In vielen Biogasanlagen schlummert noch Potenzial. Wie Sie den Schwächen der eigenen Anlage auf die Schliche kommen, erklärt Dr. Mathias Effenberger von der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft, Freising.
Eine Biogasanlage in der Landwirtschaft ist kein profitabler Selbstläufer. Viele Anlagen haben noch Potenzial zur Leistungssteigerung. Denn bei Anbau, Ernte und Lagerung der Rohstoffe, Vergärung oder Biogasaufbereitung können viele Verluste auftreten. Effizienzsteigerung bedeutet, diese Verluste zu minimieren.
Doch wer seine Biogasanlage profitabler machen will, muss zunächst die Effizienzkennzahlen der Anlage kennen (siehe Übersicht 1). Nur so kann man gezielte Maßnahmen zur Verbesserung planen und nach der Umsetzung auf ihren Erfolg prüfen.
Im Folgenden nehmen wir vier Maßnahmen mit großer Hebelwirkung unter die Lupe und erklären, was man anhand der Effizienzkennzahlen ablesen kann:
- Einsatz einer zusätzlichen Substrataufbereitung,
- Steigerung des Wärmeverkaufs,
- Verringerung des Eigenstrombedarfs,
- Verbesserung des Blockheizkraftwerks (BHKW).
1. Das Substrat aufbereiten. Dazu ein Beispiel aus Bayern: Der Betreiber einer Biogasanlage mit 280 Kilowatt (kW) Leistung, in der hauptsächlich Schweinegülle, Maissilage und Grassilage zum Einsatz kommen, will nach mehreren Jahren die Leistung des BHKW auf 350 kW erhöhen. Sein Ziel ist dabei vor allem, mehr Wärme zu verkaufen.
Den Gärraum will er hierfür nicht vergrößern. Um mehr Methan aus der vorhandenen Biomasse zu erzeugen, entschließt er sich, eine Ultraschall-Aufschlusseinheit zu installieren. Die Ultraschalltechnik ist eines der heute am Markt angebotenen Verfahren, um die Biomasse besser aufzuschließen. Dabei werden die Zellen der Biomasse mithilfe von Ultraschall zum Platzen gebracht.
Außerdem setzt er nach der Erweiterung mehr Schweinegülle als vorher ein (37 % statt 27 %), um den Güllebonus nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG 2009) zu bekommen. Dafür reduziert er den Anteil an Mais- und Grassilage. Übersicht 2 zeigt die Kennwerte der Biogasanlage vor und nach den Maßnahmen.
Es wird deutlich, dass das Ultraschallgerät die Effizienz der Biogasanlage in Bezug auf die eingesetzte Biomasse deutlich verbessern konnte. Zwar benötigt die Ultraschalltechnik zusätzlich Strom. Dennoch stieg die Netto-Stromausbeute von 1 467 auf 1 533 Kilowattstunden (kWh) je kg organische Trockenmasse leicht an. Denn der Strombedarf für das Rühren der Gärbehälter ging um fast ein Drittel zurück, so dass der Eigenstrombedarf der Biogasanlage unverändert bei einem sehr günstigen Wert von 4,5 % blieb.
Mit der Maßnahme hat der Betreiber die Methanproduktivität des verfügbaren Gärraums um 10 % gesteigert. Das bedeutet: Pro Kubikmeter Fermentervolumen und Tag stieg die Ausbeute von 1 auf 1,1 m3 Methan an. Dies reichte jedoch nicht aus, um die hohe Arbeitsausnutzung von 96 % auch für das leistungsstärkere BHKW zu erreichen. Das neue BHKW mit 350 kW kann nur zu 86 % ausgelastet werden.
2. Mehr Wärme verkauft: Wie geplant konnte er den Wärmeabsatz von 38 kW auf 174 kW deutlich erhöhen. Dadurch ließ sich der Nutzungsgrad der Methanenergie von 42 auf 69 % steigern. Das bedeutet: Der Betreiber kann 69 % der im Methan enthaltenen Energie nutzen.
Das zeigt, dass sich die Energieeffizienz einer Biogasanlage sehr schnell dadurch steigern lässt, wenn der Wärmeabsatz erhöht wird. Voraussetzung ist allerdings, dass diese Wärmeenergie effektiv fossile Energieträger ersetzt.
Zwischenfazit: Die Repowering-Maßnahme in diesem Fall lohnt sich nur, wenn die Einkünfte aus dem deutlich höheren Wärmeabsatz und der nur leicht erhöhten Stromproduktion die Investitionskosten übersteigen.
3. Eigenstrombedarf senken: Ein weiterer, sehr bedeutender Hebel ist die Verringerung des Eigenenergiebedarfs. Auf der Wärmeseite wird der Energiebedarf für die Erwärmung der Gärbehälter vor allem bestimmt von der zugeführten Menge an Wasser, der Bauform und der baulichen Ausführung der Behälter sowie der gewählten Gärtemperatur.
