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Biogasanlagen. Verwertung organischer und biologischer Abfälle zur nachhaltigen Energieerzeugung.

Eine wirtschaftliche und verfahrenstechnische Betrachtung.

Diplomarbeit 2010 118 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Wirtschaftsingenieurwesen

Leseprobe

Inhalt

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Symbolverzeichnis

Begriffsverzeichnis und Glossar

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielstellung

2 Aktueller Stand der Technik von Biogasanlagen
2.1 Nassvergärung
2.2 Trockenvergärung
2.3 Einteilung von Biogasanlagen nach Prozessstufen und Prozessphasen
2.4 Einsatzmöglichkeiten von Biogas

3 Der Biogasprozess
3.1 Grundlagen der Anaerobvergärung
3.2 Die vier Stufen der anaeroben Vergärung
3.3 Chemisch-physikalische Eigenschaften von Biogas
3.3.1 Die Zusammensetzung von Biogas
3.3.2 Das Dichteverhältnis Biogas zu Luft
3.4 Optimale Milieubedingungen der anaeroben biologischen Abbauvorgänge
3.4.1 Chemisch-physikalische Einflussgrößen
3.4.2 Hemmstoffe
3.5 Zwischenfazit

4 Substrate und ihre Biogas-, Methan-, und Energiepotentiale
4.1 Bestimmung des Energiepotentials mit Vergleichswerten
4.2 Bestimmung des Energiepotentials über den CSB
4.3 Bestimmung des Energiepotentials über den Anteil an Fett, Eiweiß und Kohlenhydraten
4.4 Zusammenfassung der Möglichkeiten zur Bestimmung des Energiepotentials von Substraten

5 Wirtschaftliche Rahmenbedingungen
5.1 Vergütungsmöglichkeiten nach dem EEG
5.2 Biogasaufbereitung und Gaseinspeisung
5.3 Rechtliche Regelungen für Abfallbiogasanlagen

6 Marktanalyse
6.1 Der Energiemarkt in Deutschland
6.2 Abfallvergärungspotentiale in Deutschland

7 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
7.1 Erlöse
7.1.1 Inputerlöse für zu verwertende Abfälle
7.1.2 Outputerlöse für produzierte elektrische Energie
7.1.3 Outputerlöse für produzierte thermische Energie
7.1.4 Outputerlöse für produzierte Nebenprodukte
7.1.5 Outputerlöse für eingespeistes Bio-Erdgas ins Erdgasnetz
7.1.6 Outputerlöse durch ein Satelliten-BHKW
7.1.7 Outputerlöse über eine Bio-Erdgas-Tankstelle
7.1.8 Outputerlöse für die Verwertung von Gärresten
7.2 Kosten
7.2.1 Fixe und variable Kosten
7.2.2 Kostenfunktionen der Investitionskosten
7.3 Wirtschaftliche Einflussfaktoren auf Gewinn und Rentabilität
7.3.1 Der Einfluss der Prozessgeschwindigkeit
7.3.2 Das EEG und der Einfluss der Inflation

8 Resümee
8.1 Zusammenfassung
8.2 Ausblick

Literatur

Anhang

Anlage 1 Technologie-Bonus

Anlage 2 Bonus für Strom aus nachwachsenden Rohstoffen

Anlage 3 KWK-Bonus

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Nutzungskette Rohstoffe, Energie, Produkt und Abfall

