Biogas ist ein Gemisch aus den Hauptkomponenten Methan, Wasserstoff, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff. Es entsteht bei der anaeroben (sauerstofffreien) Vergärung von organischem Material. Als Ausgangsstoffe für die technische Produktion von Biogas eignen sich 1. vergärbare, biomassehaltigen Reststoffe wie Klärschlamm, Biomüll oder Speisereste, 2. Wirtschaftsdünger (Gülle, Mist) oder 3. gezielt angebaute Energiepflanzen. Dabei stellt die Landwirtschaft mit 2. und 3. das größte Potenzial für die Produktion von Biogas. Je nach Herkunft kann man auch nach Klärgas (aus Kläranlagen), Deponiegas (aus Deponien) und Biogas (aus Biogasanlagen) unterscheiden.
Im Falle der unkontrollierten Entstehung durch natürliche Prozesse und der ungenutzten Entweichung in die Atmosphäre - aus Gewässern, Mist, Reisfeldern und tierischen Quellen wie Rindermägen - nennt man das Gas im allgemeinen Faulgas oder Sumpfgas.
Biogas enthält stets auch ungewünschte Bestandteile wie Schwefelwasserstoff, der ihm vor der technischen Nutzung entzogen wird. Biogas wird als Brennstoff für Blockheizkraftwerke zur Stromerzeugung oder zu Heizungszwecken genutzt.
Biogas aus Energiepflanzen
Analog zur Verwendung von Holz in Biomasse-Kraftwerken werden vermehrt Pflanzen gezielt zur Vergärung in Biogasanlagen und zur Produktion von Biogas angebaut. Dies können im Prinzip alle ackerbaulich genutzten Früchte oder Gras sein. Aktuell (2004) ist die Nutzung von Mais, Getreide (Acker) und Gras (Grünland) am weitesten verbreitet.
Zur Abschätzung der Nutzung für die Stromproduktion:
1 ha Mais = ca. 2 kW elektr. Dauerleistung; 1 ha Getreide = ca. 1,5 kW; 1 ha Gras = ca. 1 kW; Gülle von 1 Kuh = ca. 0,15 kW.
Biogaserzeugung
Die Biogaserzeugung findet in einer Biogasanlage statt. In dem gesteuerten Prozess der Biogasentstehung sind verschiedenste Arten von anaeroben Mikroorganismen beteiligt, deren Mengenverhältnis zueinander durch Ausgangsstoffe der Gärung, pH-Wert, Temperatur- und Gärungsverlauf beeinflusst wird. Aufgrund der Anpassungsfähigkeit dieser Mikroorganismen an die Prozessbedingungen können nahezu alle organischen Substanzen durch Gärung abgebaut werden. Lediglich höhere Holzanteile können durch das mikrobiell schwer zersetzbare Lignin schlecht verwertet werden. Voraussetzung für eine erfolgreiche Methanbildung ist ein hoher Wasseranteil im Ausgangssubstrat von mindestens 50 %.
Man unterscheidet nach dem heutigen Erkenntnisstand vier parallel bzw. nacheinander ablaufende und ineinandergreifende biochemische Einzelprozess, die den anaeroben Abbau biogener Substanzen ermöglichen:
- Während der Hydrolyse werden die Biopolymere in monomere Grundbausteine oder andere lösliche Abbauprodukte zerlegt. Hierbei kann festgestellt werden, dass Fette in Fettsäuren, Kohlenhydrate, wie z.B. Polysaccharide in Mono- oder Oligosaccharide und Proteine, wie Eiweiße in Peptide bzw. Aminosäuren zerlegt. Diese Reaktion wird durch fakultativ anaerobe Mikroorganismen kathalysiert, wobei diese durch Ausschüttiung von Exoenzymen die die hydrolyse der Edukte vollziehen. Dieser Reaktionsschritt ist - aufgrund der kompexizität des Ausgangsmaterials - der geschwindigkeitsbestimmende.
- Im Rahmen der Acidogenese (allg.-sprachlich auch als Fermentation bezeichnet) - die zeitgleich zur Hydrolyse stattfindet - werden die monomeren Interdukte einerseits in niedere Fett-/Karbonsäuen, wie z.B. Butter-, Propion- und Essigsäure, andererseits in nieder Alkohole, wie z.B. Ethanol, umgesetzt. Bei diesem Umsetzungsschritt verzeichnen die fakultativ anaeroben Mikroorganismen erstmals eine Energiegewinn. Bei dieser Umsetzung werden bereits bis zu 20% des Gesamtanteils an Essigsäure gebiltet.
- Während der Acetogenese werden die niedern Fett-/Karbonsäuen sowie die niederen Alkohole durch acetogene Mikroorganismen primär zu Essigsäure, bzw. dessem gelöstem Salz, dem Acetat umgesetzt.
- In der letzten, obligat anaerob ablaufenden Phase - der Methanogenese - werden die Essigsäure durch acetoclastische Methanbildner in Methan und Kohlendioxid sowie Kohlendioxid und Wasserstoff durch hydrogenolytische Methanbildner in Methan und Wasserdampf umgewandelt.
Zurück bleibt ein Gemisch aus nicht abbaubarem inertem organischem Material (z.B. Lignin) und nicht organischen Stoffen (Sand, Mineralien).
Entscheidend für den Wirkungsgrad einer Biogasanlage ist die bei der Verbrennung entstehenden Abwärme optimal für die Temperatursteuerung der Gärung einzusetzen.
Zusammensetzung
| Methan | 40-75 % |
| Kohlendioxid | 25-55 % |
| Wasserdampf | 0-10 % |
| Stickstoff | 0-5 % |
| Sauerstoff | 0-2 % |
| Wasserstoff | 0-1 % |
| Ammoniak | 0-1 % |
| Schwefelwasserstoff | 0-1 % |
Wertvoll im Biogas ist das Methan. Je höher dessen Anteil ist, desto energiereicher ist das Gas. Nicht nutzbar sind das Kohlendioxid und der Wasserdampf. Problematisch im Biogas sind vor allem der Schwefelwasserstoff und der Ammoniakanteil, die vor dem Verbrennungsvorgang entfernt werden müssen, um die Gasmotoren vor diesen chemisch aggressiven Substanzen zu schützen.
Literatur
- Top agrar, Das Magazin für moderne Landwirtschaft., "Biogas: Strom aus Gülle umd Biomasse. Planung, Technik, Förderung, Rendite." (2000) ISBN 3-7843-3075-4
- Barbara Eder und Heinz Schulz, "Biogas-Praxis. Grundlagen, Planung, Anlagenbau, Beispiele." (2. Aufl., 2001) ISBN 3-922964-59-1
- Das Buch vermittelt die Grundlagen der Biogasentstehung bzw. -erzeugung und behandelt die Anlagentechnik (Behälter, Rührwerke, Gasspeicher und die zugehörigen Betriebseinrichtungen) Ein eigenes Kapitel ist der Cofermentation organischer Reststoffe (z.B. aus der Lebensmittelverarbeitung) gewidmet, welche die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen verbessern kann. Mit einer Übersicht über Beratungsstellen und einem ausführlichen Lieferantenverzeichnis.