Institut für Energetik und Umwelt gGmbHvon… · Herausgegeben von der Fachagentur Nachwachsende...

Herausgegeben von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR), Hofplatz 1, 18276 Gülzow, mit Förderung des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (FKZ 22021103).

Diese Arbeit wurde im Rahmen des Projektes: „Evaluierung der Möglichkeiten zur Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz“ (FKZ 22021103) erstellt. Das Projekt wurde von der FNR mit Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) unterstützt.

Institut für Energetik und Umwelt gGmbH

Prof. Dr. Stefan Klinski

DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH

2. Auflage, Leipzig, 2006

Die vorliegende Publikation wurde erstellt durch

Institut für Energetik und Umwelt gGmbHTorgauer Str. 11604347 LeipzigBearbeiter: Frank Hofmann, André Plättner, Sönke Lulies, Dr. Frank ScholwinTel.: 03 41 - 24 34-412Fax: 03 41 - 24 34-433www.ie-leipzig.de

Inhaltliche Zuarbeiten anderer Institutionen

Prof. Dr. Stefan KlinskiDeisterpfad 2314163 BerlinAuftragsbearbeitung: Rechtsgutachten

DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH (DBI)Föpplstr. 304347 LeipzigBearbeiter: Klaus DieselAuftragsbearbeitung: Gasnetzsimulationsrechnung

Herausgeber:Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.Hofplatz 118276 GülzowTel.: (0 38 43) 69 30-0Fax: (0 38 43) 69 30-102E-Mail: [email protected]: http://www.fnr.de

Redaktion:Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.Abt. Öffentlichkeitsarbeit

Gestaltung und Produktion:tangram documents, BentwischInternet: http://www.tangram.de

Fraunhofer Institut UMSICHT (FhU)Osterfelder Straße 346047 OberhausenBearbeiter: Wolfgang UrbanZuarbeiten zu den Themen:Technologien der Biogasaufbereitung,Biogaseinspeisung, Gasnetz-Aufnahmebeschrän-kungen, Wirtschaftliche Analyse der Gasaufbereitung

Gaswärme-Institut e. V. Essen (GWI)Hafenstraße 10145356 EssenBearbeiter: Frank BurmeisterZuarbeiten zu den Themen:Charakterisierung des Erdgasnetzes,Gasnetz-Aufnahmebeschränkungen

Alle Rechte vorbehalten.Kein Teil dieses Werkes darf ohne schriftliche Einwilligung des Herausgebers in irgendeiner Form reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt, verbreitet oder archiviert werden.

ISBN 3-00-018346-9

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1Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ................................................................................ 6

Tabellenverzeichnis .................................................................................... 9

Abkürzungsverzeichnis ............................................................................. 11

Glossar ...................................................................................................... 12

1 Einleitung .................................................................................................. 15

2 Biogasbereitstellung, -aufbereitung, -einspeisung und -transport ......... 162.1 Biogasbereitstellung ...................................................................................................................................... 16

2.1.1 Grundlagen der anaeroben Vergärung ....................................................................................... 162.1.2 Vor- und Aufbereitung der Substrate .......................................................................................... 172.1.3 Biogaserzeugung durch Fermentation ........................................................................................ 21

2.2 Gasaufbereitung ............................................................................................................................................ 252.2.1 Biogasentschwefelungsverfahren ................................................................................................. 262.2.2 Verfahren zur Methananreicherung im Biogas .......................................................................... 342.2.3 Biogastrocknung und Biogasfeinreinigung ................................................................................ 45

2.3 Gastransport, Einspeisung und Speicherung .......................................................................................... 492.3.1 Anschlussleitungen ........................................................................................................................ 502.3.2 Gasverdichtung ............................................................................................................................... 502.3.3 Gasspeicherung ............................................................................................................................... 532.3.4 Gasdruckmess- und Regelanlagen ............................................................................................... 552.3.5 Gasbeschaffenheitsmessanlage ..................................................................................................... 562.3.6 Odoriereinrichtungen ..................................................................................................................... 572.3.7 Konditionierungsanlagen und Gasmischanlagen ...................................................................... 58

2.4 Erfahrungen im europäischen Ausland ..................................................................................................... 592.4.1 Erfahrungen in der Schweiz .......................................................................................................... 592.4.2 Erfahrungen in Schweden ............................................................................................................. 60

Studie Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz

4

3 Einspeisemöglichkeiten .............................................................................633.1 Technische Anforderungen .......................................................................................................................... 63

3.1.1 Zusammensetzung von Rohbiogasen aus fermentativen Prozessen ...................................... 633.1.2 Gasbeschaffenheitsanforderungen und relevante Regelwerke ................................................ 65

3.2 Charakterisierung des vorhandenen Erdgasnetzes ................................................................................. 763.2.1 Einteilung nach Netzebenen .......................................................................................................... 763.2.2 Einteilung nach Druckstufen ......................................................................................................... 773.2.3 Technische Kriterien zur Einspeisung von Biogas ..................................................................... 793.2.4 Restriktionen .................................................................................................................................... 85

3.3 Möglichkeiten und Grenzen der Gaseinspeisung (Gutachten des DBI – Netzsimulationsrechnung) .................................................................................... 853.3.1 Netztechnische Grundlagen .......................................................................................................... 853.3.2 Technische Einspeisemöglichkeiten ............................................................................................. 853.3.3 Verteilung der Gasbeschaffenheiten ............................................................................................ 893.3.4 Einschätzung der Biogaseinspeisemöglichkeiten ....................................................................... 903.3.5 Zusammenfassung .......................................................................................................................... 91

4 Potenziale der Biogaserzeugung ..............................................................924.1 Definitionen .................................................................................................................................................... 924.2 Potenzialanalyse ............................................................................................................................................ 93

4.2.1 Landwirtschaft ................................................................................................................................. 934.2.2 Industrie und Gewerbe .................................................................................................................. 954.2.3 Kommunen ...................................................................................................................................... 984.2.4 Technisches Potenzial ..................................................................................................................... 99

4.3 Potenzialeingrenzung ................................................................................................................................... 994.3.1 Regionale Verfügbarkeit des Biogaspotenziales ...................................................................... 1004.3.2 Theoretisches Standortpotenzial für Biogasanlagen ................................................................ 105

5 Einspeisepunkte .......................................................................................1105.1 Standortbewertung ..................................................................................................................................... 1135.2 Ermittlung möglicher Standorte für Biogaserzeugung und Gaseinspeisung

anhand von Modellanlagen ....................................................................................................................... 1155.2.1 Biogaserzeugung aus Gülle ......................................................................................................... 1155.2.2 Biogaserzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo) ............................................ 1175.2.3 Biogaserzeugung aus Bioabfall ................................................................................................... 1175.2.4 Festlegung der möglichen Einspeisegasqualitäten .................................................................. 118

6 Wirtschaftliche Analyse und Bewertung ..................................................1276.1 Methodik ....................................................................................................................................................... 1276.2 Kosten der einzelnen Module .................................................................................................................... 129

6.2.1 Substratkosten ............................................................................................................................... 1296.2.2 Biogasanlagen ................................................................................................................................ 1316.2.3 Gastherme ...................................................................................................................................... 1346.2.4 Blockheizkraftwerk ....................................................................................................................... 1356.2.5 Gastankstelle .................................................................................................................................. 1366.2.6 Aufbereitung zu Erdgas-H Qualität ........................................................................................... 1366.2.7 Aufbereitung zu Erdgas-L Qualität ............................................................................................ 1376.2.8 Flüssiggas-Zugabe ........................................................................................................................ 1386.2.9 Zusatzgas-Bereitstellung .............................................................................................................. 138

Inhaltsverzeichnis

5

6.2.10 Einspeisung und Durchleitung ................................................................................................... 1396.3 Energiegestehungskosten .......................................................................................................................... 140

6.3.1 Biogasgestehungskosten .............................................................................................................. 1406.3.2 Wärmeerzeugung ......................................................................................................................... 1496.3.3 Stromerzeugung und Kraft-Wärme-Kopplung ........................................................................ 1526.3.4 Kraftstofferzeugung ..................................................................................................................... 159

7 Rechtliche Rahmenbedingungen ............................................................ 1607.1 Einleitung ..................................................................................................................................................... 1607.2 Energiewirtschaftsrechtliche Grundlagen ............................................................................................... 161

7.2.1 Ausgangslage auf Grundlage des bisherigen EnWG .............................................................. 1617.2.2 Änderungen der Rechtslage ........................................................................................................ 165

7.3 Spielräume zur Verbesserung der rechtlichen Rahmenbedingungen ................................................ 1707.3.1 Sind Vorrangregelungen und andere gezielte Verbesserungen für Biogas zulässig? ........ 1707.3.2 Vereinbarkeit mit den Vorgaben des EG-Rechts ...................................................................... 1717.3.3 Vereinbarkeit mit den verfassungsrechtlichen Anforderungen ............................................ 174

7.4 Rechtsfragen im Zusammenhang mit dem novellierten EEG .............................................................. 1757.4.1 Überblick und Fragenkreise ........................................................................................................ 1757.4.2 Beschaffenheitsanforderungen für „Gas aus Biomasse“ ......................................................... 1767.4.3 Das maßgebende „Gasnetz“ ........................................................................................................ 1777.4.4 „Technologiebonus“ und „KWK-Bonus“ .................................................................................. 1807.4.5 „NaWaRo-Gülle-Bonus“ .............................................................................................................. 1817.4.6 Umstellung bestehender Stromerzeugungsanlagen ................................................................ 1827.4.7 Ausschließlichkeitsprinzip .......................................................................................................... 184

7.5 Ergebnisse ..................................................................................................................................................... 1877.6 Anhang des Rechtsgutachten ................................................................................................................... 190