Beim Strom gelten mechanische Rührwerke als die größten Stromverbraucher. Sie können die Hälfte oder noch mehr des gesamten Eigenstrombedarfs für den Betrieb der Anlage verursachen. Von Anlage zu Anlage gibt es hierbei erhebliche Unterschiede, wie der folgende Vergleich zeigt (Übersicht 3).
In diesem Beispiel haben wir zwei Biogasanlagen miteinander verglichen. Anlage 1 setzt ein Langachsrührwerk in Kombination mit einem Tauchmotorpropeller ein. In Anlage 2 wird der Fermenter von zwei Stabmixern gerührt. Beide Anlagen besitzen Fermenter mit gleich großem Durchmesser und setzen eine ähnliche Futterration ein.
Bei Anlage 1 war die installierte Rührleistung bezogen auf das Fermentervolumen zwar höher (3,69 kW/100 m3). Dafür war bei Anlage 2 die gemessene Rührleistung fast dreimal so hoch (2 kW je 100 m3 Fermentervolumen). Auch rührten die beiden Stabmixer mit 10,1 Betriebsstunden pro Tag deutlich länger als die Rührwerke in Anlage 1 (3,5 Stunden pro Tag). Das hatte zur Folge, dass die beiden Stabmixer in Biogasanlage 2 mit 19,4 kWh je t Substrat mehr als das Zehnfache an Strom benötigten. In diesem Beispiel stellt also die Ausstattung von Biogasanlage 1 die wesentlich effizientere Lösung dar.
Um zu überprüfen, ob der Stromverbrauch der Rührwerke zu hoch ist, hilft ein Blick auf den Anteil der Rührwerke am Strombedarf. Er sollte nicht mehr als die Hälfte des Eigenstrombedarfs ausmachen. Da der Eigenstrombedarf nicht über 8 % liegen sollte (siehe Übersicht 1), sollte der Rührwerk-Strombedarf also auch nicht über 4 % liegen. Übersicht 3 zeigt, dass die Anlage 2 hier mit 5,6 % Anteil am Stromertrag schon über diesem Faustwert liegt. Dementsprechend zu hoch ist auch der Anteil des Strombedarfs von 69 % am Eigenstrombedarf.
4. Mehr Wirkungsgrad: Ein weiterer Effizienzhebel ist das Blockheizkraftwerk (BHKW). In langjährigen Messungen unter Praxisbedingungen wurde festgestellt, dass der elektrische Wirkungsgrad von BHKW mit Verbrennungsmotor mit zunehmender Betriebsdauer durch Verschleiß sinkt.
Ein Wirkungsgradverlust von einem Prozentpunkt klingt zunächst nicht viel. Für einen 526 kW-Motor mit hoher Auslastung (97 %) müssten bei ansonsten gleichbleibenden Bedingungen jedoch schon 6 ha mehr Mais angebaut werden, um diesen Verlust auszugleichen.
Auch bei regelmäßiger Wartung muss ungefähr mit einem Wirkungsgradverlust von 0,5 bis 0,6 Prozentpunkten je 10 000 Betriebsstunden gerechnet werden. Nach einer professionellen Generalüberholung nach ca. 40 000 Betriebsstunden kann der Wirkungsgrad dagegen wieder auf den Ausgangswert zurückgesetzt werden. Eine regelmäßige Wartung beugt zudem unplanmäßigem Stillstand vor, der zu einem Verlust an Biogas durch Abfackeln führen kann.
Fasst man alle vorgestellten Maßnahmen zusammen, wird Folgendes deutlich: Bei der Effizienzsteigerung sollte man schrittweise vorgehen. Anlagen ohne lukrative Wärmenutzung sollten zuerst mehr Wärme nutzen oder verkaufen.
Der Eigenenergiebedarf einer Biogasanlage ist von zahlreichen Faktoren abhängig, lässt sich aber im Vorfeld der Anlagenerrichtung durch gute Planung und Technikauswahl günstig reduzieren. Das Optimierungspotenzial im laufenden Betrieb ist in diesem Bereich hingegen relativ beschränkt bzw. mit größerem Investitionsaufwand verbunden, der sorgfältig überlegt werden sollte.
Die regelmäßige Wartung und Kontrolle aller wichtigen Anlagenteile beugt Stillstandszeiten und damit dem Verlust von Biogas vor.
Der Zustand der Gärbiologie sollte anhand geeigneter Prozessindikatoren fortlaufend kontrolliert werden, um eine mögliche Hemmung bzw. Destabilisierung des Gärprozesses frühzeitig erkennen und abwenden zu können. Eine an die Größe der Anlage und die Auswahl der Einsatzstoffe angepasste messtechnische Ausstattung kann sich so rasch bezahlt machen.
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