Biogasanlage Wallsee: Auswertung von …...zur Erlangung des akademischen Grades Bachelor of Science in Engineering von Ing. Mathias Heschl 02.2010 Betreuung der Bachelorarbeit durch

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FACHHOCHSCHUL-BACHELORSTUDIE�GA�G

Bio- und Umwelttechnik

Biogasanlage Wallsee:

Auswertung von Betriebsergebnissen und

Berechnung des Brennstoffnutzungsgrades

ALS BACHELORARBEIT EI�GEREICHT

zur Erlangung des akademischen Grades

Bachelor of Science in Engineering

von

Ing. Mathias Heschl

02.2010

Betreuung der Bachelorarbeit durch

DI Harald Bala MSc

Bachelorarbeit Biogasanlage Wallsee: Betriebsergebnisse und Brennstoffnutzungsgrad

-II-

Ich erkläre ehrenwörtlich, dass ich die vorliegende Ar-beit selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst, an-dere als die angegebenen Quellen nicht benutzt, die den benutzten Quellen entnommenen Stellen als sol-che kenntlich gemacht habe und dass diese Arbeit mit der vom Begutachter beurteilten Arbeit übereinstimmt. Die Arbeit wurde bisher in gleicher oder ähnlicher Form keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegt und auch nicht veröffentlicht.

Ing. Mathias Heschl

....................................................................

<<Vorname Name>> Amstetten, 08.02.2010 <<Wohnort>>, <<Datum>>


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Inhaltsverzeichnis

8 Einleitung ........................................................................................................ 6

2 Zielsetzung ...................................................................................................... 6

2.1 Ziele............................................................................................................ 6

2.2 Nicht Ziele.................................................................................................... 6

3 Stand der Technik ............................................................................................ 7

3.1 Schema einer Biogasanlage ............................................................................ 7

3.1.1 Lagerstätten: Vorgrube, Silagelagerstätte .................................................. 7

3.1.2 Feststoffeintrag: Abschieber ..................................................................... 8

3.1.3 Fermenter: Gasspeicher........................................................................... 8

3.1.4 Nachgärer .............................................................................................. 8

3.1.5 Gärrestelager: Endlager ........................................................................... 8

3.1.6 Gasleitungen: Kondensatschacht und Gaskühlung ....................................... 8

3.1.7 BHKW: Biogasverstromung....................................................................... 9

3.1.8 Wärmetauscher ...................................................................................... 9

3.1.9 Hausleitung: Fernwärmeleitung................................................................. 9

3.1.10 Rührwerke ............................................................................................. 9

3.2 Mikrobiologische Grundlagen ........................................................................ 10

3.2.1 Fotosynthese ........................................................................................ 10

3.2.2 Kompostierung ..................................................................................... 10

3.2.3 Vergärung............................................................................................ 11

3.2.4 Die 4 Stufen der Methangärung .............................................................. 12

3.2.4.1 1. Stufe: Hydrolyse ............................................................................... 13

3.2.4.2 2. Stufe: Acidogenese............................................................................ 13

3.2.4.3 3. Stufe: Acetogenese ........................................................................... 13

3.2.4.4 4. Stufe: Methanogenese ....................................................................... 13

3.2.5 Erforderliche Rahmenbedingungen für die Biogasbildung............................ 14

3.2.5.1 Feuchtigkeit ......................................................................................... 14

3.2.5.2 Sauerstoff ............................................................................................ 14

3.2.5.3 Licht.................................................................................................... 14

3.2.5.4 Temperatur .......................................................................................... 14

3.2.5.5 Substratzufuhr...................................................................................... 14

3.2.5.6 pH-Wert............................................................................................... 15

3.2.5.7 Nährstoffversorgung.............................................................................. 15

3.2.5.8 Stoffoberfläche ..................................................................................... 15

3.2.5.9 Hemmstoffe ......................................................................................... 15


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3.2.6 Generationszeiten der Bakterien ............................................................. 16

3.2.7 Beispiele für Bakterien ........................................................................... 17

3.2.8 Substrate für die Biogasproduktion.......................................................... 18

3.2.1 Nachwachsende Rohstoffe (NAWAROS).................................................... 18

3.2.1.1 Silomais............................................................................................... 18

3.2.1.2 Getreidepflanzensilage........................................................................... 18

3.3 Verfahrenstechnik von Biogasanlagen ............................................................ 19

3.3.1 Unterscheidung der Biogasanlagen nach Beschickung und Wassergehalt ...... 19

3.3.1.1 diskontinuierlicher Betrieb: Durchfluss (Batch) Verfahren:.......................... 19

3.3.1.2 kontinuierlicher Betrieb: Speicher-Durchflussverfahren .............................. 21

3.3.2 Verfahrenstechnischer Unterscheidung anhand der Durchmischung ............. 22

3.3.2.1 Volldurchmischung: Rührkessel............................................................... 22

3.3.2.2 Längs Durchmischung: Pfropfenstromverfahren ........................................ 22

3.3.3 Unterscheidung der Biogasanlagen anhand der Anzahl der Prozessstufen ..... 23

3.3.3.1 einstufiges Verfahren............................................................................. 23

3.3.3.2 mehrstufige Verfahren ........................................................................... 23

3.3.4 Unterscheidung der Biogasanlagen anhand der Fermentertemperatur .......... 24

3.3.4.1 Mesophile Betriebsweise ........................................................................ 24

3.3.4.2 Thermophile Betriebsweise..................................................................... 25

3.4 Vom Biogas zu Wärme und Strom ................................................................. 26

3.4.1 Zusammensetzung von Biogas................................................................ 26

3.4.2 Reinigung von Biogas ............................................................................ 26

3.4.3 Speicherung von Biogas......................................................................... 27

3.4.4 Verstromung von Biogas ........................................................................ 27

3.4.4.1 Der Gas-Otto-Motor............................................................................... 27

3.4.4.2 Der Zündstrahl-Dieselmotor ................................................................... 27

3.4.4.3 Der umgerüstete Benzinmotor ................................................................ 27

3.4.5 Generatoren für Kraft-Wärmekopplungen................................................. 28

3.4.6 Abwärmenutzung .................................................................................. 28

3.5 Geschichte und Entwicklung der Biogasanlagen............................................... 29

3.5.1 Die Geschichte der Biogaserzeugung und deren Nutzung............................ 29

3.5.2 Entwicklung der Biogasanlagen in Österreich ............................................ 30

4 Beschreibung der Biogasanlage Wallsee........................................................ 32

4.1 Errichtung und Betreiber .............................................................................. 32

4.2 Allgemeine Betriebsdaten............................................................................. 33

4.3 Betriebsablauf der Biogaserzeugung Wallsee .................................................. 34

4.3.1 Anlieferung und Einlagerung des Substrates ............................................. 34

4.3.2 Eintrag von Feststoffen in den Fermenter ................................................. 35


-V-

4.3.1 Haupt und Nachfermenter (Nachgärer) sowie Gasspeicher.......................... 35

4.3.2 Endlager (Gärrestlager) ......................................................................... 37

4.3.3 Gasleitungssystem mit Kondensatschacht ................................................ 37

4.3.4 Biogasverstromung im Betriebsgebäude................................................... 37

4.3.4.1 Produktion von elektrischer Energie......................................................... 38

4.3.4.2 Produktion von thermischer Energie ........................................................ 38

4.3.5 Verwertung der Wärme.......................................................................... 39

4.3.5.1 Beheizen des Fermenters und des Betriebsbebäudes ................................. 39

4.3.5.2 Nutzung zur Trocknung landwirtschaftlicher Produkte ................................ 39

4.3.5.3 Betrieb eines Fernwärmenetz.................................................................. 39

4.3.5.4 Spitzenlast- und Ausgleichsversorgung .................................................... 40

4.3.5.5 Notkühler............................................................................................. 40

4.4 Ermittlung des jährlichen Brennstoffnutzungsgrades........................................ 41

4.4.1 Ermittlung der Betriebsdaten .................................................................. 41

4.4.2 Ergebnisse ........................................................................................... 42

4.4.2.1 Bruttoenergie ....................................................................................... 42

4.4.2.2 elektrische Energie ................................................................................ 42

4.4.2.3 Wärmeenergie gesamt........................................................................... 42

4.4.2.4 Kaminverlust ........................................................................................ 42

4.4.2.5 genützte Wärmeenergie, Fermenterheizung.............................................. 43

4.4.2.6 Notkühler............................................................................................. 43

4.4.2.7 Trocknungsanlage ................................................................................. 44

4.4.2.8 Fernwärmeleitung ................................................................................. 44

4.4.2.9 Brennstoffnutzungsgrad: Definition und Berechnung.................................. 45

4.4.3 zusammengefasste Berechnungsergebnisse.............................................. 46

5 Zusammenfassung......................................................................................... 47

6 Abstract ......................................................................................................... 47

7 Literatur ........................................................................................................ 48

7.1 Literaturquellen........................................................................................... 48

8 Abbildungsverzeichnis ................................................................................... 49


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1 Einleitung

Biogas in Österreich: „Ein aufziehender Sturm des Erfolges oder doch nur ein laues Lüftchen?“.

Gerade in Österreich lässt sich diese Frage schwer beantworten. Nach der Jahrtausendwende mit

Einführung des neuen Ökostromgesetzes (2002) brach in Österreich der große Boom im Biogas-

anlagenbau aus, doch in den letzten Jahren geriet dieser Trend ins Stocken.

Meine Arbeit behandelt im allgemeinen Teil die Funktion von Biogasanlagen mit den verschie-

denen verfahrenstechnischen Möglichkeiten. Weitere Betrachtungspunkte sind der mikrobiologi-

sche Prozess der Biogasbildung und die Entwicklung der Biogasanlagen in Österreich. Im spe-

ziellen Teil beschäftigt sich diese Arbeit mit einer Biogasanlage im westlichen Mostviertel (NÖ),

in der Gemeinde Wallsee. Die Arbeit bietet einen Überblick über die Abläufe der Biogasanlage

und beschreibt ihre Funktion. Darüber hinaus wird eine Jahresbilanz bezüglich des Brennstoff-

nutzungsgrades erstellt.

2 Zielsetzung

2.1 Ziele

• Allgemeiner Überblick über Gewerke und Maschinen von Biogasanlagen

• Allgemeine Beschreibung des Biogasprozesses

• Beschreibung des Prozesses der Biogasanlage Wallsee

• Auswertung der Betriebsdaten der Biogasanlage Wallsee und Erstellung einer Jahres-

energiebilanz

2.2 �icht Ziele

• Komplette Erhebung aller verfahrenstechnischen Möglichkeiten inklusive Erklärung

• Biogasanlagen bis ins kleinste Detail analysieren und beschreiben


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3 Stand der Technik

3.1 Schema einer Biogasanlage

Eine Biogasanlage besteht üblicherweise aus einer Lagerstätte, einem oder mehreren Gärbehäl-

tern (Vorgärer, Fermenter, Nachgärer), einem Gärrestelager und einem Blockheizkraftwerk

(BHKW). In der Abbildung 1 ist der mögliche Aufbau einer Biogasanlage dargestellt. Aus den

Substraten wird in den Gärbehältern Biogas gewonnen, welches anschließend im BHKW zu

Kraft und Wärme umgewandelt wird. Der Strom wird über einen Transformator in das Strom-

netz eingespeist und die Wärme kann für Heizzwecke genutzt werden. Im Gegensatz zum fossi-

len Erdgas stellt Biogas einen erneuerbaren Energieträger dar.

3.1.1 Lagerstätten: Vorgrube, Silagelagerstätte Jede Biogasanlage besitzt eigene Lagerstätten, um die für den Betrieb nötigen Substrate vorrätig

zu haben. Beispiele dafür sind die länger lagerfähige Maissilage oder auch schnell verderbliche

Produkte wie Bioabfall. Flüssige Substrate wie Gülle werden in Senkgruben oder Vorgruben ge-

lagert. Nachwachsende Rohstoffe (NAWAROS) wie Maissilage oder Getreide benötigen sehr

große Silolagerflächen, da sie nur einmal jährlich geerntet werden und den Jahresbedarf decken

müssen.1

1 Vgl. Bala, H. Persönliches Interview. 12.12.2009.

Abbildung 1: Schema einer Biogasanlage

[Quelle. Agri comp. GmbH.(2009). Biogastechnik, teilweise Heschl.]

