WärmekraftkopplungEinleitungBiogas , Biochemie der Pflanzen
Biogaspotential , Biogasentstehung
Biogaszusammensetzung und Eigenschaften
Einleitung
Die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme nutzt die eingesetzte Primär-Energie nahezu vollständig. Das heißt, daß mehr als 90% in Strom und Wärme umgesetzt werden. Bei konventionellen Kraftwerken ist die Energieausnutzung vergleichsweise niedrig und liegt bei etwa 35%.
Mit kaum mehr als 50 dB(A) ist sind Klein-BHKW's buchstäblich flüsternde Riesen. Die Wärme-und Schalldämmung ist deshalb so gut, weil die Moteren vollständig abgekapselt sind.
Klein-BHKWS's werden anschlußfertig angeliefert. Der erzeugte Strom ist billiger als vom Stromlieferanten. Überschüßiger Strom wird ins öffentliche Netz eingespeist, wofür es noch Geld vom Energieversorgungs-Unternehmen gibt.
Die häuslichen Energiekosten können aber noch weiter gesenkt werden: Die Wärme, die bei der Stromerzeugung am wassergekühlten Motor, am Generator und am Abgas-Wärmetauscher entsteht, kann sofort der Heizungs-und Warmwasserversorgung zur Verfügung gestellt werden.
Mini-Blockheizkraftwerke gibt es ab dem Zweifamilienhaus mit einer elektrischen Leistung von 3 kW und einer thermischen Leistung für die Heizung von 7 kW bis hin zu kleineren Großanlagen mit Leistungen von 100 kW (in Modul-Bauweise).
Biogas
Als Brennstoff für die Wärmekraftkopplungsanlagen bekommt das Biogas eine immer grössere Bedeutung. Deshalb ist im Folgenden einige Grundlagen dargestellt:
Biogas stellt einen Energieträger mit chemischer Bindungsenergie dar, dessen Hauptkomponente das Methan ist. Es entsteht durch den mikrobiellen Abbau organischer Substanz (Biomasse). Die in dieser organischen Substanz enthaltene Energie (bio-chemische Bindungsenergie) beruht letztendlich immer auf der Fähigkeit von Pflanzen, eingestrahlte Lichtenergie der Sonne in bio-chemische Energie umzuwandeln (Photosynthese). Biogastechnik stellt somit eine indirekte Nutzung der Sonnenenergie dar.
Biochemie der Pflanzen
Photosynthese
Pflanzen besitzen Pigmente (Farbstoffe), die in der Lage sind, Licht zu absorbieren, dadurch Elektronen anzuregen und die Energie zur Bildung von energiereichen biochemischen Bindungen zu übertragen. Das bedeutendste Pigment der Pflanzen ist das Chlorophyll (Blattgrün). Es absorbiert vor allem den blauen und roten Anteil des Lichts, daher wirken Pflanzen grün (reflektierter und durchgelassener Anteil). Das Chlorophyll befindet sich konzentriert in Chloroplasten (Bestandteile von Pflanzenzellen), die Chloroplasten konzentriert in den Blättern (große Oberfläche zur Energieaufnahme).
Die überwiegend durch das ADP/ATP-System übertragene Energie wird von den Pflanzen genutzt, um aus energiearmen Grundsubstanzen durch Photosynthese energiereiche Stoffe (Zucker) aufzubauen. Damit ist die Photosynthese der grundlegende Prozeß in der Natur, welcher für die Bildung der gesamten organischen Substanz (Biomasse) verantwortlich ist.
- 6 CO2 + 6 H2O + E -> C6H12O6 + 6 O2
Kohlendioxid + Wasser + Energie -> Einfachzucker (Glukose) + Sauerstoff
Aus den gebildeten Zuckern werden durch Umformung und Aufnahme weiterer Stoffe die Stoffwechselprodukte gebildet.
