Die Entstehung von Biogas ist ein Prozess, der wesentlich älter ist als der Gedanke, sich dieses Naturprodukt zu Nutze zu machen. Bereits seit Millionen von Jahren entsteht Biogas in Faulprozessen, die vornehmlich in Sümpfen, Seen und Tümpeln unter Sauerstoffabschluss ablaufen. Die an diesem Prozess beteiligten Bakterien gehören zu den ältesten Lebewesen der Welt und mussten sich über lange Zeiträume hinweg hervorragend an die unterschiedlichsten Bedingungen anpassen können. Sie sind in der Lage, organische Substanz in ihre Einzelteile zu zerlegen und letztendlich in brennbares Methan umzuwandeln, das heutzutage zur Verstromung in Blockheizkraftwerken oder aber auch – nach entsprechender Aufbereitung – zur direkten Einspeisung in Gasnetze genutzt werden kann. Die beim Verbrennungsprozess des Methans freigesetzte Energie entstammt dabei ursprünglich der Sonne, welche ihre „Kraft“ in den vergärbaren Energiepflanzen gleichermaßen zwischenspeichert. Im Gegensatz zur Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Erdöl oder Erdgas ist die Nutzung von Biogas CO2-neutral, da sich das im Prozess entstehende Kohlendioxid in einem natürlichen Kreislauf bewegt und von den nachwachsenden Pflanzen im Verlaufe der Photosynthese wieder verbraucht wird. Weiterhin steht der ausgefaulte Gärrest den Energiepflanzen als hochwertiger Dünger zur Verfügung. Biogas stellt somit eine erneuerbare Energiequelle dar, die in Verbindung mit großen Chancen für die Landwirtschaft einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leistet.

Biogas entsteht beim anaeroben Abbau von organischer Substanz, d.h. unter Abwesenheit von Sauerstoff. Prinzipiell eignet sich jedes organische Material für die Biogasproduktion, allerdings sind nicht alle Bestandteile durch die Bakterienstämme gleichermaßen abbaubar. So könne z.B. stark verholzte Pflanzen aufgrund des hohen Anteils an Lignin nur sehr langsam zersetzt werden und kommen somit für eine wirtschaftliche Vergärung in Biogasanlagen weniger in Frage. Mit zunehmender Abreife der Energiepflanzen erhöht sich der Ligninanteil im Substrat, was eine rechtzeitige Ernte und Konservierung erforderlich macht. Zielgröße des Vergärungsprozesses ist brennbares Methan, dessen Anteil im Biogas je nach Substrat zwischen 50 und 75% schwankt. Methangehalte in Größenordnungen von 75% lassen sich allerdings mit nachwachsenden Rohstoffen  kaum erreichen, hierzu ist die Zugabe entsprechender Kosubstrate nötig. Neben dem Methan stellt Kohlendioxid den zweiten Hauptbestandteil des Biogases dar und ist im Gasgemisch 25 – 50% vertreten. Des Weiteren lassen sich verschiedene Spurengase nachweisen. Die nachstehende Tabelle verschafft einen Überblick über die Zusammensetzung von Biogas.

Zusammensetzung von Biogas
Bestandteil	Formel	Konzentration
Methan	CH4	50-75%
Kohlendioxid	CO2	25-50%
Wasser	H2O	2-7%
Schwefelwasserstoff	H2S	ca. 2%
Stickstoff	N2	<2%
Wasserstoff	H2	<15
Ammoniak	NH3	0-1%

Die Qualität des Biogases wird hierbei in erster Linie durch das Verhältnis von brennbarem Methan zum nicht brennbaren Kohlendioxid bestimmt. Das Kohlendioxid hat „verdünnende“ Wirkung und verursacht vor allem in Hinblick auf die Gasspeicherung zusätzliche Kosten. Es ist also ein möglichst hoher Methangehalt anzustreben. Der Methangehalt im Biogas wird maßgeblich durch die folgenden Faktoren beeinflusst:

- Nährstoffzusammensetzung des Substrates

- Prozessführung

- Temperatur

Ein Methangehalt < 50% führt zu Problemen bei der Verbrennung im Blockheizkraftwerk (BHKW), da ein ordnungsgemäßes Arbeiten des Motors im BHKW nicht mehr gewährleistet werden kann. Neben Methan und Kohlendioxid sind Schwefelwasserstoff, Stickstoff, Ammoniak und Wasser Bestandteile des Biogasgemisches. Insbesondere dem Schwefelwasserstoffgehalt ist Aufmerksamkeit zu schenken, da dieses Gas aufgrund seiner korrosiven Wirkung Schäden an der Gasstrecke und im BHKW verursachen kann.

