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Leitfaden Biogas 2006

3 Grundlagen und Verfahren der Bio-gasgewinnung Bernd Linke, Pia Mähnert, Monika Heier-mann, Jan Mumme

3.1 Grundlagen des Gärprozesses

3.1.1 Biochemie und Mikroorganismen

Die Gewinnung von Biogas ist ein mehrstufigerProzess, bei dem Mikroorganismen unter anaero-ben Bedingungen, d.h. unter Ausschluss vonLuftsauerstoff, die in Kohlenhydraten, Fetten undProteinen gespeicherte chemische Energie fürihren Stoffwechsel nutzen. Hierbei werden zu-nächst Makromoleküle durch hydrolytische Bakte-rien in Verbindungen mit geringerem Molekular-gewicht (z.B. Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren, Ba-sen) aufgespalten (Abb. 3.1). Die auf diese Weiseentstandenen Spaltprodukte werden durch fer-mentative Bakterien weiter vergoren, wobei redu-zierte niedermolekulare Verbindungen, wie Car-bonsäuren, Gase oder Alkohole entstehen.Methanogene Bakterien sind nicht in der Lage, alleStoffwechselprodukte der fermentativen Bakterienzu verwerten, so dass acetogene Bakterien einwichtiges Bindeglied zwischen Vergärung (Versäu-erung) und Methanbildung darstellen. Sie baueninsbesondere Propionsäure, Buttersäure (Carbon-säuren) und Alkohole zu Essigsäure, Kohlendioxidund Wasserstoff ab, die von den methanogenenBakterien als Substrate genutzt werden.

Da acetogene Bakterien nur bei sehr geringenWasserstoffpartialdrücken leben können, anderer-seits aber selbst Wasserstoff produzieren, sind sieauf methanogene Bakterien angewiesen, dieWasserstoff als Substrat nutzen und somit für dennotwendigen geringen Wasserstoffpartialdrucksorgen. Etwa 70 % aller bekannten Methanbakte-rien verwerten Essigsäure (acetogenotroph), wäh-rend etwa 30 % der bekannten Arten Wasserstoffund Kohlendioxid (hydrogenotroph) für ihren Stoff-wechsel nutzen. In Gärungen komplexer Substratekommen methanogene Bakterien in Konzentrati-onen von 10

5bis 10

8Keimen je ml vor. Klärschläm-

me z.B. enthalten vorwiegend Vertreter der Genera

Methanobacterium, Methanospirillum, Methanosar-cina und Methanococcus. Die sauerstoffempfind-lichen methanogenen Bakterien stehen am Endeeiner Stoffwechselkette, deren Leistungsfähigkeitnicht nur in technischen Systemen genutzt wird,sondern sie tragen vor allem in natürlichen Ökosys-temen zur biologischen Entgiftung von Wasserstoffund organischen Säuren bei.

3.1.2 Physiologie und Milieueinflüsse

Alle von Mikroorganismen ausgehenden Stoffwech-selprozesse erfordern physiologisch günstigeMilieubedingungen. Es sind vor allem die Tempe-ratur, der pH-Wert und die Konzentration von Sub-straten und Hemmstoffen im Reaktionsmedium, dieden Biogasprozess beeinflussen. Von der Tempe-ratur ist bekannt, dass steigende Werte auch höhe-re Reaktionsgeschwindigkeiten zur Folge haben.Der Zusammenhang zwischen Temperatur undReaktionsgeschwindigkeit lässt sich durch dieARRHENIUS-Beziehung beschreiben (Gl. 3.1), diefür biologische Vorgänge durch die Einführungeines Temperaturterms (Randall et al., 1982) ver-einfacht werden kann. Als Maß für die Reaktions-geschwindigkeit kann die Biogasrate, d.h. die jeKubikmeter Fermenterraum täglich produzierteBiogasmenge, verwendet werden (Gl. 3.2).

(Gl. 3.1)

(Gl. 3.2)

T1, T2 Temperaturen in K (T2 höher als T1)k1, k2 Reaktionsgeschwindigkeitskonstante in

1/d bei T1 und T2 (k2 größer als k1) EA Aktivierungsenergie in kJ·Mol

-1

R Gaskonstante in kJ kMol-1·K

-1

fr Temperaturterm, dimensionslos

Die meisten Biogasanlagen werden mesophil, d.h.zwischen 35 °C und 45 °C betrieben. Für diesenTemperaturbereich kann man für Rinder- undSchweinegülle mit einem Wert für fr von 1,06 bzw.von 1,13 rechnen (Linke und Vollmer, 1989). Würde

Abb. 3.1: Vereinfach-tes Schema der Bio-gasbildung

z.B. die Temperatur einer bei T2 = 35 °C betriebe-nen Biogasanlage, bei der eine Biogasrate von k2 =1,0 m

3·m

-3·d

-1gemessen wird, auf eine Prozess-

temperatur von T1 = 28 °C abfallen, hätte dieseMaßnahme eine Reduktion der Biogasrate auf k1 =1,0/1,06

(35-28)= 0,66 m

3·m

-3·d

-1zur Folge.

Neben der mesophilen Betriebsweise arbeitenBiogasanlagen auch bei 55 °C bis 65 °C. Manspricht in diesem Fall von thermophiler Prozess-führung. Diese Anlagen erfordern jedoch wegender höheren Empfindlichkeit der Mikroorganismen,insbesondere gegen Ammoniak, einen höherenAufwand für die Prozessführung. Trotz der erfor-derlichen stabilen Temperaturführung ist der ther-mophile Betrieb einer Biogasanlage interessant,insbesondere wenn überwiegend Biogaspflanzenvergoren werden, bei denen keine kritischenAmmoniakkonzentrationen im Fermenter zu erwar-ten sind. Ein Vorteil der thermophilen Biogas-erzeugung liegt in der Inaktivierung seuchenhygie-nisch relevanter Organismen, die in der Regel beimesophilen Anlagen nicht gewährleistet werdenkann (Anonymous, 1996). Kaltanlagen, die im psy-chrophilen Bereich bei Temperaturen unter 20 °Carbeiten und insbesondere in den 80er Jahren inder Schweiz untersucht wurden (Wellinger undKaufmann, 1982; Göbel, 1986), haben sich in derheutigen Praxis der Biogaserzeugung nicht durch-gesetzt.

