Die Biogasanlage. Dezentrale, regenerative Energiequelle

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Theorie
2.1 Entstehung von Biogas
2.2 Biogaszusammensetzung
2.3 Biogaseigenschaften

3 Verfahren zur Biogasgewinnung
3.1 Anlagentypen
3.1.1 Das Batch-Verfahren
3.1.2 Das Wechselbehälter-Verfahren
3.1.3 Das Durchfluss-Verfahren
3.1.4 Das Speicher-Verfahren
3.1.5 Kombinierte Durchfluss-Speicher-Anlagen
3.2 Verfahrensvarianten
3.3 Fermenterbauarten
3.3.1 Horizontale Bauart
3.3.2 Vertikale Bauart
3.3.3 Gängige Fermenterbauarten
3.4 Aufbau einer Biogasanlage

4 Anlagenplanung
4.1 Anlagendimensionierung
4.1.1 Berechnung des Fermenters
4.1.2 Ermittlung des Trockensubstanz- und des organischen TS-Gehalts
4.1.3 Berechnung der täglichen Gasproduktion
4.1.4 Lagervolumen
4.1.5 Gasspeichervolumen
4.1.6 Bestimmung der BHKW-Leistung

5 Wirtschaftlichkeit
5.1 Kosten der Biogasnutzung
5.2 Investitionskosten
5.3 Abschreibung und jährliche Kosten
5.4 Nutzen
5.5 Möglichkeiten zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit
5.6 Fördermöglichkeiten
5.6.1 Bundesprogramm zur Förderung erneuerbarer Energien
5.6.2 Förderprogramm der Kreditanstalt für Wiederaufbau
5.6.3 Deutsche Ausgleichsbank – Umweltprogramm
5.6.4 Förderprogramm des Landes Niedersachsen
5.6.5 Förderleitlinie Biomasse der Energiestiftung Schleswig-Holstein
5.7 Beispielrechnungen

6 Derzeitige Biogasanlagen

7 Bedarfsaussichten

8 Aktuelle Entwicklungen

9 Probleme

10 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

11 Literaturverzeichnis

1 Einleitung

In der Projektarbeit „Dezentrale, regenerative Energiequelle – Biogasanlage“ werden die Entwicklungen in der Biogastechnologie, die Wirtschaftlichkeit und die Bedarfsaussichten erörtert, da der Einsatz regenerativer Energiequellen durch die Einführung der Ökosteuer und die damit verbundene Erhöhung der Heizöl-, Gas- und Benzinpreise neuen Aufwind erfährt. Nachwachsende Rohstoffe leisten zusätzlich einen wichtigen Beitrag zum Klima- und Umweltschutz, zur Schonung endlicher Ressourcen, zur Sicherung landwirtschaftlicher Einkommen und zur Erhaltung der Kulturlandschaft. Allein in Deutschland werden inzwischen auf mehr als 400.000 Hektar nachwachsende Rohstoffe für chemisch-technische Verwendungen und als Energieträger angebaut. Dies entspricht etwa 3% der bundesdeutschen Ackerfläche (Stand 1995).

Da der weltweite „Raubbau“ an fossilen Energieträgern nicht unendlich fortzuführen ist, ist die Entwicklung bzw. Förderung Erneuerbarer Energieträger erforderlich. Neben verstärkten Bemühungen zur Energieeinsparung und rationellen Energienutzung können der Verbrauch der fossilen Energieträgern und die damit verbundenen CO2-Emissionen durch den Einsatz erneuerbarer Energieträger vermindert oder gar vermieden werden.

Alternative Energiequellen sind in diesem Fall seit bestehen der Erde Wind, Sonne und Biomasse. Da unsere Breitengrade aufgrund der klimatischen Bedingungen in den Bereichen Wind- und Sonnenenergie etwas benachteiligt sind, die organischen Abfälle aber kontinuierlich und in großen Mengen anfallen, ist es sinnvoll die darin enthaltene gespeicherte Energie zu nutzen.

Die energetische Nutzung der Biomasse ist annährend CO2 neutral, da die bei der Verbrennung von Biogas frei werdende CO2-Menge beim Anbau der Biomasse über Photosynthese eingebunden wurde. Dieser natürliche Kreislauf wird am schnellsten geschlossen, in dem die organischen Abfälle dem natürlichen Prozess der Verrottung, Fermentation, zugeführt werden. Die dabei entstehende Energie in Form von methanhaltigem Gas, Biogas, wird zur Energieerzeugung genutzt.

2 Theorie

2.1 Entstehung von Biogas

Biogas wird in einem mehrstufigen Prozess durch die Aktivität von anaeroben Mikroorganismen beim Abbau organischer Substanz unter Luft- bzw. Sauerstoffabschluss erzeugt. An der Biogasbildung sind mehrere verschiedene Bakterienstämme beteiligt, deren Zusammensetzung sich jeweils aus den spezifischen Prozessbedingungen ergibt (z.B. Ausgangsstoff der Vergärung, Temperaturniveau, pH- Wert,...). Da sich die Mikroorganismen an die verschiedenen Ausgangsstoffe anpassen können, ist fast jede organische Substanz durch Vergärung abbaubar.

