[[ Informationen || Mitarbeiter || Forschung/Research || Angebote für Studierende || Fachjournalismus || Impressum ]]

NTK-Verfahrenstechnik - - LTC-Technology - | Forschungsprojekte | Patente | Publikationen | Präsentationen

Wissenschaftliche Begleitung einer Biogasanlage



Forschung
> Wissenschaftliche Begleitung einer Biosgasanlage

Diese Aufgabenstellung umfasst die Erstellung eines Analysenprogramms, welches die Parameter zur Bewertung der Stabilität einer solchen Anlage umfasst.
Wöchentlich sollen die aus dem Fermenter entnommenen Proben vermessen und im Anschluss dem Anlagenbetreiber mit Hinweisen zur Optimierung der chemischen, biologischen und verfahrenstechnischen Parameter übermittelt werden.

Biogas ist ein Gemisch aus den Hauptkomponenten Methan und CO2. Der Anteil, der energetisch genutzt wird, ist das Methan.
Nach dem EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) wird diese Nutzung in Deutschland vergütet, ebenso wie die direkte Nutzung der Abwärme der Anlage zu Heizzwecken (Kraft-Wärme-Kopplung; KWK-Bonus). Eine weitere Nutzungsmöglichkeit des Gases ist die Einspeisung in das Gasnetz, diese wird allerdings nicht vergütet und stellt hohe Anforderungen an den Reinheitsgrad des Gases.
Biogas entsteht bei der anaeroben Vergärung von organischem Material. Als Ausgangsstoffe für die technische Produktion von Biogas eignen sich:

  • vergärbare, biomassehaltige Reststoffe (Klärschlamm, Bioabfall oder Speisereste)
  • NawaRo - gezielt angebaute Energiepflanzen (Mais, Getreide, Rüben)
  • Gülle, Mist


Aufgrund des hohen Spektrums der Substratzusammensetzungen können die prozentualen Anteile der Gasausbeute einer Anlage stark schwanken. Die folgende Tabelle zeigt ungefähr die Werte der enthaltenen Gase:

Bestandteil

Konzentration (Vol.-%)

Methan

50 – 75

Kohlendioxid

25 – 45

Wasserdampf

2 (20°C) – 7 (40°C)

Stickstoff

< 2

Sauerstoff

< 2

Ammoniak

< 1

Schwefelwasserstoff

< 1

Wasserstoff

< 1

Wertvoll im Biogas ist das Methan. Je höher dessen Anteil ist, desto energiereicher ist das Gas. Den Nutzen, der aus Methan gezogen werden kann, zeigen Heizwertmessungen.
Ein Kubikmeter Methan hat einen Energiegehalt von 9,97 kWh, je nach Methananteil liegt der Heizwert von Biogas zwischen 5 und 7,5 kWh.

Chemischer Prozess:

Die Biogaserzeugung erfolgt im Fermenter der Anlage unter anaeroben Bedingungen kontinuierlich durch Miroorganismen. Die Nutzung erfolgt in Blockheizkraftwerken (BHKW), welche den Anlagen direkt angeschlossen sind (Abb. 1). Dort wird das Gas in einem Motor zu elektrischem Strom umgewandelt. Der so erzeugte Strom kann vor Ort über einen Transformator unmittelbar in die Hochspannungsleitungen eingespeist werden.

-

Blockheizkraftwerk mit Biogasanlage

 

Einfluss auf den Prozess haben die Anzahl der Mikroorganismen, Substratzugabe, Art des Substrates, pH-Wert und Temperatur. Im vorliegenden Beispiel werden als Substrat Rindergülle und Getreidesilage verwendet, möglich wären auch Mais, Rüben oder Nahrungsabfälle. Die Umsetzung von Holz bzw. holzhaltigen Abfällen ist keine Option, da das dort enthaltene Lignin durch die beteiligten Mikroorganismen nicht zersetzt werden kann.

Man unterscheidet beim anaeroben Abbau vier voneinander abhängige, ineinandergreifende biochemische Einzelprozesse:

  1. Hydrolyse

    Im ersten Schritt erfolgt der Abbau der Biopolymere in monomere Grundbausteine. Fette werden zu Fettsäuren, Kohlehydrate zu Mono- bzw. Oligosacchariden und Proteine in Peptide oder Aminosäuren gespalten.
  2. Acidogenese

    Die im ersten Schritt entstandenen Zwischenprodukte werden in niedere Carbonsäuren ( z.B. Essig-, Propion- und Buttersäure) umgesetzt.
  3. Acetogenese

    Im dritten Schritt werden die niederen Carbonsäuren durch acetogene Mikroorganismen zum großen Anteil zu Essigsäure bzw. Acetat abgebaut.
  4. Methanogenese

    Die in Schritt drei entstandene Essigsäure wird durch methanbildende Mikroorganismen in das gewünschte Endprodukt Methan, sowie Kohlendioxid und Wasserstoff umgewandelt.

Schwer abbaubare Stoffe, wie Sand oder weitere Mineralien bleiben zurück. Dieser Rückstand wird ins Endlager überführt und kann - sofern dies in Übereinstimmung mit der s.g. Düngemittelverordnung (DüMV) geschieht - als Dünger ausgebracht werden.

Die optimale Strategie zum Betrieb der Biogasanlage zeigt folgende Abbildung: