Kurs: Grundlagen und Perspektiven der Energiewende | OnCourse UB

  • Lektion 4

    • Gewinnung und Nutzung von Biogas

      Biogas ist die Bezeichnung für ein Gemisch von Methan und Kohlenstoffdioxid, dass bei bestimmten biologischen Prozessen, genannt Methanogenese, entsteht. Der Prozess der Methanogenese findet in der Natur statt, vor allem in Sedimenten von Gewässern, aber auch in Mooren und Böden. Das fossile Erdgas geht auf denselben Prozess zurück. Vorrausetzung für die Methanogenese ist die Abwesenheit von Sauerstoff und das Vorhandensein von Verbindungen, die durch Gärungen entstehen. Gärungen sind mikrobielle Prozesse, die unter Sauerstoffabschluss stattfinden. Die Mikroorganismen nutzen die Gärung, um damit Energie zu gewinnen, so wie Menschen und viele andere Organismen Atmung betreiben (siehe Kapitel 4.). Bei der Atmung wird die chemische Energie, die in organischen Polymeren, wie zum Beispiel Zuckern, Eiweißen und Fetten gebunden ist, in körpereigene chemische Energie umgewandelt, die dann wiederum für die verschiedenen Prozesse in Zellen und Körpern genutzt wird. Organische Verbindungen werden zu CO2 oxidiert, dabei werden Elektronen und Wasserstoffatome frei, die auf Sauerstoff übertragen werden, wodurch Wasser entsteht. Im Unterschied zur Atmung werden bei Gärungen die organischen Moleküle nicht vollständig zu CO2 oxidiert und es entsteht auch kein Wasser. Die Endprodukte von Gärungen sind kleine organische Moleküle, in denen auch Elektronen und Wasserstoff gebunden sind, bei manchen Gärungen wird zusätzlich auch Wasserstoff und/oder CO2 freigesetzt. Gärungen werden durch Menschen vielfach zur Konservierung und Verarbeitung von Lebensmitteln genutzt: Beispiele hierfür sind die Essigsäuregärung, die für die Gewinnung von Essig genutzt wird, oder die Milchsäuregärung, die für die Herstellung von Sauerkraut oder Joghurt genutzt wird.
      Schematisch sieht die Abfolge der Prozesse, die zur Bildung von Biogas ablaufen, folgend aus:


      Bei solchen Anwendungen von Gärungen wird meist von Fermentation gesprochen, was nichts anderes ist als gezieltes Gären. Es gibt noch zahlreiche weitere Arten von Gärungen, die überall dort stattfinden, wo anaerobe Bedingungen herrschen, d.h.  wenig oder kein Sauerstoff vorhanden ist. Es gibt auch Mikroorganismen, die bestimmte Gärprodukte aufnehmen und diese weiter vergären, um dabei Energie zu gewinnen. Diese haben als Endprodukt Essigsäure. Die Methanogenese kann ebenfalls nur unter anaeroben Bedingungen und dann stattfinden, wenn entweder Wasserstoff und CO2 oder Essigsäure vorhanden sind. Sowohl Gärungen als auch die Methanogenese sind in der Natur eher langsame Prozesse, die teils in Zeiträumen von Wochen und Monaten stattfinden und werden durch höhere Temperaturen deutlich beschleunigt.
    • Funktion einer Biogasanlage
      Biogasanlagen sind Anlagen in denen Biogas gewonnen wird, indem die Bedingungen geschaffen werden, dass zunächst Gärungen und dann Methanogenese stattfinden können. Kernstück einer jeden Biogasanlage sind große Fermenter, in die Biomasse eingebracht wird. In der Abbildung sind zwei Fermenter zu sehen.

      Die Fermenter enthalten eine Art dünnflüssigen Schlamm, der regelmäßig von großen Rührwerken umgerührt wird. Das Biogas entweicht nach und nach nach oben und wir durch ein luftdichtes Dach aufgefangen. Von dort wird das Biogas abgesaugt.


