Eine Zukunft ohne Energiewende ist schwer vorstellbar. Trotzdem ist ihr Gelingen nicht sicher. Denn für eine erfolgreiche Energiewende braucht es dringend alternative, verlässliche Energiekonzepte. Ein Thema, das zunehmend aufkommt, ist die Energiegewinnung mittels Biogas. Biogasanlagen erfreuen sich seit einigen Jahren steigender Beliebtheit. Doch was steckt dahinter? Welche großen Vorteile gibt es? Und wie funktioniert eine Biogasanlage überhaupt? Das und mehr erfahren Sie in diesem Artikel.
Was ist eine Biogasanlage?
Der Frage „Wie funktioniert eine Biogasanlage?“ liegt zunächst eine ganz andere Frage zugrunde. Denn das Verständnis der Funktionsweise erfordert das Wissen, was eine Biogasanlage ist. Einfach gesagt, entsteht in einer Biogasanlage aus organischem Material ein hochwertiger Energieträger.
Das Prinzip hinter der Biogasherstellung ist denkbar einfach. Ob Bioabfälle, Gülle, Zwischenfrüchte oder Energiepflanzen – sie alle lassen sich durch Mikroorganismen zersetzen. Unter Ausschluss von Luft, d. h. in einem anaeroben Prozess, entsteht dabei Biogas. Als energiereiches Gasgemisch eignet es sich optimal zur Strom- und Wärmeerzeugung. Zu Biomethan aufbereitet, lässt es sich auch in das öffentliche Gasnetz einspeisen.
Das Wichtigste auf einen Blick
Woraus Biogas entsteht und welche Ausgangsmaterialien dafür nötig sind, ist schnell erklärt. Doch wie funktioniert eine Biogasanlage nun ganz konkret? Das sind die wichtigsten Schritte auf einen Blick:
- Substratmanagement: In der Vorgrube findet die Vorbereitung der genutzten Ausgangsstoffe statt. Dabei wird das Substrat so zerkleinert, dass die Mikroorganismen es optimal zersetzen können.
- Biogasgewinnung: Im Fermenter beginnt die anaerobe Vergärung des vorbereiteten Substrats. Unter Ausschluss von Sauerstoff und unter ständigem Durchmischen zersetzen die Mikroorganismen den Ausgangsstoff. Heraus kommt am Ende das Biogas.
- Gärrestemanagement: Bei der Biogasherstellung bleiben immer auch Substratreste übrig. Ist das Biogas fertig, werden die Gärreste abgepumpt und weiterverarbeitet.
- Biogasspeicherung: Jede Biogasanlage braucht einen Gasspeicher, in dem das fertige Biogas gespeichert wird. Von hier aus lässt es sich flexibel zur weiteren Nutzung verteilen.
Wie funktioniert eine Biogasanlage? Schritt für Schritt erklärt
Eine Biogasanlage und ihr Aufbau sind ein komplexes System. Gleiches gilt für die Biogasherstellung. Doch trotz aufwendiger Vorgänge ist das Prinzip leicht erklärt. Wie funktioniert die Herstellung von Biogas also im Detail? Die folgenden vier Phasen beschreiben die Funktionsweise einer Biogasanlage Schritt für Schritt.
1. Das Substratmanagement
Alles beginnt beim Substratmanagement. Hier kommen die ersten wichtigen Bestandteile einer Biogasanlage zum Einsatz:
- das Lager bzw. die Vorgrube
- Vorrichtungen für Aufbereitung und Reinigung des Substrats
- Sortiersysteme für das Substrat
In der Vorgrube passiert ein erster essenzieller Schritt der Biogasproduktion: das Schreddern, Mahlen oder Quetschen des Ausgangssubstrats. So erhält es die Konsistenz, die die Mikroorganismen brauchen, um optimal arbeiten zu können. Denn nur dann können diese das Substrat zur Biogasherstellung zersetzen.
Auch wichtig in diesem Zusammenhang: der Unterschied zwischen Nass- und Trockenfermentation. Denn davon hängt die Art der Substratvorbereitung in der Vorgrube ab. Bei der Trockenfermentation ist die Biomasse eher trocken und faserig. Bei der Nassfermentation vergärt sie nass oder feucht unter stetigem Durchmischen. Die Trockenfermentation bietet sich insbesondere an, um Bioabfälle energetisch zu verwerten. Auch dieser Unterschied prägt die Funktionsweise der Anlage.
2. Die Biogasgewinnung
Der Fermenter ist das Herzstück einer jeden Biogasanlage. Über entsprechende Pumpen gelangt das in der Vorgrube angemischte Substrat in die Fermenterboxen. Diese gibt es sowohl in stehender als auch in liegender Ausführung. Bei einer Temperatur von etwa 40 °C beginnt hier die anaerobe Substratvergärung. Das bedeutet, dass dieser Prozessschritt ohne Sauerstoff abläuft. Für ein konstantes Temperaturniveau sollte jede Biogasanlage über ein spezielles Heizsystem verfügen. Eine effektive Wärmedämmung sorgt für zusätzlichen Schutz. Zudem ist ein verlässlich funktionierendes Rührwerk notwendig. Denn die Biogasherstellung benötigt eine konstante Substratdurchmischung.
Die Fermentation kann statisch, kontinuierlich oder aber durch eine vorgeschaltete Hydrolyse stattfinden. Letztere gilt jedoch als besonders kritischer Vergärungsprozess. Denn die versäuernden Bakterien sowie Essigsäure- und Methanbilder benötigen unterschiedliche Milieubedingungen. Um ihnen allen gerecht zu werden, verfügen manche Biogasanlagen über einen separaten Behälter. Dieser ermöglicht die Abtrennung der Hydrolyse. So lässt sie sich vor der Vergärung im Fermenter durchführen. Halten wir hier schon einmal fest: Die Antwort auf die Frage „Wie funktioniert eine Biogasanlage?“ basiert auf vielen verschiedenen Aspekten.
3. Die Speicherung und Reinigung des Biogases
Nach der Arbeit im Fermenter kommen drei weitere wichtige Komponenten ins Spiel:
- der Gasspeicher zur kurz- oder mittelfristigen Speicherung des entstandenen Biogases,
- die Gasreinigungssysteme zur Entschwefelung und Entwässerung
- sowie die Pumpleitungen für Gärreste und Biogas inklusive aller notwendigen Sicherheitsventile und Drucksicherungen.
Gerade Letztere sind extrem wichtig, ist der Umgang mit Biogas doch nicht ungefährlich. Darum sollten alle Sicherheitsvorkehrungen jederzeit stimmen.
4. Die Nutzung des Biogases und der Gärreste
Die Gärreste gelangen zur weiteren Verarbeitung in den Nachfermenter. Das Biogas kommt aus dem Gasspeicher in das Blockheizkraftwerk der Anlage. Hier dient es der gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme. Je besser die Fermentation abgelaufen ist, desto höher ist die Gasausbeute. Und je höher die Gasausbeute, umso mehr Energie lässt sich im BHKW erzeugen. Aber: Ein BHKW kann nicht sofort die gesamte Menge des produzierten Gases verarbeiten. Darum benötigt jede Biogasanlage entsprechende Zwischenspeicher, in denen sich das Gas „lagern“ lässt. Zudem verfügen manche Biogasanlagen über eine Aufbereitungstechnik zur Umwandlung von Biogas zu Biomethan. Das Biomethan lässt sich ins öffentliche Gasnetz einspeisen und woanders (bilanziell) entnehmen.
Außerdem wichtig: Gasreinigung, Reststofflagerung und -verwertung
Biogas besteht zum Großteil aus brennbarem Methan (CH₄). Je nach Ausgangssubstrat kann der Methangehalt zwischen 50 Prozent und 75 Prozent betragen. Weitere Bestandteile von Biogas sind Stickstoff, Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff. Je „reiner“ das Biogas ist, desto effektiver lässt es sich zur Energieherstellung nutzen. Deswegen ist eine Gasreinigung zur Entschwefelung und Entwässerung von Vorteil – und sollte bei der Frage, wie eine Biogasanlage funktioniert, unbedingt Berücksichtigung finden.
Nach der Zersetzung bleiben von den organischen Ausgangsmaterialien Gärreste übrig. Für Landwirtschaft, Garten-/Landschaftsbau und Privatgärten lassen diese sich optimal als Düngemittel einsetzen. Denn Gärreste sind hochwertig und reich an Nährstoffen und humusbildender organischer Substanz. Aus dem Fermenter gelangen sie entweder in ein Zwischenlager oder in einen Nachfermenter. Dieser sollte immer die gleiche Ausführung wie der Hauptfermenter haben. Wichtig ist, dass Nachfermenter über eine Sinkschichtaustragung verfügen. So lassen sich abgesetzte Sinkstoffe wie Sand oder Steine aus dem Behälter entfernen.
Das sind die Vorteile einer Biogasanlage
Sie liegen auf der Hand. Wer eine Biogasanlage betreibt, produziert nahezu klimaneutrale Energie. Denn die Biogasherstellung ist weitgehend umwelt- und klimafreundlich. Das bei der Umwandlung von Biomasse in Biogas freigesetzte CO₂ haben die Pflanzen nämlich zuvor beim Wachsen aus der Luft aufgenommen. Hinzu kommen die vielseitigen Nutzungsmöglichkeiten. So lässt sich Biogas zur Strom- und Wärmeerzeugung sowie als Kraftstoff einsetzen. Zudem ist Biogas sehr gut speicherbar. Es lässt sich flexibel, bedarfsgerecht und dezentral erzeugen sowie verfügbar machen. Als Ergänzung zu anderen erneuerbaren Energiekonzepten sind das optimale Voraussetzungen. Und: Biogasanlagen können entscheidend zur Energieunabhängigkeit Deutschlands beitragen.
Welche Rolle spielt die Biogasherstellung für die Energiewende?
Andere erneuerbare Energiekonzepte wie Wind- und Solarenergie sind abhängig von Wetter und Witterung. Biogas hingegen lässt sich flexibel sowie unabhängig erzeugen und auch speichern. Aus diesem Grund eignet sich Biogas besonders gut als regel- und speicherbarer erneuerbarer Energieträger. So kann es auf gewisse Residuallasten im Stromnetz reagieren und mögliche Netzschwankungen ausgleichen.
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