Die Funktionsweise einer Biogasanlage
Eine Biogasanlage ist ein Kraftwerk der Kreislaufwirtschaft und ein zentraler Baustein der Energiewende in Deutschland. Sie wandelt organische Materialien, die sonst oft nur Abfall wären, in wertvolle Energie um: Strom und Wärme.
Diese Form der Bioenergie gehört zu den wichtigsten erneuerbaren Energieträgern, da sie – im Gegensatz zu Wind und Sonne – grundlastfähig ist, also rund um die Uhr Energie liefern kann.
Doch wie genau funktioniert die Biogasproduktion? Der Prozess ist eine faszinierende Kombination aus Biologie und hochentwickelter Anlagentechnik. Von der Auswahl der Einsatzstoffe bis zur Einspeisung ins Stromnetz ist jeder Schritt entscheidend für die Effizienz. Wir erklären die Funktionsweise einer Biogasanlage von Anfang bis Ende.
Schritt 1: Die Einsatzstoffe – Was kommt in die Biogasanlage?
Alles beginnt mit der Auswahl der Rohstoffe, dem sogenannten Gärsubstrat. Die Biogaserzeugung ist flexibel und kann verschiedenste organische Abfälle und Materialien verwerten. Die Wahl der Einsatzstoffe beeinflusst direkt die Menge und Qualität des produzierten Gases.
Zu den häufigsten Rohstoffen gehören:
- Wirtschaftsdünger: Gülle (Rinder- oder Schweinegülle) und Festmist sind die klassische Grundlage vieler landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Sie sind leicht verfügbar und ihre Vergärung reduziert Geruchsemissionen.
- Nachwachsende Rohstoffe (NawaRo): Speziell angebaute Energiepflanzen dienen als hochenergetisches “Futter”. Dazu zählen vor allem Silomais (Maissilage), aber auch Zuckerrüben, Getreide oder Gräser.
- Bioabfall und Reststoffe: Organische Reststoffe aus der Lebensmittelindustrie, Pflanzenreste aus der Landwirtschaft oder kommunaler Bioabfall werden ebenfalls häufig genutzt.
Schritt 2: Der Kernprozess – Die 4 Phasen der Biogasproduktion
Das Herz der Biogasanlage ist ein biologischer Prozess: die anaerobe Vergärung. Das bedeutet, die Materialien werden unter komplettem Luftabschluss von Milliarden spezialisierter Mikroorganismen zersetzt. Dieser Prozess ist hochkomplex und wird in vier Phasen unterteilt, die parallel im Fermenter ablaufen.
- Hydrolyse (Verflüssigung): Langkettige organische Verbindungen wie Kohlenhydrate, Fette und Proteine werden von den Mikroorganismen in kleinere, wasserlösliche Bausteine (z.B. Zucker, Aminosäuren) zerlegt.
- Acidogenese (Versäuerung): Andere Bakterien wandeln diese Bausteine in organische Säuren, Alkohole sowie Essigsäure, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid (CO2) um.
- Acetogenese (Essigsäurebildung): In dieser Phase werden die organischen Säuren und Alkohole weiter zu Essigsäure, Wasserstoff und CO2 abgebaut.
- Methanogenese (Methanbildung): Die “methanogenen” Archaeen – die Hauptakteure – nutzen die Produkte aus den Vorphasen (hauptsächlich Essigsäure, Wasserstoff und CO2) und bilden daraus das energiereiche Methan (CH4).
Für eine effiziente Biogasproduktion muss das Milieu im Fermenter exakt stimmen. Eine Störung, z. B. durch falsche Fütterung oder Temperaturschwankungen, kann diesen biologischen Prozess empfindlich beeinträchtigen.
Schritt 3: Vom Gärsubstrat zum Rohbiogas – Der Fermenter
Der Ort des Geschehens ist der Fermenter. Dieser große, meist runde Behälter ist das technische Herzstück. Hier wird das Gärsubstrat eingebracht und verbleibt je nach Anlagentyp mehrere Wochen.
Damit die Mikroorganismen optimal arbeiten können, muss der Fermenter konstant auf einer Temperatur von ca. 38–42 °C (mesophil) oder 50–55 °C (thermophil) gehalten werden. Diese Prozesswärme stammt meist aus der eigenen Wärmeerzeugung des BHKW.