      Die Dichtigkeit des Fermenters ist für das Funktionieren der Biogasanlage enorm wichtig, da einerseits Sauerstoff. der von außen eindringen würde, Gärungen und Methanogenese empfindlich stören würde und andererseits das entstehende Methan durch seine Flüchtigkeit sehr schnell entweicht. Ein Entweichen des Methans bedeutet nicht nur einen Verlust des Energieträgers Methan, sondern auch eine Kontamination der Atmosphäre mit dem klimaschädlichen Gas.

      Meist sind in einer Biogasanlage mehrere Fermenter oder zumindest ein zusätzlicher Nachgär- und Speicherbehälter enthalten. Die Fermenter müssen eine Temperatur haben, die meist über der Umgebungstemperatur liegt. Die Temperatur unterscheidet sich je nach Anlage, liegt aber häufig über 30°C. Für das Erreichen dieser Temperaturen müssen diese Behälter beheizt werden. In Biogasanlagen können prinzipiell verschiedene Stoffgemische aus Biomasse verwertet werden. Wichtig ist, dass holzhaltige Biomasse nicht vergoren werden kann und daher für Biogasanlagen nicht geeignet ist.

      Schema einer Biogasanlage


      Nutzung von Biogas

      Schon lange vor der Energiewende wurden Biogasanlagen bei Klärwerken eingesetzt, um dortigen Klärschlamm zu nutzen und daraus Energie zu gewinnen. Heute werden verschiedene Stoffgemische in Biogasanlagen verwertet: Küchenabfälle, Grünschnitt aus Landschaftspflegemaßnahmen, Abfälle der Lebensmitteindustrie, Gülle und Mist aus der Nutztierhaltung sowie Energiepflanzen, die gezielt für diese Verwertung angebaut werden.  Meist sind die Anlagen in räumlicher Nähe zu den Produktionsstandorten, wo entsprechende Biomasse anfällt, gebaut.

      Die Entwicklung und der Bau von Biogasanlagen wurden durch die Förderung im Rahmen des EEGs entscheidend beeinflusst. In den 2010er Jahren gab es einen Boom für den Bau von Biogasanlagen. Seitdem nahm der Neubau von Anlagen ab. Es werden noch immer wenige hundert Anlagen pro Jahr in Betrieb genommen. Der Boom in den 2010er Jahren war dadurch bedingt, dass die Förderung durch das EEG so strukturiert war, dass der Anbau von Energiepflanzen, vor allem Mais, für die Verwertung in den Biogasanlagen wirtschaftlich wurde. Für die damals geplanten Anlagen besteht eine Förderungsdauer von 20 Jahren. Der Anteil von Energiepflanzen betrug 2021 ca. 45% am Gesamtsubstrat der Biogasanlagen in Deutschland. Seit den 2010er Jahren wird der Bau von Biogasanlagen nur noch gefördert, wenn hier Wirtschaftsdünger aus der Tierhaltung oder Reststoffe verwertet werden. Der Anteil der Energiepflanzen wird daher zurückgehen.

      Das entstehende Biogas wird auf zwei verschiedene Arten genutzt (siehe Grafik zum Schema einer Biogasanlage):
      • Variante 1: Es wird aufbereitet, um in das normale Stadtgasnetz eingespeist oder als Kraftstoff genutzt zu werden. Dafür muss das enthaltene CO2 abgeschieden werden. Das reine Methan wird als Bio-Methan bezeichnet.
      • Variante 2: Es wird in Blockheizkraftwerken verbrannt, dabei wird Strom produziert, der ins Stromnetz eingespeist wird. Die Abwärme der Verbrennung wird genutzt, um die Fermenter und angrenzende Gebäude zu beheizen. Blockheizkraftwerke haben typischerweise einen Gesamtwirkungsgrad zwischen 80 und 90% (vgl. Kaltschmitt et al. (2016)). Die Reste aus der Vergärung werden als Dünger auf landwirtschaftlichen Flächen ausgebracht.
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