LEITFADEN BIOGASVon der Gewinnung zur Nutzung

INHALT

1 Ziele des Leitfadens 8

M. Kaltschmitt, F. Scholwin

1.1 Aufgabenstellung 8

1.2 Lösungsansatz 9

1.3 Inhalt 9

1.4 Zielgruppen 9

1.5 Abgrenzung 10

1.5.1 Technik 10

1.5.2 Substrate 10

1.5.3 Aktualität 10

1.5.4 Datenumfang 10

2 Grundlagen der anaeroben Fermentation !

J. Friehe, A. Schattauer, P. Weiland

2.1 Entstehung von Biogas 11

2.2 Milieubedingungen 12

2.2.1 Sauerstoff 12

2.2.2 Temperatur 12

2.2.3 pH-Wert 13

2.2.4 Nährstoffversorgung 14

2.2.5 Hemmstoffe 14

2.3 Betriebsparameter 15

2.3.1 Raumbelastung und Verweilzeit 15

2.3.2 Produktivität, Ausbeute und Abbaugrad 16

2.3.3 Durchmischung 17

2.3.4 Gasbildungspotenzial und methanogene Aktivität 17

2.4 Literaturverzeichnis 20

3 Anlagentechnik zur BiogasbereitstellungV. Denysenko, El. Fischer, H. Gattermann, U. Jung, J. Postel, T. Reinelt,

A. Schattauer, S. Scheibe, F. Scholwin, W. Stinner, T. Weidele, P. Weiland

3.1 Merkmale und Unterscheidung verschiedener Verfahrensvarianten 21

3.1.1 Trockensubstanzgehalt der Gärsubstrate 21

3.1.2 Art der Beschickung 22

3.1.3 Anzahl der Prozessphasen und -stufen 23

3.2 Verfahrenstechnik 23

3.2.1 Substratmanagement 24

3.2.2 Biogasgewinnung 39

3.2.3 Lagerung des vergorenen Substrates 52

3.2.4 Speicherung des gewonnenen Biogases 55

3.2.5 Maßnahmen zur Emissionsminderung 57

3.3 Biogas-Kleinanlagen 60

3.3.1 Ziele und Rahmenbedingungen 60

3.3.2 Angebotene Technologien 61

3.4 Relevante technische und Arbeitsschutzregelwerke 65

3.5 Literaturverzeichnis 66

2

Inhalt

4 Beschreibung ausgewählter Substrate 68

J. Friehe, A. Schattauer, P. Weiland

4.1 Substrate aus der Landwirtschaft 68

4.1.1 Wirtschaftsdünger 68

4.1.2 Nachwachsende Rohstoffe 68

4.2 Substrate aus der weiterverarbeitenden Agroindustrie 71

4.2.1 Bierherstellung 71

4.2.2 Alkoholgewinnung 71

4.2.3 Biodieselproduktion 72

4.2.4 Kartoffelverarbeitung (Stärkeherstellung) 72

4.2.5 Zuckergewinnung 72

4.2.6 Nebenprodukte der Obstverarbeitung 73

4.3 Einsatzstoffe gemäß Anlage 1 Biomasseverordnung 73

4.4 Stoffdaten und Gaserträge der Einsatzstoffe gemäß Anlage 1 Biomasseverordnung 74

4.5 Grün- und Rasenschnitt 74

4.6 Landschaftspflegematerial 74

4.7 Literaturverzeichnis 74

4.8 Anhang 76

5 Betrieb von Biogasanlagen 77

J. Friehe, J. Liebetrau, T. Reinelt, A. Schreiber, W. Stinner, P. Weiland

5.1 Kenndaten zur Überwachung des biologischen Prozesses 77

5.1.1 Biogasproduktionsrate 78

5.1.2 Gaszusammensetzung 78

5.1.3 Temperatur 78

5.1.4 Inputmenge und Füllstände 79

5.1.5 Substratcharakterisierung 79

5.1.6 Bestimmung der Konzentration von organischen Säuren 80

5.1.7 pH-Wert 81

5.1.8 Konzentration an Spurenelementen 81

5.1.9 Stickstoff, Ammonium, Ammoniak 82

5.1.10 Schwimmdecken 82

5.1.11 Schaumbildung 83

5.1.12 Prozessbewertung 83

5.2 Anlagenüberwachung und Automatisierung 84

5.2.1 Bussystem 85

5.2.2 Projektierung 86