Pflanzeninhaltsstoffe
Sowohl verschiedene Pflanzen als auch verschiedene Pflanzenteile derselben Pflanze können völlig unterschiedliche Gehalte an Inhaltsstoffen und damit auch an Energiepotential aufweisen. Zur Abschätzung eines erzielbaren Energieertrages über Biogastechnik ist daher die Kenntnis des verwendeten Ausgangsmaterials unerläßlich.
Die Hauptpflanzenbaustoffe weisen annähernd die folgenden Zusammensetzungen auf:
Kohlenhydrat C6H12O6
Fettstoff C16H32O2
Eiweißstoff C6H10O2
Biogaspotential
Das Biogaspotential pflanzlicher Substanz wird bestimmt durch ihre Zusammensetzung, insbesondere durch die Anteile der Pflanzenbaustoffe Kohlenhydrat, Fettstoff, Eiweißstoff, bzw. letztlich dem Verhältnis von CHO (Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff). Durch eine Näherungsformel kann der theoretisch maximale Methanertrag abgeschätzt werden:
CxHyOz --> (x/2 + y/8 - z/4) CH4
nach Buswell (vereinfacht)
Aus den Molanteilen von C, H und O (s.o. Zusammensetzung der Hauptpflanzenbaustoffe) kann entsprechend der Methanertrag für die Pflanzenbaustoffe bzw. eine durchschnittliche Gesamtpflanze abgeschätzt werden.
Die dargestellten Methanerträge entsprechen den theoretisch maximalen Werten (vereinfacht berechnet nach Buswell), die von einem 100 %-igen Abbau der organischen Substanz ausgehen und in der Praxis nicht erreichbar sind. Für praxisbezogene Fragestellungen bzgl. des Biogaspotentials von Substraten sind zu berücksichtigen der Anteil energiereicher Stoffraktionen in der organischen Masse, der Gehalt an organischer Trockensubstanz (oTS) an der gesamten Trockensubstanz (TS), der TS-Gehalt des Substrates, der Methangehalt des Biogases (neben Methan vor allem Kohlendioxid und Wasserdampf) sowie die tatsächliche Abbauleistung der jeweiligen Biogasanlage.
So kann beispielsweise für eine durchschnittliche Pflanzensubstanz mit 90 % oTS, 25 % TS-Gehalt, 60 % Methangehalt im Biogas und 70 % Abbauleistung der Biogasanlage mit 123 m3 Biogas / to Frischsubstrat gerechnet werden. Sinkt die Abbauleistung der Biogasanlage auf 50 %, so reduziert sich der Gasertrag auf 88 m3 Biogas / to Frischsubstrat. Wird ein sehr energiereiches Substrat mit etwa 50 % Fettanteil mit 90 % TS, 25 %TS-Gehalt, 60% Methangehalt im Biogas und 70% Abbauleistung der Biogasanlage eingesetzt, so kann der Biogasertrag auf ca. 200 m3 Biogas / t Frischsubstrat ansteigen.
Für sonstige Stoffe können die nachfolgenden Werte als Richtgrößen dienen, wobei bereits verdaute Stoffe (Gülle, Mist, Klärschlamm) deutlich geringere Energiegehalte aufweisen.
Rindergülle
200 m3 Methan/to oTS
20 m3 Biogas/ m3 Gülle
Schweinegülle
300 m3 Methan/to oTS
30 m3 Biogas/ m3 Gülle
Hühnermist
250 m3 Methan/to oTS
40 m3 Biogas/ m3 Mist
Klärschlamm
300 m3 Methan/to oTS
5 m3 Biogas/ m3 Klärschlamm
Bioabfall
250 m3 Methan/to oTS
100 m3 Biogas/ to Bioabfall
Altfett
720 m3 Methan/to oTS
650 m3 Biogas/ to Altfett
Grasschnitt
480 m3 Methan/to oTS
125 m3 Biogas/ to Grasschnitt
Biogasentstehung
Biogas entsteht in einem mehrstufigen Prozeß, der Vergärung oder Faulung, durch die Aktivität von anaeroben Mikroorganismen, d.h. unter Ausschluß von Luft bzw. Sauerstoff. An dem Prozeß sind vielfältige Organismenstämme beteiligt, deren Zusammensetzung sich jeweils aus den spezifischen Prozeßbedingungen ergibt (z.B. Ausgangsstoff der Vergärung, Temperatur, pH-Wert etc.). Da sich die Mikroorganismen insofern an verschiedene Substrate anpassen können, ist fast jede organische Substanz durch Vergärung abbaubar.
