Wie wird Biogas produziert?
Aus Bioabfall wird in der Vorgrube ein wertvoller Rohstoff
Am Anfang der Produktion von Biogas stehen Feld, Stall oder auch die Biotonne in Haushalten und Betrieben. In der Landwirtschaft entstehen Bioabfälle. Das sind Pflanzenteile, die nicht weiter verwertet werden können und auch nicht als Viehfutter infrage kommen. Aus der Tierhaltung bleiben Mist und Gülle übrig und auch im privaten Bereich oder in Unternehmen fallen Speisereste und andere biologisch abbaubare Abfälle an. Dazu kommen sogenannte Energiepflanzen. Das sind eigens zur Herstellung von Biogas angebaute Pflanzen. Es kann sich dabei um Mais, Getreide oder auch Schilfgras handeln. All das kann in einer Biogas-Anlage verwertet werden.
Dazu wird die Biomasse zuerst in der sogenannten Vorgrube gesammelt. Sie dient nicht nur als Annahme- und Lagerstelle, sondern ist auch der Ort, wo die vergärbare Biomasse oder das Biogas-Substrat unter anderem durch Zerkleinerung aufbereitet wird. Außerdem gewährleistet die Vorgrube eine kontinuierliche Substrat-Versorgung für die nächste Verarbeitungsstufe im Fermenter oder Gärkessel. Dieser Behälter ist licht- und sauerstoffdicht abgeschlossen. Hier tun Mikroorganismen ihre Arbeit, indem sie für eine Vergärung der Biomasse sorgen, in deren Verlauf Biogas entsteht, das hauptsächlich aus Methan sowie -zu geringen Anteilen aus Kohlendioxyd besteht.
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Mikroorganismen haben es gerne mollig warm
Für die Vergärung wichtig ist die Temperatur im Fermenter. Bakterien, die sich unter 30 Grad Celsius optimal entwickeln, bauen die Biomasse nur sehr langsam ab. Die meisten Fermenter werden auf 32 bis 42 Grad geheizt. Dieser Bereich ist optimal für eine Vielzahl von Bakterien, die mesophil genannt werden. Das heißt, selbst wenn eine oder mehrere Bakterienarten absterben, kann der Abbau des Substrates von anderen Arten übernommen werden. Daher laufen diese Biogas-Anlagen sehr stabil. Insbesondere im Bereich zwischen 37 und 40 Grad Celsius ist beim Einsatz von Gülle oder Stallmist eine effektive Methangas-Produktion gewährleistet, da hier Bakterien vorhanden sind, die sich an die Körpertemperatur von Kühen, Schweinen und anderen Nutztieren angepasst haben. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Fermenter auf höhere Temperaturen zwischen 50 und 57 Grad Celsius zu heizen. Diese sind für sogenannte thermophile Bakterien optimal. Aufgrund der Wärme wird die Gärung beschleunigt und die Gasausbeute ist höher. Allerdings sind thermophile Bakterien empfindlicher und auch die Artenvielfalt geringer als bei den mesophilen Bakterien. Der Betrieb der Biogas-Anlage ist in diesen Fällen also effektiver aber störungsanfälliger.
Brennwert von Biogas muss vor der Einspeisung ins Erdgasnetz erhöht werden
Im oberen Bereich des Fermenters wird das freigesetzte Biogas gespeichert. Von hier aus wird es in die Gasaufbereitungsanlage geleitet, in der der Methangehalt optimiert wird, damit es den Eigenschaften von Erdgas entspricht und im Leitungssystem mit diesem gemischt werden kann. Unbehandelt hat ein Kubikmeter Biogas nur einen Energiegehalt von fünf bis 7,5 Kilowattstunden, Erdgas jedoch von rund zehn Kilowattstunden. Von der Gasaufbereitungsanlage kann das aufbereitete Biogas dann entweder in das Erdgasnetz geleitet werden oder es können die Leitungen zu Biogastankstellen damit bedient werden.
Zum Heizen des Fermenters wird übrigens etwas Biogas auf dem Weg zwischen Fermenter und Gasaufbereitungsanlage abgezapft und dann in einem Blockheizkraftwerk verbrannt. Die Wärme-Energie hier kann ins Nahwärmenetz geleitet werden oder über einen Generator zu Strom verarbeitet werden. Die vergorene Biomasse aus dem Fermenter gelangt in das Gärrestelager, wo sie dann als hochwertiger Dünger bereit steht.
Biogas aus Algen
Um Biogas zu erzeugen, werden bereits viele landwirtschaftliche Produkte wie z. B. Mais, Dung, Bioabfälle oder Stroh herangezogen. Bald könnte zur Biogasherstellung ein neuer Rohstoff hinzukommen, der bereits jetzt vielversprechende Ergebnisse abliefert: Biogas aus Algen.
