Biogas Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.

 

Stromerzeugung

Derzeit wird der größte Teil des in Deutschland produzierten Biogases direkt am Entstehungsort verstromt. Diese Nutzungsart wurde entscheidend durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz befördert. Seit Inkrafttreten des EEG im Jahr 2000 ist die Strommenge aus Biogas von 445 GWh um mehr als das sechzigfache auf inzwischen etwa 29.000 GWh angewachsen.

Die Stromerzeugung aus Biogas erfolgt auf dem Weg der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Hierbei werden als Koppelprodukte Strom und Wärme produziert. Aus ökologischen und wirtschaftlichen Gründen ist neben der Strom- auch eine effektive Wärmenutzung anzustreben.

Beim KWK-Prozess treibt ein mit Biogas befeuertes Aggregat einen Generator an, der elektrische Energie erzeugt. Zum Antrieb des Generators können Verbrennungsmotoren, aber auch andere Arten von Motoren und Gasturbinen eingesetzt werden. Grundsätzlich möglich ist auch die Stromerzeugung über Brennstoffzellen.

Neben der Vor-Ort-Verstromung von Rohbiogas wird auch Biomethan aus dem Erdgasnetz in KWK-Anlagen zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung genutzt. Biomethan-BHKW müssen für den Erhalt der EEG-Vergütung wärmegeführt betrieben werden. Weiterhin muss in einem Massenbilanzsystem die gesamte Kette von der Biogasherstellung bis zur Gasentnahme nachgewiesen werden.

Für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern bis hin zu größeren Wohnimmobilien sowie Hotels und Gewerbebetrieben stehen kleine BHKW (Nano-, Mikro- oder Mini-BHKW) mit einer Leistung von 1 bis 50 kW zur Verfügung und erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Diese Klasse der Biogas-BHKW wird im Regelfall mit Biomethan betrieben und die Wärmeproduktion steht hier im Vordergrund.

Verbrennungsmotoren

Die weitaus überwiegende Anzahl der Vor-Ort-Verstromungsanlagen nutzen Blockheizkraftwerke (BHKW) zur Stromerzeugung. BHKW bestehen prinzipiell aus Verbrennungsmotor und Generator. Bei der Auswahl des BHKW sollte auf hohe Wirkungsgrade und eine geringe Reparaturanfälligkeit geachtet werden. Besonders bei Einsatz von Bioabfällen und anderen Kofermenten treten Schwankungen bei der Qualität und Menge des Gases auf, was Schäden am Motor verursachen kann. Abhilfe können elektronische Motorkontrollsysteme schaffen. Beim Betrieb von BHKW sind bestimmte Rahmenbedingungen, wie insbesondere die vorgeschriebenen Wartungsintervalle und die Anforderungen an den Aufstellraum, zu beachten.

Für die Verstromung von Biogas stehen mehrere Motorbauarten und Verbrennungsverfahren zur Verfügung. Es werden insbesondere Gas-Otto-Motoren und Zündstrahlmotoren eingesetzt.

Blockheizkraftwerk (BHKW)

Speziell für den Gasbetrieb entwickelte Gas-Otto-Motoren, vergleichbar mit Viertakt-Motoren aus Kraftfahrzeugen, sind in der Lage, das Biogas ab einer Methankonzentration von 45 % direkt zu verbrennen. Gas-Otto-Motoren kommen in der Regel in oberen Leistungsklassen (über 250 kWel) zum Einsatz, sie sind aber auch bereits ab 30 kWel erhältlich und werden z.B. bei Güllekleinanlagen < 100 kWel eingesetzt. Gas-Otto-Motoren werden inzwischen vorrangig im Biogasbereich eingesetzt.

Zündstrahlmotoren werden überwiegend im unteren Leistungsbereich bis 340 KWel eingesetzt und arbeiten nach dem Dieselprinzip. Da sich Biogas bei Kompression nicht selbst entzündet, wird ein Zündöl zur Einleitung des Verbrennungsprozesses eingespritzt. Optimierte Zündstrahlmotoren kommen bereits mit einer Menge von 2 % Zündöl aus, ältere Systeme benötigen noch bis zu 10 %. Gemäß den Regelungen des EEG darf seit 2007 für Neuanlagen kein Zündöl auf fossiler Basis mehr eingesetzt werden.

Mikrogasturbinen

Mikrogasturbinen eignen sich durch ihren einfachen Aufbau für den Einsatz mit Biogas und haben einige Vorteile gegenüber Verbrennungsmotoren, wie geringere Schadstoff- und Schallemissionen sowie einen geringeren Wartungsaufwand. Ebenfalls ist aufgrund der Bauweise die Korrosionsgefahr durch erhöhte H2S-Gehalte geringer als bei Verbrennungsmotoren. Das Funktionsprinzip basiert auf der Turboladertechnik, dabei wird die eingesaugte und verdichtete Verbrennungsluft mit den heißen Abgasen vorgewärmt und anschließend in der Brennkammer gemeinsam mit dem Biogas verbrannt. In der Turbine erfolgt dann die Entspannung der heißen Abgase, die dadurch den Generator antreiben.

Diese schnell laufenden Mikrogasturbinen mit niedrigen Brennkammertemperaturen und –drücken werden im Leistungsbereich von 30 bis 200 kWel angeboten.
Nachteilig sind der geringere elektrische Wirkungsgrad (bis ca. 30%) und die höheren Investitionskosten im Vergleich zu Verbrennungsmotoren.

Weitere Anwendungen

Biogas kann auch über Brennstoffzellen und Stirlingmotoren verstromt werden. Trotz erfolgversprechender Ansätze haben sich beide Technologien bisher nicht im Biogasbereich durchgesetzt.

Biogas lässt sich in verschiedenen Brennstoffzellentypen nutzen. Hierfür muss das Biogas aufbereitet (insb. Entfernung von Schwefel, Kohlenmonoxid und weiterer Schadstoffe) und reformiert (Überführung von Methan in Wasserstoff) werden. Am weitesten entwickelt und kommerziell verfügbar ist die Phosphoric-Acid-Brennstoffzelle (PAFC). Sie erreicht Wirkungsgrade von bis zu 40%, ist im Leistungsbereich 100-200 kWel verfügbar und hat in Praxistest bereits über 80.000 Betriebsstunden erreicht.
Dem sehr guten Wirkungsgrad und der fast emissionsfreien Betriebsweise stehen derzeit die sehr hohen Investitionskosten und weiterer Entwicklungsbedarf entgegen

Stirlingmotoren (Heißgasmotoren) stellen geringe Ansprüche an die Gasqualität und können damit weniger verschleißanfällig sein. Sie haben einen Wirkungsgrad von 24-28% und sind derzeit nur in kleineren Leistungsklassen (bis 100 kWel) erhältlich. Aufgrund der geringeren Schallemissionen werden Stirlingmotoren in Mikro-KWK-Anlagen verwendet.

Für eine insgesamt breitere Nutzung sind allerdings technische Weiterentwicklungen vonnöten.

 

Umfangreiche Informationen zu KWK-Anlagen finden Sie im Leitfaden Biogas.

Basisdaten