5.2.3 Anwendungen/Visualisierung 86

5.2.4 Datenerfassung 86

5.2.5 Prozessregelung 86

5.3 Prozesskontrolle im Anfahr- und Regelbetrieb 87

5.3.1 Regelbetrieb 87

5.3.2 Anfahrprozess 88

5.4 Störungsmanagement 92

5.4.1 Ursachen von Prozessstörungen 92

5.4.2 Handhabung von Prozessstörungen 93

5.4.3 Handhabung von technischen Störungen und Problemen 94

5.5 Betriebssicherheit 95

5.5.1 Arbeits-und Anlagenschutz 95

5.5.2 Umweltschutz 97

5.6 Hinweise zur Anlagenoptimierung 98

5.6.1 Technische Optimierung 99

5.6.2 Analyse der Effizienz der Gesamtanlage (Substratausnutzung auf Basis von Energieflüssen) 99

5.6.3 Ökonomische Optimierung' 99

5.6.4 Minimierung der Umweltauswirkungen 100

5.7 Literaturverzeichnis 104

3

Leitfaden Biogas - Von der Gewinnung zur Nutzung

6 Gasaufbereitung und Verwertungsmöglichkeiten 106

Er. Fischer, H. Gattermann, J. Grope, F. Scholwin, T. Weidele, M. Weithäuser

6.1 Gasreinigung und Gasaufbereitung 106

6.1.1 Entschwefelung 106

6.1.2 Trocknung 110

6.1.3 Kohlendioxidabscheidung III

6.1.4 Sauerstoffentfernung 113

6.1.5 Entfernung weiterer Spurengase 114

6.1.6 Aufbereitung auf Erdgasqualität 114

6.2 Nutzung durch Kraft-Wärme-Kopplung 114

6.2.1 Blockheizkraftwerke mit Verbrennungsmotoren 114

6.2.2 Stirlingmotoren 120

6.2.3 Mikrogasturbinen 121

6.2.4 Brennstoffzellen 122

6.2.5 Abwärmenutzung stromgeführter KWK 123

6.3 Gaseinspeisung 124

6.3.1 Einspeisung in das Erdgasnetz 124

6.3.2 Einspeisung in Mikrogasnetze 125

6.4 Treibstoff für Kraftfahrzeuge 125

6.5 Thermische Nutzung von Biogas 126

6.6 Literaturverzeichnis 126

7 Rechtliche Rahmenbedingungen der Energiegewinnung aus Biogas 12

U. Behrendt, I. Falke, J. Schnutenhaus

7.1 Finanzierung von Biogasanlagen 12g

7.2 Versicherung von Biogasanlagen 12f

7.3 Genehmigung von Biogasanlagen 12

7.3.1 Das baurechtliche Genehmigungsverfahren 12'

7.3.2 Das immissionsschutzrechtliche Genehmigungsverfahren 13:

7.3.3 Immissionsschutzrechtliche Anforderungen 13

7.3.4 Störfall-Verordnung 13

7.3.5 Wasserrecht 13

7.3.6 Betriebssicherheit 13

7.3.7 Energierechtliche Anforderungen nach § 49 EnWG 13

7.4 Rechtliche Anforderungen beim Einsatz bestimmter Substrate 13

7.4.1 Einsatz von Energiepflanzen 13

7.4.2 Einsatz von Gülle und sonstigen tierischen Nebenprodukten 13

7.5 Einspeisevergütung für Strom nach dem EEG 2012 13

7.5.1 Voraussetzungen der Einspeisevergütung nach dem EEG 2012 13

7.5.2 Einsatzstofftagebuch . 13

7.5.3 Umweltgutachten 13

7.5.4 Der Anlagenbegriff im EEG 2012 13

7.5.5 Besondere Förderung kleinerer Hofanlagen 13

7.5.6 Spezieller Vergütungsanspruch beim Einsatz bestimmter Bioabfälle 13

7.5.7 Förderung der Biogasaufbereitung durch den Gasaufbereitungs-Bonus 13

7.5.8 Auswirkungen des EEG 2012 auf Bestandsanlagen 13

7.6 Konfliktlösung und Information durch die Clearingstelle EEG 13

7.7 „Repowering": Erweiterung von Biogasanlagen 14;

