01.06.2013
ForschungUmwelt

Biogas aus Abfall

Bessere Nutzung

  • © TechCon, Nördlingen© TechCon, Nördlingen
  • © TechCon, Nördlingen
  • Abb.1: Aus dem Brutschrank (unten) wird das erzeugte Biogas in den Beuteln (oben) gesammelt und die Menge und die Zusammensetzung gemessen. © Landwirtschaftliche Lehranstalten Triesdorf
  • Abb. 2: Im Brutschrank werden verschiedene Mischungen von Gärsubstraten, mit oder ohne Beimengungen bei Temperaturen wie im Fermenter, zu Gas fermentiert. © Landwirtschaftliche Lehranstalten Triesdorf

Biogas muss nicht zwingend aus Mais oder anderen Feldfrüchten für die Nahrungsmittelerzeugung gewonnen werden. Derzeit überwiegt noch die Erzeugung aus Mais. Dies wurde im Artikel „Kontinuierliche Analytik" (GIT Laborfachzeitschrift 8/2012, ab S. 605) beschrieben. Ein Großteil der frühen Biogas-Anlagen entstand nicht um mit Mais Einnahmen zu erzielen, sondern um die durch intensive Viehhaltung generierten Mengen an Gülle und Mist sinnvoll zu verwerten.

Die „Hinterlassenschaft" der Tiere wird seit etwa 10.000 Jahren als wertvoller Dünger genutzt. Dies gilt insbesondere für Stickstoff (Harnstoff). Als die Intensivierung der Tierhaltung möglich wurde, gab es plötzlich mehr Wirtschaftsdünger (flüssig und fest) als boden- und umweltverträglich genutzt werden konnte. Die Landwirte mussten Wege finden, wie sie diesen Überschuss verwerten konnten oder mit hohem Transportaufwand an viehlose Höfe abgeben. Also entstanden die ersten Biogasanlagen zur Verwertung der „Nebenerzeugnisse" aus der Tierhaltung.

Bedingt durch hohe Subventionierung im Rahmen der Förderung der erneuerbaren Energien wurden dann Mais und andere Nutzpflanzen zur Biogaserzeugung genutzt. Parallel dazu wurde aber auch, beispielsweise in Triesdorf; an der effektiven Verwertung von „Abfall" (Mist, Stroh u.a.) zu Biogas geforscht. Die Erzeugung von Biogas ist ein extrem komplexer Prozess, der kontinuierlich ablaufen muss. Dementsprechend gibt es viele Parameter, die durch biologisch-chemische Analysen zum Teil in Echtzeit überwacht werden müssen. Inzwischen ist auch bei den Bürokraten die Erkenntnis gereift, dass es nicht sinnvoll ist Energie aus Lebensmitteln zu erzeugen.

Biogas entsteht durch die Vergärung von Biomasse. Der Methan-Anteil liegt zwischen 50 % und 70 %. Weitere Bestandteile sind Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid, Ammoniak, Wasserstoff und Stickstoff. Das Roh-Biogas muss gereinigt, entschwefelt und getrocknet werden. Dadurch wird der Methangehalt auf etwa 90 % erhöht. Anschließend kann es in das Erdgasnetz eingespeist werden.

Warum Biogas aus Abfall?
In Zukunft soll mehr Biomasse aus landwirtschaftlichen Produkten (Maissilage, Grassilage) und Abfall (Gülle, Stallmist, Getreide, Stroh usw.), aus Rest-/Abfallstoffen der Lebensmittelindustrie (Lebensmittelreste, Fett-/Schlachthausabfälle, Biertreber, Alkoholschlempe, Zuckerrübenmelasse), aus Kläranlagen (Faulschlamm) oder aus der Holzverarbeitung (Totholz) genutzt werden.

Die gegenwärtige Konzentration auf Mais zur Biogaserzeugung könnte durch Rückstufung der Subvention reduziert werden, wie dies kürzlich bei der Photovoltaik geschehen ist. Die Landwirtschaft ist ein extrem riskantes, wenig rentables Geschäft. Wenn die Forschung und Nutzung von Abfall-Biomasse gefördert und gegenüber von Mais für die Biogaserzeugung bevorzugt wird, wird eine entsprechende Umorientierung folgen.