8 Bewertung ............................................................................................... 191

9 Literaturverzeichnis ................................................................................ 197

6

1Abbildungs-verzeichnis

Abb. 2-1: Schematisierter Ablauf der anaeroben Vergärung ...................................................................................... 17Abb. 2-2: Verfahrensablauf bei der Biogasgewinnung ................................................................................................ 18Abb. 2-3: Liegender Tankfermenter mit Paddelrührwerk........................................................................................... 22Abb. 2-4: Stehender Fermenter mit Einbauten; Bild: Anlagen- und Apparatebau Lüthe GmbH ........................ 23Abb. 2-5: Fließdiagramm eines Biowäschers ............................................................................................................... 29Abb. 2-6: Beispiel für ein Layout der Druckwasserwäsche von Biogas .................................................................... 39Abb. 2-7: Permeabilitäten verschiedener Moleküle ..................................................................................................... 42Abb. 2-8: Mögliche Membranmodulkonfigurationen ................................................................................................. 44Abb. 2-9: Prinzip der Gaspermeation ............................................................................................................................ 44Abb. 2-10: Wasseraufnahme verschiedener Adsorptionsmittel ................................................................................... 47Abb. 2-11: Gasdruckmess- und Regelanlage .................................................................................................................. 56Abb. 2-12: Schematische Darstellung einer Odorieranlage nach G 280 ...................................................................... 57Abb. 2-13: Darstellung einer Biogas-Einspeisung .......................................................................................................... 58Abb. 2-14: Naturgas-Tankstelle in der Schweiz ............................................................................................................. 60Abb. 2-15: PSA Aufbereitung in Otelfingen (Schweiz) ................................................................................................. 60Abb. 2-16: Ansicht der Biogasaufbereitungsanlage Stockholm-Henriksdal .............................................................. 61Abb. 2-17: Kompaktbiogasaufbereitungsanlage Norrköping ...................................................................................... 61Abb. 2-18: Biogastankstelle und mit Biogas betriebener Bus in Kristianstad ............................................................ 61Abb. 2-19: Biogasanlage mit Biogasaufbereitung in Helsingborg ............................................................................... 62

Abb. 3-1: Methanganglinie einer Biogasanlage im Rheinland ................................................................................... 64Abb. 3-2: Schwefelwasserstoffganglinie einer Biogasanlage im Rheinland ............................................................. 64Abb. 3-3: Brennwerte und Wobbeindizes einheimischer Gasförderungen ............................................................. 67Abb. 3-4: Bandbreiten der Wobbeindizes der Prüfgase und der Gase der 2. Gasfamilie ...................................... 71Abb. 3-5: L-und H-Gase nach G 260 mit Flüssiggaszumischung und Einordnung der Modellgase ................... 71Abb. 3-6: Gasgemische mit gleichen Wobbe-Index (WS,N = 10,5 kWh/m

3) ............................................................ 72Abb. 3-7: Gasgemische mit gleichen Wobbe-Index (WS,N = 12,8 kWh/m

3) ............................................................ 73Abb. 3-8: Einspeiseschnittstellen und relevantes Regelwerk ..................................................................................... 74Abb. 3-9: Ferntransportleitungen der importierenden Ferngasgesellschaften ........................................................ 75Abb. 3-10: Ferntransportleitungen der importierenden Ferngasgesellschaften ........................................................ 77Abb. 3-11: In Deutschland zur Verteilung kommende Gase mit den wichtigsten Kennwerten ............................ 78Abb. 3-12: Exemplarischer Tageslastgang mit ausgeprägten Verbrauchsspitzen ..................................................... 79Abb. 3-13: Auf die Durchschnittswerte normierte Form eines Tageslastgangs ......................................................... 79Abb. 3-14: Anzahl der Gasversorger unterteilt in Größenklassen................................................................................ 81Abb. 3-15: Anzahl der Gasversorger unterteilt nach dem Verhältnis der Gasabnahme pro Tag............................ 81Abb. 3-16: Verteilung der GVU in die verschiedenen Klassen

und Kennzeichnung der charakteristischen GVU ...................................................................................... 82Abb. 3-17: Regionale HD-Leitungen im OVU-Gebiet (E.ON-Hanse) ......................................................................... 84Abb. 3-18: Verteilung der Gasversorgungsunternehmen in Deutschland ................................................................. 84

Abbildungsverzeichnis

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Abb. 3-19: Gasbedarf über ein Gaswirtschaftsjahr ........................................................................................................ 86Abb. 3-20: Regressionsgerade des Gasbezuges .............................................................................................................. 86Abb. 3-21: Druckverlauf .................................................................................................................................................... 87Abb. 3-22: Modellnetz ........................................................................................................................................................ 87Abb. 3-23: Einspeisung Süd .............................................................................................................................................. 88Abb. 3-24: Einspeisung Südost ......................................................................................................................................... 88Abb. 3-25: Hochdruckleitung ............................................................................................................................................ 89Abb. 3-26: Gasbeschaffenheitsverteilung ........................................................................................................................ 89Abb. 3-27: regionale Verfügbarkeit des Erdgasnetz nach Druckstufe HD ................................................................ 91

Abb. 4-1: Biogaspotenzial der Landwirtschaft ............................................................................................................. 95Abb. 4-2: Biogaspotenzial aus industriellen Reststoffen ............................................................................................. 96Abb. 4-3: Biogaspotenzial aus organischen kommunalen Reststoffe ....................................................................... 97Abb. 4-4: Biogaspotenzialverteilung nach Stoffklassen .............................................................................................. 98Abb. 4-5: Biogaspotenzial der Bundesländer ............................................................................................................... 99Abb. 4-6: Biogaspotenzialdichte der Bundesländer .................................................................................................. 100Abb. 4-7: landwirtschaftliche Betriebe pro Bundeslandfläche ................................................................................. 101Abb. 4-8: Durchschnittliche Größe landwirtschaftlicher Betriebe ........................................................................... 102Abb. 4-9: Prozentualer Anteil der landwirtschaftlichen Flächen an den Flächengrößenklassen ....................... 107Abb. 4-10: Prozentualer Anteil des Rinderbestandes an den Bestandsgrößenklassen .......................................... 107Abb. 4-11: Prozentualer Anteil des Schweinebestandes an den Bestandsgrößenklassen ...................................... 108Abb. 4-12: Bestandsgrößenklasse 4 über 500 Großvieheinheiten – regionale Verteilung ...................................... 109

Abb. 5-1: Biogaspotenzial der Bundesländer ............................................................................................................. 110Abb. 5-2: Verfahrensschema zur Biogasaufbereitung zu Erdgas-H-/Erdgas-L-Qualität mit PSA

für kleine Volumenströme (50 Nm3/h) ..................................................................................................... 123Abb. 5-3: Verfahrensschema zur Biogasaufbereitung zu Erdgas-H-/Erdgas-L-Qualität mit PSA

für größere Volumenströme (250 und 500 Nm3/h) ................................................................................. 123Abb. 5-4: Verfahrensschema zur Biogasaufbereitung zu Erdgas-H-Qualität mit DWW

für alle Volumenströme ................................................................................................................................ 124Abb. 5-5: Verfahrensschema zur Biogasaufbereitung zu Erdgas-L-Qualität mit DWW

für alle Volumenströme ................................................................................................................................ 125Abb. 5-6: Verfahrensschema zur Biogasaufbereitung zu Zusatzgas-Qualität für alle Volumenströme ........... 126

Abb. 6-1: Module der Biogaserzeugung und Nutzung ............................................................................................ 130Abb. 6-2: Stufen der Produktgaserzeugung ............................................................................................................... 141Abb. 6-3: Kosten des Rohbiogases ............................................................................................................................... 142Abb. 6-4: Gestehungskosten Produktgas bei Erdgas-H Qualität ohne Flüssiggas-Zugabe ................................ 146Abb. 6-5: Sensitivität der Biogasgestehungskosten bei der BG250 N ..................................................................... 146Abb. 6-6: Sensitivität der Biogasgestehungskosten bei der BG500 B ...................................................................... 147Abb. 6-7: Gestehungskosten Produktgas bei Erdgas-H Qualität mit Flüssiggas-Zugabe ................................... 148Abb. 6-8: Gestehungskosten Produktgas bei Erdgas-L Qualität ............................................................................. 149Abb. 6-9: Gestehungskosten des Produktgases bei Zusatzgas Qualität ................................................................. 150Abb. 6-10: Vergleich der spezifischen Produktgaskosten einer BG250 G und BG250 N ....................................... 150Abb. 6-11: Wärmegestehungskosten ............................................................................................................................. 151Abb. 6-12: Sensitivität Wärme-Gestehungskosten ....................................................................................................... 152Abb. 6-13: spezifische Stromgestehungskosten und zu erwartende Vergütungen der betrachteten Pfade ....... 155Abb. 6-14: spezifische Stromgestehungskosten nach Bereinigung durch Wärmevergütungen ........................... 156Abb. 6-15: spezifische Stromgestehungskosten bei verschiedenen zentralen BHKW-Leistungen ...................... 157Abb. 6-16: Sensitivität eines zentrales BHKW mit 500 kWel und Nutzung von Biogas aus NaWaRo ................ 157Abb. 6-17: spezifische Kraftstoffgestehungskosten in ct pro kWh ............................................................................ 158Abb. 6-18: Sensitivität der Kraftstoffgestehungskosten .............................................................................................. 158


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Abb. 8-1: Kosten des Rohbiogases pro kWhhi ............................................................................................................ 193Abb. 8-2: Gestehungskosten des Produktgases in Erdgasqualität (Biogasproduktion, Aufbereitung,

Einspeisung und Durchleitung) .................................................................................................................. 194Abb. 8-3: Gestehungskosten der Wärmebereitstellung ............................................................................................. 194Abb. 8-4: Gestehungskosten Strom .............................................................................................................................. 195Abb. 8-5: Gestehungskosten der Kraftstoffbereitstellung ......................................................................................... 196

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Tabellenverzeichnis

Tabelle 2-1: Lagerung von Substraten vor der Vergärung .............................................................................................. 19Tabelle 2-2: Kennwerte und Einsatzparameter von stehenden Fermentern ................................................................. 22Tabelle 2-3: Kennwerte und Einsatzparameter von Trockenfermentationsbehältern ................................................. 23Tabelle 2-4: Verfahren zur Gasaufbereitung ...................................................................................................................... 25Tabelle 2-5: Bewertungsmatrix für unterschiedliche Entschwefelungsverfahren ........................................................ 33Tabelle 2-6: Adsorptionsgleichgewichte ausgewählter binärer bzw. tertiärer Gasgemische ..................................... 34Tabelle 2-7: Mögliche Absorptionsverfahren zur Entfernung von Kohlendioxid und Schwefelverbindungen ..... 38Tabelle 2-8: Übersicht zu den Löslichkeiten unterschiedlicher Biogaskomponenten in Wasser

bei unterschiedlichen Temperaturen .............................................................................................................. 39Tabelle 2-9: Geeignete Membrantypen für die CH4-CO2-Gastrennung ........................................................................ 43Tabelle 2-10: Bewertungsmatrix für unterschiedliche Methananreicherungsverfahren ............................................... 46Tabelle 2-11: Übersicht Gasverdichter der Fa. „Gardner Denver Wittig GmbH“ – Einsatzbereiche

und Eigenschaften von Verdichtern für Faulgas, Grubengas oder Erdgas .............................................. 52Tabelle 2-12: Bewertung unterschiedlicher Verdichterbauarten nach ausgewählten Kriterien .................................. 53Tabelle 2-13: Druckbereiche der Biogasspeicherung ........................................................................................................... 54

