Biogas
Definition: ein brennbares Gas, gewonnen durch Vergärung von biologischen Materialien
Alternativer Begriff: Naturgas
Allgemeinere Begriffe: Biokraftstoff, Brenngas
Spezifischere Begriffe: Kompogas, Deponiegas, Klärgas
Englisch: biogas
Kategorien: Energieträger, erneuerbare Energie, Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke, Wärme und Kälte
Autor: Dr. Rüdiger Paschotta
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Ursprüngliche Erstellung: 16.03.2010; letzte Änderung: 20.08.2023
Biogas ist ein brennbares Gas, welches meist in Biogasanlagen durch Fermentation (Vergärung) von biologischen Materialien (Biomasse) gewonnen wird. In der Schweiz wird Biogas aus Grünabfällen auch als Kompogas bezeichnet; dies erinnert an Kompostierung, bei der allerdings kein Gas gewonnen wird. Mit Kompost ist hier der Rückstand der Biogaserzeugung gemeint, der meist als Dünger dient.
Biogas ähnelt dem Erdgas, enthält aber häufig größere Mengen von Kohlendioxid und Wasserdampf, eventuell auch giftigen Schwefelwasserstoff (H2S) und Ammoniak (NH3). Solche unerwünschten Stoffe werden direkt nach der Erzeugung teilweise abgetrennt; es entsteht zunächst Rohbiogas, welches noch deutlich weniger Methan enthält (z. B. 50 bis 75 %) als Erdgas (meist über 80 %). Der genannte Bereich von Methangehalten (50 bis 75 %) entspricht einem Heizwert von ca. 5 bis 7,5 kWh/m3.
Wenn Biogas mit aufwendigerer Reinigung (z. B. Druckwasserwäsche oder Druckwechseladsorption) auf Erdgasqualität aufbereitet wird, wird es auch als Bioerdgas oder Biomethan bezeichnet. Es hat dann einen ähnlichen Heizwert und Brennwert wie Erdgas.
Als Naturgas wird in der Schweiz ein Gemisch von Erdgas und Biogas bezeichnet.
Von Biogas zu unterscheiden ist Bio-Flüssiggas, welches vorwiegend aus Propan und Butan besteht.
Biogas darf ebenfalls nicht verwechselt werden mit EE-Gas, welches mit Hilfe elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird – ohne Verwendung biologischer Prozesse. Ebenfalls wird Gas, welches durch Biomassevergasung gewonnen wird, nicht als Biogas bezeichnet.
Rohstoffe für die Biogas-Erzeugung
Eine große Palette von Rohstoffen ist für die Biogaserzeugung einsetzbar:
- Diverse pflanzliche und tierische Abfallstoffe wie Küchenabfälle, Grassilage, Schweine-, Rinder- und Hühnermist, Schlachtabfälle und Gülle sind gut nutzbar, wobei häufig allein schon in der umweltschonenden Beseitigung dieser Abfallstoffe ein wesentlicher Nutzen liegt. (Gülle weist allerdings eine niedrige Energiedichte auf, so dass ihre Verwertung wirtschaftlich weniger attraktiv ist; jedoch setzt sie viel klimaschädliches Methan frei, wenn sie nicht energetisch verwertet wird.) Diverse Reststoffe bleiben nach der Vergärung übrig, sind jedoch als Dünger nutzbar, wobei die Geruchsbelastung gegenüber der von Gülle stark reduziert ist.
- Gezielt für die Biogasgewinnung werden Energiepflanzen wie Mais, Raps, Getreide und Zuckerrohr angebaut. Hier ergibt sich allerdings leicht eine Konkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion, und eine Vermaisung von Landschaften ist unerwünscht. (In 2010 wurden bereits rund 6 % der deutschen Ackerflächen für den Anbau von Energiemais verwendet.) Deswegen gibt es im Erneuerbare-Energien-Gesetz seit 2012 einen "Maisdeckel": Die anteilig eingesetzte Maismasse muss auf 60 % begrenzt bleiben.
