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Mit Kuhmist Auto fahren

Biomethan als Motortreibstoff via Einspeisung ins Erdgasnetz

von Prof. Dr. Ernst A. Stadlbauer, Christian Jennemann

In den USA erfährt Methan als „vergessener Motortreibstoff“ derzeit großes Interesse. Grund sind die riesigen Vorkommen an „Shale Gas“, d.h. Erdgas in Schieferformationen, die über bestehende Gasnetze durch den Aufbau von Gastankstellen automobil genutzt werden können. Biogas, das durch
Aufbereitungstechniken von Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff befreit ist, kann analog über das Erdgasnetz zielgerichtete Verwendung finden. Die Idee dazu ist alt. Sie wurde während der ersten Energiekrise 1973 von einen VW-Werbespot im amerikanischen Fernsehen präsentiert: Ein Auto, das im Huckepack mit einer Biogasanlage, gespeist mit Kuhmist, fuhr. „Why do people do such foolish things. Just buy a VW Beetle”, lautete der pfiffige Kommentar des „Commercials”. Der Hintergrund: Damals stieg der Preis für
eine Gallone Benzin von 25 US-Cent auf 50 US-Cent. Benzin wurde knapp. Täglich nach gerader oder ungerader Endziffer des Nummernschildes
wechselnd durften Autos auf die Straße. Ein Schock für Amerikaner. Heute
ist die belächelte Idee von damals Wirklichkeit. Natürlich ist die Biogasanlage immobilisiert. Biogas als Motortreibstoff ist neben Strom- und Wärmeerzeugung vor Ort eine zusätzliche Nutzungsoption, insbesondere
wenn schlüssige Wärmenutzungskonzepte fehlen. Das Ziel besteht darin, den gesamten Energiegehalt des Methans einer Verwendung zuzuführen. Vor- und Nachteile einer alternativen Nutzung des Biogases in Form von leicht transportierbarem Biomethan erläutern Dipl.-Ing. (FH) Christian Jennemann und Professor Dr. Ernst Stadlbauer.

Verstromen oder Direkteinspeisen

Die Erzeugung von Biogas aus organischen Stoffen ist ein etabliertes Verfahren zur Energiebereitstellung. Laut Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) werden sich in Deutschland bis Ende 2010 etwa 5.300 Biogasanlagen in Betrieb befinden. Diese Biogasanlagen nutzen das durch anaerobe Vergärung von organischer Biomasse gewonnene Biogas zur Generierung von elektrischer und thermischer Energie in Blockheizkraftwerken (BHKW). Die installierte elektrische Generatorleistung dieser Biogasanlagen wird Ende 2010 voraussichtlich insgesamt 1.950 MWel betragen (FNR). Die bei der Stromerzeugung ebenfalls anfallende thermische Abwärme des BHKW wird bei einem Großteil der Biogasanlagen zur Beheizung angrenzender Wohnhäuser und/oder von Wirtschaftsgebäuden genutzt. Im Biogasmessprogramm II des FNR wurden 61 Biogasanlagen begutachtet. Bei 18 dieser Anlagen wurde die thermische Energie an weitere externe Abnehmer verkauft.
Es zeigte sich, dass sich dadurch die Wirtschaftlichkeit der Biogasanlagen in einigen Fällen entscheidend verbesserte, da aus dem Wärmeverkauf bis zu 20 % der Einnahmen realisiert werden konnten (FNR). Aus Klimaschutzgründen ist die Nutzung der anfallenden thermischen Energie ebenfalls zu begrüßen, da fossile Energieträger ersetzt werden können. Problematisch aber ist, dass die Vergärungsanlagen zum großen Teil in ländlichen Gegenden angesiedelt sind, wo größere Entfernungen zwischen potenziellen Wärmeabnehmern und den BHKWs zu überbrücken sind. Jahreszeitlich abhängige starke Schwankungen der thermisch verfügbaren Energie erschweren ebenfalls eine weitgehend vollständige Nutzung der entstehenden Wärme. Schlüssige Konzepte mit einer hohen Verwertung der anfallenden thermischen Energie sind so nur schwer zu realisieren. Die durch Vergärung und Biomassebereitstellung aufwändig erzeugte, im Methan gespeicherte Energie kann bei herkömmlicher Verstromung in dezentralen BHKWs häufig nur in begrenztem Maße genutzt werden.