Der pH-Wert der Reaktionsmasse in Biogasan-lagen mit Gülle als Substrat wird kaum außerhalbdes für Mikroorganismen verträglichen Bereichsliegen. Allgemein werden Werte im neutralen bisschwach alkalischen Milieu (pH = 7,0 bis 8,5) ge-messen. Hierfür sorgt das hohe Pufferungs-vermögen, wenn z.B. Gülle vergoren wird, so dassH3O

+oder OH

-Ionen abgefangen und neutralisiert

werden. Die Pufferwirkung wird dabei haupt-sächlich durch den Carbonat- und Ammoniak-puffer erreicht (Gl. 3.3 bis Gl. 3.5). Werden bei-spielsweise Biogaspflanzen vergoren, so ist diePufferung weniger ausgeprägt, und es kannschneller zu einer Übersäuerung des Prozesseskommen.

(Gl. 3.3)

(Gl. 3.4)

(Gl. 3.5)

Durch das gute Pufferungsvermögen des Fermen-terinhaltes wird der pH-Wert in der Regel zu einemungeeigneten Kontrollparameter, da z.B. eineÜbersäuerung der Reaktionsmasse nicht zwangs-läufig zu einem messbaren Abfall des pH-Wertesführt. Für die Überwachung des Biogasbildungs-prozesses ist die Bestimmung der organischenSäuren besser geeignet. Bei einer ungestörten Bio-

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Leitfaden Biogas 2006

gasbildung werden im Biogasreaktor Werte kleiner1.000 mg·l

-1gemessen. Die Hemmkonzentrationen

sind jedoch im Zusammenhang mit dem im Fermen-ter vorliegenden pH-Wert zu sehen. Es ist bekannt,dass Mikroorganismen nur den undissoziierten An-teil der Substrate verwerten können, dessen Konzen-tration wiederum vom pH-Wert abhängt. So beträgtz.B. die Konzentration des undissoziierten Anteilsder stark hemmenden Propionsäure bei pH=6,810

-3mol·l

-1, während bei pH=8,3 die entsprechende

Konzentration nur noch 10-5

mol·l-1

beträgt. DasFestlegen einer bestimmten Grenzkonzentration istdeshalb schwierig und lässt sich für die Vielzahlder Substratmischungen nicht verallgemeinern. Erstwenn durch Überlastung des Biogasreaktors oderdurch Zugabe toxischer Inhaltsstoffe die Säure-konzentration Werte über 10.000 mg·l

-1übersteigt,

ist eine Störung des mikrobiellen Gleichgewichtseingetreten, was sich in einem höheren CO2-Anteilim Biogas und einer Verringerung der Biogas-produktion äußert. Tritt ein solcher Fall ein, kann esmehrere Wochen dauern, bis das Gleichgewichtwieder zur methanogenen Seite verschoben istund die Biogasproduktion wieder einsetzt.

Ammoniak und Schwefelwasserstoff als Stoff-wechselprodukte des anaeroben Abbaus vonProteinen oder von anorganischen Schwefelverbin-dungen können die Biogasbildung ebenfalls stö-ren. Ammoniak hemmt besonders bei höheren pH-Werten und Temperaturen die Biogasbildung, daunter diesen Bedingungen das Gleichgewicht zwi-schen NH3 und NH4

+zunehmend auf die Seite des

toxisch wirkenden NH3 verschoben ist (Gl. 3.5).Gesamtkonzentrationen an NH3/NH4

+von mehr als

etwa 3.000 mg·l-1

werden, trotz der Fähigkeit metha-nogener Bakterien, sich an physiologisch bedenk-liche Konzentrationen zu gewöhnen (Akklimation),als kritisch betrachtet. Für Schwefelwasserstoff isteine Konzentration von mehr als 100 mg·l

-1 Sulfid,

was einem Volumenanteil von etwa 1 % im Biogasentspricht, bedenklich. Die für die Methanogenesewichtigen Spurenelemente wie Nickel, Kobalt,Molybdän und Eisen werden bei solchen Schwefel-wasserstoffkonzentrationen als schwerlöslicheMetallsulfide ausgefällt und stehen dann nichtmehr für den methanogenen Stoffwechsel zurVerfügung.

Gefahr für den Stoffwechsel besteht auch dann,wenn chlorierte Kohlenwasserstoffe, Bakterizide,Insektizide, Lösungsmittel oder Schwermetalle intoxischen Konzentrationen auftreten. Insbesonderesind es Futteradditive, Antibiotika oder Stalldes-infektionsmittel, bei denen durch nicht ordnungs-gemäßen Gebrauch Hemmwirkungen nachgewie-sen wurden (Wellinger et al., 1984). In der Regelsind jedoch nahezu alle Reststoffe aus Tierhal-tungsbetrieben für die Biogasgewinnung nutzbar.

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Leitfaden Biogas 2006

3.1.3 Biogasausbeuten diverser Substrate

Kennt man die chemische Zusammensetzung desGärsubstrates mit einer bestimmten Anzahl Koh-lenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen, dannkönnen mit Hilfe der vereinfachten BUSWELL-Glei-chung (Gl. 3.6) die Anteile an Methan (CH4) undKohlendioxid (CO2) im Biogas berechnet werden.

(Gl. 3.6)

Pflanzliche Biomassen (ohne Nährstoffe und Spu-renelemente) lassen sich näherungsweise mit derSummenformel C38H60O26 (Molgewicht 932) be-schreiben und liefern nach Gl. 3.6 je Mol Biomassezusammen mit 10 Mol H2O 18 Mol CO2 und 20 MolCH4. Unter Berücksichtigung des Molvolumens ide-aler Gase von 22,4 Liter entspricht das einem Bio-gasvolumen von insgesamt (18+20) · 22,4 = 851Liter je Mol bzw. 851/932 = 0,914 Liter Biogas oder0,914 · 0,53 = 0,48 Liter Methan je Gramm pflanzli-cher Biomasse. Der Methananteil im Biogas beträgt(20/38) · 100 = 53 %, was einem Bruttoenergiege-halt des Biogases von 5,3 kWh·m

-3entspricht.

Da die genaue chemische Zusammensetzung vonBiomassen oft nicht bekannt ist, kann die zu erwar-tende Methanproduktion über den Abbau des che-mischen Sauerstoffbedarfs (CSB) während derBiogasbildung berechnet werden (Gl. 3.7).

