Bioenergie

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Bioenergie

Leitfaden BiogasVon der Gewinnung zur Nutzung

impressum

Diese Arbeit wurde im Rahmen des Projektes Handreichung Biogasgewinnung und -nutzung angefertigt. Projekttrger: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) Frderkennzeichen (FKZ): 22005108

Gefrdert durch das Bundesministerium fr Ernhrung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.

Projektnehmer: Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinntzige GmbH (DBFZ) Torgauer Strae 116, 04347 Leipzig, www.dbfz.de

Projektpartner: Kuratorium fr Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V. (KTBL) Bartningstrae 49, 64289 Darmstadt, www.ktbl.de

Johann Heinrich von Thnen-Institut (TI) Institut fr Agrartechnologie und Biosystemtechnik Bundesallee 50, 38116 Braunschweig, www.ti.bund.de/de/startseite/institute/at.html

Rechtsanwaltskanzlei Schnutenhaus & Kollegen Reinhardtstrae 29 B, 10117 Berlin, www.schnutenhaus-kollegen.de

Die vorliegende Aktualisierung erfolgte durch die Projektpartner Deutsches Biomasseforschungszentrum gGmbH (DBFZ), Kuratorium fr Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V. (KTBL) und Rechtsanwaltskanzlei Schnutenhaus & Kollegen.

Herausgeber: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) OT Glzow, Hofplatz 1, 18276 Glzow-Przen Tel.: 03843/6930-0, Fax: 03843/6930-102 info@fnr.de www.nachwachsende-rohstoffe.de www.fnr.de

RedaktionFachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR), Abteilung ffentlichkeitsarbeit

BilderTitel: MT-Energie GmbH, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. Sofern nicht am Bild vermerkt: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. Gestaltung/Realisierungwww.tangram.de, Rostock

Druckwww.druckerei-weidner.de, Rostock

Gedruckt auf 100 % Recyclingpapier mit Farben auf Pflanzenlbasis

Bestell-Nr. 208 6., berarbeitete Auflage, 2013

Alle Rechte vorbehalten.Kein Teil dieses Werkes darf ohne schriftliche Einwilligung des Herausgebers in irgendeiner Form reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfltigt, verbreitet oder archiviert werden. Fr die Ergebnisdarstellung mit Schlussfolgerungen, Konzepten und fachlichen Empfehlungen sowie die Beachtung etwaiger Autorenrechte sind ausschlielich die Verfasser zustndig.

ISBN 3-00-014333-5

Leitfaden BiogasVon der Gewinnung zur Nutzung

2inhaLt

1 Ziele des Leitfadens 8 M. Kaltschmitt, F. Scholwin

1.1 Aufgabenstellung 81.2 Lsungsansatz 91.3 Inhalt 91.4 Zielgruppen 91.5 Abgrenzung 101.5.1 Technik 101.5.2 Substrate 101.5.3 Aktualitt 101.5.4 Datenumfang 10

2 Grundlagen der anaeroben Fermentation 11 J. Friehe, A. Schattauer, P. Weiland

2.1 Entstehung von Biogas 112.2 Milieubedingungen 122.2.1 Sauerstoff 122.2.2 Temperatur 122.2.3 pH-Wert 132.2.4 Nhrstoffversorgung 142.2.5 Hemmstoffe 142.3 Betriebsparameter 152.3.1 Raumbelastung und Verweilzeit 152.3.2 Produktivitt, Ausbeute und Abbaugrad 162.3.3 Durchmischung 172.3.4 Gasbildungspotenzial und methanogene Aktivitt 172.4 Literaturverzeichnis 20

3 Anlagentechnik zur Biogasbereitstellung 21 V. Denysenko, El. Fischer, H. Gattermann, U. Jung, J. Postel, T. Reinelt, A. Schattauer, S. Scheibe, F. Scholwin, W. Stinner, T. Weidele, P. Weiland

3.1 Merkmale und Unterscheidung verschiedener Verfahrensvarianten 213.1.1 Trockensubstanzgehalt der Grsubstrate 213.1.2 Art der Beschickung 223.1.3 Anzahl der Prozessphasen und -stufen 233.2 Verfahrenstechnik 233.2.1 Substratmanagement 243.2.2 Biogasgewinnung 393.2.3 Lagerung des vergorenen Substrates 523.2.4 Speicherung des gewonnenen Biogases 553.2.5 Manahmen zur Emissionsminderung 573.3 Biogas-Kleinanlagen 603.3.1 Ziele und Rahmenbedingungen 603.3.2 Angebotene Technologien 613.4 Relevante technische und Arbeitsschutzregelwerke 653.5 Literaturverzeichnis 66

3Inhalt

4 Beschreibung ausgewhlter Substrate 68 J. Friehe, A. Schattauer, P. Weiland

4.1 Substrate aus der Landwirtschaft 684.1.1 Wirtschaftsdnger 684.1.2 Nachwachsende Rohstoffe 684.2 Substrate aus der weiterverarbeitenden Agroindustrie 714.2.1 Bierherstellung 714.2.2 Alkoholgewinnung 714.2.3 Biodieselproduktion 724.2.4 Kartoffelverarbeitung (Strkeherstellung) 724.2.5 Zuckergewinnung 724.2.6 Nebenprodukte der Obstverarbeitung 734.3 Einsatzstoffe gem Anlage 1 Biomasseverordnung 734.4 Stoffdaten und Gasertrge der Einsatzstoffe gem Anlage 1 Biomasseverordnung 744.5 Grn- und Rasenschnitt 744.6 Landschaftspflegematerial 744.7 Literaturverzeichnis 74 4.8 Anhang 76

5 Betrieb von Biogasanlagen 77 J. Friehe, J. Liebetrau, T. Reinelt, A. Schreiber, W. Stinner, P. Weiland

5.1 Kenndaten zur berwachung des biologischen Prozesses 775.1.1 Biogasproduktionsrate 785.1.2 Gaszusammensetzung 785.1.3 Temperatur 785.1.4 Inputmenge und Fllstnde 795.1.5 Substratcharakterisierung 795.1.6 Bestimmung der Konzentration von organischen Suren 805.1.7 pH-Wert 815.1.8 Konzentration an Spurenelementen 815.1.9 Stickstoff, Ammonium, Ammoniak 825.1.10 Schwimmdecken 825.1.11 Schaumbildung 835.1.12 Prozessbewertung 835.2 Anlagenberwachung und Automatisierung 845.2.1 Bussystem 855.2.2 Projektierung 865.2.3 Anwendungen/Visualisierung 865.2.4 Datenerfassung 865.2.5 Prozessregelung 865.3 Prozesskontrolle im Anfahr- und Regelbetrieb 875.3.1 Regelbetrieb 875.3.2 Anfahrprozess 885.4 Strungsmanagement 925.4.1 Ursachen von Prozessstrungen 925.4.2 Handhabung von Prozessstrungen 935.4.3 Handhabung von technischen Strungen und Problemen 945.5 Betriebssicherheit 955.5.1 Arbeits- und Anlagenschutz 955.5.2 Umweltschutz 975.6 Hinweise zur Anlagenoptimierung 985.6.1 Technische Optimierung 995.6.2 Analyse der Effizienz der Gesamtanlage (Substratausnutzung auf Basis von Energieflssen) 995.6.3 konomische Optimierung 995.6.4 Minimierung der Umweltauswirkungen 1005.7 Literaturverzeichnis 104

4Leitfaden Biogas Von der Gewinnung zur Nutzung

6 Gasaufbereitung und Verwertungsmglichkeiten 106 Er. Fischer, H. Gattermann, J. Grope, F. Scholwin, T. Weidele, M. Weithuser

6.1 Gasreinigung und Gasaufbereitung 1066.1.1 Entschwefelung 1066.1.2 Trocknung 1106.1.3 Kohlendioxidabscheidung 1116.1.4 Sauerstoffentfernung 1136.1.5 Entfernung weiterer Spurengase 1146.1.6 Aufbereitung auf Erdgasqualitt 1146.2 Nutzung durch Kraft-Wrme-Kopplung 1146.2.1 Blockheizkraftwerke mit Verbrennungs motoren 1146.2.2 Stirlingmotoren 1206.2.3 Mikrogasturbinen 1216.2.4 Brennstoffzellen 1226.2.5 Abwrmenutzung stromgefhrter KWK 1236.3 Gaseinspeisung 1246.3.1 Einspeisung in das Erdgasnetz 1246.3.2 Einspeisung in Mikrogasnetze 1256.4 Treibstoff fr Kraftfahrzeuge 1256.5 Thermische Nutzung von Biogas 1266.6 Literaturverzeichnis 126

7 Rechtliche Rahmenbedingungen der Energiegewinnung aus Biogas 128 U. Behrendt, I. Falke, J. Schnutenhaus

7.1 Finanzierung von Biogasanlagen 1287.2 Versicherung von Biogasanlagen 1297.3 Genehmigung von Biogasanlagen 1297.3.1 Das baurechtliche Genehmigungsverfahren 1297.3.2 Das immissionsschutzrechtliche Genehmigungsverfahren 1307.3.3 Immissionsschutzrechtliche Anforderungen 1327.3.4 Strfall-Verordnung 1337.3.5 Wasserrecht 1337.3.6 Betriebssicherheit 1337.3.7 Energierechtliche Anforderungen nach 49 EnWG 1337.4 Rechtliche Anforderungen beim Einsatz bestimmter Substrate 1347.4.1 Einsatz von Energiepflanzen 1347.4.2 Einsatz von Glle und sonstigen tierischen Nebenprodukten 1347.5 Einspeisevergtung fr Strom nach dem EEG 2012 1347.5.1 Voraussetzungen der Einspeisevergtung nach dem EEG 2012 1357.5.2 Einsatzstofftagebuch 1367.5.3 Umweltgutachten 1367.5.4 Der Anlagenbegriff im EEG 2012 1377.5.5 Besondere Frderung kleinerer Hofanlagen 1377.5.6 Spezieller Vergtungsanspruch beim Einsatz bestimmter Bioabflle 1387.5.7 Frderung der Biogasaufbereitung durch den Gasaufbereitungs-Bonus 1387.5.8 Auswirkungen des EEG 2012 auf Bestandsanlagen 1387.6 Konfliktlsung und Information durch die Clearingstelle EEG 1397.7 Repowering: Erweiterung von Biogasanlagen 1407.7.1 Bau einer weiteren Biogasanlage am Standort der Biogasanlage 1407.7.2 Bau eines zustzlichen neuen BHKW am Standort der Biogasanlage 1407.7.3 Austausch eines vorhandenen BHKW gegen ein neues BHKW am Standort der Biogasanlage 1417.7.4 Austausch eines vorhandenen BHKW gegen ein neues, leistungsstrkeres BHKW am Standort der Biogasanlage 1417.7.5 Austausch eines vorhandenen BHKW gegen ein neues BHKW am Satelliten-Standort 1427.7.6 Auswirkungen auf die Genehmigung 1427.8 Netzanschlusspflicht des Netzbetreibers 1437.9 Einspeisemanagement 143

5Inhaltinhalt

7.10 Direktvermarktung 1437.10.1 Arten der Direktvermarktung 1437.10.2 Marktprmie 1447.10.3 Flexibilittsprmie 1447.10.4 Grnstromprivileg 1457.10.5 Teilnahme am Regelenergiemarkt 1457.11 Wrmenutzung 1457.12 Biogasaufbereitung und Biomethaneinspeisung 1467.12.1 Rechtliche Regelungen zum Gasnetzanschluss 1467.12.2 Gastransport und Biomethannutzung 1467.13 Typische Vertrge 1477.13.1 Anlagenbauvertrag 1477.13.2 Betriebsfhrungs-/ Wartungsvertrag 1487.13.3 Substratliefer- und Grrckstandrcknahmevertrag 1487.13.4 Biogasliefervertrag 1487.13.5 Wrmeliefervertrag 1497.13.6 Gestattungsvertrag mit Grundstckseigentmern 1497.13.7 Wegenutzungsvertrag mit der Gemeinde 1507.14 Literaturverzeichnis 150

8 konomie 152 H. Dhler, S. Hartmann, U. Keymer, A. Niebaum, M. Paterson, G. Reinhold, M. Stadelmann, B. Wirth

8.1 Darstellung der Modellanlagen Annahmen und Kennwerte 1528.1.1 Anlagenleistung 1538.1.2 Substrate 1538.1.3 Biologische und technische Auslegung 1558.1.4 Technische und verfahrenstechnische Kennwerte 1568.1.5 Investitionen fr die Funktionseinheiten der Modellanlagen 1588.2 Wirtschaftlichkeit der Modellanlagen 1588.2.1 Ertrge 1588.2.2 Kosten 1618.2.3 Leistungs-Kosten-Rechnung 1628.3 Sensitivittsanalyse 1648.4 Wirtschaftlichkeit ausgewhlter Wrmenutzungspfade 1658.4.1 Wrmenutzungspfad Trocknung 1658.4.2 Wrmenutzungspfad Gewchshaus beheizung 1688.4.3 Wrmenutzungspfad kommunales Nahwrmenetz 1698.5 Qualitative Einordnung unterschied licher Wrmenutzungspfade 1708.6 Literaturverzeichnis 170