Abschieber

Silagelagerstätte


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3.1.2 Feststoffeintrag: Abschieber

Der Feststoffeintrag erfolgt bei modernen Anlagen über automatische Dosierstationen. Diese tra-

gen kontinuierlich ca. alle 2 Stunden das Substrat in den Gärbehälter ein. Die Eintragung kann

zeitgesteuert oder nach Gewicht erfolgen.2

3.1.3 Fermenter: Gasspeicher

Der Fermenter ist das Herzstück einer Biogasanlage. In ihm wird das Biogas von den Mikroor-

ganismen gebildet. Das produzierte Gas wird entweder in dem über dem Fermenter bzw. Nach-

gärer befindlichen Gasspeicher gespeichert, oder in einen externen Gasspeicher (Gasometer,

Kissen oder Folienspeicher) geleitet. Die Speicherkapazitäten reichen von 1 bis zu 12 Stunden.

Die Biogasbildung erfolgt in 4 Phasen die im Kapitel 3.2.2 näher beschrieben werden. Je nach

Betriebsart (mesophil oder thermophil) wird die Temperatur im Fermenter gewählt. Die Umwäl-

zung kann über Rührwerke erfolgen. Der Fermenter muss temperaturgeregelt sein, deshalb wird

ein Teil der Abwärme aus der Verstromung für das Beheizen des Fermenters verwendet.3

3.1.4 �achgärer

Der Nachgärer ist baugleich hinter dem Fermenter nachgeschaltet, und dient in erster Linie der

besseren Verwertung von unvergoren aus dem Fermenter ausgetragenem Material. Das zusätz-

lich produzierte Biogas steigert die Anlagenleistung und der Wirkungsgrad der Vergärung wird

erhöht. Darüber hinaus können mit dem Nachgärer Fehlgärungen des Fermenters ausgeglichen

werden.4

3.1.5 Gärrestelager: Endlager

Die vergorenen Substrate aus dem Fermenter bzw. dem Nachgärer werden im Endlager zwi-

schengelagert. Die Biogasgülle kann von regionalen Bauern, saisonal angepasst, für die Dün-

gung ihrer Felder verwendet werden.5

3.1.6 Gasleitungen: Kondensatschacht und Gaskühlung

Das entstehende Biogas hat eine Luftfeuchtigkeit von 100 % (Wasser gesättigtes Gas). Bei der

Verlegung der Gasleitungen ist deshalb darauf zu achten, dass das anfallende Kondensat immer

an der tiefsten Stelle der Rohrleitung in sogenannte Kondensatschächte abfließen kann. Das

Kondensat ist korrosiv und kann die Rohrleitungen schädigen.6

2 Vgl. Ahrer, W. Vorlesung Biogasanlagen. 3 Vgl. Görisch, U./Helm, M. Biogasanlagen. 4 Vgl. Bala, H. Persönliches Interview. 12.12.2009. 5 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis. 6 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis.


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3.1.7 BHKW: Biogasverstromung

Unter einem Blockheizkraftwerk (BHKW) versteht man einen Motor, der die sogenannte Kraft-

Wärme-Kopplung durchführt. Bei dem Energieträger Biogas entsteht mittels Luftzumischung ein

explosionsfähiges Gemisch, welches zu Strom und Wärme umgewandelt wird. Dadurch kann ein

Wirkungsgrad von bis zu 90 % erreicht werden.7

3.1.8 Wärmetauscher

Die bei der Kühlung des Motorblocks und der Abgase anfallende Wärme wird über Wärmetau-

scher abgeführt und in erster Linie zum Beheizen des Fermenters bzw. des Nachgärers benutzt.

Überschüssige Energie kann für Trocknungs- oder Heizzwecke verwendet werden.8

3.1.9 Hausleitung: Fernwärmeleitung

Die Fernwärmeleitungen liefern die Wärme vom BHKW zu den verschiedensten Abnehmern

(Wohnhäuser, Schulen, etc.). Wichtig sind eine gute Isolierung der Leitungen sowie kurze An-

bindungen vom Lieferanten zum Abnehmer, um den Leitungswärmeverlust möglichst gering zu

halten. Der Vorteil von Fernwärmeheizungen ist der geringe technische Aufwand beim Lieferan-

ten und der Ersatz einer eigenen Heizung beim Abnehmer9

3.1.10 Rührwerke

Die Rührwerke sorgen dafür, dass das Material im Fermenter homogen verteilt wird und dadurch

die Mikroorganismen ihre Nahrung optimal verwerten können. Man unterscheidet zwischen fest

eingebauten Rührwerken (liegende, stehende, vertikale), sowie entnehmbaren Rührwerken. Ent-

nehmbare Rührwerke (vertikale, stehende) können durch die Wand oder die Decke entnommen

werden, ohne den Gärbehälter leer zu pumpen, während bei fest eingebauten Rührwerken der

Fermenter komplett geräumt werden muss, um zum Rührwerk zu gelangen.

Bei Rührwerken unterscheidet man 2 Typen:

• das schnell laufende Tauchmotorrührwerk

• das langsam laufende Paddelrührwerk

Tauchmotorrührwerke arbeiten mit hohen Drehzahlen und haben im Vergleich zum Paddelrühr-

werk kleinere Abmessungen. Sie arbeiten diskontinuierlich (z.B.: 15 Minuten rühren, 45 Minu-

ten Pause), für größere Fermenter sind daher mehrere Tauchmotorrührwerke erforderlich. Pad-

delrührwerke sind Langsamläufer, arbeiten eher kontinuierlich und mit tendenziell geringerem

Energieverbrauch. Bei hohen Trockensubstanzgehalten arbeiten sie optimal in Kombination mit

Tauchmotorrührwerken.10

7 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis. 8 Vgl. Görisch, U./Helm, M. Biogasanlagen. 9 Vgl. Bala, H. Persönliches Interview. 12.12.2009. 10 Vgl. Bala, H. Persönliches Interview. 12.12.2009.


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3.2 Mikrobiologische Grundlagen

Im Kreislauf des Lebens bilden die Fotosynthese zusammen mit der Vergärung und der Kompos-

tierung die Grundlagen des Kohlenstoffkreislaufes. Einerseits wird Kohlenstoff organisch ge-

bunden und andererseits bestehende Biomasse zu anorganischem Kohlenstoff umgewandelt. Die

Vergärung findet im Gegensatz zur aeroben Kompostierung anaerob, das heißt unter Ausschluss

von Sauerstoff, statt.11

3.2.1 Fotosynthese Die Grundlage des biologischen Kohlenstoffkreislaufes ist die Fotosynthese. Sie wird unter an-

derem von Algen, grünen Pflanzen und Cyanobakterien durchgeführt. Dabei wird Glucose aus

Kohlendioxid und Wasser aufgebaut. Als Energiequelle dienen die Lichtstrahlen der Sonne.

Der Prozess wird über folgende Gleichung (2.1) definiert und ist als Bruttoformel dargestellt.

[2.1] 6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

3.2.2 Kompostierung Die aus der Fotosynthese aufgebaute Biomasse dient als Nahrungsquelle für heterotrophe Kon-

sumenten (diese benötigen als Nahrungsquelle organisch gebundenen Kohlenstoff) und be-

schreibt den effizientesten Weg der biochemischen Energiegewinnung. Dabei wird die gebildete

Glucose wieder verstoffwechselt. Die in der Biomasse gespeicherte Sonnenenergie wird durch

folgenden aeroben Abbauprozess wieder freigesetzt (Gleichung 2.2).

[2.2] C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O → 6 CO2 + 12 H2O + 2.875 kJ/Mol*

* Ein Mol eines Stoffes entspricht 6 x 1023 Teilchen (Atome) pro Mol.

Vereinfacht dargestellt entstehen aus der aufgebauten Glucose die Abbauprodukte Sauerstoff

(O2), Wasser (H2O), Kohlendioxid (CO2), und Wärme. Mit einer Wärmeproduktion von 2.875

kJ/Mol ist die Kompostierung ein klar exothermer (wärmefreisetzender) Prozess.

11 Vgl. Bala, H. Persönliches Interview. 11.11.2009.


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3.2.3 Vergärung

Im Gegensatz zur aeroben Kompostierung stehen die anaeroben Abbauprozesse. Diese werden

als Gärprozesse oder Fermentation bezeichnet. Beim Prozess der Gärung wird organisches Mate-

rial unter Luftabschluss von Bakterien aufgearbeitet. Die organischen Substanzen werden von

fermentativen Bakterien zu Alkoholen, organischen Säuren, Wasserstoff und Kohlendioxid um-

gesetzt. Diese Substanzen bilden erste Zwischenprodukte im Prozess der Vergärung. Sie werden

von anderen Organismen zu Wasserstoff, Kohlendioxid und Essigsäure weiterverarbeitet. Am

Ende des anaeroben Abbauprozesses entstehen Methan und Kohlendioxid. Diese Endprodukte

werden durch sogenannte Methanbildner oder Archaea gebildet. Natürliche Gärprozesse finden

z.B. in Sümpfen und Kuhmägen statt.12

Die exotherme Wärmeenergie der Gärung entspricht nur einem Bruchteil der Energie, welche

beim aeroben Abbau organischer Substanzen frei wird. Beim Abbau von Glucose (Gleichung

[2.3]) erreicht man die bestmögliche Energieausbeute eines Gärprozesses.

[2.3] C6H12O6 + 2 H2O → 2 CH3COOH + 2 CO2 + 4 H2 + 216 kJ

[2.4] 2 CH3COOH + 2 CO2 + 4 H2 → 3 CO2 + 3 CH4 + 2 H2O + 202 kJ

Die freigesetzte Wärme (216 + 202 = 418 kJ/Mol) entspricht nur rund 1/7 der freigesetzten

Energie des aeroben Abbaus von Glucose. Im ersten Abbauschritt von Glucose zu Essigsäure

werden 216 kJ/mol frei. Bei der anschließenden Mineralisation von Essigsäure zu Methan und

Kohlendioxid werden 202 kJ/mol freigesetzt. Um dieselbe (exotherme) Energie wie bei dem ae-

roben Abbauprozess zu erzeugen, müssen die anaeroben Mikroorganismen wesentlich größere

Substratmengen umsetzen. Das gasförmige Endprodukt der Methangärung besitzt daher einen

hohen Energiegehalt, während das feste bzw. flüssige Endprodukt einen hohen Düngewert be-

sitzt.13

12 Vgl. Bayrhuber, H./ Kull, U. Linder Biologie. 13 Vgl. Koch, M. Ökologische und ökonomische Bewertung.


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3.2.4 Die 4 Stufen der Methangärung

Beim Prozess der Gärung unterscheidet man 4 Stufen:

• Hydrolyse

• Acidogenese

• Acetogenese

• Methanogenese

Die unterschiedlichen Stufen können in einem Fermenter, aber auch getrennt voneinander in

mehreren Gärbehältern stattfinden. Die 4 Stufen der Methanbildung bzw. deren Zwischenpro-

dukte sind in der Abbildung 2 zusammengefasst.

Die Endprodukte der 4. Stufe sind Methan, Kohlendioxid und Wasser. Andere Stoffe wie H2S

oder elementarer Stickstoff sind nur in geringen Mengen vorhanden. Dieses Stoffgemisch be-

zeichnet man als Biogas.14

14 Vgl. Ahrer, W. Vorlesung Biogasanlagen.

Abbildung 2: Die Methanbildung

[Quelle: Görisch, U./ Helm, M. Biogasanlagen.]


-XIII-

3.2.4.1 1. Stufe: Hydrolyse

In der ersten Stufe wird die Biomasse bestehend aus Polysacchariden (Zellulose, Stärke, etc.),

Proteinen und Fetten, durch hydrolytische Bakterien mit Hilfe von Enzymen aufgespalten. Wer-

den schwer abbaubare (stark cellulosehaltige) Stoffe als Substrate verwendet, stellt die Hydroly-

se den zeitlich begrenzenden Faktor für die Methanbildung dar. Kommen leichter abbaubare

Stoffe zum Einsatz, ist hingegen die Phase der Methanogenese der zeitlich begrenzende Faktor.