Die in der Regel hochmolekulare organische Substanz wird in mehreren Stufen abgebaut zu wenigen niedermolekularen Stoffen bis hin zum Methan. Neben dem Biogas entsteht bei der Prozeßkette als Gärrückstand ein Gemisch aus Wasser, nicht abgebauter organischer Substanz (meist zellulosereiche oder holzige Substanz) sowie nicht organischer Substanz (meist Sand und andere Bodenteilchen, Salz und andere Minerale). Die Vergärung findet im feuchten Milieu statt, die Mikroorganismen benötigen mindestens ca. 50 % Wasser im Ausgangssubstrat.
Die 1. Stufe der Vergärung ist die Hydrolyse. In dieser Phase wird hochmolekulare organische Substanz von Bakterien zu kleineren Einheiten aufgespalten, in der Regel durch Anlagerung bzw. Zwischenlagerung von Wassermolekülen an die Spaltstellen (Hydrolyse). Die Aufspaltung von holziger Substanz (Lignin) ist den Mikroorganismen nur sehr schwer möglich, weshalb Holz insgesamt als in der Vergärung nicht oder nur extrem langsam abbaubar gilt.
Die 2. Stufe der Vergärung ist die Säurebildung. In dieser Phase werden die kleineren Moleküleinheiten von Bakterien zu niedermolekularen organischen Säuren abgebaut, z.B. zu Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Milchsäure, sowie Alkoholen, Kohlendioxid (gering) und Wasserstoff (gering). Das Temperaturoptimum für die Säurebildung liegt bei etwa 30 °C, das pH-Optimum bei etwa pH 6. Im gesamten Prozeß gebildeter und nicht abgeführter Wasserstoff hat eine hemmende Wirkung auf die Säurebildungsphase.
Die 3. Stufe der Vergärung ist die Essigsäurebildung. In dieser Phase werden die niedermolekularen organischen Säuren und Alkohole von Bakterien zu Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff abgebaut. Auch auf diesen Prozeß wirkt eine ehöhte Wasserstoffkonzentration hemmend.
Die 4. Stufe der Vergärung ist die Methanbildung. In dieser Phase werden Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff von Bakterien zu Methan umgesetzt, Kohlendioxid ist hierbei im Überschuß und verbleibt als Rest im Gasgemisch. Aufgrund verschiedener Mikroorganismengruppen ergeben sich für diesen Prozeß - wie für viele andere biologische Prozesse auch - zwei Temperaturoptima, der mesophile Bereich (ca. 35 °C) und der thermophile Bereich (ca. 55 °C). Das pH-Optimum liegt bei etwa pH 7, so daß eine kontinuierliche Verarbeitung der Zwischenprodukte erforderlich ist, um einer Versäuerung es Prozesses entgegenzuwirken.
Biogaszusammensetzung und Eigenschaften
Biogas hat in etwa folgende Zusammensetzung in %, die in Abhängigkeit der zur Vergärung eingesetzten Substrate auch abweichend sein kann.
Methan
Kohlen-dioxid
Wasser-dampf
Stickstoff
Sauerstoff
Wasserstoff
Ammoniak
Schwefel-wasserstoff
40-75 25-55 0-10 0-5 0-2 0-1 0-1 0-1 Biogas hat in etwa die folgenden Eigenschaften, die in Abhängigkeit der zur Vergärung eingesetzten Substrate auch abweichend sein können.
