Baustelle Biogas
von Michael Welling, Peter Weiland und Rolf Hug
04.12.2006
Vom Landwirt zum Energiewirt! Dieses Motto zieht sich gegenwärtig quer durch alle Gesprächsrunden, die sich mit der Zukunft der Landwirtschaft und mit erneuerbaren
Energien befassen. Je stärker die Preise für Erdöl und -gas steigen und je deutlicher die Risiken einer politischen Abhängigkeit von den Förderländern werden, desto mehr rücken
regenerative Energiequellen ins Zentrum des Interesses. Neben Wind- und Solarenergie ist das in zunehmendem Maße auch die Bioenergie. Besonders die Produktion von Biogas, aus dem
wiederum Strom und Wärme erzeugt werden können, erweist sich als lohnende Aktivität für Landwirtschaft. Gemeinsam mit dem Institut für Technologie und Biosystemtechnik
der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) in Braunschweig beschreibt der Solar-Report im Dezember 2006 die Perspektiven der Biogaserzeugung in Deutschland.
Solar-Report als PDF-Dokument
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Biogasanlage; Entwicklung der Biogasanlagen in Deutschland seit 1990. Foto: M. Welling, Grafik: FAL
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Biogas entsteht bei der Zersetzung organischer Stoffe unter Luftabschluss, Chemiker sprechen hier von einer anaeroben Vergärung. Dabei wandeln Bakterien Kohlenhydrate und andere
organische Stoffe in ein brennbares Gasgemisch um, das im Wesentlichen aus Methan (50-70 %) und Kohlendioxid (30-45 %) besteht. Der wertgebende Anteil, der energetisch genutzt
wird, ist das Methan. Je nach Ausgangsstoff enthält Biogas geringe Mengen an Schwefelwasserstoff, Ammoniak und Kohlenmonoxid, die für eine energetische Verwertung störend sein
können und je nach Nutzung entfernt werden müssen. Mit Biogas kann - wie mit Erdgas - direkt geheizt werden. Aus Biogas lassen sich aber auch Strom und Wärme sowie Kraftstoff und
Wasserstoff gewinnen. Bei der Stromerzeugung in Blockheizkraftwerken (BHKW) kann ein Kubikmeter Biogas (Methangehalt 60 %) rund 0,6 m3 Erdgas oder 0,6 Liter Heizöl ersetzen. In
landwirtschaftlichen Biogasanlagen ist meist Gülle oder Festmist das Ausgangsmaterial. Zur Steigerung des Gasertrags kommen häufig so genannte Co-Fermentate zum Einsatz, zum
Beispiel nachwachsende Rohstoffe oder Abfälle aus der Lebensmittelindustrie. Diese Art der Energiegewinnung ist nahezu CO2-neutral, da sich das bei der Verbrennung entstehende CO2
im natürlichen Kohlenstoffkreislauf bewegt und beim Wachstum der Pflanzen gebunden wird. Nach der Biogasproduktion kann das vergorene organische Material als hochwertiger Dünger
verwertet werden.
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Energie vom Acker; Strom und Wärme aus Biogas. Fotos: Fachverband Biogas
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Mit der klimafreundlichen Erzeugung von Strom und Wärme aus dem regenerativen Energieträger Biogas verbunden sind positive Effekte für Umwelt und Gesellschaft sowie die
Möglichkeit, durch den Verkauf von elektrischer und/oder thermischer Energie landwirtschaftliche Einkommen zu sichern, Ingesamt arbeiten nach Zahlen des Fachverbandes Biogas in
Deutschland etwa 10.000 Menschen in der Planung, am Bau, an der Betreuung und am Betrieb von Biogasanlagen.
Nach Angaben des Fachverbands Biogas sind bis Ende 2006 rund 3.500 Biogasanlagen mit einer Leistung von 1.100 Megawatt (MW) installiert, bis 2020 sollen es 9.500 MW sein. Der
gegenwärtige Anteil der Biogasanlagen an der deutschen Stromproduktion (5 Milliarden Kilowattstunden) beträgt bereits über ein Prozent. Die Prognosen über die künftige Entwicklung
gehen auseinander. Agrarökonomen der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) schätzen, dass der Anteil von Bioenergie am Primärenergieverbrauch in den nächsten Jahren
zwar deutlich steigen, aber unter 10 % bleiben wird, da Deutschland einen hohen Energieverbrauch, aber nur relativ wenig Fläche zur Verfügung hat. Der Fachverband Biogas rechnet
hingegen mit einem Anteil von bis zu 17 % im Jahr 2020.
Biogas im BHKW: Hoher Wirkungsrad bei minimalen Emissionen
Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) nutzt Energie besser als die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme: Herkömmliche Heizkessel nutzen zwar die im Brennstoff steckende Wärmeenergie
sehr gut, verschwenden aber das im Energieträger steckende Kraft-Potenzial vollständig. Kraftwerke hingegen nutzen nur das Kraftpotenzial, geben aber das komplette
Nutzwärmepotenzial über ihre großen Kühltürme an die Umwelt ab. Erst die kombinierte Erzeugung in einer KWK-Anlage ermöglicht die optimale Nutzung beider Energieformen. KWK
benötigt weniger Brennstoff und belastet die Umwelt mit deutlich geringeren Emissionen. Kleine dezentrale BHKW haben einen Wirkungsgrad von über 90 %. Moderne Kohle- oder
Ölkraftwerke wandeln nur 35-42 % der in den verwendeten Energieträgern enthaltenen Energie in nutzbare Energie um, Atomkraftwerke kommen auf 58 %.
Ein Problem landwirtschaftlicher Biogasanlagen ist, dass oft mehr Wärme erzeugt werden kann, als vor Ort benötigt wird. Aus diesem Grund wird auch die Einspeisung von Biogas in
das Gasnetz erwogen, damit der gehaltvolle Energieträger optimal genutzt werden kann. Biogas kann auf Erdgasqualität veredelt werden und wird dann als Biomethan bezeichnet. Dieses
Biomethan bietet zukunftsweisende Möglichkeiten, regenerative Energien zu nutzen: Im Gegensatz zu anderen erneuerbaren Energien lässt es sich gut speichern und kann umweltschonend
über das bestehende Erdgasnetz transportiert werden.
Erneuerbare-Energien-Gesetz schafft finanzielle Anreize und Investitionssicherheit
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Mit der Neufassung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) von 2004 hat der Gesetzgeber einen lukrativen Anreiz für den Bau von Biogasanlagen geschaffen. Durch verschiedene
Preisaufschläge, die über einen Zeitraum von 20 Jahren garantiert sind, werden der Einsatz nachwachsender Rohstoffen und innovative Technologien gefördert. Kein Wunder, dass derzeit
Biogasanlagen fast wie Pilze aus dem Boden sprießen. Biogasanlage in Bayern. Foto: Fachverband Biogas
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Dies war nur durch eine Reihe von Innovationen möglich: Wurden früher vor allem Gülle und organische Abfälle zur Biogasgewinnung genutzt, so können heutige moderne Anlagen auch
pflanzliche Rohstoffe direkt verwerten. Einen wichtigen Anteil an dieser Entwicklung hat das Institut für Technologie und Biosystemtechnik der Bundesforschungsanstalt für
Landwirtschaft (FAL) in Braunschweig. Hier werden seit mehr als 25 Jahren Verfahren zur Biogaserzeugung verbessert und neue Technologien entwickelt.
Die Arbeitsgruppe von Peter Weiland hat zum Beispiel in umfangreichen Gärversuchen herausgefunden, welches Biogaspotenzial die verschiedenartigen Pflanzen und Abfallstoffe
besitzen. Die Unterschiede sind beträchtlich: Aus Schweinegülle lassen sich 30 m³ Biogas pro Tonne Frischmasse erzeugen, aus Grassilage 160 m³ und aus Maissilage sogar bis zu 230
m³ pro Tonne Diese hohe Ausbeute macht Mais zu einer bevorzugten Energiepflanze. Die Versuche zeigten auch, dass der Zeitpunkt der Ernte und die Art der Silierung wichtige
"Stellschrauben" sind, um den Gärvorgang und damit die Gasausbeute zu optimieren.
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Je nach Gärsubstrat können bis zu 230 Kubikmeter Biogas pro Tonne Frischmasse erzeugt werden. Die Ausbeute von Lebensmittelabfällen, z. B. aus Bäckereien, kann sogar noch deutlich
darüber liegen. Arbeitsgruppenleiter Peter Weiland überprüft die Leistung der Biogas-Versuchsanlage auf dem Braunschweiger FAL-Gelände. Grafik: FAL, Foto: M. Welling
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Verbesserte Prozesse für schnellere Gasbildung und höhere Wirkungsgrade
In heutigen Biogasanlagen werden Pflanzenteile meist bei Temperaturen von 36-42 °C vergoren. Bei Temperaturen oberhalb von 50 °C sind jedoch schnellere Gasbildung und höhere
Wirkungsgrade zu erwarten. In einer Demonstrationsanlage optimieren die FAL-Forscher derzeit die dafür notwendigen Betriebsparameter. Die Ergebnisse zeigen, dass sich auf diese
Weise gerade bei stickstoffarmen Pflanzen wie Mais eine höhere Gasausbeute erzielen lässt - und das bei guter Stabilität des Gärprozesses. Vor einer energetischen Nutzung muss das
Biogas in der Regel entschwefelt werden, um Schäden an der Anlage zu vermeiden. In der Praxis werden dafür häufig Schwefelbakterien genutzt, die im Substrat natürlicherweise
vorkommen. Die Entschwefelungsleistung dieser kleinen Helfer ist aber häufig unzureichend, da für die Anreicherung der Bakterien nicht genügend Besiedlungsfläche im Reaktor
vorhanden ist. Die Technologen der FAL konnten zeigen, dass es mit Hilfe eines speziellen Rieselfilters technisch möglich ist, den Schwefelwasserstoffgehalt um bis zu 99 Prozent
zu vermindern.