Die in der Regel hochmolekulare organische Substanz wird in mehreren Stufen zu niedermolekularen Verbindungen abgebaut bis hin zum Methan. Neben dem Biogas entsteht bei der Prozesskette als Gärrückstand ein Gemisch aus Wasser, nicht abgebauter organischer Substanz (meist zellulosereiche oder holzartige Substanz) sowie nicht organischer Substanz (meist Sand und andere Bodenteilchen, Salz und andere Minerale). Die Vergärung findet im feuchten Milieu statt, die Mikroorganismen benötigen mindestens ca. 50 % Wasser im Ausgangssubstrat. Der Abbau der Biomasse wird in 4 Stufen betrachtet:

Die 1. Stufe der Vergärung ist die Hydrolyse. In dieser Phase werden hochmolekulare organische Verbindungen von Bakterien zu kleineren Einheiten aufgespalten. Die meisten der organischen Moleküle treten als verkettete, sich wiederholende Einheiten auf. Bakterien können diese Ketten nicht nutzen, sie scheiden zur Aufspaltung der organischen Verbindungen Enzyme aus. Aufgabe dieser Enzyme ist es, die großen Moleküle der Grundstoffgruppen, Eiweißstoffe, Kohlenhydrate und Fette soweit aufzuspalten, dass sie, in Wasser gelöst, durch die Zellmembranen der Bakterien diffundieren und durch Endoenzyme dem weiteren Stoffwechsel der Zelle verfügbar gemacht werden können.

Die 2. Stufe der Vergärung ist die Säurebildung. Zunächst verwerten die anaeroben Bakterien den im Schlamm gelösten Sauerstoff und schaffen dadurch erst die für die Methanbakterien anaeroben Lebensverhältnisse. Sie sind aus diesem Grund für Methangärung von besonderer

Bedeutung. Ist der gelöste Sauerstoff aufgebraucht, bedienen sie sich der molekularen Atmung, d.h. sie verwerten molekular gebundenen Sauerstoff. Die Säurebildner genannten Bakterien greifen die bei der Hydrolyse entstandenen Verbindungen an und zerlegen diese in Spaltprodukte mit niedrigerem Molekulargewicht, vor allem in Alkohole, Essigsäure, Propansäure, Buttersäure, Milchsäure , Aminosäuren, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und geringe Mengen Methan.

Da die Spalt- und Stoffwechselprodukte zum größten Teil aus Säuren bzw. aus Stoffen mit Säurecharakter bestehen, sinkt der pH-Wert im Schlamm unter 7, daher der Name „Säurebildung“.

Das Temperaturoptimum für die Säurebildung liegt bei etwa 30 °C. Im gesamten Prozess gebildeter und nicht abgeführter Wasserstoff hat eine hemmende Wirkung auf die Säurebildungsphase.

Die 3. Stufe ist die Essigsäurebildung. Hier werden die niedermolekularen organischen Säuren und Alkohole von Bakterien zu Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff abgebaut. Auch auf diesen Prozess wirkt eine erhöhte Wasserstoffkonzentration hemmend.

In der 4. Stufe, der Methanbildung, werden Essigsäure, CO2 und Wasserstoff von Bakterien zu Methan umgesetzt, Kohlendioxid ist hierbei im Überschuss und verbleibt als Rest im Gasgemisch. Aufgrund verschiedener Mikroorganismengruppen ergeben sich für diesen Prozess zwei Temperaturoptima, der mesophile Bereich (ca. 35 °C) und der thermophile Bereich (ca. 55 °C). Sie leben durch intramolekulare Atmung, d.h. sie entnehmen ihren lebensnotwendigen Sauerstoff den Molekülen anderer Stoffe. Dadurch sind sie in der Lage, organische Stoffe bis zur kleinsten, gasförmigen Molekularform zu zersetzten, nämlich zu Methan und Kohlendioxid. Das pH-Optimum liegt bei etwa pH 7, so dass eine kontinuierliche Verarbeitung der

Zwischenprodukte erforderlich ist, um einer Versäuerung des Prozesses entgegenzuwirken.[2,4,8]

2.2 Biogaszusammensetzung

Biogas hat in etwa folgende Zusammensetzung, die in Abhängigkeit der zur Vergärung eingesetzten Substrate auch abweichend sein kann:

Tab. 1: Biogaszusammensetzung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Biogas besteht in der Regel zu ca. 65% (55 bis 75%) aus dem brennbaren Gas Methan und aus über 30% Kohlendioxid. Erdgas besteht zum Vergleich aus ca. 80 bis 90% aus Methan. Der untere Heizwert von einem Kubikmeter Biogas liegt je nach Gasqualität bei 21,5 bis 23,5 MJ (6,0 bis 6,5 kWh/m³). im Durchschnitt kann von 6,2 kWh/m³ ausgegangen werden, dies entspricht einem Heizölaquivalent von ca. 0,62 l Öl je m³ Gas.[2,4,8]

