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Biogas ist ein nachwachsender Rohstoff. Er steht im Gegensatz zu fossilen Energieträgern wie zum Beispiel Erdöl zeitlich unbegrenzt zur Verfügung. Biogas wird am besten aus Abfall oder nicht in Konkurrenz zu Nahrungsmitteln stehenden Pflanzen gewonnen. In der Schweiz wird vorbildhaft Biogas nur aus Abfällen gewonnen. Biogas
Biogas ist ein brennbares Gas, welches durch Vergärung von Biomasse jeder Art hergestellt wird. In Biogasanlagen können sowohl Abfälle als auch – für die Umwelt problematischer – speziell dafür produzierte Energiepflanzen vergoren werden. Das Präfix Bio weisst hier nicht auf Nachhaltigkeit oder eine Herkunft aus ökologischer Landwirtschaft hin, sondern lediglich auf den pflanzlichen oder tierischen Ursprung im Gegensatz zum fossilen Erdgas. Das Gas kann zur Erzeugung von elektrischer Energie, zum Betrieb von Fahrzeugen oder zur Einspeisung in ein Gasversorgungsnetz eingesetzt werden. Für die Verwertung von Biogas ist der Methananteil am wichtigsten, da seine Verbrennung Energie freisetzt.
Rohstoffe [Bearbeiten]
Als Ausgangsstoffe für die technische Produktion von Biogas eignen sich in erster Linie biogene Materialien wie die folgenden:
Dabei ergeben verschiedene Ausgangsmaterialien unterschiedliche Biogaserträge und je nach ihrer Zusammensetzung ein Gas mit variablem Methangehalt, wie die folgende Tabelle zeigt. Ein Großteil der genannten Rohstoffe, insbesondere Wirtschaftsdünger, Pflanzenreste und Energiepflanzen, fällt in der Landwirtschaft an, daher stellt dieser Wirtschaftszweig das größte Potenzial für die Produktion von Biogas. Bis auf Energiepflanzen handelt es sich dabei um prinzipiell kostenlose Ausgangsstoffe (abgesehen von Transport- und sonstigen Nebenkosten). Entstehung [Bearbeiten]
 Biogas entsteht durch den natürlichen Prozess des mikrobiellen Abbaus organischer Stoffe unter anoxischen Bedingungen. Dabei setzen Mikroorganismen die enthaltenen Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette in die Hauptprodukte Methan und Kohlenstoffdioxid um. Dafür sind anoxische Verhältnisse notwendig, also die Abwesenheit von Sauerstoff. Der Prozess besteht aus mehreren Stufen, die jeweils von Mikroorganismen verschiedener Stoffwechseltypen durchgeführt werden. Polymere Bestandteile der Biomasse, wie Zellulose, Lignin, Proteine, werden zunächst durch mikrobielle Exoenzyme zu monomeren (niedermolekularen) Stoffen umgewandelt. Niedermolekulare Stoffe werden durch gärende Mikroorganismen zu Alkoholen, organischen Säuren, Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff(H2) abgebaut. Die Alkohole und organischen Säuren werden durch acetogene Bakterien zu Essigsäure und Wasserstoff umgesetzt. In der letzten Stufe werden durch methanogene Archaeen aus Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und Essigsäure die Endprodukte Methan (CH4) und Wasser gebildet. Die Bezeichnung Biogas wird zusammenfassend für energiereiche Gase verwendet, die unter anoxischen Bedingungen aus organischen Stoffen entstehen. Das bei der Reinigung von Abwasser entstehende Gas wird Klärgasgenannt. Wird dieses erst in der Klärschlammfaulung produziert, nennt man es Faulgas. Aus einer Mülldeponie austretendes Gas wird Deponiegas genannt. Zusammensetzung [Bearbeiten]Die Zusammensetzung von Biogas ist sehr unterschiedlich, weil sie von der Substratzusammensetzung und der Betriebsweise des Faulbehälters abhängt. In der Schweiz wird die Bezeichnung Kompogas verwendet; dies wird ausschließlich aus pflanzlichen Abfällen produziert. Vor der Biogasaufbereitung besteht die Gasmischung aus den Hauptkomponenten Methan (CH4) und Kohlenstoffdioxid (CO2). In Spuren sind meist auch Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2), Schwefelwasserstoff (H2S), Wasserstoff (H2) und Ammoniak(NH3) enthalten. Wertvoll im wassergesättigt anfallenden