Algen – Energiepflanzen der Zukunft
Diese ein- oder mehrzelligen Pflanzen zählen mit zu den ältesten Lebewesen unserer Erde. Vor rund 3 Milliarden Jahren begannen sie in der damals sauerstofffreien Uratmosphäre, aus Kohlendioxid, Wasser und Sonnenlicht Sauerstoff zu produzieren. Noch heute stammt etwa die Hälfte des in der Atmosphäre enthaltenen Sauerstoffs aus der Photosynthese von Algen. Die kleinen Lebewesen können Energie äußerst effizient nutzen. Ihre Biomasse wächst bis zu zehnmal schneller als die von Landpflanzen. Genau diese Eigenschaft macht sie für die Biogasherstellung interessant.
© Sabine Holtermann / pixelio.de
Ein Verfahren, um aus Algen Biogas herzustellen, wurde bereits entwickelt. Dazu wurde vor Kurzem das Algenzentrum in Ottobrunn bei München eröffnet, in dem Forscherteams der Technischen Universität München an verschiedenen Ansätzen arbeiten, um entsprechende Biotreibstoffe zu generieren.
Biogas ist dazu in der Lage, Erdgas zu ersetzen. Es kann auch durch die gleichen Leitungen wie Erdgas gepumpt werden, was beispielsweise in vielen Nahwärmenetzen bereits getan wird. Auf Dauer ließe sich so der Verbrauch an fossilem Erdgas beträchtlich reduzieren.
Bioenergie aus Algen: Erhitzt und unter Hochdruck
Auch im Paul-Scherrer-Institut in Villingen ist man an dem Thema Bioenergie aus Algen dran. Hier wurde bereits ein Verfahren entwickelt, mit dem sich aus Algen Biomethan gewinnen lässt. Die Basis bildet ein nasser Algenbrei, der auf 400 °C erhitzt und unter 300 Bar Druck gesetzt wird. Bei diesem Verfahren geht das Wasser in einen fluiden, den sogenannten superkritischen Zustand über. Es ist so dicht wie eine Flüssigkeit und behält dabei die Viskosität eines Gases. Im Zuge dieses Vorgangs werden die Nährstoffe in Form von Salzen aus dem Nährmedium abgeschieden. Diese lassen sich im Anschluss daran wiederverwenden. Einen ähnlichen Weg möchte man künftig auch in Ottobrunn gehen, um die Lipide nach der Selektion in eine Biogasanlage einzuspeisen.
Biogas aus Algen: Effizienzsteigerung durch Substratmix
An einer synergetischen Nutzung von Algen und weiteren Energiepflanzen wird derzeit an der Ruhr-Universität Bochum geforscht. Man hat herausgefunden, dass durch eine Mischung von Mais und Algen eine höhere Gesamt-Ausbeute erzielt wird als bei der getrennten Nutzung der beiden Substrate. Der Grund: Algen steuern Spurenelemente für die Vergärung von Mais bei, so dass dieser effizienter genutzt wird. Ein Problem bei der Herstellung von Biogas aus Algen besteht derzeit darin, dass die kleinen Lebewesen über eine äußerst robuste Zellstruktur verfügen. Ihr Zellinhalt ist für die gasproduzierenden Bakterien daher nur schwer zugänglich. Durch verschiedene Methoden versuchen die Forscher, die Zellwände zu knacken: Neben Ultraschall, Einfrieren und Druck scheinen vor allem thermische Verfahren vielversprechend. Durch achtstündiges Erhitzen auf 100° C konnte die Biogas-Ausbeute um 50 % gesteigert werden.
Algen als Bioreaktor
Die derzeit bekannten Verfahren zur Herstellung von Biogas aus Algen weisen eine relativ geringe Effizienz auf. Um das Problem zu lösen, verfolgt man an der Universität Leipzig einen neuen Forschungsansatz: Nicht die Biomasse der Algen wird im Reaktor vergärt, sondern ausschließlich bestimmte Stoffwechselprodukte, die diese bei der Photosynthese ausscheiden. Da sich die Algen dabei nicht vermehren, wird kaum Dünger benötigt, was die Effizienz deutlich erhöht. Zudem entstehen bei diesem Verfahren reines Methan und Kohlendioxid ohne Beigase wie Schwefelwasserstoff.
Ist Biogas aus Algen somit das Energiekonzept der Zukunft? Die Forschungsansätze sind vielversprechend, am freien Markt sind die Verfahren derzeit jedoch noch nicht konkurrenzfähig.