Im Inneren sorgen leistungsstarke Rührwerke dafür, dass das Substrat ständig durchmischt wird. Dies verhindert Schwimm- und Sinkschichten und stellt sicher, dass die Mikroorganismen gleichmäßigen Zugang zur Nahrung haben und das Gas entweichen kann.
Das in diesem Prozess entstehende Gas, das Rohbiogas, wird aufgefangen und in einem flexiblen Gasspeicher (oft direkt auf dem Fermenter als “Dach”) zwischengelagert.
Schritt 4: Die Veredelung – Strom, Wärme oder Biomethan?
Das Rohbiogas besteht zu etwa 50-70 % aus Methan (CH4) und zu 30-50 % aus Kohlenstoffdioxid (CO2), sowie Spuren von Schwefelwasserstoff. Es muss aufbereitet werden, bevor es nutzbar ist. Der Schwefelwasserstoff wird fast immer entfernt (Entschwefelung), da er hochkorrosiv ist und den Gasmotor schädigen würde.
Nach dieser Grundreinigung gibt es zwei Hauptverwertungswege:
Option 1: Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) im BHKW
Der häufigste Weg in Deutschland ist die direkte Verstromung vor Ort in einem Blockheizkraftwerk (BHKW). Ein robuster Gasmotor treibt einen Generator an und erzeugt so Stromerzeugung mit hoher elektrischer Leistung, die direkt ins öffentliche Stromnetz eingespeist wird.
Der Clou dieses Systems ist die Kraft-Wärme-Kopplung (auch KWK genannt). Bei der Verbrennung im Motor entsteht enorme Hitze. Diese wird nicht als Abfallprodukt an die Umwelt abgegeben, sondern als Abwärme aufgefangen. Diese Wärmenutzung ist hocheffizient: Ein Teil der Wärme wird, wie erwähnt, für die Beheizung des Fermenters genutzt, der Rest kann für die Beheizung von Gebäuden oder für industrielle Prozesse verwendet werden.
Option 2: Aufbereitung zu Biomethan
Alternativ kann das Rohbiogas in einer komplexen Anlage aufwendig gereinigt werden. Dabei wird das Kohlenstoffdioxid abgetrennt, bis das Gas fast reines Methan enthält (über 98 %).
Dieses Produkt, nun Biomethan genannt, hat die gleiche Qualität wie fossiles Erdgas und kann in das öffentliche Erdgasnetz eingespeist werden. Es dient dann als grüner Kraftstoff für Fahrzeuge oder kann an anderer Stelle in einem BHKW zur Stromerzeugung genutzt werden.
Schritt 5: Das Endprodukt – Gärreste als wertvoller Dünger
Die Biogasanlage produziert nicht nur Energie. Was nach der Vergärung im Fermenter übrig bleibt, sind die Gärreste. Diese Endprodukte sind keineswegs Abfall. Im Gegenteil: Sie sind ein hochwertiger Wirtschaftsdünger.
Durch den Prozess sind die Nährstoffe für Pflanzen besser verfügbar als in Rohgülle, und der Gärrest ist deutlich geruchsärmer. Er wird in einem Endlager gesammelt und von den landwirtschaftlichen Biogasanlagen wieder auf die Felder ausgebracht. Dies schließt den Nährstoffkreislauf und ersetzt mineralischen Kunstdünger.
Die Rolle von Biogasanlagen in der Energiewende
Die Biogasanlage ist ein Multitalent der erneuerbaren Energien. In Deutschland wurde ihr Ausbau maßgeblich durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vorangetrieben. Laut der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) leisten sie einen erheblichen Beitrag zur Reduktion von Treibhausgas-Emissionen, da sie klimaschädliches Methan (z. B. aus der Gülle) auffangen und in Energie umwandeln.
Ihre größte Stärke im Mix der erneuerbaren Energien ist ihre Planbarkeit. Sie produzieren wetterunabhängig und können flexibel auf den Strombedarf reagieren, was sie zu einem unverzichtbaren Partner für die Stabilität im Stromnetz macht.
PowerUP: Für eine effizientere Biogaserzeugung
Die komplexeste und zugleich wichtigste Komponente für die Rentabilität Ihrer Biogasanlage ist das Blockheizkraftwerk. Der Gasmotor im BHKW ist das wirtschaftliche Herz, das 24 Stunden am Tag laufen muss, um die Biogaserzeugung in Ertrag umzuwandeln.
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