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Biogas

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Definition: ein brennbares Gas, gewonnen durch Vergärung von biologischen Materialien

Englisch: biogas

Kategorien: Energieträger, erneuerbare Energie, Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 16.03.2010; letzte Änderung: 17.08.2016

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.

Biogas darf 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:

Es gibt sehr unterschiedliche Ausgangsstoffe für die Biogasherstellung. Ihre Ökobilanzen sind auch sehr unterschiedlich.

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.

Biogasanlage

Abbildung 1: Eine kleine Anlage zur Herstellung von Verstromung von Biogas aus Gülle und Grünabfällen. Foto: Schweizerische Vereinigung für Sonnenenergie SSES.

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 auf ca. 40 °C erwärmt werden. Bei dieser Temperatur zersetzen Mikroorganismen die organischen Stoffe und bilden dabei das Biogas. Der Fermenter wird durch Verbrennung eines Teils des Biogases warm gehalten und ist wärmegedämmt, um den Wärmebedarf klein zu halten. 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:

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. Voraussichtlich wird Biogas hierbei eine wesentliche Rolle spielen. Dies 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:

Der Vorteil der bedarfsgerechten Stromerzeugung mit Biogas wird bisher noch kaum ausgenutzt. Er wird voraussichtlich immer wichtiger werden.

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.

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:

Methanemissionen durch die Biogaserzeugung müssen unbedingt minimiert werden. Sonst wird die Klimabilanz ruiniert.

  • 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

Die Ökobilanz von Biogas hängt sehr stark von den Umständen ab, v. a. von den verwendeten Substraten.

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:

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, http://www.dena.de/fileadmin/user_upload/Publikationen/Stromnutzung/Dokumente/dena-Fact_Sheet_Biogasregister.pdf
[2]H. Bachmaier et al., "Treibhausgasemissionen der Energieproduktion aus Biogas", Biogas Forum Bayern (2009)
[3]BIOGAS forum, http://www.biogas.ch/
[4]S. Baum et al., “Methanverluste bei der Biogasaufbereitung”, http://www.bfe.admin.ch/php/modules/enet/streamfile.php?file=000000010108.pdf&name=000000280218, Studie im Auftrag des schweizerischen Bundesamts für Energie (2008)
[5]Stellungnahme zur Förderung der Biogaserzeugung durch das EEG vom Wissenschaftlichen Beirat für Agrarpolitik beim Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (April 2011), http://www.bmelv.de/SharedDocs/Downloads/Ministerium/Beiraete/Agrarpolitik/StellungnahmeEEG.html

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: erneuerbare Energie, Klärgas, Erdgas, Biomethan, Biomasse, Energiepflanzen, CO2-neutral, Methanschlupf, Gasmotor, Deponiegas, EE-Gas, Biomassevergasung
sowie andere Artikel in den Kategorien Energieträger, erneuerbare Energie, Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke, Wärme und Kälte

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