Biogas ist kein reines Gas, sondern ein Gemisch aus Methan (oft 50-60%), Wasserstoff, Sauerstoff, Ammoniak, Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid. Es entsteht bei der anaeroben, also sauerstofffreien Faulung von organischem Material. Vilfach wird hier von Gärung gesprochen, da aber weder Hefe noch Milchsäurebakterien Verwendung finden, ist Faulung der präzisere Begriff. Es gibt drei Arten von Ausgangsmaterialien für das Erzeugen von Biogas:
1. organische Reststoffe, die bisher als Dünger verwendet wurden wie Gülle oder Stallmist .
2. organische Abfälle wie Speisereste, Klärschlamm oder allgemeiner Bioabfall. ( Hier ist das Ergebnis dann eher Klärgas oder Deponiegas)
3. speziell angebaute Energiepflanzen wie Mais, Triticale oder Zuckerhirse oder besonders ertragreiche Energiepflanzen wie Topinambur.
Im Grunde kann man also nur im ersten und im zweiten Fall von Biogas sprechen. Der zweite Fall scheidet auch aus gesundheitlichen Aspekten aus. Denn bei der stofflichen Verwertung der Reste nach der Gasproduktion aus Abfällen als Dünger, können bei den Speiseresten und dem Bioabfall auch Schlachtreste dabei sein, was zu einer hohen Verkeimung und vielen Sporen von Krankheitserregern führen würde, die erst bei Temperaturen um 120 Grad abgetötet werden könnten.
Was passiert auf chemischer Ebene?
Pflanzen nehmen tagsüber durch die Photosynthese Kohlenstoff aus der Luft auf, speichern es und wirken auf diese Weise als sogenannte Kohlenstoff-Senken oder anders gesagt als CO2 - Speicher. Werden die Pflanzen durch Faulung zersetzt, so wird dieser Kohlenstoff wieder an die Atmosphäre abgegeben. Bei der Zersetzung von Biomasse wird nur soviel Kohlenstoff freigesetzt, wie die Pflanzen vorher aufgenommen hatten. Insofern gilt Biogas als "CO2-Neutral". Kohlenstoff ist nicht nur im Energieträger Biomasse, sondern auch in fossilen Energieträgern wie Erdöl oder Kohle enthalten. Der bedeutsame Unterschied liegt jedoch darin, dass der in fossilen Energieträgern enthaltene Kohlenstoff vor Millionen von Jahren der Atmosphäre und dem Kohlenstoffkreislauf entzogen wurde. Bei der Verbrennung in den Motoren wird der für Millionen Jahre gebundene Kohlenstoff freigesetzt. Das bewirkt eine drastische Erhöhung der Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Atmosphäre die zum Treibhauseffekt beiträgt, weil die Pflanzen diese Mengen nicht wieder binden können. Allerdings wird durch die Bewirtschaftung der Felder auf denen die Energiepflanzen angebaut werden sowie bei der Düngerproduktione etc, auch Energie verbraucht wird. Deshalb gelten neuerdings auch Wildpflanzen wie das Chinaschilf (Miscanthus) als Biogaspflanze der Zukunft. Vor allem weil die Pflanzenreste dieses Schilfs auch als Pellet verheizt werden können oder als Baumaterial Anwendung finden. Ein zusätzlicher CO2-Faktor ist der Schwefelwasserstoff, der auch unter Energieaufwand aus dem Biogas entfernt werden muss.
Biogaserzeugung durch Faulung (Fermentation)
Die Erzeugung findet in einem Bioreaktor statt. Dort wird mithilfe von anaeroben Mikroorganismen das Pflanzenmaterial in mehreren Schritten aufgespalten. In der 1. (hydrolytischen) Stufe werden die Makromoleküle wie Kohlenhydrate, Fette und Eiweisse aufgespalten. Darauf folgt dann in der 2. (fermentativen) Stufe die Fermentation in Alkohole, Carbonsäuren und Gase. in der 3. (acetogenen) Phase findet das Bilden von Essigsäuren, Wasserstoff und Kohlendioxid statt. Die eigentliche Biogasbildung ist in der letzten (metanogenen) Stufe abgeschlossen.
Andere Verfahren und Veredelung
Biomasse kann als trockene Biomasse mit weniger als 15 Prozent Wassergehalt oder nasse Biomasse mit einem höhren Wassergehalt verarbeitet werden. In den meisten Fällen werden feste Ausgansgstoffe wie Mais, Raps, Strauchschnitt oder eben Biomüll zur besseren Verwertung zunächst in Sekundärenergieträger umgewandelt wie das flüssige Rapsöl oder eben das gasförmige Biogas. Dies geschieht durch thermochemische, physikalisch–chemische oder biochemische Umwandlungsverfahren.
