Biogas kann über mehrere Verfahrensschritte durch den Einsatz von Bakterien unter Luftabschluss aus Biomasse gewonnen werden. Zum Einsatz kommen in Deutschland vorrangig Maissilage, Getreidesilage und Gülle.
Erzeugung von Biogas
Die Biomasse wird in einen großen Behälter geschüttet, in dem die Zersetzungsprozesse stattfinden. Nach derzeitigem Stand der Technik kann nicht jede Art der Biomasse zur Biogaserzeugung eingesetzt werden. Insbesondere kann holzartige Biomasse nicht in Biogas umgesetzt werden, da die Bakterien diese Molekülstrukturen nur sehr schwer aufbrechen können.
Der Garbehälter ist geschlossen und von der Umgebungsluft abgeschirmt. Zusätzlich wird er beheizt, und es sind außen Motoren angebracht, die Rührer im Inneren antreiben. Die Beheizung ist nötig, da die Bakterien im mesophilen Temperaturbereich (28-40°C) bei etwa 37°C arbeiten. Zusätzlich bedeutet eine hohe Temperatur auch eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit.
In Deutschland wird das Prinzip Nassfermentation genutzt, der Behälter wird zusätzlich mit Wasser gefüllt. Dies ermöglicht eine gute Durchmischung mit Hilfe der Rührer sowie einen kontinuierlichen Prozess.
Für die Erzeugung von Biogas aus Biomasse sind vier biochemische Prozesse nötig, die nacheinander ablaufen. Für jeden Prozess ist vereinfachend ein Bakterienstamm zuständig. Um für jeden Stamm optimale Bedingungen in Form der Temperatur und des ph-Wertes einstellen zu können, müsste jeder Prozess einen eigenen Behälter haben. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit wird aber nur ein Behälter verwendet, in dem alle Prozesse gleichzeitig stattfinden.
Verfahrensschritte der Biogaserzeugung sind:
- Hydrolyse (1) – Zersetzung in wässriger Lösung
- Acidogenese (2) – Bildung von Säuren
- Acetogenese (3) – Bildung von Essigsäure
- Methanogenese (4) – Methanbildung.
Die Biomasse wird mit ausreichender Menge an Wasser in einen luftdichten Behälter geführt. Bakterien spalten Fette, Proteine und Kohlenhydrate (1). Säurebildende Bakterien wandeln die gespaltenen Produkte mit ihrem Stoffwechsel in Säuren um (2), die dann von acetogenen Bakterien zu Essigsäure umgesetzt werden(3). Durch Spaltung der Essigsäure wird in der letzten Phase das Methan sowie Kohlendioxid und Wasser gebildet (4).
Die Prozesse unterstützen sich gegenseitig. In Phase 4 wird Wärme freigesetzt, Phase 3 findet nur unter Wärmezufuhr statt.
Verwendung des Biogases
Das Methan und das Kohlenstoffdioxid sammeln sich im Behälter (Fermenter) und werden mit den Gärresten in einen Nachgärer geführt. Um eine kontinuierliche Produktion zu gewährleisten, wird der Fermenter wieder aufgefüllt, wenn sich die Gasproduktion stark verringert. Die Prozesse sind aber noch nicht abgeschlossen, die Biomasse gärt noch nach.
Aus dem Gasspeicher kann das Biogas abgesaugt werden und z. B. zum Betrieb eines Blockheizkraftwerkes (BHKW) verwendet werden. Dabei entsteht Wärme und elektrischer Strom. Ein BHKW besteht normalerweise aus einem Motor mit angeschlossenem Generator. Der Strom wird in das öffentliche Netz eingespeist, die Wärme wird zum Teil für den Eigenbedarf der Biogasanlage benötigt, der Rest kann als Fernwärme genutzt werden.
Wenn die Biomassereste fast vollständig nachgegärt sind, d. h., dass kein Biogas mehr produziert wird, kann dieser Gärrest als Dünger eingesetzt werden.
Eine andere Möglichkeit der Nutzung ist die Aufbereitung des Biogases auf Erdgasqualität durch Entfernen unerwünschter Bestandteile wie CO2, Schwefelwasserstoff und Wasser.