 

Eine Einrichtung zu Entschwefelung ist daher in Biogasanlagen von E.U.R.O. BIOGAS Standardausstattung. Weiterhin lässt sich die Qualität des Gases steigern, indem Wasser durch Auskondensieren abgeschieden wird. Auf diesem Wege kann ein Großteil des ebenfalls schädlichen Ammoniaks entfernt werden.

Der Entstehungsprozess des Biogases lässt sich grundsätzlich in vier hintereinander ablaufende Teilschritte einteilen. Dies sind die Hydrolyse (Aufspalten der Substratbausteine), die Versäuerung (Acidogenese), die Essigsäurebildung (Acetogenese) und letztendlich die Methanbildung (Methanogenese).
An den jeweiligen Stufen der Umsetzung des organischen Materials sind unterschiedliche Bakteriengruppen beteiligt, die in starker Abhängigkeit voneinander arbeiten. Von entscheidener Bedeutung ist hierbei die Tatsache, dass sich die Bakterienstämme hinsichtlich ihrer idealen Lebensbedingungen voneinander unterscheiden. Folgende Abbildung zeigt die Prozessphasen der Biogasentstehung.

Betrachtet man die Entstehung des Biogases in den zuvor genannten Prozesschritten, ist zu beachten, dass die beteiligten Bakterienstämme unterschiedlich schnell arbeiten und sich nicht mit der gleichen Geschwindigkeit vermehren. Ein Maß für diese Geschwindigkeit ist die so genannte Generationszeit, die besagt, in welcher Zeit die Bakterien in der Lage sind, ihre Zellzahl und somit ihre Arbeitsgeschwindigkeit zu verdoppeln. Bei den Bakterien, die in der Hydrolysephase und der Versäuerungsphase wirken, ist die Generationszeit wesentlich kürzer als bei den methanogenen Mikroorganismen.

 

Generationszeit von Bakterien
Bakteriengruppe	Generationszeit
Hydrolytische und acidogene Bakterien Bacteriodes Clostridien	< 24 Stunden 24 – 36 Stunden
Acetogene Bakterien Syntrophobacter Syntrophomonas	40 – 60 Stunden 72 – 132 Stunden
Methanogene Bakterien Methanobacterium Methanosarcina Methanococcus / Methanosaeta	12 – 60 Stunden 120 – 360 Stunden 240 Stunden

Diese Tatsache ist bei der Fütterung der Biogasanlage von entscheidender Bedeutung. Da nämlich die säurebildenden Bakterien ihre Arbeit sehr schnell verrichten und sich zügig vermehren können, besteht die Gefahr, dass das Angebot der durch die Methanbakterien abzubauenden Säuren zu groß wird. Die Methanbakterien können diesen Überschuss nicht bewältigen, was letztendlich zu einer Versäuerung der Biogasanlage führt. Der sinkende pH-Wert schränkt die Aktivität der am Prozess beteiligten Bakterien immer weiter ein; die Methanausbeute sinkt, bis es schließlich zu einem Zusammenbruch des Prozesses kommt. Diesem „Teufelskreis“ muss bei einem pH-Wert Abfall bzw. einer geringeren Gasausbeute mit einer sofortigen Verminderung oder Einstellung der Substratzufuhr entgegengewirkt werden, um den Methanbakterien die nötige Zeit zum Abbau der Säuren zu verschaffen. Fälschlicherweise wird oftmals die Substratzufuhr erhöht, wenn eine geringere Gasausbeute beobachtet wird. Als optimal ist die Etablierung eines Fließgleichgewichtes zwischen Nährstoffanlieferung und Abbau zu beurteilen. Zu berücksichtigen sind hierbei vor allem die Abbaugeschwindigkeiten der Inhaltsstoffe der eingesetzten Substrate.
Das Einbringen von stark zucker- oder stärkehaltigen Substraten wird somit zu einem schnellen Anstieg der Säurekonzentration führen. In diesem Fall wird der Abbau von Propion- und Buttersäure durch acetogene und methanogene Bakterien zum geschwindigkeitsbestimmenden Schritt des Biogasprozesses. Cellulose und Hemicellulose mit ihrer komplexeren Molekülstruktur werden hingegen langsamer zu Säuren abgebaut.
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Die an der Biogasentstehung beteiligten Mikroorganismen benötigen für ein effizientes Arbeiten günstige Lebensbedingungen. Fühlen sich die Bakterien in ihrer Umgebung „nicht wohl“, werden sie nur einen entsprechend geringen Beitrag zu einer hohen Gasausbeute leisten können. Die wesentlichen Parameter der Milieubedingungen sind die Temperatur, der pH-Wert und die Pufferkapazität. Im Hinblick auf den gesamten Prozess ist ein ausreichend hoher Wasseranteil von mindestens 50% nötig, damit die Bakterienstämme arbeiten und sich vermehren können. Weiterhin ist zu beachten, dass die Mikroorganismen durch Licht bei ihrer Arbeit gehemmt werden; der Einfall von Licht muss daher ausgeschlossen werden.