Abbildung 2: Abfall-Energiekreislauf

Abbildung 3: Verfahrenstechnische Einteilung von Biogasanlagen

Abbildung 4: Verfahrensschema einer Nassvergärungs-Biogasanlage

Abbildung 5: Nassvergärungs-Biogasanlage

Abbildung 6: Einteilung der Trockenfermentation nach Art der Fermenter

Abbildung 7/8: Anlagenprinzip eines Garagenfermenters

Abbildung 9: Einteilung von Biogasverfahren nach der Anzahl der Prozessstufen

Abbildung 10: Schematische Darstellung verschiedener Vergärverfahren

Abbildung 11: Einsatzmöglichkeiten von Biogas

Abbildung 12: Biomasseenergiekreislauf

Abbildung 13: Kohlenstoffbilanz bei aerobem und anaerobem Abbau

Abbildung 14: Biogasentstehung

Abbildung 15: Schema des anaeroben Biomasseabbaus

Abbildung 16: Biogasprozess nach Gujker et al. 1983

Abbildung 17: Spezifische Gaserträge verschiedener Stoffgruppen

Abbildung 18: Entwicklung des Biogasanlagenbestandes 1999 - 2010

Abbildung 19: Biomethanhandel

Abbildung 20: Entwicklung des Anlagenbestandes zur Biomethan-Produktion

Abbildung 21: Struktur des Primärenergieverbrauchs in Deutschland 2009

Abbildung 22: Entwicklung der erneuerbaren Energien

Abbildung 23: Bedeutung der Bioenergie innerhalb der erneuerbaren Energien

Abbildung 24: Struktur der Strombereitstellung aus erneuerbaren Energien 2009

Abbildung 25: Entwicklung der Strombereitstellung aus erneuerbaren Energien

Abbildung 26: Wärme aus erneuerbaren Energien

Abbildung 27: Biomasse- und Abfallanteil an der Wärmeerzeugung erneuerbarer Energien

Abbildung 28: Gesamtumsatz mit erneuerbaren Energien 2009

Abbildung 29: Energiebilanz eines BHKW

Abbildung 30: Stoffstrombilanz Biogasanlage

Abbildung 31: Energieflächeneffizienz Biokraftstoffe

Abbildung 32: Spezifische Investitionskosten der Biogasvergärung ohne BHKW und Gasaufbereitung in €/Nm³ abhängig von der Anlagengröße (m³/h)

Abbildung 33: spezifische Preise von Biogas-BHKW-Anlagen

Abbildung 34: elektrische Wirkungsgrade von Biogas-BHKW-Anlagen

Abbildung 35: Gewinnvergleich in Abhängigkeit der Anschaffungskosten

Abbildung 36: Rentabilitätsvergleich in Abhängigkeit der Anaschaffungskosten

Abbildung 37: Preisentwicklung in Deutschland

Abbildung 38: Einfluss der Inflation auf die Gewinnsituation von Biogasanlagen bei EEG-Vergütung und 1,5% Inflation pro Jahr

Abbildung 39: Einfluss der Inflation auf die Gewinnsituation von Biogasanlagen bei EEG-Vergütung und 2,5% Inflation pro Jahr

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Verfahren zur Erzeugung von Biogas