Tabelle 3-1: Biogaszusammensetzung, Schwankungsbreiten und Auslegungsgrunddaten ...................................... 65Tabelle 3-2: Anforderungen an die Gasbeschaffenheit .................................................................................................... 67Tabelle 3-3: Sättigungswassergehalte als Funktion des Druckes .................................................................................... 68Tabelle 3-4: Zulässige Gasbegleitstoffe ............................................................................................................................... 69Tabelle 3-5: Beispielhafte Daten von verteilten Gasen nach G 260 – H-Gase ............................................................... 72Tabelle 3-6: Beispielhafte Daten von verteilten Gasen nach G 260 – L-Gase ................................................................ 72Tabelle 3-7: Daten zur Entwicklung des Erdgasnetzes .................................................................................................... 78Tabelle 3-8: Klassifizierung nach Druckstufen ................................................................................................................... 78Tabelle 3-9: Durchschnittliche Gasabgabe im Jahr und im Sommer............................................................................... 80Tabelle 3-10: Charakteristische GVU ..................................................................................................................................... 82Tabelle 3-11: Einspeisemengen für Austauschgas .............................................................................................................. 82Tabelle 3-12: Einspeisedruck der Biogasaufbereitungsanlage .......................................................................................... 88Tabelle 3-13: Einspeisedruck der Biogasaufbereitungsanlage .......................................................................................... 89Tabelle 3-14: Gasstatistik des BGW (Auszug)....................................................................................................................... 90

Tabelle 4-1: Substratspezifische Biogaserträge ................................................................................................................ 103Tabelle 4-2: Bestandsgrößenklassen für die einzelnen Tierarten................................................................................... 105Tabelle 4-3: Flächengrößenklassen für landwirtschaftliche Nutzfläche ....................................................................... 105Tabelle 4-4: Substrat-Anlagenkonfiguration .................................................................................................................... 106

Tabelle 5-1: Biogaspotenzial unter Berücksichtigung von Transportrestriktionen .................................................... 111Tabelle 5-2: Biogaspotenzial verglichen mit der durchschnittlichen Sommergrundlast .......................................... 112Tabelle 5-3: Biogaspotenzial verglichen mit der stündlichen Sommergrundlast ....................................................... 112


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Tabelle 5-4: Einspeisebeschränkungen für Zusatzgas .................................................................................................... 113Tabelle 5-5: Primärindikatoren zur Einspeisung von Biogas und die Bedeutung

für die Biogaserzeugung, Biogaseinspeisung und Wirtschaftlichkeit .................................................... 114Tabelle 5-6: Überblick über die untersuchten Anlagen .................................................................................................. 115Tabelle 5-7: Erdgaseigenschaften – Gaszusammensetzung und brenntechnische Kenndaten [ISIO04] ................. 119Tabelle 5-8: Kenndaten der betrachteten Gaseinspeisefälle (ZG – Zusatzgas, EG – Erdgas) ................................... 120

Tabelle 6-1: Substrat und Brennstoffkosten ...................................................................................................................... 130Tabelle 6-2: Lagerung von Maissilage im Fahrsilo .......................................................................................................... 131Tabelle 6-3: Substratkosten der Biogas-Anlagen ............................................................................................................. 131Tabelle 6-4: Anlagen mit 90 % Güllevergärung (massebasiert) .................................................................................... 133Tabelle 6-5: Anlagen mit 90 % Maissilagevergärung (massebasiert) ........................................................................... 133Tabelle 6-6: Anlage mit 100 % Bioabfallvergärung ......................................................................................................... 134Tabelle 6-7: Aufteilung der Investitionskosten bei den Anlagen mit Biogas für eine weitere Aufbereitung ........ 134Tabelle 6-8: Investitions- und Betriebskosten einer Gasbrennwerttherme .................................................................. 135Tabelle 6-9: Investitions- und Betriebskosten verschiedener BHKW-Typen .............................................................. 135Tabelle 6-10: Investitions- und Betriebskosten einer Gastankstelle ................................................................................ 136Tabelle 6-11: Aufbereitung mit dem DWW-Verfahren .................................................................................................... 137Tabelle 6-12: Aufbereitung mit dem PSA-Verfahren ........................................................................................................ 137Tabelle 6-13: Luftzugabe für Erdgas-L Qualität ................................................................................................................ 138Tabelle 6-14: LPG-Zugabe ..................................................................................................................................................... 138Tabelle 6-15: Aufbereitung Zusatzgas ................................................................................................................................. 139Tabelle 6-16: Kosten der Einspeisungsanlage .................................................................................................................... 140Tabelle 6-17: Nutzbare Biogasmenge und Energiegehalte von Rohbiogas und Produktgas ..................................... 141Tabelle 6-18: Jährliche Kosten bei der Bereitstellung von Biogas ins Erdgasnetz ........................................................ 143Tabelle 6-19: spezifische Kosten des Produktgases bei Erdgas-H Qualität ................................................................... 144Tabelle 6-20: Prozentanteile der Kosten am Ausspeisepunkt .......................................................................................... 145Tabelle 6-21: Produktgasmengen bei LPG-Zugabe und Energiegehalt ......................................................................... 148Tabelle 6-22: Stromvergütungen nach dem EEG ............................................................................................................... 153Tabelle 6-23: spezifische Kosten der zentralen Stromerzeugung .................................................................................... 154Tabelle 6-24: spezifische Kosten der dezentralen Stromerzeugung ............................................................................... 154

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1

2Abkürzungsverzeichnis

Abb. AbbildungBG BiogasBGW Bundesverband der deutschen Gas-

und WasserwirtschaftCH4 Methan (chemische Formel)CNG komprimiertes ErdgasCO2 Kohlenstoffdioxid

(chemische Formel)DBV Deutscher BauernverbandDIN Deutsches Institut für Normung e. V.DN NenndurchmesserDVGW Deutscher Verein des Gas- und

Wasserfaches e. V.DWW DruckwasserwäscheEEG Erneuerbaren-Energien-GesetzEG Europäische GemeinschaftEG-H Erdgas highEG-L Erdgas lowEnWG Energiewirtschaftgesetzetc. et ceteraEU Europäische UnionEVU EnergieversorgungsunternehmenFNR Fachagentur Nachwachsende

Rohstoffe e. V.GDA Gas-DruckregelanlageGDRM Gas-Druckregel- und MessanlageGVU Gasversorgungsunternehmenggfs. gegebenenfallsH2O Wasser (chemische Formel)H2S Schwefelwasserstoff

(chemische Formel)

HD HochdruckHI oder HU (alt) HeizwertHS oder HO (alt) BrennwertKJ Kaliumjodid (chemische Formel)LNG Liquefied natural gas,

durch Kühlung verflüssigtes GasLPG Liquefied petroleum gas,

Flüssiggas wie Propan, ButanMD MitteldruckMio. MillionenMrd. MilliardenNaWaRo Nachwachsende RohstoffeND NiederdruckO2 Sauerstoff (chemische Formel)OVU OrtnetzversorgungsunternehmenPN Druckstufeppm parts per millionPSA DruckwechseladsorptionSNG substitute (synthetic) natural gasTierNebG tierische Nebenprodukte-

BeseitigungsgesetzTsd. Tausendusw. und so weiterWS,N oberer Wobbewert bei Normzustandz. B. zum Beispiel

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Glossar 4

Absorption ist das Eindringen von Gasen in eine feste oder flüssige Phase durch Diffusion.

Adsorption ist die Anlagerung von Gasen, Dämpfen und gelösten Stoffen an Grenzflächen einer festen oder flüssigen Phase.

Austauschgase sind Gasgemische, die trotz ihrer vom Grundgas abweichenden Zusammensetzung und ggf. abweichenden Kenndaten bei gleichem Gasdruck und unveränderter Geräteeinstel-lung ein gleichartiges Brennverhalten wie das Grundgas aufweisen.

Bestandsgrößenklasse ist die Einteilung der statistisch erhobenen Tierbestände landwirtschaftlicher Unterneh-men nach Klassen vergleichbarer Größen auf der Basis von Großvieheinheiten.

DBV Deutscher Bauernverband

Deponiegas In Deponien, die mit Hausmüll oder hausmüllähnlichen Abfällen verfüllt werden, kommt es nach einer gewissen Anlaufzeit zur Gasbildung durch biologische Abbaupro-zesse. Diese mikrobiologischen Umsetzungs-Prozesse laufen im Deponiekörper unter Ausschluss von Sauerstoff (anaerob) ab. Hierbei wird die in den eingelagerten Abfällen enthaltene Biomasse, wie sie z. B. in Lebensmittelresten, Speiseabfällen, Grünabfällen, Papier, Stoffen, Hausabfällen etc. vorkommt, durch bakterielle Vorgänge zersetzt. Als Hauptabbauprodukte dieses biologischen Abbauprozesses entstehen Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2). Dieses Gas wird als Deponiegas bezeichnet. Neben diesen Haupt-komponenten können im Deponiegas noch weitere Komponenten in Spuren enthalten sein. Bislang wurden weit über 100 Verbindungen identifiziert, die teilweise Chlor bzw. Fluor enthalten. Prinzipiell lassen sich im Deponiegas Stoffe nachweisen, die entweder durch biochemische Abbauvorgänge oder chemische Reaktionen entstanden sind oder im Deponiekörper zur Ablagerung kamen und entsprechend ihres Dampfdruckes in der Gasphase auftreten /82/.

DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V.

Flächengrößenklassen ist die Einteilung der statistisch erhobenen landwirtschaftlichen Flächen landwirtschaft-licher Unternehmen in Klassen vergleichbarer Größe.

Gase zur Konditio-nierung

sind Gase oder Gasgemische, die zur Einstellung der brenntechnischen Kenndaten dem Grundgas zugemischt werden.

Gasodorierung ist das Zumischen von Nutzgas mit einem Warngeruch, der aus schwefelhaltigen oder schwefelfreien Stoffen (Odoriermittel) besteht.

Grundgase sind die in einem Versorgungsgebiet üblicherweise verteilten Gase.

