und pflanzliche Abfälle, zum Beispiel sogenannte Grünabfälle. Biogas kann auch aus organischen Abfällen gewonnen werden, die landesweit in Biotonnen gesammelt werden. Darüber hinaus werden auch Gülle und Mist von Kühen, Schweinen oder Pferden als Biomasse für die Biogaserzeugung verwendet.
Welche Biomasse wird in Deutschland am häufigsten für die Biogaserzeugung verwendet?
Lautdem Deutschen Maiskomitee e.V. (DMK), das sich unter anderem auf Daten der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) beruft, wurden 2019 in deutschen Biogasanlagen rund 46 Prozent nachwachsende Rohstoffe (NawaRo), 49 Prozent Gülle und Mist, 3 Prozent kommunale Bioabfälle und 2 Prozent Reststoffe aus Industrie, Gewerbe und Landwirtschaft eingesetzt.
Das DMK stellt fest, dass Mais die dominierende Kultur unter den nachwachsenden Rohstoffen ist und dass sein Ertragspotenzial auf günstigen Standorten von keiner anderen Pflanze übertroffen wird. Auf marginalen Standorten, d.h. in Höhenlagen und Trockengebieten, verliert Mais jedoch seine Vorzüge, so dass Getreide-Ganzpflanzensilage (GPS) wirtschaftliche Vorteile gegenüber Mais bringen kann. In Grünlandregionen hingegen gewinnt Grassilage aufgrund der niedrigen Pachtpreise und der daraus resultierenden geringen Kosten ebenfalls an Wettbewerbskraft.
The biomass is usually collected in a so-called pre-pit (or collecting basin). These have come via various reception points (silos, slurry pits), to which sorting and cleaning systems are attached in some cases. It is important here that there is no mixing of animal excreta (slurry, manure) and biowaste in the preliminary pit.
This could reduce the efficiency of the system and would not comply with the requirements of animal disease and hygiene legislation. In addition, according to legal regulations, possible pathogens must be destroyed before the collected biomass is transported from the pre-pit to the biogas plant.
This is done with heat (thermal pre-treatment) or with pressure (pressure sterilisation).
The preparation of the biomass also varies: it can be shredded, ground, crushed or otherwise comminuted. Shredding is important for the success of the fermentation because it increases the surface area for the bacteria to attack.
Then the biomass is mixed, i.e. homogenised with liquid manure, liquid fermentation residues or process water.
The heart of a biogas plant is its so-called fermentation tank, which is called a fermenter in technical jargon. In so-called mini-biogas plants, such as those used on farms, it is 500 to 1,200 cubic metres in size, circular and has a reinforced concrete foundation. The digester provides a light- and oxygen-free (anaerobic) environment in which countless bacteria biodegrade the substrates. This means that the water contained in the biomass and the organic compounds in it decompose, for example carbohydrates (sugar, starch, hemicellulose, cellulose), proteins, fats and others. Wet and dry fermentation are common methods of operation.
On the one hand
- fermented residues on the one hand and a gas mixture on the other,
- and on the other hand a gas mixture: biogas.
Agitators are used, usually with so-called submersible motors, which are immersed in the biomass through the outer wall of the fermenter. The agitator has several tasks to fulfil: It stirs and mixes the biomass slowly and steadily so that the sought-after biogas is optimally released from the mass. At the same time, the agitator distributes the heat. This is because a uniform temperature of around 40 degrees Celsius (°C) is one of the best working conditions for the bacteria involved.
Important to know: A biogas plant itself generates heat during fermentation. However, this is usually not enough, especially when it is cold outside. Therefore, a very good insulation of the plant is just as recommendable as the use of the heat of a downstream combined heat and power plant (in short: CHP) as process heat in order to increase the efficiency of the plant.
A distinction is made between single-stage and two-stage biogas plants. The latter ferment the biomass in two stages, first in the fermentation stage, then in the secondary fermentation stage. The duration of the fermentation process (retention time) is usually prescribed by law; 100 days is a proven period of time for the fermentation process to be completely finished.