Die Kompostierung der Biomasse erfordert eine Luftsauerstoffzufuhr. Dann wird Wärme freigesetzt, die bisher selten genutzt wird. Ein weiteres Verfahren ist die Alkoholgärung. Zucker-, Stärke- oder Zellulosehaltige organische Stoffe werden Mittels Hefe oder Bakterien zu Alkohol (Bioethanol) umgewandelt.
Die üblichen thermochemischen Verfahren sind die Verkohlung, das Verflüssigen, die Pyrolyse die Vergasung. Dabei werden die organischen Stoffe hauptsächlich unter dem Einfluss von Wärme (verschiedentlich auch durch zusätzlichen Druck) in feste, flüssige oder gasförmige Energieträger umgewandelt.
Beim physikalisch–chemischen Umwandeln werden pflanzliche Öle und Fette durch Pressen oder Extraktion gewonnen. Bei der Veredelung zum Biodiesel ist eine Umesterung erforderlich, um das Öl den Eigenschaften des konventionellen Dieselkraftstoffs anzugleichen, um den so gewonnen Biosprit in Dieselmotoren einzusetzen. Durch die thermische Vergasung von Biomasse kann man auch Synthesegas erzeugen, welches zur Wasserstofferzeugung oder - nach dem Verflüssigung im Fischer Tropsch-Verfahren - zu synthetischen Kraftstoffen aufbereitet werden könnte.
Aufgrund des überduchschnittlichen Heizwertes (6.000 Kcal/m3 bzw. 25.000 kJ/m3) wird Biogas energetisch zur Strom- und Wärmeerzeugung verwendet. Vor dem Verbrennen zur Stromerzeugung in Verbrennungsmotoren von Blockheizkraftwerken bzw. KWK erfolgt zumeist eine Gasreinigung (Entschwefelung). Die Abwärme des Verbrennungsmotors kann in der Regel als Prozesswärme für den Fäulnisvorgang der Biogasherstellung genutzt werden oder lokal als Beheizung umliegender Einrichtungen. Optimierungen mit Stirlingmotoren und Mikrogasturbinen erhöhen den Wirkungsgrad des Biogases beträchtlich. Viele größere Kläaranlagen sind mit Klärgasanalagen asugestattet.
Speicherung
Eine Speicherung des Biogases ist wegen der geringen Energiedichte (1000 l Biogas entsprechen etwa 0,6 l Heizöl) nur für wenige Stunden sinnvoll. Ein Teil der Speicherkapazität für Biogas ist bereits im Biogasreaktor vorhanden, der mit dem Gasspeicher in direkter Verbindung steht. Durch diese Verbindung ist der Reaktor gegen Über- oder Unterdruck gesichert. Aber die Ausgangsprodukte des Biogases können in vielen Fällen sehr gut gelagert werden, sodass hier ein gute Energiespeichermöglichkiet besteht, die im Energiemix die Photovoltaik und die Windenergie ergänzen kann.
Verwertung
Da Biogas im wesentlichen nur Methan und Kohlendioxid enthält, bleiben alle Pflanzennähstoffe der eingesetzten Substrate erhalten. Die eingesetzten Ausgangsstoffe bestimmen in der Regel die Qualität des anfallenden Gärrestes. Durch den Abbau von organischen Verbindungen zu Biogas reduziert sich die Konzentration an organischer Substanz bei Wirtschaftsdüngern durchschnittllich um 30 bis 50 Prozent. Der Abbau bei den Energiepflanzen wie Mais und Topinambur kann jedoch bis zu 90 Prozent betragen und ermöglicht im Allgemeinen daher auch noch eine Flüssigvergärung, wenn schüttfähige Substrate (z. B. Mais und andere Silagen) vergoren werden. Dieser fließfähige Gärrest hat dann auch den typischen Güllegeruch verloren und bereitet bei der weiteren Verwertung auf landwirtschaftliche Nutzflächen in der Nähe von Ortschaften selten Probleme. Hinsichtlich der Stickstoffverfügbarkeit ist der Gärrest im Vergleich zu Gülle) oder Stallmist besser, da ein Teil der organischen Stickstoffverbindungen im Biogasreaktor
bereits zu Ammonium-Stickstoff abgebaut werden. Nitrat ist wegen des streng anaeroben Prozesses im Gärrest nicht enthalten. (jw)
