Wie funktioniert eine Biogasanlage?

Eine Biogasanlage ist eine Anlage, die zur Erzeugung von Biogas verwendet wird. Hierbei wird Biomasse vergoren, wobei verschiedene Gase, insbesondere aber Methan freigesetzt wird. Diese Gase können in Blockheizkraftwerke, aber auch direkt in das Erdgasnetz gespeist werden. In Blockheizkraftwerken dienen die Gase neben der Wärmeerzeugung auch der Stromerzeugung.

Wie funktioniert eine Biogasanlage?

Der Prozess, der bei der Gaserzeugung in Biogasanlagen abläuft, wird auch als anaerobe Gärung bezeichnet. Anaerob bedeutet, dass dieser Prozess unter Ausschluss von Sauerstoff stattfindet. Hierbei wird das zugefügte Substrat (meist Gülle oder Pflanzenreste) mithilfe verschiedener Mikroorganismen verdaut. Bei der Verdauung des Substrats werden als Hauptprodukte die Gase Methan und Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Da CO2 keine höhere Oxidationsstufe einnehmen kann, brennt es nicht. Dennoch kann es gemeinsam mit dem Methan in ein Blockheizkraftwerk geleitet werden. Abhängig davon, wie hoch der Anteil an Kohlenhydraten, Fetten oder Proteinen ist, kann der Anteil des entstehenden Methans gesteuert werden. Weiterhin ist auch ein ausreichend hoher Wasseranteil essenziell für den optimalen Ablauf der anaeroben Gärprozesse.

Prozesse, die während der Gärung ablaufen

Die gesamte anaerobe Gärung lässt sich in vier Phasen Gliedern. Diese sind:

1. Hydrolyse

Während der Hydrolyse werden langkettige Kohlenhydrate und Proteine in kürzere Teilstücke, sogenannte Oligomere und Monomere abgebaut. Fette werden hierbei in Fettsäuren und Glycerin gespalten. Die Hydrolyse wird durch verschiedene Exoenzyme katalysiert, wie bspw. Amylasen (Stärke spaltende Enzyme), Proteasen (Proteinspaltung) und Lipasen (Fettspaltung).

2. Versäuerungsphase

Während der Versäuerungsphase werden die Moleküle, die in der Hydrolyse entstanden sind, weiterverarbeitet. Hierbei spielen säurebildende Organismen eine essenzielle Rolle, da sie dazu in der Lage sind, die entstandenen Fettsäuren der Hydrolyse in Fett- und Carbonsäuren zu spalten. Die Kohlenhydrate werden grundsätzlich zu Ethanol vergoren. Proteine hingegen werden zu Schwefelwasserstoff und Ammoniak verstoffwechselt.

3. Essigbildende Phase

Die Alkohole (u.a. Ethanol), die während der Versäuerungsphase generiert wurden, werden während der Essigbildenden Phase zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid verstoffwechselt.

4. Methanbildende Phase

Die finale Phase der Biogaserzeugung kann nur mithilfe von Methanbildnern stattfinden. Methanbildner sind Mikroorganismen, die Essigsäure in Methan und CO2 spalten können. Dennoch wird auch während der Essigbildenden Phase Methan produziert, indem CO2 mit Wasserstoff direkt zu Methan und Wasser reagiert.

Wofür braucht man Biogasanlagen?

Grundlegend werden sie benötigt, um Biogas herzustellen. Dieses Biogas kann teilweise aufgereinigt werden und dann als Erdgas zum Betanken von Autos oder anderer Fahrzeuge dienen. Ebenso die Verwendung als Erdgas zum Beheizen von Gebäuden ist möglich.
Zur Wärme- und Stromerzeugung verwendetes Biogas wird in Blockheizkraftwerken zunächst getrocknet und entschwefelt. Das aufgereinigte Gas wird dann einem Motor zugeführt, der einen Generator antreibt. Hierbei wird vom Generator Strom erzeugt, der in das Stromnetz geleitet wird. Da jedoch bei dem Betreiben des Motors Wärme frei wird, kann diese weiter genutzt werden. Die Rückgewinnung der Wärme geschieht in einem Wärmetauscher. Ein Teil dieser Abwärme wird z.B. dafür genutzt, um die Fermentertürme der Anlage zu beheizen, da die Mikroorganismen, die für die Biogaserzeugung verantwortlich sind, am liebsten bei 30-37°C bzw. bei 50-60°C wachsen. Neben der Verwendung des Gases als Heizstoff ist auch die Abwärme ein Mittel, um Gebäude wie bspw. Schwimmbäder zu beheizen.

