Biogas ist ein Gasgemisch, welches bei der anaeroben Zersetzung von organischem Material entsteht und hauptsächlich aus Methan, Kohlenstoffdioxid und anderen Spurengasen (H2S, H2O, …) besteht. Biogas kann aus verschiedenen natürlichen oder künstlichen Substraten, die durch einen bakteriellen Prozess zerfallen, erzeugt werden. Der erneuerbare kohlenstoffneutrale Energieträger Biogas wird vorwiegend zur Gewinnung von Strom, Wärme oder wertvollem organischem Dünger benutzt.
Zusammensetzung
Biogas besteht größtenteils aus Methan und Kohlenstoffdioxid und aus Spuren von Schwefelwasserstoff, Stickstoff und in verschiedenen Fällen aus Siloxane. Die typische Zusammensetzung ist der folgenden Tabelle zu entnehmen.
| Typische Biogas Zusammensetzung. | ||
| Bestandteil | Formel | Konzentration |
| Methane | CH4 | 50 - 75 vol.-% |
| Carbon dioxide | CO2 | 25 - 45 vol.-% |
| Water vapour | H2O | 2 - 7 vol.-% |
| Oxygen | O2 | < 2 vol.-% |
| Nitrogen | N2 | < 2 vol.-% |
| Ammonia | N2 | < 1 vol.-% |
| Hydrogen | H2 | < 1 vol.-% |
| Hydrogen sulphide | H2S | 20 - 20.000 ppm |
| Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) | ||
Der Energiegehalt von Biogas hängt von dessen Methangehalt ab. Die Zusammensetzung des Biogases vor allem von der Auslegung und Ausführung der anaeroben Gärung und der Eigenschaften der eingesetzten Biomasse bestimmt.
Rohstoff
Biogas kann aus einer großen Auswahl von Rohmaterialien, welche zur anaeroben Gärung geeignet sind, produziert werden. Potenzielle Rohstoffe sind Biomassen oder Abfallsubstrate in Form von Feststoffen, Schlämmen oder Flüssigkeiten, welche aus dem landwirtschaftlichen, industriellen oder öffentlichen Sektor stammen.
- Landwirtschaftliche Abfälle
- Gülle oder Dung
- Schlamm aus Kläranlagen
- Hausmüll (Biomüll, Essensreste)
- Energiepflanzen
Der Biogasertrag und der Methangehalt von verschiedenen organischen Materialien sind in folgender Abbildung C aufgelistet.
Abbildung C: Biogasertrag verschiedener organischer Substrate
Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)
Produktion
Biogas entsteht durch eine anaerobe Gärung. In diesem biologischen Prozess wird organisches Material unter Ausschluss von Sauerstoff (i.e. anaerob) von Bakterien zersetzt.
Die Hauptschritte der anaeroben Gärung sind:
- Hydrolyse: Abbau der organischen Materie in lösliche organische Bestandteile durch Mikroorganismen
- Acido- und Acetogenese: Umwandlung der zersetzten Materie in organische Säuren
- Methanogenese: Umwandlung der organischen Säuren in Methanreiches Gas (Biogas)
Das restliche nicht zersetzbare Material und die toten Mikroorganismen, welche wichtige Nährstoffe wie zum Beispiel Nitrate oder Kalium enthalten, können als Dünger verwendet werden. Diese Gärreste können als Alternative zu chemisch erzeugten Düngern verwendet werden.
Der anaerobe Prozess bei dem Biogas entsteht erfolgt in einem Fermenter. Dieser Fermenter ist zugedeckt (i.e. unter einer flexiblen Membran) um das entstehende Gas einzufangen und es später zur Erzeugung von Wärme und Elektrizität zu verwenden, es in das Gasnetz einzuspeisen oder es im Notfall in einer Gasfackel abzufackeln.
Vorteile
Biogas hat viele Vorteile, vor allem im Hinblick auf die nachhaltige Entwicklung und den Umwelt- und Klimaschutz:
- Erneuerbare und lokale Quelle:
- Leicht verfügbar und nachhaltig
- Unabhängige Versorgung
- Kohlenstoffneutral (wenn verbrannt)
- Trägt nicht zum Treibhauseffekt bei
- Verringerte Abfallmenge
- Gärreste ersetzen industrielle Mineraldünger (flüssige und feste organische Dünger)
Anwendungen
Biogas wird entweder in einem Gasmotor, einem Blockheizkraftwerk oder einer Brennstoffzelle verbrannt um erneuerbare Energie zu gewinnen. Die Hauptanwendungen sind:
The main applications are:
- Stromerzeugung
- Wärmeerzeugung
- Raumheizung
- Warmwasser
- Kälteerzeugung (Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung)
- Transportkraftstoff (komprimiertes natürliches Gas)
Der typische Wirkungsgrad eines Blockheizkraftwerkes liegt bei 85-90%, bei einem elektrischen Wirkungsgrad von 28-47% und einem thermischen Wirkungsgrad von 34-55%.
Fakten und Potentiale
Eine durchschnittliche Biogasanlage mit einer installierten Leistung von 190 kWel kann den Strombedarf von 450 Haushalten und den Wärmebedarf von 30 Haushalten decken. Dies vermeidet im Durchschnitt 650 Tonnen CO2 Emissionen und substituiert 20 Tonnen Mineraldünger.
Typische Werte für Biogasanlagen sind:
| 1 m3 Biogas | = 5.0 to 7.5 kWh = 1.5 to 3 kWhel |
| 1 ha Silomais | = 7800-10000 m3 Biogas = 16 -18 MWhel |
| 1 Stück Vieh | = 20m3/y Gülle = 650 m3/y Biogas = 0.15 kWel |
| Quelle: Fachverband Biogas E.V. | |
Regionale Entwicklung
Die Entwicklung von Biogas als Energiequelle variiert sehr stark in Europa (Abbildung D). Deutschland stellt, mit fast 50% des in Europa erzeugten Biogases, den größten Erzeuger dar. In Luxemburg ist die produzierte Biogasmenge zwischen den Jahren 2002 und 2013 um einen Faktor 8 gestiegen, und erreichte im Jahr 2013 15,2 kt Heizöl-Äquivalent.
Abbildung D: Entwicklung der Biogas Produktion (ausgedrückt in Heizöl-Äquivalent) in verschiedenen europäischen Ländern
Quelle: Angepasst von der Eurostat Datenbank
