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Herstellung von Biogas

Erstellt am: 28.02.2010 | Stand des Wissens: 01.03.2023
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Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Biogas entsteht bei der anaeroben (sauerstofffreien) Vergärung organischen Materials, also bei der Vergärung von Anbaubiomasse oder Reststoffen (zum Beispiel Maissilage, Gras, Gülle, und Abfälle) in Biogasanlagen. Hierbei wird die Biomasse über verschiedene Zwischenstufen mit Hilfe von unterschiedlichen Bakterien zu Biogas fermentiert. [WeSc17, S. 551 ff.]
Es handelt sich dabei um einen komplexen biochemischen Prozess. Die zentralen Schritte laufen in der Regel gemeinsam in einem Fermenter ab. Den ersten Prozessschritt bildet die Hydrolyse. Dabei werden die Kohlenstoffverbindungen (wie Kohlenhydrate oder Fette) mit von den Bakterien gebildeten Enzymen in einfachere organische Verbindungen (wie Zucker oder Fettsäuren) aufgespalten. Den zweiten Schritt bildet die Acidogenese. Dabei werden die zuvor gebildeten Verbindungen durch säurebildende Bakterien zu niederen Fettsäuren, Kohlendioxid und Wasserstoff abgebaut, wobei sich auch Milchsäure sowie Alkohol in geringen Mengen bildet. Daraufhin folgt die Acetogenese, in welcher die acetogenen Bakterien Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid bilden. Der letzte Schritt ist dann die Methanogenese. Die Methanbakterien wandeln hier die Essigsäure und den Wasserstoff in Methan um. [WeSc17, S.551 ff.]
Insgesamt benötigen die verschiedenen beteiligten Bakterien sehr unterschiedliche Umgebungsbedingungen, weshalb eine räumliche Trennung der Prozessschritte möglich ist, um die Biogaserzeugung zu optimieren (hier wird dann von unterschiedlich-stufigen Anlagen gesprochen) [WeSc17, S.553]. Im Mai 2021 wurden in Deutschland 232 Biogasanlagen betrieben [dena21, S.4]. Die Anlagen können mit unterschiedlichen Substraten betrieben werden, welche jeweils unterschiedlich hohe Biogaserträge sowie verschiedene Methananteile erzielen [FNR20, S.42].

Biogas besteht je nach Ausgangssubstrat zu 50 bis 75 Volumenprozent aus Methan und zu ungefähr einem Drittel aus Kohlendioxid. Daneben enthält es je nach Ausgangsbedingungen geringe Mengen an Wasserdampf, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasserstoff, sowie weitere Spurengase. Da der Methangehalt den Energiegehalt des Biogases bestimmt, sollte er möglichst hoch sein. Der Methangehalt von Maissilage liegt bei etwa 52 Prozent, während er bei Schweinegülle bei etwa 60 Prozent liegt [FNR20, S.42]. Das Biogas kann anschließend so aufbereitet werden, dass es chemisch identisch mit Erdgas ist und somit als Biomethan ins bestehende Erdgasnetz eingespeist oder in Erdgasfahrzeugen direkt genutzt werden kann. Die Aufbereitung ist entweder durch die Abtrennung von Kohlendioxid oder durch eine Anreicherung mit Methan (zu einer Methankonzentration von 90 bis 96 Prozent) über verschiedene Verfahren möglich. [WeSc17, S.551 ff.] Anwendbare Aufbereitungsverfahren sind die Druckwasserwäsche, die chemische Absorption mit Aminlösungen, die physikalische Absorption mit organischen Lösungsmitteln, die Druckwechseladsorption,und das Membrantrennverfahren. Das Verfahren der kyrogenen Gastrennung wird in Deutschland weniger verwendet [FNR22c].
Wenn das Biogas in Biomethan umgewandelt wurde, beträgt der Heizwert des Biomethan etwa 50 Megajoule pro Kilogramm (entspricht 36 Megajoule pro Liter). [FNR20, S.34f.]
Glossar
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Biokraftstoffe der zweiten Generation (Stand des Wissens: 15.03.2023)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?304408
Literatur
[dena21] Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) (Hrsg.) Branchenbarometer Biomethan 2021, 2021/07
[FNR20] Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) (Hrsg.) BASISDATEN BIOENERGIE DEUTSCHLAND 2021, 2020
[FNR22c] Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) (Hrsg.) Biomethan, 2022
[WeSc17] Wesselak, Viktor , Schabbach, Thomas , Link, Thomas, Fischer, Joachim (Hrsg.) Handbuch Regenerative Energietechnik, 2017
Glossar
Biomasse Biomasse umfasst:
  • Reststoffe wie z.B. Restholz, organische Abfälle (Biomüll, Gülle etc.), Stroh sowie
  • Energiepflanzen wie z.B. Raps, schnell wachsende Baumarten, Energiegetreide, Miscanthus.
CH4
= Methan. Es ist ein farbloses, geruchloses und leicht brennbares Gas, das zu Kohlendioxid und Wasser verbrennt. Methan ist Hauptbestandteil von Erdgas, Biogas, Deponiegas und Klärgas. Als Erdgas dient es hauptsächlich der Beheizung von Wohn- und Gewerberäumen, als industrielle Prozesswärmeenergie, zur elektrischen Stromerzeugung und in kleinem Umfang als Treibstoff für Kraftfahrzeuge.
Methan gehört zu den klimarelevanten Treibhausgasen. Methan entsteht bei allen organischen Gär- und Zersetzungsprozessen, wie z.B. in Sümpfen, Nassreisfeldern und Massenviehhaltung. (Der Verdauungstrakt von Wiederkäuern produziert Methan.)
Nach Kohlendioxid ist Methan mit einem Anteil von knapp 20 Prozent wichtigster Verursacher des Treibhauseffekts, wobei es ein 20- bis 30-mal wirksameres Treibhausgas als CO2 ist. Die weltweiten Methanemissionen werden auf 500 Mio. Tonnen/Jahr geschätzt, davon gehen rund 70 Prozent auf menschliche Aktivitäten zurück.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?288991

Gedruckt am Freitag, 19. April 2024 02:22:17