Tabelle 2: Charakterisierung der Trockenfermentation

Tabelle 3: Charakterisierung kontinuierlicher Trockenvergärungsverfahren

Tabelle 4: Charakterisierung diskontinuierlicher Trockenvergärungsverfahren

Tabelle 5: Übersicht über die Stufen der anaeroben Vergärung

Tabelle 6: Zusammensetzung von Biogas

Tabelle 7: Dichte von Methan, CO2 und Luft

Tabelle 8: Milieubedingungen für Versäuerung und Methanbildung

Tabelle 9: Substrate und ihre durchschnittlichen Biogas- und Methanerträge

Tabelle 10: Stoffgruppen und ihre Biogas- und Methanerträge

Tabelle 11: Ergebnisse der Methoden zur Energiepotentialbestimmung

Tabelle 12: Vergütungsübersicht nach dem EEG 2009

Tabelle 13: Vergütungsübersicht nach dem EEG 2009 für 2010

Tabelle 14: Organische Abfallmengen in Deutschland

Tabelle 15: Berechnung des energetischen Zuwachspotentials organischer Abfälle

Tabelle 16: Steigerung des Energiemarktes durch Abfallvergärungspotentiale

Tabelle 17: Anlagendaten 300 kW BGA

Tabelle 18: Gewinnvergleichsrechnung 300 kW BGA

Tabelle 19: Rentabilitätsvergleichsrechnung 300 kW BGA

Tabelle 20: Anlagendaten 600 kW BGA

Tabelle 21: Gewinnvergleichsrechnung 600 kW BGA

Tabelle 22: Rentabilitätsvergleichsrechnung 600 kW BGA

Tabelle 23: Anlagendaten 1,2 MW BGA

Tabelle 24: Gewinnvergleichsrechnung 1,2 MW BGA

Tabelle 25: Rentabilitätsvergleichsrechnung 1,2 MW BGA

Tabelle 26: Gegenüberstellung Mehrkosten – Gewinn – Rentabilität (1,2 MW BGA)

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Symbolverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Begriffsverzeichnis und Glossar

[1][2][3][4][5][6][6]

Umrechnungstabelle

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Potenz Abkürzung Bezeichnung Erklärung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Problemstellung

Biogas entsteht beim mikrobiellen Abbau organischer Substanzen unter anaeroben Bedingungen, in mehreren Stufen. Die optimalen Bedingungen der einzelnen Stufen unterscheiden sich in der Temperatur und vor allem in den pH-Werten.

Bei der Vergärung von biogenen Substanzen in einem einstufigen Prozess laufen alle Biogasbildungsstufen parallel nebeneinander ab, wobei die Bedingungen aller Vergärstufen im Gleichgewicht gehalten werden müssen und für die einzelnen Stufen als suboptimal zu beurteilen sind.

Eine Vergärung in einem einstufigen Verfahren ist dadurch meist zeitintensiv und birgt Gefahren in der Prozessstabilität, da der Vergärungsprozess zu Gunsten eines zu sauren Milieus zu kippen droht.

Durch die Hemmungen der einzelnen Abbaustufen kann zudem das eingesetzte Substrat nicht optimal ausgegoren werden und es entstehen zum Teil Verluste beim Biogasbildungspotential, zugunsten vermehrter Gärreste.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher, das bestehende Wissen über die mehrstufige Biogastechnologie zu untersuchen und daraus Potentiale für einen optimalen, prozesssicheren und wirtschaftlichen Biogasprozess herauszustellen.

Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei auf der Vergärung organischer Abfallsubstrate, welche in der Biogaserzeugung bisher nur eine geringe Rolle zukam.

Die Recherche hat gezeigt, dass im Bereich der energetischen Verwertung organischer Abfälle noch große Potentiale ruhen.

Der überwiegende Teil organischer Abfälle, die heute zum großen Teil kostenintensiv entsorgt werden, könnten sich somit in ein neues System zur nachhaltigen Energiegewinnung integrieren lassen.

Natürlich kann in dieser Arbeit kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben werden. Es besteht jedoch die Ambition, einen Beitrag für die Forschung der innovativen Biogastechnologie und den Ausbau der erneuerbaren Energien zu leisten.

Für Entscheidungen, die auf Basis der Angaben dieser Arbeit getroffen werden, schließt der Autor jegliche Haftung aus.

1.2 Zielstellung

Einer der grundlegenden Gedanken dieser Diplomarbeit ist es, organische Abfälle wirtschaftlich zu nutzen und aus ihnen Energie zu gewinnen.