(Gl. 3.7)

Unter Berücksichtigung der in Gl. 3.7 umgesetztenMolmassen und dem Molvolumen idealer Gase, er-gibt sich, dass je Liter gebildetes Methan 2,857 gCSB umgesetzt werden. Eine Übertragung dieserRechnung auf pflanzliche Biomassen (Molgewicht932 g) ergibt, dass ein Mol dieses Substrats einCSB-Äquivalent von 1280 g aufweist und bei voll-ständigem Abbau zu Biogas einem Methanvolu-

men von 1280/2,857 = 448 l entspricht. Je kg Bio-masse werden dann 448 · 1000/932 = 480 l Methangebildet, was mit der Berechnung aus der BUS-WELL-Gleichung gut übereinstimmt. Die aus dendrei Hauptstoffgruppen (Kohlenhydrate, Fette undProteine) zu erwartende Biogaszusammensetzungsowie die maximal möglichen Biogasausbeutenwurden auf der Grundlage der BUSWELL-Glei-chung berechnet (Tab. 3.1). Den mengenmäßiggrößten Anteil organischer Verbindungen auf derErde bilden Kohlenhydrate, die ebenso viele Koh-lenstoff- wie Sauerstoffatome aufweisen. Das ausdieser Stoffgruppe produzierte Biogas besteht zurHälfte aus CO2, wogegen aus Fetten und Proteinenein deutlich höherer Methangehalt im Biogas er-wartet werden kann.

Aus Labor-, Pilot- und Praxisexperimenten liegenzahlreiche Ergebnisse zur Biogasausbeute von na-hezu allen vergärbaren Substraten vor (Braun, 1982;Wellinger et al., 1984; Kuhn, 1998; Graf, 1999;Schulz, 2001). Ein Problem hierbei ist jedoch die Ver-gleichbarkeit, da die Randbedingungen (z.B. Tem-peratur, Gärzeit oder Gärraumbelastung) oft nichtangegeben werden. So sind auch die zum Teil er-heblichen Streuungen für gleiche Substrate zuerklären. Hinzu kommt, dass z.B. bei Abfällen ausder Tierhaltung die Verwendung des Futtermittels,die Art der Entmistung und damit das Güllealter denWert der Biogasausbeute beeinflussen. Bestandteiljeder Planung sollten deshalb Gärversuche mit denzu behandelnden Substraten sein, aus denen die zuerwartende Biogasausbeute bestimmt werden kann.

Neben den wirtschaftseigenen Düngern wie Gülle,Jauche und Mist aus der Nutztierhaltung werdenEnergiepflanzen zur Vergärung eingesetzt (vgl.Kap. 4) Eine Zusammenstellung, im Gärtest bei 35 °C, gemessener Biogasausbeuten von Wirt-schaftsdüngern, organischen Reststoffen undEnergiepflanzen (Tab. 3.2) zeigt die große Schwan-kungsbreite der untersuchten Substrate. Hin-sichtlich des Methangehaltes im Biogas gelten diein Tab. 3.1 dargestellten Grundsätze, wonach bei

Tab. 3.1: Biogaszusammensetzung und -ausbeuten verschiedener Stoffgruppen

Stoffgruppen Molgewicht Molanteile CO2 Molvolumen mögliche und CH4 im Biogas des Biogases Biogasausbeute

[g·mol-1] [mol] [g·mol

-1] [l·g

-1]

KohlenhydrateC6H12O6 oder (CH2O)n 180 3 CO2 + 3 CH4 6 · 22,4 = 134,4 134,4/180 = 0,746

Fette (z.B. Palmitin)C16H32O2 256 4,5 CO2 + 11,5 CH4 16 · 22,4 = 358,4 358,4/256 = 1,39

Proteine mit 21 Aminosäuren

C13H25O7 (N3S) 367 5,125 CO2 + 7,857 CH4 13 · 22,4 = 291 291/367 = 0,79

Pflanzliche BiomasseC38H60O26 932 18 CO2 + 20 CH4 38 · 22,4 = 851 851/932 = 0,91

Wirtschaftsdüngern sich ein Methangehalt im Bio-gas von etwa 60 % und bei den genannten organi-schen Reststoffen und Energiepflanzen ein Wertvon etwa 55 % einstellt.

3.1.4 Reaktionskinetik und Bemessung

Von den in der Praxis verwendeten Fermenter-systemen überwiegt der vollständig durchmischteReaktor (Rührkessel) mit kontinuierlicher Substrat-zufuhr. Zur Charakterisierung des hierbei ablaufen-den Biogasprozesses ist die Kenntnis der Gärtem-peratur sowie bestimmter Grundparameter Voraus-

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Leitfaden Biogas 2006

setzung für die Bemessung einer Biogasanlage(Abb. 3.2). Bei festgelegtem Volumen des Fermen-ters VR in m

3ergibt sich je nach Belastung des

Fermenters die Masse des täglichen Zulaufes m0

und damit des täglichen Ablaufes mA. Da die orga-nische Trockenmasse (oTM) ein Maß für die Kon-zentration vergärbarer Verbindungen ist, entsprichtdie Konzentration des Zulaufes c0 und des Ablau-fes cA dem Gehalt an oTM in kg pro t Frischmasse.Mit Hilfe dieser Grundparameter lassen sich einfa-che Belastungs- und Leistungsparameter nachAbb. 3.2 berechnen. Für die Bemessung desBiogasreaktors dient die Raumbelastung BR. Sie

Tab. 3.2: Biogasausbeuten verschiedener Substrate aus Gärtests (35 °C, Auswertung entsprechend VDI4630 am Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim)

Substrate TM oTM Biogasausbeute[% FM] [% TM] [m

3·kg

-1oTM] [m

3·t

-1FM]

