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Bei der Vergärung von Biomasse entsteht neben dem Gärrest die erneuerbare Energie Biogas. Biogas kann sehr vielfältig genutzt werden. Zum einen kann es in Strom umgewandelt und ins Netz eingespiesen werden. Bei dieser Umwandlung entsteht zusätzlich nutzbare Wärme, welche beispielsweise zum Beheizen von landwirtschaftlichen Gebäuden, Siedlungen, Schulen, Gewächshäusern oder Schwimmbädern genutzt werden kann. Die Wärme ist auch in industriellen Prozessen (Dampf, Trocknen, Kühlen) sowie zur Düngerherstellung und Nachverstromung einsetzbar.
Durch Aufbereitung (CO2-Abscheidung und Reinigung) des entstandenen Biogases zu Biomethan (> 98% CH4), kann es als Kraftstoff getankt oder über das Erdgasnetz weiter transportiert werden. Das gereinigte Biomethan hat die gleichen Eigenschaften wie Erdgas und kann zum Beispiel als Kraftstoff für Biogasautos genutzt werden.
Methan (CH4) macht den wesentlichen Bestandteil von Biogas aus. Abhängig von der verwendeten Biomasse beträgt der Methangehalt des Biogases zwischen 50 und 65%.
Der Kohlendioxid-Anteil (CO2) des Biogases liegt zwischen 35 bis 50%.
Da die Energiepflanzen das CO2 zuvor für ihr Wachstum der Atmosphäre entzogen haben, ist das CO2 klimaneutral.
Weitere Inhaltsstoffe des Biogases sind Wasser (H2O), Sauerstoff (O2) sowie Spuren von Schwefel (S2) und Schwefelwasserstoff (H2S).
Die Vergärung von Biomasse ist ein obligat anaerober (zwingend ohne Sauerstoff) Prozess, welcher im flüssigen Medium abläuft. Beim anaeroben Abbau wird die organische Substanz der Biomasse in vier Schritten zu Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) umgewandelt. An diesem anaeroben Abbauprozess sind eine Vielzahl verschiedener Bakterienarten beteiligt.
Die in der Biomasse enthaltenen Proteine, Fette und Kohlenhydrate werden in der ersten Phase, der Hydrolyse, durch Enzyme, Bakterien, Wärme und Wasser zu Aminosäuren, Glukose, etc. umgebaut. Die Hydrolyse stellt oft den geschwindigkeitslimitierenden Teilprozess des organischen Abbaus dar. In der nächsten Phase, der Fermentation (Acidogenese), werden aus diesen Stoffen organische Säuren (Propionsäure, Fettsäuren, einfache Alkohole) produziert, woran unterschiedliche Bakteriengruppen beteiligt sind. Dann folgt die weitere fermentative Vergärung (Acetogenese) zu Essigsäure. In der letzten Phase, der Methanogenese, wird dann durch Methanbakterien das Biogas Methan (CH4) und Kohlenstoffdioxid (CO2) hergestellt.
Diese vier Schritte laufen in der Biogasgewinnung nicht nur strikt nacheinander, sondern auch gleichzeitig ab. Aus diesem Grunde muss der gesamte Prozess anaerob ausgelegt, hermetisch ausgeschlossen und temperaturstabil gefahren werden. Da der Prozess anaerob abläuft entsteht keine Prozesswärme, weshalb das notwendige Temperaturniveau extern gesichert werden muss.
Die in der Praxis betriebenen landwirtschaftlichen Biogasanlagen beruhen überwiegend auf dem einstufigen, kontinuierlichen Verfahren. Beim einstufigen Verfahren laufen alle vier Abbaustufen gleichzeitig in einem volldurchmischten Reaktor ab. Dabei sind die Lebensbedingungen nicht optimal für alle beteiligten Bakterienarten. Durch die Zunahme an organischen stapelfähigen Feststoffen steigt der energetische Aufwand für die Durchmischung des Reaktorinhalts, sowie die Gefahr einer biologischen Prozessüberlastung. Es können sich ebenfalls Schwimm- oder Sinkschichten bilden, wodurch es zu Hemmungen des Vergärungsprozesses kommen kann.
Dem wird beim zweistufigen Verfahren Rechnung getragen, wobei die Hydrolyse und Versäuerung von der Methanisierung getrennt werden. Die Trennung des Prozesses in zwei Phasen soll durch die Optimierung der einzelnen Phasen die Umsatzrate der in der organischen Masse gespeicherten Energie zu Methan beschleunigen.