Dichte
1,2 kg/m3
Heizwert
4-7,5 kWh/m3 (abhängig vom Methangehalt)
Zündtemperatur
700 °C
Zündkonzentration Gasgehalt
6-12 %
Geruch fauler Eier (VORSICHT: entschwefeltes Biogas ist kaum wahrnehmbar)
Biogasanlagen
Im Vergleich zu anderen Anlagen zur Nutzung regenerativer Energie existieren für Biogasanlagen eine Vielzahl von Systemen und Verfahren, die nach mehreren Kriterien eingeteilt werden können. Die Wahl eines Systems ist immer eine Einzelfallentscheidung und von mehreren Faktoren abhängig. Im folgenden sind die gebräuchlichsten Einteilungen aufgeführt:
Kriterium
S ystem
Merkmale
Trockensubstanzgehalt
Naßvergärung
bis ca. 15 % TS-Gehalt
Trockenvergärung
von 25-35 % TS-Gehalt
Temperaturniveau
psychrophil
bis 20 °C
mesophil
35 °C
thermophil
55 °C
Stufigkeit
einstufig
alle Abbaustufen gleichzeitig nebeneinander
zweistufig
Trennung von Hydrolyse und Methanbildung
mehrstufig
Trennung von Hydrolyse, Säurebildung und Methanbildung
Beschickung
kontinuierlich
täglich gleiche Substratmenge wird aus- und eingetragen
batch-Betrieb
Komplettbefüllung und Komplettentleerung, Wechselbehälter erforderlich
Fermenterform
Gärkanal langgestreckt, eckig, Beton
liegender Tank Stahlbehälter, z.B. gebrauchter Öltank
vertikaler Rundbehälter Silo aus Beton oder Stahl
Durchmischung
mechanisch
langsam u. langsam laufendes zentrales Rührwerk Paddelrührwerk (bei liegenden Fermentern)
hydraulisch
externe Pumpe
pneumatisch
Einblasung von Biogas
Substrate
landwirtschaftliche Anlagen
Gülle, Mist, Grünschnitt
Co-Fermentationsanlagen
Gülle, Mist, Grünschnitt + gew. Abfallstoffe (z.B. Fett)
industrielle Anlagen
nur gew. Abfallstoffe (z.B. "Grüne Tonne")
Eine Biogasanlage erfordert eine tägliche Betreuung und Kontrolle, da es sich um einen nicht völlig unempfindlichen biologischen Prozeß handelt. Biogasanlagen werden in Deutschland seit über 80 Jahren betrieben, vornehmlich in der Landwirtschaft.
Das Kernstück einer Biogasanlage ist der Reaktor oder Fermenter mit seiner Ausrüstung. Als Werkstoffe werden Beton oder Stahlplatten (emailliert, beschichtet oder Edelstahl) eingesetzt. Der Reaktor wird isoliert und mit einer Heizung (externe Wärmetauscher, Heizspiralen an der Innenwand oder Fußbodenheizung) ausgestattet. Da es im Verlauf der meist über 3 Wochen dauernden Vergärung zu Entmischungen kommt, sowohl Schwimmschichten als auch Sinkschichten, ist für ein regelmäßiges Aufrühren des Substrates zu sorgen.
Neben dem Reaktor mit Ausrüstung gehören zu einer Biogasanlage weiterhin ein Zwischenlager für ausgefaultes Substrat, welches nicht direkt verwertet werden kann, Pumpen zur Beschickung und Entleerung des Reaktors, eine Aufbereitung, zu der Zerkleinerung, Vormischung, Mengenpufferung, Störstoffsortierung oder Hygienisierung gehören können, eine Gasstrecke mit Zähler, Kondensatabscheider, Entschwefelung, Sicherheitstechnik und Speicher sowie in aller Regel ein Blockheizkraftwerk zur Produktion von Strom und Wärme aus dem Biogas.
