Ziel und Nutzen von Biogasanlagen

• Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie
• Verbesserung des Düngewertes von Gülle (Fließfähigkeit, Pflanzenverträglichkeit, Homogenität, Stickstoffwirksamkeit und Substitution von mineralischem NPK-Dünger)
• Verringerung von Geruchsemissionen bei der Gülleausbringung
• Geringere Umweltbelastung (Ersatz von fossiler Energie, geschlossener CO₂-Kreislauf)
• Energetische Verwertung von Biomasse als Alternative zur Kompostierung, bei der Klima verändernde Gase emittiert
werden und eine umweltgerechte Entsorgung von biologischen Abfällen und Reststoffen
• Finanzielle Nebeneinkünfte

Biogas wird durch anaerobe Bakterien beim Abbau organischer Substanz unter Luftabschluss erzeugt. Mehrere verschiedene Bakterienstämme sind an der Biogasbildung beteiligt; der biologische Prozess ist relativ komplex und noch nicht in allen Einzelheiten bekannt. Die einzelnen Bakterienstämme haben relativ enge optimale Temperaturzonen, welche über eine konstante Prozesstemperatur ständig aufrechterhalten werden sollte. Landwirtschaftliche Biogasanlagen werden überwiegend im mesophilen Bereich gefahren, je nach Anlagenkonzeption sind Temperaturen zwischen 22° bis 42° C (meist ca. 39° C) üblich. Vereinzelt werden Biogasanlagen auch im thermophilen Bereich (ca. 55° C) gefahren.

Biogas besteht in der Regel zu ca. 62% (55 bis 70%) aus dem brennbaren Gas Methan und aus über 30% Kohlendioxid. Erdgas besteht zum Vergleich aus ca. 80 bis 90% aus Methan. Von Bedeutung für die Qualität des Biogases ist zudem der Wasserdampfgehalt, sowie der Schwefelwasserstoffanteil (H₂S), diese führen zu Problemen bei der Gasverwertung (Korrosion). Durch entsprechende Behandlungsmethoden können diese unerwünschten Stoffe erheblich reduziert werden. Der Wasserdampfgehalt kann durch Auskondensieren in der Leitung oder dem Gasspeicher gesenkt werden und die Entschwefelung findet mittels Filter oder durch die kontrollierte Zufuhr von Luft (Oxidation) statt.

Der untere Heizwert von einem Kubikmeter Biogas, der maßgeblich vom CH₄-Gehalt bestimmt wird, liegt je nach Gasqualität bei 21,5 bis 23,5 MJ (5,5 bis 6,0 kWh/m³); im Durchschnitt kann von ca. 5,8 kWh/m³ ausgegangen werden, dies entspricht einem Heizöläquivalent von ca. 0,58 l Öl je m³ Gas.

Biogas ist leichter als Luft und deswegen flüchtig, eine Explosionsgefahr besteht nur bei einem Methananteil von 5 - 15 % im Gas-/Luftgemisch. In seiner normalen Zusammensetzung führt die Entzündung von Biogas folglich nur zur Flammenbildung.

Die Biogasausbeute wird von der Wissenschaft meist auf die Gaserzeugung je kg organischer Trockensubstanz (m³ Biogas/kg oTS bzw. auf m³ Methan/kg oTS) bezogen. Bei der praktischen Vergärung von tierischen Exkrementen wird häufig die tägliche Gaserzeugung je Großvieheinheit (m³/GV) als Maßstab verwendet. Sie hängt von mehreren Einflussfaktoren ab:

• Aufenthaltszeit des Substrats in der Biogasanlage
  Je länger das Gärsubstrat im Fermenter verweilt, desto mehr organische Substanz kann abgebaut werden. Die so genannte Verweilzeit ist allerdings stark vom Inputgemisch abhängig. Je größer der Anteil von pflanzlichen Stoffen im Inputgemisch, desto stärker rückt der Parameter Faulraumbelastung (kg/ oTS/m³ Fermenter/d) in den Vordergrund.
• Tierische Substrate
  Je nach Tierart, Fütterung, Einstreu, Wasserzusatz und die evtl. darin enthaltenen Frachten ist die Zusammensetzung der Gülle und somit die Gasausbeute unterschiedlich. Je höher der Anteil an leicht abbaubaren Substanzen (wie Stärke und Fett) in der Gülle ist, desto höher ist die Gasausbeute. Kurze Stroheinstreu und ein hoher TS-Gehalt sind ebenfalls positive Einflussfaktoren.
  Wasserzusatz (und die darin enthaltenen Spül- und Desinfektionsmittel) können sich unterschiedlich negativ auf die Gasproduktion auswirken.
• Pflanzliche Substrate
  Würde man einen vollständigen Abbau der organischen Zuschlagstoffe realisieren wollen, müsste man mit sehr langen Aufenthaltszeiten des Substrats im Fermenter und damit auch entsprechenden Behältergrößen rechnen – wenn überhaupt – erst nach längeren Zeiträumen abgebaut werden. Es wird entsprechend ein Optimum an Abbauleistung in Verhältnis zum wirtschaftlichen Aufwand angestrebt.
  Für einen stabilen Gärprozess soll eine Faulraumbelastung von 4,0 kg oTS/m³/d als Obergrenze angenommen werden. Daraus resultieren Verweilzeiten zwischen 45 und 70 Tagen.

Wurde bis Ende der achtziger Jahre durch unterschiedliche Bauweisen und technische Experimente viel Pionierarbeit geleistet, so haben sich heure einige wenige Bautypen und technische Versionen herausentwickelt, die als technisch ausgereift und erprobt gelten. Die Gesamtkonzeption der Biogasanlage hängt stark von den einzelbetrieblichen Gegebenheiten ab:

• Güllezusammensetzung und Möglichkeit zur Mitvergärung von Nachwachsenden Rohstoffen
• Bauliche Gegebenheiten und vorhandene Flächen
• Verwertbarkeit der elektrischen und thermischen Energie
• Umfang an einzubringender Eigenleistung durch den Betriebsleiter oder sonstige Helfer

Generell sollte auf die vielfältigen Erfahrungen von anerkannten Biogasexperten zurückgegriffen werden. Nur so sind neben einem enormen Zeit-, Reise- und Informationsaufwand unnötige Fehler in Planung und Bauausführung zu vermeiden. Planungs- und Bauablauf:

• Allgemeine Vorinformation und Besichtigung einzelner Anlagen
• Vor-Projektierung und Kalkulation einer betriebsspezifischen Anlagenkonzeption durch nachweisbar kompetente und firmenunabhängige Institutionen
• Sorgfältige Berechnung der einzelbetrieblichen Wirtschaftlichkeit unter Berücksichtigung eventueller vorhandener öffentlicher Förderungsmöglichkeiten
• Übergabe von speziellen Arbeiten an örtliche Handwerker oder Spezialisten des Planungsbüros bzw. des Generalunternehmers

Die heute üblichen Anlagentypen unterscheiden sich in Durchfluss- und Speicher-/Durchflussanlagen. Bei Durchflussanlagen werden täglich mehrmals kontinuierlich flüssige Substrate zu- und der nach der Vergärung dünnflüssige Gärrest abgeführt. Durch eine gute Führung des Substratstroms muss erreicht werden, dass die frisch zugeführte Gülle entsprechend der theoretischen mittleren Verweilzeit möglichst lange im Fermenter verweilt, indem Kurzschlüsse vermieden werden.

Ein Standardtyp für Selbstbaulösungen ist der liegende Stahlbehälter, meist ein großer gebrauchter Heizöl-Erdbehälter, der mittels einer durchgehenden Querwelle gerührt wird. Verschiedene weitere Bautypen von Durchflussanlagen sind in der Praxis zu finden oder werden von Firmen angeboten.