9 Betriebsorganisation 171 S. Hartmann, P. Jger, A. Niebaum, M. Paterson, G. Reinhold, M. Schwab, R. Stephany

9.1 Umstrukturierung des Betriebes Perspektiven und Anstze zur Optimierung 1739.1.1 Wahl eines geeigneten Anlagenstandortes 1739.1.2 Auswirkung der Biogasanlage auf die Fruchtfolge 1739.1.3 Flchen- und Arbeitszeitbedarf 1749.1.4 Einflsse von BHKW-Fahrweise und -Auslastung 1789.2 Steuerliche und rechtliche Anmerkungen zu Bau und Betrieb von Biogasanlagen 1789.2.1 Steuerliche Behandlung des Betriebs von Biogasanlagen 1789.2.2 Rechtsformwahl und die steuerlichen Auswirkungen 1809.3 Literaturverzeichnis 182

6Leitfaden Biogas Von der Gewinnung zur Nutzung

10 Qualitt und Verwertung des Grrckstandes 184 T. Amon, H. Dhler, S. Grebe, S. Klages, U. Roth, D. Wilken, S. Wulf

10.1 Eigenschaften des Grrckstandes 18410.1.1 Eigenschaften, Nhrstoffe und wertgebende Inhaltsstoffe 18410.1.2 Schadstoffe 18410.1.3 Hygienische Eigenschaften 18510.2 Lagerung des Grrckstandes 18610.2.1 Ammoniakemissionen 18610.2.2 Klimarelevante Emissionen 18710.3 Verwertung des Grrckstandes auf landwirtschaftlichen Flchen 18910.3.1 Verfgbarkeit und Nhrstoffwirkung von Stickstoff 18910.3.2 Manahmen zur Verringerung der Ammoniakverluste nach der Ausbringung von Grrckstnden 19010.3.3 Gnstige Einsatztermine fr Grrckstnde 19110.3.4 Nhrstoffwirkung und Humusreproduktion fr ein Anlagenbeispiel 19310.3.5 Rechtliche Einordnung des Grrckstandes Anforderungen und Grenzen 19510.4 Aufbereitung von Grrckstnden 19710.4.1 Aufbereitungstechniken 19710.4.2 Verwertung der aufbereiteten Grrckstnde 20010.4.3 Vergleich der Grrckstandaufbereitungsverfahren 20110.5 Literaturverzeichnis 201

11 Umsetzung eines Projektes 203 Er. Fischer, A. Niebaum, A. Schattauer, F. Scholwin

11.1 Idee und Projektskizze 20311.2 Machbarkeitsuntersuchung 20411.2.1 Substratverfgbarkeit 20611.2.2 Standortauswahl 20611.2.3 Stoffstromlogistik 20711.2.4 Technologieauswahl 20811.2.5 Gasnutzung 20811.2.6 Bewertung und Entscheidungsfindung 20911.3 Investitionsvorbereitung durch ffentlichkeitsarbeit 20911.4 Planungsschritte 21011.4.1 Genehmigungsplanung 21111.4.2 Ausfhrungsplanung 21311.5 Bauplanung und Anlagenbau 21411.6 Abnahme der Bauleistungen 21411.7 Inbetriebnahme der Anlage 21511.8 Notwendige Vertrge 21511.8.1 Biomasseliefervertrag 21511.9 Literatur- und Referenzverzeichnis 216

7Inhalt

12 Stellung und Bedeutung von Biogas als regenerativer Energietrger in Deutschland 217 J. Daniel-Gromke, M. Kaltschmitt, A. Scheuermann, F. Scholwin, B. Schumacher, R. Wilfert

12.1 Biogaserzeugung als Option einer Energiegewinnung aus Biomasse 21712.2 kologische Einordnung und Nachhaltigkeit der Biogasgewinnung und -nutzung 21812.3 Stand der Biogasgewinnung und - nutzung in Deutschland 21912.3.1 Anlagenbestand und Anlagenleistung 21912.3.2 Biogasanwendung und Trends 22112.3.3 Eingesetzte Substrate 22212.4 Potenziale 22312.4.1 Technische Primrenergiepotenziale 22312.4.2 Technische Endenergiepotenziale 22312.5 Ausblick 22412.6 Literaturverzeichnis 225

13 Beispielprojekte 226 J. Friehe, W. Stinner, P. Trainer, P. Weiland

13.1 Anlagenbeispiel 1 Gllekleinanlage (60 kWel) 22713.2 Anlagenbeispiel 2 (bis 200 kWel) 22813.3 Anlagenbeispiel 3 (bis 250 kWel; Beregnungsverfahren, besondere Eignung fr Halmgut) 22913.4 Anlagenbeispiel 4 (bis 500 kWel) 23013.5 Anlagenbeispiel 5 (bis 1.000 kWel) 23113.6 Anlagenbeispiel 6 zur Feststoffvergrung (Boxenverfahren) 232

Anhang 233 Glossar 233 Abbildungsverzeichnis 236 Tabellenverzeichnis 239 Abkrzungsverzeichnis 242 Anschriften der Institutionen 243 Autorenverzeichnis 244

81 ZieLe des LeitfadensDer Ausbau der Biogasgewinnung und -nutzung hat in den ver-gangenen Jahren eine sehr starke Entwicklung genommen. Ne-ben dem Ausbau des Biogasanlagenbestandes auf ber 7.600 Anlagen, die vorwiegend in einem landwirtschaftlichen Kontext errichtet wurden bzw. betrieben werden, haben sich die einge-setzten Technologien deutlich verndert und weiterentwickelt. Trotz dieser inzwischen reichen Erfahrungen mit der Biogas-technik in Deutschland besteht nach wie vor ein sehr groes Interesse an der Technologie bei gleichzeitig vorhandenem hohem Wissensbedarf. Der vorliegende Leitfaden soll daher einen Beitrag leisten, erschpfende und praxisnahe Antworten auf technische, organisatorische, rechtliche und wirtschaftliche Fragen der landwirtschaftlichen Biogaserzeugung und -nutzung zu geben.

Dieser Leitfaden ist die berarbeitete Fortfhrung der Handreichung Biogasgewinnung und -nutzung, die seit dem Jahr 2004 von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) herausgegeben wird. Im Zuge einer grundlegenden Neu-ausrichtung der FNR-Fachpublikationen fr den Bereich Bioe-nergie wurde die Handreichung in Leitfaden Biogas Von der Gewinnung zur Nutzung umbenannt.

Die 5. Ausgabe des Leitfadens (2010) wurde gegenber der 3. berarbeiteten Auflage bzw. der 4. unvernderten Auf-lage der Handreichung (2006/2009) vollstndig aktualisiert, neu strukturiert und zum Teil strker detailliert. Besonders die technische Weiterentwicklung, Sicherheitsanforderungen und die gesetzlichen Neuregelungen mit dem EEG 2009 wurden in umfassendem Mae bercksichtigt.

Mit der vorliegenden Fassung (2013) wurden schwerpunkt-mig Aspekte des Umwelt- und Emissionsschutzes und die neuen gesetzlichen Anforderungen aus dem EEG 2012 sowie anderer genderter gesetzlich relevanter Vorschriften beleuch-tet. Ausgehend von den Bedingungen und Vorgaben des neu-en EEG sind im Kapitel 8 die konomie der Modellanlagen auf dieser Basis erstellt und das Thema kleine Glleanlagen wird ebenfalls erfasst. Aktuelle Zahlen und Abbildungen runden die berarbeitung ab.

Die FNR stellt dem Leser damit ein wertvolles Handbuch zur Verfgung, in dem ausgewhlte Autoren Informationen ber die Biogastechnologie, die Vorbereitung der Investition bis hin zum Nachschlagewerk fr den Anlagenbetrieb geben.

Weitere Informationen und Publikationen der FNR zum The-menbereich Biogas sind unter http://biogas.fnr.de erhltlich.

1.1 Aufgabenstellung

Die Steigerung der Energieerzeugung aus Biogas ist im Wesent-lichen auf die administrative Rahmensetzung (vor allem auf die im Erneuerbare-Energien-Gesetz festgelegten Vergtungsst-ze fr Strom aus regenerativen Energien) zurckzufhren. Auf Grund der anhaltend starken Nachfrage hat sich eine beacht-liche Zahl von Biogasanlagenherstellern und Komponentenan-bietern am Markt etabliert. Auf diese Weise ist Deutschland zum weltweit fhrenden Land hinsichtlich der Planung und Errich-tung von Biogasanlagen geworden. Trotz der inzwischen weit-reichenden Erfahrungen existieren weiterhin vier bedeutende Fragestellungen, deren Beantwortung die Aufgabe des vorlie-genden Leitfadens Biogas sein soll:

Trotz der klar sichtbaren Tendenz einer zuknftig weiter zu-nehmenden Biogaserzeugung fehlt in der Landwirtschaft und auf Seiten der Investoren und zuknftigen Betreiber oft noch das notwendige Know-how. Deshalb mssen Kenntnisse von der Landwirtschaft bis hin zur Energietechnik mit allen damit zusammenhngenden rechtlichen, kologischen, administra-tiven, organisatorischen und logistischen Aspekten vermittelt werden, um mglichst viele weitere Biogas-Projekte zum Erfolg zu fhren.

Die Marktentwicklung hat zu einer kaum berschaubaren Vielzahl technischer Lsungsvarianten und Einzellsungen ge-fhrt. Der Leitfaden bietet hier einen bewhrten frei von Firmen-interessen erarbeiteten und wissenschaftlich fundierten ber-blick darber, welche Technologien heute marktverfgbar und welche zukunftstrchtig sind.

9Ziele des Leitfadens

1Bei der Wahl der Substrate werden nach wie vor aus Unkennt-nis elementare biotechnologische Regeln verletzt. Deshalb muss gerade fr die Phase der Ideenfindung sowie fr die Betrieb-sphase Wissen bereitgestellt werden, um zu vermeiden, dass weiterhin Anlagen weitab vom Optimum betrieben werden.

Es bestehen gerade vor dem Hintergrund des in der jun-gen Vergangenheit stark vernderten Rechtsrahmens groe Unsicherheiten bei Fragen der Genehmigung von Biogasanla-gen. Hier muss ein berblick ber notwendige Schritte bei der Umsetzung eines Biogas-Projektes unter Bercksichtigung der uerst uneinheitlichen Praxis in den einzelnen Bundeslndern erarbeitet werden.

Die regenerative Energiebereitstellung aus Biogas kann in idealer Weise mit einem verbesserten Stoffstrommanagement kombiniert werden. Deshalb ist die Investition in eine Biogasan-lage hufig sinnvoll. Um hier eine fundierte Entscheidung treffen zu knnen, mssen die eigenen Vorstellungen mit den techni-schen und konomischen Mglichkeiten der Biogastechnologie methodisch richtig abgeglichen werden. Aus diesem Grund soll der Leitfaden Biogas mit den enthaltenden Informationen dazu beitragen, das energetische und wirtschaftliche Potenzial, das die Branche zweifelsohne noch immer hat, auszuschpfen.

1.2 Lsungsansatz

Der vorliegende Leitfaden soll bestehende Informationslcken schlieen und potenzielle Anlagenbetreiber und andere Betei-ligte durch die Planungsphasen eines Biogasprojektes bis hin zur Umsetzung begleiten.

Der Leitfaden soll den Leser MOTIVIEREN, die Gegebenhei-ten in seinem Umfeld zu berdenken und zu prfen, ob und auf welche Weise er in seinem Bereich einen Beitrag zur energeti-schen Nutzung von Biogas leisten kann.

Auch soll der Leitfaden INFORMIEREN. Potenzielle Betreiber und andere an der energetischen Nutzung von Biogas Interes-sierte sollen durch den Leitfaden alle notwendigen Informatio-nen aus einer Quelle beziehen knnen.

Der Leitfaden soll darber hinaus die entsprechenden Hilfs-mittel bereitstellen, eine Projektidee zu EVALUIEREN. Es soll das Handwerkszeug vermittelt werden, das zur kritischen Pr-fung vielversprechender Projektideen im Hinblick auf ihre Taug-lichkeit fr die wirtschaftliche Umsetzung notwendig ist.

Zustzlich soll der Leitfaden Anleitungen und Entschei-dungshilfen geben, eine Projektidee zur Energiebereitstellung aus Biogas erfolgreich zu REALISIEREN.

1.3 inhalt

Der Leitfaden Biogas bietet dem Leser einen berblick ber die komplexe Thematik der Biogasgewinnung und -nutzung. Er kann als Wegleitung und Checkliste fr alle notwendigen berlegungen und Handlungen zur Vorbereitung, Planung, Er-richtung und zum Betrieb einer Biogasanlage genutzt werden. Dabei werden nicht nur die technisch-planerischen Aspekte, sondern auch rechtliche, wirtschaftliche und organisatorische

Gesichtspunkte bercksichtigt. Dies wird in den einzelnen Ka-piteln des Leitfadens realisiert, deren Inhalte zunchst in dieser bersicht dargestellt werden.

Folgend aus den vier oben dargestellten Lsungsanstzen soll der Leitfaden vor allem in Bezug auf diese vier Themenkom-plexe Untersttzung anbieten: Motivation zum Engagement, Vermittlung von Basisinformationen, Evaluierung einer Projektidee und Umsetzung eines Projektes.In den Kapiteln 2 bis 6 und 10 werden die Grundlagen des Aufbaus und des Betriebs von Biogasanlagen erlutert sowie die Verwendung der Eingangssubstrate und der Reststoffe be-schrieben.

