Biogas ist eine immer bedeutender werdende Alternative zu Erdgas. Wie du bereits in dem Artikel zum Erdgas erfahren hast, ist Erdgas ein fossiler Energieträger, der endlich ist. Zudem ist Deutschland von Importen des Gases abhängig. Biogas gehört dagegen zu den erneuerbaren Energieträgern. Das bedeutet, dass Biogas aus in kurzer Zeit nachwachsenden Rohstoffen (z. B. Mais) hergestellt wird (Abb. 1). Die Energie, die im Biogas steckt, kann in elektrische Energie oder Wärmeenergie umgewandelt werden. Biogas kann auch als Treibstoff für Fahrzeuge genutzt werden oder in das Erdgasnetz eingespeist werden.
Biogas besteht hauptsächlich aus Methan
Biogas besteht zu 50-65 % aus Methan ($\ce{CH4}$). Der restliche Anteil setzt sich aus Kohlenstoffdioxid, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und Ammoniak zusammen. Je höher der Anteil an Methan ist, desto energiereicher ist das Biogas. Bevor das Biogas zur Umwandlung in elektrische oder Wärme-Energie verbrannt wird, werden Schwefelwasserstoff und Ammoniak entfernt. Diese Stoffe könnten nämlich Schäden an Mensch und Maschine verursachen.
So funktioniert eine Biogasanlage
In Biogasanlagen (Abb. 2) bauen Mikroorganismen ohne Anwesenheit von Sauerstoff (anaerob) pflanzliche und tierische Stoffe (organische Stoffe) ab. Während sich die Mikroorganismen von diesen Stoffen ernähren, scheiden sie die Gase, die im Biogas enthalten sind, ab. Damit das Biogas entstehen kann, sind verschiedene Schritte notwendig:
1. Der Fermenter
Im Fermenter herrscht eine Temperatur von ca. \(\rm{40°\,C}\). Diese Temperatur ist für die Mikroorganismen optimal, um die pflanzlichen und tierischen Stoffe abzubauen sowie sich selber zu vermehren. Die Abbauprozesse finden unter Ausschluss von Licht und Sauerstoff sowie unter ständigem Umrühren statt. Wir nennen diese Prozesse auch Gärprozesse. Fette und Carbonsäuren werden in diesen Abbauprozessen zu Alkoholen verstoffwechselt. Proteine werden zu Schwefelwasserstoff und Ammoniak abgebaut. Im nächsten Schritt werden weitere Fettsäuren, Carbonsäuren und Alkohole zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgesetzt. Das Methan entsteht zum einen in einer Reaktion aus Essigsäure, die sich aufspaltet:
$\ce{CH3COOH -> CH4 + CO2}$
Zum anderen entsteht Methan aus der Reaktion von Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff:
$\ce{CO2 + 4H2 -> CH4 + 2 H2O}$
Die Mikroorganismen sondern die Gase des Biogases, die als Blasen aus der Gärmasse hochsteigen, ab. Das Biogas sammelt sich in der Kuppel des Fermenters und kann von dort aus abgeleitet werden.
2. Blockheizkraftwerk (BHKW)
Von dem Fermenter wird das Biogas zum Blockheizkraftwerk (BHKW) geleitet. In dem BHKW treibt das Biogas einen Motor an, wodurch die Energie aus dem Biogas in elektrische Energie umgewandelt wird. Gleichzeitig entsteht Wärmeenergie. Die Wärme wird zum Beheizen von Wohngebäuden, aber auch des Fermenters genutzt.
3. Nachgärer
Nach dem Fermenter werden meist weitere Gärbehälter verwendet, um die Biogas-Ausbeute zu erhöhen. Dafür wird die Gärmasse aus dem Fermenter in den Nachgärer geleitet, damit sie dort noch länger verweilen kann und die Abbauprozesse durch die Mikroorganismen fortgeführt werden können. Das weiterhin entstehende Biogas wird auch hier abgeleitet, genauso wie zuvor aus dem Fermenter.
4. Gär-Reste-Lager
Nach den Gärprozessen wird das, was von der Gärmasse übrig ist, in das Gärrestelager geleitet. Dort kühlt der Gärrest ab und wird gelagert, bis er als Dünger auf die Felder gebracht wird. Der Gärrest ist ein hervorragendes Düngemittel, weil er reichhaltig an Nährstoffen und humusbildenden Stoffen ist.
CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung; Sarah Brauns
Ist Biogas so umweltfreundlich, wie es klingt?
Biogas gehört zu den erneuerbaren Energieträgern und entsteht aus nachwachsenden Rohstoffen (z. B. Mais, Getreide, Gülle, Gras und Bioabfällen). Es verbrennt klimaneutral, denn es wird das Kohlenstoffdioxid frei, das zuvor von den Pflanzen gebunden wurde.
Dadurch, dass Mais sehr effektiv zur Erzeugung von Biogas eingesetzt wird, wird Mais teilweise in großen Mengen extra zur Erzeugung von Biogas angebaut. Dadurch fallen Flächen weg, die zum Anbau von Lebensmitteln genutzt werden können. Zudem können Monokulturen entstehen, die die Artenvielfalt in der Tierwelt gefährden kann.
Des Weiteren entstehen bei den Prozessen in den Biogasanlagen Gase, die schädlich für das Klima sind. Methan und Kohlenstoffdioxid sind Stoffe, die zum Treibhauseffekt beitragen. Zwar sollen die Biogasanlagen komplett luftdicht verschlossen sein, aber dennoch können permanent kleine Mengen des Biogases entweichen und in die Umwelt gelangen.
Zusammenfassung
Biogas besteht zu 50-65 % aus Methan (\(\ce{CH4}\)). Der restliche Anteil setzt sich aus Kohlenstoffdioxid, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und Ammoniak zusammen. In Biogasanlagen bauen Mikroorganismen ohne Anwesenheit von Sauerstoff (anaerob) pflanzliche und tierische Stoffe (organische Stoffe) ab. Dabei entstehen die Gase des Biogases. In dem BHKW treibt das Biogas einen Motor an, wodurch die Energie aus dem Biogas in elektrische Energie umgewandelt wird. Gleichzeitig entsteht Wärmeenergie. Die Energie, die im Biogas steckt, kann in elektrische Energie oder Wärmeenergie umgewandelt werden. Biogas kann auch als Treibstoff für Fahrzeuge genutzt werden oder in das Erdgasnetz eingespeist werden.