Biogasanlagen auf Güllebasis arbeiten zuverlässiger als solche auf Maisbasis. Gülle und Mist enthalten bereits Bakterien, sind vorfermentiert und flüssig (pump- und damit dosierfähig). Leider wurden im Jahr 2011 erst etwa 15 % der Gülle in Biogasanlagen verwertet. Bei Verwendung von 80 % der in Deutschland anfallenden Rinder- und Schweinegülle in Biogasanlagen können knapp 10 Mrd. Kilowattstunden (kWh) Strom erzeugt werden. Zusätzlich fallen in Deutschland etwa 30 Mio. Tonnen Getreidestroh pro Jahr an. Davon könnten etwa 10 Mio. Tonnen (nicht zur Verbrennung, sondern) als Biomasse für die Energieerzeugung genutzt werden.

So könnten noch 6,3 Mio. Tonnen CO2-Äquivalente pro Jahr durch die vermiedenen Methanemissionen aus den Güllelagerbehältern eingespart werden.

Aus der Forschung
Die Forschungsintensität bei der Verwertung von Abfallstoffen ist besonders hoch. In herkömmlichen Biogasanlagen werden nur bis etwa 65 % der Biomasse in Gas umgewandelt. Mit Bioextrusion können 100 % erreicht werden. Dies wurde vom Fraunhofer-IKTS Dresden nachgewiesen. So können auch stark lignosezellulosehaltige Substrate und andere Materialien, wie Stroh, verholzte Anteile von Pflanzen, Baumschnitt, Bambus, Kokosfasern, Oliventrester und ähnliche Substrate verarbeitet werden.

Die „Landwirtschaftlichen Lehranstalten", die Landmaschinenschule in Triesdorf (Mittelfranken) sowie die Hochschule Weihenstephan-Triesdorf forschen gemeinschaftlich an Biogas-Anwendungen. Seit 1992 wird dort eine Biogasanlage, zunächst zur Forschung und als Musteranlage für ganz Deutschland betrieben. Triesdorf ist mit seinen mehr als 50 Gebäuden der erste europäische Hochschulstandort, der komplett, Wärme und Strom, aus erneuerbarer Energie bezieht. Außerdem wird Strom für zusätzlich 470 Haushalte in das öffentliche Netz eingespeist. In den Gärbehältern der Biogasanlage in Triesdorf werden hauptsächlich Gülle und Festmist der Triesdorfer Schweine, Kühe, Schafe und Hühner genutzt.

In den Labors in Triesdorf wird intensiv an der Fermentierung von unterschiedlichen Substraten und deren Mischungen geforscht. Es werden auch gezielt neue Energiepflanzen getestet (Abb. 1 und 2). Außerdem wird untersucht bei welchen Substraten eine geringe Beimengung von Spurenelementen (wie bei der Düngung auf dem Feld) die Fermentierung verbessert.

Ein Unternehmen aus Sachsen forscht zusammen mit dem Fraunhofer-Institut (IKTS Dresden) an der Verwertung von stark ligninhaltigen Substraten. Die Bioextrusion erfolgt durch hydrothermalen (thermomechanischen) Aufschluss. In einem Doppelschneckenextruder wird das Substrat nicht nur zerkleinert, sondern teilweise bis in die Zellstruktur aufgeschlossen und durch die stark vergrößerte Oberfläche wird eine bessere biochemische Verfügbarkeit erreicht. Es kommt zu einer Verbesserung des C/N-Verhältnisses. Zusätzlich zur Ertragssteigerung an Biogas wird auch die Einsatzmöglichkeit von nicht oder nur schwer biogasfähigen Materialien, wie Mist, Gras, Stroh, Landschaftspflegeschnitt, oder Bioabfall wirtschaftlich. Die Gärreste können brikettiert, kompaktiert und pelletiert werden.

Wissenschaftler am Austrian Centre of Industrial Biotechnology (Acib) nutzen das Enzym Cellulase um Biotreibstoff aus landwirtschaftlichen Abfällen und Stroh herzustellen. Der Biotreibstoff wird aus Spänen, Holzschnitzeln und Stroh hergestellt. Die Cellulase spaltet kleine Zuckermoleküle von der langen Cellulosekette ab, bis die ganze Cellulose zu Zucker gespalten wurde. Dann wir in einem Fermentationsprozess mit Hefen der Zucker in Ethanol umgewandelt und daraus Biosprit erzeugt.

Hemmnisse
Eine Hürde für den kleinen lokalen Stromerzeuger ist das Recht der etablierten Stromerzeuger, dass Strom der die eigene Grundstücksgrenze verlässt in deren „öffentliches" Netz eingespeist werden muss. Direkter Stromtransport ohne zusätzliche Kosten durch den Netzbetreiber ist nicht möglich. In einem konkreten Fall wurde eines der BHKW eines Landwirts auf seinem Hof abgebaut und etwa zwei Kilometer weiter wieder aufgebaut, weil der Gastransport in einer privaten Gasleitung über die Grundstücksgrenze hinweg weniger restriktiv erfolgen kann.