The biogas is stored until it is used again, either internally, i.e. directly in the gas storage tank, or externally. The internal gas storage tank is located in the bonnet of the fermenter. Its storage volume should be at least a quarter of the daily production, so that fluctuations in gas production can be easily compensated. In addition, the storage tank must be able to compensate for pressure changes inside. So-called low-pressure storage tanks with an overpressure range of no more than 30 mbar have proved their worth. These are gas-tight foil bonnets that are supplemented with a second foil as weather protection above the actual sealing foil. The upper film is a so-called supporting air roof, where air is blown into the intermediate space by means of a blower to keep the upper film in position.
Regarding the digestate, you need to know that - depending on the biomass used - it is rich in humus-forming substances and nutrients, including easily plant-available nitrogen, phosphorus, potassium, sulphur and trace elements. Uncontaminated digestate can be used in agriculture as a high-quality organic fertiliser and can largely replace or supplement mineral fertilisers. The fermentation residues are stored in the fermentation residue storage of the biogas plant until their final use. They must be covered gas-tight to prevent the emission of methane, also known as greenhouse gas, which is the main component of raw biogas (see next question).
Depending on the condition of the fermentation residues, they are then brought to the fields in slurry barrels (liquid) or with manure spreaders (solid). It is also possible to dry the fermentation residues using the heat that is released during biogas production. If the digestate, in whatever form, is spread within a farm, the return of the digestate to the farm is an important part of the process.
Die Zusammensetzung des Biogases hängt von der verarbeiteten Biomasse ab. Ursprünglich, d. h. vor der Biogasaufbereitung, enthält das entstehende Biogas, das auch als Rohbiogas bezeichnet wird,
- Methan (CH4)
- und Kohlendioxid (CO2)
- oft auch Stickstoff (N2)
- Sauerstoff (O2),
- Schwefelwasserstoff (H2S),
- Wasserstoff (H2)
- und Ammoniak (NH3) sind ebenfalls vorhanden
Methan gilt als wertvoll im wassergesättigten Biogas, sein Anteil kann bis zu 65 Prozent betragen. Je höher der Anteil, desto energiereicher ist das Biogas. Der Wasserdampf hingegen ist nicht verwertbar. Störende Faktoren im Rohbiogas sind vor allem Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Deshalb findet die Biogasaufbereitung vor der Verbrennung des Rohbiogases statt.
Die beiden Verbindungen werden in einer Biogasaufbereitungsanlage (BGA) gezielt entfernt.
Das Ergebnis: Der Mensch ist weniger gefährdet. Die Geruchsbelästigung wird reduziert. Korrosion in Motoren, Turbinen und nachgeschalteten Bauteilen (einschließlich Wärmetauschern) wird verhindert. Auch das CO2 (bis zu 50 Prozent) im Rohbiogas ist ein Störfaktor. Deshalb wird es in bestimmten Anwendungen abgetrennt und wiederverwertet.
Das Biogas kann
- Das Biogas kann entweder in einer Biogasaufbereitungsanlage gereinigt und veredelt werden, so dass es Erdgasqualität erreicht und dann entweder in eine sogenannte Erdgastankstelle oder in das Erdgasnetz eingespeist werden kann. Erdgas ist in Deutschland (noch) ein wichtiger fossiler Energieträger für die Industrie: Mehr als ein Drittel des hierzulande jährlich verbrauchten Erdgases wird in diesem Sektor verbraucht, meist zur Wärmeerzeugung.
Denn verschiedene Produktionsprozesse sind auf sogenannte Prozesswärme angewiesen, zum Beispiel die Glas-, Porzellan- und Stahlproduktion. Wie Sie sehen, könnte Biogas einen Teil des fossilen Erdgases ersetzen und so die Situation auf dem Gasmarkt entspannen (mehr dazu später unter den Vorteilen von Biogas).