Die rechtlichen, administrativen und konomischen Rah-menbedingungen des Biogasanlagenbetriebs sowie wirtschaft-liche Analysen von Modellanlagen und die Betriebsorganisation finden sich in den Kapiteln 7 bis 9.

Die Umsetzung oder Realisierung einer Anlage wird in Ka-pitel 11 durch Planungsempfehlungen und Checklisten zum Anlagenbau, zum Anlagenbetrieb und zum Vertragsabschluss auf der Basis der Informationen der vorhergehenden Kapitel erleichtert.

Kapitel 12 soll dazu anregen, Ideen zu entwickeln und In-itiativen zu starten. Es werden aber auch Argumente fr die Biogasgewinnung und -nutzung geliefert, um die ffentlich-keitsarbeit zu untersttzen, die zur Verwirklichung einer Idee zur energetischen Nutzung organischer Substrate zur Biogasge-winnung notwendig ist.

Zur Veranschaulichung realisierter Biogasprojekte bei unter-schiedlichen Konfigurationen der Biogasgewinnung und -nut-zung werden in Kapitel 13 mehrere Beispiele vorgestellt.

1.4 Zielgruppen

Der Leitfaden richtet sich grundstzlich an alle Personen, die Interesse an der Biogasgewinnung und -nutzung haben und/oder von einem Biogasprojekt in irgendeiner Form betroffen sind. Der Leitfaden wendet sich damit in erster Linie an Perso-nen oder Einrichtungen, die ein Biogasprojekt umsetzen und realisieren.

Zur Zielgruppe der Personen, die ein Biogas-Projekt umset-zen wollen, zhlen zunchst Landwirte bzw. landwirtschaftliche Unternehmen sowie deren Partner. Als Substrat- und Energie-erzeuger knnen sie Interesse an der energetischen Biogas-gewinnung und -nutzung haben. Zudem stellen im landwirt-schaftlichen Betrieb die Grrckstnde ein im Wert gesteigertes Dngemittel dar. Auf Grund des groen Biomassepotenzials im landwirtschaftlichen Bereich steht die landwirtschaftliche Bio-gaserzeugung im Mittelpunkt der Betrachtungen des vorliegen-den Leitfadens.

Zu den weiteren potenziellen Biogas-Erzeugern zhlen an-dere Produzenten oder Verwerter organischer Reststoffe, wie beispielsweise Betriebe der lebensmittelverarbeitenden Indus-trie, Entsorgungsunternehmen oder Kommunen. Private und in-stitutionelle Investoren sowie in die Technologie investierende

10

Leitfaden Biogas Von der Gewinnung zur Nutzung

Energieversorger gehren ebenfalls zur Zielgruppe der poten-ziellen Realisierer. So existieren z. B. Beteiligungsgesellschaf-ten, die speziell in Biogasprojekte investieren.

Die zweite Zielgruppe sind Personen, die in irgendeiner Form an einem Biogasprojekt beteiligt sind, sei es als Behrdenmitar-beiter, Bankangestellter, Angestellte eines Strom- oder Gasnetz-betreibers, landwirtschaftlicher Berater oder Planer, aber auch als Anlagen- und Komponentenbauer. Darber hinaus sind aber auch alle Personen, die mittelbar oder unmittelbar von der Um-setzung eines Biogasprojektes betroffen sind, angesprochen. Der Leitfaden soll hier Informationsdefizite beseitigen und zum besseren Verstndnis fr die gegenseitigen Belange beitragen.

hnliches gilt auch fr regionale und berregionale Ver-bnde und Organisationen, die im Bereich der regenerativen Energien aktiv und unter Umstnden beratend ttig sind. Fr sie ist der Leitfaden eine wesentliche Informationsquelle fr ihre Beratungsaufgaben im Bereich der Nutzung von Biomasse zur Biogasgewinnung.

Der Leitfaden ist ebenfalls als Motivation und Hilfe fr Ent-scheidungstrger gedacht, die sich auf Grund ihrer Position in der Lage befinden, Biogasprojekte zu initiieren und/oder anzu-schieben. Potenziellen Frdergeldgebern und Energieagenturen wird der Leitfaden in ihrer Multiplikatoren-Funktion hilfreich sein.

1.5 Abgrenzung

Bei dem vorliegenden Leitfaden mssen, wie nachfolgend be-schrieben, sowohl hinsichtlich der Technik und der betrachteten Substrate als auch im Hinblick auf den Datenumfang und die Aktualitt Abgrenzungen vorgenommen werden.

1.5.1 technikDer Leitfaden konzentriert sich ausschlielich auf die Verwer-tung von Biomasse zur Gewinnung und Nutzung von Biogas. Dabei liegt der Schwerpunkt auf Anlagen im landwirtschaftli-chen Sektor sowie im Bereich der Verwertung von Reststoffen aus der Verarbeitung landwirtschaftlicher Produkte. Insbeson-dere Fragen der Verwertung beispielsweise von kommunalen Abfllen und Klrschlmmen werden nicht aufgegriffen. Ferner werden schwerpunktmig Biogastechnologien in die Betrach-tungen einbezogen, die eine gewisse Bewhrung im Markt er-fahren haben und mehrfach kommerziell in Deutschland umge-setzt wurden.

Hinsichtlich der Gasverwertung wird der Schwerpunkt auf die kombinierte Erzeugung von Wrme und Strom mittels Kraft-Wr-me-Kopplung gelegt. Fragen der Biogas-Aufbereitung auf Erd-gasqualitt und dessen Einspeisung in das Erdgasnetz werden grundstzlich diskutiert, detaillierte Analysen und Bewertungen werden jedoch in anderen Publikationen der Fachagentur Nach-wachsende Rohstoffe e. V. dargestellt, so dass auf derartige Werke entsprechend verwiesen wird.

Die ber die motorische Kraft-Wrme-Kopplung hinausge-henden Technologien zur Nutzung von Biogas (z. B. Mikrogas-turbine, Brennstoffzelle, lokale Treibstoffbereitstellung) werden nur soweit diskutiert, als wissenschaftlich abgesicherte Infor-mationen vorliegen, die eine absehbare konomisch sinnvolle Einsatzfhigkeit zeigen. Der Leitfaden konzentriert sich damit

auf die Biogaserzeugung in marktgngigen Verfahren und die motorische Verbrennung des Biogases zur Elektroenergiepro-duktion mit marktgngiger Technik.

1.5.2 substrateIm Leitfaden werden die derzeit mit bedeutenden Anteilen in der Biogaswirtschaft eingesetzten Substrate unabhngig von ihrer Herkunft (Landwirtschaft, Landschaftspflege, Kommune, Industrie) bercksichtigt. Schwerpunktmig wird aber auf die landwirtschaftlichen Substrate sowie die Substrate aus der Le-bensmittel verarbeitenden Industrie eingegangen. Eine Orien-tierung fr die Auswahl bieten die Einsatzstoffvergtungsklas-sen gem Biomasseverordnung 2012 (s. a. Kapitel 7).

1.5.3 aktualittDie Basisarbeiten und Datenerhebungen fr den Leitfaden Bio-gasgewinnung und -nutzung wurden in den Jahren 2008 und 2009 durchgefhrt. Aus diesem Grund gibt sie das aktuelle Wis-sen in Deutschland Mitte 2009 wieder. Dies bezieht sich dabei eher auf den Stand der Technik als auf die letzten Erkenntnisse der Wissenschaft.

Die Neufassungen in den Kapiteln 3, 7 bis 9 und 13 sowie alle aktualisierten Daten und Abbildungen basieren auf Erhe-bungen in den Jahren 2012 und 2013. Dieses trifft insbesonde-re auf die rechtlichen Rahmenbedingungen und die Wirtschaft-lichkeitsberechnungen der Modellanlagen zu. Soweit nicht explizit anders vermerkt, bezieht sich daher jede Aussage zum EEG auf die seit 1. Januar 2012 gltige Fassung.

1.5.4 datenumfangAuch hinsichtlich des Datenumfangs erfolgt eine Abgrenzung. Der hier vorliegende Leitfaden enthlt einerseits die Daten und Fakten, die zum Verstndnis der entsprechenden Informatio-nen und Vorgehensweisen notwendig sind, und andererseits diejenigen, die fr die Durchfhrung erster Abschtzungen und Berechnungen erforderlich sind. Auf die Einbeziehung darber hinaus gehenden Zahlenmaterials wurde zu Gunsten hherer Transparenz und bersichtlichkeit verzichtet.

Der vorliegende Leitfaden enthlt die aus den sorgfltigen Recherchen und vielfltigen Fachgesprchen resultierenden Ergebnisse. Dabei kann kein Anspruch auf die absolute Voll-stndigkeit und Richtigkeit der Daten erhoben werden, wobei das Ziel der umfassenden und weitestgehend erschpfenden Darstellung aller relevanten Teilbereiche der Biogasgewinnung und -nutzung erreicht scheint.

11

2 grundLagen der anaeroBen fermentation

2.1 entstehung von Biogas

Wie schon der Name besagt, entsteht Bio-Gas in einem bio-logischen Prozess. Unter Ausschluss von Sauerstoff (bez. als anaerob) wird dabei aus organischer Masse ein Gasgemisch gebildet, das sogenannte Biogas. Dieser in der Natur weit verbreitete Prozess findet beispielsweise in Mooren, auf dem Grund von Seen, in Gllegruben sowie im Pansen von Wieder-kuern statt. Dabei wird durch eine Reihe von Mikroorganismen die organische Masse fast vollstndig zu Biogas umgewandelt. Zustzlich entstehen gewisse Mengen an Energie (Wrme) und neuer Biomasse.

Das gebildete Gasgemisch besteht berwiegend aus Met-han (50-75 Vol.-%) und Kohlendioxid (25-50 Vol.-%). Daneben befinden sich im Biogas noch geringe Mengen an Wasserstoff, Schwefelwasserstoff, Ammoniak und anderen Spurengasen. Die Zusammensetzung wird im Wesentlichen von den eingesetzten Substraten, dem Fermentationsverfahren und verschiedenen technischen Ausfhrungen beeinflusst [2-1], [2-2], [2-3], [2-4]. Der Entstehungsprozess des Biogases lsst sich in mehrere Teil-schritte unterteilen (siehe Abb. 2.1). Dabei mssen die einzel-nen Abbauschritte optimal aufeinander eingespielt sein, damit der Gesamtprozess reibungslos abluft.

Im ersten Schritt, der Hydrolyse, werden die komplexen Verbindungen des Ausgangsmaterials (z. B. Kohlenhydrate, Ei-weie, Fette) in einfachere, organische Verbindungen (z. B. Ami-nosuren, Zucker, Fettsuren) gespalten. Die daran beteiligten hydrolytischen Bakterien setzen hierzu Enzyme frei, die das Ma-terial auf biochemischem Weg zersetzen.

Die gebildeten Zwischenprodukte werden dann in der soge-nannten Versuerungsphase (Acidogenese) durch fermen-tative (surebildende) Bakterien weiter zu niederen Fettsuren (Essig-, Propion- und Buttersure) sowie Kohlendioxid und Was-serstoff abgebaut. Daneben werden aber auch geringe Mengen an Milchsure und Alkohole gebildet. Die Art der in dieser Stufe

Ausgangsmaterial(Eiweie, Kohlenhydrate, Fette)

Einfache organische Bausteine(Aminosuren, Fettsuren, Zucker)

Niedere Fettsuren(Propionsure, Buttersure)

Weitere Produkte(Milchsure, Alkohole usw.)

BiogasCH4 + CO2

Essigsurebildung

Surebildung

Methanbildung

Essigsure H2 + CO2

Abb. 2.1: Schematische Darstellung des anaeroben Abbaus

gebildeten Produkte wird von der Konzentration des intermedi-r gebildeten Wasserstoffs beeinflusst.

In der Acetogenese, der Essigsurebildung, werden die-se Produkte anschlieend durch acetogene Bakterien zu Vor-

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Leitfaden Biogas Von der Gewinnung zur Nutzung

lufersubstanzen des Biogases (Essigsure, Wasserstoff und Kohlendioxid) umgesetzt. In diesem Zusammenhang ist der Wasserstoffpartialdruck von groer Bedeutung. Ein zu hoher Wasserstoffgehalt verhindert aus energetischen Grnden die Umsetzung der Zwischenprodukte der Acidogenese. Als Folge reichern sich organische Suren, z. B. Propionsure, iso-Butter-sure, iso-Valeriansure und Capronsure, an und hemmen die Methanbildung. Die acetogenen Bakterien (Wasserstoffbildner) mssen aus diesem Grund in einer engen Lebensgemeinschaft mit den Wasserstoff verbrauchenden methanogenen Archaeen stehen, welche Wasserstoff zusammen mit Kohlendioxid bei der Bildung von Methan verbrauchen (Interspecies-Wasser-stoff-Transfer) und somit fr akzeptable Milieubedingungen der essigsurebildenden Bakterien sorgen [2-5].

In der anschlieenden Methanogenese, dem letzten Schritt der Biogasbildung, werden vor allem Essigsure sowie Wasserstoff und Kohlendioxid von strikt anaeroben methanoge-nen Archaeen zu Methan umgewandelt. Die hydrogenotrophen Methanogenen produzieren aus Wasserstoff und Kohlendioxid das Methan, wohingegen die acetoclastischen Methanbildner durch Essigsurespaltung Methan bilden. Unter den in land-wirtschaftlichen Biogasanlagen vorherrschenden Bedingungen erfolgt die Methanbildung bei hheren Raumbelastungen vor-wiegend ber den Wasserstoff verwertenden Reaktionsweg und nur bei relativ geringer Raumbelastung ber den Essigsure spaltenden Reaktionsweg [2-7], [2-8]. Die aus der Klrschlamm-vergrung gewonnene Erkenntnis, dass Methan zu 70 % aus der Essigsurespaltung und nur zu 30 % aus der Wasserstoff-verwertung stammt, gilt bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen allenfalls fr Hochlastfermenter mit sehr kurzen Verweilzeiten [2-7], [2-9].

