Animation Biogasanlage:

 
Die Animation erläutert, wie in einer Biogasanlage aus Biomasse Strom und Wärme gewonnen werden.
Dauer: 2:50 Download (9 MB)

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BIOGAS
BIOCHEMIE DER PFLANZEN
Photosynthese
Pflanzen besitzen Pigmente (Farbstoffe), die in der Lage sind, Licht zu absorbieren, dadurch Elektronen anzuregen und die Energie zur Bildung von energiereichen biochemischen Bindungen zu übertragen. Das bedeutendste Pigment der Pflanzen ist das Chlorophyll (Blattgrün). Es absorbiert vor allem den blauen und roten Anteil des Lichts, daher wirken Pflanzen grün (reflektierter und durchgelassener Anteil). Das Chlorophyll befindet sich konzentriert in Chloroplasten (Bestandteile von Pflanzenzellen), die Chloroplasten konzentriert in den Blättern (große Oberfläche zur Energieaufnahme).
Die überwiegend durch das ADP/ATP-System übertragene Energie wird von den Pflanzen genutzt, um aus energiearmen Grundsubstanzen durch Photosynthese energiereiche Stoffe (Zucker) aufzubauen. Damit ist die Photosynthese der grundlegende Prozeß in der Natur, welcher für die Bildung der gesamten organischen Substanz (Biomasse) verantwortlich ist.

6 CO2 + 6 H2O + E ® C6H12O6 + 6 O2
Kohlendioxid + Wasser + Energie ® Einfachzucker (Glukose) + Sauerstoff

Aus den gebildeten Zuckern werden durch Umformung und Aufnahme weiterer Stoffe die Stoffwechselprodukte gebildet, insbesondere
Kohlenhydrate (v.a. Stärke, Inulin, Zellulose, Zucker, Pektin),
Fettstoffe (v.a. Fett, Fettsäure, Öl, Phosphatide, Wachs, Carotin),
Eiweißstoffe (v.a. Protein, Nucleoproteid, Phosphoproteid),
sowie weitere Stoffwechselprodukte wie u.a. Vitamine, Enzyme, Wuchsstoffe, Harze, Giftstoffe, ätherische Öle.

BIOCHEMIE DER PFLANZEN
Pflanzeninhaltsstoffe
Sowohl verschiedene Pflanzen als auch verschiedene Pflanzenteile derselben Pflanze können völlig unterschiedliche Gehalte an Inhaltsstoffen und damit auch an Energiepotential aufweisen. Zur Abschätzung eines erzielbaren Energieertrages über Biogastechnik ist daher die Kenntnis des verwendeten Ausgangsmaterials unerläßlich.
Die Hauptpflanzenbaustoffe weisen annähernd die folgenden Zusammensetzungen auf:

Kohlenhydrat C6H12O6
Fettstoff C16H32O2
Eiweißstoff C6H10O2(nur bezogen auf CHO-Verhältnis, ohne Berücksichtigung von N, S)

Die mittlere Elementarzusammensetzung pflanzlicher Trockenmasse beträgt etwa:

Kohlenstoff 45 %
Sauerstoff 42 %
Wasserstoff 6 %
Sonstige 7 %
angenäherte Summenformel C38H60O26

Im folgenden sind einige Beispiele für die unterschiedliche Verteilung der Pflanzeninhaltsstoffe aufgeführt:

Kohlenhydratgehalte in Pflanzen (in % der Trockensubstanz)

Zuckerrüben ca. 70 % Zucker
Kartoffelknollen ca. 15 % Zucker
Kartoffelknollen ca. 70 % Stärke
Weizenkorn ca. 90 % Stärke
Fettgehalte in Pflanzen (in % der Trockensubstanz)
Getreidekörner ca. 3 %
Rapskörner ca. 50 %
Ölpalme ca. 80 %
Eiweißgehalte in Pflanzen (in % der Trockensubstanz)
Stroh ca. 4 %
Kartoffelknolle ca. 10 %
Klee ca. 25 %

BIOGASENTSTEHUNG

Biogas entsteht in einem mehrstufigen Prozeß, der Vergärung oder Faulung, durch die Aktivität von anaeroben Mikroorganismen, d.h. unter Ausschluß von Luft bzw. Sauerstoff. An dem Prozeß sind vielfältige Organismenstämme beteiligt, deren Zusammensetzung sich jeweils aus den spezifischen Prozeßbedingungen ergibt (z.B. Ausgangsstoff der Vergärung, Temperatur, pH-Wert etc.). Da sich die Mikroorganismen insofern an verschiedene Substrate anpassen können, ist fast jede organische Substanz durch Vergärung abbaubar.
Die in der Regel hochmolekulare organische Substanz wird in mehreren Stufen abgebaut zu wenigen niedermolekularen Stoffen bis hin zum Methan. Neben dem Biogas entsteht bei der Prozeßkette als Gärrückstand ein Gemisch aus Wasser, nicht abgebauter organischer Substanz (meist zellulosereiche oder holzige Substanz) sowie nicht organischer Substanz (meist Sand und andere Bodenteilchen, Salz und andere Minerale). Die Vergärung findet im feuchten Milieu statt, die Mikroorganismen benötigen mindestens ca. 50 % Wasser im Ausgangssubstrat.
Die 1. Stufe der Vergärung ist die Hydrolyse. In dieser Phase wird hochmolekulare organische Substanz von Bakterien zu kleineren Einheiten aufgespalten, in der Regel durch Anlagerung bzw. Zwischenlagerung von Wassermolekülen an die Spaltstellen (Hydrolyse). Die Aufspaltung von holziger Substanz (Lignin) ist den Mikroorganismen nur sehr schwer möglich, weshalb Holz insgesamt als in der Vergärung nicht oder nur extrem langsam abbaubar gilt.

Die 2. Stufe der Vergärung ist die Säurebildung. In dieser Phase werden die kleineren Moleküleinheiten von Bakterien zu niedermolekularen organischen Säuren abgebaut, z.B. zu Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Milchsäure, sowie Alkoholen, Kohlendioxid (gering) und Wasserstoff (gering). Das Temperaturoptimum für die Säurebildung liegt bei etwa 30 °C, das pH-Optimum bei etwa pH 6. Im gesamten Prozeß gebildeter und nicht abgeführter Wasserstoff hat eine hemmende Wirkung auf die Säurebildungsphase.
Die 3. Stufe der Vergärung ist die Essigsäurebildung. In dieser Phase werden die niedermolekularen organischen Säuren und Alkohole von Bakterien zu Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff abgebaut. Auch auf diesen Prozeß wirkt eine ehöhte Wasserstoffkonzentration hemmend.
Die 4. Stufe der Vergärung ist die Methanbildung. In dieser Phase werden Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff von Bakterien zu Methan umgesetzt, Kohlendioxid ist hierbei im Überschuß und verbleibt als Rest im Gasgemisch. Aufgrund verschiedener Mikroorganismengruppen ergeben sich für diesen Prozeß - wie für viele andere biologische Prozesse auch - zwei Temperaturoptima, der mesophile Bereich (ca. 35 °C) und der thermophile Bereich (ca. 55 °C). Das pH-Optimum liegt bei etwa pH 7, so daß eine kontinuierliche Verarbeitung der Zwischenprodukte erforderlich ist, um einer Versäuerung es Prozesses entgegenzuwirken.

BIOGASEIGENSCHAFTEN

Biogas hat in etwa die folgenden Eigenschaften, die in Abhängigkeit der zur Vergärung eingesetzten Substrate auch abweichend sein können.
Dichte 1,2 kg/m3
Heizwert 4-7,5 kWh/m3 (abhängig vom Methangehalt)
Zündtemperatur 700 °C
Zündkonzentration Gasgehalt 6-12 %

BIOGASPOTENTIALE

Das Biogaspotential pflanzlicher Substanz wird bestimmt durch ihre Zusammensetzung, insbesondere durch die Anteile der Pflanzenbaustoffe Kohlenhydrat, Fettstoff, Eiweißstoff, bzw. letztlich dem Verhältnis von CHO (Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff). Durch eine Näherungsformel kann der theoretisch maximale Methanertrag bzw. Biogasertrag abgeschätzt werden:
CxHyOz ® (x/2 + y/8 - z/4) CH4
nach Buswell (vereinfacht)
Aus den Molanteilen von C, H und O (s.o. Zusammensetzung der Hauptpflanzenbaustoffe) kann entsprechend der Methanertrag für die Pflanzenbaustoffe bzw. eine durchschnittliche Ganzpflanze abgeschätzt werden.

Kohlenhydrat Fett Eiweiß Ganzpflanze
Molanteil C 6 16 6 38
Molanteil H 12 32 10 60
Molanteil O 6 2 2 26
Atomgewichte: C= 12, H= 1, O= 16
Molgewicht 180 256 142,5 930
Methanertrag in Mol
(nach Buswell) 3,0 11,5 3,8 19,7
Atomgewicht Methan: CH4= 16
Methanertrag in g/Mol 48 184 60 315
Methanertrag in Gew.% 27 % 72 % 42 % 34 %
Dichte Methan: 0,72 kg/m3
Methanertrag in m3/t oTS 370 998 585 470

Die dargestellten Methanerträge entsprechen den theoretisch maximalen Werten (vereinfacht berechnet nach Buswell), die von einem 100 %-igen Abbau der organischen Substanz ausgehen und in der Praxis nicht erreichbar sind. Für praxisbezogene Fragestellungen bzgl. des Biogaspotentials von Substraten sind zu berücksichtigen der Anteil energiereicher Stoffraktionen in der organischen Masse, der Gehalt an organischer Trockensubstanz (oTS) an der gesamten Trockensubstanz (TS), der TS-Gehalt des Substrates, der Methangehalt des Biogases (neben Methan vor allem Kohlendioxid und Wasserdampf) sowie die tatsächliche Abbauleistung der jeweiligen Biogasanlage.
So kann beispielsweise für eine durchschnittliche Pflanzensubstanz mit 90 % oTS, 25 % TS-Gehalt, 60 % Methangehalt im Biogas und 70 % Abbauleistung der Biogasanlage mit 123 m3 Biogas / t Frischsubstrat gerechnet werden. Sinkt die Abbauleistung der Biogasanlage auf 50 %, so reduziert sich der Gasertrag auf 88 m3 Biogas / t Frischsubstrat. Wird ein sehr energiereiches Substrat mit etwa 50 % Fettanteil mit 90 % oTS, 25 %TS-Gehalt, 60% Methangehalt im Biogas und 70% Abbauleistung der Biogasanlage eingesetzt, so kann der Biogasertrag auf ca. 200 m3 Biogas / t Frischsubstrat ansteigen.
Für sonstige Stoffe können die nachfolgenden Werte als Richtgrößen dienen, wobei bereits verdaute Stoffe (Gülle, Mist) deutlich geringere Energiegehalte aufweisen.

Rindergülle 200 m3 Methan/t oTS 20 m3 Biogas/ m3 Gülle
Schweinegülle 300 m3 Methan/t oTS 30 m3 Biogas/ m3 Gülle
Grasschnitt 480 m3 Methan/t oTS 125 m3 Biogas/ t Grasschnitt

BIOGASANLAGEN

Im Vergleich zu anderen Anlagen zur Nutzung regenerativer Energie existieren für Biogasanlagen eine Vielzahl von Systemen und Anlagentypen, die nach mehreren Kriterien eingeteilt werden können. Die Wahl eines Systems ist immer eine Einzelfallentscheidung und von mehreren Faktoren abhängig. Im folgenden sind die gebräuchlichsten Einteilungen aufgeführt:

Kriterium Anlagentyp Merkmale

Trockensubstanzgehalt Naßvergärung bis ca. 15 % TS-Gehalt
Trockenvergärung von 25-35 % TS-Gehalt

Temperaturniveau psychrophil bis 20 °C
mesophil 35 °C
thermophil 55 °C

Stufigkeit einstufig alle Abbaustufen gleichzeitig nebeneinander
zweistufig Trennung von Hydrolyse und Methanbildung
mehrstufig Trennung von Hydrolyse, Säurebildung und Methanbildung

Beschickung kontinuierlich täglich gleiche Substratmenge wird aus- und eingetragen
batch-Betrieb Komplettbefüllung und Komplettentleerung, Wechselbehälter erforderlich