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Biogas-Komplettsystem der Schmack Biogas AG:
1. Vorgrube 2. Einbringtechnik.
3. Grubenspeicherfermenter
4. Blockheizkraftwerk (BHKW) und Steuerung im Technik-Container
5. Gärrestelager.
Foto Schmack Biogas AG
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Die Landnutzung ändert sich
Horst Gömann und Peter Kreins interessieren sich ebenfalls für die Nutzung von Biogas, allerdings aus einem ganz anderen Blickwinkel. Die Agrarökonomen arbeiten am FAL-Institut
für Ländliche Räume in Braunschweig und wollen wissen, wie sich die finanzielle Förderung dieser regenerativen Energieform auf die Landnutzung auswirkt. Da die Erzeugung von
Biogas nicht mehr auf die Veredelung des „Abfallproduktes“ Gülle beschränkt ist, kann sie auch in typischen Ackerbauregionen erfolgen. „Hier kommt es zu einer
Nutzungskonkurrenz. Pflanzen können entweder zur Nahrungs- und Futtermittelproduktion oder aber zur Energieerzeugung angebaut werden", erläutert Horst Gömann. Verschiebt sich das
Spektrum der angebauten Kulturen? Entsteht am Ende in Deutschland der künftige Maisgürtel Europas?
Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Bonn haben die Ökonomen der FAL die Verhältnisse für das Bundesland Nordrhein-Westfalen unter die Lupe genommen. Mit Hilfe eines
regional-ökonomischen Modells, das die landwirtschaftliche Produktion in Deutschland auf Landkreis-Ebene abbildet, berechneten sie, dass sich der Anbau von Mais als Energiepflanze
– eine gleichbleibende Förderung vorausgesetzt – von derzeit 6.400 Hektar auf bis zu 180.000 Hektar ausdehnen könnte. Dazu kommt etwa noch einmal so viel Mais als
Tierfutter. Nicht nur Stilllegungsflächen, auf denen derzeit Raps für die Biodieselherstellung wächst, würden künftig für den Maisanbau genutzt, die Ausdehnung erfolgte in
erheblichem Maße auch zu Lasten der Weizenfläche, sodass der Mais in zahlreichen Regionen Weizen als Leitkultur ablösen würde. In den nördlichen, durch intensive Viehhaltung
geprägten Landesteilen würde der Mais mehr als 50 Prozent der Ackerfläche beanspruchen.
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Fermenter einer Biogasanlage. Fotos: Fachverband Biogas
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Damit es nicht zu einer "Vermaisung" der Landschaft kommt, wird zunehmend nach Alternativkulturen gesucht, um eine vielfältigere Fruchtfolge zu erreichen. Viele ertragsstarke
traditionelle und neuartige Kulturen werden derzeit auf ihre Eignung als Energiepflanze geprüft. Eine aktuelle bundesweite Untersuchung der FAL hat ergeben, dass zwar in rund 90
Prozent der neu gebauten Biogasanlagen Maissilage verwendet wird, zusätzlich aber auch schon in erheblichem Umfang siliertes Ganzpflanzengetreide (50 %), Getreidekörner (45 %) und
Grassilage (35 %).
In Innovationen investieren
Der Gesetzgeber verfolgt mit der Förderung der Bioenergie mehrere Ziele: darunter den Klimaschutz, die Schonung der fossilen Energiereserven und die Sicherung der nationalen
Energieversorgung. Dass die Erzeugung von Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen zumindest derzeit noch ein relativ kostspieliger Weg ist, um erneuerbare Energie zu erzeugen,
darüber sind sich Wissenschaft und Betreiber einig. Deshalb ist die Förderung nach dem EEG für einen breiten Ausbau der Produktion und auf dem Weg zur Wirtschaftlichkeit von
zentraler Bedeutung.
Generell empfehlen die FAL-Wissenschaftler der Politik, bei der Förderung nicht so sehr die Verbreitung von Standardtechnologien in den Vordergrund zu stellen, sondern stärker in
die weitere Verbesserung der technologischen und organisatorischen Effizienz zu investieren. Die Bemühungen der Forschung zielen darauf ab, für die verschiedenen
landwirtschaftlichen und forstlichen Roh- und Reststoffe wie Mais, Holz oder Stroh die jeweils bestmögliche Technik zur energetischen Nutzung zu entwickeln.
Quellen und weitere Informationen:
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Film "Vom Landwirt zum Energiewirt". Der Film zeigt die
Möglichkeiten der Umstellung landwirtschaftlicher Betriebe auf Biogas. Das Besondere ist die ausschließliche Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen (ohne tierische Exkremente)
erstmals in Europa. Im Zeitlauf des Kalenderjahres begleitet der Film beispielhaft einen niedersächsischen Landwirt bei der Entwicklung seines Betriebes zu einem Bioenergiehof,
zeigt Potenziale, ökonomische und ökologische Vorteile. Er gibt Antworten auf technische, landwirtschaftliche, finanzielle und andere Fragen. Ingenieure und Forscher kommen ebenso
zu Wort wie Politiker, die sich für diese neue Perspektive der Landwirtschaft einsetzen. Film von Cornelia Wiese, Infoheft zum Film. Autor: Kay Gollhardt, 76 Seiten, 4farbig, etwa
DIN A 5.
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