Jedes Produkt benötigt zu seiner Erstellung Produktionsfaktoren. Unabhängig von der volkswirtschaftlichen und betriebswirtschaftlichen Einteilung in Arbeit, Kapital und Boden bzw. Elementarfaktoren und dispositive Faktoren, werden in diesem einleitenden Teil Rohstoffe und Energie als Hauptfaktoren zur Produkterstellung betrachtet. Zur Energiebereitstellung, die zur Erzeugung der Produkte notwendig ist, werden ebenfalls Rohstoffe benötigt. Dabei entstehen Abfälle, die energetisch weitestgehend ausgebeutet sind und entsorgt werden müssen. Bei der Produkterzeugung und nach der Produktnutzung entstehen hingegen Abfälle, die meist einen hohen energetischen Wert besitzen, welche bisher vorwiegend kostenintensiv entsorgt werden, ohne deren energetischen Wert zu nutzen (Abbildung 1). Zur besseren Darstellung sind die Energieströme rot und die Stoffströme blau gekennzeichnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Nutzungskette Rohstoffe, Energie, Produkt und Abfall

Der Grundgedanke der Energiegewinnung aus Abfällen ist ein geschlossener Kreislauf aus Produkten, Abfällen und Energieerzeugung, der weitestgehend ohne Reststoffe und Restenergie funktionieren soll. Die Idee der Abfallverstromung entspricht den Grundsätzen der Kreislaufwirtschaft nach § 4 KrW-/AbfG, in denen festgelegt ist, dass Abfälle in erster Linie zu vermeiden sind, in zweiter Linie einer stofflichen Verwertung zuzuführen sind (Recycling) oder zur Gewinnung von Energie genutzt werden sollen.

Wertvolle Rohstoffe werden somit geschont und dienen nicht, wie in der konventionellen Energieerzeugung als Primärenergieträger, sondern in erster Linie der Produkterzeugung. Die nichtverwertbaren Abfallprodukte, die bei der Produkterzeugung oder nach der Produktnutzung entstehen, können als Energieträger eingesetzt werden.

Die erzeugte Energie kann wieder zur Erzeugung neuer Produkte eingesetzt werden. Die Reststoffe der Energieerzeugung sollen auf ein Minimum reduziert werden und, wenn möglich, wieder dem Kreislauf als energetischer Abfall zugeführt werden. In dem Fall steht die Energie (elektrisch und thermisch) gleichzeitig als Produkt. (siehe Abbildung 2)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Abfall-Energiekreislauf

Die Verstromung von Abfällen ist somit nicht nur ressourcenschonend, sondern auch ökonomisch sinnvoll. Sie dient der optimalen Rohstoff- und Produktausnutzung, reduziert das Abfallaufkommen und dessen Deponierung und schließt die Nutzungskette über den Abfall zur Energie zu einem Kreislauf. Mit dieser Betrachtung sind Abfälle nicht mehr ein Reststoff und Kostenfaktor, sondern ein Wirtschaftsfaktor. Wenn der Prozess zur Energieerzeugung aus Abfällen zudem unter der Berücksichtigung von Emissions- und Treibhausgasminimierung steht, kann er darüber hinaus einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leisten.

Die Energieerzeugung aus Abfällen kann somit als „Energierecycling“ betrachtet werden, denn sie führt die enthaltene Energie der Abfälle zurück in den Wirtschaftskreislauf.

Praktiziert wird diese Idee derzeit vor allem für Hausmüll und plastikhaltige Abfälle in modernen Müllverbrennungsanlagen oder in Kraftwerken, die mit Holzabfällen, Holzpellets, Stroh oder anderen brennbaren Abfällen der Land- und Forstwirtschaft betrieben werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Pyrolyse von Abfallstoffen.

Pyrolyse-Anlagen zur Vergasung, Verölung und Verkoksung von Abfällen stehen derzeit am Anfang ihrer Entwicklung und werden in Zukunft mehr an Bedeutung gewinnen. Aus Gründen einer klaren Abgrenzung wird auf diese Technologie an dieser Stelle nicht tiefer eingegangen.

Biologische und organische Abfälle mit geringen brennbaren Eigenschaften werden derzeit nur selten zur Verstromung eingesetzt. Sie dienen hauptsächlich der Kompostierung. Dabei bleiben ihre energetischen Eigenschaften weitestgehend ungenutzt. Lediglich der entstandene Kompost wird als Dünger und Muttererde in die landwirtschaftliche und botanische Nutzung zurückgeführt.

