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So funktioniert eine Biogasanlage
Verschiedene z. T. recht unterschiedliche Anlagenkonzepte werden in der Praxis angewendet. Vor allem die Zusammensetzung des Substrats entscheidet, welches Konzept angewandt wird. Aber auch Rahmenbedingungen durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz, die die Vergütung für den eingespeisten Strom bestimmen, sind relevant. Ebenso können Vorschriften zur Hygienisierung und zur Vermeidung von Emissionen die Planung einer Biogasanlage beeinflussen.
Prinzip einer Biogasanlage
In einer Biogasanlage erfolgt der anaerobe (ohne Sauerstoff) mikrobielle Abbau (Vergärung) des eingesetzten Substrats. Dieses besteht meist aus gut abbaubarer Biomasse wie Gülle, Energiepflanzen (vor allem Mais-, Getreide- und Grassilage), landwirtschaftlichen Nebenprodukten oder Bioabfällen. Stroh und Holz, die vor allem Cellulose und Lignocellulose enthalten, sind unter anaeroben Bedingungen nur schwer oder gar nicht abbaubar und werden daher nicht eingesetzt.
Verschiedene Arten von Mikroorganismen nutzen die komplex zusammengesetzte Biomasse (vor allem Kohlenhydrate, Fette und Proteine) als Nährstoff- und Energielieferanten. Anders als beim aeroben (mit Sauerstoff) Abbau (z.B. Kompostierung) können die Organismen bei der anaeroben Vergärung aber nur einen geringen Teil der enthaltenen Energie nutzen. Die anaerob nicht nutzbare Energie befindet sich im „Abfallprodukt“ Methan. Das hat zur Folge, dass die spezifischen Umsatzraten an Substrat, bezogen auf die Biomasse, wesentlich höher sind. Die Mikroorganismen müssen daher relativ große Mengen Substrat umsetzen, um ihren Energiebedarf decken zu können. Hauptprodukte des anaeroben Abbaus sind das energiereiche Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2). Da beide gasförmig sind, trennen sie sich vom Gärsubstrat und bilden die Hauptkomponenten des Biogases. CO2 ist nicht weiter oxidierbar, kann aber zusammen mit dem energiereichen CH4 in geeigneten BHKWs der Verbrennung zugeführt werden.
Nass- und Trockenfermentation
Ein Unterscheidungsmerkmal bei Biogasanlagen ist die Betriebsweise als Nass- oder Trockenfermentation oder -vergärung. Bei der Nassfermentation macht ein hoher Wasseranteil im Gärsubstrat die Masse rühr- und fließfähig und wird während der Fermentation durchmischt. Die Trockenfermentation oder auch Feststoffvergärung erfolgt mit stapelbarer organischer Biomasse. Im Gegensatz zur Nassvergärung wird hier das Gärgut weder verflüssigt noch erfolgt eine ständige Durchmischung während der Vergärung. Die Verfahrenswahl hängt im Wesentlichen von den Substraten ab.
Für die Güllenutzung kommt nur die Nassvergärung in Frage, während strukturreiche Biomasse oft die für die Nassvergärung nötigen Rührwerke blockiert. Bei der Nassvergärung muss daher die feste Biomasse gut zerkleinert und mit Flüssigkeit pumpbar gehalten werden. In Deutschland ist die Nassvergärung vorherrschend, weil die meisten Anlagen von Landwirten mit Viehzucht errichtet wurden, die häufig sowohl Energiepflanzen als auch Gülle einsetzen.
Domäne der Trockenfermentation ist die stapelbare Biomasse, wie sie im Garten- und Landschaftsbau anfällt sowie die Vergärung von Wiesen- oder Ackergras. Trockenfermentation wird auch als Ergänzung oder Ersatz zur Kompostierung eingesetzt. Jedoch ist die Bezeichnung „Trockenvergärung“ irreführend, da die für die Vergärung notwendigen Mikroorganismen für ihr Überleben und Stoffwechsel ein flüssiges Medium benötigen. Seit 2004 wurde im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) ein Technologiebonus von 2 Cent/kWh eingespeisten Strom für die Trockenfermentation bezahlt. In den folgenden Jahren nahm daher auch in der Landwirtschaft die Bedeutung der Trockenfermentation stark zu. Für neu errichtete Anlagen ab 2009 entfällt der Technologiebonus, da das Verfahren inzwischen als etablierte Technik gilt.
Batch- und kontinuierliche Vergärung
Die meisten Anlagen werden mit einer kontinuierlichen Vergärung betrieben, bei der dem Prozess in regelmäßigen Abständen meist mehrmals täglich Substrat zugeführt wird und Biogas sowie Gärrest entnommen werden. Vorteilhaft sind die Automatisierbarkeit und die relativ gleichmäßige Gasproduktion, so dass nachfolgende Komponenten wie Gasreinigung, Blockheizkraftwerk (BHKW) und Gasaufbereitung ebenfalls kontinuierlich arbeiten. Neben der Nassvergärung (auch Nassfermentation) kann auch die Trockenvergärung (auch Trockenfermentation) einen kontinuierlichen Anlagenbetrieb erlauben. Wenn der Gehalt an Trockenmasse aber sehr hoch oder das Substrat sehr faserig ist, beispielsweise bei Biomüll, Hausmüll und Grünschnitt, wird häufig die Batch-Vergärung angewandt. Hierbei wird für jede Substratcharge die Biogaserzeugung abgeschlossen und der Fermenter entleert, bevor die nächste Charge eingebracht wird. Durch Staffelung mehrerer Fermenter wird auch hier eine quasi-kontinuierliche Gasproduktion möglich.
Ein- und mehrstufige Anlagen
Die einzelnen Schritte des mikrobiellen Abbaus haben bestimmte Optima. So läuft die Hydrolyse optimal bei einem niedrigen, leicht sauren pH-Wert, weshalb bei vielen Anlagen eine Hydrolysestufe mit nachgeschalteter Methanstufe vorhanden ist. Die Methanogenese läuft bevorzugt in leicht alkalischem Milieu ab. Häufig findet sich aber auch nur ein oder mehrere parallel geschaltete Fermenter ohne Trennung der Abbaustufen. In der Regel ist noch ein Lagerbehälter nachgeschaltet, der luftdicht abgeschlossen ist und daher als Nachgärer fungiert.
Eine Biogasanlage dient der Erzeugung von Biogas durch Vergärung von Biomasse. In landwirtschaftlichen Biogasanlagen werden meist tierische Exkremente (Gülle, Festmist) und Energiepflanzen als Substrat eingesetzt. In nicht-landwirtschaftlichen Anlagen wird Material aus der Biotonne verwendet. Als Nebenprodukt wird ein als Gärrest bezeichneter Dünger produziert. Bei den meisten Biogasanlagen wird das entstandene Gas vor Ort in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt.
Quelle: Wikipedia