01.08.2012
ForschungUmwelt

Kontinuierliche Analytik

Prozesskontrolle in der Biogas Produktion

  • Abb. 1: Prinzip einer Biogasanlage © NQ-Anlagentechnik mit Ergänzungen von TechConAbb. 1: Prinzip einer Biogasanlage © NQ-Anlagentechnik mit Ergänzungen von TechCon
  • Abb. 1: Prinzip einer Biogasanlage © NQ-Anlagentechnik mit Ergänzungen von TechCon
  • Abb. 2: Prozessablauf bei der Biogaserzeugung © Renewable Energy Concepts
  • Abb. 3: Mechanischer Rindermagen zur Methanerzeugung, © NQ-Anlagentechnik
  • Abb. 4: Analyse von Proben aus einem Biogasfermenter © NQ-Anlagentechnik

Die Erzeugung von Biogas ist ein komplexer Prozess, der kontinuierlich abläuft. Dementsprechend gibt es viele Parameter, die durch biologisch-chemische Analysen, zum Teil in Echtzeit, überwacht werden müssen. Biogas wird derzeit sehr kontrovers diskutiert, daher soll hier dieses Thema unter verschiedenen Gesichtspunkten beleuchtet werden.

Warum Biogas?
Die Biogaserzeugung ist, im Gegensatz zum Verbrauch von begrenzt verfügbaren Rohstoffen in der traditionellen Nutzungsform, Teil einer Kreislaufwirtschaft. Die Energie für den Kreislauf kommt von außen (Sonne). Ziel der Bundesregierung ist es, den Anteil der erneuerbaren Energie von derzeit unter 20 % auf etwa 80 % im Jahr 2050 zu erhöhen.

Die derzeit rund 5000 in Betrieb befindlichen Anlagen zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe (NaWaRo) haben einen Flächenbedarf von etwa 800 000 ha für eine installierte elektrische Leistung von mehr als 1700 MW. Von den rund 12 000 000 ha Ackerfläche in Deutschland werden damit derzeit etwa 6 % bis 7 % zur Erzeugung von Strom aus Biogas verwendet. In kleineren Mengen wird auch biologischer Abfall (Holzausschnitt, Holzabfall, Gülle, Biomüll, verbrauchtes Speiseöl usw.) in Biogasanlagen eingesetzt. Der größte Teil der Biomasse zur Biogaserzeugung ist derzeit jedoch Futtermais.

Diese Zahlen veranschaulichen auch die Probleme der Biogasproduktion. Eine Verzehnfachung der Produktion würde zu einem Flächenbedarf von ~70 % der gesamten zur Verfügung stehenden Anbaufläche für die Biogasproduktion führen und die dabei gewonnene Energie könnte den Bedarf bei Weitem nicht decken. Die verbleibenden Agrarflächen würden zur Deckung des Bedarfs für Nahrungsmittel aus heimischer Produktion und des Bedarfs für andere erneuerbare Energien (z. B. Biokraftstoffe) nicht ausreichen. In Zukunft soll jedoch mehr Biomasse aus landwirtschaftlichem Abfall, aus Rest-/Abfallstoffen der Lebensmittelindustrie, aus Kläranlagen oder aus der Holzverarbeitung genutzt werden. Das gebildete Biogas wird anschließend im Blockheizkraftwerk thermisch und energetisch genutzt oder nach Aufbereitung in das Erdgasnetz eingespeist. Biogas wird, unabhängig von Wind oder Sonne, kontinuierlich erzeugt.

Es kann aber auch in Tanks, wie Erdgas, gespeichert werden. Der Einsatz als kurzfristig verfügbare Energie für den Spitzenbedarf ist ein wesentlicher Vorteil von Biogasanlagen.

Einige Firmen und Orte sowie Schulen, Krankenhäuser können heute schon ganz oder teilweise auf Öl, Kohle und Uran verzichten. Bei einer Langzeit-Untersuchung an etwa 1600 Biogasanlagen wurde ein Wirkungsgrad von etwas über 38 %, bei einer jährlichen Auslastung der Blockheizkraftwerke von knapp 90 %, ermittelt. Das ist mehr als doppelt so viel wie derzeit bei Photovoltaikanlagen und etwa so viel wie bei Benzinmotoren.

Die Biogasenergie wird regional erzeugt und verbraucht. Neue Stromleitungen werden nicht benötigt. In einer Statistik des ADAC in diesem Frühjahr erscheint Biogas als die ergiebigste Energiequelle bei den nachwachsenden Rohstoffen. Die Biogas-Energie von einem Hektar Land reicht für eine Fahrstrecke von mehr als 67000 km mit einem Auto der unteren Mittelklasse. Pflanzenöl, Biodiesel oder Bioethanol kommen nur auf ein Drittel dieser Energiemenge. Die gegenwärtige Konzentration auf Mais zur Biogaserzeugung könnte durch Reduktion der Subvention reduziert werden.