WirtschaftsdüngerRindermist 25 85 0,45 95Schweinemist 35 85 0,37 110Putenmist (Stroh) 70 85 0,45 270Putenmist (Holzspäne) 55 85 0,30 140Hühnertrockenkot 70 77 0,56 300Milchviehgülle 8 80 0,41 26Mastviehgülle 8,5 80 0,41 28Schweinegülle 7 75 0,42 22

organische Reststoffe Zuckerrübenpressschnitzel 22 90 0,84 166Roggenschlempe 5,5 95 0,79 41Apfeltrester 8 98 0,68 53Citrustrester (ohne Pektin) 18 90 0,51 83Weizenstroh (4 mm) 91 92 0,48 400Kartoffelschalen 13 92 0,88 105Kartoffelpülpe 14 93 0,72 93Melasse 73 78 0,51 290Getreidestaub (Mühle) 88 80 0,51 360Rapskuchen 90 82 0,63 465

EnergiepflanzenTriticale GPS (Milchreife) 41 95 0,74 289Roggen GPS (Milchreife) 33 93 0,73 225Gerste GPS (Milchreife) 25 93 0,92 218Sudangras

1. Schnitt 19 92 0,76 1332. Schnitt 24 95 0,81 185

Roggenschrot 86 96 0,87 723Rübensilage 13 94 0,88 100Maissilage (mittelfrühe Sorte)

Erntetermin 1 29 96 0,68 188Erntetermin 2 35 97 0,73 249Erntetermin 3 34 96 0,86 281

Maissilage (frühe Sorte)Erntetermin 1 29 96 0,72 226Erntetermin 2 37 96 0,79 255Erntetermin 3 37 96 0,81 280

Gras-Welksilage 35 91 0,54 168Hanfsilage 36 93 0,53 177Luzerne (FM, 2. Schnitt) 23 89 0,53 155

FM = Frischmasse; TM = Trockenmasse; oTM = organische Trockenmasse; GPS = Ganzpflanzensilage

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Leitfaden Biogas 2006

Abb. 3.2: Grund- undBemessungsparameterlandwirtschaftlicher Bio-gasanlagen

gibt an, mit welcher oTM-Last in kg pro Tag einKubikmeter Reaktorraum belastet wird. Der zuläs-sige Wert ist substratspezifisch und muss inExperimenten ermittelt werden, um den Biogas-reaktor vor Überlastung zu schützen. Daraus ergibtsich je nach oTM-Konzentration und Dichte desZulaufs die mittlere hydraulische Verweilzeit tm inTagen. Andererseits lässt sich bei gegebenerZulaufmasse und angestrebtem tm das notwendigeVR berechnen.

Geht man davon aus, dass die Dichte des Zulaufsρ0 im Reaktor 1 t·m

-3beträgt und die Zwischen-

räume im Biogasreaktor mit Flüssigkeit aufgefülltsind, besteht zwischen tm und BR der in Abb. 3.3dargestellte Zusammenhang. In der Praxis ist z.B.für die Vergärung von Schweine- und Rindergüllefür tm meist ein Wert zwischen 20 und 30 Tagen an-zutreffen. Bei einer Rindergülle mit c0=100 kg·t

-1erge-

ben sich daraus Raumbelastungen von 5 bzw. 3,3

kg·m-3·d

-1. Wird dagegen Maissilage (c0=300 kg·t

-1)

als einziges Substrat vergoren, sind mittlere Verweil-zeiten von 20 bis 30 Tagen nicht möglich, da we-gen der zu hohen Raumbelastung eine Übersäue-rung des Prozesses eintreten würde. Bei mesophi-ler Monovergärung von Maissilage kann BR in Hö-he von 3,3 kg·m

-3·d

-1schon als sehr hoch, aber

unter optimalen Bedingungen als noch praktikabelangesehen werden. In diesem Fall ergibt sich einedreimal höhere Verweilzeit von 90 Tagen gegen-über der Güllevergärung.

Von den Leistungsparametern einer Biogasanlage(Abb. 3.2) ist für den Landwirt vor allem die Bio-gasausbeute y von Interesse. Sie ist ein substrat-spezifischer Wert und gibt an, welche Menge Bio-gas je kg zugeführter oTM gebildet wurde. DieBiogasausbeute sollte jedoch immer in Verbindungmit der Gärtemperatur und der Belastung des Bio-gasreaktors betrachtet werden. Niedrigere Tem-

Abb. 3.3: Beziehung zwi-schen Raumbelastung,Verweilzeit und Substrat-konzentration

peraturen und höhere Belastungen haben in derRegel auch geringere Biogasausbeuten zur Folge(Abb. 3.4). Ab einer kritischen Raumbelastung BR,k

beginnt die Übersäuerung und damit die Überla-stung des Prozesses. Als unmittelbare Folge fälltdie Biogasausbeute so stark ab, bis kaum nocheine Gasproduktion zu verzeichnen ist. Die Biogas-bildungsrate r als Produkt aus y und BR in m

3

Biogas pro m3

Reaktorvolumen und Tag nimmt mitsteigender Raumbelastung bis BR,k stetig zu undfällt im Bereich der Überlastung ebenso wie dieBiogasausbeute stark ab. Der Optimalbereich derBiogasproduktion liegt also bei einer Raumbelas-tung, die möglichst hoch ist, aber noch unterhalbvon BR,k anzutreffen ist. Lage und Breite diesesOptimalbereichs sind von zahlreichen biologi-schen, chemischen und physikalischen Faktorenabhängig. Daher ist keine pauschale substratspe-zifische Festlegung möglich. Bezogen auf tm nimmtdie Biogasausbeute mit steigender Verweilzeit ste-tig zu, während die Biogasbildungsrate ein Maxi-mum durchläuft. Dieses Maximum liegt bei der kri-tischen Verweilzeit tm,k, die in jedem Fall überschrit-ten werden sollte. Da diese Beziehungen für allefließfähigen Substrate gelten, wurde auf die Anga-be von Werten für y und r auf den Achsen verzich-tet (Abb. 3.4).

