Der Maschinenring Kassel hat die Effizienz von 28 Biogasanlagen überprüft. Die Ergebnisse überraschen. Es berichtet Biogas-Berater Klaus Anduschus.
Läuft eine Biogasanlage mit der Zugabe von Gülle oder Mist besser als bei reiner Maisvergärung? Bringt ein Zündstrahler wirklich mehr Wirkungsgrad? Und wie wirkt sich die Verweildauer auf die Effizienz der Anlage aus? Diese Fragen beschäftigen fast alle Landwirte, die eine Biogasanlage betreiben. Die Maschinenring Kommunalservice GmbH aus Kassel ist diesen Fragen nachgegangen. Im Rahmen einer Masterarbeit der Universität Gießen wurden 28 Biogasanlagen aus dem Jahr 2008 ausgewertet, die jeweils nur ein Zündstrahl-Blockheizkraftwerk (BHKW) oder ein Gas-Otto-BHKW betreiben. Denn nur damit lassen sich Anlagen genau vergleichen und auswerten. Grundlage für die Auswertung waren die Daten aus dem Betriebstagebuch, das der Maschinenring auf Excel-Basis selbst entworfen und allen Betreibern zur Verfügung gestellt hat.
Darin werden die Grunddaten des Betriebs wie z. B. Anlagenhersteller, Behälterdimension, Technikausstattung usw. erfasst. Die Gaserträge der Inputstoffe werden anhand der KTBL-Werte automatisch ermittelt. Die Daten dienen nicht nur dem Controlling der Anlagen, sondern gleichzeitig auch als Nachweis für die Behörden wie BLE, Netzbetreiber oder Umweltgutachter.
Auch Silierprozess einbeziehen
Die gefütterten Mengen und deren Energiegehalt lassen sich unter Praxisbedingungen relativ genau erfassen. Wir ermitteln den Trockensubstanz-(TS)-Gehalt der Inputstoffe bereits bei der Ernte. Denn Versuche, den TS-Gehalt der Silagen bei der Fütterung zu ermitteln, haben zu nicht aussagekräftigen Ergebnissen geführt. Grund: Beim Siliervorgang verliert das Substrat an organischem Trockensubstanzgehalt (oTS), es bilden sich dagegen Säuren. Daher hat Silage, die mit 35 % TS geerntet wird, nach dem Öffnen des Silos weniger TS-Gehalt als vorher. Die Säuren stehen aber zur Energiegewinnung weiter zur Verfügung.
Andersherum verliert Mais, der mit 28 % TS einsiliert wird, während der Lagerzeit energiehaltiges Sickerwasser. Er hat dann nach der Silierung einen höheren TS-Gehalt, aber weniger Energie. Zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit einer Biogasanlage ist es daher sinnvoll, die Prozesse ab der Ernte bis zur Stromerzeugung komplett zu betrachten.
In einem Tageskalender erfassen die Betreiber die tägliche Fütterungsmenge in Tonnen oder in m3. Aber auch Messwerte wie Methan- und Schwefelgehalt, Temperatur und Zählerstände notieren sie von Hand. Da mit Absicht keine Automatisierung erfolgt, ist der Betreiber gezwungen, die täglichen Werte bewusst zu erfassen und damit Vorgänge und Entwicklungen seiner Anlage genau zu kennen.
Die Werte haben gewisse Ungenauigkeiten, da sie nicht wissenschaftlich ermittelt werden. Daher ist nicht die einzelne Zahl ausschlaggebend, sondern das Ergebnis einer Vielzahl von Anlagen, die über einen längeren Zeitraum Daten nach dem gleichen Prinzip erheben.
Bei der Auswertung der Anlagen ist die erzeugte Biogasmenge zwar für den einzelnen Anlagenbetreiber interessant, aber für den Anlagenvergleich kaum geeignet. Denn auf den Betrieben sind die Biogaszähler nicht geeicht und es besteht keine Möglichkeit, die Gasmenge anhand von Gasdruck, Gastemperatur und Luftdruck auf Normgas umzurechnen.
