Infowelt Energie
Wie funktioniert eine Biogasanlage?
Biogasanlagen wandeln nachwachsende Rohstoffe in Biogas um. Aber wie funktioniert eine Biogasanlage genau und wie viel Strom lässt sich damit tatsächlich erzeugen?
Inhaltsverzeichnis
Biogasanlagen: Energie aus Abfall
So funktioniert die Biogasanlage
Aufbau einer Biogasanlage
Komponenten einer Biogasanlage
Der Prozess der Biogaserzeugung
Woraus kann man Biogas herstellen?
Aus Biogas Strom erzeugen mit dem Blockheizkraftwerk
Biogasanlagen: Das sind die Vor- und Nachteile
Mini-Biogasanlagen für den Hausgebrauch
Biogasanlagen: Energie aus Abfall
Eine Biogasanlage erzeugt aus pflanzlichen und tierischen Stoffen Energie in Form von Biogas. Das produzierte Biogas kann aufbereitet in das Gasnetz eingespeist oder mittels eines Blockheizkraftwerks (BHKW) in Strom umgewandelt werden. Weil sie ohne fossile Brennstoffe auskommt, ist die Biogasanlage eine erneuerbare Energiequelle.
So funktioniert die Biogasanlage
Die Funktionsweise von Biogasanlagen ist immer gleich: In einem großen luftdichten Behälter, dem so genannten Fermenter, wird Biomasse mithilfe von Mikroorganismen in Biogas umgewandelt. Diesen Prozess nennt man anaerobe Vergärung. Wie viel Gas auf diese Weise hergestellt werden kann, hängt unter anderem von der Zusammensetzung der eingesetzten Biomasse ab, die auch als Substrat bezeichnet wird. Besonders landwirtschaftliche Betriebe setzen vermehrt auf Biogasanlagen. Der Grund: Das nötige Material für die Biogasherstellung fällt auf den Höfen meist ohnehin an. Als Nebenprodukt entsteht außerdem hochwertiger Dünger – der dann gleich auf den Feldern eingesetzt werden kann.
Komponenten einer Biogasanlage
1. Vorgrube
Die Vorgrube ist das erste Element einer Biogasanlage. Hier lagert das für die Gasgewinnung vorgesehene Substrat. Falls nötig, wird die Biomasse in der Vorgrube zerkleinert oder anderweitig aufbereitet.
2. Fermenter
Als Fermenter bezeichnet man den Behälter, in dem die Biomasse unter Ausschluss von Sauerstoff abgebaut wird. Dazu werden spezielle Bakterien eingesetzt, die durch eine Rührvorrichtung mit dem Substrat vermischt werden. Im Laufe dieses Prozesses, der auch als anaerobe Vergärung bezeichnet wird, entsteht Biogas. Wichtig dafür ist, dass der Fermenter luft-, gas- und wasserdicht ist, kein Licht hindurchlässt und eine konstante Temperatur hält.
3. Gärrückstandslager
Im Gärrückstandslager lagern die Reste aus dem Fermenter, die nach dem Zersetzungsprozess zurückbleiben. Die Gärreste sind reich an Nährstoffen und werden daher als Dünger verwendet.
4. Gasreinigungsanlage
Soll das hergestellte Biogas in das Erdgasnetz eingespeist werden, muss es zunächst aufbereitet werden. Dies geschieht in der Gasreinigungsanlage. Hier wird das Biogas unter anderem entschwefelt, getrocknet und zu Biomethan verarbeitet.
5. Blockheizkraftwerk (BHKW)
In einem Blockheizkraftwerk kann das produzierte Biogas in Strom umgewandelt werden. Ein Motor verbrennt dafür das Gas und erzeugt so Energie und Wärme. Der produzierte Strom aus dem Biogaskraftwerk kann dann entweder direkt vor Ort genutzt oder in das Stromnetz eingespeist werden.
Der Prozess der Biogaserzeugung
Für die Herstellung von Biogas in einem luftdichten Fermenter sind im Wesentlichen zwei wichtige Komponenten notwendig: ein geeignetes Substrat und unterschiedliche Mikroorganismen, also Bakterien. Nur so kann die anaerobe Vergärung stattfinden.