Glossar

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Gülle-Anlagen sind in der vorliegenden Studie die Biogasanlagen mit 10 % Anteil nachwachsende Roh-stoffe und 90 % Gülle.

industrielle Substrate sind vergärbare organische Abfälle, die nicht den Bereichen „organischer Hausmüll“ oder den industriellen festen Bioabfällen zugeordnet sind. Dabei ist substratseitig eine Abgrenzung zwischen Substraten und Abwässern nicht möglich. Hinsichtlich der Behandlungsziele und -konzepte besteht hier allerdings ein deutlicher Unterschied: Abwässer werden in der Regel unmittelbar am Entstehungsort behandelt. Dabei steht die Reduzierung der organischen Inhaltsstoffe im Vordergrund. Handelt es sich um trans-portfähige industrielle Substrate, sind grundsätzlich unterschiedliche Behandlungsoptio-nen gegeben. Dabei steht vielfach eine möglichst hochwertige Nutzung der Reststoffe (stofflich oder energetisch) im Vordergrund.

Karburierung ist die Erhöhung des Heiz- oder Brennwertes eines Gases durch Zugabe kohlenstoff-reicher Kohlenwasserstoffe.

Kohlen(stoff)dioxid(CO2)

ist ein farbloses, unbrennbares und geruchloses Gas. Es ist etwa 1,5 mal schwerer als trockene Luft. Ab einer CO2-Konzentration zwischen 4 und 5 % tritt bei Menschen Bewusstlosigkeit auf. Konzentrationen im Bereich von 8 % in der Atemluft können töd-lich wirken.

Kondensationspunkt bezeichnet die Temperatur, oberhalb der bei einem festgelegten Druck keine Kondensa-tion von Stoffen auftreten soll.

Konditionierungsgas Gas zur Einstellung brenntechnischer Kennwerte.

Konkurrenzfaktoren Konkurrenz um die vorhandenen Stoffe, Flächenkonkurrenz.

Methan (CH4) ist ein ungiftiges, farbloses, energiereiches Gas, das leichter als Luft ist. In Mischung mit Luft kann es brennbare oder explosionsfähige Gemische bilden.

Mischgas wird das Gas mit der Zusammensetzung nach Mischerstation (Grundgas mit Konditionierungsgas) bezeichnet.

NachwachsendeRohstoff-Anlagen

sind in der vorliegenden Studie die Biogasanlagen mit 90 % Anteil nachwachsende Rohstoffe und 10 % Gülle.

NachwachsendeRohstoffe

Sammelbegriff für stofflich und energetisch genutzte Biomasse (keine Futter- und Lebensmittel). Es handelt sich hierbei i. d. R. um land- und forstwirtschaftlich erzeugte Rohstoffe wie Holz, Flachs, Raps, Zuckerstoffe und Stärke aus Rüben, Kartoffeln oder Mais, die nach der Aufbereitung einer weiteren stofflichen oder energetischen Anwen-dung zugeführt werden /26/.

NPK-Dünger (Stickstoff, Phosphor, Kalium) Neben den Humuslieferanten (Mist, Kompost, Stroh-mulch) gibt es eine große Palette an stickstoffhaltigen organischen Düngern, die für den Spezial- und Sonderkulturbetrieb auch wirtschaftlich von Bedeutung sind. Bei der Anwendung sollte stets der hohe Anteil an leichtverwertbarem Stickstoff beachtet wer-den. Nach dem Düngemittelgesetz werden die organischen Handelsdünger in drei Kate-gorien eingeteilt organische N-Dünger organische NP-Dünger und organische NPK-Dünger. Diese Dünger weisen Mindestgehalte an Nährstoffen auf.


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Potenziale Das theoretische Potenzial beschreibt das innerhalb einer gegebenen Region und inner-halb eines bestimmten Zeitraumes physikalisch nutzbare Energieangebot. Es markiert damit die Grenze des theoretisch realisierbaren Beitrages einer regenerativen Energie-quelle zur Energiebereitstellung. Ihm kommt zur Beurteilung der tatsächlichen Nutzbar-keit erneuerbarer Energien keine praktische Relevanz zu. Das technische Potenzial regenerativer Energien beschreibt den Anteil des theoretischen Potenzials, der unter Berücksichtigung der gegebenen technischen Einschränkungen nutzbar ist. Das erschließbare Potenzial beschreibt den zu erwartenden tatsächlichen Beitrag einer regenerativen Energieform, der unter realistischen Rahmenbedingungen zur Energie-gewinnung verfügbar gemacht werden kann. Es ist von einer Reihe technischer, wirtschaftlicher und weiterer Einflüsse abhängig /45/.

Rohgas ist mit Fremdstoffen beladenes Gas.

Taupunkt bezeichnet die Temperatur, oberhalb der bei einem festgelegten Druck keine Kondensa-tion von Wasser auftreten soll.

Teilkosten bedeutet eine Trennung von fixen und variablen Kosten. Es werden zuerst nur die varia-blen Kosten betrachtet. Dies dient als Entscheidungshilfe bei der Auslegung von zusätzli-chen Produktionskapazitäten, wenn die Fixkosten schon durch andere Produkte gedeckt werden.

Vollkosten sind die gesamten anfallenden Kosten bei der Produktion eines Gutes. Es werden sowohl die fixen als auch die variablen Kosten einbezogen. So können die wirklich anfallenden Kosten auf die Energieerzeugung umgelegt werden.

Zeolithe Molekularsiebe

Zusatzgase sind Gasgemische, die sich in Zusammensetzung und brenntechnischen Kenndaten wesentlich vom Grundgas unterscheiden. Sie können dem Grundgas in begrenzten Men-gen zugeführt werden. Dabei bestimmt die Forderung nach gleich bleibendem Brennver-halten des Gemisches die Höhe des Zusatzes.

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Einleitung

Seit Inkrafttreten des Erneuerbaren-Energien-Geset-zes (EEG) im Jahr 2000 und der Novellierung 2004 hatdie Erzeugung und Nutzung von Biogas, insbeson-dere in der Landwirtschaft, erheblich zugenommen.Unterstützt wird diese Entwicklung durch das Markt-anreizprogramm (MAP) des Bundes und diverse In-vestitionsförderprogramme einiger Bundesländer.

Grundlage für diese Entwicklung ist, dass diePotenziale an organischen Stoffströmen, die sinnvol-lerweise zur Biogaserzeugung und zur nachhaltigenEnergiebereitstellung genutzt werden können, beacht-lich sind. Die Biogasnutzung kann damit erheblichzur Erreichung der Klimaschutzziele der Bundesre-gierung beitragen. Dies gilt insbesondere für dieLandwirtschaft. Damit liegen Randbedingungen vor,die erwarten lassen, dass die Erzeugung und Nut-zung von Biogas weiter ausgebaut werden kann.

Bei vielen Biogasanlagen kann die in Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) anfallende Wärme aufgrund fehlen-der Nachfrage am Ort der Biogasgewinnung außer fürdie Aufrechterhaltung des eigentlichen Gärprozessesoftmals kaum genutzt werden. Dies ist aus Energieeffi-zienzgründen keine optimale Situation. Hinzu kommt,dass das primäre Ausgangsmaterial für die Biogaser-zeugung (z. B. Gülle, Mist, Futterreste etc.), aufgrundder niedrigen Energiedichte, auch aus ökonomischenGründen kaum problemlos über längere Distanzentransportiert werden kann.

Vor diesem Hintergrund wird in den letzten Jahreneine Öffnung der Gasnetze für die Einspeisung vonBiogas diskutiert. Als Vorteil wird u. a. eine besserePrimärenergieausnutzung und damit ein bessererGesamtwirkungsgrad genannt. Die Realisierung die-ser Option wird in dieser Studie umfassend im Hin-blick auf technische, rechtliche und wirtschaftlicheVoraussetzungen untersucht.

Zuerst erfolgt eine Untersuchung der technischenMöglichkeiten, Biogas zu produzieren, aufzubereiten

und in das Gasnetz einzuspeisen. Schwerpunktmäßigwerden die möglichen und die praxisrelevanten Auf-bereitungstechniken beschrieben und bewertet.

Daraufhin werden die regionalen Biogas-Poten-ziale Deutschlands beschrieben.

Um abzuschätzen, welcher Anteil des Biogaspo-tenzials zur Gaseinspeisung in das Gasnetz in Fragekommt, werden die Gasnetzrestriktionen mit demBiogas abgeglichen. Zudem werden die Abstände zuden verschiedenen Gasnetzen beschrieben um diebundesweite Flächendeckung des Gasnetzes zu cha-rakterisieren.

Es werden 7 Modell-Biogasanlagen verschiedenerGrößen und Einsatzstoffe definiert und beschrieben.Diese dekken eine praxisnahe Bandbreite von Biogas-anlagen, die zur Gaseinspeisung in Frage kommen,ab. Anhand der Wärmegestehungskosten bei der Nut-zung von Gas und Holz werden die Kosten der Bio-gas-Produktion, -Aufbereitung und -Einspeisung indas Gasnetz errechnet. Schließlich werden verschie-dene Nutzungsoptionen von Biogas (dezentraleBHKW-Stromproduktion, Einspeisung und zentraleBHKW-Nutzung, Wärmegewinnung und Kraftstoff-produktion) ökonomisch miteinander verglichen.

Abschließend werden die rechtlichen Rahmenbe-dingungen betrachtet. Es wird der derzeitige Stand derSituation begutachtet. Da zum Abschluss der vorlie-genden Studie auf politischer Ebene das Energiewirt-schaftsgesetz und die Netzzugangsverordnung über-arbeitet werden, werden mögliche Entwicklungenaufgezeigt.

Das Ziel dieses Vorhabens ist die detaillierte Ana-lyse und Bewertung der Rahmenbedingungen undMöglichkeiten der Einspeisung von Biogas in das Erd-gasnetz, um eine fundierte Grundlage für die Diskus-sion dieser Thematik zu schaffen.

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2Biogasbereitstellung, -aufbereitung, -einspeisung und -transport 2

Um Biogas in das Erdgasnetz einzuspeisen, sind eineVielzahl von Verfahrensschritten notwendig. Zu-nächst wird das Biogas erzeugt. Dies erfolgt durch mi-krobielle Fermentation mit bekannten, technisch be-währten Verfahren. Um aus dem gewonnenen Biogasein energetisch angereichertes und schadstofffreiesGas zu erhalten, sind weitere Verfahrenstechnikennotwendig. Dabei werden schädliche Gasbestandteilewie zum Beispiel H2S oder H2O und in weiteren Stu-fen Inertgasbestandteile wie zum Beispiel CO2 ausdem Rohgas entfernt. Die angewandten Technologienunterscheiden sich nur im Gasdurchsatz von industri-ell bereits gängigen Verfahren.