Anlagenvergleich nach Effizienzwert
Die verkaufte Strommenge ist dagegen ein sehr genauer Wert, da sie über einen geeichten Stromzähler erfasst wird. Allerdings sind darin Leitungsverluste vom BHKW bis zum Trafo nicht enthalten. Auch verbrauchen einige Betriebe den erzeugten Strom selbst, so dass der verkaufte Strom nicht zum Anlagenvergleich geeignet ist.
Die einzige genaue Zahl, die zur Verfügung steht, ist daher die produzierte Strommenge. Aus den unter Praxisbedingungen erfassten Fütterungsmengen lassen sich der theoretische Methanertrag und damit die theoretisch mögliche Stromproduktion ermitteln. Zusammen mit der tatsächlichen Stromproduktion ergibt sich der elektrische Gesamtwirkungsgrad der Biogasanlage. Zieht man davon den elektrischen Wirkungsgrad des Motors (Herstellerangabe) ab, kann man anhand der Differenz sehen, wie effizient die Anlage läuft. Daher lässt sich dieser Wert auch als „Effizienzwert“ bezeichnen. Konkretes Beispiel: Ein BHKW-Hersteller gibt 40 % als elektrischen Wirkungsgrad an. Folgende Rückschlüsse lassen sich beim Vergleich mit dem errechneten, elektrischen Gesamtwirkungsgrad daraus ziehen:
Liegt der Gesamtwirkungsgrad der Anlage bei 40 %, beträgt der Effizienzwert 0 %. Damit stimmen die aus den Inputstoffen errechneten Werte mit dem tatsächlichen Ergebnis überein.
Erreicht die Anlage einen Wirkungsgrad von nur 38 %, liegt eine Unterleistung von 2 % vor. In der Anlage gibt es also irgendwo Probleme.
Liegt der Gesamtwirkungsgrad bei 44 %, beträgt die Überleistung 4 %. Die Anlage läuft also sehr effizient. Die Ergebnisse dieser Anlagen helfen der Beratung im Arbeitskreis Biogas, die Leistung der schwächeren Anlagen zu erhöhen.
In der Auswertung wurde untersucht, welche Anlagen eine Über- bzw. Unterleistung haben und wie sich erfolgsbestimmende Parameter darauf auswirken. Dazu zählen:
Bauart des BHKW,
BHKW-Auslastung,
Fermentationsart (nass oder trocken),
Anzahl der eingesetzten Substrate,
Anteile der eingesetzten Substrate,
Gesamtgärvolumen,
Faulraumbelastung des Gesamtgärvolumens,
Verweilzeit.
Mangelhafte Technik kostet Ertrag
Bei der Auswertung der 28 Anlagen im Arbeitskreis Biogas lag die Streuung bei + 6,5 % (Überleistung) bis – 5 % (Unterleistung). Die ermittelten Überleistungen basieren auf einem höheren Methanertrag aus den Inputstoffen, als nach den Tabellenwerten des KTBL theoretisch erzielbar sind. Aber auch die Anlagenführung ist bei diesen Anlagen sehr gut.
Die Unterleistung liegt teilweise an nicht angepasster oder ungeeigneter Technik. Ein Beispiel für schlechte Anpassung sind Getreidevergärungsanlagen, die aufgrund hoher Getreidekosten mit Mais gefüttert werden. Auch zu nennen sind in diesem Zusammenhang Rührwerke, die den Fermenterinhalt mit hohem TS-Gehalt z. B. bei hohem Grasanteil nicht rühren können.
Auch lange Ausfallzeiten oder mangelhafter Input sind Ursachen für Unterleistungen. Schlechte Substratqualitäten ergeben sich z. B. durch fehlende Silageabdeckung, unsaubere Anschnittsflächen, mangelnde Verdichtung oder schimmeliges Substrat, wie die Praxis zeigt.
