Biogas Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.

 

Wärme

Biogas und Biomethan im Wärmemarkt

Biogas und Biomethan werden auch zur Wärmeerzeugung eingesetzt. Diese Wärme entsteht einmal beim Einsatz im Prozess der Kraft-Wärme-Kopplung oder durch direkte Verbrennung in handelsüblichen Gaskesseln.

Bei der Biogasnutzung in KWK-Anlagen werden Strom und Wärme produziert. Aus ökologischer Sicht und für eine effiziente Auslastung der Anlage ist eine Nutzung der anfallenden Wärme sinnvoll und notwendig, denn hierdurch kann der Wirkungsgrad der Anlage bis auf 90 % erhöht werden. Von der zur Verfügung stehenden Wärmemenge werden ca. 20-40 % für die Beheizung des Fermenters benötigt. Abzüglich der Verluste lassen sich dann 50-60 % für die Wärmeversorgung nutzen.

KWK-Anlagen (hauptsächlich BHKW)  befinden sich oft in unmittelbarer Nähe der Biogasanlage bzw. sind über Rohgasleitungen an diese angeschlossen und fungieren dann als Satelliten-BHKW in direkter Nähe von Wärmesenken. In den letzten Jahren nahm die Wärmenutzung, zunächst initiiert durch den KWK-Bonus der EEG-Novellen 2004 und 2009, dann fortgeführt im EEG 2012 mit der verpflichtenden Wärmenutzung, zu. Derzeit wird etwa die Hälfte der extern verfügbaren Wärmemenge genutzt. Die Menge der genutzten Wärme ist in den letzten 10 Jahren um das 40-fache gestiegen.

Biomethan-KWK-Anlagen beziehen das Biomethan i.d.R. virtuell aus dem Erdgasnetz und müssen bei Inanspruchnahme der EEG-Vergütung wärmegeführt betrieben werden. In den letzten Jahren haben sich auch Mirko-KWK-Anlagen, z.B.  für Ein- oder Zweifamilienhäuser, am Markt etabliert und diese können auf Biomethanbasis betrieben werden.

Für Gasheizkessel eignet sich sowohl Biogas als auch Biomethan als Brennstoff. Bei der Rohbiogasnutzung sind allerdings spezielle Kessel bzw. fachmännisch durchgeführte Einstellungen bzw. Umrüstungen an Gaskesseln notwendig (Rohbiogas ist aufgrund der Zusammensetzung ungeeignet für klassische Erdgasgeräte). Vorrangig findet bei der direkten Wärmegewinnung Biomethan aus dem Erdgasnetz Anwendung.

Entsprechend den Auswertungen des Monitoringberichtes zum EEG (Quelle: DBFZ) wird die Wärme in den meisten Fällen für das Beheizen von landwirtschaftlichen Wohn- und Wirtschaftsgebäuden und für Trocknungsprozesse genutzt, sowie in Nah- und Fernwärmenetze eingespeist.

Möglichkeiten der Wärmenutzung

Heizen

Die Wärmenutzung stellt Anlagenbetreiber und Abnehmer vor verschiedenste Herausforderungen. Beispielhaft genannt seien ein ungünstiger Anlagenstandort, unzureichende Wärmemengen, saisonaler Verbrauch, wirtschaftliches Risiko oder fehlende Akzeptanz und Unterstützung. Auch die Umstellung der Biogasanlage zur bedarfsgerechten Stromproduktion kann die Wärmebereitstellung beeinflussen.

Erforderliche Konzepte können Biogasleitungen mit Satelliten-BHKW, Neubau von Wärmenetzen oder Einbindung in vorhandene Wärmenetze, Erschließung weiterer Abnehmer bzw. Bereitstellung ausreichender Wärmespeicher umfassen. Entsprechende Projekte können über Biogasanlagenbetreiber, öffentliche Träger, Wärmekunden (z.B. als Genossenschaft), einem Contractor oder verschiedenen Parteien gemeinsam umgesetzt werden.

Hinweise zu entsprechenden Geschäftsmodellen finden Sie in der FNR-Publikation „Geschäftsmodelle für Bioenergieprojekte“.

Biogas-/ Biomethanwärme kann auf verschiedenen Wegen genutzt werden. Genannt wurde bereits das Heizen. Typische Abnehmer sind Wohn- und Wirtschaftsgebäude des Biogasanlagenbetreibers, über Wärmenetze versorgte Wohnhäuser und öffentliche Einrichtungen, aber auch Gewächshäuser oder Gewerbe- und Industriebetriebe.