Biogas ist das zu rund 60 % enthaltene Methan. Je höher dessen Anteil ist, desto energiereicher ist das Gas. Nicht nutzbar sind das Kohlendioxid und der Wasserdampf. Im Rohbiogas störend sind vor allemSchwefelwasserstoff und Ammoniak. Sie werden bei der Biogasaufbereitung vor der Verbrennung entfernt, um Gefährdungen des Menschen, Geruchsbelästigungen sowie Korrosion in Motoren, Turbinen und nachgeschalteten Komponenten (unter anderem Wärmetauscher) zu verhindern. Klimaschutz [Bearbeiten]Methan ist ein wichtiges Treibhausgas. Daher ist die Prüfung der Dichtigkeit von Biogasanlage und aller zugehörigen Komponenten ein maßgeblicher Beitrag zum Klimaschutz. Biogas erreicht seinen maximalen Wirkungs- und Versorgungsgrad, wenn es gleichzeitig zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt wird; in der so genannten Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) weist es die beste Klimabilanz auf. Eine Stromerzeugung ohne Wärmenutzung oder die rein thermische Verwendung von aufbereitetem Biogas in Erdgasthermen sind hingegen erwartungsgemäß suboptimal, wie die Agentur für Erneuerbare Energien ermittelte.[2] Problematik von Biogasanlagen [Bearbeiten]Nicht berücksichtigt wird oft bei der Klimabilanz von Biogasanlagen, dass Biogas zwar an sich klimaneutral verbrennt, da das entstehende CO2 vorher von Pflanzen aus der Luft gebunden wurde; aber es gibt einige Faktoren, die die Klimabilanz von Biogasanlagen verschlechtern können: Anbau von Energiepflanzen [Bearbeiten]Bei der Produktion von Verbrennungsmaterial in Form von Energiepflanzen kommt es zu einem hohen Energieeinsatz. Wenn eine Anlage zum Beispiel mit Maissilage betrieben wird, findet bei folgenden Produktionsschritten Energieverbrauch statt, der die Klimabilanz verschlechtert: Saatvorbereitung, Säen, Düngen, Schutz vor Schädlingen (Pestizidproduktion und Einsatz), Ernte, Transport, Silage, Vergärung unter Umwälzen und Rücktransport der Gärrestmenge auf die Felder. Des Weiteren muss das bei der Landwirtschaft entstehende Lachgas in die Klimabilanz mit eingerechnet werden. Bei intensiver Stickstoffdüngung kommt es zur Produktion von Lachgas durch Mikroben, die diesen aus Luftsauerstoff und dem übermäßig zugeführten Stickstoff bilden. Lachgas hat ungefähr ein 300-mal größeres Treibhausgaspotenzial als CO2. In der Klimabilanz von Biogasanlagen müssen außerdem noch die Änderung der Landnutzung berücksichtigt werden. Wenn Weideland zum Maisacker umgepflügt wird, setzt der dort enthaltene Humus durch Luftkontakt CO2 und andere Treibhausgase frei. Belastung der Umwelt: Mais (Zea mays) ist ein Gras tropischen Ursprungs. Der Anbau erfolgt so, dass Frost vermieden wird, die Aussaat also spät im Jahr stattfindet, die Pflanzen im Mai/Juni gut wachsen und die Ernte Ende September beginnt. Während des größten Teils des Jahres liegen die mit Mais bepflanzten Acker somit frei und werden durch Wind und Regen erodiert. Dadurch kann es zum Eintrag von Pestiziden und Dünger in naheliegende Gewässer, aber auch ins Grundwasser kommen. Dies stellt ein Problem dar, da es sowohl zu Eutrophierungen als auch zu Verlandung der Gewässer kommen kann. Ebenso kann es zu Verwehungen von großen Mengen Staub aus trockenen Ackern aus kommen, was wiederum die Bodenfruchtbarkeit beeinträchigt, weil hierdurch wichtige Bodenbestandteile verloren gehen; es besteht langfristig die Gefahr der Wüstenbildung, was insbesondere in den USA bekannt ist. Zerstörung der Artenvielfalt: Durch den großflächigen Anbau von Mais-Monokulturen zur Produktion von Biogas kommt es zu ökologischen Nebenwirkungen. Weideland und Feuchtwiesen werden in Ackerland umgewandelt, Brachflächen wieder genutzt. Dies hat Auswirkungen auf Vögel (z.B. Kiebitz, Lerche, Storch) und andere Tiere, die dadurch Nahrungs- und Brutgebiete verlieren. Dichtigkeit von Anlagen [Bearbeiten]Biogasanlagen sind nicht vollständig dicht; auch für Wartungsarbeiten müssen sie zugänglich bleiben. Deshalb kann beim Betrieb einer Biogasanlage Methan, das eine 25- bis 30-mal stärkere aufheizende Wirkung auf das Klima hat als CO2, in die Atmosphäre entweichen. Ebenso kann es sein, dass Gas abgelassen werden muss, um Überdruck abzubauen. Weiteres Methan entsteht, wenn noch nicht völlig vergorene Reste in Gärrestbecken gesammelt werden und der biologische Abbau weiterhin stattfindet. Einsatz für Ökostrom [Bearbeiten]Biogasanlagen können zwar für die Erzeugung von Ökostrom genutzt werden, da sie einen Speicher darstellen, der bei Bedarf energetische Lücken z.B. im Winter schließen kann. Doch die meisten Biogasanlagen werden nicht entsprechend dem tatsächlichen Bedarf gesteuert, sondern von Landwirten nur als zusätzliche Einnahmequelle gesehen, so dass bei durchgängigem Betrieb vor allem im Sommer viel Wärme verschwendet wird. [3] Nutzung [Bearbeiten]Biogas eignet sich neben der Eigennutzung in der Landwirtschaft auch als Beitrag zu einem Energiemix aus erneuerbaren Energien. Dies, weil es zum einen grundlastfähig ist, das heißt, dass das Biogas im Gegensatz zu anderen erneuerbaren Energieträgern wie Wind oder Sonne kontinuierlich verfügbar ist, zum anderen lassen sich Biomasse und Biogas speichern, wodurch zum Energieangebot in Spitzenzeiten beigetragen werden kann. Deswegen bietet sich dieser Bioenergieträger zum Ausgleich kurzfristiger Schwankungen im Stromangebot der Wind- undSonnenenergie an. Bisher werden die meisten Biogasanlagen kontinuierlich, quasi als Grundlastkraftwerk, betrieben. Zur Nutzung der enthaltenen Energie stehen die folgenden Möglichkeiten zur Wahl:[4]
Der Heizwert bzw. Brennwert hängt in erster Linie vom jeweiligen Methangehalt ab und ist mit dem von Erdgas vergleichbar. Blockheizkraftwerke [Bearbeiten]
In Deutschland ist die Verbrennung von Biogas in Blockheizkraftwerken (BHKW) am häufigsten, um zusätzlich zur Wärme auch Elektrizität zur Einspeisung in das Stromnetz zu produzieren. Da der größte Teil der Biogaserträge durch den Stromverkauf erzielt wird, befindet sich beim Wärmeabnehmer ein BHKW, welches als Hauptprodukt Strom zur Netzeinspeisung produziert und Wärme im Idealfall in ein Nah- oder Fernwärmenetz einspeist. Ein Beispiel für ein Nahwärmenetzist das Bioenergiedorf Jühnde. Bisher wird allerdings bei den meisten landwirtschaftlichen Biogasanlagen mangels Wärmebedarf vor Ort nur ein geringer Teil der Wärme genutzt, beispielsweise zur Beheizung des Fermenters sowie von Wohn- und Wirtschaftsgebäuden. Eine Alternative ist der Transport von Biogas in Biogasleitungen über Mikrogasnetze. Die Strom- und Wärmeproduktion kann dadurch näher beim Abnehmer stattfinden, ein langes Wärmenetz mit Durchleitungsverlusten kann so vermieden werden. Einspeisung in das Erdgasnetz [Bearbeiten]
Nach einer umfassenden Biogasaufbereitung kann eine Einspeisung in das Erdgasnetz erfolgen. Neben dem Entfernen von Wasser, Schwefelwasserstoff (H2S) und Kohlendioxid (CO2) muss auch eine Anpassung an den Heizwert des Erdgases im jeweiligen Gasnetz (Konditionierung) stattfinden. Wegen des hohen technischen Aufwands lohnt sich die Aufbereitung und Einspeisung derzeit nur für überdurchschnittlich große Biogasanlagen. Erste Projekte dazu starteten 2007.[5] Um Erdgasqualität zu erreichen sind folgende Aufbereitungsschritte notwendig: Entschwefelung: Die Entschwefelung ist notwendig, um Korrosion zu vermeiden. Schwefel findet sich als Schwefelwasserstoff (H2S) im Biogas, bei dessen Verbrennung entstünden bei Anwesenheit von Wasserdampf aggressive Säuren, nämlich schwefelige Säure (H2SO3) und Schwefelsäure (H2SO4). Meist ist der Schwefelwasserstoffanteil gering, kann aber bei proteinreichem Substrat (Getreide, Leguminosen, Schlachtabfälle und dergleichen) stark ansteigen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Entschwefelung, unter