Die notwendigen Enzyme für die Spaltung der Substrate werden von den Bakterien ausgeschie-

den. Somit findet dieser Prozess extrazellulär statt. Gelangt Sauerstoff ins System, wird er von

Bakterien sofort verbraucht. Somit werden optimale Voraussetzungen für die ausschließlich an-

aeroben Archaea zur Methanbildung geschaffen. Diese Prozessphase findet bei einem pH-Wert

von 4,5 - 6 in leicht saurem Milieu statt.15

3.2.4.2 2. Stufe: Acidogenese

Während der acidogenen Phase werden die in der Hydrolyse gebildeten Zwischenprodukte (Zu-

cker, Aminosäuren, Fettsäuren) durch säurebildende bzw. fermentative Bakterien (z.B.: Clostri-

dien) aufgenommen und weiter verstoffwechselt. Diese Bakterien arbeiten fakultativ anaerob. Es

entstehen verschiedene Fettsäuren (Carbonsäuren, Valeriansäure, Buttersäure, Propionsäure) und

unter anderem Ethanol, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Die Zusammenset-

zung der entstehenden Abbauprodukte wird durch die Raumbelastung ( kg oTS pro Tag pro m3

Fermentervolumen) den pH-Wert bestimmt. Dieser liegt in der Acetogenese zwischen 6 - 7,5.16

3.2.4.3 3. Stufe: Acetogenese

In der acetogenen Stufe wird aus den Stoffwechselprodukten der Bakterien Essigsäure, Kohlen-

dioxid und Wasserstoff gebildet. Die Essigsäurebildner leben in Symbiose mit den Methanbild-

nern, um nicht durch den Wasserstoff, ihr eigenes Ausscheidungsprodukt, gehemmt zu werden.17

3.2.4.4 4. Stufe: Methanogenese

In der methanogenen Stufe setzen nun die sehr spezifischen Methanbildner die Abbauprodukte

Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff zu Methan und Kohlendioxid um. 70 % des gebilde-

ten Methans stammen aus der Essigsäure und 30 % aus dem Wasserstoff. Somit ist Essigsäure

der bestimmende Faktor der Methanbildung. Der optimale pH-Wert der acetogenen und der me-

thanogenen Stufe liegt bei 7 mit einer tolerierbaren Schwankungsbreite zwischen 6,6 und 8.

Aufgrund der Symbiose zwischen diesen beiden Stufen finden die Reaktionen nicht räumlich ge-

trennt statt.18

15 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis. 16 Vgl. Soidi, K. Mikrobielle Diversität. In Biogasreaktoren. 17 Vgl. Ahrer, W. Vorlesung Biogasanlagen. 18 Vgl. Görisch, U./Helm, M.: Biogasanlagen.


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3.2.5 Erforderliche Rahmenbedingungen für die Biogasbildung

Für den Prozess der Biogaserzeugung sind verschiedenste Arten von Bakterien mit unterschied-

lichen Aufgaben im Einsatz. Eine Biogasanlage muss folgende Bedingungen für die Bakterien

schaffen, um Biogas erzeugen zu können.19

3.2.5.1 Feuchtigkeit

Methanbakterien benötigen ausreichend Wasser als Trägermedium, um ihre Mobilität und damit

ihren Zugang zur Nahrung aufrecht zu erhalten. Eine Existenz in fester Phase ist ihnen im Ge-

gensatz zu anderen Mikroorganismen wie Hefe oder aeroben Bakterien nicht möglich.20

3.2.5.2 Sauerstoff

Kleine Sauerstoffmengen stören den Betrieb eines Fermenters nicht. Dieser wird von den aero-

ben oder fakultativ anaeroben Bakterien umgesetzt und kann sich daher nicht anreichern. Zusätz-

lich unterstützt Sauerstoff den Abbau von H2S zu organischem Schwefel durch Thiobacilli.21

3.2.5.3 Licht

Unter Lichtabschluss arbeiten die Bakterien besser bzw. weisen höhere Zellteilungsraten auf. Die

lichtdichte Ausführung eines Fermenters stellt daher kein Problem dar.22

3.2.5.4 Temperatur

Die Methanbakterien sind zwischen 0 °C – 70 °C aktiv. Je nach Temperaturbereich unterscheidet

man zwischen psychrophilen (< 25 °C), mesophilen (25 °C – 40 °C) und thermophilen (> 45 °C)

Stämmen. Die meisten Biogasanlagen werden an der oberen Grenze des mesophilen Tempera-

turbereiches bei > 38°C betrieben. Bei höherer Temperatur steigt zwar die Umsetzungsge-

schwindigkeit, die Prozessstabilität sinkt jedoch.23

3.2.5.5 Substratzufuhr

Die automatisierte Substratzufuhr ist heute Stand der Technik. Die tägliche Beschickungsmenge

für den/die Fermenter wird abhängig von den Substraten und deren Energiegehalten gewählt. Da

die hydrolisierenden Bakterien wesentlich schneller als die nachfolgenden Methanbildner arbei-

ten, können zu große Raumbelastungen zu einem biologischen Ungleichgewicht im Fermenter

und weiterführend zu einer Übersäuerung führen. Im Normalfall liegt die Konzentration organi-

scher Säuren bei < 1.000 mg/l, ab 2.000 mg/l kann der gesamte Prozess bereits erheblich gestört

sein. Wird der Fermenter dennoch weiter beschickt, sinkt der pH-Wert deutlich ab und die Me-

thanbildung kommt zum Erliegen. Eine effektive Methanproduktion ist dann erst nach Wochen

oder Monaten wieder möglich.24

19 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis. 20 Vgl. Bala, H. Persönliches Interview, 11.11.2009. 21 Vgl. Ahrer, W. Vorlesung Biogasanlagen. 22 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis. 23 Vgl. Ahrer, W. Vorlesung Biogasanlagen. 24 Vgl. Ahrer, W. Vorlesung Biogasanlagen.


-XV-

3.2.5.6 pH-Wert

Die Bakterien stellen unterschiedliche Anforderungen an den pH-Wert. Für alle Bakterien gilt,

dass sie außerhalb ihres pH-Optimums langsamer, oder gar nicht mehr arbeiten. Jedes Substrat

im Fermenter besitzt unterschiedliche Pufferkapazitäten (die Möglichkeit pH-Schwankungen

auszugleichen). Mit dem Wissen über vorhandene Pufferkapazitäten im Fermenter lässt sich der

pH-Wert optimal regeln. Dieser soll in den ersten beiden Stufen zwischen 4,5 und 6,3 und in den

letzten beiden Stufen zwischen 6,8 und 8 liegen.25

3.2.5.7 Nährstoffversorgung

Die Bakterien benötigen für ihren Zellaufbau und die Vermehrung verschiedenste Nährstoffe. In

der Gülle sind diese ausreichend vorhanden. Kombiniert mit anderen landwirtschaftlichen Rest-

stoffen oder Produkten (Gras, Mais, Bioabfälle, Molke, etc.) wird eine ausgewogene Substratzu-

sammensetzung erreicht. Bei Monovergärungen kann es wegen der einseitigen Substratzusam-

mensetzung zu Mangelernährung der Mikroorganismen und damit verbunden zu Gasminderer-

trägen kommen.

Das ideale Nährstoffverhältnis lautet wie folgt:

• C : N : P = 75 : 5 : 1 bis 125 : 5 : 1

• C : N = 10 : 1 bis 30 : 1

• N : P = 5:126

3.2.5.8 Stoffoberfläche

Je kleiner strukturiert der Feststoff in der Flüssigkeit vorliegt, desto größer ist dessen Oberfläche

und umso besser zugänglich ist dieser für Bakterien. Diese sind in der Lage das Substrat auf-

grund der großen Stoffoberfläche rascher abzubauen. Die verfahrenstechnischen Vorteile erge-

ben sich durch leichteres Mischen, Rühren und Erwärmen des Gemisches. Bei kurzer Verweil-

dauer im Fermenter ist die zu erwartende Gasausbeute des Substrates bei kleinerer Strukturie-

rung höher.27

3.2.5.9 Hemmstoffe

Hemmstoffe im Substrat können den Fermentationsprozess wesentlich beeinflussen. Besonders

der Einsatz von Antibiotika in der Viehzucht schlägt sich in der Gülle nieder und kann bei hohen

Konzentrationen den Gärprozess zum Erliegen bringen. Sauerstoff wirkt als Hemmstoff für die

Methanbildner und darf nur in geringen Mengen zur Entschwefelung angewandt werden. Schwe-

fel kommt im Fermenter in Form von Schwefelwasserstoff vor und schädigt bei zu hohen Kon-

zentrationen die Methanproduktion. Ein weiterer Hemmstoff ist z.B. Ammoniak.28

25 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis. 26 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis. 27 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis. 28 Vgl. Bala, H. Persönliches Interview, 2.12.2009.


-XVI-

3.2.6 Generationszeiten der Bakterien

Die Abbildung 3 verdeutlicht die Komplexität der Methangärung. Die Bakterien der Stufen 1

und 2 haben Teilungsraten, die zwischen 1 – 1,5 Tagen liegen. Die Bakterien der Acetogenese

benötigen hingegen schon 3 – 4 Tage und die Methanbildner 5 – 15 Tage für einen Teilungszyk-

lus. Das bedeutet, dass die Methanbakterien als schwächstes Glied in der Kette die Geschwin-

digkeit der Biogasbildung bestimmen. Die Bakterien der ersten beiden Stufen werden daher eher

„kurz gehalten“, um die erwähnte Versauerung des Fermenters ausschließen zu können. Ungüns-

tige Lebensbedingungen hemmen das Bakterienwachstum und führen zu weitaus längeren Gene-

rationszeiten.29

In der Abbildung 4 sind Bakterien unter dem Mikroskop dargestellt. Es handelt sich dabei unter

anderem um Kokken, welche sich in den verschiedensten Stadien der Entwicklung befinden und

eine unterschiedliche Größe aufweisen.

Abbildung 4: Bakterien unter dem Mikroskop

29 Vgl. Görisch, U./Helm, M.: Biogasanlagen. 31 Vgl. Soidi, K. Mikrobielle Diversität. In Biogasreaktoren.

Abbildung 3: Generationszeiten [Quelle: Görisch, U./ Helm, M. Biogasanlagen.]

[Quelle: Das Medizin Blog. Bakterien.]


-XVII-

3.2.7 Beispiele für Bakterien

Die Zusammensetzung der mikrobiellen Lebensgemeinschaft ist stark abhängig von der Sub-

stratzusammensetzung und den Lebensbedingungen (pH-Wert, Temperatur, etc.) im Fermenter.

In seiner Arbeit „ Mikrobielle Diversität in Biogasreaktoren“ beschreibt Soidi die Vorkommen

der unterschiedlichen Bakterien in den einzelnen Stufen. Folgende Bakterien konnten identifi-

ziert werden:

• Fermentative Bakterien, welche für die Oxidation der Kohlenhydrate zu VFA (vo-

latile fatty acids = flüchtige Fettsäuren), Acetat und H2 verantwortlich sind

• Bakterien die VFA anaerob zu Acetat und H2 umwandeln

• Anaerobier, welche Acetat weiter zu H2 und Kohlendioxid oxidieren

• 3 verschiedene Arten von Archaea: methylotrophe , Wasserstoff oxidierende me-

thanbildende und acetatverwertende methanbildende Archaea

In den ersten beiden Stufen wurde unter anderem die zu den typisch fermentativen Bakterien ge-

hörende Gattung Clostridium gefunden. Die Art Clostridium jejuense produziert unter anderem

Acetat, Wasserstoff, und Lactat, während die Art Clostridium straminisolvens bevorzugt Zellulo-

se abbaut. Weitere Gattungen, die in den ersten beiden Phasen tätig sind: Holdemania, Arcobac-

ter, etc. Zusätzlich zu den ersten beiden Domänen Eukaryota und Bacteria existiert eine dritte

große Domäne, genannt die Archaea. Sie bevorzugen extreme Lebensbedingungen und finden

dort ihre ökologischen Nischen. Man unterscheidet unter anderem

• thermophile (T > 100 °C) und halophile (hohe Salzkonzentrationen, z.B.: Totes Meer)

• acidophile (säurebeständige) und alkalophile (laugenbeständige) Archaea.

Je nach Art gibt es aerobe (meist halophile) und anaerobe (z.B.: Methanbildner) Archaea. Sie er-

reichen Größen zwischen 0,4 – 100 µm und können unterschiedlichste Formen annehmen. Übli-

che Formen sind z.B.: Kokken, Spirillen, Stäbchen, Scheiben und viele mehr. Erst der letzte

Schritt des anaeroben Abbaus geschieht durch die methanbildenden Archaea. Die meisten Me-

thanbildner sind in der Lage Wasserstoff und CO2 zu Methan umzusetzen, wobei es nur wenige

Bakterien gibt, die Methanol oder Essigsäure verarbeiten können. Da 70 % des gebildeten Me-

thans von der Essigsäure stammen, sind diese wenigen Mikroorganismen entscheidend für die

Effektivität des gesamten Prozesses. Beispiele für acetotrophe Methanbildner sind die Arten Me-

thanosaeta concilii bzw. Methanosarcina barkeri.31


-XVIII-

3.2.8 Substrate für die Biogasproduktion

Biogasanlagen vergären fast alle Arten organischer Substanzen. Weniger geeignet für die

Vergärung sind lediglich zellulosehaltige Rohstoffe wie Strauchschnitt oder Hackschnitzel. Für

solche Materialien eignet sich die Kompostierung bzw. Verbrennung. Gut geeignet für die Ver-

gärung sind Gülle aus der Tierhaltung und nachwachsende Rohstoffe. Festmist und biogene Ab-

fälle stehen zwar kostenlos zur Verfügung, erzielen aber größtenteils geringere Methanerträge.32

3.2.1 �achwachsende Rohstoffe (�AWAROS)

Bislang war die Landwirtschaft in Europa auf die Produktion von Nahrungs- und Futtermittel

ausgerichtet. In den letzten Jahren wurden verstärkt landwirtschaftliche Flächen dazu genutzt,

um Energiepflanzen anzubauen. Entweder für die Nutzung zur Treibstoffproduktion (Pflanzenöl,

Biodiesel, Ethanol) oder zur Erzeugung von Biogas. Der wesentliche Vorteil der Biogaserzeu-

gung liegt darin, dass im Gegensatz zur Nahrungsmittel- und Treibstoffproduktion die gesamte

Pflanze siliert wird. Dafür eignen sich im Prinzip sämtliche Feldkulturen. Welche Pflanzen lokal

verwendet werden, hängt von den klimatischen Bedingungen vor Ort ab.

3.2.1.1 Silomais

Der Silomais ist inzwischen zur wichtigsten Kulturpflanze für Biogasanlagen geworden, da er

sich einfach silieren lässt und die gesamte Pflanze verarbeitet werden kann. Mais stellt allerdings

höhere Standortansprüche und kann daher nicht überall angebaut werden. Im Vergleich zum Fut-

termais erntet man den Energiemais früher um höhere Biomasseerträge zu erzielen. Mais erzielt

Biogasausbeuten von 202 m³/t Frischmaterial34 und gehört damit zu den Spitzenreitern bei den

Biogaserträgen.35

3.2.1.2 Getreidepflanzensilage

Getreide liefert gute und stabile Erträge, wobei besonders Roggen immer häufiger verwendet

wird. Die Biogaserträge liegen bei 163 m³/t Frischmasse36 und können mit der Maissilage nicht

ganz mithalten. Getreide stellt jedoch nicht so große Standortansprüche wie Mais und ist somit

leichter kultivierbar. 37

32 Vgl. Bala, H. Persönliches Interview, 2.12.2009. 34 Vgl.Hems. Renewable Energies. 35 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis. 36 Vgl.Hems. Renewable Energies. 37 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis.


-XIX-

3.3 Verfahrenstechnik von Biogasanlagen

Biogasanlagen können in erster Linie wegen ihrer verfahrenstechnischen Merkmale unterschie-

den werden. Wesentliche Kriterien dafür sind die Beschickung, die Durchmischung, die Anzahl

der Prozessstufen, oder die Betriebszustände (thermophil oder mesophil, Nass- oder Feststoffver-

fahren), welche in Abbildung 6 dargestellt sind.38

3.3.1 Unterscheidung der Biogasanlagen nach Beschickung und Wassergehalt

Die Beschickung einer Biogasanlage muss die Versorgung mit Substrat sicherstellen. Sie kann

kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Der Wassergehalt definiert, ob die Anlage im

Flüssig- oder im Trockenverfahren (TS-Gehalt > 25 %) betrieben wird.40

3.3.1.1 diskontinuierlicher Betrieb: Durchfluss (Batch) Verfahren:

Bei diesem Verfahren wird der gesamte Fermenter auf einmal befüllt. Bis zum Ende der Ver-

weilzeit erfolgt keine weitere Zugabe oder Entnahme von Substrat. Nach Ablauf der Verweilzeit

wird der Großteil des Fermenterinhalts entnommen und nur ein kleiner Teil zum Beimpfen des

neuen Substrates mit Bakterien im Fermenter belassen. Der frisch gefüllte und beimpfte Fermen-

ter erreicht nach kurzer Zeit das Maximum der Gasproduktion. Nach wenigen Tagen beginnt

diese bereits wieder zu sinken und pendelt sich bis zum Entleeren des Fermenters auf niedrigem

Niveau ein.

38 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis. 40 Vgl. Ahrer, W. Vorlesung Biogasanlagen.

Abbildung 5: Verfahrensmerkmale von Biogasanlagen [Quelle: Eder, B./ Schulz, H. Biogaspraxis.]


-XX-

Um eine trotz Batch-Betriebes konstante Gasproduktion zu erreichen, müssen mehrere Fermen-

ter in Serie betrieben werden. Diese befinden sich dabei in unterschiedlichen Phasen der Gaspro-

duktion (siehe Abbildung 7).41

• Flüssigverfahren nach dem Batch-Prinzip

Dieses Verfahren ist kaum von Bedeutung. Zusätzlich zum Fermenter wird ein Vorbe-

hälter und einen Lagerbehälter benötigt, die dem Fermenter in der Größe gleichen. Die-

ser Umstand verteuert den Prozess erheblich. Die unregelmäßige Gasproduktion ist

ebenfalls ein wesentlicher Störfaktor. 42

• Feststoffverfahren nach dem Batch Prinzip

Die Bezeichnung Feststoffverfahren oder Trockenfermentation ist irreführend. Im Prinzip

ist eine Gärung bzw. eine Biogasproduktion ohne Wasser undenkbar und würde nicht

funktionieren. Im Unterschied zum Flüssigverfahren liegen die Trockensubstanzgehalte

beim Trockenverfahren > 25 %, während sie beim Flüssigverfahren bei < 15 % liegen.

Beim Trockenverfahren werden die Substrate in fester Form aufgestapelt. Das Substrat

ruht während der Gärung und wird mit Flüssigkeit durchtränkt. Für dieses Verfahren gibt

es mehrere Techniken (Folienschlauchverfahren, Boxenfermentation, Fahrsiloverfahren),

die hier jedoch nicht näher behandelt werden. 43

41 Vgl. Ahrer, W. Vorlesung Biogasanlagen. 42 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis. 43 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis.

Abbildung 6: Gasproduktion im Batchreaktor [Quelle: Eder, B./ Schulz, H. Biogaspraxis.]


-XXI-

3.3.1.2 kontinuierlicher Betrieb: Speicher-Durchflussverfahren

Bei diesem Verfahren wird der Gärbehälter kontinuierlich mit frischem Substrat versorgt und

gleichzeitig überschüssiges Substrat aus dem Fermenter entfernt. Dargestellt ist dieses Verfahren

in Abbildung 8 als Ablaufschema. Für Reparaturen oder Wartungen muss der Prozess gestoppt

und der Gärbehälter entleert werden. Die Biogasproduktion ist im Vergleich zum Batch Verfah-

ren konstant und optimal zur Verstromung geeignet. 44

Abbildung 7: Darstellung einer Durchfluss und einer Speicher - Durchfluss Anlage

• Flüssigverfahren als Speicher-Durchfluss-Anlage

Es handelt sich hierbei um die gängigste verfahrenstechnische Variante der heutigen Zeit.

Fast alle Biogasanlagen im landwirtschaftlichen Sektor arbeiten nach diesem Prinzip.

Zeitgleich wird flüssiges (Gülle) sowie festes Substrat (z.B.: Maissilage) kontinuierlich in

den Fermenter eingebracht, während vergorenes Material abgezogen wird. Das neue Sub-

strat wird anschließend durch Rührwerke im Fermenter mit dem alten Substrat vermengt.

Diese Variante zeichnet sich durch ihre kompakte Bauweise, die gute Faulraumauslas-

tung sowie ihre geringen Wärmeverluste aus.45

• Trockenfermentation als Speicher-Durchfluss-Anlage

Dieses Verfahren ist in der Entwicklung hat sich aber am Markt noch nicht etabliert bzw.

die Serienreife nicht erlangt. Verfahren zur „trockenen“ Vergärung von Biomüll wurden

bereits in der Vergangenheit entwickelt z.B.:

• das DRANCO Verfahren (Dry Anaerbic Composting),

• das Kompogas Verfahren

• das ATF Verfahren (Anaerobe Trocken Fermentation)

• sowie das 3-A Verfahren.46

44 Vgl. Ahrer, W. Vorlesung Biogasanlagen. 45 Vgl. Ahrer, W. Vorlesung Biogasanlagen. 46 Vgl. Ahrer, W. Vorlesung Biogasanlagen.

[Quelle: energytech. Biogas. Speicher-Durchflussanlagen.]


-XXII-

3.3.2 Verfahrenstechnischer Unterscheidung anhand der Durchmischung

3.3.2.1 Volldurchmischung: Rührkessel

Dieses Prinzip kommt im kontinuierlichen Betrieb zur Anwendung. Das vergorene Substrat wird

durch Rührwerke mit frischem Substrat durchmischt. In der Abbildung 8 ist ein Rührkesselfer-

menter im Rohbau dargestellt. Der Fermenter ist als Rundsilo stehend in Stahlbetonbauweise

ausgeführt und wird in diesem Fall über Rohrleitungen an der Innenwand beheizt.47

Abbildung 8: Rührkesselfermenter Abbildung 9: Stahlbeton Endlager mit Gasspeicherunterbau

3.3.2.2 Längs Durchmischung: Pfropfenstromverfahren

Das Substrat wandert in Längsrichtung wie ein Pfropfen durch den Faulraum. Der Durchmesser

ist wesentlich kleiner als die Länge des Reaktors. Zur Durchmischung dreht sich ein Rührwerk

quer zur Fließrichtung. Bei diesem Verfahren kommt es kaum zur Durchmischung mit angefaul-

tem Substrat. Um den Prozess schneller in Gang zu bringen kann das frische Substrat angeimpft

werden. Das ausgefaulte Substrat wandert als Gärrest in das Endlager. In der Abbildung 10 ist

ein Stahlbetonendlager mit Gasspeicher-Unterbau dargestellt. 48

47 Vgl. Breitschopf, W. Vorlesung Chemische Verfahrenstechnik. 48 Vgl. Breitschopf, W. Vorlesung Chemische Verfahrenstechnik.

[Quelle: Bala, H.]


-XXIII-

3.3.3 Unterscheidung der Biogasanlagen anhand der Anzahl der Prozessstufen Die Anzahl der Prozessstufen stellt ein weiteres Unterscheidungskriterium dar. Es kann sich um

ein- oder mehrstufige Anlagen handeln. Eine Übersicht darüber ist in Abbildung 11 dargestellt.

Abbildung 10: Anzahl der Prozessstufen [Quelle: Heschl.]

3.3.3.1 einstufiges Verfahren

Beim einstufigen Verfahren laufen die 4 Phasen der Biogasproduktion im selben Behälter ab. Es

herrscht ein Einheitszustand (Temperatur, pH-Wert, etc.) der für alle 4 Phasen verträglich sein

muss. Bei volldurchmischten Anlagen laufen die Prozessstufen parallel ab, während sie im

Batch-Verfahren zeitlich versetzt sind.50

3.3.3.2 mehrstufige Verfahren

Mehrstufige Anlagen schaffen optimalere Umgebungszustände für die unterschiedlichen Phasen

der Biogasproduktion. Man unterscheidet 2- und 3-stufige Anlagen, die sich im Wesentlichen

durch den Hydrolysebehälter unterscheiden. Bei dreistufigen Systemen findet die Hydrolyse se-

parat im Hydrolysebehälter statt, während dies beim 1- und 2 stufigen Prozess im Fermenter pas-

siert. In diesem Verfahrensschritt wird bereits Wasserstoff, aber noch kein Biogas erzeugt. Die

anschließende Umsetzung zu Biogas durch die Essigsäure- und die Methanbildung finden im

Fermenter und im Nachgärer statt. Durch die räumliche Trennung der unterschiedlichen Gasbil-

dungsstufen lässt sich bei kürzeren Verweilzeiten eine höhere Gasausbeute erzielen.51

50 Vgl. Bala, H. Persönliches Interview, 2.12.2009. 51 Vgl. Ahrer, W. Vorlesung Biogasanlagen.

einstufige Verfahren: mehrstufige Verfahren:


-XXIV-

3.3.4 Unterscheidung der Biogasanlagen anhand der Fermentertemperatur Die Geschwindigkeit eines Gärprozesses hängt stark von seiner Temperatur ab. Prinzipiell gilt,

dass das Substrat bei höherer Fermentertemperatur schneller abgebaut wird. Man unterscheidet

bei der Temperatur 3 Betriebsarten:

• Die mesophile Betriebsweise

• Die thermophile Betriebsweise

• Und die psychrophile Betriebsweise

Die Letztere bedingt eine Temperatur < 25 °C und entspricht wegen der langen Abbauzeiten

nicht mehr dem Stand der Technik. Man findet sie am ehesten noch in Entwicklungsländern.52

3.3.4.1 Mesophile Betriebsweise

Die meisten Anlagen werden im mesophilen Temperaturbereich (25 °C - 45 °C) betrieben. Diese

sind unempfindlicher auf kurzfristige Prozessschwankungen als thermophile Anlagen. In der

Abbildung 8 ist die temperaturabhängige Aktivitätskurve der Bakterien dargestellt. Mesophile

Anlagen werden meist mit 38 - 42 °C betrieben obwohl dieser Temperaturbereich nach Abbil-

dung 12 kein Optimum darstellt. Der Grund dafür liegt in der Population der Methanbildner. Sie

bilden in Biogasanlagen keine Reinkulturen aus, sondern sie bestehen aus Mischpopulationen,

wodurch sie höhere Methanbildungsraten erreichen.53

52 Vgl. Ahrer, W. Vorlesung Biogasanlagen. 53 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis. 55 Vgl. Görisch, U./Helm, M. Biogasanlagen.

Abbildung 11: Temperatureinfluss auf die Bakterienaktivität [Quelle: Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis.]


-XXV-

3.3.4.2 Thermophile Betriebsweise

Die thermophile Betriebsweise beginnt bei Temperaturen über 45 °C. Anhand des

Kurvenverlaufes der Abbildung 13 sind die höheren Abbauraten der thermophilen Betriebsweise

im Vergleich zur mesophilen Betriebsweise erkennbar. Die höheren Abbauraten wirken sich auf

die Gasausbeute aus. In der Vergangenheit war die thermophile Betriebsweise schwer realisier-

bar, weil geringste Temperaturänderungen den Prozess schon negativ beeinflussen. So können

sich Temperaturschwankungen von über einem Grad Celsius schon negativ auswirken, während

die mesophile Betriebsweise Schwankungen von bis zu 4 °C toleriert. Aufgrund der besseren

Steuerbarkeit der Prozesse durch die Computertechnologie steigt die Nachfrage nach thermophi-

len Anlagen wieder an. Die thermophile Betriebsweise baut die Organik rascher ab als die me-

sophile, darüber hinaus sind die Methangehalte beim thermophilen Prozess höher.55

Abbildung 12: Temperatureinfluss auf die Gasausbeute [Quelle: Görisch, U. / Helm ,M. Biogasanlagen.]

57 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis.


-XXVI-

3.4 Vom Biogas zu Wärme und Strom

3.4.1 Zusammensetzung von Biogas

Methan ist die einzig energetisch verwertbare Gaskomponente, die bei der

Biogasproduktion anfällt. Um eine Vergleichbarkeit der Biogasausbeute zu

gewährleisten, wird die Gasproduktion in den Normzustand umgerechnet.

Dieser ist definiert durch das Volumen bei einer Temperatur von 0 °C, den

Umgebungsdruck von 1,013 bar und der Gasfeuchte von 0 %. Die Angabe

erfolgt in Normkubikmeter (Nm3).

Der für Biogas übliche Methangehalt liegt zwischen 50 % - 75 %. Der Gehalt an energetisch

nicht nutzbaren Gasen liegt infolgedessen zwischen 25 % - 50 %. Den größten Anteil hat hier

Kohlendioxid mit 25 % - 50 %. Frisch nach dem Fermenter ist das Biogas zu 100 % mit Wasser-

dampf gesättigt, zusätzlich kommen noch Spuren von Sauerstoff (O2), Ammoniak (NH3), ele-

mentarem Stickstoff (N2) und Schwefelwasserstoff (H2S) vor. Letzteres ist besonders aggressiv

und kann Korrosion verursachen. Eine kontinuierliche Entschwefelung (z.B. durch Sauerstoff-

eintrag) schont die Armaturen und den Motor.

Für Biogas gibt es vielfältige Möglichkeiten zur Anwendung.

• Heizen mit Biogas

• Einspeisung ins Erdgasnetz

• Biogas als Treibstoff für die Autoindustrie

• Verstromung von Biogas mit einer Kraft-Wärme-Kopplung57

3.4.2 Reinigung von Biogas

Für eine Einspeisung ins Erdgasnetz muss Biogas entwässert und gereinigt werden. Durch die

Wasserabscheidung verschwinden auch ein großer Teil des Schwefelwasserstoffes und von

Ammoniak. Das vorhandene CO2 muss ebenfalls aus dem Biogas entfernt werden. Möglichkei-

ten hierzu bieten keramische Molekularsiebe, Adsorptionskolonnen, oder eine neue Technik, bei

der das CO2 über eine Membran herausgefiltert wird. Für dem Verbrennungsvorgang im BHKW

ist es nicht erforderlich das Biogas zu reinigen.58

58 Vgl. Ahrer, W. Vorlesung Biogasanlagen.


-XXVII-

3.4.3 Speicherung von Biogas

Biogas lässt sich im Gegensatz zu anderen erneuerbaren Energien wie Wind oder Solarenergie

verlustfrei speichern. Eine Biogasanlage sollte Speicherkapazitäten von 6 bis 12 Stunden besit-

zen, damit eine ganztägige Verstromung weitestgehend garantiert ist. Die Biogasspeicherung be-

nötigt viel Platz, wobei die Speichergröße nach der täglichen Gasproduktion der Anlage und dem

Verlauf des täglichen Verbrauches auszulegen ist. 59

3.4.4 Verstromung von Biogas

Die Verstromung von Biogas mittels Kraft-Wärmekopplung ist die am häufigsten verbreitete

Technik. Das Biogas treibt einen Gasmotor an, welcher mittels Generator Strom erzeugt. Die

anfallende Wärme wird zur Beheizung des Fermenters benötigt und lässt sich auch für externe

Heizzwecke nutzen. Als Motoren stehen im Wesentlichen 3 Typen zur Auswahl:60

3.4.4.1 Der Gas-Otto-Motor

Es handelt sich hierbei um umgerüstete Dieselmotoren. Man benutzt die robuste Bauweise dieser

Motoren mit ihrer hohen Kompression und installiert eine Fremdzündung mit Gasmischer anstel-

le der Einspritzanlage. Große Motoren erreichen Leistungen bis 3.000 kW und elektrische Wir-

kungsgrade bis 45 %. Neue Motoren laufen schon bei einem Methangehalt von 40 % und können

im Notbetrieb auch mit Erdgas betrieben werden. Sie zeichnen sich durch besondere Langlebig-

keit aus und benötigen im Vergleich zu den Zündstrahlmotoren keinen zusätzlichen Brennstoff.

Die Jenbacherwerke zählen hier zu den führenden Anbietern.61

3.4.4.2 Der Zündstrahl-Dieselmotor

Für diese Anwendung werden ebenfalls Dieselmotoren verwendet. Die Motoren sind vergleich-

bar mit LKW-Motoren und werden für ihren Einsatz zur Biogasverstromung angepasst. Zusätz-

lich zum Gasgemisch wird Zündöl (Heizöl oder Pflanzenöl) über Einspritzdüsen zudosiert. Die-

ser Anteil erreicht 4 % bis 30 %, wobei besonders bei geringen Drehzahlen mehr Zündöl zuge-

führt werden muss. Der elektrische Wirkungsgrad dieser Anlagen liegt zwischen 25 % und

40 %.62

3.4.4.3 Der umgerüstete Benzinmotor

Dieser Motor hat heutzutage kaum noch Bedeutung. Aufgrund der hohen Drehzahlen über

3.000 U/min gibt es Probleme mit dessen Standzeiten. Zusätzlich erleidet dieser Motor beim

Umrüsten von Benzin auf Gas einen Leistungsverlust von 10 % bis 15 %.63

59 Vgl. Bala, H. Persönliches Interview, 11.11.2009. 60 Vgl. Ahrer, W. Vorlesung Biogasanlagen. 61 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis. 62 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis. 63 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis.


-XXVIII-

3.4.5 Generatoren für Kraft-Wärmekopplungen

Die Antriebskraft des Verbrennungsmotors wird benutzt um einen Generator anzutreiben. Für

die Stromerzeugung im kleinen Leistungsbereich bis ca. 50 kW werden meist Asynchronmoto-

ren verwendet. Diese benötigen für die magnetische Erregung selbst Strom aus dem Netz und

sind somit bei einem Stromausfall nicht in der Lage, Strom zu produzieren. Asynchronmotoren

sind sehr robuste Motoren, die keine weitere Drehzahlregelung benötigen, da sich die gewünsch-

te Drehzahl über die Gaszufuhr selbsttätig einstellt. Im Leistungsbereich über 50 kW kommen

Synchronmotoren zum Einsatz. Diese benötigen keinen Strom aus dem Netz, da sie selbsterre-

gend arbeiten. Sie sind daher geeignet, im Inselbetrieb (bei Stromausfall) ein Eigenstromnetz zu

betreiben.64

3.4.6 Abwärmenutzung

Bei der Verbrennung von Biogas fällt neben dem erzeugten Strom (30 % - 45 %) eine nicht un-

erhebliche Menge an Abwärme (40 % - 60 %) an. Die nutzbare Energie der Abwärme stammt

aus dem Abgas und dem Kühlwasser des Motors. Ziel der Kraft-Wärme-Kopplung ist es nicht

nur, einen optimalen elektrischen, sondern auch einen optimalen thermischen Wirkungsgrad zu

erreichen. Die Wärme wird einerseits benötigt um den Fermenter zu heizen, andererseits kann

mit dem Wärmeüberschuss ein Fernwärmenetz betrieben werden. Ungenützte Wärme muss über

einen Notkühler entsorgt werden, was speziell in den Sommermonaten der Fall ist. Abhilfe kann

man schaffen, indem die Wärme zur Trocknung landwirtschaftlicher Güter (Mais, Getreide, etc.)

genutzt wird und so die Wertschöpfung der getrockneten Produkte steigt.65

Es ist darauf zu achten, dass die Temperatur des Abgases nicht unter 180 °C sinkt. Unter dieser

Temperatur beginnt die Schwefelkorrosion und kann den Wärmetauscher schädigen bzw. zerstö-

ren.66

64 Vgl. Eder, B./Schulz, H. Biogaspraxis. 65 Vgl. Bala, H. Persnliches Interview, 11.11.2009. 66 Vgl. Görisch, U./Helm, M. Biogasanlagen.


-XXIX-

3.5 Geschichte und Entwicklung der Biogasanlagen

3.5.1 Die Geschichte der Biogaserzeugung und deren �utzung

Die wissenschaftliche Erforschung des Biogases begann 1776 durch den italienischen Naturfor-

scher und Physiker Volta. Er entdeckte, dass beim Abbau organischer Stoffe Methan produziert

wird.

Im Jahre 1821 erkannte der englische Physiker Faraday, dass es sich bei Methan um einen Koh-

lenwasserstoff handelt. Im selben Jahr wurde die chemische Formel für Methan -CH4- durch

Avogardo entdeckt. In Indien gab es 1859 erste Versuche eine Biogasanlage zu betreiben. 1884

versuchte Pasteur Biogas wirtschaftlich einzusetzen. Der französische Bakteriologe produzierte

Biogas aus dem Pariser Pferdemist und wollte mit dem Gas die Straßenbeleuchtung versorgen.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts fanden Wissenschaftler heraus, dass Mikrobakterien für die Bil-

dung von Methan verantwortlich sind. Diese Erkenntnisse wurden dazu genutzt, um aus Klär-

schlamm Klärgas zu erzeugen. Damit wurden unter anderem die Kraftwagen des eigenen Fuhr-

parks betrieben. Im zweiten Weltkrieg wurde wegen der herrschenden Rohstoffknappheit ver-

stärkt mit Biogas experimentiert. Dabei wurden landwirtschaftliche Reststoffe für die Produktion

von Energie ins Auge gefasst. Nach dem Krieg galt daher auch die Landwirtschaft als möglicher

Energielieferant.

Die boomende Ölindustrie verhinderte allerdings eine Weiterentwicklung. In den 1970er Jahren

führte die Energiekrise mit stark steigenden Energiepreisen wieder zur einer verstärkten Nach-

frage nach erneuerbaren Energien. Um 1980 begannen Pioniere in der Landwirtschaft Anlagen

zur Vergärung biogener Abfälle und Gülle zu errichten. Der große Durchbruch gelang 1996, als

die EU die Rahmenbedingungen zur Strommarkt-Liberalisierung definierte. Damit war jedes

Land verpflichtet zumindest einen Mindestanteil an Strom aus erneuerbaren Energiequellen bis

2008 zu erreichen.67

67 Vgl. Energieträger Biogas. Geschichte.


-XXX-

3.5.2 Entwicklung der Biogasanlagen in Österreich

Die ersten Biogasanlagen wurden in Österreich in den 1980er Jahren infolge der Energiekrise er-

richtet. Die Abbildung 14 zeigt die Entwicklung der Biogasanlagen in Österreich seit 1990.

Durch das Ökostromgesetz 2002 wurden die Richtlinien der Europäischen Union im Bereich der

erneuerbaren Energien umgesetzt. Dadurch wurde die Basis für verstärkte Investitionen im Be-

reich Biogas gelegt. Seither hat sich die Zahl der Biogasanlagen und ihre eingespeiste Strom-

menge vervielfacht. Mit Ende 2008 speisten 344 Biogasanlagen mit einer elektrischen Leistung

von 92 MW in das Stromnetz ein und produzierten 503 GWh.68

Abbildung 13: Entwicklung Anzahl Biogasanlagen; Installierte el. Leistung [Quelle: Walla, C. Ökonomisches Monitoring.]

68 Vgl. Walla, C. Ökonomisches Monitoring.


-XXXI-

In der Abbildung 15 ist die bundesländerweise Verteilung in Anzahl und Leistung dargestellt.

Niederösterreich speist mit Abstand die größten Mengen an Biogasstrom in das österreichische

Stromnetz ein. In Wien gab es mit Stand 2008 keine anerkannte Biogasanlage. 69

Abbildung 14: Anerkannte Biogasanlagen in Österreich [Quelle: e-control. Ökostrombericht 2009.]

Der österreichische Biogasanlagenmarkt ist sehr klein strukturiert. Die Abbildung 16 zeigt, dass

die Mehrheit (92 %) der in Österreich installierten Biogasanlagen weniger als 500 kW Leistung

erbringen und auch den größten Teil des Stromes liefern. Mit 67,3 MW stellen sie 73 % der ge-

samten Anschlussleistung.70

Abbildung 15: Leistungsverteilung österreichischer Biogasanlagen [Quelle: e-control. Ökostrombericht 2009.]

69 Vgl. e-control. Ökostrombericht 2009. 70 Vgl. e-control. Ökostrombericht 2009.


-XXXII-

4 Beschreibung der Biogasanlage Wallsee

4.1 Errichtung und Betreiber

Die Biogasanlage Wallsee wurde im Jahr 2005 zur Versorgung des Landespensionistenheimes

Wallsee mit erneuerbarer Heizungsenergie errichtet. Die Biogasanlage ist ein Zusammenschluss

aus 5 regionalen Landwirten und wird als Genossenschaft betrieben. Die Genossenschafter ver-

kaufen ihre landwirtschaftlichen Produkte an die Biogasanlage und erhöhen somit die Wert-

schöpfung ihrer Landwirtschaft.

Abbildung 16: Betriebsgebäude der Biogasanlage Wallsee [Quelle: Heschl.]


-XXXIII-

4.2 Allgemeine Betriebsdaten

Für die Biogasanlage Wallsee werden ca. 300 ha landwirtschaftliche Fläche bewirtschaftet, um

die erforderliche Biomasse zu erzeugen. Bei einer Silospeicherkapazität von 8.000 m3 werden

jährlich ca. 12.000 t Substrat eingelagert. Die Anlage arbeitet hauptsächlich mit Maissilage, wei-

ters werden Grünschnitt, Sonnenblumen, sowie Festmist und Gülle vergoren. Die Anlage hat ei-

ne elektrische Leistung von 625 kW und eine thermische Leistung von 770 kW. Das Fernwär-

menetz hat inzwischen > 40 Anschlüsse mit einer Anschlussleistung von 1,5 MW. Das Ablauf-

schema der Biogasanlage Wallsee ist in der Abbildung 18 dargestellt.

Abbildung 17: Schema der Biogasanlage Wallsee [Quelle: Fraubaum, M. Biogasanlage Wallsee.]

• Silo: 2.000 m² mit 4 m hohen Wänden = 8.000 m³ Füllvermögen

• Eintragung: 50 m³ Füllvermögen

• Hauptfermenter: 2.700 m³ Füllvermögen

• Nachgärer: 1.650 m³ Füllvermögen

• Endlager: 11.000 m³ Füllvermögen

• BHKW: 625 kW Stromleistung , 770 kW Wärmeleistung


-XXXIV-

4.3 Betriebsablauf der Biogaserzeugung Wallsee

4.3.1 Anlieferung und Einlagerung des Substrates

Für die Verrechnung der Biomasse wird der Traktor mit Anhänger sowohl beladen, als auch leer

gewogen. Durch die Differenz erhält man die angelieferte Menge.

Die Einlagerung der festen Biomasse erfolgt in gehäckselter Form in Siloboxen (Abbildung 19).

Die Silos werden mit wasserdichten Folien, die durch alte Autoreifen beschwert werden, abge-

deckt. Der Luftabschluss führt zu einer mikrobiell bedingten starken Versauerung auf einen pH-

Wert von ca. 3 und verhindert dadurch jeden weiteren Abbau. Zusätzlich wird die silierte Bio-

masse für die Mikroorganismen in der anschließenden Vergärung besser verwertbar. Die Ernte

wird von Mai bis August eingebracht. Die Kapazität der Silos beträgt ca. 8.000 m3 wodurch der

Substratbedarf für ca. 8 Monate gelagert werden kann.

Zusätzlich zur festen Biomasse wird Gülle verwendet. Diese ist nicht zwingend erforderlich, un-

terstützt aber die Methanbildung und ist kostenlos von den betreibenden Landwirten verfügbar.

Die Gülle wird in der Vorgrube gespeichert und mit einer Pumpe (max. 35 m³/h) in den Fermen-

ter geleitet. In der Abbildung 20 ist die Befüllstation der Vorgrube dargestellt.

Abbildung 18: Silos der Biogasanlage Wallsee Abbildung 19: Pumpstation u. Vorgrube [Quelle: Heschl.]


-XXXV-

4.3.2 Eintrag von Feststoffen in den Fermenter

Das Substrat wird mittels Frontlader vom Silo in den Vorratsbehälter (Abbildung 20) des Fest-

stoffeintrags geschüttet. Von dort aus werden täglich ca. 35 Tonnen an frischem Substrat über

die Eintragsschnecke (Abbildung 21) in den Fermenter gefördert

Abbildung 20: Vorratsbehälter d. Feststoffeintrags Abbildung 21: Eintragsschnecke [Quelle: Heschl.]

4.3.1 Haupt und �achfermenter (�achgärer) sowie Gasspeicher

Die Biogasanlage Wallsee arbeitet mit einem zweistufigen System (siehe Kapitel 3.3.3.2) im

kontinuierlichen Betrieb. Es handelt sich somit um ein Speicher-Durchflussverfahren (siehe Ka-

pitel 3.3.1.4), bestehend aus Hauptfermenter (Abbildung 23) bzw. Nachgärer. Die Biogasausbeu-

te des Hauptfermenters liegt bei ca. 250 Nm3/h und die des Nachgärers bei ca. 50 Nm3/h. Die

Durchmischung des Substrates erfolgt über schnell laufende Propellerrührwerke (siehe Kapitel

3.1.10). Der Fermenter und der Nachgärer sind als stehende Rundfermenter aus Stahlbeton aus-

geführt und müssen zur Aufrechterhaltung der Gasproduktion extern beheizt werden.

Abbildung 22: Hauptfermenter, Nachgärer, Feststoffeintrag, Gasspeicher [Quelle: Fraubaum, M. Biogasanlage Wallsee.]


-XXXVI-

Die Biogasspeicherung erfolgt in den direkt über den Gärbehltern befindlichen Gasspeichern mit

einer Speicherkapazität von mehreren Stunden. Das maximale Substratfüllvermögen der Fer-

menter beträgt:

• Hauptfermenter: 2.700 m³

• Nachgärer: 1.650 m³

Das frische Substrat wird zuerst in den Hauptfermenter eingebracht (siehe Abbildung 23) und im

Anschluss daran in den Nachgärer gefördert. Schlussendlich landet es nach einer durchschnittli-

chen Verweildauer von 90 Tagen im Endlager.

Abbildung 23: Schema der Fermenteren Quelle: Fraubaum, M. Biogasanlage Wallsee.]

Die beiden Fermenter werden mit einer Temperatur von 38 °C betrieben und arbeiten somit im

mesophilen Bereich (siehe Kapitel 3.3.4.1). Die pH-Werte liegen konstant bei 7,8 im leicht basi-

schen Milieu.


-XXXVII-

4.3.2 Endlager (Gärrestlager) Im Anschluss an den Nachgärer wird das vergorene Substrat in das Endlager geleitet, welches

ein Füllvermögen von 11.000 m3 besitzt (siehe Abbildung 24). Von dort wird es bei Bedarf in

Vorgrube gepumpt und mittels der Fassbefüllungsanlage in Güllefässer verladen. Jährlich wer-

den ca. 8.000 - 9.000 m3 auf die umliegenden Felder ausgebracht.

Abbildung 24: Gärrestelager [Quelle: Heschl.]

4.3.3 Gasleitungssystem mit Kondensatschacht Das Wallseer Biogas mit einem Methananteil zwischen 50 - 55 % wird direkt aus dem Fermenter

bzw. dem Nachgärer entnommen und in das Betriebsgebäude zum Gasmotor geleitet. Die Gas-

leitungen werden dabei größtenteils als Erdleitungen verlegt, um die Gastemperatur zu senken.

Dadurch, dass das Gas die Fermenter im gesättigten Zustand (mit einer Luftfeuchtigkeit von

100 %) verlässt, bildet sich aufgrund der Temperaturabsenkung Kondensat in den Gasleitungen.

Mittels Kondensatschächten wird es aufgefangen und in die Vorgrube geleitet.

4.3.4 Biogasverstromung im Betriebsgebäude Der Gasmotor der Marke Jenbacher (siehe Kapitel 3.4.4.1), ist ein V 12 Motor mit 625 kW elekt-

rischer und 770 kW thermischer Leistung. Er wurde im September 2008 von 500 kW auf

625 kW aufgerüstet. Der Wirkungsgrad des Motors liegt im besten Fall bei 90 %, wobei 40 %

auf die elektrische und 50 % auf die thermische Energie entfallen.


-XXXVIII-

4.3.4.1 Produktion von elektrischer Energie

Da das Biogas im Gasspeicher bei max. 2 mbar gespeichert wird, muss es vor der Verbrennung

im Motor (Abbildung 25) mittels Verdichter auf 90 mbar nachkomprimiert werden. Der Gasmo-

tor treibt einen Generator an, der den produzierten Strom auf der Netzebene 5 ins öffentliche

Netz einspeist.

Abbildung 25: V 12 Gasmotor [Quelle: Heschl.]

4.3.4.2 Produktion von thermischer Energie

Die Abwärme des Motors wird auf 2 Arten gewonnen. Einerseits durch das Kühlwasser des Mo-

tors und andererseits aus seinen Abgasen. Die gewonnene Wärmeenergie wird in 2 je 24 m³ gro-

ßen Pufferspeichern zwischengespeichert.

Das Kühlwasser hat nach dem Motor eine Vorlauftemperatur von 90 °C und wird über einen

Wärmetauscher auf 70 °C Rücklauftemperatur abgekühlt und zum Motor zurückgespeist. Die

Abkühlung der Gase erfolgt über 2 Stufen. Über einen ersten Wärmetauscher werden die Gase

von ca. 400 °C nach der Verbrennung auf ca. 200 °C abgekühlt. In der zweiten Stufe kühlt ein

Grafitwärmetauscher die Abgase auf ca. 60 °C ab. Dadurch kondensiert auch Wasser aus dem

Abgas und die freiwerdende Kondensationsenthalpie kann ebenfalls genutzt werden. Der Ge-

samtwirkungsgrad der Anlage wird dadurch von 80 % auf 90 % erhöht.


-XXXIX-

4.3.5 Verwertung der Wärme

Die Biogasanlage Wallsee besitzt 2 Pufferspeicher mit jeweils 24 m3 Speicherkapazität. Sie die-

nen als Verteiler und als Speicher für die gewonnene Wärmeenergie. Diese wird sowohl für die

Fermenterheizung, für die Fernwärmeleitung, als auch für die Trocknung von landwirtschaftli-

chen Produkten eingesetzt. Die allfällige Überschussenergie wird mittels Notkühler entsorgt.

4.3.5.1 Beheizen des Fermenters und des Betriebsbebäudes

Der Temperaturübergang findet im Fermenter mittels an der Wand montierten Heizungsleitun-

gen statt. Die Fermenterheizung besitzt eine Leistung von ca. 200 kW, da die bei der Gärung an-

fallende Wärme alleine nicht ausreicht, um den Fermenter richtig zu temperieren.

4.3.5.2 Nutzung zur Trocknung landwirtschaftlicher Produkte

In den Sommermonaten und in der Übergangszeit fällt überschüssige Wärmeenergie an, weil die

Fernwärmeleitung in dieser Zeit nur einen Bruchteil ihrer Anschlussleistung benötigt. Die Wär-

meenergie wird über einen 300 kW Wärmetauscher zur Trocknung landwirtschaftlicher Produkte

(Abbildung 26) verwendet.

Abbildung 26: Trocknung landwirtschaftlicher Produkte [Quelle: Heschl.]

4.3.5.3 Betrieb eines Fernwärmenetz

Die Fernwärmeleitung hat eine Länge von ca. 4 km und versorgt unter anderem das Landespen-

sionistenheim, die Hauptschule, verschiedene Wohnblöcke und Einfamilienhäuser in Wallsee.

Da sich jedes Jahr neue Kunden an das Fernwärmenetz anschließen, wurde die Wärmeleistung

des Gasmotors 2008 auf 770 kW erhöht.


-XL-

4.3.5.4 Spitzenlast- und Ausgleichsversorgung

Mit den Abnehmern von Wärme und Strom wurden langfristige Verträge unterzeichnet. Im Falle

einer Störung oder einer Wartung des Gasmotors, beziehungsweise eines Ausfalls der Biogas-

produktion, muss eine Notversorgung vorhanden sein. Während der Ausfall der Stromproduktion

durch das Stromnetz kompensiert wird, muss für die produzierte Wärme garantiert werden. Bei

der Notversorgung handelt es sich um einen 900 kW Gaskessel (Abbildung 27) der mit Biogas

oder mit Biodiesel betrieben werden kann.

Abbildung 27: Gaskessel zur Notversorgung [Quelle: Heschl.]

4.3.5.5 Notkühler

Der Notkühler (Abbildung 28) entsorgt überschüssige Wärme an die Umgebung und stellt keine

Energienutzung dar.

Abbildung 28: Notkühler [Quelle: Heschl.]


-XLI-

4.4 Ermittlung des jährlichen Brennstoffnutzungsgrades

Für den Zeitraum von Juli 2008 bis Juni 2009 wurde der Brennstoffnutzungsgrad für die Biogas-

anlage Wallsee berechnet und eine Jahresenergiebilanz erstellt.

4.4.1 Ermittlung der Betriebsdaten

Für die Berechnung des Brennstoffnutzungsgrades mussten zuerst die Betriebsdaten ermittelt

werden. Dazu wurde die eingespeiste elektrische Energie für den Berechnungszeitraum in der

Tabelle 1 erfasst. Die nutzbare Wärmeenergie lässt sich über die elektrische Energie und das

Verhältnis vom thermischen zum elektrischen Wirkungsgrad berechnen. Die nutzbare Wärme-

energie wird für die Berechnung der Notkühlerverluste benötigt.

Tabelle 1: Betriebsdaten

elektrische Energie Nutzbare Wärmenergie Verhältnis

Monat (in MWh) Monat (in MWh) (in %)

Jul 08 376 Jul 08 376 40:40

Aug 08 361 Aug 08 361 40:40

Sep 08 245 Sep 08 245 40:40

Okt 08 404 Okt 08 505 40:50

Nov 08 446 Nov 08 558 40:50

Dez 08 454 Dez 08 568 40:50

Jan 09 463 Jan 09 578 40:50

Feb 09 413 Feb 09 516 40:50

Mrz 09 458 Mrz 09 573 40:50

Apr 09 444 Apr 09 555 40:50

Mai 09 456 Mai 09 569 40:50

Jun 09 440 Jun 09 550 40:50

Gesamt 4.960 40 % 5.955 48,02 %


-XLII-

4.4.2 Ergebnisse

Die Prozentsätze wurden bei der folgenden Berechnung auf die im Gas enthaltene Bruttoenergie

von 12.400 MWh (40 % = 4.960 MWh, 100 % = 12.400 MWh) berechnet.

4.4.2.1 Bruttoenergie

Die Bruttoenergie von 12.400 MWh (siehe Tabelle 2) entspricht in diesem Fall jener Energie, die

bei der Verbrennung des Gasgemisches freigesetzt wird. Sie wurde ausgehend von der elektri-

schen Energie mit 4.960 MWh (siehe Tabelle 1) berechnet.

Tabelle 2: Bruttoenergie Energie in MWh Energie in %

Bruttoenergie 12.400 100

4.4.2.2 elektrische Energie Die elektrische Energie ist durch den Wirkungsgrad der Verstromung mit 40% der Bruttoenergie

definiert. Über den Zeitraum eines Jahres wurden 4.960 MWh (siehe Tabelle 3) an elektrischer

Energie ins öffentliche Stromnetz eingespeist.

Tabelle 3: elektrische Energie

Energie in MWh Energie in %

elektrische Energie 4.960 40

4.4.2.3 Wärmeenergie gesamt Die gesamte Wärmeenergie die bei der Verbrennung frei wird, entspricht 60 % der Bruttoener-

gie. Sie setzt sich aus den Kaminverlusten, den Notkühlerverlusten und der genützten Wärme-

energie zusammen. Durch die Bildung der Differenz aus Bruttoenergie und elektrischer Energie

wurde die Wärmeenergie gesamt mit 7.440 MWh (siehe Tabelle 4) berechnet.

Tabelle 4: Wärmeenergie gesamt


Wärmeenergie Gesamt 7.440 60

4.4.2.4 Kaminverlust Der Kaminverlust ist als jene Wärmeenergie definiert, die als Abgasrestwärme verloren geht. Sie

wurde ausgehend von der Wärmeenergie gesamt abzüglich der nutzbaren Wärmeenergie mit

1.485 MWh berechnet (siehe Tabelle 5). Die nutzbare Wärmeenergie wurde in Tabelle 1 berech-

net und entspricht 48,02 % der Bruttoenergie.

Tabelle 5: Kaminverluste


Wärmeenergie Gesamt 7.440 60,00

nutzbare Wärmeenergie 5.955 48,02

Kaminverluste 1.485 11,98


-XLIII-

4.4.2.5 genützte Wärmeenergie, Fermenterheizung

Die genützte Wärmeenergie entspricht jener Wärmemenge, die Heizzwecken zugeführt wurde.

Sie setzt sich zusammen aus der Energie für die Fermenterheizung, der Energie für Trocknungs-

zwecke und der ins Fernwärmenetz eingespeisten Energie. Die Berechnung (siehe Tabelle 6) er-

folgte aus der Differenz der Zählerstände bezogen auf ein Jahr.

Tabelle 6: Zählerstände

Zählerstand

Fermenterheizung

(in MWh)

Zählerstand

Gesamtheizung

(in MWh)

Zählerstand

Rauchgas

(in MWh)

Genützte

Wärmeenergie

(in MWh)

30.06.2008 1.735 6.995

30.06.2009 2.336 10.184 497

Differenz (Summe) 601 3.189 497 4.288

Die verbrauchte Wärmeenergie der Fermenterheizung beträgt 601 MWh und wurde ebenfalls

über den Zählerstand ermittelt. Die genützte Wärmeenergie wurde mit 4.288 MWh berechnet.

Tabelle 7: genützte Wärmeenergie, Fermenterheizung

Energie

(in MWh)

Energie

( in %)

Genützte Wärmeenergie 4.288 34,58

Fermenterheizung 601 4,85

4.4.2.6 Notkühler

Die Notkühlerverluste wurden mit 1.667 MWh berechnet. Sie entsprechen jener Wärmeenergie,

die mangels anderer Verwertung über den Notkühler geführt wird. Ihre Berechnung erfolgte über

die Wärmeenergie gesamt abzüglich der Kaminverluste und der nutzbaren Wärmeenergie (siehe

Tabelle 8).

Tabelle 8: Notkühler

Energie

(in MWh)

Energie

( in %)

Wärmeenergie Gesamt 7.440 60,00

nutzbare Wärmeenergie 5.955 48,02

Kaminverluste 1.485 11,98

Notkühlerverluste 1.667 13,45


-XLIV-

4.4.2.7 Trocknungsanlage

Die Trocknung besitzt eine Leistung von 0,3 MW. Es wurden in 12 Monaten 300 t Mais mit ei-

ner Trocknungsleistung von 0,88 h/t und 400 m³ Hackschnitzel mit einer Trocknungsleistung

von 1,67 m³/h getrocknet. Die Gesamttrocknungszeit betrug 340 h beim Mais (siehe Tabelle 9)

bzw. 240 h bei Hackschnitzeln (siehe Tabelle 9). Für die Trocknung wurden in Summe 173,9

MWh an Wärmeenergie verwendet.

