Was ist Biogas?

Biogas wird aus der Verwertung von Reststoffen aus der Tierhaltung (Gü̈lle, Mist und Futterreste), der Nahrungsmittelproduktion (Gemüse- und Obstabfälle, Reststoffe aus der Fleisch-, Fisch-, Milchverarbeitung, Brauereiabfälle, Speiseabfälle u.v.a.) und Abwässern aus industriellen sowie kommunalen Kläranlagen, gewonnen. Die Landwirtschaft übernimmt durch den Bau von Biogasanlagen einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung aus nachwachsenden Rohstoffen sowie zur Entsorgung von organischen Reststoffen. Als Nebenprodukt der Biogasherstellung entstehen Gärreste, die wiederrum als hochwertiger Dünger verwendet werden können.

Die Umsetzung des Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetzes wird durch den Bau von bäuerlichen Biogasanlagen aus ökonomischer und ökologischer Sicht optimal verwirklicht.


Bestandteile

Bestandteile von Biogas

Schematische Darstellung von Methan (CH4)
Schematische Darstellung von Methan (CH4)

Biogas entsteht bei anaerober Vergärung von organischen Stoffen in einem gasdichten Fermenter. Dieser Fermenter verwandelt in einem biologisch aufwändigen Prozess bei circa 38-55 Grad Celsius organische Stoffe durch Methanbakterien in Biogas. Das entstandene Gas besteht zu mehr als der Hälfte aus Methan (CH4) und der Rest aus Kohlendioxid (CO2).

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) mit Generator verwandelt das Methangas in Strom und Wärme. Biogas ist absolut umweltfreundlich und CO2-neutral. Die Herstellung erzeugt nur so viel CO2, wie vorher durch die Pflanzen bei der Fotosynthese aufgenommen wurde. Der ökologische Kreislauf schließt sich.


Geschlossene Kreisläufe für Ökonomie und Ökologie

Geschlossene Kreisläufe für Ökonomie und Ökologie
Geschlossene Kreisläufe für Ökonomie und Ökologie

Notwendigkeit

Notwendigkeit von Biogas

Biogas ist bereits seit mehreren hundert Jahren bekannt. Um 1750 wurde Methan in Sumpfgasen nachgewiesen. Die ersten kontinuierlichen Gärverfahren wurden nach 1900 in die Praxis umgesetzt. Anfang der 70iger Jahre wurde Biogas in Europa durch die stark gestiegenen Energiekosten (Erdölkrise) erneut aktuell. Seit 1980 hat auch die ökologische Bewertung und Darstellung und damit die Sensibilisierung der Menschen einen wesentlichen Schub für Biogas bewirkt.

Biogas, d.h. die Vergärung von organischen Reststoffen, ist ein Weg zur Lösung der Umweltprobleme:

  • Treibhauseffekt
  • Zerstörung der Ozonschicht
  • Ausstieg aus der Kernenergie
  • Begrenzte Dauer der Nutzung konventioneller, fossiler Brennstoffe

Entstehungsprozess

  • Vergärungsarten

    Aerobe Vergärung:

    mit Luft bzw. Sauerstoffzufuhr
    → (Endprodukte CO2 und H2O)

    Anaerobe Vergärung:

    ohne Luft bzw. Sauerstoffzufuhr
    → (Endprodukt CH4 - Biogas)


  • Prozessverlauf für die Entstehung von Biogas

    1. Hydrolyse (Verflüssigung)
      Abbau organischer Substanzen in flüchtige Fettsäuren, Essigsäure, Buttersäuren, Propionsäure (ähnlich Silagezubereitung)
    2. Umbau dieser Endprodukte in Methan CH4, Kohlendioxyd CO2 und Wasser H2O.

    Der Vergärungsprozess erfolgt durch Bakterien, die im Fermenter in einer Mischkultur leben.



Wichtige Einflußfaktoren für die Biogasgewinnung

Temperatur
Psychrophil 15 - 30 °C → lange Verweildauer, geringe Gasausbeute, unempfindlicher Vergärungsprozess
Mesophil 30 - 45 °C → günstige Verweildauer, gute Gasaubeute, stabiler Vergärungsprozess
Thermophil 45 - 60 °C → kurze Verweildauer, gute Gasausbeute
→ instabiler Vergärungsprozess
→ Hygienisierungseffekt

  • Verweildauer

    Zwischen Faultemperatur und Verweildauer im Fermenter bestehen enge Beziehungen. Bei Temperaturen im thermophilen Bereich kann die Verweildauer auf 25 Tage gesenkt werden. Die für den Prozess optimale Verweildauer beträgt 40-60 Tage


  • Feststoffgehalt

    Das Optimum liegt zwischen 4% - 12% organische Trockensubstanz (OTS).
    Unter 4% OTS ist der Energiegehalt des Faulsubstrates zu gering.
    Über 12% OTS ist das Faulsubstrat nicht mehr pumpfähig, bzw. hat nur mehr be-grenzte Fließeigenschaften.