- Oder, und diese Nutzung ist in der Praxis viel häufiger, das Biogas wird direkt vor Ort (d.h. direkt an die Biogasanlage angeschlossen) in einem Blockheizkraftwerk verbrannt. Dabei kommt in der Regel ein für den Gasbetrieb optimierter Otto-Motor zum Einsatz. Der Motor hat die Aufgabe, das erzeugte Biogas zu verbrennen und über einen angeschlossenen Stromgenerator direkt Strom zu erzeugen.
Als Nebenprodukt wird Wärme erzeugt.
Sowohl Strom als auch Wärme können als Endprodukt genutzt werden, entweder für den Eigenverbrauch oder für den Verkauf durch den Abnehmer oder dessen Kunden. Während der Strom in das eigene Netz oder in das öffentliche Netz eingespeist wird, ist die Nutzung der Wärme komplizierter
. Der Grund: Beim Transport der Wärme entstehen erhebliche Energieverluste. Deshalb eignet sich die Wärme nur für die Nutzung in einem Nahwärmenetz. Es gilt: Je besser die Wärme in der Nähe der Biogasanlage genutzt werden kann, desto höher ist der Wirkungsgrad. Vorteilhaft sind also große Wärmeabnehmer wie Schwimmbäder, Hotels oder Einkaufszentren in der Nähe der Biogasanlage.
Wichtig: In einigen Fällen wird die KWK-Wärme in die Biogasanlage zurückgeführt, um den Gärprozess zu unterstützen (siehe oben).
BHKW-Gasmotoren werden im sogenannten Magerbetrieb mit Turboaufladung betrieben, damit möglichst wenig Stickoxide ausgestoßen werden. Das BHKW arbeitet weitgehend vollautomatisch. Aber: Ein BHKW ist recht laut.
Deshalb muss der Standort des BHKWs den Anforderungen des Lärmschutzes entsprechen. Gut isolierte Container mit integrierter Luftzufuhr haben sich bewährt. Als Alternative zum klassischen Gas-Otto-Motor werden, wenn auch weniger häufig, Zündstrahl- oder Stirlingmotoren sowie Mikrogasturbinen und Brennstoffzellen eingesetzt.
Letztere sind derzeit wegen der vergleichsweise hohen Investitionen in die Brennstoffzellentechnologie noch nicht sehr verbreitet. Neben den erneuerbaren Energiequellen Sonne, Wasser und Wind wird auch Biogas eine Rolle im erneuerbaren Energiemix spielen.
Wenn Sie mit dem Gedanken spielen, als Produzent oder Investor in das Biogasgeschäft einzusteigen, finden Sie in diesem Artikel die Antworten auf alle wichtigen Fragen zum Thema Biogas. Mit diesem Wissen werden Sie die richtige Entscheidung treffen, das versprechen wir Ihnen!
Im Gegensatz zu fossilem Erdgas wird Biogas aus Biomasse gewonnen. Diese besteht aus nachwachsenden Pflanzen sowie Mist und Gülle aus der Tierhaltung.
Deshalb wird Biogas zu den erneuerbaren Energiequellen gezählt.
Laut Statista.de waren Ende 2020 rund 9.700 Biogasanlagen in Deutschland in Betrieb. Das Umweltbundesamt (UBA) schreibt dazu, dass im Jahr 2021 in Deutschland 50,4 Milliarden Kilowattstunden (kWh) Strom aus Biomasse bereitgestellt wurden. Im Vergleich zu 2020 (50,9 Mrd. kWh) sei das etwa 1 Prozent weniger Strom aus Biomasse.
Die wichtigsten Quellen für die Stromerzeugung aus Biomasse waren dem Bericht zufolge
- Biogas (28,5 Mrd. kWh),
- feste Biomasse (11,4 Mrd. kWh) und der biogene
- und der biogene Anteil von Abfällen (5,6 Mrd. kWh).
Insgesamt ist die Stromerzeugung aus Biomasse nach Angaben des UBA in den letzten 5 Jahren in etwa auf dem gleichen Niveau geblieben.
