Vielfältige Nutzungsmöglichkeiten von Biogas

Biogas bietet eine Vielzahl von Nutzungsoptionen. Dazu zählen die dezentrale Strom- und Wärmeproduktion, die Verteilung über Wärmenetze, die Einspeisung in das Gasnetz oder der Einsatz als Kraftstoff. Unabhängig von der gewählten Nutzungsform sollte eine möglichst effektive Energieausnutzung angestrebt werden.

Kraft-Wärme-Kopplung KWK

Derzeit wird der größte Teil des in Deutschland produzierten Biogases direkt am Entstehungsort verstromt. Blockheizkraftwerke (BHKW) bestehen prinzipiell aus einem mit Biogas betriebenen Verbrennungsmotor, der einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie antreibt. Zum Antrieb des Generators können auch andere Arten von Motoren und Gasturbinen eingesetzt werden. Grundsätzlich möglich ist auch die Stromerzeugung über Brennstoffzellen. Bei der Auswahl des BHKW sollte auf hohe Wirkungsgrade und eine geringe Reparaturanfälligkeit geachtet werden. Besonders bei Kofermentationsanlagen treten Schwankungen bei der Qualität und Menge des Gases auf, was Schäden am Motor verursachen kann. Abhilfe können elektronische Motorkontrollsysteme schaffen. Beim Betrieb von BHKW sind bestimmte Rahmenbedingungen, wie insbesondere die vorgeschriebenen Wartungsintervalle und die Anforderungen an den Aufstellraum, zu beachten.

Verbrennungsmotoren

Für die Verstromung von Biogas stehen mehrere Motorbauarten und Verbrennungsverfahren zur Verfügung. Es werden insbesondere Gas-Otto-Motoren und Zündstrahlmotoren eingesetzt.

Speziell für den Gasbetrieb entwickelte Gas-Otto-Motoren, vergleichbar mit Viertakt-Motoren aus Kraftfahrzeugen, sind in der Lage, das Biogas ab einer Methankonzentration von 45 % direkt zu verbrennen.

Zündstrahlmotoren dagegen arbeiten nach dem Dieselprinzip. Da sich Biogas bei Kompression nicht selbst entzündet, wird ein Zündöl zur Einleitung des Verbrennungsprozesses eingespritzt. Optimierte Zündstrahlmotoren kommen bereits mit einer Menge von 2 % Zündöl aus, ältere Systeme benötigen noch bis zu 10 %. Gemäß den Regelungen des EEG darf seit 2007 für Neuanlagen kein Zündöl auf fossiler Basis mehr eingesetzt werden.

Stirlingmotoren

Stirlingmotoren (Heißgasmotoren) stellen geringe Ansprüche an die Gasqualität und können damit weniger verschleißanfällig sein. Sie haben einen Wirkungsgrad von 24-28% und sind derzeit nur in kleineren Leistungsklassen (bis 100 kW_el) erhältlich. Für eine breitere Nutzung sind allerdings technische Weiterentwicklungen vonnöten.

Mikrogasturbinen

Mikrogasturbinen haben einige Vorteile gegenüber Verbrennungsmotoren, wie die kostengünstigere und einfachere Abwärmenutzung oder einen geringeren Wartungsaufwand. Diese schnell laufenden Gasturbinen mit niedrigen Brennkammertemperaturen und –drücken werden im Leistungsbereich bis 200 kW_el angeboten.
Nachteilig sind der geringere Wirkungsgrad (ca. 30%) und die höheren Investitionskosten im Vergleich zu den Verbrennungsmotoren.

Brennstoffzellen

Biogas lässt sich auch in verschiedenen Brennstoffzellentypen nutzen. Hier muss das Biogas aufbereitet (insb. Entfernung von Schwefel, Kohlenmonoxid und weiterer Schadstoffe) und reformiert (Überführung von Methan in Wasserstoff) werden. Am weitesten entwickelt und kommerziell verfügbar ist die Phosphoric Acid - Brennstoffzelle (PAFC). Sie erreicht Wirkungsgrade von bis zu 40%, ist im Leistungsbereich 100-200 kW_el verfügbar und hat in Praxistest bereits über 80.000 Betriebsstunden erreicht.
Dem sehr guten Wirkungsgrad und der fast emissionsfreien Betriebsweise stehen derzeit die sehr hohen Investitionskosten und weiterer Entwicklungsbedarf entgegen.

 

(Ab-)Wärme

Neben der elektrischen Energie fällt beim BHKW-Betrieb in etwa gleichem Maße Wärmeenergie an. Aus ökologischer Sicht und für eine effiziente Auslastung der Anlage ist eine Wärmenutzung sinnvoll und notwendig, denn hierdurch kann der Wirkungsgrad der Anlage bis auf 90% erhöht werden. Von der zur Verfügung stehenden Wärme werden ca. 20-40% für die Beheizung des Fermenters benötigt. Abzüglich der Verluste lassen sich 50-55% für die Wärmeversorgung von Gebäuden nutzen oder anderweitig vermarkten.
Die Motorwärme kann auf verschiedenen Wegen genutzt werden, Beispiele sind das Beheizen von Wohn- und Wirtschaftgebäuden des landwirtschaftlichen Betriebes oder die Versorgung von kommunalen Einrichtungen, Wohnhäusern und Gewerbeparks.
Ist eine Abnahme der Wärme direkt an der Anlage nicht möglich, kann sie mittels Nah- und Fernwärmeleitungen zu entfernten Verbrauchern gebracht werden.