Die innovative Idee ist daher, diese biologischen und organischen Abfälle nicht vorwiegend zu kompostieren, sondern ihre energetischen Eigenschaften über einen optimalen Biogasprozess zu methanisieren und das entstandene Biogas als Energieträger einzusetzen.

Die daraus folgenden Fragen sollen in dieser Diplomarbeit beantwortet werden:

1. Wie kann man das Energiepotential von organischen Abfällen und anderen Substraten ermitteln?
2. Wie können die biologischen Bedingungen optimiert werden, um einen maximalen Energieertrag zu erzielen?
3. Wie groß sind die Energiepotentiale aus organischen Abfällen in Deutschland?
4. Welche wirtschaftlichen Chancen und Risiken besitzen industrielle Abfallbiogasanlagen und mehrstufige Vergärsysteme im Vergleich zu herkömmlichen Biogasanlagen?

2 Aktueller Stand der Technik von Biogasanlagen

Der derzeitige Stand der Biogastechnologie umfasst im Wesentlichen zwei Vergärungsverfahren und zwei Arten der Beschickung. Dabei lassen sich die Verfahrensmethoden in Nass- und Trockenvergärung einteilen und die Art der Beschickung in kontinuierlich und diskontinuierlich. (siehe Abbildung 3)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Verfahrenstechnische Einteilung von Biogasanlagen

Quelle: Vgl. Weiland, P.: Verfahrenstechnik der anaeroben Abfallbehandlung. TAW-Seminar Vergärung von Bioabfällen: „Neue Verfahrenstechniken“, Braunschweig (1997). In: WESSELAK, Viktor; SCHABBACH, Thomas: Regenerative Energien, S. 362. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2009., eigene Darstellung

Darüber hinaus gibt es weitere Kriterien um Biogasanlagen einzuordnen. Eine ausführliche Einordnung ist in Tabelle 1 dargestellt.

So lassen sich die Verfahren, neben der eben erwähnten Einteilung nach dem Trockenmassegehalt des Substrates und der Art der Beschickung, weiter nach ihrer Prozesstemperatur, der Anzahl der Prozessstufen und der Anzahl der Vergärungsphasen einteilen.

Eine Untergliederung nach der Einteilung in Prozessstufen und Prozessphasen ist in Kapitel 2.3 dargestellt.

Tabelle 1: Verfahren zur Erzeugung von Biogas

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Vgl. KTBL, Faustzahlen Biogas 2009, 2. Auflage

2.1 Nassvergärung

Die Nassvergärung ist die am häufigsten eingesetzte Methode zur Vergärung organischer Materialien zu Biogas. Die in der Praxis angewendeten Verfahren arbeiten fast ausschließlich mit einer kontinuierlichen Beschickung der Gärfermenter mit pumpfähigen Substratmischungen mit einem Trockenmasseanteil von maximal 15%.

Nassvergärungsverfahren eignen sich besonders beim Einsatz von Gülle und nachwachsenden Rohstoffen (NawaRo). Darüber hinaus sind weitere Co-Substrate für den Einsatz möglich, wobei der TM-Anteil 15% nicht übersteigen darf, da das Substratgemisch sonst schlecht pumpfähig wird. Für die Nutzung von Schlacht-, Markt- und Bioabfällen ist zudem eine vorgeschaltete Hygienisierung nötig. Die genauen gesetzlichen Vorschriften können in der aktuellen Version des EEG und des KrW-/AbfG nachgelesen werden. Zum Stand der Erstellung dieser Arbeit lag die Vorschrift bei 70°C und einer Stunde Wirkungszeit.