Die installierte Leistung sei um rund ein Prozent auf 10.431 Megawatt (MW) im Jahr 2021 gestiegen. Im Vergleich zu 2016 beträgt der Anstieg der installierten Leistung gut 20 Prozent. Der Ausbau der Biomasse-Kraftwerkskapazitäten in den vergangenen Jahren diente jedoch vor allem der Flexibilisierung der Stromerzeugung. Dieser sogenannte "Überbau" hat in den letzten Jahren kaum zu einer Erhöhung der jährlich erzeugten Strommenge geführt, sorgt aber dafür, dass erneuerbarer Strom flexibler und bedarfsgerechter bereitgestellt werden kann (zum Beispiel in Zeiten geringer Wind- und Photovoltaik-Stromerzeugung).
Nach Angaben des BDEW nutzt die Mehrzahl der Biogasanlagen in Deutschland das erzeugte Biogas direkt vor Ort. Nach Angaben des Bundesverbandes der Energie- und Wasserwirtschaft bedeutet dies, dass das Biogas in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) durch Kraft-Wärme-Kopplung direkt am Entstehungsort in Strom und Wärme umgewandelt wird.
Typischerweise werden dafür Verbrennungsmotoren (Gasmotoren) eingesetzt. Der erzeugte Strom wird meist in das öffentliche Netz eingespeist und nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet. Die Wärme wird vor Ort genutzt, in ein Nahwärmenetz eingespeist oder zur Beheizung der Biogasanlage verwendet.
Der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) hat das Potenzial von Biogas in seinem Energie-Info "Gas kann grün: Die Potenziale von Biogas/Biomethan. Status quo, Fakten und Entwicklung" (Stand 2019) so zusammengefasst:
- Biogas könnte als flexible erneuerbare Energie einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten. Es liefere sicheren Strom und sei über lange Zeiträume speicherbar, heißt es in dem Bericht.
- Das Potenzial von Biogas ist noch nicht ausgeschöpft. Die neue Vielfalt der Biomasse als Rohstoff bietet wassersparende Ausbaumöglichkeiten. Eine Kostendegression ist möglich, indem die Einspeisung gebündelt und damit weitere Nutzungspfade erschlossen werden.
- Nach Angaben des BDEW könnten bis zum Jahr 2030 jährlich bis zu 10,3 Mrd. m³ Biogas in das deutsche Gasnetz eingespeist werden, was 100 Terawattstunden (TWh) entsprechen würde.
Um das Biogaspotenzial zu heben, schlägt der BDEW folgende Schritte vor:
- Biogasanlagen in Bezug auf Verfahren, Flexibilität und Biomassebeschaffung optimieren.
- Stromerzeugungsanlagen vor Ort möglichst weitgehend auf Biomethaneinspeisung umstellen. Beispielhafte Berechnungen würden hier Potenziale von bis zu 26 Prozent des Gasabsatzes in verschiedenen Regionen ergeben
- Nutzung und Erschließung weiterer Biomasse-Einsatzstoffe
- Systemische Verknüpfung von Biogasaufbereitung und Power-to-Gas
Der BDEW weist zudem darauf hin, dass die Voraussetzung für die Ausschöpfung der Biogaspotenziale ein deutlich verbesserter Markt ist. Mit den derzeitigen Rahmenbedingungen für Biogas auf den Absatzmärkten für Stromerzeugung, Wärme und Kraftstoffe sei kein weiterer Ausbau absehbar, so der Branchenverband. Marktanreize, die Stabilisierung des regulatorischen Rahmens und die Optimierung der Anlagen würden zusammen das Potenzial für eine zunehmende Dekarbonisierung im Gasbereich bieten.