7.7.1 Bau einerweiteren Biogasanlage am Standort der Biogasanlage 14

7.7.2 Bau eines zusätzlichen neuen BHKW am Standort der Biogasanlage 14

7.7.3 Austausch eines vorhandenen BHKW gegen ein neues BHKW am Standort der Biogasanlage 14

7.7.4 Austausch eines vorhandenen BHKW gegen ein neues, leistungsstärkeres BHKW am Standort der Biogasanlage 14

7.7.5 Austausch eines vorhandenen BHKW gegen ein neues BHKW am Satelliten-Standort 14

7.7.6 Auswirkungen auf die Genehmigung 14.

7.8 Netzanschlusspflicht des Netzbetreibers 14

7.9 Einspeisemanagement 143

4

Inhalt

7.10 Direktvermarktung 143

7.10.1 Arten der Direktvermarktung 143

7.10.2 Marktprämie 144

7.10.3 Flexibilitätsprämie 144

7.10.4 Grünstromprivileg 145

7.10.5 Teilnahme am Regelenergiemarkt 145

7.11 Wärmenutzung 145

7.12 Biogasaufbereitung und Biomethaneinspeisung 146

7.12.1 Rechtliche Regelungen zum Gasnetzanschluss 146

7.12.2 Gastransport und Biomethannutzung 146

7.13 Typische Verträge 147

7.13.1 Anlagenbauvertrag 147

7.13.2 Betriebsführungs-/Wartungsvertrag 148

7.13.3 Substratliefer- und Gärrückstandrücknahmevertrag 148

7.13.4 Biogasliefervertrag 148

7.13.5 Wärmeliefervertrag 149

7.13.6 Gestattungsvertrag mit Grundstückseigentümern 149

7.13.7 Wegenutzungsvertrag mit der Gemeinde 150

7.14 Literaturverzeichnis 150

8 Ökonomie 15?