Die überwiegende Anzahl der Anlagen wird einphasig betrieben, wobei Gülle und NawaRo gemischt in einen Gärbehälter gelangen und dort vergoren werden. Der Gärrest wird in einem Nachfermenter/ Gärrestlager gesammelt und vorwiegend als Dünger in der Landwirtschaft eingesetzt und wieder auf die Felder ausgebracht. (siehe Abbildung 4)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Verfahrensschema einer Nassvergärungs-Biogasanlage

Quelle: http://www.unendlich-viel-energie.de/de/bioenergie/detailansicht/article/155/wie

funktioniert-eine-biogasanlage.html, 02.08.2010

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Nassvergärungs-Biogasanlage mit BHKW- und Steuerungscontainer

Quelle: http://www.haase-energietechnik.de/de/News/TechnikContainer_BHKW.jpeg, 20.05.2010

Das entstandene Biogas wird in einem Gasspeicher gesammelt. Dazu werden meist Foliengasspeicher verwendet, die direkt über dem Gärbehälter angebracht sind. Das Biogas wird dann gereinigt, entschwefelt und entwässert und über ein BHKW in elektrischen Strom und Wärme gewandelt.

Weitere Einsatzmöglichkeiten sind die Aufbereitung zu Bio-Methan und die Einspeisung in das Erdgasnetz sowie die Nutzung als Bio-Erdgas an Tankstellen, wie in Abbildung 4 dargestellt. Hierfür sind eine CO2-Abtrennung und die Aufbereitung auf Erdgasqualität erforderlich. Entscheidend dafür sind ein möglichst hoher Methananteil und eine möglichst hohe Reinheit des Gases. Weitere Nutzungsmöglichkeiten von Biogas sind in Kapitel 2.4 aufgeführt.

2.2 Trockenvergärung

Die Trockenfermentation (Trockenvergärung) ist die Vergärung stapelbarer Substrate, deren Trockensubstanz-Gehalt (TS) über 30% liegen kann. Eine „echte“ Trockenfermentation (keine Überführung in ein pumpfähiges Medium) liegt dann vor, wenn nicht nur das Inputsubstrat stapelbar ist, sondern auch nach dem Gärprozess die Gärreste.

Es gibt inzwischen mehrere Verfahren, die sich im Wesentlichen in kontinuierliche und diskontinuierliche Verfahren unterscheiden lassen. Ein inzwischen technisch ausgereiftes und marktfähiges Verfahren ist das so genannte Perkolationsverfahren oder Garagenverfahren.[8] (siehe Abbildung 7 und 8)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

* stehende Pfropfenstromfermenter

Abbildung 6: Einteilung der Trockenfermentationsverfahren nach Art der Fermenter

Quelle: Vgl. FNR (Herzg.) (2006): Gülzower Fachgespräche, Band 24 „Trockenfermentation“, In: KTBL, Faustzahlen Biogas 2009, 2. Auflage, verändert

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7/8: Anlagenprinzip eines Garagenfermenters

Quelle: Biogashandbuch Bayern – Materialienband - Kap. 1.1 – 1.5, Stand Juli

2007

Weitere Methoden der Trockenfermentation ist die Vergärung in Containern, Boxen, Schläuchen, Tunneln und so genannten Pfropfenstromfermentern, welche in kontinuierlicher Fahrweise betrieben werden. (siehe Tabelle 2)

Tabelle 2: Charakterisierung der Trockenfermentation

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Vgl. KTBL, Faustzahlen Biogas 2009, 2. Auflage

Die speziellen Eignungen und Eigenschaften von kontinuierlichen Trockenfermentationsverfahren sind in Tabelle 3 aufgeführt. Die Pfropfenstromfermenter eigenen sich besonders für große Substratmengen und ermöglichen eine gleichmäßige Durchmischung im Gegensatz zu den diskontinuierlichen Trockenfermentationsverfahren.

