Biogaserzeugung 2010
Die Erzeugung von Strom und Wärme in Biovergärungsanlagen wird oft als CO2-frei
angepriesen. Bei Vergärung von eigens angebauten Energiepflanzen wie Mais kann sich
die Klimabilanz von Biogasanlagen allerdings dramatisch verschlechtern, ja, es können
sogar mehr klimawirksame Gase als bei herkömmlicher Energieproduktion freigesetzt
werden. Prof. Dr. Ernst A. Stadlbauer und Christian Jennemann fordern neue Ansätze bei der Substrat- und Verfahrensauswahl, um die Zukunftsfähigkeit der Biogasanlagen insbesondere im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit zu gewährleisten.
Die Vergärung von pflanzlicher Biomasse in Biogasanlagen hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Grund hierfür ist das Gesetz für den Vorrang erneuerbarer Energien vom 1. April 2000, kurz EEG, mit den Novellierungen von 2004 und 2008. Ziel dieses Gesetzes ist die Steigerung des Anteils von erneuerbaren Energien an der gesamten Energiebereitstellung in Deutschland. Hintergrund für das EEG ist, dass durch den angestrebten Ausstieg aus der Atomenergie die entstehende Lücke in der Energieversorgung geschlossen werden muss sowie internationale Verpflichtungen zur Reduktion der Kohlendioxidemissionen (Stichwort Kyoto- und Nachfolge Protokolle) als Beitrag zum Klimaschutz eingegangen wurden.
Ende 2008 lag laut Bundesumweltministerium (BMU) der Anteil der erneuerbaren Energien (Wind-, Wasser-, Sonnenenergie, Energie aus Biomasse, Geothermie) am gesamten Endenergieverbrauch bei 9,5 %, wobei die Energieerzeugung aus Biomasse den größten Anteil von 6,6 % ausmachte [BMU (2009): Entwicklungen der Erneuerbaren Energien in Deutschland]. Der Anteil erneuerbarer Energien soll, wenn an den aktuellen Zielsetzungen festgehalten wird, bis zum Jahr 2020 bis auf 18 % des Endenergieverbrauchs gesteigert, also in den nächsten elf Jahren fast verdoppelt werden. Neben Verbesserungen zur effizienteren Nutzung von Energie und damit verbunden einer generellen Energieeinsparung ist dies nur durch einen massiven Ausbau der erneuerbaren Energien zu erreichen. Der energetischen Nutzung von nachwachsender Biomasse kommt dabei eine entscheidende Rolle zu, da in diesem Bereich großes Ausbaupotenzial vorhanden ist.
Die Anzahl der in Deutschland betriebenen Biogasanlagen und die installierte elektrische Leistung spiegelt diese Entwicklung wider. Nach Angaben der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) waren vor Inkrafttreten des EEG im Jahr 1999 insgesamt 850 Anlagen mit einer installierten elektrischen Leistung von etwa 49 MW in Betrieb. Im Jahr 2009 wird die Anlagenzahl aller Voraussicht nach bei 4.780 und die installierte elektrische Leistung rund 1.600 W betragen [FNR (2009)].
Die Energieerzeugung in Biogasanlagen basiert auf der anaeroben Vergärung von organischem Ausgangsmaterial zu einem Gasgemisch, bestehend aus größtenteils Methan und Kohlendioxid. Etabliert und zur Erzeugung von Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo) überwiegend angewandt wird hierbei die Fermentation in Nassvergärungsverfahren. Dabei werden eigens zur Vergärung angebaute Energiepflanzen und/oder Rinder- sowie Schweinegülle zusammen in Biogasfermentern vergoren und das Gärprodukt Biogas energetisch in Blockheizkraftwerken zur Strom- und Wärmegewinnung genutzt.
Bei den zur Vergärung in Biogasanlagen angebauten Energiepflanzen ist Mais die dominierende Pflanzenart. Im Jahr 2007 lag nach Angaben des Instituts für Energetik und Umwelt (IEU) der massenbezogene prozentuale Anteil von als Substrat in Biogasanlagen eingebrachtem Mais bei 79 % aller nachwachsenden Rohstoffe [IEU & Partner (2008): Monitoring zur Wirkung des Erneu- erbare-Energien-Gesetzes (EEG) auf die Stromerzeugung aus Biomasse, Endbericht]. Diese herausragende Bedeutung von Mais basiert auf hohen Hektar- und Biogaserträgen, sodass aus einem Hektar Ackerland beträchtliche Energieausbeuten gewonnen werden können. Doch ist der Anbau von Energiepflanzen, insbesondere von Mais, umwelt- und klimaverträglich? Um hohe Erträge an proteinhaltiger und somit energiereicher Biomasse pro Hektar Anbaufläche zu erzielen, sind umfangreiche Stickstoffdüngungen nötig. Durch Denitrifikation, der Umwandlung des Nitrat-Stickstoffs über mehrere Schritte zu molekularem Stickstoff, kann es zu beträchtlichen Lachgasemissionen kommen. Lachgas ist als Treibhausgas 298-mal schädlicher als Kohlendioxid.