Um das aufbereitete Biogas in das Erdgasnetz ein-speisen zu können, sind weitere technische Einrich-tungen notwendig. Das Gas muss den Erfordernissenentsprechend verdichtet oder entspannt werden unddie Gasqualität wird gemessen. Die Vermischung mitdem Erdgas erfordert ggfs. eine entsprechende Misch-und Regelstation. Je nach Einspeisestelle sind techni-sche Einrichtungen zur Odorierung erforderlich.

Im Folgenden werden die Einrichtungen zurErzeugung, Aufbereitung, Verteilung und Speiche-rung von Biogas aus fermentativen Prozessen näherbetrachtet.

2.1 Biogasbereitstellung

In diesem Abschnitt wird der Stand der Technik derBiogasgewinnung detailliert erläutert. Auf der Basisdieser Ausführungen und der in der Praxis üblichenBiogasanlagen bzw. erwarteter zukünftiger Anlagen-entwicklungen werden anschließend Modellanlagendefiniert (Kapitel 5.2), an denen im weiteren die Wirt-schaftlichkeits-Analysen durchgeführt werden. DieseModellanlagen sind in ihrer Dimensionierung auf dieGasaufbereitungs- und Einspeise-Technik ausgelegt.

Die Produktion von Biogas ist mittlerweile eineausgereifte Technologie. Da sich die Rahmenbedin-gungen der Biogaserzeugung in den letzten Jahrenständig geändert haben (Inputmaterialien, gesetzlicheRegelungen, Vergütungen) und prinzipiell verschie-dene Verfahren zur anaeroben Fermentation möglichsind, ist eine Vielfalt technischer Lösungen möglich.Die üblichen Lösungen werden in diesem Kapitel vor-gestellt.

2.1.1 Grundlagen der anaeroben Vergärung

Um ein Grundverständnis für den Vergärungsprozesszu vermitteln, werden nachfolgend kurz die biologi-schen Grundlagen, die Möglichkeiten der technischenUmsetzung und die Besonderheiten bei der Nutzungdes produzierten Biogases erläutert.

2.1.1.1 Biogaserzeugung

Biogas wird durch Mikroorganismen in einer anaero-ben Stoffwechselkette gebildet. Daher muss bei derBetrachtung der Biogasgewinnung immer berücksich-tigt werden, dass der Erfolg des Einsatzes von Anae-robverfahren immer von der Lebenstätigkeit von Mi-kroorganismen abhängt und damit gewährleistetwerden muss, dass diesen Mikroorganismen immermöglichst günstige Lebensbedingungen geboten wer-den.

Nach heutigem Wissensstand läuft der Vergä-rungsprozess prinzipiell in vier voneinander abhängi-gen Stufen ab, die jeweils durch die Anwesenheit vonspeziellen Bakterienstämmen gekennzeichnet sind.

In der Hydrolysephase werden langkettige organi-sche Verbindungen (Polymere) durch Exoenzymegespalten. Da hierbei feste Substanzen in Lösunggehen, nennt man diesen Schritt auch Verflüssigungbzw. Hydrolyse. Bei den entstehenden Produktenhandelt es sich um niedermolekulare Verbindungen

Biogasbereitstellung, -aufbereitung, -einspeisung und -transport

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(Monomere und Dimere). Die Mono- und Dimerewerden in der Versäuerungsphase durch strikt und/oder fakultativ anaerobe acidogene Bakterien zu kurz-kettigen Fettsäuren sowie zu Wasserstoff und Kohlen-stoffdioxid abgebaut. In der Essigsäurephase werdendie Stoffwechselprodukte, die nicht bereits von den indieser Phase ebenfalls anwesenden Methanbakterienumgesetzt werden konnten, von acetogenen Bakterienzu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid

abgebaut. In der Methanbildungsphase wird durchanaerobe, so genannte methanogene Bakterien ausden in den vorangegangen Phasen gebildeten Produk-ten mit Hilfe molekularen Wasserstoffs Methan gebil-det.

Abbildung 2-1 zeigt den Ablauf der anaerobenVergärung organischer Substrate in vereinfachterForm.

2.1.1.2 Prozessstufen

Die technische Umsetzung der Vergärung und Biogas-gewinnung orientiert sich zwangsläufig an den biolo-gischen Grundlagen dieses anaeroben Vergärungspro-zesses. Dabei kommen, im Wesentlichen in Ab-hängigkeit der Eigenschaften der eingesetzten Sub-strate, verschiedene Technologien zum Einsatz. Trotz-dem gibt es einen grundsätzlichen Verfahrensablauf,so dass sich alle Biogasanlagen hinsichtlich ihres sys-temtechnischen Aufbaus ähneln.

Eine Biogasanlage unterteilt sich grundsätzlich invier Prozessstufen. In der ersten Stufe wird das Sub-strat bereitgestellt, gelagert, je nach Anforderungen

aufbereitet und in den Fermenter eingebracht. Alszweite Stufe folgt jeweils der eigentliche anaerobeVergärungsprozess im Fermenter. Die dritte Stufebeinhaltet die Gasaufbereitung und die Gasnutzung.Als vierte Stufe, quasi parallel zur dritten, folgt dieLagerung, Verwertung und/oder Nutzung der Gärre-ste. Abbildung 2-2 zeigt den Verlauf und die Zusam-menhänge der vier Prozessstufen und die dabeijeweils ablaufenden verfahrenstechnischen Vorgänge.

2.1.2 Vor- und Aufbereitung der Substrate

Die auf dem Weg der verschiedenen Substrate in denBiogasfermenter notwendigen Schritte werden unter

Abb. 2-1: Schematisierter Ablauf der anaeroben Vergärung /26/

1. Phase

4. Phase

Methanbildung

3. Phase

Essigsäurebildung

2. Phase

Versäuerung

Methanogene Bakterien

Acetogene Bakterien

Acidogene Bakterien

Hydrolytische Bakterien

Biogas

Industrielle Neben- und Abfallprodukte

Langkettige PolymereFette, Eiweiße, Kohlenhydrate

Kurzkettige Monomere u. DimereFettsäuren, Aminosäuren, Zucker

Essigsäure (CH3COOH), Kohlendioxid (CO2),

Wasserstoff (H2)

Methan (CH4), Kohlendioxid (CO2),

Schwefelwasserstoff (H2S) u. a.

Kurzkettige organische Säuren (z.B. Propionsäure)

Alkohole


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dem Oberbegriff Substrathandling zusammengefasst.Im Einzelnen umfasst das Substrathandling die Anlie-ferung, die Lagerung, die Aufbereitung, den Trans-port und die Einbringung der Substrate.

2.1.2.1 Lagerung

Substratlager dienen in erster Linie dazu, Schwankun-gen bei der Bereitstellung und Anlieferung der ver-schiedenen Substrate und Kosubstrate auszugleichen.Dies ist im besonderen bei Anlagen von Bedeutung,die nachwachsende Rohstoffe als Betriebsmaterialverwenden. In der Regel werden diese ein oder zweimal im Jahr geerntet, während sie im Betrieb der Bio-gasanlage täglich zur Verfügung stehen müssen. DieGestaltung der Lager ist von den verwendeten Sub-straten abhängig. Die für die Lager benötigte Flächerichtet sich nach den zu erwartenden Stoffmengenund den auszugleichenden Zeiträumen. Werden be-triebsfremde Kosubstrate verwendet, spielen vertrag-liche Bedingungen wie Abnahmemenge und Häufig-keit der Lieferung eine Rolle. Werden hygienischbedenkliche Kosubstrate aus z. B. industrieller Her-kunft verwendet, ist auf eine strikte Abtrennung derAnnahmestation vom landwirtschaftlichen Betrieb zu

achten. Es darf keine Vermischung von hygienisch be-denklichem und unbedenklichem Substrat vor demDurchlauf durch die Hygienisierungseinrichtungmöglich sein. Zur Minimierung von Gerüchen, aberauch aus praktischen Gesichtspunkten sollte die An-nahme, Lagerung und Aufbereitung der Substrate inHallen, deren Abluft über Biofilter gereinigt wird,durchgeführt werden. So ist die Technik geschütztund Bedien- sowie Kontrollarbeiten können witte-rungsunabhängig durchgeführt werden. Die Beson-derheiten sind in Tabelle 2-1 zusammengefasst.

2.1.2.2 Aufbereitung

Art und Umfang der Substrataufbereitung beeinflus-sen den Ablauf des Gärprozesses und damit die Aus-nutzung des energetischen Potenziales der verwende-ten Substrate. Ziel der Aufbereitung muss es sein, aufder einen Seite gesetzlichen Ansprüchen wie der Hy-gienisierung und auf der anderen Seite den Mikroor-ganismen als Erzeuger des Methans, also des beab-sichtigten Produktes, weitestgehend gerecht zuwerden. In der Substrataufbereitung liegt eines derbeiden großen Potenziale der Optimierung der Ge-samtanlage.

Abb. 2-2: Verfahrensablauf bei der Biogasgewinnung /26/


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Sortierung und StörstoffabtrennungDie Notwendigkeit einer Sortierung und Störstoffab-trennung hängt von der Herkunft und Zusammenset-zung des Substrates ab. Steine, die den am häufigstenauftretenden Störstoff darstellen, werden meist in derVorgrube abgetrennt, von deren Boden sie von Zeit zuZeit entnommen werden müssen. Andere Störstoffewerden manuell bei der Substratanlieferung oder derBefüllung der Beschickungseinrichtungen aussortiert.Das größte Störstoffpotenzial haben Bioabfälle. Fallssie als Kosubstrat in der landwirtschaftlichen Bio-gaserzeugung eingesetzt werden, stellt eine manuelleStörstoffabscheidung in einer abschließbaren Kabinemit arbeitsplatznaher Luftabsaugung am Förderbandden Stand der Technik dar.

HygienisierungUm die gesetzlich vorgeschriebenen Kriterien für ei-nige aus Sicht der Seuchen- und Phytohygiene kriti-schen Stoffgruppen zu erfüllen, ist es unter Umstän-den notwendig, eine thermische Vorbehandlung indie Biogasanlage zu integrieren. Die Vorbehandlungerfolgt durch Erwärmung der Stoffe auf eine Tempe-ratur von 70 °C bei mindestens einer Stunde Verweil-zeit. Da die Größen der zur Hygienisierung verwen-deten Behälter und der Energieaufwand von derDurchsatzmenge abhängen, wird die Hygienisierungin der Regel vor der Einbringung bedenklicher Ko-substrate in den Fermenter durchgeführt. So ist esmöglich, nur die bedenklichen Stoffe zu hygienisierenund damit die Hygienestufe wirtschaftlicher zu di-mensionieren. Die Stoffe werden außerdem thermischaufgeschlossen und sind dadurch besser vergärbar.