anderem sind biologische, chemische und adsorptive Verfahren möglich. Gegebenenfalls sind mehrere Stufen nötig wie Grob- beziehungsweise Feinentschwefelung. Trocknung: Da Biogas wasserdampfgesättigt ist, würden bei Abkühlung unbehandelten Biogases erhebliche Kondensatmengen anfallen, welche zu Korrosion in Motoren führen können. Darüber hinaus soll die Bildung von Wassertaschen vermieden werden. Deshalb muss das Gas getrocknet werden. Dies erfolgt durch eine Abkühlung des Gases auf Temperaturen unterhalb des Taupunktes in einem Wärmetauscher, das kondensierte Wasser kann entfernt werden und das abgekühlte Gas wird durch einen zweiten Wärmetauscher geleitet und wieder auf Betriebstemperatur erwärmt. Gleichzeitig mit der Trocknung wird das gut wasserlösliche Ammoniak entfernt. CO2-Abtrennung: Kohlenstoffdioxid (CO2) ist nicht oxidierbar und trägt daher nicht zum Heizwert des Biogases bei. Zur Erreichung von Erdgasqualität muss der Heizwert des Biogases dem des Erdgases angepasst werden. Da Methan die energieliefernde Komponente des Biogases ist, muss dessen Anteil durch Entfernung von CO2 erhöht werden. Die derzeit gängigen Verfahren der Methananreicherung durch CO2-Abtrennung sind Gaswäschen und die Druckwechsel-Adsorption (Adsorptionsverfahren an Aktivkohle).[6] Daneben sind weitere Verfahren wie die kryogene Gastrennung (mittels tiefer Temperaturen) oder die Gastrennung durch Membranen in der Entwicklung. Konditionierung: Bei der Konditionierung wird das Biogas bezüglich Trockenheit, Druck und Heizwert den Erfordernissen angepasst. Je nach Herkunft hat Erdgas unterschiedliche Heizwerte, daher muss der obere Heizwert des aufbereiteten Biogases an das jeweilige Netz angepasst werden. Verdichtung: Zur Einspeisung in das Erdgasnetz sind, abhängig vom jeweiligen Netzbetrieb, niedrige bis mittlere Drücke bis etwa 20 bar notwendig. Da das Biogas nach der Aufbereitung meist einen geringeren Druck aufweist, muss es mit Hilfe eines Kompressors entsprechend verdichtet werden. Weitere Reinigungs- und Aufbereitungsschritte: In Deponie- und Klärgasen können Siloxane sowie halogenierte und cyclische Kohlenwasserstoffe enthalten sein. Siloxane verursachen stark erhöhten Motorenverschleiß. Die Kohlenwasserstoffe führen zu Emissionen toxischer Verbindungen. Siloxane und Kohlenwasserstoffe können mittels Gaswäsche, Gastrocknung oder Adsorption an Aktivkohle aus dem Biogas entfernt werden. Weitere Nutzungsarten [Bearbeiten]
Biogas kann als nahezu CO2-neutraler Treibstoff in Kraftfahrzeugmotoren genutzt werden. Da eine Aufbereitung auf Erdgasqualität notwendig ist, muss der CO2-Anteil weitestgehend entfernt werden. Sogenanntes Biomethan oder Bioerdgas muss auf 200 bis 300 bar verdichtet werden, um in umgerüsteten Kraftfahrzeugen genutzt werden zu können. In der Schweiz fahren Lastwagen der Walter Schmid AG und der dazu gehörigen Firma Kompogas seit 1995 mit Biogas, der erste Lastwagen erreichte im Sommer 2010 seinen millionsten Kilometer.[7] Ab 2001 fuhr auch die Migros Zürich[8] mit Kompogas und seit 2002 auch McDonalds Schweiz.[9] Bisher wird Biogas jedoch selten auf diesem Weg verwertet. 2006 wurde die erste deutsche Biogastankstelle in Jameln (Wendland) eröffnet.[10] Wegen der hohen elektrischen Wirkungsgrade könnte in Zukunft zudem die Verwertung von Biogas in Brennstoffzellen interessant sein. Der hohe Preis für die Brennstoffzellen, die aufwendige Gasaufreinigung und die in Praxisversuchen bisher noch geringe Standzeit verhindern eine breitere Anwendung dieser Technik. Biogas in Europa [Bearbeiten]Deutschland [Bearbeiten]