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Leitfaden Biogas 2006

Zur mathematischen Beschreibung der vonMikroorganismen ausgehenden Stoffwechselakti-vitäten lassen sich grundsätzlich die aus der Bio-prozesstechnik bekannten Beziehungen anwen-den (Moser, 1981). Dazu müssen die am Stoff-wechsel beteiligten Substrate und Mikroorganis-men jedoch bekannt sein. Für ein komplex zusam-mengesetztes Medium, wie z.B. Gülle und pflanzli-che Biomasse, mit einer kaum überschaubarenAnzahl von Substraten, Bakterien und Stoffwech-selprodukten erscheint es nahezu aussichtslos,diese Beziehungen anzuwenden. Bei der Bemes-sung von Biogasanlagen ist man deshalb gezwun-gen, Summenparameter zu verwenden, die mit hin-reichender Genauigkeit den Prozess beschreiben.Unter der Annahme, dass der mikrobielle Sub-stratabbau nach einer Reaktion erster Ordnungerfolgt, lässt sich y in Abhängigkeit von BR für denBereich bis BR,k mit hoher Genauigkeit über Gl. 3.8beschreiben. Diese hyperbolische Funktionsglei-chung enthält als Konstanten die maximal mögli-che Biogasausbeute ymax sowie einen weiterenParameter b, die über Kurvenanpassungen an Er-gebnisse aus Langzeitversuchen ermittelt werdenkönnen. Der Wert für ymax ist substratspezifisch undkann alternativ mit Hilfe eines einfachen Gärtestsbestimmt werden. Der Parameter b hängt von c0,

Abb. 3.4: AllgemeineBeziehung zwischen Bio-gasausbeute und Bio-gasbildungsrate in Ab-hängigkeit von Raum-belastung bzw. mittlererhydraulischer Verweilzeitin landwirtschaftlichenBiogasanlagen

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Leitfaden Biogas 2006

der Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten k sowievon der Dichte des Zulaufs und des Biogases ab.Als Summenparameter ist b damit eine substrat-und prozessspezifische Größe, mit deren Hilfe sichy berechnen lässt. Für BR-Werte oberhalb BR,k mussGl. 3.8 um eine Hemmfunktion erweitert werden,auf die nicht weiter eingegangen werden soll.

(Gl. 3.8)

y: BR-abhängige Biogasausbeute (m3·kg

-1oTM)

ymax: maximal mögliche Biogasausbeute (m

3·kg

-1oTM)

b: Parameter aus hyperbolischer Kurvenan-passung (d

-1)

BR: Raumbelastung (kg·m-3· d

-1)

Ergebnisse des von der FNR geförderten Projektes„Kinetik der Biogasgewinnung aus nachwachsen-den Rohstoffen bei kontinuierlicher Prozessführungals Grundlage für die Bemessung von landwirt-schaftlichen Biogasanlagen“ am Leibniz-Institut fürAgrartechnik Potsdam-Bornim (FKZ 22011402)zeigen im Falle der kontinuierlichen mesophilenMonovergärung von Maissilage, dass mit steigen-der Raumbelastung bis 3 kg·m

-3·d

-1die Biogasaus-

beute von 0,92 auf 0,67 m3·kg

-1abnimmt (Abb. 3.5).

Im Bereich der Raumbelastung von 3,5-4,5 kg·m-3·d

-1

tritt mit steigender Propionsäurekonzentration einedeutliche Prozesshemmung auf, die mit einem star-ken Rückgang der Biogasausbeute und Biogasrateeinhergeht. Bei den beiden untersuchten Kovergä-rungsvarianten mit Maissilage und Rindergülle imoTM-Verhältnis von 1:2 bzw. 2:1 sowie der Vergä-rung von reiner Rindergülle ist für den untersuch-ten Bereich bis zu BR von 4,5 kg·m

-3·d

-1keine deut-

liche Prozesshemmung zu verzeichnen. Für diesenBereich lässt sich die Abnahme von y mit zuneh-mender BR sehr gut über Gl. 3.8 beschreiben.

Die für die Berechnung von y in Abhängigkeit vonBR notwendigen Parameter ymax und b wurden fürdie mesophile Vergärung von Mais-, Rüben- undRoggen-Ganzpflanzensilage (GPS) als Monosub-strat und im Gemisch mit Rindergülle in kontinuier-lichen Langzeitversuchen (Abb. 3.5) ermittelt undsind gemeinsam mit den zugehörigen Werten fürc0, dem Methangehalt CH4 und y bei BR=3 kg·m

-3·d

-1

in Tab. 3.3 dargestellt.

Die in Abb. 3.5 dargestellten Biogasausbeuten derKovergärungsvarianten verlaufen bis etwa 3,5 kg·m

-3·d

-1nahezu parallel zu den Biogasausbeuten

der Monovergärung von Maissilage und Rindergül-le. Da der Abstand zwischen den Kurven dem An-teil der oTM aus dem Kosubstrat in der MischungpK entspricht, lässt sich die Biogasausbeute auseiner Mischung aus Kosubstrat und Gülle yM mitHilfe von Gl. 3.9 berechnen. Hierfür müssen außerpK auch die Biogasausbeuten aus der Monover-gärung der beiden Einzelsubstrate Gülle yG unddes Kosubstrates yK bei der angestrebten Raum-belastung bekannt sein. Dieser Zusammenhangwurde auch bei den kontinuierlichen Versuchen mitRübensilage und Roggen-GPS bestätigt.

(Gl. 3.9)

yM: BR-abhängige Biogasausbeute aus der Mi-schung (m

3· kg

-1oTM)

yG: BR-abhängige Biogasausbeute aus der Gülle(m

3· kg

-1oTM)

yK: BR-abhängige Biogasausbeute aus dem Ko-substrat (m

3· kg

-1oTM)

pk: oTM-Anteil aus dem Kosubstrat in der Mi-schung mit Gülle (-)

Als Berechnungsbeispiel für eine solche Kovergä-rung wird eine Mischung aus Maissilage und Rin-dergülle gewählt, die bei einer Raumbelastung von3 kg· m

-3·d

-1vergoren wird. Die oTM-Masse der Mi-

Abb. 3.5: Biogasausbeu-te bei kontinuierlicher Ver-gärung von Maissilageals Mono- und Kosub-strat mit Rindergülle so-wie Vergärung von reinerRindergülle in Abhängig-keit von der Raumbelas-tung

schung soll zu gleichen Teilen aus Maissilage undRindergülle bestehen, woraus sich ein Wert vonpK=0,5 ergibt. Die Biogasausbeute der Einzelsub-strate, die bei der genannten Raumbelastung zuerwarten ist, lässt sich mit Hilfe der Parameter ymax

und b aus Tab. 3.3 sowie Gl. 3.8 berechnen. Siebeträgt bei der Güllevergärung yG = 0,37 m

3· kg

-1

und bei der Monovergärung von Maissilage yK =0,67 m

3· kg

-1. Nach Gl. 3.9 ergibt sich für die Bio-

gasausbeute aus der genannten Mischung bei dergewählten Raumbelastung dann ein Wert yM in Höhevon 0,52 m

3· kg

-1. Gleiche Berechnungen können

auch auf der Grundlage der in Tab. 3.3 dargestell-ten Parameter angestellt werden, die aus der Ver-gärung von Rübensilage, Roggen-GPS und Rin-dergülle für Raumbelastungen bis etwa 3,5 kg· m

-3· d

-1

ermittelt wurden.