Unterschieden wird zwischen Grundlast- und Volllastversorgung. Bei Letzterem garantiert der Wärmebereitsteller die komplette Wärmeversorgung des Abnehmers und hält selbst notwendige Spitzenlastkessel vor.

Gasheizkessel
Gewächshausbeheizung

Trocknen

Als weitere Möglichkeit der Wärmenutzung besteht die Einbindung in Trocknungsprozesse. Diese umfassen die Trocknung von Holz, Getreide und weiteren landwirtschaftlichen Produkten, aber auch Gärrückstände oder Klärschlamm werden in der Praxis mit Biogaswärme getrocknet. Mit der Trocknung wird der Wassergehalt gesenkt und damit die Lagerfähigkeit erhöht bzw. die Transportfähigkeit z.B. von Gärrückständen verbessert.

Laut aktueller Betreiberumfrage (DBFZ, 2014) dominieren mit fast 70 % die Trocknung von Holz/ Scheitholz und Hackschnitzeln.

Getreidetrocknung
Trocknung von Holzhackschnitzeln

Prozesswärme und Kühlen

Einen gewissen Umfang nimmt dann die Nutzung als Prozesswärme und -dampf (bspw. bei der Frucht- und Gemüsesaftherstellung)  und zur Kühlung ein.

Bei der bisher eher wenig angewandten Kältenutzung wird die vorhandene Wärme über Absorptionskältemaschinen umgewandelt. Mögliche Anwendungen sind Kühlhäuser, die Milchindustrie (einschließlich der Milchkühlung beim Landwirt), Gebäudeklimatisierung oder Kühlverfahren in der Industrie. Die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung kann eine verbesserte Wärmenutzung in den Sommermonaten ermöglichen.

Nachverstromung

Auch dort wo keine der bisher beschriebenen Wärmenutzungen oder eine Biogasaufbereitung möglich sind, muss die Wärme nicht ungenutzt in die Umwelt entweichen. Hier bietet sich dann eine zusätzliche Stromproduktion aus der Wärme über thermodynamische Kreisprozesse an. Dieses ist mittels ORC-Prozess (Organic-Rankine-Cycle) auf der Basis von Thermoölen, dem CRC-Prozess (Claudius-Rankine-Cycle) auf Wasserbasis oder auch dem Kalina-Kreisprozess (Mixtur aus Ammoniak und Wasser wird als Arbeitsmedium genutzt) möglich. Bei diesen Prozessen verdampft die Abwärme das Arbeitsmedium, dieses treibt dann eine Turbine an, die über einen gekoppelten Generator Strom erzeugt. Beim ORC-Prozess kann bereits Restwärme ab 85°C aus Abgas- und Kühlkreisläufen genutzt werden, beim CRC-Prozess hingegen ist heiße Abluft ab ca. 250°C erforderlich.

Prinzipiell können auch Stirlingmotoren zur Nachverstromung eingesetzt werden.

Prinzipschema einer ORC-Anlage (Fraunhofer UMSICHT)
ORC-Anlage in der Praxis (Fraunhofer UMSICHT)

Speicherung und Transport

Für eine bestmögliche Wärmenutzung sind Speichersysteme erforderlich. Im stationären Bereich werden hierzu entsprechend dimensionierte Pufferspeicher verwendet. Aber auch eine mobile Wärmespeicherung und damit ein Transport vom Wärmeerzeuger zum – kunden sind möglich. Latentwärmespeichersysteme und Thermodynamische Wärmespeichersysteme sind derzeit die bevorzugten Technologien. Bei ersteren kommen PCM (Phasenwechselmaterialien) zum Einsatz, hierbei wird die Wärme als Schmelzwärme genutzt und der Aggregatzustand ändert sich von fest auf flüssig. Bei der Wärmeentnahme wird der Prozess umgekehrt. Bei dem zweiten Verfahren kommen Zeolithe zum Einsatz, die aufgrund ihrer mikroporösen Oberflächenstruktur die Wärme speichern. Bei Durchströmung mit kühler und feuchter Luft werden diese dann wieder entladen. Wärmetransportsysteme werden bereits von verschiedenen Unternehmen genutzt.

Quelle: LaTherm Energie AG
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