Im Fermenter wird das Substrat mit den Mikroorganismen vermischt und auf mindestens 32 Grad Celsius erwärmt. Die Bakterien ernähren sich von der Biomasse und zersetzen diese im Zuge ihres Stoffwechselprozesses in Methan und Kohlendioxid. Zusätzlich entsteht Schwefelwassersstoff. Dieser muss dem Biogas anschließend entzogen werden, damit das Gas als Energiequelle nutzbar wird.
Grundsätzlich lässt sich der Vergärungsprozess in einer Biogasanlage in vier Schritte einteilen:
1. Hydrolyse (Verflüssigungsphase)
In dieser Phase der Biogasgewinnung werden langkettige organische Verbindungen in kleinere Moleküle zerteilt, die sich dann wiederum neu zusammenschließen können. So werden beispielsweise aus Kohlenhydraten Zucker oder aus Proteinen Aminosäuren.
2. Acidogenese (Versäuerungsphase)
Während dieser Phase sorgt ein anderer Bakterienstamm dafür, dass die Produkte der Hydrolyse verstoffwechselt und zu organischen Säuren und Alkoholen abgebaut werden.
3. Acetogenese (Essigsäurephase)
Wiederum andere Bakterien übernehmen den Abbau der Säuren und Alkohole in Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid.
4. Methanogenese (Methanbildungsphase)
In dieser vierten und letzten Phase werden die entstandenen Stoffe in Methan umgewandelt. Dafür verantwortlich sind spezielle Mikroorganismen, die Archaea. Sie produzieren Methan und beenden somit den Prozess der Biogasgewinnung.
Woraus kann man Biogas herstellen?
Als Substrat eignen sich unterschiedlichste Stoffe pflanzlichen oder tierischen Ursprungs. Je nachdem, welches Substrat in der Biogasanlage genutzt wird, entsteht unterschiedlich viel Biogas. Besonders viel Gas lässt sich aus Mais-, Getreide- oder Grasresten herstellen. Bioabfälle, Gülle und andere landwirtschaftliche Abfallprodukte eignen sich ebenfalls als Biomasse. Cellulose- und Holzfasern sollten jedoch nicht verwendet werden, da die Mikroorganismen in der Biogasanlage sie nur schwer abbauen können.
Oft bauen Biogaserzeuger:innen auch Energiepflanzen wie Mais oder Raps speziell für die Herstellung von Biogas an. Die Kritiker:innen von Biogasanlagen sehen hier ein großes Problem. Denn für die Erzeugung der Energiepflanzen werden Ackerflächen benötigt, die dann nicht mehr für andere Zwecke – zum Beispiel den Abbau von Nahrungsmitteln – genutzt werden können.
Aus Biogas Strom erzeugen mit dem Blockheizkraftwerk
Ein Großteil des in Deutschland produzierten Biogases wird direkt in Blockheizkraftwerke (BHKW) weitergeleitet und hier in Strom und Wärme umgewandelt. Das Biogas dient im BHKW als Brennstoff für einen Motor, der wiederum einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Der so entstandene Strom kann nun entweder direkt genutzt oder in das Stromnetz eingespeist werden. Die Wärmeenergie, die bei der Verbrennung des Biogases entsteht, wird mittels eines Wasserkreislaufes aufgenommen. Das aufgewärmte Wasser kann so beispielsweise für das Heizen von Wohnräumen und Gewächshäusern oder zur Temperaturregulierung des Fermenters genutzt werden. Alternativ kann überschüssige Wärme auch in ein Nahwärmenetz eingespeist werden.
Wie viel Strom erzeugt eine Biogasanlage?
Wie viel Strom sich mit einer Biogasanlage erzeugen lässt, hängt von mehreren Faktoren ab. Entscheidend ist unter anderem die Wahl des eingesetzten Substrats, die Größe der Biogasanlage sowie die Leistungsfähigkeit des Blockheizkraftwerks. Außerdem hat nicht jedes Biogas den gleichen Anteil an Methan. Auch dieser ist ausschlaggebend für die Menge an Energie, die sich aus Biogas gewinnen lässt.
Je nach Höhe des Methananteils lassen sich aus einem Kubikmeter Biogas 1,9 bis 3,2kWh Strom erzeugen. Eher kleine Biogasanlagen haben in etwa eine Leistung von 30 Kilowatt. Damit lässt sich eine Menge an Strom erzeugen, die ausreicht, um ein größeres Einfamilienhaus zu versorgen. Große, industriell genutzte Biogasanlagen haben hingegen eine Leistung von mehreren Megawatt. Insgesamt werden in Deutschland aktuell fast 10.000 Biogasanlagen betrieben, die eine elektrische Leistung von mehr als 5.600 Megawatt erzeugen. So decken Biogasanlagen rund 5,4 Prozent des deutschen Stromverbrauchs ab und beliefern mehr als neun Millionen Haushalte in Deutschland mit Strom. Die Wärme, die durch die Verbrennung von Biogas entsteht, macht heute etwa zehn Prozent der produzierten Wärme aus erneuerbaren Energien aus.
Biogasanlagen: Das sind die Vor- und Nachteile
Grundsätzlich bieten Biogasanlagen eine vielversprechende Möglichkeit, Energie und Wärme aus nachwachsenden Rohstoffen zu erzeugen. Gegenüber anderen erneuerbaren Energiequellen hat Biogas entscheidende Vorteile: Biogasanlagen sind weniger abhängig von Witterungsbedingungen, brauchen verhältnismäßig wenig Platz und produzieren sehr kontinuierlich Energie. Biogas lässt sich darüber hinaus einfacher speichern als Energie aus Windkraft- oder Photovoltaikanlagen. Für landwirtschaftliche Betriebe ist außerdem der Dünger ein großes Plus, der als Nebenprodukt anfällt. Ein weiterer Vorteil: Die Besitzer:innen von Biogasanlagen profitieren von staatlichen Förderungen.
Wie bereits erwähnt, gibt es allerdings auch kritische Stimmen zu der Nutzung von Biogasanlagen. Die Inanspruchnahme von Ackerland für den Anbau von Energiepflanzen wird dabei besonders angeprangert. Als Nachteil gilt außerdem, dass bei der anaeroben Vergärung unangenehme Gerüche entstehen können, die für Ärger unter Anwohner:innen im Umfeld sorgen können. Ein weiterer Kritikpunkt: Ein geringer Teil des Methans, der bei der Herstellung von Biogas entsteht, kann während des Prozesses in die Atmosphäre entweichen. Methan ist ein klimaschädliches Gas und hat einen höheren Treibhauseffekt als Kohlendioxid.
Mini-Biogasanlagen für den Hausgebrauch
Biogasanlagen sind nicht nur interessant für landwirtschaftliche Betriebe und Industriestandorte. Mittlerweile gibt es Biogasanlagen im XS-Format, die auch für den heimischen Garten geeignet sind und genug Strom erzeugen können, um beispielsweise Küchengeräte einige Stunden lang zu betreiben. Hochwertigen Dünger für den eigenen Garten gibt es als Nebenprodukt gratis dazu.
Aber Achtung: Für den Balkon sind die kleinen Biogasanlagen eher ungeeignet, da sie mehrere Quadratmeter an Grundfläche in Anspruch nehmen. Darüber hinaus benötigen die Biogasanlagen für den Hausgebrauch eine ganze Menge Biomasse, um effizient zu arbeiten und Biogas zu erzeugen. Meist sind mehrere Kilo an Substrat – zum Beispiel in Form von Lebensmittelresten – notwendig, damit die Anlagen ihren Zweck erfüllen. Außerdem sind die kleinen Biogasanlagen nichts für Ungeduldige: Nach der Inbetriebnahme dauert es circa ein bis vier Wochen, bis das erste Biogas fließt. Bei dem bekanntesten Anbieter der Mini-Biogasanlagen aus Israel kostet eine solche Anlage etwa ab 1.000 Euro aufwärts – je nach Größe und Ausführung.
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