2.3 Biogaseigenschaften

Biogas hat in etwa die folgenden Eigenschaften, die in Abhängigkeit der zur Vergärung eingesetzten Substrate auch abweichend sein können.[2,4,8]

Tab. 2: Biogaseigenschaften

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3 Verfahren zur Biogasgewinnung

3.1 Anlagentypen

Bis Ende der achtziger Jahre wurde durch unterschiedliche Bauweisen und technische Experimente viel Pionierarbeit geleistet. So haben sich heute wenige Bautypen und technische Versionen herausentwickelt, die als technisch ausgereift und erprobt gelten. In den folgenden Kapiteln werden die fünf wichtigsten Verfahren zur Gewinnung von Biogas erläutert, wobei sich in den letzten Jahren zwei Anlagentypen durchgesetzt haben, das Durchfluss-Verfahren und das Speicher-/Durchfluss-Verfahren.[4]

3.1.1 Das Batch-Verfahren

Das charakteristische der Batch-Anlagen ist die einmalige Beschickung des Faulbehälters. Nach der Füllung des Faulraumes mit dem auszufaulenden Substrat wird die Anlage geschlossen und der Fermentationsprozess läuft bis zum Ende der Verweilzeit ab, dabei wird weder Substrat zugeführt noch entnommen. Die Gasproduktion setzt nach der Füllung langsam ein, erreicht ein Maximum und flacht dann ab. Nach Ablauf der Verweilzeit wird der Faulbehälter auf einmal entleert. Es wird jedoch darauf geachtet, dass ein kleiner Teil des Faulschlamms (ca. 5 – 10 %) im Behälter verbleiben, um die neue Charge mit den „eingearbeiteten“ Bakterien anzuimpfen.

Damit der Behälter schnell befüllt und entleert werden kann, benötigt man zusätzlich einen Vorbehälter und einen Lagerbehälter, jeweils in der gleichen Größe wie der Faulbehälter. Die für dieses Verfahren ungleichmäßige Gasproduktion kann durch zwei kleinere Fermenter , die um die halbe Verweilzeit versetzt abwechselnd befüllt und entleert werden, ausgeglichen werden. Allerdings steigen durch diese Maßnahmen die Investitionskosten. Ein weiterer Nachteil ist die lange Verweilzeit des organischen Materials im Vorbehälter bis zur Entleerung in den Faulbehälter, da hier

schon Abbauprozesse stattfinden, die mit Methanverlusten verbunden sind. Aus diesen Gründen gibt es in Deutschland keine Biogasanlage, die nach dem Batch-Verfahren arbeitet.[1,2]

3.1.2 Das Wechselbehälter-Verfahren

Das Wechselbehälter-Verfahren arbeitet mit zwei Faulbehältern. Der Vorbehälter besitzt in etwa ein Fassungsvermögen, das einem Substratanfall von 1 – 2 Tagen entspricht. Der entleerte Fermenter wird langsam, aber kontinuierlich befüllt, während im zweiten Faulbehälter der Fermentationsprozess abläuft. Ist der erste gefüllt, wird der ausgefaulte Behälter in den Lagerbehälter entleert und anschließend wieder aus dem Vorbehälter befüllt. Das Fassungsvermögen des Lagerbehälters ist in der Regel größer als das eines Faulbehälters, so dass dieser erst bei einer größeren Faulschlammmenge entleert werden muss.

Da während des Fermentationsprozesses kein Frischsubstrat zugeführt wird, zeichnet sich dieses Verfahren durch eine sehr regelmäßige Methanproduktion und gute Hygienisierungswirkung aus.

Die Nachteile bei diesem Verfahren sind der hohe Bauaufwand und die großen Wärmeverluste gegenüber einem einzigen Fermenter. Als problematisch ist die Entleerung des Behälters anzusehen, da der Behälter hierfür belüftet werden muss, sofern der Gasspeicher nicht genügend groß und ausreichend gefüllt ist, um das Volumen des entnommenen Substrates zu ersetzten. Wird der Behälter belüftet, so muss die Luft zunächst durch entstehendes Biogas soweit verdrängt werden, dass keine Explosionsgefahr mehr besteht.[1,2]

3.1.3 Das Durchfluss-Verfahren

Die meisten Biogasanlagen arbeiten nach dem Durchfluss-Verfahren. Dieses Verfahren kann auch mit dem Speicher-Verfahren kombiniert werden. Im Gegensatz zu den vorherigen Verfahren ist der Fermenter zu jeder Zeit gefüllt. Aus einem kleinen Vorbehälter wird das organische Frischsubstrat ein- bis zweimal täglich in

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