Die Bakterienstämme lassen sich in Abhängigkeit von der Temperatur in folgende Gruppen einteilen:

1. Psychrophile Stämme (bis25°C)

1. Mesophile Stämme (32-42°C)
   
   
2. Thermophile Stämme (50-57°C)

Der psychrohile Temperaturbereich spielt in der Biogasanlage aufgrund der langsam ablaufenden Reaktionen keine wesentliche Rolle. Demzufolge werden die meisten Biogasanlagen im mesophilen bzw. thermophilen Temperaturbereich gefahren. Die E.U.R.O. BIOGAS Anlagen waren zu über 95 % im mesophilen Bereich.

Die Menge und die Eigenschaften der dem Fermenter zugeführten Substrate beeinflussen den pH-Wert. Leicht abbaubare Substrate, also beispielsweise solche mit einem hohen Zuckeranteil, führen durch die schnelle Versäuerung zu einem Abfall des pH-Wertes und dürfen demzufolge nur verhalten zugeführt werden. In diesem Zusammenhang spielt der Begriff der Pufferkapazität eine weitere wesentliche Rolle. Die Pufferkapazität ist ein Maß dafür, inwieweit einer Versäuerung in der Biogasanlage „aufgehalten“ also abgepuffert werden kann, bis es tatsächlich zu einem Abfall des pH-Wertes kommt. Herrscht im Fermenter eine hohe Pufferkapazität vor, kann relativ viel Substrat gefüttert werden, ohne dass der pH-Wert abfällt und die Bakterien beeinträchtigt oder gar geschädigt werden. Bei geringer Pufferkapazität muss entsprechend vorsichtig Substrat zugegeben werden, um eine „Überfütterung“ zu vermeiden.
Der pH-Wert ist also für eine kurzfristige Prozesssteuerung weniger zu gebrauchen, da ein Umschlag unter Umständen zu spät erfolgt, d.h. der Anlagenbetreiber kann nicht mehr rechtzeitig reagieren. Die Ermittlung der Pufferkapazität hingegen ermöglicht es, jederzeit festzustellen, wie „hungrig“ die Biogasanlage tatsächlich ist und wie viel Substrat gefüttert werden kann, um die Bakterien optimal auszulasten.