Bei Speicher-/Durchflussanlagen wird der Lagerbehälter für Gülle durch entsprechende Isolation, den Einbau einer Heizung und eines Rührwerks sowie baulicher Maßnahmen im Sinne der Gasdichtheit selbst zum Fermenter. Meist schließt sich noch ein zweiter (End-) Lagerbehälter an. Die Entleerung folgt nicht zwingend kontinuierlich, der Fermenter darf maximal auf ca. 30 % des Lagervolumens entleert werden. Bei Speicheranlagen ist die mittlere Verweildauer länger, die Prozesstemperatur ist meist niedriger gehalten, der Prozesswärmeanteil aufgrund der größeren Oberfläche in der Regel größer.

Trockenfermentation ist die Vergärung stapelbarer Substrate, deren TS-Gehalt im Input im Jahresmittel über 30 % liegt. So legt es im EEG fest. Aus Sicht des IBBK muss nicht nur der Input stapelbar sein, sondern auch das Substrat im Fermenter über die Dauer des gesamten Prozesses und somit auch der Gärrest. Charakteristisch ist, dass Garagen oder Boxen als Fermenter genutzt werden.
Diese Garagenfermenter werden diskontinuierlich im sogenannten Batch-Ansatz befüllt und entleert werden. Da das Kriterium der "Stapelbarkeit" gegeben sein muss, können die eingebrachten Substrate TS-Gehalte von bis zu 50 % haben. Bei höheren TS-Gehalten fehlt den Bakterien die nötige Flüssigkeit zur eigenen Beweglichkeit und zum Nahrungstransport.
Generell können die Boxenfermenter mit sehr hohen Raumbelastungen gefahren werden, was spezifisch geringe Behandlungskosten ermöglicht. Während des Gärprozesses wird dem Fermenter kein Gärsubstrat entnommen oder zugeführt. Des Weiteren befinden sich keine drehenden Teile im Fermenter. Im Vergleich mit der Nassfermentation verringern sich hierdurch der Prozessenergiebedarf sowie der Wartungsaufwand erheblich.

Biogas wird im Allgemeinen über eine Kraft-Wärme-Kopplung (Blockheizkraftwerk – BHKW) zu elektrischer und thermischer Energie verwertet (Nutzungsgrad elektrisch ca. 28-38 %; thermisch ca. 42-58 %). Biogas fällt in der Regel über das gesamte Jahr kontinuierlich an, der Bedarf an thermischer Energie ist dagegen meist stark abhängig von der Jahreszeit. Je nach Anlagentyp, Behälter, Oberfläche, Anzahl und Größe der Fermenter werden zwischen ca. 20 und 40 % der erzeugten Bruttoenergie für die Aufrechterhaltung der Prozesstemperatur im Fermenter benötigt. Die verbleibende Nettoenergie kann selten zu 100 % genutzt werden, da im Sommer meist weniger thermische Energie benötigt wird, als die Anlage bereitstellt.

Schwefelige Säuren, resultierend aus dem Schwefelgehalt im Biogas führen zu erheblicher Korrosion der Buntmetalle in den Motoren. Durch interne und externe Entschwefelungsmethoden (geregelte Sauerstoffzufuhr) sind diese Probleme minimierbar.

Das BHKW stellt über die Stromeinspeisung in das örtliche Stromnetz und die damit verbundene gesetzliche Mindestvergütung die Haupteinnahmequelle der Biogasanlage dar.

Stromvergütung nach Erneuerbare Energien Gesetz (EEG), dessen Neuerung am 01.08.2004 in Kraft trat beträgt für Biogasanlagen, die nach dem 31.12.2004 erstmals einspeisen wie folgt:

• bis einschließlich einer Leistung von 150 kW mindestens 11,3 Cent/kWh_elektr.
• bis einschließlich einer Leistung von 500 kW mindestens 9,7 Cent/kWh_elektr.
• bis einschließlich einer Leistung von 5.000 kW mindestens 8,7 Cent/kWh_elektr.