Vergärbare Stoffe

a) Wirtschaftsdünger aus der Landwirtschaft Rindergülle

Rinder-Festmist
Schweinegülle
Schweine-Festmist
Hühnergülle, Hühner-Trockenkot

b) Landwirtschaftliche Reststoffe Grasschnitt

Rübenblatt
Silage

c) Reststoffe aus der Agroindustrie Biertreber

Obsttrester
Gemüsereste
Rapsschrot
Getreideabputz
Schlempen (Kartoffel, Brennerei etc.)
Melasse

d) Kommunale Reststoffe Schlachthof (Panseninhalte, Flotatfett)

Fettabscheider
Speisereste
Großküchenabfälle
Hausabwässer

Grundsätzlich ist bei der Genehmigung zu prüfen, ob für bestimmte Bereiche der letztgenannten Gruppe Hygienisierungsmaßnahmen vorgeschrieben sind.


Biogasausbeute bei der anaeroben Vergärung verschiedener Substrate

Substrat Liter Gas / kg OTS
Rindergülle 300 - 400
Schweinegülle 400 - 700
Hühnerkot (verdünnt) 400 - 700
organischer Hausmüll 450
Speisereste 1.000
Gemüsereste 600
Grünschnitt 600
Fett aus Fettabscheider 1.000

Verfahren

Vorgrube

Vorgrube
Vorgrube

Die Vorgrube dient als Zwischenspeicher und Sammelbehälter für flüssigen Wirtschaftsdünger. Die Größe der Vorgrube muß mindestens für 2 - 3 Tage der anfallenden Gülle bzw. Substrate ausreichen. Reserven sind von Vorteil. In der Vorgrube können sich bereits grobe Feststoffe wie z.B. Steine, welche nicht in den Fermenter gelangen dürfen, absetzen.
Das Einmischen von geringen Feststoffmengen und Beschicken des Fermenters erfolgt mit einer robusten Pumpe. Meist ist zum Durchmischen und zur Vermeidung von Schmwimmschichten zusätzlich ein Rührwerk in der Vorgrube vorhanden. In bestimmten Fällen ist es möglich auf die Vorgrube zu verzichten und die Gülle direkt in den Fermenter einzubringen.


Vorgrube mit Hydrolysestufe

Bei Anlagesystemen mit Hydrolyse wird das über den Extruder aufgeschlossene Material über die Einbringschnecke in die erste Vorgrube eingebracht. Die erste Vorgrube ist die sogenannte Hydrolysestufe und somit die erste Stufe der zweistufigen Fermentation. In der Hydrolyse Vorgrube erfolgt mit Hilfe von Mikroorganismen in zwei Phasen (Hydrolyse und Acidogenese) zuerst die Spaltung der Moleküle. Dadurch werden die Spaltprodukte Wasserstoff, Kohlendioxid, Alkohole und Fettsäuren erzeugt. Das so weiter aufgeschlossene Material kann nun im Fermenter schneller und leichter weiterverarbeitet werden. Aus der Hydrolysestufe wird mehrmals täglich Substrat in den Fermenter gepumpt.
Um eine konstante Temperatur halten zu können, wird die Hydrolyse Vorgrube mit Abwärme aus dem BHKW beheizt und an der Außenseite mit Styrodur isoliert.


Annahmedosierer/ Biofeeder

Annahmedosierer/ Biofeeder
Annahmedosierer/ Biofeeder

Wahlweise wird je nach Ausgangsbiomasse entweder ein Annahmedosierer mit nachgeschaltetem Extruder (BIOaccelerators) oder ein Biofeeder mit nachgeschaltetem Prallreaktor (BIOacceleratorr) zur Voraufbereitung eingesetzt.

Der Annahmedosierer besteht aus einem offenen Container mit integriertem Kratzboden und Fräswalzen. Vom Annahmedosierer gelangt das Material über Fräswalzen und Förderbänder weiter in den BIOaccelerators. In den BIOacceleratorr gelangt das Material vom Biofeeder über ein Schneckensystem. (Ausnahme: Serie Farmer).

Der Biofeeder besteht ebenso aus einem offenen Container und fördert das Material mit einem sog. "Walking Floor". Aus dem Biofeeder gelangt das Material über Fräswalzen in den BIOacceleratorr.