Um diese aufgrund mangelhafter Wärmenutzungskonzepte ungenutzte Energie erschließbar zu machen, bieten sich die Aufkonzentrierung des Biogases zu Biomethan auf Erdgasqualität und eine anschließende Einspeisung in bereits existierende Erdgas-Leitungsnetze an. Dadurch kann das Biomethan leicht an andere Orte transportiert und dort in BHKW verwertet werden, an denen schlüssige Wärmenutzungskonzepte realisierbar sind.
Dieser Ansatz zur vollständigen Nutzung des Energiegehaltes von Biogas erfährt derzeit einen regelrechten Boom: Nach Angaben der Deutschen Energie Agentur (dena), des Instituts für Solare Energieversorgungstechnik (ISET e.V.) und der Deutschen Vereinigung des Gas- und Wasserfaches (DVGW e.V.) ist die Zahl der Anlagen, die Biogas zu Biomethan aufbereiten, von 2 Anlagen im Jahr 2006 auf insgesamt 28 Anlagen bis Ende 2009 gestiegen. Allein im Jahr 2010 werden voraussichtlich weitere 38 Anlagen zur Biomethaneinspeisung hinzukommen, was mehr als einer Verdoppelung der Anlagenanzahl innerhalb eines Jahres entspricht. Für das Jahr 2011 sind ebenfalls 5 Anlagen in Planung (www.biogaspartner.de). Ende 2011 wird die gesamte Anlagenkapazität bei voraussichtlich 460.670.880 m³ Biomethan pro Jahr liegen. Zum Vergleich: Die im Jahr 2008 in Deutschland verbrauchte Menge an Erdgas beträgt etwa 95.900.000.000 m³/Jahr (Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe). Damit entspricht das aufbereitete und eingespeiste Biomethan also in etwa 0,5 % des verbrauchten Erdgases, wenn man vom Verbrauch des Jahres 2008 ausgeht. Alternativ zur Einspeisung in das Gasnetz, vor allem bei größeren Entfernungen zu Erdgasfernleitungen bietet sich der Einsatz als Treibstoff für erdgasbetriebene Fahrzeuge an. Probleme mit in einer in der Regel schwierigen und zeitaufwendigen Vertragsgestaltung zwischen dem Biogasanlagenbetreiber und dem Gasnetzbetreiber können so umgangen werden. Diese beispielsweise in Schweden weitverbreitete und staatlich subventionierte Methode der Kraftstoffbereitstellung fristet in Deutschland bis Dato noch ein Schattendasein: Zurzeit existieren nur zwei Biogastankstellen in Deutschland (Jameln und Dannenberg), welche beide im Wendland angesiedelt sind. Ausbaupotential ist also vorhanden!

Aufbereitungstechniken

Zur Aufbereitung des Biogases zu Biomethan kommen neben noch nicht am Markt etablierten Methoden wie Membran-Trennverfahren oder kryogenen Verfahren hauptsächlich drei Arten zum Einsatz: Von den bisher geplanten und realisierten Biogasanlagen nutzen 33% Anlagen die Technik der Druckwechseladsorption (PSA), 31% reinigen ihr Biogas im Aminwäscheverfahren und weitere 27% bedienen sich der Druckwasserwäsche (DWW). Die restlichen 9% setzen weniger etablierte Verfahren ein (Quelle: www.biogaspartner.de). Die Aminwäsche sowie die Druckwechseladsorption werden bei mittelgroßen Anlagen mit einer durchschnittlichen stündlichen Aufbereitungskapazität von etwa 525 m³ Biomethan eingesetzt, während die Druckwasserwäsche bei größeren Anlagen zum Einsatz kommt (durchschnittliche Biomethankapazität von 872 m³/h).
Der Durchschnitt aller Biogasanlagen beträgt 761 m³ Biomethan pro Stunde (www.biogaspartner.de). Wichtig ist es zu berücksichtigen, den Methanschlupf möglichst gering zu halten. Denn nur so können Vorteile des Biomethans hinsichtlich des Ausstoßes von Klimagasen, verglichen mit der Erdgasnutzung, beibehalten werden. Problematisch ist, dass mit ansteigendem Methangehalt im aufbereiteten Biomethan auch der Methanschlupf der Gasaufbereitungsan