„Ackervirus“ reduziert Auslastung
Bei der BHKW-Auslastung kamen die 16 Betriebe mit Zündstrahlmotoren auf durchschnittlich 94,65 %, die der Gasmotoren auf 94,75 %. Die Wahl des BHKW hat also keinen Einfluss auf die Gesamtauslastung. Interessant dabei ist, dass in den Monaten Juli und August die Auslastung auf knapp 91 % gesunken ist. Hier lässt sich der vielbeschworene „Ackerbauvirus“ erkennen, bei dem die Betreuung der Anlagen in den Erntemonaten etwas in den Hintergrund rückt.
Deutliche Unterschiede gab es dagegen bei dem elektrischen Wirkungsgrad der Gesamtanlage. Betreiber mit einem Zündstrahl-BHKW erreichten einen Wirkungsgrad von 43,66 %, mit Gas-Otto-Motor dagegen nur von 39,61 %. Auffallend dabei: Selbst die Betreiber mit Zündstrahl-BHKW und den geringsten Wirkungsgraden lagen immer noch auf dem mittleren Niveau der Gas-Motor-Wirkungsgrade.
Allerdings zeigt sich auch, dass die Streuung zwischen „gut“ und „weniger gut“ bei Zündstrahl-BHKW am größten ist. Wer seine Anlage gut führt und eine hohe Gasqualität erreicht, kann mit dem Zündstrahl-BHKW einen höheren elektrischen Gesamtwirkungsgrad erreichen. Das Zündstrahl-BHKW ist sensibler und benötigt einen höheren Wartungsaufwand. Daraus lässt sich die Empfehlung für Neueinsteiger ableiten: Wer keine optimale Wärmenutzung hat, sollte besser auf Zündstrahl-Motoren setzen. Denn bei diesen Anlagen sind wegen des geringeren thermischen Wirkungsgrades die Wärmeverluste geringer. Wer dagegen eine gute Wärmeverwertung realisiert, fährt mit einem Gas-Otto-Motor besser.
Interessant ist auch ein Blick auf die Fermentationsart. Im Mittel erreichten die Anlagen mit „nasser“ Vergärung, also mit dem Einsatz von Gülle, eine Überleistung von 0,96 %, die Anlagen mit Trockenfermentation schafften dagegen nur – 0,27 % Unterleistung. Bei der Streuung der Anlagen zeigt sich aber auch: Wer die Trockenfermentation beherrscht, ist nicht schlechter als die Betreiber mit Nassfermentation.
Lange BHKW-Laufzeit nicht immer positiv
Bei der Betrachtung der weiteren Parameter sind 30 Anlagen je nach Leistung in drei Gruppen mit je zehn Anlagen eingeteilt worden (siehe Übersicht 2). Unter die niedrige Effizienzklasse fällt das untere Drittel der Anlagen mit einem Effizienzwert von – 0,49 % bis – 2,99 %, die mittlere Effizienzklasse mit Werten von – 0,3 bis 1,44 % und die besten zehn Anlagen in der hohen Effizienzklasse mit 1,57 bis 7,17 % Überleistung. Die Einteilung in Gruppen soll deutlich machen, bei welchen Parametern deutliche Unterschiede zwischen guten und ineffizienten Anlagen bestehen und welche Gemeinsamkeiten die besten Anlagen haben.
Die BHKW-Auslastung lag bei der unteren Gruppe im Durchschnitt bei 93,11 %, bei der mittleren Gruppe bei 94,66 % und bei der Spitzengruppe bei 96,32 %. Das Ergebnis zeigt, dass eine hohe Effizienz der Anlage nicht mit einer hohen Laufzeit des BHKW allein zu erklären ist. Denn wie das Ergebnis der Gruppe 1 zeigt, läuft hier das BHKW recht häufig bei geringer Ausbeute der eingesetzten Substrate. Ursache hier kann sein, dass die Fütterung unregelmäßig erfolgt oder das unverhältnismäßig viel Substrat zur Biogasproduktion verwendet wird. Es könnte aber auch sein, dass zu viel Biogas erzeugt wird und die Überdrucksicherungen anspringen. Die Folge: Ein Teil des Biogases verflüchtigt sich ungenutzt.