H. Döhler, S. Hartmann, U. Keymer, A. Niebaum, M. Paterson, G. Reinhold, M. Stadelmann, B. Wirt Ii

8.1 Darstellung der Modellanlagen-Annahmen und Kennwerte 152

8.1.1 Anlagenleistung 153

8.1.2 Substrate 153

8.1.3 Biologische und technische Auslegung 155

8.1.4 Technische und verfahrenstechnische Kennwerte 156

8.1.5 Investitionen für die Funktionseinheiten der Modellanlagen 158

8.2 Wirtschaftlichkeit der Modellanlagen 158

8.2.1 Erträge 158

8.2.2 Kosten 161

8.2.3 Leistungs-Kosten-Rechnung 162

8.3 Sensitivitätsanalyse 164

8.4 Wirtschaftlichkeit ausgewählter Wärmenutzungspfade 165

8.4.1 Wärmenutzungspfad Trocknung 165

8.4.2 Wärmenutzungspfad Gewächshausbeheizung 168

8.4.3 Wärmenutzungspfad kommunales Nahwärmenetz 169

8.5 Qualitative Einordnung unterschiedlicher Wärmenutzungspfade 170

8.6 Literaturverzeichnis 170

9 Betriebsorganisation 171

S. Hartmann, P. Jäger, A. Niebaum, M. Paterson, G. Reinhold, M. Schwab, R. Stephany

9.1 Umstrukturierung des Betriebes - Perspektiven und Ansätze zur Optimierung 173

9.1.1 Wahl eines geeigneten Anlagenstandortes 173

9.1.2 Auswirkung der Biogasanlage auf die Fruchtfolge 173

9.1.3 Flächen-und Arbeitszeitbedarf 174

9.1.4 Einflüsse von BHKW-Fahrweise und-Auslastung 178

9.2 Steuerliche und rechtliche Anmerkungen zu Bau und Betrieb von Biogasanlagen 178

9.2.1 Steuerliche Behandlung des Betriebs von Biogasanlagen 178

9.2.2 Rechtsformwahl und die steuerlichen Auswirkungen 180

9.3 Literaturverzeichnis 182

5

Leitfaden Biogas - Von der Gewinnung zur Nutzung

10 Qualität und Verwertung des Gärrückstandes 184

T. Amon, H. Döhler, S. Grebe, S. Klages, U. Roth, D. Wilken, S. Wulf

10.1 Eigenschaften des Gärrückstandes 184

10.1.1 Eigenschaften, Nährstoffe und wertgebende Inhaltsstoffe 184

10.1.2 Schadstoffe 184

10.1.3 Hygienische Eigenschaften 185

10.2 Lagerung des Gärrückstandes 186

10.2.1 Ammoniakemissionen 186

10.2.2 Klimarelevante Emissionen 187

10.3 Verwertung des Gärrückstandes auf landwirtschaftlichen Flächen 189

10.3.1 Verfügbarkeit und Nährstoffwirkung von Stickstoff 189

10.3.2 Maßnahmen zur Verringerung derAmmoniakverluste nach der Ausbringung von Gärrückständen 190

10.3.3 Günstige Einsatztermine für Gärrückstände 191

10.3.4 Nährstoffwirkung und Humusreproduktion für ein Anlagenbeispiel 193

10.3.5 Rechtliche Einordnung des Gärrückstandes - Anforderungen und Grenzen 195

10.4 Aufbereitung von Gärrückständen 197

10.4.1 Aufbereitungstechniken 197

10.4.2 Verwertung der aufbereiteten Gärrückstände 200

10.4.3 Vergleich der Gärrückstandaufbereitungsverfahren 201

10.5 Literaturverzeichnis 201

11 Umsetzung eines Projektes 203

Er. Fischer, A. Niebaum, A. Schattauer, F. Scholwin

11.1 Idee und Projektskizze 203

11.2 Machbarkeitsuntersuchung 204

11.2.1 Substratverfügbarkeit 206

11.2.2 Standortauswahl 206

11.2.3 Stoffstromlogistik 207

11.2.4 Technologieauswahl 208

11.2.5 Gasnutzung 208

11.2.6 Bewertung und Entscheidungsfindung 209

11.3 Investitionsvorbereitung durch Öffentlichkeitsarbeit 209

11.4 Planungsschritte 210

11.4.1 Genehmigungsplanung 211

11.4.2 Ausführungsplanung 213

11.5 Bauplanung und Anlagenbau 214

11.6 Abnahme der Bauleistungen 214

11.7 Inbetriebnahme der Anlage 215

11.8 Notwendige Verträge 215

11.8.1 Biomasseliefervertrag 215

11.9 Literatur-und Referenzverzeichnis 216

6

Inhalt

12 Stellung und Bedeutung von Biogas als regenerativer Energieträger in Deutschland 217

). Daniel-Gromke, M. Kaltschmitt, A. Scheuermann, F. Scholwin, B. Schumacher, R. Wilfert

12.1 Biogaserzeugung als Option einer Energiegewinnung aus Biomasse 217

12.2 Ökologische Einordnung und Nachhaltigkeit der Biogasgewinnung und -nutzung 218

12.3 Stand der Biogasgewinnung und-nutzung in Deutschland 219

12.3.1 Anlagenbestand und Anlagenleistung 219

12.3.2 Biogasanwendung und Trends 221

12.3.3 Eingesetzte Su bstrate 222

12.4 Potenziale 223

12.4.1 Technische Primärenergiepotenziale 223

12.4.2 Technische Endenergiepotenziale 223

12.5 Ausblick 224

12.6 Literaturverzeichnis 225

13 Beispielprojekte 226

J. Friehe, W. Stinner, P. Trainer, P. Weiland

13.1 Anlagenbeispiel 1 Güllekleinanlage (60 kWJ 227

13.2 Anlagenbeispiel 2 (bis 200 kWe[) 228

13.3 Anlagenbeispiel 3 (bis 250 kWe,; Beregnungsverfahren, besondere Eignung für Halmgut) 229

13.4 Anlagenbeispiel 4 (bis 500 kWel) 230

13.5 Anlagenbeispiel 5 (bis 1.000 kWel) 231

13.6 Anlagenbeispiel 6 zur Feststoffvergärung (Boxenverfahren) 232

Anhang 2M

Glossar 233

Abbildungsverzeichnis 236

Tabellenverzeichnis 239

Abkürzungsverzeichnis 242

Anschriften der Institutionen 243

Autorenverzeichnis 244

7