Grundstzlich finden die vier Phasen des anaeroben Abbaus in einem einstufigen Prozess zeitlich parallel statt. Die Bakterien der einzelnen Abbauschritte stellen aber unterschiedliche An-forderungen an ihren Lebensraum (z. B. pH-Wert, Temperatur), daher muss hier prozesstechnisch ein Kompromiss gefunden werden. Da die methanogenen Mikroorganismen aufgrund der geringen Wachstumsgeschwindigkeit das schwchste Glied der Bioznose sind und am empfindlichsten auf Strungen reagie-ren, mssen die Milieubedingungen an die Anforderungen der Methanbildner angepasst werden. Der Versuch, die Hydrolyse und Surebildung von der Methanbildung durch zwei getrennte Prozessstufen rumlich zu trennen (zweiphasige Prozessfh-rung) gelingt in der Praxis jedoch nur bedingt, da es trotz eines niedrigen pH-Werts in der Hydrolysestufe (pH < 6,5) dennoch teilweise zur Bildung von Methan kommt. Das gebildete Hy-drolysegas enthlt neben Kohlendioxid und Wasserstoff daher auch Methan, weshalb das Hydrolysegas einer Verwertung oder Behandlung zugefhrt werden muss, um negative Umweltaus-wirkungen und Sicherheitsrisiken zu vermeiden [2-10].

Je nach Konstruktion und Betriebsweise der Biogasanlage sowie der Beschaffenheit und Konzentration der als Substrat eingesetzten Frischmasse knnen sich bei mehrstufigen Pro-zessen unterschiedliche Milieubedingungen in den einzelnen Fermenterstufen einstellen. Die Umgebungsbedingungen wie-derum beeinflussen die Zusammensetzung und Aktivitt der mikrobiellen Bioznose und haben damit unmittelbar Einfluss auf die gebildeten Stoffwechselprodukte.

2.2 Milieubedingungen

Bei der Beschreibung der Milieubedingungen muss zwischen Nassfermentation und Feststofffermentation (auch als Trocken-fermentation bezeichnet) unterschieden werden, da sich insbe-sondere im Hinblick auf den Wassergehalt, Nhrstoffgehalt und Stofftransport Unterschiede zwischen den beiden Verfahren er-geben. Auf Grund der dominierenden Anwendung in der Praxis wird im Folgenden nur auf die Nassfermentation eingegangen.

2.2.1 sauerstoffMethanogene Archaeen gehren zu den ltesten Lebewesen auf unserer Erde und entstanden vor etwa drei bis vier Milliar-den Jahren, lange bevor sich die Atmosphre, wie wir sie ken-nen, gebildet hatte. Aus diesem Grund sind diese Mikroorganis-men auch heute noch auf eine Lebensumgebung angewiesen, in der kein Sauerstoff vorkommt. Die meisten Arten werden schon durch geringe Sauerstoffmengen abgettet. In der Regel lsst sich jedoch ein Sauerstoffeintrag in den Fermenter nicht vollkommen vermeiden. Der Grund, dass die methanogenen Archaeen nicht sofort in ihrer Aktivitt gehemmt werden oder sogar ganz absterben liegt darin, dass sie in Gemeinschaft mit sauerstoffverbrauchenden Bakterien aus den vorhergehenden Abbauschritten leben [2-1], [2-2]. Einige von ihnen sind soge-nannte fakultativ anaerobe Bakterien. Diese knnen sowohl unter Sauerstoffeinfluss als auch vollkommen ohne Sauerstoff berleben. Solange der Sauerstoffeintrag nicht zu gro ist, ver-brauchen sie den Sauerstoff, bevor er die methanogenen Archa-een schdigt, die auf eine sauerstofffreie Umgebung zwingend angewiesen sind. Auch der zur biologischen Entschwefelung in den Gasraum des Fermenters eingetragene Luftsauerstoff hat daher in der Regel keinen negativen Einfluss auf die Methan-bildung [2-6].

2.2.2 temperaturGrundstzlich gilt, dass chemische Reaktionen umso schneller ablaufen, je hher die Umgebungstemperatur ist. Dies lsst sich aber nur bedingt auf biologische Abbau- und Umsetzungspro-zesse anwenden. Es muss hier bedacht werden, dass fr die an den Stoffwechselprozessen beteiligten Mikroorganismen unter-schiedliche Temperaturoptima existieren [2-1]. Werden diese optimalen Temperaturbereiche unter- bzw. berschritten, kann dies zu einer Hemmung und im Extremfall zur unwiderruflichen Schdigung der beteiligten Mikroorganismen fhren.

Die am Abbau beteiligten Mikroorganismen lassen sich auf Grund ihrer Temperaturoptima in drei Gruppen einteilen. Es wird hier zwischen psychrophilen, mesophilen und thermophi-len Mikroorganismen unterschieden [2-12]: Psychrophile Mikroorganismen haben ihr Optimum bei Tem-

peraturen unterhalb von 25 C. Bei solchen Temperaturen entfllt das Aufheizen der Substrate bzw. des Fermenters, jedoch sind Abbauleistung und Gasproduktion nur gering. Ein wirtschaftlicher Betrieb von Biogasanlagen ist daher in der Regel nicht mglich.

Der grte Teil der bekannten Methanbildner hat sein Wachstumsoptimum im mesophilen Temperaturbereich zwi-schen 37 und 42 C. Anlagen, die im mesophilen Bereich arbeiten, sind in der Praxis am weitesten verbreitet, da in

13

Grundlagen der anaeroben Fermentation

2

diesem Temperaturbereich relativ hohe Gasausbeuten so-wie eine gute Prozessstabilitt erreicht werden [2-6].

Sollen durch Hygienisierung des Substrates gesundheits-schdliche Keime abgettet werden oder werden als Sub-strate Nebenprodukte oder Abfallstoffe verwendet, die mit hoher Eigentemperatur anfallen (z. B. Prozesswasser), bieten sich thermophile Kulturen fr die Vergrung an. Diese haben ihr Optimum im Temperaturbereich zwischen 50 und 60 C. Es wird hier durch die hohe Prozesstemperatur eine hhe-re Abbaugeschwindigkeit sowie eine geringere Viskositt erreicht. Jedoch ist zu bedenken, dass auch mehr Energie fr das Aufheizen des Grprozesses bentigt werden kann. Auch ist der Grprozess in diesem Temperaturbereich emp-findlicher gegenber Strungen, Unregelmigkeiten in der Substratzufuhr oder der Betriebsweise des Fermenters, da unter thermophilen Bedingungen weniger verschiedene Ar-ten von methanogenen Mikroorganismen vorliegen [2-6].

Die Praxis hat in diesem Zusammenhang gezeigt, dass die ber-gnge zwischen den Temperaturbereichen flieend sind und in erster Linie schnelle Temperaturnderungen zu Schdigungen der Mikroorganismen fhren, wohingegen sich die methano-genen Mikroorganismen bei langsamer Temperaturnderung an unterschiedliche Temperaturniveaus anpassen knnen. Fr einen stabilen Prozessverlauf ist daher weniger die absolute

Temperatur, sondern vielmehr die Konstanz in einem Tempera-turniveau entscheidend.

In diesem Zusammenhang ist der in der Praxis vielfach be-obachtete Effekt der Selbsterwrmung zu nennen. Dieser Effekt tritt beim Einsatz von berwiegend kohlenhydrathaltigen Sub-straten in Verbindung mit dem Verzicht auf flssige Inputstof-fe und gut isolierte Behlter auf. Die Selbsterwrmung ist auf die Wrmeproduktion einzelner Mikroorganismengruppen beim Kohlenhydratabbau zurckzufhren. Diese kann zur Fol-ge haben, dass bei ursprnglich mesophiler Betriebsweise die Temperatur bis in den Bereich von 43-48 C ansteigt. Bei einer intensiven analytischen Begleitung und damit verbundenen Prozessregulation kann der Temperaturwechsel mit kurzfristi-gen, geringen Einschnitten in der Gasproduktion vollzogen wer-den [2-11]. Sofern jedoch erforderliche Eingriffe in den Prozess (z. B. Reduktion der Inputmengen) unterbleiben, knnen sich die Mikroorganismen nicht an den Temperaturwechsel adaptie-ren und es kommt im schlimmsten Fall zum vollstndigen Erlie-gen der Gasproduktion.

2.2.3 ph-WertFr den pH-Wert gelten hnliche Zusammenhnge wie fr die Temperatur. Die an den verschiedenen Abbauschritten beteilig-ten Mikroorganismen bentigen unterschiedliche pH-Werte bei denen sie optimal wachsen knnen. So liegt das pH-Optimum der hydrolysierenden und surebildenden Bakterien bei pH 5,2 bis 6,3 [2-6]. Sie sind aber nicht zwingend darauf angewiesen und knnen auch bei geringfgig hheren pH-Werten noch Substrate umsetzen. Lediglich ihre Aktivitt wird dadurch ge-ring vermindert. Dagegen bentigen die Essigsure bildenden Bakterien und die methanogenen Archaeen unbedingt einen pH-Wert im neutralen Bereich bei 6,5 bis 8 [2-8]. Findet der Gr-prozess in nur einem Fermenter statt, muss demzufolge dieser pH-Bereich eingehalten werden.

Unabhngig davon, ob der Prozess ein- oder mehrstufig ist, stellt sich der pH-Wert innerhalb des Systems automatisch durch die alkalischen und sauren Stoffwechselprodukte ein, die whrend des anaeroben Abbaus gebildet werden [2-1]. Wie empfindlich jedoch dieses Gleichgewicht ist, zeigt folgende Ket-tenreaktion.

Wird dem Prozess z. B. in zu kurzer Zeit zuviel organische Masse zugefhrt oder ist die Methanbildung aus einem anderen Grund gehemmt, so reichern sich die sauren Stoffwechselpro-dukte der Acidogenese an. Im Normalfall stellt sich der pH-Wert durch den Carbonat- und Ammoniakpuffer im neutralen Bereich ein. Ist die Pufferkapazitt des Systems erschpft, d. h. es haben sich zu viele organische Suren angereichert, sinkt der pH-Wert. Dadurch erhht sich wiederum die Hemmwirkung von Schwe-felwasserstoff und Propionsure, so dass es in krzester Zeit zum Umkippen des Fermenters kommen kann. Andererseits kann der pH-Wert steigen, wenn durch den Abbau organischer Stickstoffverbindungen Ammoniak freigesetzt wird, das mit Wasser zu Ammonium reagiert. Dadurch erhht sich die Hemm-wirkung von Ammoniak. Im Hinblick auf die Prozesskontrolle ist jedoch zu beachten, dass der pH-Wert aufgrund seiner Trgheit nur bedingt fr die Anlagensteuerung verwendet werden kann, jedoch aufgrund seiner hohen Bedeutung stets gemessen wer-den sollte.

nAssferMentAtion und trockenferMentAtion

Eine strikte Unterteilung der Verfahren in Nass- und Fest-stofffermentation ist aus biologischer Sicht irrefhrend, da die am Vergrungsprozess beteiligten Mikroorganismen in jedem Fall ein flssiges Medium fr ihr Wachstum und berleben bentigen.

Auch bei der Definition ber den Trockenmassegehalt der zu vergrenden Frischmasse kommt es immer wieder zu Missverstndnissen, da hufig mehrere Substrate mit unterschiedlichen Trockenmassegehalten eingesetzt wer-den. Hier muss dem Betreiber klar sein, dass nicht der Trockenmassegehalt der Einzelsubstrate magebend fr die Einteilung des Verfahrens ist, sondern der Trockenmas-segehalt des in den Fermenter eingebrachten Substratge-misches.

Deswegen erfolgt hier die Einteilung in Nass- oder Fest-stofffermentation ber den Trockenmassegehalt des Fer-menterinhalts. Dabei sei noch einmal darauf hingewiesen, dass die Mikroorganismen in ihrer unmittelbaren Umge-bung in beiden Fllen ausreichend Wasser bentigen.

Zwar gibt es keine genaue Definition der Grenze zwi-schen Nass- und Feststofffermentation, jedoch hat es sich in der Praxis eingebrgert, dass man bei Einsatz von Energiepflanzen bis zu einem Trockenmassegehalt im Fer-menter von ca. 12 % von Nassfermentation spricht, da der Fermenterinhalt bei diesem Wassergehalt in der Regel noch pumpfhig ist. Steigt der Trockenmassegehalt im Fer-menter auf Werte von ber 15-16 % an, so ist das Material meist nicht mehr pumpfhig und man bezeichnet den Pro-zess als Feststofffermentation.