Tabelle 9: Mais und Hackschnitzeltrocknung

Leistung Wärmetauscher 0,30 MW

Trocknungsleistung 0,88 h/t

Gesamtmenge Mais 300 t

Trocknungszeit 340 h

Trocknungsleistung Mais 102 MWh

Leistung Wärmetauscher 0,3 MW

Trocknungsleistung 1,67 m³/h

Gesamtmenge Hackschnitzel 400 m³

Trocknungszeit 240 h

Trocknungsleistung Hackschnitzel 71,9 MWh

Trocknungsleistung gesamt 173,9 MWh

Trocknungsleistung 1,40 %

4.4.2.8 Fernwärmeleitung

Die Fernwärme wurde aus der genützten Wärmeenergie abzüglich der Trocknungsleistung und

der Fermenterheizung berechnet. Sie setzt sich aus verkaufter Fernwärme und den Leitungsver-

lusten des Fernwärmenetzes zusammen. Insgesamt wurden 3.513 MWh (siehe Tabelle 10) an

Wärmeenergie in das Fernwärmenetz eingespeist und 2.488 MWh an Wärmeenergie an die Kun-

den verkauft. Die Differenz entspricht den Fernwärmeverlusten des Leitungsnetzes von insge-

samt 1.025 MWh.

Tabelle. 10: Fernwärmenetz

Energie

(in MWh)

Energie

( in %)

Genützte Wärmenergie 4.288 48,02

Trocknungsleistung 174 1,40

Fermenterheizung 601 4,85

eingespeiste Fernwärme 3.513 28,33

Fernwärme verkauft 2.488 20,06

Leitungsverluste Fernwärme 1.025 8,26


-XLV-

4.4.2.9 Brennstoffnutzungsgrad: Definition und Berechnung

Der Brennstoffnutzungsgrad ist definiert durch die Summe der Nutzenergie (in Wallsee Strom

und genützte Wärmeenergie), geteilt durch den Rohenergiegehalt des eingesetzten Energieträ-

gers.

%100×+

=

gieBruttoener

rmeenergiegenützteWäeEnergieelektrischadnutzungsgrBrennstoff [2.5]

Tabelle 11: Brennstoffnutzungsgrad

Energie

(in MWh)

Energie

( in %)

genützte Wärmenergie 4.288 34,58

Elektrische Energie 4.960 40,00

genützte Gesamtenergie (Brennstoffnutzungsgrad) 9.248 74,58

Bruttoenergie 12.400 100,00

Die Berechnung des Brennstoffnutzungsgrades ergab einen Wert von 74,58 %. Auf das gesamte

Jahr bezogen wurden 9.248 MWh der Bruttoenergie von 12.400 MWh genutzt. Dieser Wert liegt

weit über der in der Stromherstellung üblichen Brennstoffnutzungsgrade von ca. 30 % bis

ca. 55 %. Der bestmögliche Brennstoffnutzungsgrad der Biogasanlage Wallsee liegt bei 90 %.

Dieser Wert wäre dann erreichbar, wenn die gesamte nutzbare Wärmeenergie Heizzwecken zu-

geführt werden würde.


-XLVI-

4.4.3 zusammengefasste Berechnungsergebnisse

Die Ergebnisse der Betriebsdatenauswertung sind in der Abbildung 29 zusammengefasst.

Abbildung 29: Betriebsdatenauswertung

Im Auswertungszeitraum der Betriebsdaten fällt auch die Umrüstung des Gasmotors, wodurch

der thermische Wirkungsgrad von 40 % auf 50 % gesteigert wurde. Deshalb wird der Wärmever-

lust über den Kamin in weiterer Folge im nächsten Jahr noch von 12 % auf 10% sinken. Weite-

res Potential steckt noch im Bereich der Trocknung landwirtschaftlicher Produkte. Würde die

Hälfte der Notkühlerverluste für diese Zwecke genutzt werden, wäre ein Brennstoffnutzungsgrad

> 80 % durchaus erreichbar.

Bruttoenergie

100%

12.400 MWh

Elektrische Energie

40%

4.960 MWh

Wärmeenergie gesamt

60%

7.440 MWh

Kaminverlust

11,98%

1.485 MWh

Notkühler

13,45%

1.667 MWh

Genützte Wärmeenergie

34,58%

4.288 MWh

Trocknung

1,4%

102 MWh

Fermenterheizung

4,85%

601 MWh

Fernwärmeleitung

28,33 %

3.513 MWh

Leitungsverluste

8,26 %

1.026 MWh

Fernwärme

20,06%

2.488 MWh


-XLVII-

5 Zusammenfassung

Im ersten Abschnitt dieser Bachelorarbeit, der die Literaturstudie umfasst, wurde ein Überblick

über die Biogasproduktion gegeben. Dieser beschreibt sowohl die mikrobiellen als auch die ver-

fahrenstechnischen Grundlagen. Des Weiteren wurde die Entwicklung der Biogasanlagentechnik

sowie der aktuelle Stand der Technik in Österreich erläutert.

Im zweiten Teil der Arbeit wurde das erörterte Wissen dazu benutzt, um den Ablauf der Biogas-

anlage Wallsee näher zu beschreiben sowie sämtliche Energiedaten der Anlage zu erfassen. Der

Schwerpunkt lag dabei in der Darstellung der technischen Daten beginnend mit der Anlieferung

des Substrates, über die thermische und elektrische Nutzung des Biogases, bis hin zur Ausbrin-

gung des Gärrestes auf die Felder.

Im dritten Teil der Arbeit wurde der Brennstoffnutzungsgrad der Anlage über eine Jahresener-

giebilanz ermittelt. Die Biogasanlage Wallsee erreicht einen Brennstoffnutzungsgrad von knapp

75 %, wobei 40 % auf die Einspeisung von Strom und 35 % auf die Nutzung von Wärmeenergie

entfallen. Diese wird für die Beheizung des Fermenters, den Betrieb eines Fernwärmenetzes und

zur Trocknung landwirtschaftlicher Produkte verwendet. Die Biogasanlage Wallsee stellt somit

ein gutes Beispiel für ökologische und ökonomische Energieerzeugung mit minimaler Umwelt-

beeinträchtigung dar.

6 Abstract In the first part of this bachelor thesis, which includes the literature studies, is given a review

over the biogas production. Furthermore the microbial as well as the bioengineering basics are

described and the deployment of the methods of biogas plants and the best available technology

are announced.

The second part of the thesis contains on the basis of the acquired knowledge the development of

the biogas plant in Wallsee and its energy data. Its content is the determination of all technical

data, starting with the delivery of the substrate, continuing with the electrical and thermal bene-

fits of biogas up to the recovery of the digestate.

In the last part of the thesis the fuel efficiency of the plant was determined over a yearly energy

balance. The biogas plant in Wallsee reaches a fuel efficiency of nearly 75 %, 40 % are allotted

to electrical and 35 % to thermal efficiency. The thermal energy is used for the heating of the di-

gester, the district heating and the drying of agricultural products. The biogas plant in Wallsee is

a good example for ecological and economical energy production with a minimum of negative

environmental effects.


-XLVIII-

7 Literatur

7.1 Literaturquellen

Eder, B./ Schulz, H. (2006). Biogas Praxis (3.Auflage). Staufen bei Freiburg: ökobuch

Verlag.

Görisch, U./ Helm, M. (2007). Biogasanlagen (2.Auflage). Stuttgart: Eugen Ulmer

Verlag.

Bayrhuber, H./ Kull, U. (2005). Linder Biologie (22.Auflage). Braunschweig: Schrödel

Verlag.

Bala, H. (2009). FH-Wels. Persönliche Interviews am 11.11.2009 und am 2.12.2009.

Ahrer, W. (2009). FH-Wels. Vorlesung Biogasanlagen.

Breitschopf, W. (2009). FH-Wels. Vorlesung Chemische Verfahrenstechnik.

Koch, M. (2009). Ökologische und ökonomische Bewertung von Co-

Vergärungsanlagen und deren Standortwahl. Unveröffentlichte Dissertation. Karlsru-

he 2009. Abrufbar im Internet. URL: http://digbib.ubka.uni-

karlsruhe.de/volltexte/documents/809783. Stand 18.10.2009, 15:17.

Soidi, K. (2008). Mikrobielle Diversität in Biogasreaktoren. Unveröffentlichte Disser-

tation. Berlin 2008. Abrufbar im Internet. URL: http://edoc.hu-

berlin.de/dissertationen/souidi-khadidja-2008-02-08/PDF/souidi.pdf. Stand:

25.10.2009, 18:23.

Energieträger Biogas. (2009). Geschichte. Abrufbar im Internet. URL:

http://www.gaswaerme.at/bbg. Stand: 20.10.2009, 16:15.

Walla, C. (2006). Ökonomisches Monitoring österreichischer Biogasanlagen. Unveröf-

fentlichte Dissertation. Wien 2006. Abrufbar im Internet. URL:

http://www.boku.ac.at/fileadmin/_/PF-

BioLandwirtschaft/pubs/ProdSys/2006_Walla_Diss.pdf. Stand: 22.10.2009, 09:43.

e-control (2009). Ökostrombericht 2009. Abrufbar im Internet. URL:

http://www.e-control.at/portal/page/portal/medienbibliothek/oeko-

energie/dokumente/pdfs/Oekostrombericht%202009.pdf. Stand: 25.10.2009,

11.33.

Hems (2009). Renewable Energies. Abrufbar im Internet. URL: http://www.hems-

renewables.de/renewable-energies/biogas.html. Stand: 04.01.2010, 14:25.


-XLIX-

8 Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Schema einer Biogasanlage ...................................................................................... 7

Abbildung 2: Die Methanbildung ................................................................................................. 12

Abbildung 3: Generationszeiten.................................................................................................... 16

Abbildung 4: Bakterien unter dem Mikroskop ............................................................................. 16

Abbildung 6: Verfahrensmerkmale von Biogasanlagen ............................................................... 19

Abbildung 7: Gasproduktion im Batchreaktor.............................................................................. 20

Abbildung 8: Darstellung einer Durchfluss und einer Speicher - Durchfluss Anlage.................. 22

Abbildung 9: Rührkesselfermenter ............................................................................................... 22

Abbildung 10: Stahlbeton Endlager mit Gasspeicherunterbau ..................................................... 23

Abbildung 11: Anzahl der Prozessstufen...................................................................................... 24

Abbildung 12: Temperatureinfluss auf die Bakterienaktivität...................................................... 25

Abbildung 13: Temperatureinfluss auf die Gasausbeute .............................................................. 30

Abbildung 14: Entwicklung Anzahl Biogasanlagen; Installierte ele. Leistung ............................ 31

Abbildung 15: Leistungsverteilung österreichischer Biogasanlagen............................................ 31

Abbildung 16: Betriebsgebäude der Biogasanlage Wallsee ......................................................... 32

Abbildung 17: Schema der Biogasanlage Wallsee ....................................................................... 33

Abbildung 18: Silos der Biogasanlage Wallsee ...................................................................... 34

Abbildung 19: Pumpstation u. Vorgrube ...................................................................................... 34

Abbildung 20: Vorratsbehälter d. Feststoffeintrags ............................................................... 35

Abbildung 21: Eintragsschnecke .................................................................................................. 35

Abbildung 22: Hauptfermenter, Nachgärer, Feststoffeintrag, Gasspeicher.................................. 35

Abbildung 23: Schema der Fermenteren ...................................................................................... 36

Abbildung 24: Gärrestelager ......................................................................................................... 37

Abbildung 25: V 12 Gasmotor...................................................................................................... 38

Abbildung 26: Trocknung landwirtschaftlicher Produkte ............................................................ 39

Abbildung 27: Gaskessel zur Notversorgung ............................................................................... 40

Abbildung 28: Notkühler .............................................................................................................. 40

Abbildung 29: Betriebsdatenauswertung ...................................................................................... 46

Documents

Biogasanlage Wallsee: Auswertung von …...zur Erlangung des akademischen Grades Bachelor of Science in Engineering von Ing. Mathias Heschl 02.2010 Betreuung der Bachelorarbeit durch