lage steigt. Kritisch anzumerken ist ebenfalls, dass mit der Einspeisung von Biomethan der – verglichen mit Kohle sehr saubere Energieträger Erdgas – substituiert wird. Um den Import von Energie und damit die Abhängigkeit von anderen zu verringern, ist die Biomethanerzeugung jedoch gut geeignet, da die komplette Wertschöpfung im Inland erfolgt. Ein zusätzlicher Vorteil von Biomethan ist die nicht vorhandene Preisbindung an den Erdölpreis, wie sie beim Erdgas gegeben ist, was längerfristige Kalkulationen erleichtert. Die zur Biogasaufbereitung notwendige Anlagentechnik stellt einen großen Kostenfaktor bei der Finanzierung von Biogasanlagen dar. Investitionen im fünf- bis sechsstelligen Bereich sind dabei allein für die Gasaufbereitung einzuplanen. Die Aufbereitungskosten pro Nm³ Biomethan liegen je nach Aufbereitungsmethode und Hersteller etwa zwischen 12 und 25 Cent (vgl. Urban, W., Girod, K., Lohmann, H. (2009): Technologien und Kosten der Biogasaufbereitung und Einspeisung in das Erdgasnetz. Ergebnisse der Markterhebung 2007- 2008; Fraunhofer UMSICHT). Die Frage, ab welcher Anlagengröße die Aufbereitung von Biogas zu Biomethan und anschließende Einspeisung in Erdgasnetze wirtschaftlich umsetzbar ist, kann jedoch nicht eindeutig beantwortet werden. In der Literatur finden sich Angaben, dass ab einer stündlichen Gasproduktion von 250 m³ eine Gasaufbereitung wirtschaftlich umsetzbar ist (vgl. Eder und Schulz 2007: Biogas Praxis). Solche Angaben sind aber sicherlich mit größter Vorsicht zu betrachten, da die Wirtschaftlichkeit der Anlagen von zahlreichen Faktoren wie z.B. die Substratbereitstellungs- kosten abhängig ist. Bei der Planung von Biogasanlagen mit anschließender Gasaufbereitung und –einspeisung ist aufgrund der hohen Investitionskosten das Hinzuziehen von externen unabhängigen Beratern zu empfehlen.
Diese sollten Angaben von Herstellern und involvierten Planungsbüros hinsichtlich der zu erwartenden Gaserträge und Raumbelastungen sowie der Wirtschaftlichkeit einer geplanten Anlage kritisch überprüfen.

Geschäftsfeld für Stadtwerke

Die Realisierung von Anlagen zur Biomethanerzeugung kann gerade für Stadtwerke lohnenswert sein: Viele private Verbraucher kaufen ihre Energie mittlerweile nach ökologischen Gesichtspunkten ein. Bietet nun ein Anbieter, der sich sogar direkt vor Ort befindet, ein solches Produkt an, können zusätzliche Kunden gewonnen werden. Infrage kommt dabei in dicht besiedelten städtischen Gebieten die Versorgung mit Nahwärme und Strom oder direkt mit Biomethan. Sind dazu noch Kompost- oder Bioabfallsammelstellen in kommunalem Besitz, bietet sich durch die Vergärung des Bioabfalls insbesondere der Betrieb von Biogasanlagen mit nachfolgender Biomethanaufbereitung an. So verbleibt die komplette Wertschöpfungskette in einer Hand. Optional kann die Nutzung von Biomethan als Treibstoff im kommunalen Nahverkehr in Betracht gezogen werden. Für bereits vorhandene Biogasanlagen, die sich in räumlicher Nähe zueinander befinden, kann der Anschluss an eine gemeinsame Gasaufbereitungsanlage eine Alternative zur herkömmlichen Verstromung in BHKWs sein.

ernst.a.stadlbauer@mni.fh-giessen.de
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