14

Leitfaden Biogas Von der Gewinnung zur Nutzung

2.2.4 nhrstoffversorgungDie Mikroorganismen des anaeroben Abbaus haben einen artspezifischen Bedarf an Makro- und Mikronhrstoffen sowie Vitaminen. Die Konzentration und Verfgbarkeit dieser Kom-ponenten beeinflusst Wachstumsgeschwindigkeit und Aktivitt der verschiedenen Populationen. Es existieren artspezifische Mindest- und Maximalkonzentration, deren Festlegung auf-grund der Vielfalt unterschiedlicher Kulturen und deren z. T. stark ausgeprgter Adaptionsfhigkeit schwierig ist. Um mglichst viel Methan aus den eingesetzten Substraten zu gewinnen, muss eine optimale Nhrstoffversorgung der Mikroorganismen gewhrleistet sein. Wie viel Methan sich letztendlich aus den eingesetzten Substraten gewinnen lsst, wird durch dessen An-teile an Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten bestimmt. Diese Faktoren beeinflussen gleichermaen den spezifischen Bedarf an Nhrstoffen [2-17].

Fr einen stabilen Prozessverlauf ist ein ausgewogenes Verhltnis an Makro- und Mikronhrstoffen erforderlich. Nach Kohlenstoff ist Stickstoff der am meisten bentigte Nhrstoff. Er wird fr die Bildung von Enzymen bentigt, die den Stoffwech-sel durchfhren. Daher ist das C/N-Verhltnis der eingesetzten Substrate wichtig. Ist dieses Verhltnis zu hoch (viel C und wenig N), kann durch einen unzureichenden Stoffwechsel der vorhan-dene Kohlenstoff nicht vollstndig umgesetzt werden, so dass die maximal mgliche Methanausbeute nicht erreicht wird. Im umgekehrten Fall kann es durch Stickstoffberschuss zur ber-migen Bildung von Ammoniak (NH3) kommen, der schon in geringen Konzentrationen die Bakterien in ihrem Wachstum hemmt und sogar zum vlligen Zusammenbruch der gesamten Mikroorganismenpopulation fhren kann [2-2]. Fr einen unge-strten Prozessablauf muss das C/N-Verhltnis deswegen im Bereich 10 bis 30 liegen.

Neben Kohlenstoff und Stickstoff sind Phosphor und Schwe-fel ebenfalls essentielle Nhrstoffe. Schwefel ist Bestandteil der Aminosuren und Phosphorverbindungen sind fr die Bil-dung der Energietrger ATP (Adenosintriphosphat) und NADP (Nicotinamid-Adenin-Dinucleotidphosphat) notwendig. Um die Mikroorganismen ausreichend mit Nhrstoffen zu versor-gen, sollte das C:N:P:S-Verhltnis im Reaktor bei 600:15:5:3 liegen [2-13].

Neben den Makronhrstoffen ist eine ausreichende Ver-fgbarkeit einzelner Spurenelemente fr die Mikroorganismen lebensnotwendig. Bei den meisten landwirtschaftlichen Bio-gasanlagen wird der Bedarf an Mikronhrstoffen in der Regel gedeckt, insbesondere beim Einsatz tierischer Exkremente. Vor allem bei der Monovergrung von Energiepflanzen kommt es jedoch sehr hufig zu einem Mangel an Spurenelementen. Methanogene Archaeen bentigen die Elemente Kobalt (Co), Nickel (Ni), Molybdn (Mo) und Selen (Se) sowie teilweise auch Wolfram (W). Ni, Co und Mo dienen in Co-Faktoren fr essenti-elle Reaktionen im Stoffwechsel [2-14], [2-15]. Fernerhin sind Magnesium (Mg), Eisen (Fe) und Mangan (Mn) wichtige Mik-ronhrstoffe, die fr den Elektronentransport und die Funktion bestimmter Enzyme erforderlich sind.

Daher ist die Konzentration der Spurenelemente im Reaktor eine entscheidende Bezugsgre. Vergleicht man in diesem Zusammenhang verschiedene Literaturquellen miteinander, so ist vor allem die sehr groe Schwankungsbreite (z. T. bis Fak-

Spuren-element

Konzentrationsbereich [mg/l]nach

[2-17]nach

[2-18]nach

[2-15]anach

[2-16]b

Co 0,0030,06 0,00310 0,06 0,12

Ni 0,0050,5 0,00515 0,006 0,015

Se 0,08 0,080,2 0,008 0,018

Mo 0,0050,05 0,0050,2 0,05 0,15

Mn k. A. 0,00550 0,00550 k. A.

Fe 110 0,110 110 k. A.

TAB. 2.1: GNSTIGE SPURENELEMENTKONZENTRATIONEN VERScHIEDENER LITERATURqUELLEN

a Absolute Minimalkonzentration bei Biogasanlagenb Empfohlene optimale Konzentration

tor100) der als essentiell angesehenen Spurenelementkonzen-trationen auffallend

Die in Tabelle 2.1 aufgezeigten Konzentrationsbereiche sind fr landwirtschaftliche Biogasanlagen nur bedingt anwendbar, da die aus den genannten Quellen zitierten Untersuchungen teilweise im Abwasserbereich bei unterschiedlichen Ausgangs-bedingungen und Untersuchungsmethoden erfolgten. Dar-ber hinaus sind die Spannbreiten extrem hoch und es liegen kaum Angaben zu den vorgelegenen Prozessbedingungen (z. B. Raumbelastung, Verweilzeit, etc.) vor. Die Spurenelemente knnen im Reaktor schwer lsliche Verbindungen mit freiem Phosphat, Sulfid und Carbonat eingehen und sind somit fr die Mikroorganismen nicht mehr verfgbar. Mit der Analyse der Spurenelementkonzentrationen im Grgut knnen daher keine sicheren Aussagen zur Verfgbarkeit der Spurenelemente ge-troffen werden. Es wird ausschlielich die Gesamtkonzentrati-on bestimmt. Aus diesem Grund mssen dem Prozess grere Mengen an Spurenelementen zugefhrt werden, als allein fr den Ausgleich einer Mangelkonzentration bentigt wrden. Bei einer Bedarfsermittlung muss stets die Spurenelementkonzen-trationen aller Substrate bercksichtigt werden. Aus Analysen von Spurenelementgehalten verschiedener Futtermittel ist be-kannt, dass erhebliche Schwankungsbreiten vorliegen knnen. Dieses macht eine optimierte Dosierung von Spurenelementen bei Mangelsituationen uerst schwierig.

Dennoch sollte vor einer Zudosierung von Spurenelementen zuerst der Gehalt der Mikronhrstoffe des Fermenterinhalts be-stimmt werden, um eine berdosierung von Spurenelementen zu vermeiden. Diese kann dazu fhren, dass die Schwermetall-konzentration im Grrckstand den zulssigen Grenzwert fr die landwirtschaftliche Verwertung bersteigt, so dass der Gr-rckstand nicht als organischer Dnger verwertet werden kann.

2.2.5 hemmstoffeIst die Gasproduktion bzw. der Prozessablauf gehemmt, kann das unterschiedliche Grnde haben. Dies knnen zum Einen be-triebstechnische Grnde sein (vgl. Kapitel 5.4 Strungsmanage-ment). Zum Anderen knnen Hemmstoffe den Prozessfortschritt verzgern. Dieses sind Stoffe, die unter Umstnden schon in geringen Mengen die Abbauleistung vermindern bzw. bei toxi-scher Konzentration den Abbauprozess zum Erliegen bringen. Unterschieden werden muss zwischen Hemmstoffen, die durch

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Grundlagen der anaeroben Fermentation

2

die Substratzugabe in den Fermenter gelangen, und solchen, die als Zwischenprodukte aus den einzelnen Abbauschritten hervorgehen.

Bei der Ftterung eines Fermenters muss beachtet werden, dass auch eine bermige Substratzugabe den Grprozess hemmen kann, da sich grundstzlich jeder Inhaltsstoff eines Substrates in zu hohen Konzentrationen schdlich auf die Bak-terien auswirken kann. Dies gilt besonders fr Substanzen wie Antibiotika, Desinfektions- oder Lsungsmittel, Herbizide, Salze oder Schwermetalle, die schon in geringen Mengen den Abbau-prozess hemmen knnen. Der Eintrag von Antibiotika stammt in der Regel aus der Zugabe von Wirtschaftsdnger oder tierischen Fetten, wobei die hemmende Wirkung einzelner Antibiotika sehr unterschiedlich ist. Aber auch essentielle Spurenelemente kn-nen in zu hohen Konzentrationen toxisch fr die Mikroorganis-men sein. Da sich die Mikroorganismen bis zu einem gewissen Mae an solche Stoffe anpassen knnen, ist die Konzentration, ab der ein Stoff schdigt, nur schwer zu bestimmen [2-2]. Auch existieren fr einige Hemmstoffe Wechselwirkungen mit ande-ren Substanzen. So wirken Schwermetalle nur dann schdigend auf den Grprozess, wenn sie in gelster Form vorliegen. Sie werden aber durch Schwefelwasserstoff, der ebenfalls im Gr-prozess gebildet wird, gebunden und als schwerlsliche Sulfide ausgefllt. Da bei der Methangrung H2S praktisch immer ent-steht, ist eine Prozessstrung durch Schwermetalle in der Regel nicht zu erwarten [2-2]. Dies gilt nicht fr Kupferverbindungen, die aufgrund ihrer antibakteriellen Wirkung bereits in sehr ge-ringer Konzentration (40-50 mg/l) toxisch sind und in landwirt-schaftlichen Betrieben, z. B. ber die Klauendesinfektion, in den Wirtschaftskreislauf gelangen knnen.

Whrend des Grprozesses wird eine Reihe von Stoffen ge-bildet, die den Prozess hemmen knnen. Dabei muss in diesem Zusammenhang nochmals auf die hohe Adaptionsfhigkeit der Bakterien hingewiesen werden, da man nicht von allgemein-gltigen absoluten Grenzen ausgehen kann. Insbesondere das nichtionische, freie Ammoniak (NH3) wirkt schon in geringen Konzentrationen schdigend auf die Bakterien, welches mit der Ammoniumkonzentration (NH4+) im Gleichgewicht steht (Am-moniak reagiert hierbei mit Wasser zu Ammonium und einem OH--Ion und umgekehrt). Das bedeutet, dass sich bei einem

zunehmend basischen pH-Wert, also bei zunehmender OH--Io-nen-Konzentration, das Gleichgewicht verschiebt und die Am-moniakkonzentration zunimmt. Beispielsweise fhrt ein Anstieg des pH-Werts von 6,5 auf 8,0 zu einer Zunahme der Konzen-tration an freiem Ammoniak auf das 30-fache. Auch bei Tem-peraturanstieg im Fermenter kommt es zu einer Verschiebung des Gleichgewichts in Richtung des hemmenden Ammoniaks. Fr ein nicht an hohe Stickstoffkonzentrationen angepasstes Vergrungssystem liegt die Hemmschwelle im Bereich von 80250 mg/l NH3 [2-2]. Abhngig von pH-Wert und Grtemperatur entspricht dies einer Ammoniumkonzentration von 1,74 g/l. Erfahrungsgem muss bei einer Gesamtkonzentration an Am-moniumstickstoff von 3.0003.500 mg/l mit einer Stickstoff-hemmung des Biogasprozesses gerechnet werden [2-17].

Ein weiteres Produkt des Grprozesses ist Schwefelwasser-stoff (H2S), welcher in nicht dissoziierter, gelster Form als Zell-gift schon in Konzentrationen von ca. 50 mg/l den Abbaupro-zess hemmen kann. Mit sinkendem pH-Wert steigt der Anteil an freiem H2S, wodurch die Gefahr einer Hemmung zunimmt. Eine Mglichkeit den Gehalt an H2S zu vermindern besteht in der Fl-lung mittels Eisen-Ionen als Sulfide. H2S reagiert auch mit wei-teren Schwermetallen und wird unter Bildung von Sulfidionen (S2-) gebunden und ausgefllt [2-2]. Schwefel ist, wie bereits er-whnt, allerdings auch ein wichtiger Makronhrstoff, der fr die Bildung von Enzymen in ausreichender Konzentration verfgbar sein muss, so dass eine zu weitgehende Ausfllung als Sulfid wiederum eine Hemmung der Methanogenese auslsen kann.

Die Hemmwirkung einzelner Stoffe hngt folglich von meh-reren Faktoren ab und die Festlegung auf feste Grenzwerte ist nur schwer durchzufhren. Eine Auflistung einiger Hemmstoffe zeigt Tabelle 2.2.

2.3 Betriebsparameter

2.3.1 raumbelastung und VerweilzeitBeim Bau von Biogasanlagen stehen meist konomische ber-legungen im Vordergrund. So wird bei der Wahl der Fermen-tergre nicht unbedingt die maximale Gasausbeute bzw. der vollstndige Abbau der im Substrat enthaltenen organischen

Hemmstoff Hemmkonzentration Anmerkung

Sauerstoff > 0,1 mg/l Hemmung der obligat anaeroben methanogenen Archaeen

Schwefelwasserstoff > 50 mg/l H2S Hemmwirkung steigt mit sinkendem pH-Wert

Flchtige Fettsuren > 2.000 mg/l HAc (pH = 7,0) Hemmwirkung steigt mit sinkendem pH-Wert, hohe Adaptionsfhigkeit der Bakterien

Ammoniumstickstoff > 3.500 mg/l NH4+

(pH = 7,0)Hemmwirkung steigt mit steigendem pH-Wert und steigender Temperatur, hohe Adaptionsfhigkeit der Bakterien

SchwermetalleCu > 50 mg/l

Zn > 150 mg/lCr > 100 mg/l

Nur gelste Metalle wirken inhibierend, Entgiftung durch Sulfidfllung

Desinfektionsmittel Antibiotika k. A. Hemmwirkung produktspezifisch

TAB. 2.2: HEMMSTOFFE BEI ANAEROBEN ABBAUPROZESSEN UND DEREN ScHDIGENDE KONZENTRATION [2-13]

16

Leitfaden Biogas Von der Gewinnung zur Nutzung

Masse angestrebt. Wollte man einen vollstndigen Abbau der organischen Inhaltsstoffe realisieren, wren mitunter sehr lange Aufenthaltszeiten des Substrates im Fermenter und damit auch entsprechend groe Behltervolumina notwendig, da einige Stoffe wenn berhaupt erst nach sehr langen Zeitrumen abgebaut werden. Es muss also mit vertretbarem wirtschaftli-chem Aufwand ein Optimum an Abbauleistung angestrebt wer-den.