ORC-Technologie

Ein Teil der BHKW-Wärme kann mittels ORC-Technik nachverstromt werden. ORC steht für Organic Rankine Cycle und beschreibt einen thermodynamischen Kreisprozess. Die BHKW-Abwärme (meist über 450 C°) verdampft ein organisches Arbeitsmedium (z.B. Silikonöl), und dieses Thermoöl treibt dann eine Turbine an, die über einen gekoppelten Generator Strom erzeugt.

Kältenutzung

Die BHKW-Wärme kann auch über sogenannte Sorptionsverfahren in Kälte umgewandelt werden, die dann z. B. im landwirtschaftlichen Betrieb für die Stall- bzw. Milchkühlung oder in Kühlhäusern genutzt werden kann. Die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung bei Biogasanlagen findet zunehmend Interesse und kann eine verbesserte Wärmenutzung in den Sommermonaten ermöglichen.

Mikrogasnetze

Mikrogasnetze transportieren Rohbiogas, das im Interesse einer hohen Effizient vor Ort nicht vollständig genutzt werden kann, vom Fermenter zu einem bzw. mehreren Satelliten-BHKW, die in unmittelbarer Nähe von Wärmenutzern stehen. Bei dieser Variante beschränkt sich der Aufbereitungsaufwand für das Rohbiogas auf die Entschwefelung und Trocknung. Vorteilhaft und Wert schöpfend ist hier die Steigerung des Gesamtwirkungsgrades durch die bessere Wärmeausnutzung.

Biomethan 

In den letzten Jahren hat sich auch die Biogasaufbereitung und Einspeisung in das Erdgasnetz etabliert. Um Biogas als Erdgassubstitut nutzen zu können, wird es in aufwendigen Verfahren auf Erdgasqualität gebracht. Die Biogaseinspeisung ist in der Gasnetzzugangsverordnung und der Gasnetzentgeltverordung geregelt und wurde in den letzten Jahren durch entsprechende Novellierungen erleichtert.
Das aufbereitete Biogas, nun Biomethan oder Bioerdgas genannt, wird durch die Infrastruktur des Gasnetzes transportiert. Außerdem kann das Biomethan im vorhandenen umfangreichen Gasnetz mit den unterirdischen Kavernen (natürliche oder künstlich geschaffene Hohlräume) gespeichert werden. Zu Bioerdgas aufbereitetes Biogas kann überall dort genutzt werden, wo auch Erdgas zum Einsatz kommt. Dazu zählen die gekoppelte Wärme- und Stromerzeugung in Gas-Heizkraftwerken mit kommunalen Wärmenetzen oder in Mikro-BHKWs, aber auch die direkte Wärmenutzung (z.B. in Gasbrennwertthermen) sowie der Einsatz als Kraftstoff in Erdgas-Fahrzeugen.
Privathaushalte und Gewerbekunden können Bioerdgas zur alleinigen Wärmeerzeugung problemlos in Gasheizkesseln einsetzen.
Im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes kann Bioerdgas in einer Beimischung von mind. 30% in KWK-Anlagen eingesetzt werden.

Zu Beginn des Jahres 2011 wurden in Deutschland 52 Biomethan-Anlagen mit einer jährlichen Einspeisemenge von etwa 280 Millionen Kubikmetern betrieben. Die Bundesregierung hat sich das Ziel gesetzt, bis 2020 jährlich sechs Milliarden Kubikmeter Erdgas durch Biogas zu ersetzen. Zur Erreichung dieses Zieles müssten jährlich 110 neue Anlagen mit der derzeitigen durchschnittlichen Aufbereitungskapazität neu in Betrieb genommen werden.

Bei der Kraftstoffnutzung sind sind Schweden und die Schweiz als Vorreiter in Europa zu nennen. Hier wird schon seit Jahren Biogas als Kraftstoff in PKW, Bussen und LKW oder auch Schienenfahrzeugen eingesetzt wird. Im Vergleich zu den herkömmlichen Kraftstoffen zeichnet sich Biomethan durch ein sehr hohes CO2-Einsparpotenzial aus. Bereits bei Beimischungen von 20% Biomethan im Erdgas kann der Kohlendioxidausstoß gegenüber Benzin um 39% verringert werden.

Der Einsatz von Bioerdgas als Kraftstoff in Erdgasfahrzeugen befindet sich in Deutschland noch in den Anfängen. Trotz einsatzbereiter Technik werden die Potenziale nicht ausgeschöpft. Derzeit gibt es zwei öffentliche und eine betriebliche Tankstelle an denen reines Bioerdgas erhältlich ist. Zusätzlich bieten, etwa 1/3 der 900 Erdgastankstellen deutschlandweit bereits Bioerdgas, in der Regel in Mischungen mit Erdgas an.
Fast alle Fahrzeughersteller haben inzwischen ausgereifte Modelle mit mono- oder bivalentem Antrieb (Gas und Benzin) im Sortiment. Biogas als Kraftstoff ist zunächst bis 2018 steuerbefreit. Weitere Informationen finden Sie auch auf unserer Biokraftstoffseite.