- In Abfalldeponien entsteht aus organischen Materialien (z. B. Küchenabfällen) so genanntes Deponiegas frei, welches allein schon deswegen genutzt werden sollte, weil das sonst in die Atmosphäre gelangende Methan sehr klimaschädlich ist – weit mehr als das bei der Verbrennung entstehende Kohlendioxid. (In manchen Fällen erfolgt auch eine Abfackelung ohne Nutzung der Wärme.) Ähnlich entsteht Klärgas durch Gärprozesse in Kläranlagen und wird dann in der Regel direkt in einem Blockheizkraftwerk der Kläranlage verwertet.
Eine hohe Feuchte der Rohstoffe ist für eine Biogasanlage (anders als für Verbrennungsanlagen) kein Problem. Jedoch macht die geringe Energiedichte des Materials den Transport über längere Strecken unwirtschaftlich. Deswegen werden Biogasanlagen in aller Regel dezentral aufgestellt – dort, wo die jeweiligen Rohstoffe anfallen. Die erzeugte elektrische Energie oder auch das Bioerdgas (siehe unten) können wesentlich leichter transportiert werden.
Nicht geeignet für die Biogasherstellung sind lignifizierte Materialien wie Holz, da diese von den Mikroorganismen kaum verwertet werden können.
Funktionsweise von Biogasanlagen
Frische Rohstoffe (als "Substrat" bezeichnet) werden regelmäßig in den Fermenter befördert (häufig über eine Vorgrube). Der Fermenter ist ein geschlossener Behälter, in dem die Rohstoffe in Abwesenheit von Sauerstoff erwärmt werden. Manche Anlagen arbeiten im mesophilen Temperaturbereich (35–40 °C), andere im thermophilen (50–55 °C). Bei diesen Temperaturen zersetzen Mikroorganismen die organischen Stoffe und bilden dabei das Biogas. Der Fermenter wird durch Verbrennung eines Teils des Biogases (oft mit Abwärme eines gasbetriebene Stromerzeugers) warm gehalten und ist wärmegedämmt, um den Wärmebedarf klein zu halten. Ein Teil der benötigten Wärme wird auch von den Bakterien selbst erzeugt. Eine gute Regelung der Temperatur ist wichtig, da die Bakterienpopulation empfindlich auf ungünstige Temperaturen (vor allem auf zu hohe) reagieren kann. Insbesondere im Sommer kann eine unkontrollierte Selbsterwärmung des Fermenters Probleme verursachen.
Das Biogas sammelt sich oben unter einer Kunststoffmembran und wird über eine Rohrleitung abgeführt. Das Gärgut gelangt in modernen Anlagen nach dem Fermenter in einen Nachgärer, wo weiteres Biogas entsteht.
Verwendung von Biogas
Biogas kann vielfältig verwendet werden:
- In Heizkesseln kann Biogas das chemisch ähnliche Erdgas ersetzen.
- Gasmotoren in Fahrzeugen oder in Blockheizkraftwerken können mit Biogas betrieben werden, ggf. auch mit Erdgas gemischt. Biogas ist gleichermaßen geeignet für den Einsatz in Grundlast- und Spitzenlast-Kraftwerken mit und ohne Nutzung der Abwärme z. B. über Nah- und Fernwärmenetze (→ Kraft-Wärme-Kopplung). In Verbindung mit anderen erneuerbaren Energien ist Biogas insbesondere für die Spitzenlast-Erzeugung interessant, was jedoch die Abwärmenutzung erschwert.
- Nach geeigneter Aufbereitung (insbesondere Entfernung von CO2 und Wasserdampf) und Kompression kann Biogas als Biomethan (Bioerdgas) in das Erdgasnetz eingespeist werden. Dies ermöglicht eine breitere Nutzung, beispielsweise in Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken, Heizkesseln und Erdgas-Fahrzeugen. Ein wichtiger Aspekt ist auch, dass das Gasnetz so als Speicher verwendet werden kann: Die Verstromung kann stärker am Strombedarf orientiert werden, ohne dass zusätzliche Speicher benötigt werden.
- Auch für besondere Arten von Brennstoffzellen, die jedoch noch nicht sehr weit entwickelt sind, ist Biogas verwendbar. Auf diese Weise könnte in Zukunft auf effiziente und geräuschlose Weise Strom und Wärme produziert werden.