Damit ein Überleben und eine rasche Vermehrung der Bakterien zu jedem Zeitpunkt gewährleistet ist, müssen bestimmte Nährstoffe im richtigen Verhältnis zur Verfügung gestellt werden. Dies erfolgt ebenfalls über das zugeführte Substrat.
Das optimale Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff (C/N-Verhältnis) wird in der Literatur im Bereich von 10 : 1 bis 45 : 1 gesehen. Hier lässt sich das Substrat am besten durch die Bakterien abbauen. Bei einem zu niedrigen Verhältnis führt der dadurch bedingt Stickstoffüberschuss zu einer verstärkten Bildung von Ammoniak, das auf die Bakterien in hohem Maße toxisch wirkt. Neben Kohlenstoff und Stickstoff müssen Phosphor und Schwefel zur Verfügung stehen, als optimal wird ein C : N : P : S-Verhältnis von 600 : 15 : 5 : 1 erachtet. Als Spurenelemente sind insbesondere für die Methanbakterien Nickel, Kobalt und Selen essentiell und zwar in Konzentration von ca. 0,1 mg/l. Bei einem Mangel an Spurenelementen liefern wie Ihnen individuelle Rationen.
Inputberatung C/N Verhältnis: info@eurobiogas.de
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Beim Biogasprozess kann es durch den Eintrag bestimmter Stoffe oder durch Entstehung von negativ wirkenden Substanzen während der Vergärung zu einer Hemmung der Bakterienaktivitäten kommen.
Bei der Zugabe von Substraten ist insbesondere darauf zu achten, dass diese frei von Substanzen wie Antibiotika, Lösungs- oder Desinfektionsmitteln, Herbiziden oder Schwermetallen sind. Mykotoxine (Pilzgifte), wie sie z.B. in verschimmelten Silagen anfallen, sind ebenfalls als äußerst nachteilig für einen stabilen Prozess anzusehen. Auch für die Bakterien essentielle Spurenelemente können in höheren Konzentrationen toxisch wirken und somit den Abbauprozess hemmen. Betrachtet man Hemmstoffe, die während des Biogasprozesses selbst entstehen, sind hier in erster Linie der Schwefelwasserstoff (H2S) und Ammoniak (NH3) zu nennen.
Schwefelwasserstoff entsteht in besonderem Maße beim Abbau schwefelhaltiger und proteinreicher Substrate und wirkt extrem toxisch auf die am Prozess beteiligten Bakterien. Weiterhin führt Schwefelwasserstoff aufgrund seiner korrosiven Eigenschaften zu Schäden im BHKW. Die Gefahr der Schwefelwasserstoffbildung steigt mit sinkendem ph-Wert.
Ebenso entsteht beim Abbau eiweißreicher Substrate Ammoniak, welches ebenfalls hochgiftig ist. Die Konzentration von Ammoniak nimmt mit steigendem pH-Wert und steigender Temperatur zu. Entgegenwirken kann man hier mit der Zufuhr von Kohlenstoff in Form von rohfaserreichem Material, was eine Erweiterung des C/N- Verhältnisses bewirkt.
Bei weitergehenden Fragen sprechen Sie uns bitte gerne an:

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Strom: Im Jahr 2007 erzeugten die Biogasanlagenbetreiber in Deutschland knapp neun Milliarden Kilowattstunden Biogas-Strom und verkauften ihn zu einem im Erneuerbare-Energien-Gesetz festgelegten Preis an ihren zuständigen Stromversorger. Das entsprach zehn Prozent der durch erneuerbare Energien produzierten Strommenge.

Wärme: Gleichzeitig produziert ein Blockheizkraftwerk Wärme. Ein Teil davon wird für die Beheizung der Fermenter eingesetzt, der Rest kann in Haushalten oder Gewerbebetrieben genutzt werden. Über ein Fernwärmenetz kann die Wärme direkt zum Verbraucher transportiert werden.
Mikrogasnetz: Wenn die Wärmeabnehmer zu weit entfernt von der Biogasanlage liegen, ist der Transport der Wärme aufwendig. Dann kann das Blockheizkraftwerk auch dort aufgestellt werden, wo die Wärme benötigt wird. Das Biogas wir über eine eigene Leitung (Mikrogasleitung) transportiert und dort in Strom und Wärme umgewandelt.
Biomethan ins Erdgasnetz: Biogas kann nach seiner Aufbereitung aber auch direkt in das vorhandene Erdgasnetz eingespeist werden. Dann nutzt es die vorhandene Infrastruktur und findet als Erdgas-Äquivalent Verwendung.
Biogas als Treibstoff: Eine weitere Möglichkeit der Biogasnutzung besteht im Einsatz all Kraftstoff. Die Fahrleistung aus einem Hektar Mais liegt bei rund 70.000 km – das entspricht dem anderthalbfachen Weltumfang!