In der Praxis der Biogasgewinnung findet dieFermentation oft nicht nur in einer Stufe statt, son-dern dem Fermenter (F) ist meist noch ein Nachgä-rer (N) nachgeschaltet, der bei der gleichen Tem-peratur arbeitet. Definiert man den Anteil der imFermenter erzielten Gasausbeute y von ymax als η

F

(Gl. 3.10), der gleichbedeutend mit einem Wirkungs-grad ist, dann stellt sich die Frage, welcher Anteilam Gesamtwirkungsgrad durch den Nachgärergeleistet werden kann. Dieser Gesamtwirkungs-grad η

F+N, der vor allem durch die Verweilzeit des

Gärrestes im Nachgärer und damit vom Volumen-verhältnis Nachgärer zu Fermenter q bestimmtwird, lässt sich nach Gl. 3.11 berechnen.

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Leitfaden Biogas 2006

(Gl. 3.10)

(Gl. 3.11)

ηF: Anteil y aus dem Fermenter von ymax

ηF+N

: Anteil Gasausbeute aus dem Fermenter undNachgärer von ymax

q: Verhältnis Volumen des Nachgärers zum Vo-lumen des Fermenters

Der Zusammenhang zwischen ηF+N

und q ist fürausgewählte Werte von η

Fin Abb. 3.6 dargestellt.

Für die Monovergärung von Maissilage und Rinder-gülle ergibt sich z.B. bei einer Raumbelastung von3 kg·m

-3·d

-1ein Wert für η

Fvon 0,7 bzw. 0,6, so dass

nur 70 % bzw. 60 % des vergärbaren Potenzials beidieser Raumbelastung erreicht werden. Wird demFermenter ein Nachgärer mit gleichem Volumennachgeschaltet, was einem Wert von q=1 ent-spricht, steigt der Anteil auf 0,82 bzw. 0,75. DieseAnteile lassen sich durch Volumenvergrößerungdes Nachgärers noch steigern, wobei bei der Wahlder Größe des Nachgärers auch noch wirtschaftli-che Aspekte zu berücksichtigen sind.

3.2 Verfahren und Anlagentechnik

3.2.1 Verfahren und Anlagentechnik zur Nass-vergärung

Die in der landwirtschaftlichen Biogaspraxis anzu-treffenden Verfahren der Biogasgewinnung lassensich zurzeit überwiegend der Technologie derNassvergärung zuordnen, bei dem der Prozess der

Tab. 3.3: Ergebnisse der kontinuierlichen mesophilen Vergärung von NawaRos als Mono- und Kosubstrat mitRindergülle: Zulaufkonzentration des Substrates c0, aus der Kurvenanpassung ermittelte Parameter ymax undb, berechnete Biogasausbeute bei BR=3 kg·· m

-3· d

-1sowie mittlerer Methangehalt des Biogases mit Stan-

dardabweichung (CH4±s; n=69...74)

Substrat mit oTM-Anteil c0 ymax b y (BR=3) CH4

in der Mischung [g·kg-1] [m

3·kg

-1] [d

-1] [m

3·kg

-1] [Vol-%]

Maissilage 100 % 292±22 0,92 7,6 0,67 54,6±1,3

Maissilage 67 % 147±12 0,82 6,1 0,58 56,2±1,4

Maissilage 33 % 98±10 0,74 4,0 0,48 58,1±1,1

Rübensilage 100 % 124±11 0,93 31,2 0,85 55,5±2,2

Rübensilage 67 % 100±9 0,80 20,3 0,72 56,4±2,1

Rübensilage 33 % 84±9 0,73 7,8 0,57 58,4±1,3

Roggen-GPS 100 % 198±5 0,91 6,5 0,67 57,2±1,7

Roggen-GPS 67 % 125±10 0,81 5,3 0,56 58,3±1,5

Roggen-GPS 33 % 92±10 0,72 4,2 0,48 59,9±1,3

Rindergülle 100 % 72±9 0,61 2,8 0,37 61,3±1,9

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Leitfaden Biogas 2006

Biogasgewinnung in einem flüssigen Medium statt-findet. Als Fermentertyp kommt der quasi-kontinu-ierlich betriebene Rührkessel zur Anwendung, derim Durchflussverfahren bei konstantem Füllvolumenbetrieben wird. Der Raum des Biogasfermenterssollte täglich etwa die gleiche oTM-Last erhalten, sodass eine gleichmäßige Biogasproduktion zuerwarten ist. Das Volumen des Fermenters kannjedoch nicht auf das Speichervolumen für denGärrest angerechnet werden, da den Fermentertäglich eine bestimmte Menge an Gärrest verlässt.Die Speicherung des Gärrestes vor der pflanzen-baulichen Verwertung erfolgt im nachgeschaltetenLagerbehälter. Dieser Behälter sollte ebenfalls gas-dicht verschlossen sein, um das während derLagerung noch gebildete Biogas zu nutzen.

Der Betrieb einer landwirtschaftlichen Biogasan-lage umfasst im Wesentlichen die Bereiche Sub-stratbereitstellung und -vorbehandlung, Biogaser-

zeugung, Gasspeicherung sowie die Gasaufbe-reitung und -verwertung. Neben Gülle und evtl.Stallmist aus der Tierhaltung, die in einerGüllegrube gesammelt werden (Abb. 3.7), nutzendie meisten Landwirte heute den Energiepflan-zenbonus und vergären Biogaspflanzen. Diese fürdie Biogasgewinnung angebauten Pflanzen kön-nen entweder in der Güllegrube eingemaischt oderdirekt in den Fermenter gegeben werden. Ent-schließt sich ein Landwirt, betriebsfremde organi-sche Abfälle (z.B. Bioabfälle) zu vergären, muss erdie Vorbehandlung so durchführen, dass die seu-chen- und phytohygienische Unbedenklichkeit derbehandelten organischen Abfälle sichergestellt ist(Anonymous, 1998). In der Praxis wird meist eineHygienisierung für die Dauer einer Stunde imbatch-Betrieb bei 70 °C durchgeführt.

Kernstück einer Biogasanlage ist der gasdicht ver-schlossene, wärmeisolierte und durchmischbare

Abb. 3.6: Beziehung zwi-schen anteiliger Gasaus-beute von ymax aus demFermenter bzw. einemFermenter mit Nachgä-rer und dem Größenver-hältnis zwischen Fer-menter und Nachgärer

Abb. 3.7: Schema einerlandwirtschaftlichen Bio-gasanlage mit Nassver-gärung

Biogasfermenter. Neben verschiedenen Reaktor-formen und Baustoffen sind in der Praxis verschiede-ne Systeme zur Durchmischung (Abb. 3.8) undErwärmung der Reaktionsmasse (Abb. 3.9) anzutref-fen. Die Durchmischung erfolgt in der Regel mehr-mals täglich und die Erwärmung wird über einenWarmwasserkreislauf mit dem BHKW vorgenommen.Die Verwendung von Paddelrührwerken hat sich be-sonders für faserige Biomassen oder Biomassen mithohem Feststoffanteil bewährt. Weit verbreitet sindauch die in der konventionellen Gülletechnik einge-setzten Tauchmotor-Propellerrührwerke.

Zur Erwärmung des Substrats werden im Fermen-ter befindliche (interne) und außerhalb des Fer-menters befindliche (externe) Wärmetauscher-systeme eingesetzt, die sich in der Praxis bewährthaben. Beim Neubau von Biogasreaktoren aus Be-ton können z.B. die Heizschlangen als Fußboden-heizung gleich mit einbetoniert werden. Solche in-ternen Wärmetauscher erfordern jedoch eine guteDurchmischung der Reaktionsmasse, damit Sink-schichten den Wärmeübergang vom Heizkreislaufan die Reaktionsmasse nicht behindern. Eine Alter-native zur Fußbodenheizung stellt die Wandhei-zung dar, die ebenfalls verbreitet ist.

Vor der Ausbringung des Gärrestes auf landwirt-schaftliche Nutzflächen ist eine Lagerung für etwasechs Monate erforderlich. Um das im Gärrest

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Leitfaden Biogas 2006

noch vorhandene Biogaspotenzial zu nutzen undgleichzeitig Methanemissionen zu reduzieren, soll-te das Endlager gasdicht ausgeführt werden.

Eine Speicherung des Biogases ist wegen dergeringen Energiedichte von Biogas (1000 l Biogasmit 60 % Methan entsprechen etwa 0,6 l Heizöl) nurfür wenige Stunden sinnvoll. Eine geringe Spei-cherkapazität für Biogas ist bereits im Biogas-reaktor vorhanden, der mit dem Gasspeicher indirekter Verbindung steht. Durch diese Verbindungist der Reaktor gegen Über- oder Unterdruck gesi-chert. Die meisten Gasspeicher sind als Nieder-druckspeicher konzipiert (Abb. 3.10). Währendfrüher vor allem Nassgasometer mit Wasser oderGülle als Sperrflüssigkeit gebaut wurden, die beiDrücken von 50 bis 100 mm Wassersäule (WS)eine direkte Verbrennung im Gasherd oder Kesselermöglichten, überwiegen heute Gasspeicher ausFolie mit nur 0,5 bis 1 mm WS Innendruck. Mittel-druckgasspeicher von 5 bis 20 bar haben den Vor-teil, dass proportional zum Druck die speicherbareBiogasmenge ansteigt. Sie erfordern aber mehrAufwand für Verdichtung (Kompressor) und Gas-entnahme (Druckregler).

Die Nutzung des Biogases erfolgt heute überwie-gend als Kraft-Wärme-Kopplung in einem Block-heizkraftwerk (BHKW). Zum Schutz des Gasmotorsist eine Reinigung des Biogases, insbesondere zur

Abb. 3.8: Systeme zurDurchmischung in land-wirtschaftlichen Biogas-anlagen

Abb. 3.9: Systeme zurErwärmung des Biogas-fermenters

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Leitfaden Biogas 2006

Entfernung von Schwefelwasserstoff sinnvoll. Weitverbreitet ist die biologische Entschwefelung,indem Luft in den Gasraum des Biogasreaktors ineiner Menge von 3 bis 5 % des täglich produzier-ten Biogases eingeblasen wird. Durch dieseMaßnahme werden die im Gärmedium vorhande-nen Thiobacillus-Bakterien aktiviert. Sie oxidierenH2S zu elementarem Schwefel, der im Gärrest ver-bleibt und den Pflanzen zugute kommt.

Durch das EEG ist der Verkauf des erzeugtenStromes an ein Energieversorgungsunternehmen(EVU) zu vorherbestimmten Konditionen möglichgeworden und trägt zum wirtschaftlichen Betriebeiner Biogasanlage bei. Ein Teil der Motorabwärme(etwa 30 %) wird für die Substraterwärmung unddie Kompensation der Abstrahlverluste benötigt. Inden Sommermonaten ist jedoch meist ein Wär-meüberschuss vorhanden, der, falls keine anderenVerbraucher angeschlossen sind, über einen Not-kühler ins Freie abgegeben werden muss.

Eine Alternative zur Verbrennung des Gases in ei-nem BHKW ist die Gasaufbereitung auf Erdgas-qualität und die Einspeisung des Gases in dasErdgasnetz (vgl. Kap. 5). Diese Technologie wird inZukunft an Bedeutung gewinnen.

3.2.2 Verfahren und Anlagentechnik zur Trocken-vergärung

Bei der Vergärung von Stalldung, Biogaspflanzenund anderer schüttfähiger Biomassen in Nass-vergärungsanlagen werden diese Stoffe entwedermit Gülle oder flüssigem Gärrest eingemaischtoder direkt in den Fermenter eingebracht. Der Gär-rest aus der Nassvergärung ist fließfähig, da diezugeführten Substrate in der Regel mehr als 70 %Feuchte enthalten, die im Gärrest verbleibt und dieorganische Substanz zum Großteil in Biogasumgewandelt wird.