Von 1999 bis 2010 wuchs die Zahl der Biogasanlagen von etwa 700 auf 5905, die insgesamt rund 11 % des Stroms aus erneuerbaren Energien produzieren.[11] Ende 2011 waren in Deutschland rund 7.200 Biogasanlagen mit einer installierten elektrischen Anlagenleistung von ca. 2.850 MW in Betrieb.[12] Damit ersetzen Deutschlands Biogasbauern mehr als zwei Atomkraftwerke und versorgen über fünf Millionen Haushalte mit Strom.[13] Der Ausstoß von 8,5 Millionen t CO2 konnte so vermieden werden, was knapp 1% der deutschen Treibhausgasemissionen entspricht. Für die Substratbereitstellung wurden 400.000 ha Anbaufläche benötigt, was 2 % der gesamten landwirtschaftlich genutzten Flächen entspricht. Es wird angenommen, dass die Erzeugung von Bioerdgas bis 2020 auf jährlich 12 Milliarden m³ Biomethan ausgebaut werden kann. Das entspräche einer Verfünffachung der Kapazitäten des Jahres 2007.[14][15] DasErneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) sichert eine gegenüber konventionellem Strom erhöhte und auf 20 Jahre garantierte Einspeisevergütung. Für die Nutzung der Wärme erhält der Anlagenbetreiber zusätzlich einen ebenfalls im EEG festgelegten Bonus für die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK-Bonus). Die Wärmenutzung wird durch hohe Energiepreise und finanzielle Anreize und das seit Januar 2009 gültige Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz gefördert.[16]
Seit 2007 bieten in Deutschland Gaslieferanten zunehmend eine bundesweite Belieferung von reinem Biogas oder Beimischungen zu fossilem Erdgas für Endkunden an. Schweiz [Bearbeiten]
In der Schweiz wird reines Biogas meist als Kompogas bezeichnet. An vielen Schweizer Gastankstellen wird unter der Bezeichnung „Naturgas“ ein Gemisch von Kompogas und Erdgas verkauft. 2010 gab es in der Schweiz 119 Erdgastankstellen, an denen Naturgas mit einem Biogas-Anteil von mindestens 10 % angeboten wird. Diese befinden sich überwiegend im Westen und Norden des Landes.[17] Seit dem 1. Januar 2009 gilt in der Schweiz die kostendeckende Einspeisevergütung (KEV); damit verbunden ist ein erhöhter Einspeisetarif (Einspeisevergütung für aus Biogas erzeugten Strom) für erneuerbare Energien, welcher auch Biogas einschließt. Die Vergütung besteht aus einem festen Abnahmepreis und einem zusätzlichen sogenannten Landwirtschaftsbonus, der gewährt wird, wenn mindestens 80 % der Substrate aus Hofdünger bestehen. Das schweizerische Fördermodell soll so die nachhaltige Entwicklung im Energiesektor forcieren, da sie insbesondere die güllebasierten und damit nachhaltigsten Biogasanlagen fördert.[18] Pionier für das Schweizer Kompogas war der an Energieeffizienz interessierte Bauunternehmer Walter Schmid. Auf dem heimischen Balkon stellte er nach dem Studium von Fachliteratur die ersten Versuche an und war Ende der 80er-Jahre überzeugt, das Gas aus organischen Abfällen nutzen zu können. Er nahm mit Unterstützung von Bund und Kanton im Jahre 1991 in Rümlang bei Zürich die erste Versuchsanlage in Betrieb, die 1992 als erste Kompogas-Anlage in den ordentlichen Betrieb ging. Das Unternehmen Kompogas erstellte weltweit weitere Anlagen und Schmid wurde 2003 mit dem Solarpreis ausgezeichnet.[19] Im Jahr 2011 wurde die Kompogas-Gruppe vollständig von der axpo neue energien genannten Abteilung des Axpo-Konzerns als Axpo Kompogas AG übernommen.[20] Im Januar 2011 nahm die erste Biogasanlage der Welt ihren Betrieb auf, welche mehrheitlich Schlachtabfälle vergärt[21]. Schweden [Bearbeiten]In Schweden ist die Stromerzeugung aus Biogas wegen niedrigerer Strompreise (ca. 10 Euro-Cent/kWh)[22] gegenwärtig noch unrentabel. Der größte Teil des Biogases (53 %) wird zur Wärmegewinnung genutzt. Im Gegensatz zu anderen europäischen Staaten, wie beispielsweise Deutschland, ist in Schweden die Aufbereitung auf Erdgasqualität (Biomethan) und Nutzung als Treibstoff in Gasfahrzeugen mit 26 % eine weit verbreitete Variante.[23] Einzelnachweise [Bearbeiten]
Literatur [Bearbeiten]
Weblinks [Bearbeiten] Commons: Biogas – Sammlung von Bildern, Videos und AudiodateienQuelle Wikipedia Biogas |
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