Das sind die 6 Vorteile von Biogas:
- Biogas gilt als CO2-neutral, weil bei der Verbrennung nur die Menge an CO2 freigesetzt wird, die die in der Biogasanlage vergorenen Pflanzen bis dahin aufgenommen haben. Nach dieser Berechnung wird durch Biogas kein zusätzliches CO2 emittiert. Die Produktion und Nutzung von Biogas ist jedoch nicht völlig frei von CO2-Emissionen. Beim Bau und Betrieb der Anlage, bei der Lagerung und Ausbringung der Gärreste, bei der Ernte, beim Einsatz von Dünger und beim Fahren der Traktoren werden Treibhausgase freigesetzt. Dennoch: Unterm Strich emittiert Strom aus Biogasanlagen deutlich weniger CO2 als Strom aus fossilen Brennstoffen.
Zum Vergleich:
- Braunkohlekraftwerke verursachen pro erzeugter Kilowattstunde Strom über 1.000 Gramm CO2-Äquivalente,
- Biogasanlagen weniger als 250 Gramm CO2-Äquivalente pro kWh. Wird zusätzlich die von der Biogasanlage erzeugte Wärme genutzt, fällt die Bilanz noch positiver aus.
- Biogasanlagen als zusätzliche Einkommensquelle für Landwirte
Eine Biogasanlage ist eine attraktive Einkommensquelle für Landwirte. Nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) von 2000 erhalten sie eine feste Einspeisevergütung für den aus Biogas erzeugten Strom, wobei sie das erzeugte Gas nicht unbedingt einspeisen müssen, sondern auch selbst verbrauchen können. Und sie können die Gärreste als Dünger auf ihren Feldern einsetzen.
- Biogas ergänzt wetterunabhängig erneuerbare Energien
Im Gegensatz zu Wind- und Solarenergie kann Biogas wetterunabhängig produziert werden und ist zudem gut speicherbar. Es kann daher die Grundlast decken und Schwankungen im Netz ausgleichen.
- Biogas ist Energie "Made in Germany
Da Biogas "Made in Germany" ist, werden lange Transportwege vermieden, Wertschöpfung und Arbeitsplätze in der ländlichen Region gehalten und gleichzeitig ein Beitrag zur Energieunabhängigkeit Deutschlands geleistet.
- Biogas fördert die Kreislaufwirtschaft (cradle to cradle)
Mit Biogas verwerten wir biologische Abfälle, die wir produzieren. Das entlastet die Umwelt und macht fossile Brennstoffe überflüssig.
- Mit Biogas gewinnen wir auch ein Gärsubstrat als Dünger.
Vergorene Gülle riecht weniger als normale Gülle und der Geruch verfliegt auch schneller. Die Pflanzen nehmen die Gärreste besser auf als normale Gülle, was den Ertrag auf den Feldern verbessert. Außerdem spart der Landwirt die Kosten für Kunstdünger und vermeidet die Umweltverschmutzung, die durch deren Einsatz entsteht.
Und das sind die Nachteile von Biogas
- Energiepflanzen binden Ackerland.
Für die Biogaserzeugung werden häufig so genannte Energiepflanzen als Biomasse angebaut. Dafür werden Flächen benötigt, was die Flächenkonkurrenz durch das Flächeninteresse der drei Sektoren Siedlung und Verkehr, Landwirtschaft und erneuerbare Energieerzeugung erhöht.
- Geruchsbelästigung
Viele Menschen, die in der Nähe einer Biogasanlage wohnen, empfinden deren "Abgase" als störend.
- Die Biogasproduktion kann das Klima belasten
Neben Biomethan können bei der Biogasproduktion auch Ammoniak, Schwefelwasserstoff und andere problematische Stoffe entstehen. Gelangen diese in die Umwelt, belasten sie den Boden, das Grundwasser und die Atmosphäre.
- Biomassetransporte verursachen CO2-Emissionen
Große Biogasanlagen benötigen viel Biomasse, die nicht immer lokal verfügbar ist. Wenn Biomasse und Gülle über weite Strecken mit Lastwagen transportiert werden müssen, wird während des Transports CO2 freigesetzt.