In dieser Hinsicht ist die Raumbelastung (BR) ein wichtiger Betriebsparameter. Sie gibt an, wie viel Kilogramm organischer Trockensubstanz (oTS) dem Fermenter je m3 Arbeitsvolumen pro Zeiteinheit zugefhrt werden kann [2-1]. Die Raumbelas-tung wird in kg oTS/(m3 d) angegeben.

BRm c

VR 100--------------------= [kg oTS m-3 d-1]

Gleichung 2.1: Raumbelastung BR (m = zugefhrte Substratmenge je Zeiteinheit [kg/d]; c = Konzentration der organischen Substanz [% oTS]; VR = Reaktorvolumen [m3])

Die Raumbelastung kann fr jede Stufe (gasdichter, isolierter und beheizter Behlter), fr das Gesamtsystem (Summe der Ar-beitsvolumina aller Stufen) sowie mit und ohne Einbeziehung von Materialrckfhrung (Rezirkulat) angegeben werden. Durch Vernderung der Bezugsgren ergeben sich zum Teil sehr un-terschiedliche Ergebnisse fr die Raumbelastung einer Anlage. Fr einen mglichst aussagekrftigen Vergleich der Raumbelas-tung unterschiedlicher Biogasanlagen empfiehlt es sich, diesen Parameter fr das Gesamtsystem und ohne Betrachtung der Materialrckfhrung, also ausschlielich fr das Frischsubstrat, zu ermitteln.

Ein weiterer Parameter fr die Dimensionierung der Behl-tergre ist die hydraulische Verweilzeit (HRT; hydraulic reten-tion time). Dies ist die Zeitdauer, die ein zugefhrtes Substrat rechnerisch im Mittel bis zu seinem Austrag im Fermenter ver-bleibt [2-1]. Zur Berechnung setzt man das Reaktorvolumen (VR) ins Verhltnis zur tglich zugefhrten Substratmenge (V ) [2-2]. Die hydraulische Verweilzeit wird in Tagen angegeben.

HRTVRV-----= [d]

Gleichung 2.2: Hydraulische Verweilzeit (VR = Reaktorvolumen [m3]; V

= tglich zugefhrtes Substratvolumen [m3/d])

Die reale Verweilzeit weicht hiervon ab, da je nach Durch-mischung, z. B. durch Kurzschlussstrmungen, einzelne Kom-ponenten den Fermenter unterschiedlich schnell verlassen. Zwischen der Raumbelastung und der hydraulischen Verweilzeit besteht ein enger Zusammenhang (Abb. 2.2).

Setzt man eine gleichbleibende Substratzusammensetzung voraus, wird mit steigender Raumbelastung mehr Input dem Fer-menter zugefhrt und es verkrzt sich somit die Verweilzeit. Um den Grprozess aufrecht erhalten zu knnen, muss die hydrau-lische Verweilzeit so gewhlt werden, dass durch den stndi-gen Austausch des Reaktorinhalts nicht mehr Mikroorganismen ausgesplt werden als in dieser Zeit nachwachsen knnen (z. B.

liegt die Verdopplungsrate einiger methanogener Archaeen bei 10 Tagen und lnger) [2-1]. Auerdem ist zu bercksichtigen, dass bei geringer Verweilzeit den Mikroorganismen nur wenig Zeit bleibt, das Substrat abzubauen und so nur eine unzurei-chende Gasausbeute erzielt wird. Es ist also in gleichem Mae wichtig, die Verweilzeit an die spezifische Abbaugeschwindig-keit der verwendeten Substrate anzupassen. Bei bekannter tg-licher Zugabemenge kann in Verbindung mit der Abbaubarkeit des Substrates und der angestrebten Verweilzeit das bentigte Reaktorvolumen errechnet werden.

Die genannten Betriebsparameter einer Biogasanlage die-nen in erster Linie zur Beschreibung der Belastungssituation, z. B. zum Vergleich unterschiedlicher Biogasanlagen. Ledig-lich beim Anfahrprozess knnen die Parameter bei der Anla-gensteuerung im Hinblick auf eine langsame, kontinuierliche Steigerung hilfreich sein. Dabei wird in der Regel vor allem der Raumbelastung Beachtung geschenkt. Bei Anlagen mit in-putseitig hohen Flssigkeitsmengen und geringen Gehalten an abbaubarer Organik (Glleanlagen) ist die Verweilzeit von gr-erer Bedeutung.

2.3.2 produktivitt, ausbeute und abbaugradZur Beschreibung des Leistungsstandes einer Biogasanlage sind Produktivitt (P(cH4)), Ausbeute (A(cH4)) und Abbaugrad (hoTS) gut geeignete Parameter. Wird die Gasproduktion auf das Fer-mentervolumen bezogen, so spricht man von der Produktivitt. Sie ist definiert als Quotient aus der tglichen Gasproduktion und dem Reaktorvolumen und gibt folglich Aufschluss ber die Effektivitt [2-19]. Die Produktivitt kann sowohl auf die Bio-gas-(P(Biogas)) als auch auf die Methanproduktion (P(cH4)) bezogen werden und wird in Nm3/(m3 d) angegeben.

P CH 4 V CH 4 VR

----------------= [Nm3 m-3 d-1]

Gleichung 2.3: Methan-Produktivitt (V CH4 = Methanproduktion [Nm/d]; VR = Reaktorvolumen [m])

rAuMBeLAstung und hydrAuLische VerweiLZeit

40

100

120

140

20

0

Verweilzeit (d)

Raumbelastung (in kg oTS/[m3 d])

80

60

4,54,03,53,02,52,01,5 5,01,0

150 kg oTS/m3

50 kg oTS/m3

100 kg oTS/m3

Abb. 2.2: Zusammenhang zwischen Raumbelastung und hydraulischer Verweilzeit bei unterschiedlichen Substratkonzentrationen

17

Grundlagen der anaeroben Fermentation

2

Wird die Gasproduktion auf die Inputstoffe bezogen, so handelt es sich um die Ausbeute [2-8]. Die Ausbeute kann ebenfalls auf die Biogas- (A(Biogas)) oder die Methanproduktion (A(cH4)) bezo-gen werden. Sie ist definiert als der Quotient aus der produzier-ten Gasmenge und der zugefhrten organischen Substanz und wird in Nm3/t oTS angegeben.

Die Ausbeuten kennzeichnen die Effizienz der Biogas- bzw. Methanproduktion aus den eingebrachten Substraten. Sie sind als Einzelparameter jedoch wenig aussagefhig, da sie die ef-fektive Belastung des Fermenters nicht mit erfassen. Aus die-sem Grund sollten die Ausbeuten immer im Zusammenhang mit der Raumbelastung betrachtet werden.

A CH 4 V CH 4 m oTS

----------------= [Nm3 t-1 oTS]

Gleichung 2.4: Methan-Ausbeute (V CH4 = Methanproduktion [Nm/d]; m

oTS = zugefhrte organische

Trockensubstanz [t/d])

Der Abbaugrad (hoTS) gibt Auskunft ber die Effizienz der Aus-nutzung der eingesetzten Substrate. Der Abbaugrad kann an-hand der organischen Trockensubstanz (oTS) oder dem chemi-schen Sauerstoffbedarf (CSB) bestimmt werden. Aufgrund der in der Praxis berwiegend durchgefhrten Analytik empfiehlt sich die Bestimmung des oTS Abbaugrades [2-19].

oTSoTSSub mzu oTSAbl mAbl

oTSSub mzu--------------------------------------------------------------------------- 100= [%]

Gleichung 2.5: Abbaugrad (hoTS) der Biomasse (oTSSub = organischer Trockensubstanzgehalt der zugefhrten Frisch-masse [kg/t FM]; mzu = Masse der zugefhrten Frischmasse [t]; oTSAbl = organischer Trockensubstanzgehalt des Fermenterablaufs [kg/t FM]; mAbl = Masse des Grrckstands [t])

2.3.3 durchmischungUm eine hohe Biogasproduktion zu erreichen, ist ein intensiver Kontakt von Bakterien und Substrat erforderlich, welcher im All-gemeinen durch ein Durchmischen des Grbehlters erreicht wird [2-1]. In einem nicht-durchmischten Fermenter lsst sich nach einiger Zeit eine Entmischung des Inhaltes mit gleichzei-tiger Schichtenbildung beobachten, was auf die Dichteunter-schiede der einzelnen Inhaltsstoffe der eingesetzten Substrate sowie den Auftrieb durch die Gasbildung zurckzufhren ist. Dabei findet sich der Groteil der Bakterienmasse, bedingt durch die hhere Dichte, im unteren Teil wieder, whrend sich das abzubauende Substrat hufig in der oberen Schicht an-sammelt. In einem solchen Fall ist der Kontaktbereich auf den Grenzbereich dieser beiden Schichten beschrnkt und es fin-det nur wenig Abbau statt. Zudem bildet sich aus aufschwim-menden Feststoffen eine Schwimmdecke, welche den Gasaus-tritt erschwert [2-20].

Es ist also wichtig, den Kontakt von Mikroorganismen und Substrat durch Mischen des Grbehlters zu frdern. Dennoch sollte ein zu starkes Durchmischen vermieden werden. Vor allem die Essigsure bildenden Bakterien (aktiv in der Aceto-genese) und die Archaeen der Methanogenese bilden eine enge Lebensgemeinschaft, die fr einen ungestrten Biogasbil-

dungsprozess von groer Wichtigkeit ist. Wird diese Lebensge-meinschaft durch zu groe Scherkrfte infolge intensiven Rh-rens zerstrt, kann es zu einer negativen Beeintrchtigung des anaeroben Abbaus kommen.

Es gilt also einen Kompromiss zu finden, der beiden Bedin-gungen hinreichend gerecht wird. In der Praxis wird dies meist durch langsam rotierende Rhrwerke erreicht, die nur geringe Scherkrfte bewirken, und zum Anderen dadurch, dass der Re-aktorinhalt in Intervallen (d. h. nur fr eine kurze, vorher defi-nierte Zeitspanne) durchmischt wird. Weitere technische Fragen der Durchmischung werden im Kapitel 3.2.2.3 errtert.

2.3.4 gasbildungspotenzial und methanogene aktivitt

2.3.4.1 Mgliche gasausbeuteWie viel Biogas in einer Biogasanlage produziert wird, hngt im Wesentlichen von der Zusammensetzung der eingesetzten Sub-strate ab. Hierzu sollte nach Mglichkeit ein Grtest mit der ent-sprechenden Substratmischung durchgefhrt werden [2-21]. Ersatzweise kann auch aus der Summe der Gasertrge der am Input beteiligten Substrate die Gasausbeute abgeschtzt wer-den, sofern fr die einzelnen Substrate die Gasertragswerte aus Tabellenwerken verfgbar sind [2-22].

Fr exotische Substrate, fr die keine Datengrundlage aus Grtests verfgbar ist, kann die Abschtzung des Gasertrags ber den Verdauungsquotienten erfolgen, da zwischen den Ab-bauvorgngen in einer Biogasanlage und den Verdauungsvor-gngen bei Wiederkuern Parallelen bestehen [2-3]. Die hierfr bentigten Kennzahlen knnen bei nachwachsenden Rohstof-fen den DLG-Futterwerttabellen entnommen werden. Zu finden sind hier die Gehalte an Asche (RA), Rohfaser (RF), Fett (RL), Eiwei (RP) und N-freien Extraktstoffen (NfE) bezogen auf die Trockensubstanz (TS) aus der WEENDER FUTTERMITTEL-ANALY-SE sowie deren Verdaulichkeiten (VQ). Die Anteile an RF und NfE ergeben zusammen den Gehalt an Kohlenhydraten.

Den einzelnen Stoffgruppen lassen sich spezifische Gaser-trge sowie Methangehalte zuordnen, die sich aus den unter-schiedlichen relativen Kohlenstoff-Anteilen ergeben (Tabelle 2.3) [2-6], [2-24].

Biogasertrag[l/kg oTS]

Methangehalt [Vol.-%]

Verdauliches Eiwei (RP) 700 71

Verdauliches Fett (RL) 1.250 68

Verdauliche Kohlenhydrate (RF + NfE) 790 50

TAB. 2.3: SPEZIFIScHER BIOGASERTRAG UND METHAN-GEHALT DER ENTSPREcHENDEN STOFFGRUPPEN [2-24]

18

Leitfaden Biogas Von der Gewinnung zur Nutzung

Aus diesen Vorgaben lassen sich die organische Trocken-substanz sowie die jeweilige Masse der verdaulichen Stoffgrup-pen je kg Trockensubstanz errechnen [2-23]:

oTS-Gehalt:(1000 - Rohasche1))/10 [% TS]Verdauliches Eiwei:(Rohprotein VQRP)/1000 [kg/kg TS]Verdauliches Fett: (Rohfett VQRL)/1000 [kg/kg TS]Verdauliche Kohlenhydrate:((Rohfaser VQRF) + (NfE VQNfE))/1000 [kg/kg TS]

1) in g/kg

Die weitere Berechnung soll am Beispiel Grassilage (Weide exten-siv, 1. Aufwuchs Mitte Blte) verdeutlicht werden (Tabelle 2.4).