ZerkleinerungDie Substratzerkleinerung erschließt Substratoberflä-chen für den biologischen Abbau und damit auch fürdie Methanproduktion. Grundsätzlich kann davonausgegangen werden, dass mit einem höheren Zer-kleinerungsgrad die Geschwindigkeit des biologi-schen Abbaus, aber nicht zwingend die Gasausbeutesteigt. Die Methanproduktion folgt unter anderem ausdem Zusammenspiel von Aufenthaltszeit und Zer-kleinerungsgrad. Daher muss großer Wert auf denrichtigen Technikeinsatz gelegt werden.

Einige pumpfähige Substrate müssen vor demDurchlauf durch die Beschickungseinrichtung zerklei-nert werden, um deren Funktion nicht zu gefährden.Die Zerkleinerung wird entweder vor Aufgabe derSubstrate in die Vorgrube, in der Vorgrube, in derPumpleitung vor der Förderpumpe oder direkt in derFördereinrichtung durchgeführt.

Unterschieden werden kann in:- Zerkleinerungsaggregate bei der direkten Feststoff-

dosierung (besonders für NaWaRo)- Zerkleinerungsaggregate vor Aufgabe des Substra-

tes in die Vorgrube- Zerkleinerungsrührwerke in der Vorgrube- Zerkleinerungsaggregate in der Förderleitung- Zerkleinerungsaggregate, die mit der Fördertechnik

eine Einheit bilden.

Anmaischen, HomogenisierenDas Anmaischen von Substraten ist wichtig, um inder Nassvergärung pumpfähige Substrate durch Er-höhung des Wassergehaltes herzustellen und diesedann in den Fermenter zu fördern. Es erfolgt in derRegel in der Vorgrube kurz vor Einbringung des Sub-

Tabelle 2-1: Lagerung von Substraten vor der Vergärung

Dimensionierung • Abhängig von: Substrataufkommen, Fermenterleistung, auszugleichenden Lieferzeiträu-men, Flächenausstattung und Ertrag bei Kosubstraten, Lieferverträgen bei betriebsfremden Substraten.

• Betriebsstörungen müssen abgefangen werden können.

Besonderheiten • Bei nachwachsenden Rohstoffen, die auf Stilllegungsflächen angebaut wurden, ist eine Denaturierung durchzuführen.

• Es sollte das Einfrieren von technischen Einrichtungen bei der Lagerung vermieden werden, beispielsweise durch Aufstellung von Lagertanks in Hallen oder Nutzung von Gruben unter Geländeniveau.

• Abbauprozesse, die den Gasertrag mindern, sollten vermieden werden.• Vermischung von hygienisch bedenklichen und hygienisch unbedenklichen Substraten

muss vermieden werden.• Geruchsentwicklung sollte durch bauliche Maßnahmen minimiert werden.

Bauformen • In der Landwirtschaft übliche Lager als Fahrsilo oder Grube, für flüssige Substrate Tanks.• Vorgruben können als kurzfristige Lager bis zu cirka drei Tagen genutzt werden.

Kosten • In der Regel sind Lager vorhanden, für Neubauten muss der Preis in Abhängigkeit der Viel-zahl der oben genannten Einflussgrößen für den Einzelfall ermittelt werden. Bei der Verwen-dung von NaWaRo sind i. d. R. Lagerkapazitäten zu schaffen.


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strates in den Gärprozess. Als Flüssigkeit zum An-maischen werden je nach Verfügbarkeit Gülle, bereitsvergorene Biogasgülle, Prozesswasser oder im Aus-nahmefall auch Frischwasser genutzt. Die Anwen-dung bereits vergorener Biogasgülle kann die Frisch-wasserbedarf senken und hat den Vorteil, dass dasSubstrat bereits vor Erreichen des Fermenters mit denBakterien des Gärprozesses angeimpft wird.

Die Homogenität der zugeführten Substrate ist fürdie Stabilität des Vergärungsprozesses von hoherBedeutung. Bei stark schwankender Belastung undwechselnder Substratzusammensetzung müssen dieMikroorganismen sich an die veränderten Bedingun-gen anpassen, was meist mit einer Einbuße bei derGasausbeute verbunden ist. Die Homogenisierungpumpfähiger Substrate wird meist in der Vorgrubemit Rührwerken durchgeführt. Die Vermischung ent-spricht in etwa den Systemen der voll durchmischtenFermenter.

2.1.2.3 Substrattransport und -einbringung

Für einen stabilen Gärprozess ist aus prozessbiologi-scher Sicht ein kontinuierlicher Substratstrom durchdie Biogasanlage der Idealfall. Da dieser in der Praxiskaum realisiert werden kann, ist eine quasikontinuier-liche Zugabe des Substrates in den Fermenter der Re-gelfall. Die Zugabe des Substrates erfolgt in mehrerenChargen über den Tag verteilt. Daraus folgend wer-den alle Aggregate, die für den Substrattransport not-wendig sind, nicht kontinuierlich betrieben. Diesspielt für die Auslegung eine sehr große Rolle.

Die Anlagentechnik für den Transport und die Ein-bringung hängt im Wesentlichen von der Beschaffen-heit des Substrates ab. Es muss zwischen Technik fürpumpfähige und stapelbare Substrate unterschiedenwerden.

Bei der Einbringung der Substrate ist deren Tem-peratur zu beachten. Bei großen Differenzen zwischenMaterial- und Fermentertemperatur (beispielsweisebei Einbringung nach einer Hygienisierungsstufeoder im Winter) wird die Prozessbiologie starkgestört, was zur Verminderung des Gasertrages füh-ren kann. Als technische Lösungen werden hierzuweilen Wärmeübertrager und beheizte Vorgrubenangewendet.

Transport pumpfähiger SubstrateZum Transport pumpfähiger Substrate innerhalb derBiogasanlage werden hauptsächlich über Elektromo-toren angetriebene Pumpen verwendet. Sie könnenüber Zeitschaltuhren oder Prozessrechner angesteuert

werden, wodurch der Gesamtprozess ganz oder teil-weise automatisiert werden kann. In vielen Fällenwird der gesamte Substrattransport innerhalb der Bio-gasanlage über ein oder zwei zentral in einem Pump-oder Steuerhaus positionierte Pumpen realisiert. DieVerlegung der benötigten Rohrleitungen erfolgt dannso, dass alle eintretenden Betriebsfälle (z. B. Beschi-cken, vollständiges Entleeren von Behältern, Havarie-fälle etc.) über gut zugängliche oder automatischeSchieber gesteuert werden können.

Transport von stapelbaren SubstratenStapelbare Substrate müssen in der Nassvergärungbis zur Materialeinbringung bzw. bis zur Anmai-schung transportiert werden. Die meisten Wege wer-den mit einem üblichen Lader zurückgelegt. Erst fürdie automatisierte Beschickung werden Kratzböden,Overhead-Schubstangen und Förderschnecken einge-setzt. Kratzböden und Overhead-Schubstangen sindin der Lage, nahezu alle stapelbaren Substrate hori-zontal oder mit einer leichten Steigung zu fördern. Siekönnen jedoch nicht für die Dosierung verwendetwerden. Sie ermöglichen die Anwendung von sehrgroßen Vorlagebehältern. Förderschnecken könnenstapelbare Substrate in nahezu alle Richtungen trans-portieren. Vorbedingung ist hier nur die Freiheit vongroßen Steinen und die Zerkleinerung des Substrates,dass es von der Schnecke ergriffen werden kann undin die Schneckenwindungen passt. Automatische För-dersysteme für stapelbare Substrate stellen in der Re-gel eine Einheit mit den Einbringungsaggregaten ander Biogasanlage dar.

Einbringung pumpfähiger SubstratePumpfähige Substrate werden in der Regel über inden Boden eingelassene substratdichte Vorgruben ausBeton, in denen die anfallende Gülle zwischengespei-chert und homogenisiert wird, eingebracht. Die Vor-gruben, die auch als Anmaischbehälter bezeichnetwerden, sollten so ausgelegt sein, dass mindestens einbis zwei Tagesmengen in ihnen gespeichert werdenkönnen. Häufig werden vorhandene Güllesammel-gruben im landwirtschaftlichen Betrieb genutzt.

Verfügt die Biogasanlage nicht über eine getrennteZugabemöglichkeit zur Direkteinbringung von Ko-substraten, werden auch stapelbare Substrate in derVorgrube gemischt, zerkleinert, homogenisiert undwenn nötig zur Herstellung pumpfähiger Gemischeangemaischt. Aus diesem Grund sind Vorgruben mitRührwerken, wenn nötig in Kombination mit Reiß-und Schneidwerkzeugen zur Zerkleinerung der Sub-strate, ausgestattet. Werden störstoffhaltige Substrate


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verarbeitet dient die Vorgrube auch zur Abtrennungvon Steinen und Sinkschichten, sie können z. B. mittelsKratzböden und Förderschnecken konzentriert undausgetragen werden. Zur Vermeidung von Geruchs-emissionen sollten Vorgruben abgedeckt werden.

Einbringung von stapelbaren SubstratenDurch die Einbringung von stapelbaren Substraten indie Vorgrube und die damit verbundenen Problemekann eine kontinuierliche und automatisierte Einbrin-gung der Substrate in den Vergärungsprozess er-schwert werden und ein erhöhter Arbeitsaufwand dieFolge sein. Aus diesen Gründen werden Feststoffemeist unter Umgehung der Vorgrube direkt in denFermenter eingebracht. Kofermente können so unab-hängig von der Gülle und in regelmäßigen Abständeneingespeist werden. Außerdem ist es möglich, denTrockensubstanzgehalt im Fermenter zu erhöhen unddamit die Biogasausbeute zu verbessern.