Auch beim Einsatz von Gülle in Biogasanlagen ist noch viel Potenzial vorhanden. Nach Auskunft des Referats Abfall, Düngung und Hygiene im Fachverband Biogas werden weniger als ein Fünftel der in deutschen Ställen anfallenden Exkremente bislang zur Energiegewinnung genutzt. Die im EEG 2012 über den Paragraph 27b geregelte Vergütung für Strom aus Gülle greife nicht weit genug. Besonders die neue Leistungsklasse bis 75 kW, für die bei einem Einsatz von mindestens 80 % Gülle 25 Cent je kWh (ab 2013 24,5 Cent) gezahlt wird, bringt bislang nicht den erwarteten Erfolg. Die Praxis zeigt, dass sich diese so genannten Gülle-Kleinanlagen aufgrund der permanent steigenden Genehmigungsanforderungen wirtschaftlich nur schwer rechnen. Bei alleinigem Einsatz von flüssiger Gülle ist eine hydraulische Verweilzeit von unter 150 Tagen erlaubt. Schon bei geringsten Mengen an Festmist müssen die vollen 150 Tage eingehalten werden, was den Bau unverhältnismäßig verteuert. Hinzu kommt die unklare Lage im neuen Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG), die die Betreiber verunsichert.

Das KrWG, das zum 1. Juni 2012 in Kraft getreten ist, schreibt vor, dass Gülle in Biogasanlagen nach dem Abfallrechts zu behandeln ist. Ob nun die Gülle in der Biogas-Anlage als Abfall oder als Nebenprodukt der Tierhaltung zu behandeln ist, wird von der zuständigen Behörde entschieden. Gülle als Abfall bedeutet erhebliche Mehrkosten für die Abfallentsorgung durch umfangreiche Bürokratie und besondere Maßnahmen. Interessant ist dabei, dass Gülle im Sinne der Bürokratie vor der Biogasanlage ein Nebenprodukt der Tierhaltung ist, in der Biogasanlage ist sie Abfall und der Abfall der Biogasgewinnung (Gärreste) ist doch wieder ein Nebenprodukt.

Weitere Entwicklungen
Biogas hat einen großen Vorteil gegenüber Photovoltaik und Windenergie, es ist speicherbar. Ende 2011 gab es in Baden-Württemberg einige Dutzend Energiespardörfer, die den Großteil ihres Energiebedarfs aus lokal erzeugter Biomasse, wie Mais und Holz, gewinnen. Im Jahre 2009 wurde die Bioenergieregion Bodensee eingerichtet. Diese Bioenergiedörfer decken ihren Strombedarf vollständig und mindestens die Hälfte des Wärmebedarfs aus lokal erzeugter Energie. Inzwischen wurden weitere Energiespardörfer und -regionen eingerichtet.

Im Jahr 2008 wurden ca. 74 % der landwirtschaftlichen Biomasse als Futtermittel, 18 % als Nahrungsmittel und etwa je 4 % für stoffliche und energetische Verwertung genutzt (Shell Biokraftstoff-Studie, nova 2012). Bisher ist also die Biogas-Gewinnung (anaerobe Verwertung) noch kein ernsthafter Konkurrent für Nahrungsmittel. Wird in Zukunft die Nutzung von Abfallstoffen gefördert und die Förderung für Futter- und Nahrungsmittel beendet, dann sollte dies auch so bleiben und die Abfallverwertung würde zunehmen. Jedoch wird ein substantieller Anteil der Gülle und des Mistes auch weiterhin für die Düngung und die Regeneration der Böden und somit für die Pflanzenproduktion der nachfolgenden Jahre benötigt. Die landwirtschaftfliche Produktion von tierischen und pflanzlichen Produkten steht in komplexen Zusammenhängen zueinander. Jeder extreme Eingriff wird entsprechend extreme Folgen haben, ein stark ansteigender Verbrauch an künstlichem Dünger, mitsamt der ökologisch bedenklichen Folgen, ist nur eine dieser Folgen.

Viele weitere Hindernisse sind aus der öffentlichen Diskussion bekannt. Es ist also noch ein weiter Weg bis zur angepeilten (fast) kompletten Selbstversorgung mit regenerativer Energie

 

 

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