Tabelle 3: Charakterisierung kontinuierlicher Trockenvergärungsverfahren

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Vgl. KTBL, Faustzahlen Biogas 2009, 2. Auflage

Neben dem Pfropfenstromverfahren gibt es wie oben erwähnt, die diskontinuierlichen Trockenfermentationsverfahren, einschließlich des Perkolations- bzw. Garagenverfahren. Diese Verfahren eigenen sich besonders für leicht stapelbare Substrate und haben einen Vorteil in der vergleichsweise einfachen Fermenterbau- und Verfahrensweise im Gegensatz zu kontinuierlichen Trocken- und Nassverfahren.

Die speziellen Eigenschaften und Eignungen sind in Tabelle 4 zusammengefasst.

Tabelle 4: Charakterisierung diskontinuierlicher Trockenvergärungsverfahren

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Vgl. KTBL, Faustzahlen Biogas 2009, 2. Auflage

2.3 Einteilung von Biogasanlagen nach Prozessstufen und Prozessphasen

Neben der Einteilung von Biogasanlagen in Trocken- und Nassfermentationsanlagen, werden Biogasanlagen nach ihrer Anzahl der Prozessstufen und Prozessphasen unterschieden. Der einfachste Prozess eine Biogasanlage zu betreiben, ist der Einstufenprozess. Dabei laufen alle Vergärphasen in einem Reaktor ab. Dieses Verfahren ist technisch am einfachsten zu realisieren, jedoch ist die Prozessstabilität sehr anfällig und schwer aufzuschließende Substrate können nicht optimal vergoren werden, weil sie nicht ausreichend hydrolysiert werden können.

Im Zweistufenprozess durchläuft das Substratgemisch zwei Reaktoren, wobei diese entweder als Biogasreaktor und Nachgärer (Reaktorkaskade) verwendet werden oder das Substratgemisch im ersten Reaktor hydrolysiert und versäuert wird und im zweiten Reaktor methanisiert wird. Die zweite Variante ermöglicht einen verbesserten Substrataufschluss und einen stabileren Vergärungsprozess.

Wird zudem der Fermenterinhalt in seine feste und flüssige Phase getrennt, spricht man von einem zweiphasigen Prozess. Die Substratmischung wird dabei entweder mit der flüssigen Phase perkoliert oder die feste unaufgeschlossene Phase abgeschieden und die versäuerte flüssige Phase in einem zweiten Reaktor als reine Flüssigphase methanisiert.

Ziel ist es, möglichst alle Substratbestandteile so zu hydrolysieren und zu versäuern, dass möglichst reine Essigsäure entsteht und so wenig wie möglich feste Bestandteile im Substratgemisch übrig bleiben, da hauptsächlich die flüssige Säurephase in Methan gewandelt werden kann. Je mehr Gärreste somit vermieden werden können, desto größer ist das Methanbildungspotential. Zudem sinken die Kosten der Gärrestbeseitigung durch geringere Transport- und Aufbereitungskosten sowie die Kosten für Lagerflächen. Auf der anderen Seite müssen jedoch die Mehrkosten für den Hydrolyse- und Aufschlussprozess berücksichtigt werden.

Eine ausführliche Darstellung der einzelnen Prozessvariationen ist in Abbildung 9 und 10 aufgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Einteilung von Biogasverfahren nach der Anzahl der Prozessstufen

Quelle: WEILAND, PETER: Biologie der Biogaserzeugung – Institut für Technologie und Biosystemtechnik, Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL), ZNR Biogastagung. Bad Sassendorf-Ostinghausen: Eigenverlag, 2003

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Schematische Darstellung verschiedener Vergärverfahren

Quelle: WEILAND, PETER: Biologie der Biogaserzeugung – Institut für Technologie und Biosystemtechnik, Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL), ZNR Biogastagung. Bad Sassendorf-Ostinghausen: Eigenverlag, 2003

2.4 Einsatzmöglichkeiten von Biogas

Die Einsatzmöglichkeiten von Biogas sind vielfältig. Dabei ist der Biogasprozess ein Kreislaufprozess bei dem prinzipiell alle Produkte und Nebenprodukte genutzt werden können und keine Abfälle entstehen.