Wie entsteht Biogas?
Biogas besteht hauptsächlich aus energiereichem Methan. Die anaerobe Verarbeitung von organischen Einsatzstoffen wie Futtermais erzeugt Bioenergie in Form von Gas, Strom oder Wärme. Biogas enthält je nach eingesetzten Substraten zwischen 45 % und 70 % Methan (CH4), 30 % bis 55 % Kohlendioxid (CO2), Wasser (H2O) und geringe Mengen an weiteren Gasen.

Die Biogaserzeugung wird üblicherweise in vier Phasen eingeteilt, die aber in unterschiedlicher Geschwindigkeit nebeneinander im Fermenter (Gärbehälter) ablaufen.

1. Hydrolyse
Zuerst werden hochmolekulare organische Stoffe (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße) mit Hilfe von Exo-Enzymen unter Wassereinlagerung enzymatisch in niedermolekulare Bausteine (Dimere und Monomere) gespalten. Die Hydrolyse ist die langsamste Reaktion und bestimmt somit die Geschwindigkeit des Abbauprozesses.

2. Acidogenese (Fermentation, Versäuerung)
Dann werden die Monomere (z. B. Fructose) und Dimere (z. B. Saccharose) von den Bakterien aufgenommen und zu unterschiedlichen organischen Säuren und Alkoholen vergoren. Dabei werden hauptsächlich Carboxylsäuren (FOS) und Alkohole, aber auch in kleinen Mengen Kohlendioxid und Wasserstoff, gebildet.

3. Acetogenese (Essigsäurebildung)
In der dritten Phase werden bestimmte Säuren von acetogenen Bakterien zu Essigsäure vergoren. Es entstehen auch Wasserstoff und Essigsäure, die das System belasten. Dies ist eine stark endotherme Reaktion.

4. Methanogenese
In der vierten Phase bauen die hydrogenotrophen (Wasserstoffverwertenden) und die acetoklastischen (Essigsäurespaltenden), methanogenen Archaeen diese Stoffe ab, damit die Bakterien weiter die Fettsäuren um- und abbauen können. Dies geschieht durch die Methanbakterien. Wasserstoff und Essigsäure sind das Substrat für die methanogenen Archaeen.

Substrate
Die unterschiedliche Zusammensetzung der Substrate erzeugt unterschiedlich zusammengesetzte Zwischenprodukte und hat Einfluss auf die Geschwindigkeit der Hydrolyse. Große Bedeutung hat der Wasserstoffgehalt. Zuviel Wasserstoff führt zu ungünstigen thermodynamischen Verhältnissen mit schwer abbaubaren Zwischenprodukten. Das wird als Hemmung bezeichnet.

Die Zusammensetzung des eingeführten Substrats variiert von Anlage zu Anlage. Dabei werden grundsätzlich zwei Typen unterschieden. Die einen sind die NaWaRo-Anlagen in denen ausschließlich nachwachsende Rohstoffe als Substrat verarbeitet werden. Die anderen sind die Co-Fermentationsanlagen, bei denen das Substrat aus einer Mischung aus Tierexkrementen (Gülle, Jauche, Mist) und Biomasse oder festen organischen Abfällen besteht.

Nur bestimmte Archaeen (Urbakterien) können in nennenswertem Umfang Methan erzeugen. Methanogene Archaeen verwerten fast nur Kohlenstoffverbindungen mit einem C-Atom (C1-Verbindungen, z. B. CO2, Ameisensäure) und Wasserstoff oder Acetat (C2-Verbindung). Sie werden als hydrogenotroph (Wasserstoff-verwertend) oder acetoklastisch (Essigsäure-spaltend) bezeichnet.

Kritische Parameter Die Methanproduktion in Biogasanlagen hängt wesentlich von der Qualität der eingebrachten Substanzen (Silage) ab. Die Silagequalität wird auch vom Pflanzenbestand und der Entnahmetechnik aus dem Silobehälter bestimmt. Die Milchsäurebildung beginnt bereits bei der Einlagerung des Silos und erreicht ihren Höhepunkt in den ersten 3−5 Tagen nach dem luftdichten Abschluss des Behälters. Dabei werden auch andere Gärsäuren, wie Essigsäure und geringe Mengen an Ameisensäure, gebildet. Buttersäurebildung mit Abbau von Milchsäure und Proteinen sollte verhindert werden, ebenso wie bei hohen Restzuckergehalten eine massive Hefevermehrung. Hefen bleiben auch bei optimal vergorenen Silagen vermehrungsfähig. Sie nehmen ihren Stoffwechsel wieder auf, wenn Sauerstoff zur Verfügung steht. Bei hohen Außentemperaturen und bei einer Auflockerung im Silo führt dies zu einer deutlichen Temperaturerhöhung und damit zum Nährstoffabbau.

