Der Gärprozess

Biogas wird aus Biomasse durch die anaerobe Vergärung erzeugt. Anaerob bedeutet, dass der Prozess in einem sauerstofffreien Milieu stattfindet. In diesem setzen Mikroorganismen die Biomasse um, bzw. bauen diese ab, und erzeugen dabei Biogas.

Die Vergärung in Biogas-Kleinanlagen ist, mit einigen Ausnahmen, ein kontinuierlicher Prozess, der auf Wirtschaftsdüngern basiert. Den Kern der Biogasanlage bildet der Fermenter, der in der Regel aus ein oder mehreren gasdichten Güllelagern besteht. Gülle, Mist oder andere Reststoffe aus der Landwirtschaft werden im Fermenter verrührt und bei einer konstant warmen Temperatur gehalten.

Der Fermenter wird mehrfach am Tag mit Substrat gefüttert. Gleichzeitig wird Gärsubstrat aus dem Behälter entnommen. Die Füllmenge im Fermenter bleibt gleich und eine kontinuierliche Biogasproduktion wird gewährleistet. Der Gehalt der organischen Trockenmasse (oTM) ist gut kontrollierbar und die Fütterung kann leicht automatisiert werden. Es gibt liegende oder stehende Fermenter, einstufige oder mehrstufige Anlagen, mesophile oder thermophile Prozesse, etc. Welche Anlage die passende ist, hängt stark davon ab, welche Substrate eingesetzt werden sollen.

Für die Vergärung von Mist gibt es mehrere Möglichkeiten: vermischt mit Gülle oder Wasser kann Festmist in den oben beschriebenen Systemen vergoren werden. Eine andere Option ist das Batch-Verfahren zum Beispiel mit Garagenfermentern. Diese Anlage besteht in der Regel aus mehreren Boxen, die bis zum Maximum befüllt werden, danach findet der Vergärungsprozess statt. Ist die Verweilzeit vorüber, wird die Box komplett geleert und neu befüllt. Die Gärflüssigkeit (Perklorat), die während der Leerung austritt, wird aufgefangen, erhitzt und über das neue Substrat gesprüht.

Ein anderer, stärker verbreiteter Anlagentyp ist der Pfropfenstromfermenter. Dieser ist ein liegender Zylinder in dem das Substrat von der einen Seite zur anderen gedrückt wird. Der Rührmechanismus wirkt senkrecht auf die Bewegung des Gärsubstrates ein. Der oTM-Gehalt in einem Pfropfenstromfermenter kann höher sein, als bei einem kontinuierlich betriebenen, stehenden Rührwerkfermenter. In der Praxis wird dieser Fermentertyp oft mit einem stehenden Fermenter kombiniert, um längere Verweilzeiten zu ermöglichen.

 

Eine Biogasanlage besteht aus mehr als nur dem Fermenter (siehe auch Abbildung 1). Weitere Bauteile sind zum Beispiel:

1  Güllelager                                                      7  Gärrestlager

2  Lager für Kosubstrate                                 8  Heizsystem

3  Feststoffeintrag                                            9  Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung (BHKW)

4  Fermenter mit Rührwerk                          10  Anlage zur Gasaufbereitung

5  Gasfackel                                                       11  Rohrleitungen und Pumpen

6 Biogaslager                                                    12  Anlage zur Gärrestaufbereitung

 

Schema_BGA

Abbildung 1: Beispielhafter Aufbau einer Biogasanlage mit stehendem Rührkesselfermenter und vor Ort Verstromung in einem BHKW [KTBL 2013]

Welche Bauteile im Einzelfall notwendig sind hängt unter anderem davon ab, was die Anlage produzieren soll (Energie oder Gas), welche Möglichkeiten es für den Erwerb von Kosubstraten gibt, wie der Gärrest behandelt werden soll, etc.

Wenn organische Masse (Biomasse) in Abwesenheit von Sauerstoff (anaerob) durch mikrobiologische Prozesse abgebaut wird, bilden sich verschiedene Gase. Das durch die anaerobe Vergärung erzeugte Gasgemisch wird auch als Biogas bezeichnet. Ein Nebenprodukt der Vergärung ist das Gärprodukt, oder auch Gärrest genannt. Dieses ist reich an Makro- und Mikronährstoffen und daher in der Regel zur Pflanzendüngung geeignet.

Die Umsetzung einer anaeroben Vergärung ist für landwirtschaftliche Betriebe gut geeignet, da dort anfallende Substrate wie Energiepflanzen (z. B. Mais, Getreide), organische Reststoffe (z. B. Gülle, Festmist), Nebenprodukte (z. B. Obsttrester, Rapskuchen) und organische Abfälle effizient zur Biogasproduktion genutzt werden können. Holzige Biomassen sind jedoch nicht für die anaerobe Vergärung geeignet.

Biogas besteht im Wesentlichen aus Methan (CH4) – zwischen 50 – 70 % – und Kohlendioxid (CO2) – zwischen 25 und 45 %. Weitere Bestandteile sind Wasserstoff (H2), Schwefelwasserstoff (H2S), Ammoniak (NH3) und andere Spurengase. Die Zusammensetzung und Qualität des Biogases wird maßgeblich durch die verwendete Biomasse bestimmt. Durch die Prozesssteuerung ist die Gaszusammensetzung nur begrenzt beeinflussbar [KTBL 2013[1]].

Der Prozess der Biogasbildung läuft in vier mikrobiologischen Schritte ab, die zeitlich parallel erfolgen (siehe Abbildung 1). Für einen reibungslosen Ablauf der einzelnen Abbauphasen müssen optimale Milieubedingungen für die beteiligten Bakterien (z. B. pH-Wert, Temperatur) vorherrschen.

Schema Biomasseabbau

Abbildung 2: Schema des anaeroben Biomasseabbaus zur Biogaserzeugung [KTBL 2013, verändert]

  1. Hydrolyse
  2. Versäuerung
  3. Essigsäurebildung
  4. Methanbildung

Für einen reibungslosen Ablauf der einzelnen Abbauphasen müssen optimale Milieubedingungen für die beteiligten Bakterien (z. B. pH-Wert, Temperatur) vorherrschen.

Im ersten Schritt der Biogasbildung, der „Hydrolyse“, wird das Substrat, das aus komplexen Verbindungen (wie z. B. Kohlenhydrate, Proteine, Fette) besteht, durch Exoenzyme in einfachere organische Verbindungen (wie z. B. Aminosäuren, Zucker, Fettsäuren) zerlegt.

Aus diesen gebildeten Zwischenprodukten werden in der zweiten Phase, der sogenannten „Acidogenese“ (Versäuerung), durch säurebildende Bakterien kurzkettige Fettsäuren (Propion-, Essig- und Buttersäure) und in geringen Mengen Milchsäure und Alkohole sowie Kohlendioxid und Wasserstoff gebildet.

Während der folgenden „Acetogenese“ (Essigsäurebildung) werden die Zwischenprodukte der vorherigen Phase durch die Bakterien hauptsächlich zu Essigsäure sowie Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt. Aus den organischen Säuren wie Propion-, Butter- oder Milchsäure wird Essigsäure gebildet. Ist dieser Prozess gestört, kommt es zu einer Anreicherung an Säuren, da nur die Essigsäure durch die Methanbildner abgebaut werden kann.

Im der letzten Phase, der so genannten „Methanogenese“ (Methanbildung), produzieren Mikroorganismen (methanogene Archäen) über zwei Reaktionswege (aus Essigsäure (acetotrophe Reaktion) und aus Wasserstoff und Kohlendioxid (hydrogenotrophe Reaktion)) Methan, Kohlendioxid und Wasser [KTBL 2013[1]].

Je nach Konstruktion und Betriebsweise der Biogasanlage sowie der Beschaffenheit und Konzentration der als Substrat eingesetzten Frischmasse sind unterschiedliche Milieubedingungen für eine optimale Aktivität der Mikroben erforderlich. Die Umgebungsbedingungen wiederum beeinflussen die Zusammensetzung und Aktivität der mikrobiellen Biozönose und haben damit unmittelbar Einfluss auf die gebildeten Stoffwechselprodukte. Da die methanbildenden Mikroorganismen die geringste Wachstumsrate aufweisen und am empfindlichsten auf Störungen reagieren, müssen die Milieu- und Prozessbedingungen an die Anforderungen der Methanbildner angepasst werden.

Folgende Parameter sind unter anderem für den biologischen Prozess von Bedeutung [FNR 2013[2], KTBL 2013[3]]:

  • der Sauerstoffeintrag in den Fermenter sollte nicht zu hoch sein,
  • die Temperatur im Fermenter sollte an die Mikroorganismen angepasst sein (z. B. beim mesophilen Betrieb: 37 – 42°C) und wenn möglich nicht mehr als ± 2°C pro Tag schwanken,
  • der pH-Wert des Substratgemisches im Fermenter sollte zwischen pH 6,5 und 8,0 liegen und
  • der Fermenterinhalt sollte ausreichend Makro- und Mikronährstoffe aufweisen.

Im Allgemeinen sollten die Betriebsbedingungen einer Biogasanlage so konstant wie möglich gehalten werden. Das gilt besonders für die Substratzufuhr. Einige typische Fehler bei der Anlagenfütterung sind:

  • Substratzugabe über einen zu langen Zeitraum (keine Fütterungspausen)
  • unregelmäßige Substratzugabe
  • oft wechselnde Zusammensetzung / Qualität der Substrate
  • zu hohe Substratzugabe nach einer „Fütterungs-Pause“ (z. B. wegen eines technischen Problems).

 

 

[1] Autorenteam: Faustzahlen Biogas. Herausgeber: Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V., 3. Überarbeitete Auflage, 360 Seiten, Darmstadt, 2013, ISBN 978-3-941583-85-6

[2] Autorenteam: Leitfaden Biogas – von der Gewinnung zur Nutzung. Herausgeber Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, 6. Auflage, 244 Seiten, Gülzow, 2013

[3] Autorenteam: Faustzahlen Biogas. Herausgeber: Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V., 3. Überarbeitete Auflage, 360 Seiten, Darmstadt, 2013, ISBN 978-3-941583-85-6

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