Häufig wird Biogas direkt am Ort der Erzeugung genutzt. Für die Verteilung über kleine Distanzen kann auch ein Mikrogasnetz verwendet werden.
Rolle des Biogases im Rahmen der Energiewende
Die in Deutschland begonnene Energiewende soll langfristig in Richtung zu einer annähernden Vollversorgung mit erneuerbarer Energie führen. Biogas spielt hierbei keine unwesentliche Rolle – nicht nur, weil sie zusätzliche Mengen von Energie bereitstellen kann, sondern vor allem auch weil diese Bereitstellung zeitlich gezielter erfolgen kann als Ergänzung von Windenergie und Sonnenenergie, die wetterabhängig anfallen. Beispielsweise kann ein Biogaskraftwerk Teil eines virtuellen Kraftwerks sein und dort gezielt das schwankende Angebot von Wind- und Solarstrom ausgleichen.
Eine bedarfsgerechtere Erzeugung ist auf zwei verschiedene Weisen möglich:
- Das erzeugte Gas kann in Zeiten geringeren Strombedarfs gespeichert werden, so dass die Verstromung in Zeiten mit höherem Bedarf intensiviert werden kann. Diese Methode ist hauptsächlich für den Ausgleich der tageszeitlichen Schwankungen nützlich, aber kaum als saisonaler Speicher geeignet.
- Für die Speicherung über längere Zeiträume kann es günstiger sein, die Rohstoffe zu lagern.
In jedem Fall wird ein Stromerzeuger mit entsprechend höherer Leistung benötigt, der dann mit einer geringeren Auslastung (einer niedrigeren Anzahl von Volllaststunden pro Jahr) arbeitet. Dies erhöht zwar die Anlagekosten, kann aber für höhere Vergütungen genutzt werden. In Deutschland gibt es für Biogas-Stromerzeuger, deren Strom direkt an der Strombörse vermarktet wird, seit 2012 eine Flexibilitätsprämie, d. h. einen Zuschuss für Anlagen, die eine erhöhte Leistung und Gasspeicher zwecks bedarfsgerechterer Einspeisung haben. Zusätzlich können damit an der Strombörse höhere Erträge erwirtschaftet werden.
In Deutschland wurden in 2019 bereits gut 50 TWh elektrische Energie aus Biomasse gewonnen, wovon ca. 58 % (29 TWh) aus Biogas kamen und zusätzlich knapp ein Zehntel dieser Summe aus Biomethan, also weiter verarbeitetem Biogas. Zudem werden jährlich gut 10 TWh in das Erdgasnetz eingespeist.
Ökologische Aspekte
CO2-neutraler Brennstoff
Ein großer Vorteil von Biogas im Vergleich zu Erdgas ist, dass seine Verwendung annähernd CO2-neutral ist: Bei der Verbrennung wird zwar Kohlendioxid frei, jedoch wird in etwa die gleiche Menge beim Wachstum der Pflanzen aufgenommen bzw. würde auch ohne Nutzung z. B. durch die Verrottung von Abfällen frei. Wo Methan z. B. auf Deponien oder aus Gülle entsteht, ist seine Nutzung ökologisch noch zusätzlich dadurch geboten, dass sonst in die Atmosphäre gelangendes Methan sehr klimaschädlich wäre.
Allerdings ist zu beachten, dass der Anbau der Pflanzen ebenfalls einen erheblichen Energieeinsatz erfordert. Beispielsweise ist die Herstellung von Stickstoffdüngern sehr energieaufwendig. Solange nur Abfälle verwendet werden, die ohnehin anfallen, spielt dies für die Klimabilanz des Biogases keine Rolle. Wenn jedoch extra Energiepflanzen angebaut werden, müssen die dabei entstehenden Emissionen genauso wie andere Umweltbelastungen dem Biogas angerechnet werden. Dies kann die gesamte Umweltbilanz erheblich belasten. Insbesondere Landnutzungsänderungen – auch indirekte an anderen Orten – können hier eine große Rolle spielen. Im Übrigen sind die CO2-Vermeidungskosten bei Energiepflanzen recht hoch: erheblich höher als z. B. bei Windenergie.
