Nachwachsende Rohstoffe, aber auch Bio-Abfall aus der landwirtschaftlichen Tierhaltung sowie aus der Lebensmittelproduktion eignen sich zur Biogaserzeugung.
In Deutschland werden derzeit mehr als 7000 Biogasanlagen (BGA) betrieben. Diese verfügen zusammen über eine Leistung von knapp 3000 Megawatt (MW), das sind knapp 2 % der in Deutschland aktuell installierten Kapazität zur Bereitstellung elektrischer Energie. Zu dem gesamten Volumen der tatsächlichen Energieversorgung in Deutschland tragen die BGA sogar mit rund 3 % bei. Dieser überdurchschnittliche Energiebeitrag ist teils auf hohe Anlagenverfügbarkeit bis zu mehr als 95 % zurückzuführen, zum anderen Teil darauf, dass BGA nicht von stark schwankenden Größen wie Wind oder Sonneneinstrahlung abhängig sind.
Neben den BGA sind weitere Anlagen zur Verwertung von Biomasse wie Holzpellets in Betrieb. Elektrische Energie aus Biomasse ist nach dem Gesetz über erneuerbare Energien (EEG) von den Betreibern von Energienetzen abzunehmen und mit gesetzlich vorgegebenen Preisen zu vergüten. Die dadurch entstehenden Kosten fließen in die Kalkulation der Netzbetreiber und Versorger ein und werden an deren Kunden weitergegeben. Die durchschnittliche elektrische Leistung der BGA liegt unter 500 Kilowatt (kW). BGA werden meistens als Einzelanlagen betrieben, seltener als Verbund mehrerer BGA. Einzelanlagen werden fast immer im Zusammenhang mit landwirtschaftlichen Betrieben errichtet, Anlagen im Verbund als Projekte von Investorengemeinschaften. Die Errichtung von BGA ist in Deutschland genehmigungspflichtig, beim Betrieb einer BGA sind mehrere Sicherheitsvorschriften zu beachten.
Biogas wird vorwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen
Eine BGA als Einzelanlage besteht im Wesentlichen aus einem Hauptgärbehälter und einer Motor-Generator-Kombination einschließlich der notwendigen Nebenanlagen wie Einfüllvorrichtung, Rohrleitungen und Sicherheitseinrichtungen. Hinzu kommen je nach Anlagenkonfiguration meistens ein Nachgärbehälter, Lager für das Nutzmaterial und den Gärrest sowie ein Modul zur anforderungsgerechten Einspeisung der erzeugten elektrischen Spannung in das öffentliche Energienetz und die notwendigen Komponenten zur Nutzung der entstehenden Wärme.
Das Nutzmaterial, auch als Substrat bezeichnet, wird kontinuierlich oder in kurzen Zeitabständen in den Hauptgärbehälter eingebracht, der auch als Hauptfermenter bezeichnet wird. In den Fermentern erfolgt unter Luftabschluss die Vergärung des Nutzmaterials, dieser biologische Prozess wird auch als anaerobe Vergärung bezeichnet. An diesem Prozess sind mehrere Mikroorganismen und Bakterien beteiligt. Der Hauptgärbehälter wird in vielen Anlagen durch einen Überlauf mit einem Nachgärbehälter verbunden. In den Behältern sorgen Rührgeräte für eine Durchmischung des Nutzmaterials.
Als Nutzmaterial für BGA wird von den Betreibern Mais bevorzugt. Mais ist eine sehr effiziente Pflanze, lässt sich gut anbauen und ernten, ist gut vergärbar und liefert einen hohen Ertrag. Neben nachwachsenden Rohstoffen als pflanzlicher Masse kommt als Substrat vor allem Gülle als Bio-Abfall aus der Tierhaltung in Betracht. Allerdings hat die Gülle nur einen geringen Energiegehalt, so dass sich ein Transport von Fremdgülle zu einer entfernten BGA in der Regel nicht lohnt.
Das entstehende Gas wird in der Biogasanlage unter den Foliendächern der Behälter gesammelt und von dort nach Reduzierung des Schwefelgehalts und einer Entwässerung zum Verbrennungsmotor geleitet, der den Generator antreibt. Die vom Generator erzeugte Drei-Phasen-Wechselspannung wird über ein Anschlussmodul in das öffentliche Energienetz eingespeist, wobei die Vorgaben des Netzbetreibers zu beachten sind. Die Reste des Vergärungsprozesses werden als Dünger genutzt.
Biogasanlagen liefern elektrische und thermische Energie
Als Verbrennungsmotor zum Antrieb des Generators werden Zündstrahlmotoren oder Gasmotoren eingesetzt. Ein Zündstrahlmotor funktioniert nach dem Diesel-Prinzip, indem Luft verdichtet wird, um dann den Kraftstoff einzuspritzen, der sich dabei entzündet. Das Biogas wird der Luft beigemischt. Gezündet wird durch Einspritzen von Zündöl, dadurch kann das Biogas verbrannt werden. Es wird ca. 2 – 10 % der zugeführten Brennstoffleistung als Zündöl benötigt, das sind täglich einige Liter, meistens Heizöl. Der Gasmotor funktioniert nach dem Otto-Prinzip: Ein Gas-Luftgemisch wird verdichtet und durch Zündfunken gezündet. Beide Motortypen haben Vor- und Nachteile, für kleine Anlagen wird meistens ein Zündstrahlmotor eingesetzt.
Beim Betrieb eines Motors entsteht Wärme, die ausgekoppelt werden kann. Über Wärmetauscher wird die Wärme aus dem Motor-Kühlkreislauf und aus dem Abgas zur Beheizung der Gärbehälter genutzt, da für die mikrobiologischen Prozesse eine konstante Temperatur von meistens 39 Grad Celsius erforderlich ist. Weitere Wärme kann abgegeben werden zur Beheizung von Betrieben und Wohngebäuden. Wegen der gleichzeitigen Nutzung der elektrischen und der thermischen Energie werden die Motor-Generator-Kombinationen auch als Blockheizkraft-Module oder Blockheizkraftwerke bezeichnet.
Biogas ist anders zusammengesetzt als Erdgas
Biogas besteht in Abhängigkeit vom Nutzmaterial und von der Prozessqualität zu etwa 60 % aus dem brennbaren Methan, zu rund 35 % aus dem nicht brennbaren Kohlendioxid und aus einigen anderen Stoffen, darunter auch Schwefelwasserstoff. Wegen dieser Zusammensetzung kann das Biogas nicht ohne zusätzliche Aufbereitung in das Erdgasnetz eingespeist werden, da Erdgas zu mehr als 90 % aus Methan besteht und damit einen deutlich höheren Heizwert liefert. Außerdem kann der Schwefelwasserstoff verschiedene Schäden hervorrufen und muss daher in seinem Anteil reduziert werden. In Deutschland sind derzeit nur gut 50 Anlagen in Betrieb, in denen Biogas zur Qualität von Erdgas aufbereitet wird, um eine direkte Einspeisung in das öffentliche Erdgasnetz vornehmen zu können. Die Aufbereitung besteht im Wesentlichen aus der Abtrennung des Kohlendioxids, dadurch wird der Methan-Anteil des verbleibenden Biogases erhöht, diese Anlagen werden daher auch als Biomethan-Anlagen bezeichnet.