Anwendungsbereiche
Biogas wird heute meist als brennbares Gas zum Antrieb von Motoren genutzt, die über einen Generator elektrische Energie erzeugen sowie nutzbare Abwärme auf einem Temperaturniveau von ca. 80-90 °C. Mit dem Grad der Nutzung des "Nebenproduktes" Abwärme steht und fällt häufig die Wirtschaftlichkeit einer Biogasanlage.
Von der erzeugten Strommenge werden im allgemeinen 20-40 % für den Betrieb der Anlage selbst verbraucht (Pumpen, Rührwerke, Zerkleinerer etc.). Von der erzeugten Wärmemenge werden etwa 30-50 % für die Heizung des Fermenters verbraucht. Je größer die Anlage desto kleiner die jeweiligen Eigenverbrauchsanteile.
Biogastechnik wird auch eingesetzt, um die Fracht an organischer Substanz zu reduzieren, z.B. in der Abwasserreinigung oder der Vorbehandlung zur Deponierung.
Die Verwendung von Biogas zur reinen Wärmeerzeugung (Heizung, Herd) ist in Deutschland nur noch von untergeordneter Bedeutung, jedoch in anderen Ländern, z.B. Indien, die weit überwiegende Nutzungsform.
Aktuelle Entwicklungen
Da die Biogastechnik ein relativ komplexes Zusammenspiel verschiedener Techniken ist, gibt es mehrere Ansatzpunkte für neue Entwicklungen.
Ein Bereich ist die Beschleunigung des biologischen Prozesses durch Einflußnahme auf die Hydrolyse. Eine Entwicklungsrichtung zielt auf den Einsatz von Ultraschallbehandlung zum schnelleren Aufschluss von organischen Materialien, eine andere auf den Einsatz von hohem Druck und hoher Temperatur, um die Hydrolyse zu beschleunigen.
Zunehmend erprobt wird die Vergärung von Silagen (Gras, Mais) von Stillegungsflächen in landwirtschaftlichen Biogasanlagen zur besseren Auslastung der Anlage. In diesem Zusammenhang werden auch erneute Weiterentwicklungen der Trockenvergärung untersucht.
Bei den BHKWs weisen Zündstrahlaggregate einen höheren Wirkungsgrad auf als reine Gasmotoren. Zur Beibehaltung einer 100 %-ig regenerativen Energieerzeugung wird an Aggregaten gearbeitet, die anstatt des Diesels reines Pflanzenöl als Zündöl verwenden können.
Im Zuge der zahlreichen Forschungen und Entwicklungen an Brennstoffzellen wird auch der Einsatz von Biogas in Brennstoffzellen erprobt bzw. die jeweils erforderliche Vorbehandlung des Gases.
Auf der EXPO 2000 in Hannover sollen Kraftfahrzeuge mit Biogas betrieben werden (Druckflaschen) und entsprechende Tankstellen eingerichtet werden. Gedacht ist hierbei jedoch an gereinigtes Biogas (Erdgasqualität), da die schwankende Zusammensetzung des reinen Biogases und insbesondere sein Schwefelgehalt von den empfindlichen Fahrzeugmotoren, die mit den stationären BHKW-Motoren kaum noch zu vergleichen sind, nicht toleriert wird.
Die Erhöhung der Energiedichte von Biogas zur Steigerung der Transportfähigkeit und -würdigkeit sowie für den Einsatz als Kraftstoff für mobile Anwendungen durch Umwandlung in Methanol ist bislang erst im Versuchsstadium. Eine wirtschaftliche und auch energetische Bilanzierung steht noch aus.
Über den Fortgang dieser und weiterer Entwicklungen - soweit verfügbar - halten wir Sie in unseren aktuellen Meldungen auf dem neuesten Stand.
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