TS [%

]

Roha

sche

(RA)

[g/k

g TS]

Rohp

rote

in (R

P)

[g/k

g TS]

VQRP

[%]

Rohf

ett (

RL)

[g/k

g TS]

VQRL

[%]

Rohf

aser

(RF)

[g/k

g TS]

VQRF

[%]

NfE

[g/k

g TS]

VQNf

E [%

]

35 102 112 62 37 69 296 75 453 73

TAB. 2.4: KENNWERTE FR GRASSILAGE

Je kg Frischmasse ergeben sich daraus 162,5 Liter Biogas mit einem Methangehalt von ca. 53 %. In diesem Zusammen-hang muss ausdrcklich darauf hingewiesen werden, dass die in der Praxis erzielten Methanausbeuten berwiegend deutlich hher als die errechneten sind. Nach derzeitigem Erkenntnis-stand gibt es keine hinreichend statistisch abgesicherte Metho-de, mit der sich die Gasausbeute exakt berechnen lsst. Die hier dargestellte Methode ermglicht lediglich einen Vergleich von Substraten untereinander.

Allerdings beeinflussen noch weitere Faktoren, wie die Ver-weilzeit der Substrate im Fermenter, der Trockensubstanzge-halt, die Fettsuregehalte sowie evtl. vorhandene Hemmstoffe den erreichbaren Biogasertrag. So ergibt sich durch Steigerung der Verweilzeit ein besserer Abbaugrad und damit auch eine hhere Gasproduktion. Mit fortschreitender Verweilzeit wird mehr und mehr Methan freigesetzt, was den Heizwert des Gas-gemisches erhht.

Durch eine Steigerung der Temperatur wird auch die Ge-schwindigkeit der Abbauvorgnge beschleunigt. Dies ist aller-dings nur in bestimmtem Mae mglich, da nach berschreiten der Maximaltemperatur die Bakterien geschdigt werden und der umgekehrte Effekt erreicht wird (siehe Kap. 2.2.2). Zustz-lich zur gesteigerten Gasproduktion wird allerdings auch mehr Kohlendioxid aus der flssigen Phase freigesetzt, was wiederum zu einem schlechteren Heizwert des Gasgemisches fhrt.

Der Gehalt an Trockensubstanz im Fermenter (TS-Gehalt) kann die Gasausbeute in zweierlei Hinsicht beeinflussen. Zum Einen ist der Stofftransport bei hohen TS-Gehalten erschwert, so dass die Mikroorganismen das Substrat nur in ihrem unmit-telbaren Umfeld abbauen knnen. Bei sehr hohen Trockensub-stanzgehalten von 40 % kann die Grung sogar ganz zum Erliegen kommen, da hier nicht mehr gengend Wasser fr das Mikroorganismenwachstum vorhanden ist. Zum Anderen kann es infolge der hohen Trockensubstanzgehalte zu Problemen mit Hemmstoffen kommen, da diese durch den niedrigen Wasser-gehalt in konzentrierter Form vorliegen. Eine mechanische oder thermische Vorbehandlung der eingesetzten Substrate kann die Ausbeute steigern, da das Substrat den Bakterien so besser zur Verfgung steht [2-4].

Biogasertrag[l/kg oTS]

Methangehalt [Vol.-%]

Verdauliches Eiwei (RP) 48,6 34,5

Verdauliches Fett (RL) 31,9 21,7

Verdauliche Kohlenhydrate (RF + NfE) 436,6 218,3

Summe (je kg oTS) 517,1 274,5

TAB. 2.5: BIOGAS- UND METHANAUSBEUTE VON GRASSILAGE

Daraus errechnet sich:oTS-Gehalt: (1000 - 102)/10 = 89,8 % (TS)Verdauliches Eiwei: (112 62 %)/1000 = 0,0694 kg/kg TSVerdauliches Fett: (37 69 %)/1000 = 0,0255 kg/kg TSVerdauliche Kohlenhydrate: ((296 75 %) + (453 73 %))/1000 = 0,5527 kg/kg TS

Damit lassen sich die Massen der einzelnen Stoffgruppen je kg oTS errechnen. Diese Ergebnisse werden mit den Werten aus Tabelle 2.3 multipliziert und man erhlt die in Tabelle 2.5 dar-gestellten Biogas- und Methanausbeuten.

PAnsen und ferMenter

Wie schon am Anfang dieses Kapitels beschrieben, beste-hen zwar durchaus Parallelen zwischen den Vorgngen im Pansen der Wiederkuer und den Abbauvorgngen in einer Biogasanlage, jedoch sind beide Vorgnge nur bedingt ver-gleichbar, da es in beiden Systemen zu unterschiedlichen Synergieeffekten kommen kann, welche die Biogasproduk-tion beeinflussen. Deshalb kann die vorgestellte Berech-nungsmethode die tatschliche Gas- bzw. Methanausbeu-te nur abschtzen und darf deshalb nicht fr betriebliche oder konomische Kalkulationen herangezogen werden! Jedoch lsst die vorgestellte Methode eine tendenzielle Abschtzung der Biogasausbeute und einen Vergleich zwi-schen verschiedenen Substraten zu.

19

Grundlagen der anaeroben Fermentation

2

2.3.4.2 gasqualittBiogas ist ein Gasgemisch, welches berwiegend aus Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) sowie Wasserdampf und diversen Spurengasen besteht.

Von Bedeutung ist in erster Linie der Methangehalt, da die-ser den brennbaren Anteil des Biogases darstellt und somit dessen Heizwert direkt beeinflusst. Die Zusammensetzung des Biogases kann durch gezielte Prozesssteuerung nur begrenzt beeinflusst werden. In erster Linie ist sie von der Zusammen-setzung des Inputmaterials abhngig. Darber hinaus wird der Methangehalt von Prozessparametern, wie der Grtemperatur, dem Belastungszustand des Reaktors und der hydraulischen Verweilzeit sowie durch Prozessstrungen und Verfahren der biologischen Entschwefelung beeinflusst.

Die erzielbare Ausbeute an Methan ist dabei im Wesentli-chen durch die Zusammensetzung des eingesetzten Substrates, also durch die Anteile an Fetten, Proteinen und Kohlenhydraten bestimmt (siehe Kap. 2.3.4.1). Hierbei nehmen die spezifischen Methanausbeuten der eben genannten Stoffgruppen in der genannten Reihenfolge ab. Bezogen auf die Masse lsst sich mit Fetten eine hhere Methanausbeute erreichen als mit Koh-lenhydraten.

Bestandteil Konzentration

Methan (CH4) 5075 Vol.-%

Kohlendioxid (CO2) 2545 Vol.-%

Wasser (H2O) 27 Vol.-% (2040 C)

Schwefelwasserstoff (H2S) 2020.000 ppm

Stickstoff (N2) < 2 Vol.-%

Sauerstoff (O2) < 2 Vol.-%

Wasserstoff (H2) < 1 Vol.-%

TAB. 2.6: DURcHScHNITTLIcHE ZUSAMMENSETZUNG VON BIOGAS (NAcH [2-1])

Im Hinblick auf die Qualitt des Gasgemisches spielt die Konzentration des Spurengases Schwefelwasserstoff (H2S) eine wichtige Rolle. Sie sollte zum Einen nicht zu hoch sein, da Schwefelwasserstoff schon in geringen Konzentrationen hem-mend auf den Abbauprozess wirkt. Zum Anderen fhren hohe H2S-Konzentrationen im Biogas bei der Nutzung zu Korrosions-schden an Blockheizkraftwerken und Heizkesseln [2-1]. Einen berblick ber die durchschnittliche Zusammensetzung des Biogases gibt Tabelle 2.6.

Abb. 2.3: Batchversuche im Biogaslabor

20

Leitfaden Biogas Von der Gewinnung zur Nutzung

[2-18] Preiler, D.: Die Bedeutung der Spurenelemente bei der Ertragssteigerung und Prozessstabilisierung; Tagungsband 18.Jahrestagung des Fachverbandes Biogas, Hannover, 2009

[2-19] Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (Hrsg.): Bio-gas-Messprogramm II, Glzow, 2009

[2-20] Maurer, M.; Winkler, J-P., Biogas Theoretische Grundlagen, Bau und Betrieb von Anlagen, Verlag C.F. Mller, Karlsruhe, 1980

[2-21] VDI-Richtlinie 4630: Vergrung organischer Stoffe. Sub-stratcharakterisierung, Probenahme, Stoffdatenerhebung, Grversuche. VDI-Gesellschaft Energietechnik, 2006

[2-22] KTBL (Hrsg.): Faustzahlen Biogas. Kuratorium fr Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft, 2009

[2-23] Biogasanlagen zur Vergrung nachwachsender Rohstoffe; Tagungsband; Barnstorfer Biogastagung 2000; Lndliche Erwachsenenbildung Niedersachsen (LEB)

[2-24] Baserga, U.: Landwirtschaftliche Co-Vergrungs-Biogasanla-gen; FAT- Berichte Nr. 512, 1998

2.4 Literaturverzeichnis

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[2-4] Schattner, S.; Gronauer, A.: Methangrung verschiedener Substrate Kenntnisstand und offene Fragen, Glzower Fachgesprche, Band 15: Energetische Nutzung von Biogas: Stand der Technik und Optimierungspotenzial, S. 2838, Weimar, 2000

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[2-6] Weiland, P.: Grundlagen der Methangrung Biologie und Substrate; VDI-Berichte, Nr. 1620 Biogas als regenerative Energie Stand und Perspektiven; S. 19-32; VDI-Verlag 2001

[2-7] Bauer, C.; Korthals, M.; Gronauer, A.; Lebuhn, M.: Methano-gens in biogas production from renewable resources a novel molecular population analysis approach. Water Sci. Tech. 2008, 58, No. 7, S. 14331439

[2-8] Lebuhn, M.; Bauer, C.; Gronauer, A.: Probleme der Biogaspro-duktion aus nachwachsenden Rohstoffen im Langzeitbetrieb und molekularbiologische Analytik. VDLUFA- Schriftenreihe 64, 2008, S. 118125

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[2-10] Oechsner, H., Lemmer, A.: Was kann die Hydrolyse bei der Bio-gasvergrung leisten?, VDI-Berichte 2057, 2009, S. 3746

[2-11] Lindorfer, H.; Braun, R.; Kirchmeyr, R.: The self-heating of anaerobic digesters using energy crops; Water Science and Technology 53 (8), 2006

[2-12] Wellinger, A.; Baserga, U.; Edelmann, W.; Egger, K.; Seiler, B.: Biogas-Handbuch, Grundlagen Planung Betrieb landwirt-schaftlicher Anlagen, Verlag Wirz Aarau, 1991

[2-13] Weiland, P.: Stand und Perspektiven der Biogasnutzung und -erzeugung in Deutschland, Glzower Fachgesprche, Band 15: Energetische Nutzung von Biogas: Stand der Technik und Optimierungspotenzial, S. 827, Weimar, 2000

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[2-16] Bischoff, Manfred.: Persnliche Mitteilung, 2009[2-17] Seyfried, C.F. et al.: Anaerobe Verfahren zur Behandlung

von Industrieabwssern. Korrespondenz Abwasser 37, S.12471251, 1990

21

3 anLagentechnik Zur BiogasBereitsteLLungDie Anlagentechnik zur Biogasbereitstellung weist ein sehr brei-tes Spektrum auf, welches in diesem Kapitel dargestellt wird. Die Mglichkeiten der Komponenten- und Aggregatkombinati-onen sind nahezu unbegrenzt. Aus diesem Grund werden die Einzelaggregate mit technischen Beispielen diskutiert. Fr den konkreten Anwendungsfall muss jedoch eine fallspezifische Prfung der Aggregat- und Systemeignung und eine Leistungs-anpassung durch Fachpersonal durchgefhrt werden.

Weit verbreitet ist bei der Biogasanlagenerrichtung die ber-nahme des Auftrages fr die Komplettanlage durch einen ein-zelnen Anbieter Generalunternehmer (GU), was mit Vor- und Nachteilen fr den Bauherrn verbunden ist. Bei einem Einzel-anbieter kann als vorteilhaft angesehen werden, dass die ein-gesetzte Technik in der Regel aufeinander abgestimmt ist und Gewhrleistung fr die Einzelaggregate und die Gesamtanlage bernommen wird. Damit ist auch die Funktionalitt des Pro-zesses der Erzeugung von Biogas Teil der Gewhrleistung. Die bergabe der fertiggestellten Anlage findet bei einer Beauftra-gung eines GU im Regelfall erst nach der Leistungsabnahme statt, also erst, wenn die Anlage die Nennlast erreicht hat. Dies ist insofern sehr wichtig, da somit erstens das Risiko des Anfah-rens der Anlage auf den Anlagenhersteller bergeht und zwei-tens eine zeitliche Verzgerung fr den zuknftigen Betreiber ohne finanzielles Risiko ist, wenn entsprechende bergabeter-mine nicht eingehalten werden knnen. Zeitliche Vorteile ent-stehen meist bei der Genehmigung und beim Betrieb. Darber hinaus ist das Risiko von Problemen an Schnittstellen verschie-dener technischer Komponenten reduziert, da GU meist Konfi-gurationen einsetzen, mit denen sie bereits Erfahrung haben. Nachteilig ist der relativ geringe Einfluss des Bauherren auf die Zusammenstellung der Technik im Detail, da sehr viele Komplet-tanbieter standardisierte Anlagenmodule anbieten, die weniger flexibel ausgestattet werden knnen. Damit ist die Anpassung an die betriebliche Situation (z. B. Substratauswahl oder Einbin-dung vorhandener Baulichkeiten) oft weniger gut mglich. Die Modulbauweise kann bei der Genehmigung, der Errichtung und dem Betrieb der Anlage zeitliche und monetre Vorteile bieten.