Fermenter

Fermenter
Fermenter
Rührwerk mit Heizringen
Rührwerk mit Heizringen
Service Schacht
Service Schacht

Der Fermenter ist das Herz der Anlage. Hier findet die eigentliche Umwandlung von Biomasse zu Biogas (die Vergärung) statt. Mittels verschiedener Mikroorganismen wird das organische Substrat zersetzt und in methanreiches Biogas umgewandelt. Es handelt sich dabei um die bewährte einstufige Fermentation im mesophilen Bereich. Das bedeutet, der gesamte Umwandlungsprozess läuft in einem einzigen Behälter bei einer Temperatur von  35 – 45°C ab. Da die Mikroorganismen dieses Temperaturniveau nicht selbst halten können, ist im Fermenter eine Heizung integriert. Es handelt sich dabei um Heizrohre, welche ringförmig an der Innenwand des Fermenters (ähnlich eines Heizkörpers) angebracht sind. Als Wärmequelle dient dabei ein Teil der Abwärme aus dem BHKW.
Der Fermenter wird kontinuierlich im Durchfluss-Verfahren beschickt. Das bedeutet, es wird mehrmals täglich frisches Substrat aus der Vorgrube und über die Einbringschnecke in den Fermenter eingebracht.
Entscheidend für eine optimale Gasausbeute ist ein genügend groß dimensionierte mechanische Rührwerke zum Umwälzen des Faulsubstrates. Pneumatische und hydraulische Rührtechniken haben sich in der Praxis nicht durchgesetzt. Bei der Zuführung von bestimmten Substraten können sich im Fermenter Schwimm- und Sinkschichten bilden. Das Rührwerk muss deshalb höhenverstellbar sein.

Ebenso wird mehrmals täglich Substrat aus dem Fermenter entnommen und in den Post-Fermenter/Endlager gepumpt. Dies ist ein bewährtes Verfahren und stellt eine konstante Gasproduktion sowie eine sehr gute Ausnutzung des Fermentervolumens sicher.
Der Fermenter selbst wird aus Stahlbeton vor Ort gefertigt. Zur Minderung von Wärmeverlusten wird er mit Styrodur isoliert. Der aus dem Boden ragende Teil des Behälters wird mit Wellblech oder Holz verkleidet.
Die Abdeckung des Fermenters wird als Tragluftdach ausgeführt. Das Foliendach dient dabei selbst als Gasspeicher.


Pumpenstation

Pumpenstation
Pumpenstation

Über die zentrale Pumpenstation erfolgt die Verteilung der Flüssigkeiten zwischen den Behältern. Das Pumpenhaus mit der zentralen Pumpenstation ist zwischen Fermenter und Post-Fermenter positioniert. Generell ist es möglich von jedem Behälter in jeden Behälter der Anlage zu pumpen.

Im Pumpenhaus ist ebenso die Heizungsverteilung untergebracht. Die Pumpenstation kann auch im Container geliefert werden.


Gasaufbereitung / Gasspeicherung

Im Biogas sind Schwefelanteile enthalten, die Buntmetalle im Lagerbereich der Block-heizkraftwerke angreifen und zerstören. Es muß deshalb bereits im Fermenter eine Ent-schwefelung des Biogases erfolgen durch

  1. die Oxidation mit Eisen
  2. Lufteintragung von 2 - 3 Vol % über Kleinkompressoren bzw. Aquarienpumpen.

Die letztgenannte Lösung hat sich als funktionellste und wirtschaftlichste gezeigt.
Die Rohrleitungen für die Gasführung zum BHKW sind genügend groß zu dimension-ieren (ca. 100 - 150 mm, je nach Entfernung). Als Material werden im Erdbereich PVC-oder PE-Rohre und im offenen Installationsbereich Edelstahlrohre verwendet. Längere im Erdboden verlegte Rohrleitungen haben den Vorteil, daß Gas abgekühlt und dadurch Wasserdampf kondensiert und abgeschieden wird. Je kühler das Gas, desto besser die Gasqualität. Gasleitungen müssen im Gefälle verlegt werden.

Die Gasspeicherung erfolgt im Niederdruckprinzip in PVC- oder PE-Folienbehältern, die vor Ort geschweißt werden. Das Speichervolumen sollte auf 6 - 12 Stunden ausgelegt sein. Damit ist es möglich, nachts Gas zu speichern und tagsüber den höheren Strombedarf abzudecken.


BHKW mit Transformator

BHKW mit Transformator
BHKW mit Transformator

Das BHKW wird mit dem Biogas aus dem Fermenter und zu einem geringeren Teil auch mit Biogas aus dem Nachgärer/Endlager betrieben.
Die im BHKW produzierte elektrische Energie wird ins öffentliche Stromnetz eingespeist und ein kleiner Teil von der Anlage selbst verbraucht. Ein Teil der thermischen Energie aus der Motorkühlung und aus dem Rauchgaswärmetauscher wird zur Beheizung des Fermenters und des Nachgärers verwendet. Die überschüssige Wärme wird zur Trocknung der Gärreste verwendet. Falls nicht ausreichend Wärme abgenommen wird, werden die Notkühler des BHKWs verwendet um den Motor zu kühlen.



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Ertragsgarantie und Wirkungsgrade weit über dem Marktdurchschnitt

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