Die Gewinnung von Biogas ist jedoch nicht zwingendan den im Flüssigfermenter vorhandenen Feuchte-gehalt gebunden, sondern ist auch im stapelbarenZustand möglich. Diese als Trockenvergärungbekannten Verfahren sind insbesondere für die Bio-abfallbehandlung entwickelt worden und in entspre-chenden Standardwerken beschrieben (Thome-Kozmiensky, 1995; Bidlingmaier und Müsken,1997). Für die Landwirtschaft werden zurzeit vorallem batch-Verfahren entwickelt, bei denen die inden Fermenter eingebrachten Biomassen im sta-pelbaren Zustand abgebaut werden.

Die Trockenvergärung geht vor allem auf dieBehandlung von Stalldung zurück. Bekannt hierfürwaren das „System München“ und das „SystemMassaux“ (Tschierschke, 1962). Beide Verfahrennutzten den natürlichen Feuchtegehalt des Stall-mistes für die Gewinnung von Biogas. Das zu da-maliger Zeit besonders in Südfrankreich verbreite-te „System Massaux“ sah eine Selbsterwärmungdes Mistes zur Bereitstellung der notwendigen Pro-zesstemperatur vor und war als batch-Verfahrenmit mehreren Behältern über etwa drei Monate jeAnsatz konzipiert. Die Beschickung der Behältererfolgte von Hand und das entstehende Biogaswurde im Haushalt genutzt. Erst Mitte der achtzigerJahre des vorigen Jahrhunderts erfolgte eine Wei-terentwicklung der Trockenvergärung von Stall-dung in Hustopece (Tschechische Republik) und inDömsöd (Ungarn). Über die Entwicklung einer 10 m

3

Pilotanlage zur trockenen kontinuierlichen Vergä-rung (Anacom: Anaerobic composting of manure),die in der Forschungsanstalt für Agrarwirtschaftund Landtechnik (FAT) Tänikon (CH) entwickeltwurde, berichten Baserga et al. (1994). Bei einermittleren Verweilzeit des Mistes im Fermenter von28 Tagen (Beschickung mit „Maulwurf“ von obenund Entnahme mit Schnecke von unten) bei 32 °CGärtemperatur werden je kg zugeführte oTM etwa320 Liter Biogas mit etwa 58 % Methangehalt pro-

Abb. 3.10: Systeme zurSpeicherung von Biogas

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Leitfaden Biogas 2006

duziert. Neuere Ergebnisse zur Trockenfermenta-tion sind Kusch et al. (2005) zu entnehmen, die ineiner Feststoffvergärungsanlage, bestehend aus 4garagenförmigen Fermentern mit einem Volumenvon je 130 m

3und einem 45 m

3Perkolationstank,

insbesondere Grünschnitt untersucht haben. DieVerwendung einer Perkolationsflüssigkeit, welchedie eingebrachte Biomasse durchdringen muss, istneben der satzweisen Beschickung und Entlee-rung der Fermenter auch ein wesentliches Elementder von den Firmen LOOCK-Biogassysteme, BIO-FERM und BEKON angebotenen Verfahren. Nebender Verwendung von Perkolationsflüssigkeit sorgtdie Zugabe von ausgegorenem, schüttfähigemGärrest (Impfmaterial) für eine Beschleunigungdes Fermentationsprozesses. Der Anteil Impfmaterialim Gemisch ist abhängig vom Substrat und beträgtetwa 20 bis 40 Masse % in der Mischung.Besondere Anforderungen an die Sicherheit stelltder Betrieb der Trockenfermenter dar, damit vordem Entleeren kein explosionsfähiges Gasgemischvorhanden ist. Durch Spülen mit Luft kann dieserAnforderung entsprochen werden (Abb. 3.11).

Mit Unterstützung der Fachagentur Nachwachsen-de Rohstoffe e.V. wurde die von der Firma LOOCK-

Biogassysteme GmbH geplante und errichteteBiogasanlage nach dem Trocken-Nass-Simultan(TNS)-Verfahren in der Agrargenossenschaft Pirowim Land Brandenburg gemeinsam mit den Partnerndurch das Leibniz-Institut für Agrartechnik Pots-dam-Bornim e.V. erprobt. Die Anlage besteht imwesentlichen aus 4 gasdichten Trockenfermenternmit einem Nutzvolumen von je 150 m

3, die mit gas-

dicht verschließbaren Toren, Belüftungstechnikzum Einblasen von Luft, einer Vorrichtung zur Per-kolation der Prozessflüssigkeit und zugehörigerProzessleittechnik ausgestattet ist. Die Beheizungder Trockenfermenter erfolgt indirekt über denPerkolatstrom (Abb. 3.12).

Von den 4 Trockenfermentern musste ein Fermen-ter als Perkolationsspeicher umgerüstet werden,da der flüssige Gärrest einer am Standort vorhan-denen Nassvergärungsanlage aufgrund einer unzu-reichenden Fließfähigkeit als Perkolationsflüssigkeitungeeignet war. Nach jeweils zwei Befüllungen jeFermenter mit einer Mischung aus 60 Ma.% Mais-silage (TM=30 %), 13 Ma.% Putenmist (TM=40 %)und 27 Ma.% Gärrest (TM=20 %) wurden nach dreiWochen Fermentationszeit im Trockenfermenter jeTonne Mischung aus Maissilage und Putenmist 90 m

3

Methan (0,3 m3CH4 je kg oTM) produziert (Linke et

al. 2006). Damit werden die für Nassvergärungsan-lagen gemessenen Werte auch für die Trockenver-gärung erreicht. Der anfallende Gärrest ist schütt-fähig und kann wie Stalldung als organischer Dün-ger ausgebracht werden.

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Anonymous (1998): Verordnung über die Verwertungvon Bioabfällen auf landwirtschaftlich, forstwirt-

Abb. 3.11: Schema einerdiskontinuierlichen Trocken-vergärung

Abb. 3.12: Trockenfermentationsanlage in derAgrargenossenschaft Pirow (Land Brandenburg)

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Leitfaden Biogas 2006

schaftlich und gärtnerisch genutzten Böden(Bioabfallverordnung - BioAbfV) vom 21.9.1998,Bundesgesetzblatt Teil I, G 5702, Nr. 65.

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