Demgegenber besteht fr den Bauherrn die Option, vom Anlagenanbieter nur die Planungsleistung einzukaufen (Ingeni-eurvertrag). Die Bauabschnitte werden vom Bauherrn einzeln an die Fachfirmen vergeben. Diese Vorgehensweise erlaubt eine grtmgliche Mitgestaltung des Bauherrn, ist aber auch nur sinnvoll, wenn dieser bereits sachkundig ist. Nachteilig ist dabei, dass das Risiko des Anfahrbetriebs und der Leistungs-abnahme beim Bauherrn verbleibt und dass Regressansprche mit den Fachfirmen einzeln abgehandelt werden mssen.

3.1 Merkmale und unterscheidung verschiedener Verfahrensvarianten

Die Erzeugung von Biogas erfolgt mit unterschiedlichen Verfah-rensvarianten. Typische Varianten sind in Tabelle 3.1 dargestellt.

3.1.1 trockensubstanzgehalt der grsubstrateDie Konsistenz der Substrate ist von ihrem Trockensubstanzge-halt abhngig. Dies begrndet eine grundstzliche Einteilung der Biogastechnologie in Nass- und Feststoffvergrungsver-

Kriterium Unterscheidungsmerkmale

Trockensubstanzgehalt der Substrate

Nassvergrung Feststoffvergrung

Art der Beschickung diskontinuierlich quasikontinuierlich kontinuierlich

Anzahl der Prozessphasen einphasig zweiphasig

Prozesstemperatur psychrophil mesophil thermophil

TAB. 3.1: EINTEILUNG DER VERFAHREN ZUR BIOGAS-ERZEUGUNG NAcH VERScHIEDENEN KRITERIEN

22

Leitfaden Biogas Von der Gewinnung zur Nutzung

fahren. Nassvergrungsverfahren arbeiten mit pumpfhigen Sub stra ten. Bei der Feststoffvergrung kommen stapelbare Substra te zum Einsatz.

Zwischen den Begriffen Nassvergrung und Feststoffver-grung (auch als Trockenvergrung bezeichnet) besteht keine eindeutige Abgrenzung. Nach einer Auslegungshilfe des Bun-desumweltministeriums basierend auf den Regelungen des EEG 2004 wurde die Trockenvergrung an bestimmte Bedingun-gen geknpft. Hierzu zhlte ein Trockenmassegehalt im Input von mindestens 30 Masseprozent und eine Raumbelastung von mindestens 3,5 kg oTS/(m3 d) im Fermenter.

Bei Nassvergrungsverfahren sind in der Fermenterflssig-keit Trockensubstanzgehalte von bis zu 12 Masseprozent vor-zufinden. Als Faustregel gilt eine Grenze von 15 Masseprozent fr die Pumpbarkeit des Mediums, jedoch ist diese Angabe qua-litativ und nicht fr alle Einsatzstoffe zu werten. Einige Substra-te mit feindisperser Partikelverteilung und hohen Gehalten an gelsten Stoffen sind auch bei TS-Gehalten von bis zu 20 Mas-seprozent noch pumpfhig, beispielsweise dispergierte Speise-reste aus dem Tankfahrzeug. Hingegen liegen andere Substrate bereits bei 10 bis 12 Masseprozent in der stapelbaren Form vor, wie z. B. Obst- und Gemseschalen.

Bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen kommt berwie-gend die Nassvergrung in klassischen Rundbehltern zur An-wendung. Die realisierten Feststoffvergrungsanlagen haben jedoch in den vergangenen fnf Jahren seit der 1. EEG-No-velle 2004 die Marktreife erreicht und finden insbesondere im Bereich der NawaRo-Vergrung Anwendung. Eine detaillierte Erluterung der Fermenterbauformen wird in 3.2.2.1 gegeben.

3.1.2 art der BeschickungDas Beschickungsregime (Ftterung) der Biogasanlage be-stimmt in hohem Mae die Verfgbarkeit von frischem Substrat fr die Mikroorganismen und wirkt sich damit auf die Biogaser-zeugung aus. Es wird grundstzlich zwischen kontinuierlicher, quasikontinuierlicher und diskontinuierlicher Beschickung un-terschieden.

3.1.2.1 kontinuierliche und quasikontinuierliche Beschickung

Bei der kontinuierlichen und der quasikontinuierlichen Be-schickung kann zwischen dem Durchfluss-Verfahren und dem kombinierten Speicher-Durchfluss-Verfahren unterschieden werden. Auf das z. T. noch in der Literatur erwhnte Speicher-verfahren wird hier nicht eingegangen, da es aus konomischen und verfahrenstechnischen Grnden in der Praxis kaum ange-wendet wird. Im Gegensatz zur kontinuierlichen Beschickung wird bei der quasikontinuierlichen Beschickung mindestens einmal arbeitstglich eine unvergorene Substratcharge in den Fermenter eingebracht. Vorteilhaft hat sich eine Beschickung in kleinen Chargen mehrmals tglich erwiesen.

Durchfluss-VerfahrenIn der Vergangenheit wurden die meisten Biogasanlagen nach dem Durchfluss-Verfahren errichtet. Aus einem Vorratsbehlter bzw. einer Vorgrube wird das Substrat mehrmals tglich in den Faulbehlter gepumpt. Die gleiche Menge, die dem Fermenter an frischem Substrat zugegeben wird, gelangt ber Verdrngung

oder Entnahme in das Grrckstandslager (vergleiche Abb. 3.1).Der Fermenter ist bei diesem Verfahren somit immer gefllt und wird nur fr Reparaturarbeiten geleert. Dieses Verfahren weist eine gleichmige Gasproduktion und eine gute Faulraumaus-lastung auf. Es besteht jedoch die Gefahr der Kurzschlussstr-mung durch den Fermenter, d. h. es ist damit zu rechnen, dass ein geringer Teil des frisch eingebrachten Substrates sofort wie-der ausgetragen wird [3-2]. Zudem entstehen bei offenen Gr-rckstandslagern Methangasemissionen. Allerdings ist mit der EEG-Novelle 2012 die Errichtung offener Grrckstandslager nur noch bei ausschlielicher Vergrung von Glle (im Sinne 2 Dngegesetz) erlaubt, so dass diese Verfahrensvariante zu-knftig nur noch fr wenige Anlagen interessant ist (siehe Kap. 3.2.5.2).

Abb. 3.1: Schema des Durchfluss-Verfahrens

Kombiniertes Durchfluss-Speicher-VerfahrenBei Biogasanlagen, die nach dem kombinierten Durch-fluss-Speicher-Verfahren arbeiten, ist das Grrckstandslager ebenfalls abgedeckt. So kann das hier anfallende Biogas aufge-fangen und verwertet werden. Das Grrckstandslager fungiert so als Speicheranlage. Diesem Speicheranlagenteil ist ein Durchflussfermenter vorgeschaltet. Auch aus dem Durchfluss-fermenter kann, wenn z. B. Bedarf an viel vergorenem Substrat zu Dngezwecken besteht, Substrat entnommen werden. Eine schematische Verfahrensbersicht zeigt Abbildung 3.2. Das Verfahren erlaubt eine gleichmige Gasproduktion. Die Ver-weilzeit kann nicht exakt bestimmt werden, da Kurzschluss-strmungen im Durchflussfermenter mglich sind [3-2]. Diese Verfahrensvariante entspricht dem Stand der Technik. Durch die Abdeckung des Grrckstandslagers entstehende Investiti-onskosten knnen durch den zustzlichen Gasertrag sukzessive refinanziert werden.

Abb. 3.2: Schema des kombinierten Durchfluss-Speicher-Verfahrens

3.1.2.2 diskontinuierliche BeschickungBei der Vergrung im Batchverfahren wird der Fermenter kom-plett mit frischem Substrat gefllt und luftdicht verschlossen. Das Substrat bleibt bis zum Ende der gewhlten Verweilzeit in dem Behlter, ohne dass Substrat hinzugefgt oder entnom-men wird. Nach Ablauf der Verweilzeit wird der Fermenter ge-leert und mit frischem Substrat befllt, wobei ein geringer Teil des ausgefaulten Materials zur Animpfung der nchsten Befl-lung im Behlter verbleiben kann. Zur zgigen Befllung und

Vorgrube Grbehlter Grrckstandslager

Vorgrube Grbehlter Grrckstandslager

23

Anlagentechnik zur Biogasbereitstellung

3

Leerung des Batchbehlters werden zustzlich ein Vorrats- und ein Lagerbehlter bentigt. Bei Batchverfahren ndert sich die Gasproduktionsrate in Abhngigkeit von der Zeit. So setzt die Gasproduktion nach der Befllung langsam ein, erreicht je nach Substrat innerhalb weniger Tage ein Maximum und geht dann kontinuierlich zurck. Eine konstante Gasproduktion und -qualitt ist somit fr einen einzelnen Fermenter nicht gegeben, sondern muss durch eine zeitlich versetzte Befllung mehrerer Fermenter (Wechselbehlter-Verfahren) ausgeglichen werden. Die verfahrensnotwendige Mindestverweilzeit kann somit exakt eingehalten werden [3-2]. Fr die Praxis haben Batchverfahren mit Einzelfermentern keine Bedeutung, das Prinzip der Wech-selbehlter-Verfahren wird bei Garagenanlagen (Feststoffver-grung) angewendet.

3.1.3 anzahl der prozessphasen und -stufenAls Prozessphase wird das biologische Milieu Hydrolyse- bzw. Methanisierungsphase mit den jeweils spezifischen Prozess-bedingungen wie pH-Wert und Temperatur verstanden. Im Falle der Verarbeitung im selben Behlter wird von einphasiger Pro-zessfhrung gesprochen. Bei Durchfhrung von Hydrolyse und Methanisierung in getrennten Behltern ist der Betrieb zweipha-sig. Die Stufe bezeichnet den Prozessbehlter unabhngig von der biologischen Phase.

Demnach ist eine, z. B. die in der Landwirtschaft hufig an-zutreffende Anlagenkonzeption, bestehend aus Vorgrube, Fer-

menter und Nachgrbehlter, einphasig, aber dreistufig. Die offene Vorgrube an sich stellt dabei keine eigene Phase dar. Hingegen wird der geschlossene Vorlagebehlter als eigene Phase (Hydrolysephase) betrachtet. Fermenter und Nachgrer sind beide als Methanphase zu werten.

Bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen kommen meist ein- oder zweiphasige Verfahren zur Anwendung, wobei der Schwer-punkt bei den einphasigen Anlagen liegt [3-1].

3.2 Verfahrenstechnik

Grundstzlich kann eine landwirtschaftliche Biogasanlage un-abhngig von der Betriebsweise in vier verschiedene Verfah-rensschritte unterteilt werden:1. Substratmanagement (Anlieferung, Lagerung, Aufbereitung,

Transport und Einbringung),2. Biogasgewinnung,3. Grrckstandslagerung, -aufbereitung und -ausbringung

sowie4. Biogasspeicherung, -aufbereitung und -verwertung.Die einzelnen Schritte sind in Abbildung 3.3 detailliert dargestellt.

Die vier Verfahrensschritte sind voneinander nicht unabhn-gig. Besonders zwischen Schritt zwei und Schritt vier besteht eine enge Verbindung, da Schritt vier normalerweise die in Schritt zwei bentigte Prozesswrme zur Verfgung stellt.

Abb. 3.3: Allgemeiner Verfahrensablauf bei der Biogasgewinnung; nach [3-3]

1. Verfahrensschritt

2. Verfah- rensschritt

3. Verfahrensschritt 4. Verfahrensschritt

Anlieferung und Lagerung

Aufbereitung und Vorbehandlung (optional) Sortierung, Zerkleinerung, Anmaischen, Homogenisieren

Einbringung Frderung, Dosierung

Gr

-r

ck-

stn

-de

Biogasgewinnung Vergrung im Fermenter

Bio-

gas

Biogasaufbereitung und -speicherung Entschwefelung, Trocknung

cO2-Abscheidung O2-Abtrennung und Abtrennung weiterer Spurengase

Grrckstandslagerung u./o. Nachgrung Grrckstandaufbereitung

Fest-Flssig-Trennung (optional)

Flssig-dnger

Ausbrin-gung, Kom-postierung

Ausbrin-gung oder

Kompostie-rung ohne Fest-Fls-sig-Tren-

nung

Biogas

BiogasverwertungStromproduktion und Wrmegewinnung (KWK)

Biomethannutzung (KWK, Wrme, Kraftstoff)

Biog

as

B