Durch mangelhafte Biogasanlagentechnik, zu nennen sind hier in erster Linie nicht gasdicht bedeckte Gärrestlager und Vorgruben, kann es darüber hinaus zu beachtlichen Emissionen von Methan und Ammoniak kommen, wobei Methan einen 25-mal stärkeren Treibhauseffekt als Kohlendioxid hat. Der Niederschlag von Ammonium- Stickstoff aus der Luft kann ebenfalls zur Bildung von Lachgas beitragen. Aus diesem Grund ist auch die Ausbringung des Biogasanlagen- Gärrestes in die Klimabilanz mit einzubeziehen. Erfolgt das Ausbringen nicht mithilfe von Schleppschläuchen, sondern mit Pralltellern und findet die gesetzlich vorgeschriebene unmittelbare Einarbeitung in den Boden nicht innerhalb weniger Stunden (1 – 2 h) nach Ausbringen statt, sondern, wie häufig anzutreffen, erst 24 h später, kommt es zu hohen Ammoniak- Emissionen in die Atmosphäre. Wird Grünland zum Anbau von Energiepflanzen umgebrochen, werden darüber hinaus ebenfalls Treibhausgase in stattlichen Größenordnungen freigesetzt. Aufgrund dieser Begebenheiten ist es möglich, dass durch die Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen aus eigens angebauten Energiepflanzen die Summe aller klimawirksamen Emissionen von Biogasanlagen die Bilanz an CO2- Äquivalenten deutlich ins Negative ziehen kann. Durch den Betrieb von Biogasanlagen zur Vergärung nachwachsender Rohstoffe können also beträchtlich mehr Klimagase freigesetzt werden als bei der herkömmlichen Energieproduktion im vorherrschenden fossilen und nuklearen Strommix.
Wird jedoch die Biogasanlage mit schon aus vorhandenen Tierzuchtanlagen als (Abfall-)Produkt anfallender Gülle und nur einem kleinen oder ohne Anteile von extra für die Vergärung angebauten Energiepflanzen betrieben, so zeigt sich bei diesen Anlagen eine deutlich bessere Klimabilanz, wie Untersuchungen im Auftrag des BMU ergeben haben [Gärtner, S., Münch, J., Reinhardt, G., Vogt, R. (2008): Optimierungen für einen nachhaltigen Ausbau der Biogaserzeugung und -nutzung in Deutschland, Materialband E, Ökobilanzen IFEU-Institut für Energie und Umweltforschung Heidelberg GmbH, BMU-Forschungsvorhaben FKZ: 0327544]. Bei diesen Anlagen sinken die klimawirksamen Emissionen durch die anaerobe Behandlung deutlich im Vergleich zum herkömmlichen Ausbringen der Gülle auf die Felder. Die Untersuchungen im Auftrag des BMU zeigten, dass sogar der Transport von Gülle über geringe Distanzen von einigen Kilometern zu einer Gemeinschaftsbiogasanlage sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch zu vertreten ist.
Zur klimafreundlichen Energiegewinnung mit Biogasanlagen lohnt auch ein Blick auf alternative, bislang kaum beachtete Substrate, welche nicht extra für die Vergärung angebaut werden müssen und als Abfallstoffe ohnehin anfallen. Die anaerobe Vergärung von Bioabfällen aus der Biotonne, von bei der Landschaftspflege anfallenden Pflanzenabfällen oder von kommunalem oder privatem Grünschnitt, Straßenbegleitgrün etc. bietet noch großes, bisher nur wenig erschlossenes Potenzial. Bisher wurde das Augenmerk nicht oder nur wenig auf diese Substrate gelenkt, da diese in konventionellen Nassvergärungsanlagen nur schwer verwertbar sind. Neuartige Fermentationsverfahren wie z.B. die Trockenfermentation in Boxenfermentern haben ihre Praxistauglichkeit hinlänglich unter Beweis stellen können. In Kombination mit lagerfähigen Silagen aus Überschussgrünland (für die Viehzucht nur eingeschränkt nutzbare 3. und 4. Schnitte) besteht auch hier die Möglichkeit, eine über das ganze Jahr konstante Menge an Biogas zu erzeugen.
Eine weitere Steigerung einer positiven Klimabilanz von Biogasanlagen lässt sich durch hohe Ausnutzung der Abwärme der zur Verstromung eingesetzten BHKWs bewirken. Ist eine Nutzung der Wärmeenergie nur unvollständig oder eingeschränkt möglich, so besteht die Möglichkeit, das Biogas auf Erdgasqualität aufzubereiten und in Erdgasnetze einzuspeisen. Damit lässt sich das Gas an Orte transportieren, an denen optimalere Wärmenutzungskonzepte realisierbar sind. Aufgrund der hohen Investitionskosten ist diese Möglichkeit allerdings größeren Biogasanlagen vorbehalten.
ernst.a.stadlbauer@mni.fh-giessen.de
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