Da nicht die kompletten Abfälle innerhalb einer Anlage zu Biogas verwertet werden können, bietet es sich auch an, die Rückstände in den Gärtürmen als Dünger weiter zu verwenden. Damit gehen mehrere Vorteile einher, wenn man einen Vergleich zu Gülle zieht. Die Abfallreste weisen eine höhere Stickstoffverfügbarkeit, was den Pflanzen zugutekommt, gleichzeitig riechen sie nicht so streng wie Gülle, was den Menschen in der Umgebung zugutekommt. Andererseits können die Gärreste auch verbrannt werden, um wiederum Energie in Form von Wärme zur Verfügung zu haben.

Wie können die ablaufenden Prozesse optimiert und gesteuert werden?

Zur Optimierung der verschiedenen ablaufenden Prozesse können verschiedene Chemikalien eingesetzt werden. Im Folgenden werden vier davon genannt und ihre Funktion erläutert.

Aktivkohle

Sie dient der Aufnahme von Schwefelwasserstoff und Siloxanen. Da durch diese beiden Stoffe erhebliche Beeinträchtigungen hervorgerufen werden können, ist es unerlässlich, diese während des laufenden Prozesses herauszufiltern. Die Vorgehensweise ist hierbei relativ einfach. Die entstehenden Gase werden über einen Aktivkohlefilter geleitet, der durch sein verzweigtes Porensystem die schädlichen Stoffe auffängt und nur die zur weiteren Verarbeitung nötigen Gase passieren lässt.

Eisen-II-Chloridlösung

Ähnlich wie die Aktivkohle ist auch die Eisen-II-Chloridlösung an der Entschwefelung der Gase beteiligt. Allerdings findet hier nur eine grobe Entschwefelung statt. Der Grund für die Entschwefelung ist, dass Schwefelwasserstoff einerseits giftig für Mikroorganismen ist, andererseits sind Spuren von Schwefelwasserstoff im Biogas schädlich für Motoren, in denen Biogas als Treibstoff zum Einsatz kommt.

Natriumbicarbonat

Ein wichtiger Aspekt bei der Optimierung von mikrobiellen Prozessen ist die Aufrechterhaltung eines konstanten pH-Wertes. Hierfür eignen sich sogenannte Puffer. NaHCO3 fungiert als solch ein Puffer, der zu starke Schwankungen des pH-Wertes innerhalb des Pufferbereiches verhindert. Der optimale pH-Wert liegt je nach Literatur zwischen 6 und 8. Ebenso wird eine extreme Schaumbildung bei der Bildung von Biogas verhindert.

Schwefelsäure

Wie bereits erwähnt, ist ein gleichbleibender pH-Wert essenziell für optimale Abläufe bei der Erzeugung von Biogas. H2SO4 ist eine universell eingesetzte Säure, die beispielsweise bei der Herstellung von Düngemitteln oder als Katalysator bei organischen Synthesen Verwendung findet. Bei der Erzeugung von Biogas wird sie jedoch dafür verwendet, einen stark alkalischen pH-Wert zu senken, um wieder in das pH-Optimum von 6-8 zu gelangen. Bei einem pH-Wert, der niedriger als 6 ist, können die Methanbildner nicht ausreichend wachsen. Wird der pH-Wert größer als 8, führt dies zu einer für Methanbildner giftigen Menge an Ammoniak. Darüber hinaus wird durch die Zugabe von H2SO4 das Biogas aufgereinigt. Somit erfüllt sie gleich mehrere Aufgaben, die von den oben genannten Chemikalien auch erfüllt werden, dennoch findet die absolute Optimierung der Gär- und Reinigungsprozesse nur durch die Verwendung aller Chemikalien statt.

Fazit

Die Erzeugung von Biogas ist ein äußerst komplexer Prozess, der viele Produkte hervorbringt, die vielseitig genutzt werden können. Gerade wegen der Komplexität und der vielseitigen Verwendung der verschiedenen Produkte ist es äußerst wichtig, dass alle Prozesse optimal ablaufen. Hierunter fallen beispielsweise die Stabilisierung des pH-Wertes oder die Gasaufbereitung. Zur Optimierung eignen sich diverse Chemikalien, auf die bereits näher eingegangen wurde. Dadurch können auch die Profite maximiert werden.