2.1.3 Biogaserzeugung durch Fermentation

Das Biogas wird durch Vergärung der Substrate inFermentern gewonnen. Der Fermenter ist, inklusivedazu gehöriger Peripherie, das eigentliche Kernstückder Biogasanlage. Die verschiedenen Ausführungender Fermenter werden hinsichtlich Materialien undBauweise häufig von landwirtschaftlichen Güllela-gern abgeleitet und an die spezifischen Anforderun-gen der Biogastechnik angepasst. Substratmenge unddie gewählte hydraulischen Verweilzeit bestimmendas Volumen der Fermenter. Abhängig von den zurVerfügung stehenden Substraten, dem gewähltenGärverfahren und den örtlichen Gegebenheiten kön-nen Fermenter unterschiedlich ausgeführt werden.Unabhängig von ihrer Ausführung müssen Fermentereinige Grundvoraussetzungen erfüllen, sie müssen:- gas- und flüssigkeitsdicht sein,- die Möglichkeit besitzen, die erforderliche Prozess-

temperatur durch Wärmeeintrag (Heizung) zurVerfügung zu stellen,

- Wärmeverluste und Temperaturschwankungen z. B.durch Wärmeisolierung verhindern,

- eine Möglichkeit zur Durchmischung des Substra-tes besitzen, um Temperaturgefälle, Schwimm- undSinkschichtenbildung, ein Gefälle der Nährstoff-konzentration im Substrat und eine schlechte Aus-gasung des Substrates zu vermeiden sowie dieHomogenisierung des Substrates sicherzustellen,

- Einrichtungen oder Möglichkeiten zur Sedimen-taustragung besitzen,

- Einrichtungen zur Ableitung des gewonnenen Bio-gases besitzen und

- Mess-, Steuerungs-, und Regeltechnik zur Überwa-chung und Steuerung von Gärprozess und Hygie-nisierung, sowie Möglichkeiten zur Probenahmeaus dem Fermenter besitzen.

Daneben gehören Schaugläser mit Reinigungsanlagenzur Sichtprüfung des Gärprozesses und Revisions-schächte für möglich anfallende Wartungs- und Repa-raturarbeiten zur Ausstattung der Fermenter. Desweiteren sind Sicherheitsarmaturen sowie Über- undUnterdrucksicherungen zur Einhaltung vorgeschrie-bener Sicherheitsregeln vorzusehen.

Neben den technischen und baulichen Anforde-rungen werden zusätzliche Anforderungen an ver-wendete Baumaterialien gestellt. So sollte daraufgeachtet werden, dass die verwendeten Materialienfür das im Fermenter herrschende Milieu geeignetsind. Als besonders problematisch haben sich dieÜbergangszone vom Flüssigkeitsspiegel zum Gas-raum und der Gasraum selbst herauskristallisiert.Hier ist es notwendig, nur Materialien einzusetzen,die gegen Säuren und Korrosion resistent sind.

2.1.3.1 Fermenterbauformen

Aufgrund der Verfahrensweise weisen Fermenter fürdie Nass- und Trockenfermentation grundsätzlicheUnterschiede auf.

NassvergärungDie Nassvergärung wird in mit Tanks vergleichbarenBehältern durchgeführt. Prinzipiell wird zwischen lie-genden und stehenden Fermentern unterschieden.

Liegende Fermenter haben eine zylindrische Form(vgl. Abbildung 2-3) und sind hinsichtlich ihres Volu-mens begrenzt (bis ca. 800 m3), da sie häufig nicht vorOrt gefertigt werden. Der dadurch notwendige Trans-port der Fermenter zu ihrem Einsatzort ist jedoch nurbis zu einer gewissen Behältergröße möglich. Häufigwerden sie als Stahltanks ausgeführt und kommen alsHauptfermenter für kleinere Anlagen oder als Vorfer-menter für größere Anlagen mit stehenden Hauptfer-mentern in Frage. Liegende Fermenter werden auchparallel betrieben, um größere Durchsatzmengen zurealisieren.

Weil liegende Behälter in der Regel um ein mehrfa-ches länger als hoch sind, stellt sich automatisch dieso genannte Pfropfendurchströmung ein. Das Sub-strat wandert hierbei langsam von der Eintrags- zurAustragsseite, wobei sich ein Pfropfen bildet, derdurch den Fermenter strömt. Die Möglichkeit, nicht


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ausgegorenes Substrat ungewollt aus dem Fermenterauszutragen, wird dadurch verringert und die Auf-enthaltszeit kann für das gesamte Material mit höhe-rer Sicherheit gewährleistet werden.

Stehende Fermenter sind überwiegend als Rund-behälter ausgeführt und werden vor Ort erstellt. Siekönnen vollständig durchmischt (Rührkesselprinzip)oder als Pfropfenstromreaktor betrieben werden. Ste-hende Fermenter sind die in der Praxis vornehmlichausgeführten Fermenter. Kennwerte stehender Fer-menter zeigt Tabelle 2-2, ein Beispiel veranschaulichtAbbildung 2-4.

TrockenvergärungDie konstruktive Ausführung der Trockenfermentati-onsverfahren ist sehr verschiedenartig. Aus diesemGrund werden in Tabelle 2-3 die allgemein notwendi-gen Randbedingungen und die zu beachtenden Kenn-werte für Fermenter zur Trockenfermentation erwähnt.

2.1.3.2 Konstruktion der Fermenter (Naßvergärung)

Die Fermenter bestehen im Wesentlichen aus einemBehälter, der wärmegedämmt errichtet wird, einemHeizsystem, Mischaggregaten und Austragssyste-men für Sedimente und das vergorene Substrat.

Abb. 2-3: Liegender Tankfermenter mit Paddelrührwerk /26/

Tabelle 2-2: Kennwerte und Einsatzparameter von stehenden Fermentern /26/

Kennwerte • Material: Stahlbeton, Stahl und Edelstahl

• Volumen: theoretisch unbegrenzt, bis 30.000 m3 möglich, aber meist nicht größer als 6.000 m3 da sich größere Fermenter schwierig durchmischen lassen

Eignung • alle Substrattypen, die Anpassung der technischen Aggregate bestimmt die Eignung

Vorteile • Günstiges Oberflächen-Volumen-Verhältnis, damit geringe Wärmeverluste

Nachteile • bei volldurchmischten Reaktoren besteht die Gefahr der Kurzschlussströmung• es können Schwimm- und Sinkschichten entstehen

Besonderheiten • der Reaktor muss gasdicht ausgeführt werden• eine Dachneigung aufgrund der möglichen Schneelast ist empfehlenswert• Baugrund muss sehr tragfähig sein, da keine Setzungen auftreten sollten• Öffnungen für alle anzuschließenden Aggregate und Rohrleitungen sind vorzusehen• der Boden kann mit Gefälle zum Zentrum oder zum Rand hergestellt werden, um einen

effektiven Sedimentaustrag zu ermöglichen• zur Sicherheit muss ein Überdruckventil für den Gasraum installiert werden

Bauformen • unterirdisch mit ebenerdigem befahrbarem Dach, teilweise in der Erde versenkt oder auf dem Boden stehend

• mit fester Betondecke oder Decke als Gasmembran mit oder ohne Wetterschutzdach• volldurchmischt oder Sonderbauform als Pfropfenstromreaktor

Wartung • es ist mindestens ein Mannloch vorzusehen, um den Reaktor im Havariefall begehen zu können

• Sicherheitsvorschriften bei Arbeiten im Fermenter müssen beachtet werden


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BehälterkonstruktionFermenter werden entweder aus Stahl, Edelstahl oderStahlbeton konstruiert.

Stahlbeton wird durch Wassersättigung ausrei-chend gasdicht, wobei die dafür benötigte Feuchte inSubstrat und Biogas enthalten ist. Die Fermenter wer-den vor Ort aus Beton gegossen oder, wenn auch sel-tener, aus Fertigteilen zusammengesetzt. Bei Betonbe-hältern besteht die Möglichkeit, wenn dies dieUntergrundbeschaffenheit zulässt, sie ganz oder teil-

weise in den Boden abzusenken. Die Behälterdeckekann aus Beton, bei abgesenkten Behältern auchbefahrbar, ausgeführt sein, wobei das Biogas in einemexternen Gasspeicher gespeichert wird. Soll der Fer-menter gleichzeitig als Gasspeicher dienen, kommengasdichte Foliendächer zum Einsatz. Ab einer gewis-sen Behältergröße ist es notwendig, bei BetondeckenMittelstützen zu verwenden.

Behälter aus Stahl und Edelstahl werden auf einBetonfundament gesetzt, mit dem sie verbunden wer-

Abb. 2-4: Stehender Fermenter mit Einbauten; Bild: Anlagen- und Apparatebau Lüthe GmbH

Tabelle 2-3: Kennwerte und Einsatzparameter von Trockenfermentationsbehältern /26/

Kennwerte • Mehrere Module um die Biogasproduktion zu vergleichmäßigen und um größere Fermen-tervolumina zu realisieren

Eignung • stapelbare Substrate

Vorteile • effektive Raumauslastung durch hohen Trockensubstanzgehalt• dadurch geringe Investitionskosten und geringer Platzbedarf

Nachteile • bei nicht durchmischten Reaktoren Behinderung der Ausgasung durch Setzung• Gefahr der Zonenbildung mit zu hohen oder zu niedrigen Wassergehalten• Gefahr der Bildung von Versäuerungszonen ohne Methanproduktion• bei Batchverfahren ungleichmäßige Gasproduktion

Besonderheiten • der Reaktor muss gasdicht ausgeführt werden, dies gilt besonders für Beschickungs- und Entnahmeöffnungen

• Beschickung und Entnahme müssen ohne die Gefahr der Beschädigung von Dichtungen oder anderen Fermentereinrichtungen möglich sein

• zur Sicherheit muss ein Überdruckventil für den Gasraum installiert werden

Bauformen • Garagen-Fermenter• Boxen-Fermenter• Folienschlauch-Fermenter

Wartung • bei geschlossenen Fermentern ist mindestens ein Mannloch vorzusehen, um den Reaktor im Havariefall begehen zu können

• Sicherheitsvorschriften bei Arbeiten im Fermenter müssen beachtet werden


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den. Zum Einsatz kommen gewickelte Blechbahnenund verschweißte oder verschraubte Stahlplatten. DieVerschraubungen müssen anschließend abgedichtetwerden. Stahlfermenter werden immer überirdischhergestellt. In der Regel wird die Dachkonstruktionals Gasspeicher verwendet und mit einer gasdichtenFolie gearbeitet.