Klimawirkung von Methanemissionen
Ein Problem bei der Biogasgewinnung und -nutzung ist der Methanschlupf, d. h. dass an verschiedenen Stellen ein kleiner Teil des Methans in die Atmosphäre entweichen kann:
- Sowohl in Beschickungseinrichtungen als auch in nicht gasdicht abgedeckten Gärrestlagern kann Methan entweichen. Ebenso gibt es häufig Methanverluste durch Undichtigkeiten, z. B. wo die abdeckende Membran an der Wand des Fermenters befestigt ist oder bei Rohranschlüssen.
- Bei der Aufbereitung des Biogases für die Einspeisung in das Erdgasnetz als Biomethan können je nach Verfahren bis zu einigen Prozent des Methans verloren gehen und ebenfalls in die Atmosphäre gelangen. Es gibt bereits Verfahren, bei denen weniger als 0,1 % verloren gehen, womit dieses Problem dann weitestgehend gelöst ist.
- Auch bei der direkten Verstromung des Biogases etwa in Blockheizkraftwerken kann es einen erheblichen Methanschlupf geben. Dies hängt stark von der Art des Gasmotors ab: Zündstrahlmotoren sind hier erheblich ungünstiger als Ottomotoren. Ein Abgaskatalysator führt nicht unbedingt zur Oxidation des Methans, und er erfordert eine Vorbehandlung des Gases (die Entfernung gewisser aggressiver Schadstoffe).
- In Zeiten, in denen die Anlage für die Verstromung z. B. wegen Wartung oder Defekten nicht betrieben werden kann, muss das erzeugte Biogas, sofern es nicht gespeichert werden kann, unbedingt abgefackelt werden, damit es nicht in die Atmosphäre entweicht.
Der Methanschlupf ist sehr bedenklich, weil die Treibhauswirkung des Methans ca. 25 mal höher ist als die von Kohlendioxid (pro kg). Auf diese Weise kann die Klimaneutralität des Biogases weitgehend zunichte gemacht werden; es kann sogar eine stärkere Klimabelastung als bei der Verwendung von fossilem Erdgas entstehen. Es ist daher essenziell, die Verfahren der Biogasgewinnung und -aufbereitung entsprechend zu optimieren.
Leckagen lassen sich mit speziellen Gaskameras aufspüren. Es handelt sich um Infrarotkameras, auf deren Bildern sich Leckagen wie Rauchwolken äußern. Für das bloße Auge wären sie unsichtbar.
Die Ortung und Beseitigung von Leckagen ist nicht nur wegen der Klimabelastung durch Methan wichtig, sondern auch wegen des sonst auftretenden Energieverlusts und einer möglichen Explosionsgefahr.
Schadstoffe in den Abgasen
Die Abgase von mit Biogas betriebenen Heizkesseln, Verbrennungsmotoren und Gasturbinen sind denen mit dem Betrieb von Erdgas ähnlich, jedoch ist u. U. der Gehalt an Schwefeldioxid (SO2) höher (abhängig von der Qualität der Gasaufbereitung). Außerdem haben Verbrennungsmotoren für Biogas häufig höhere Stickoxidemissionen, da sie ohne einen Katalysator arbeiten, der durch Verunreinigung des Biogases sonst geschädigt würde.
Geruchsbelästigung
Verschiedentlich klagen Anwohner von Biogasanlagen über starke Geruchsbelästigungen. Das Ausmaß dieses Problems hängt stark von der Art und Betriebsweise der Anlage ab, und natürlich auch davon, wie nahe bei Wohnhäusern die Anlage betrieben wird.
Lärmemissionen
Wenn das Biogas am Ort z. B. in einem Blockheizkraftwerk verstromt wird, können durch den Gasmotor gewisse Lärmemissionen verursacht werden. Diese lassen sich durch entsprechende Lärmdämmung minimieren.