Diese Mindestvergütungen erhöhen sich um jeweils 6 Cent/kWh_elektr. bis zu einer Anschlussleistung von 500 kW, und um 4 Cent/kW_elektr., wenn die Anschlussleistung über 500 kW beträgt, sofern ausschließlich Biomasse im Sinne des Gesetzes zur Stromerzeugung eingesetzt wird.

Die Mindestvergütungen erhöhen sich um jeweils weitere 2 Cent/kWh, soweit es sich um Strom im Sinne des KWK-Gesetzes handelt (KWK-Bonus). Dieser Bonus gilt für die Strommenge, die bei der Auskopplung der verwerteten überschüssigen Wärmemenge erzeugt wurde. Berechnet wird er, indem die zertifizierte Stromkennzahl des BHKW (η_elektr./η_therm.) mit der erfassten Wärmemenge der thermisch genutzten Energie multipliziert wird.

Die Mindestvergütungen erhöhen sich um jeweils weitere 2,0 Cent pro Kilowattstunde (Technologie-Bonus), wenn der Strom in Anlagen gewonnen wird, die auch in Kraft-Wärme-Kopplung betrieben werden, und die Biomasse durch thermochemische Vergasung oder Trockenfermentation umwandeln.

Die Kosten einer Biogasanlage ergeben sich aus den auf die Nutzungsdauer verteilten Investitionskosten (Abschreibung, Verzinsung) und den laufenden jährlichen Kosten (Substratkosten, Reparatur, Unterhalt, Betriebsmittel und Arbeitseinsatz). Als Einnahmen sind die monetären Erträge für die Bereitstellung der elektrischen (EEG) (11,3 bis 20,3 Cent/kWh) und thermischen Energie (Preis wird substituiert durch den der vorherigen Wärmequelle), sowie entsprechende monetäre Ansätze für die Effekte der Güllebehandlung (Substituieren von mineralischem Dünger, Dungwertverbesserung, Geruchsreduzierung, usw.) anzusetzen. Der Mehrwert von der Biogasgülle ist strittig. Werden vergleichend die Effekte von anderen Behandlungsmaßnahmen und die Erfahrungen von Praktikern herangezogen, so dürfte der häufig verwendete Ansatz von ca. 10,00 EUR je GV und Jahr angemessen erscheinen.

Die Wirtschaftlichkeit der Biogasanlage ist entscheidend abhängig von:

• Niedrigen Investitionskosten durch möglichst kostengünstige und gleichzeitig solide Anlagenkonzeptionen
• Erhalt von öffentlichen Fördermitteln
• Hohes Maß an Eigenleistung bei Bau und Betreuung (Arbeitseinsatz, Wartung, Reparatur) der Anlage
• Ausreichend GV-Besatz bzw. entsprechender Möglichkeit zur Mitvergärung von unterschiedlichen pflanzlichen Substraten
• Möglich hoher Verwertungsgrad der anfallenden Energie zu hohen Preisen (konstanter hoher Eigenbedarf,
• Berücksichtigung von Zusatzverbrauchern: wie z.B. Austraghaus, Nachbarn, etc.)
• entsprechende pflanzenbaulich sinnvolle Anwendung der vergorenen Gülle als NH⁴-reichen Kopfdünger (NPK-Dünger).

Zu derzeitigen Energiepreisen ist eine gesicherte Wirtschaftlichkeit in der Regel nur gewährleistet, wenn in ausreichend großen Biogasanlagen die erzeugte elektrische und thermische Energie vorwiegend im Betrieb und über die Einspeisung der Restenergie in das öffentliche Netz möglichst gut verwertet werden kann.

Besteht die Möglichkeit über die risikolose (!) Verwertung von industriellen Reststoffen zusätzliche Einnahmen in Form eines entsprechenden Verwertungsentgeltes zu erzielen, kann dies entscheidend zur Wirtschaftlichkeit einer Anlage beitragen.

© Michael Köttner IBBK 2005