Wärmedämmung des FermentersUm Wärmeverluste zu verringern, müssen die Fer-menter zusätzlich mit Wärmedämmmaterial versehenwerden. Zur Wärmedämmung können handelsüb-liche Materialen verwendet werden, die je nach Ein-satzbereich (Bodennähe usw.) unterschiedliche Eigen-schaften haben sollten

FermenterheizungUm einen optimalen Vergärungsprozess sicherzustel-len, muss eine gleichmäßige Temperatur im Fermen-ter vorherrschen. Hierbei ist nicht die Einhaltung dervorgegebenen Temperatur auf ein zehntel Grad genauausschlaggebend, sondern dass Temperaturschwan-kungen gering gehalten werden. Das betrifft sowohlzeitliche Temperaturschwankungen als auch die Tem-peraturverteilung in verschiedenen Fermenterberei-chen. Starke Schwankungen und die Über- bzw. Un-terschreitung bestimmter Temperaturwerte könnenzur Hemmung des Gärprozesses oder im schlimms-ten Fall zum Erliegen des Prozesses führen. Die Ursa-chen für Temperaturschwankungen können viel-schichtig sein:- Zufuhr von Frischsubstrat- Temperaturschichten- oder Temperaturzonenbildung

aufgrund unzureichender Wärmedämmung, ineffek-tiver oder falsch dimensionierter Heizung, unzurei-chender Durchmischung

- Lage der Heizungen- Extremaußentemperaturen in Sommer und Winter- Ausfall von Aggregat.Zur Bereitstellung der benötigten Prozesstemperatu-ren und zum Ausgleich von Wärmeverlusten mussdas Substrat erwärmt werden, was durch externe oderdurch in den Fermenter integrierte Wärmeübertragerbzw. Heizungen geschehen kann.

Im Fermenter integrierte Heizungen erwärmendas Gärsubstrat im Fermenter.

Externe Wärmeübertrager erwärmen das Gärsub-strat vor dem Eintrag in den Fermenter, wodurch esbereits vorgewärmt in den Fermenter gelangt. So kön-nen Temperaturschwankungen bei der Substratein-bringung vermieden werden. Bei Einsatz von exter-nen Wärmeübertragern muss entweder eine

kontinuierliche Substratumwälzung durch den Wär-meübertrager realisiert werden oder es kann auf einezusätzliche interne Heizung im Fermenter nicht ver-zichtet werden, um eine konstante Fermentertempera-tur aufrechtzuerhalten.

MischaggregateEine gute Durchmischung des Fermenterinhalts mussaus mehreren Gründen gewährleistet sein:- vermischen von frischem und ausgefaultem Sub-

strat, wodurch das frische Substrat angeimpft wird,- eine gleichmäßige Verteilung von Wärme und

Nährstoffen innerhalb des Fermenters,- die Vermeidung und Zerstörung von Sink- und

Schwimmschichten,- ein gutes Ausgasen des Biogases aus dem Gärsub-

strat.Eine minimale Durchmischung des Gärsubstrates fin-det durch das Einbringen von Frischsubstrat, thermi-sche Konvektionsströmungen und das Aufsteigenvon Gasblasen statt. Diese passive Durchmischung istallerdings nicht ausreichend, weshalb der Durchmi-schungsprozess aktiv unterstützt werden muss.

Das Durchmischen kann durch mechanische Ein-richtungen im Faulbehälter wie z. B. Rührwerke,hydraulisch durch außerhalb des Fermenters ange-ordnete Pumpen oder pneumatisch durch Einblasungvon Biogas in den Fermenter durchgeführt werden.

Die beiden letztgenannten Möglichkeiten spieleneine eher untergeordnete Rolle. In Deutschland wer-den in etwa 85 bis 90 % der Anlagen mechanische Ein-richtungen bzw. Rührwerke eingesetzt.

Mechanische DurchmischungDie mechanische Durchmischung des Gärsubstrateswird durch Verwendung von Rührwerken realisiert.Unterschieden werden kann zwischen- schnell laufenden und intensiv wirkenden Rühr-

werken,- mittelschnell laufenden Rührwerken,- langsam laufenden Rührwerken.Die Rührwerke werden in Dauer- oder Intervallbe-trieb betrieben. In der Praxis hat sich gezeigt, dass dieRührintervalle an die spezifischen Eigenschaften jederBiogasanlage, wie Substrateigenschaften, Behälter-größen, Neigung zur Schwimmdeckenbildung usw.empirisch optimiert werden müssen. Nachdem dieAnlage in Betrieb genommen wurde, wird sicherheits-halber länger und häufiger gerührt. Die gemachtenErfahrungen werden dann zur Optimierung derDauer und Häufigkeit der Intervalle sowie der Ein-stellungen der Rührwerke verwendet. Zum Einsatz


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können hierbei unterschiedliche Rührwerkstypenkommen.

Zur Durchmischung haben sich folgende Möglich-keiten bewährt:- Tauchmotor-Propellerrührwerke- Langachsrührwerke- Axiale Rührwerke- Paddelrührwerke- Pneumatische Durchmischung- Hydraulische Durchmischung.

Sedimentaustrag aus dem FermenterSedimente bzw. Sinkschichten bilden sich durch dasAbsetzen von Schwerstoffen wie beispielsweise Sandin der Nassvergärung. Zur Abscheidung von Schwer-stoffen werden Vorgruben mit Schwerstoffabschei-dern versehen, jedoch kann Sand, beispielsweise beiHühnerkot, sehr stark an die organische Substanz ge-bunden sein, so dass in Vorgruben meist nur Steineund andere grobe Schwerstoffe abgeschieden werdenkönnen. Ein Großteil des Sandes wird erst währenddes biologischen Abbauprozesses im Fermenter frei-gesetzt.

Bestimmte Substrate wie z. B. Schweinegülle oderHühnerkot können die Bildung solcher Schichten för-dern. Die Sinkschichten können im Laufe der Zeitsehr mächtig werden, wodurch das nutzbare Volumendes Fermenters verkleinert wird. Es sind bereits biszur Hälfte mit Sand gefüllte Fermenter aufgetreten.Außerdem können die Sinkschichten sehr stark ver-härten, so dass sie nur noch mit Spaten oder Baggernzu entfernen sind. Der Austrag der Sinkschichten ausdem Fermenter wird über Bodenräumer oder einenBodenablass möglich. Bei starker Sinkschichtenbil-dung ist die Funktionalität der Sedimentaustragssys-teme allerdings nicht in jeden Fall gegeben, weswegenes nötig sein kann, den Fermenter zu öffnen um dieSinkschichten per Hand oder maschinell zu entfernen.Mögliche Techniken des Sedimentaustrages sind:- Bodenräumer mit außen liegendem Antrieb zur

Förderung der Sinkschicht nach außen- Austragsschnecken am Fermenterboden- konischer Fermenterboden mit Entnahmepumpe

und Sinkschichtaufrührung.

Austrag des vergorenen MaterialsBei liegenden Fermentern wird das vergorene Mate-rial durch die Pfropfenströmung aufgrund des in denFermenter geförderten Substrateintrages über einenÜberlauf oder ein unterhalb des Substratspiegels gele-genes Austragsrohr ausgetragen. Stehende Fermenterhaben normalerweise einen Überlauf, der nach dem

Siphonprinzip arbeitet, um einen Gasaustritt zu ver-hindern. Das vergorene Substrat kann auch mittelsPumpen abgezogen werden.

2.2 Gasaufbereitung

Zur Aufbereitung von Biogas auf Erdgasqualität ste-hen verschiedene bewährte Verfahren und Technolo-gien zur Verfügung (siehe Tabelle 2-4). Dabei ist dieAnordnung der Verfahrensschritte von den gewähltenTechnologien und der vorhandenen Biogasqualitätabhängig. Prinzipiell können für die Aufbereitungvon Biogas die gleichen Verfahren verwendet werden,welche für die Aufbereitung von anderen technischenGasen Anwendung finden.

Biogasanlagen besitzen bereits Einrichtungen zurBiogasaufbereitung (Grobreinigung). Als Vorbehand-lung des Biogases vor der energetischen Nutzung inBHKW erfolgt in der Regel eine Entfeuchtung undEntschwefelung. Das Biogas besitzt dann durch-schnittlich die in Tabelle 3-1 (Seite 65) angegebenenZusammensetzungen und Kenndaten. Dabei ergebensich aus dem Betrieb des Fermenters (Beschickung,Rührwerkseinsatz) z. T. erhebliche zeitlich begrenzteSchwankungen um bis zu ca. 100 %. Um die gefor-derte Gasqualität nach DVGW Arbeitsblatt G 260(siehe Abschnitt 3.1.2) zu erzielen, sind jedoch weitereAufbereitungsschritte zur Feinreinigung (z. B.: CO2,H2S-Abtrennung) notwendig.

Zur Unterscheidung der unterschiedlichen Quali-tätsstufen von Biogas vor bzw. nach der Aufbereitungwird im folgenden zwischen Rohbiogas als Biogas-qualität nach der Biogaserzeugung mit einer Grobrei-nigung und aufbereitentem Biogas oder Reinbiogas,nach der Methananreicherung unterschieden.

Tabelle 2-4: Verfahren zur Gasaufbereitung

Gasaufbereitung

physikalische Verfahren

chemische Verfahren

biologische Verfahren

Absorption

Adsorption nasschemische Absorption

Membran-trennung

trockenchemische Absorption

Kühlung (Tiefkühlung)

Adsorption biologischeOxidation

Partikelfiltration


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Die Aufbereitung erfolgt in mehreren Schritten:- Entfernung fester und flüssiger Bestandteile und

Trocknung des Gases (Filterung von Stäuben, Kon-densatabscheidung und Trocknung)

- Entschwefelung- Methananreicherung und Kohlenstoffdioxidabtren-

nung- Entfernung von weiteren Gasbegleitstoffen wie

zum Beispiel Halogenkohlenwasserstoffen, Sili-zium und Ammoniak.

Die jeweiligen Gasaufbereitungsschritte sind abhän-gig von technischen und wirtschaftlichen Randbedin-gungen und werden entsprechend kombiniert undmiteinander verknüpft. Zunächst erfolgt eine Vorstel-lung prinzipiell geeigneter Entschwefelungs-, Gas-trocknungs- und CO2-Abtrennungsverfahren. Im Ab-schnitt werden bereits ausgeführte Anlagen zurBiogasaufbereitung vorgestellt und schließlich erfolgt– ausgehend von vorab beschriebenen Verfahren –eine Entwicklung von geeigneten Aufbereitungspfa-den für die jeweiligen Modellfälle.

2.2.1 Biogasentschwefelungsverfahren

Zur Entschwefelung von Biogasen können unter-schiedliche Verfahren verwendet werden, die nachfol-gend näher beschrieben werden. Maßgeblich bei derAuswahl der hier vorgestellten Entschwefelungsver-fahren ist z

Institut für Energetik und Umwelt gGmbHvon… · Herausgegeben von der Fachagentur Nachwachsende...

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