Ökologische Gesamtbilanz
Eine umfassende Ökobilanz für Biogas ist aufwendig zu erstellen und hängt sehr von den jeweiligen Gegebenheiten ab. Jedoch kann allgemein gesagt werden, dass insbesondere bei der Verwertung von Abfallstoffen wie Pflanzenresten oder Gülle die ökologische Bilanz der Biogasnutzung in der Regel sehr positiv ist. Deutlich weniger günstiger aber ist die Bilanz, wenn Energiepflanzen unter Aufwand von fossiler Energie, Düngemitteln und Pestiziden angebaut werden. Unter Umständen kann jeglicher Klimaschutzeffekt dadurch entfallen oder sogar ins Gegenteil verkehrt werden, dass durch Methanschlupf und/oder Lachgasemissionen beim Anbau Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen.
Der Artikel über Biomasse enthält weitere Details zur ökologischen Problematik des Biomasseanbaus.
Förderung von Erzeugung und Einsatz von Biogas
Wegen der meist deutlichen ökologischen Vorteile von Biogas (siehe oben) werden die Erzeugung und der Einsatz von Biogas vielerorts staatlich gefördert:
- Es gibt mancherorts Fördergelder für die Errichtung von Biogasanlagen sowie für die Forschung für die Verbesserung solcher Anlagen.
- Mit einer gesetzlich vorgeschriebenen Einspeisevergütung für elektrische Energie aus Biogas wird der Betrieb von Blockheizkraftwerken z. B. in Deutschland subventioniert. Ähnliches geschieht für die Einspeisung von Bioerdgas in das Erdgasnetz.
- In Deutschland wird seit 2004 zusätzlich ein "Nawaro-Bonus" in erheblicher Höhe ausgezahlt (Nawaro = nachwachsende Rohstoffe), um die Verwendung von eigens für Biogas angebauten Energiepflanzen wirtschaftlich zu machen. Der Wissenschaftliche Beirat Agrarpolitik des deutschen Landwirtschaftsministeriums sowie manche Umweltverbände fordern allerdings die Abschaffung dieses Bonus für neue Anlagen [6], da der damit geförderte Anbau erhebliche Nachteile aufweist (siehe oben) und hohe CO2-Vermeidungskosten aufweist. Sinnvoller ist ein Güllebonus, der allerdings voraussetzen sollte, dass eine Anlage hauptsächlich Gülle verwendet.
Leider zeichnet sich auch nach etlichen Jahren der Förderung von Biogas nicht ab, dass starke Kostensenkungen wie z. B. bei Windenergie und Photovoltaik möglich wären. Fortschritte bei den Anlagen wurden in etwa ausgeglichen durch zunehmende Preise der Substrate. Von daher ist nicht zu erwarten, dass Biogas in absehbarer Zeit ohne staatliche Förderung konkurrenzfähig werden könnte.
Literatur
[1] | ena-Fact Sheet: Das Biogasregister Deutschland, https://www.biogasregister.de/ |
[2] | Basisdaten Bioenergie Deutschland 2021 von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., https://www.fnr.de/fileadmin/Projekte/2020/Mediathek/broschuere_basisdaten_bioenergie2020_web.pdf |
[3] | H. Bachmaier et al., "Treibhausgasemissionen der Energieproduktion aus Biogas", Biogas Forum Bayern (2009) |
[4] | BIOGAS forum, http://www.biogas.ch/ |
[5] | S. Baum et al., "Methanverluste bei der Biogasaufbereitung", https://www.infothek-biomasse.ch/images/1152008_BFE_Methanverluste_bei_der_Biogasaufbereitung.pdf, Studie im Auftrag des schweizerischen Bundesamts für Energie (2008) |
[6] | Stellungnahme zur Förderung der Biogaserzeugung durch das EEG vom Wissenschaftlichen Beirat für Agrarpolitik beim Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (April 2011), https://www.bmel.de/SharedDocs/Downloads/DE/_Ministerium/Beiraete/agrarpolitik/StellungnahmeEEG.html;jsessionid=CD3F55743DBB1681DE95619488542198.live922 |
Siehe auch: erneuerbare Energie, Klärgas, Erdgas, Biomethan, Bio-Flüssiggas, Biomasse, Energiepflanzen, CO2-neutral, Methanschlupf, Gasmotor, Deponiegas, EE-Gas, Biomassevergasung
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