In Abbildung 11 sind die Einsatzmöglichkeiten des Produktes Biogas aufgeführt und in Abbildung 12 ist zudem der Biomassekreislauf dargestellt.

Das Hauptprodukt Biogas kann zur Verbrennung im BHKW zur Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie genutzt werden, den Einsatz in SOFC- und MCFC-Brennstoffzellen finden oder bei ausschließlicher Verbrennung ohne Kraft-Wärme-Kopplung als Wärmelieferant dienen. Darüber hinaus bieten sich weitere Möglichkeiten, nach Abtrennung des Kohlendioxids, das Methan als Bio-Erdgas zu nutzen und dieses entweder in das Erdgasnetz einzuspeisen, es für PAFC- und PEMFC-Brennstoffzellen zu nutzen oder es als Treibstoff zu verwenden.

Dem Biogas bzw. dem Bio-Methan kommt somit eine wichtige Rolle als Substitut für Erd-gas zu. Es ist somit möglich eine stärkere Unabhängigkeit von der Erdöl- und Erdgasindustrie zu schaffen und biologisch elektrische und thermische Energie zu erzeugen sowie Treibstoffe herzustellen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Einsatzmöglichkeiten von Biogas

Quelle: Vgl. KTBL: Faustzahlen Biogas 2009, eigene, erweiterte Darstellung

In Abbildung 12 ist ein Beispiel der Nutzungsmöglichkeiten von nachwachsenden Rohstoffen als Kreislaufprozess dargestellt.

Nach dem Anbau und der Ernte werden hier die NawaRo in ihre feste und flüssige Phase getrennt. Der nährstoffreiche Presssaft wird zur Biogasvergärung genutzt, während der feste Pressrückstand durch Trocknung und Pelletierung zur weiteren Nutzung in Heizkraftwerken und BtL-Anlagen verwendet wird.

Das Biogas dient der Strom- und Wärmeerzeugung über die Verbrennung im BHKW oder kann auf Erdgasqualität aufbereitet werden und wie die Erzeugnisse der BtL-Anlage als Bio-Kraftstoff Verwendung finden.

Alle Reststoffe sind organischen Ursprungs und können als Gärrest oder Asche als hochwertiger Dünger wieder auf die Felder aufgebracht werden, bevor der Kreislauf von neuem beginnt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Biomasseenergiekreislauf

Quelle: http://www.nachwachsenderohstoffe.de/fileadmin/fnr/images/aktuelles/medien/ Energiepflanzen/Bilder/Grafiken/Grafik_Energie_Kreislauf_rgb_300.jpg, 18.12.09

Nachdem in diesem Kapitel ein Abriss über den aktuellen Stand der Technik von Biogasanlagen und deren Nutzungsmöglichkeiten dargestellt wurde, wird in Kapitel 3 der Biogasprozess und dessen biochemischen Vorgänge genau erläutert, um daraus Optimierungsmöglichkeiten und Verbesserungspotentiale aufzeigen zu können.

[...]


[1] Vgl. http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Acetogenese&oldid=62799755, 21.12.09.

[2] Vgl. http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Acidogenese&oldid=65487552, 21.12.09.

[3] Vgl. http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Cellulose&oldid=68072851, 21.12.09.

[4] Vgl. http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Chitin&oldid=70783261, 22.03.2010.

[5] Vgl. http://www.biosicherheit.de/de/lexikon/168.lignin.html, 21.12.09

[6] Vgl. http://www.umweltdatenbank.de/lexikon/pyrolyse.htm, 21.12.09.

[7] http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Substrat_%28Biochemie%29&oldid=75045616,

07.06.10.

[8] Vgl. http://www.lpv.de/fileadmin/user_upload/data_files/Erneuerbare_Energien/biogas_fact-sheet.pdf, 12.02.2010.

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Titel: Biogasanlagen. Verwertung organischer und biologischer Abfälle zur nachhaltigen Energieerzeugung.