Wie fast alle chemischen Reaktionen sind auch die durch Enzyme katalysierten Stoffwechselvorgänge stark temperaturabhängig. Eine Temperaturerhöhung von 10 °C bewirkt eine Verdopplung der Umsetzungsgeschwindigkeit. Demgegenüber nimmt die Stabilität der Enzyme mit steigender Temperatur ab. Oberhalb von 55 °C bis 60 °C denaturieren die meisten Enzyme, was zu einem schnellen, vollständigen und fast immer unumkehrbaren Verlust ihrer Aktivität führt.

Die Trockenmasse der Mikroorganismen besteht meist zu etwa 50 % aus Kohlenstoff, zu 11 % aus Stickstoff, zu 2 % aus Phosphor und zu etwa 1 % aus Schwefel. Für eine gutes Wachstum brauchen die Mikroorganismen diese Elemente. Nicht nur die absolute Menge eines Nährstoffes sondern das richtige Verhältnis zueinander ist für optimale Prozessbedingungen ausschlaggebend. Dafür wird ein C/N/P-Verhältnis im Fermenter von 100:5:1 bis 200:5:1 empfohlen. Von allen Lebewesen werden H, C, N, O, Na, Mg, P, S, K, Ca und Fe immer benötigt. Die Spurenelemente, wie Nickel (Ni), Cobalt (Co), Molybdän (Mo), Eisen (Fe) und Selen (Se) und oft auch Zink (Zn), Kupfer (Cu) und Mangan (Mn) werden von bestimmten Lebensformen oft als obligatorischer Bestandteil aktiver Zentren von Enzymen und für Redox-Reaktionen benötigt. Ein Mangel an essenziellen Nährstoffen hat meistens einen Anstieg an organischen Fettsäuren zur Folge.

Analysegeräte und -methoden
Typische Untersuchungen und Parameter, die im Analyselabor mit gängigen Methoden ermittelt werden:

  • Düngemitteluntersuchungen (NPK)
  • elektrische Leitfähigkeit [mS/cm]
  • FOS/TAC-Verhältnis
  • FOS-Wert flüchtige organische Säuren [mg/l]
  • ICP für Makro- und Spurenelemente
  • Konzentrationen der organischen Säuren/ Säurespektrum [mg/ l]
  • NH4-N/Ammonium-Stickstoff [mg/l]
  • NH4-N-Bestimmung (in Gärrest oder Gülle)
  • oTS-Gehalt [%-FM] und [%-TS]
  • pH-Wert
  • Spurenelementuntersuchungen
  • TAC-Wert/alkalische Pufferkapazität [mg /l]
  • TS-Gehalt [%-FM]

Ausblick
Die Methanerzeugung ein sehr störanfälliger Prozess. Permanente Analyse vor Ort und zeitnah im Labor ist Grundvoraussetzung für einen störungsfreien Betrieb. Biologische Prozesse laufen relativ langsam ab, daher ist die Rückkopplung/ Gegensteuerung oft möglich. Wenn allerdings die Reaktion ‚kippt‘, muss alles ausgeräumt und der Prozess neue angefahren werden. Die Beseitigung der dabei entstehenden Abfälle ist aufwändig und teuer.

Eine genaue und möglichst unveränderte Dosierung von Einsatzstoffen und Spurenelementen anhand von häufigen Laboranalysen ist für einen kontinuierlichen Betrieb mit optimaler Biogaserzeugung erforderlich.

Die Energiegewinnung aus Biogas wird staatlich gefördert, was einen hohen Verwaltungsaufwand nach sich zieht. Mit Wirkung vom 1.1.2012 ist beispielsweise eine neue Verordnung (EEG 2012) über “Einsatzstoffe nach Biomasseverordnung” in Kraft getreten (vgl. Bundestagsdrucksache 17/6071 vom 06.06.2011, S. 200). Darin werden die Einsatzstoffe in den Anlagen 1 bis 3 eingeteilt in solche mit Grundvergütung (Anlage 1), mit erhöhter Vergütung (Einsatzstoffvergütungsklasse I, Anlage 2) und mit noch höherer Vergütung (Einsatzstoffvergütungsklasse II, Anlage 3).

 

Autor(en)

Kontaktieren

Technology Consulting
Wekhrlinstr. 4
86720 Nördlingen
Telefon: 09081/29055-6

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.