Beim Gesamtgärvolumen haben Anlagen im unteren Drittel durchschnittlich nur 2 438 m3, die Spitzengruppe kommt dagegen auf 2 812 m3.
Bei der Faulraumbelastung (bezogen auf das Gesamtgärvolumen) zeigt sich, dass auch hier Energie verschenkt werden kann. Denn die Anlagen mit der geringsten Effizienz füttern 2,9 kg organische Trockensubstanz (oTS) pro m3 Gärvolumen und Tag. Die mittlere Gruppe kommt auf 1,91 kg, während die besten Anlagen 1,76 kg füttern. Beim Blick auf einzelne Anlagen wird deutlich, dass auch effiziente Anlagen eine hohe Faulraumbelastung sogar bis 6 kg erreichen können. Bedingung dafür aber ist, dass die Anlagen äußerst gleichmäßig gefüttert und sehr gut beobachtet werden.
Entsprechend sieht es mit der Verweilzeit der Substrate im Fermenter aus. Während die Substrate bei der Spitzengruppe knapp 117 Tage vergären, kommen ineffiziente Anlagen nur auf knapp 102 Tage.
Bei der Anzahl der eingesetzten Substrate zeigen sich keine großen Unterschiede zwischen den drei Gruppen. Während das untere Drittel der Anlagen insgesamt 5,8 verschiedene Substrate einsetzt, füttert die zweite Gruppe 6,7 und die Spitzengruppe 5,6 Inputstoffe.
Gute Anlagen – viel Gülle, wenig Mais
Interessant ist dagegen ein Blick auf die Anteile des Inputs (Übersicht 3). Die Gruppe mit der schwächsten Effizienz füttert zu fast 46 % Mais in der Ration. Dagegen liegt der Maisanteil in der Spitzengruppe bei nur knapp 36 %. Der Substratmix ist bei den besten Anlagen so gestaltet, dass kein Substrat einen höheren Anteil als 40 % hat.
Auffällig ist auch, dass bei dem besten Drittel der Anteil Rindergülle bei knapp 36 % und damit auf dem gleichen Niveau wie der Maisanteil liegt. Auch der Anteil Grassilage (7,23 %) ist hier sehr hoch. Das lässt den Rückschluss zu, dass ein hoher Anteil von nur einem Substrat eine zu einseitige Fütterung ist, die restlichen Substrate können den Minderertrag nicht ausgleichen. Das führt auch dazu, dass Anlagen mit Maisvergärung (Monovergärungsanlagen) fast immer Spurenelemente ergänzen müssen. Bei einem guten Substratmix ist das dagegen nicht nötig.
Festzustellen ist auch, dass der Anteil Schweinegülle bei den Spitzenbetrieben sehr niedrig ist. Das hängt damit zusammen, dass sich aus Rindergülle deutlich mehr Biogas erzeugen lässt.
Fazit
Die neuen Zündstrahlmotoren können genau wie Gas-Otto-Motoren den von den Herstellern versprochenen Wirkungsgrad in der Praxis einhalten.
Neben der Anzahl der Substrate ist ein breiter Substratmix entscheidend: Bei guten Anlagen wird kein Substrat zu mehr als 40 % eingesetzt.
Die Kombination aus Mais und Rindergülle zusammen mit anderen Stoffen hat sich als günstig erwiesen.
Effiziente Anlagen haben ein höheres Gärvolumen bei geringerer Faulraumbelastung (unter 2 kg oTS/m3 und Tag) und 100 bis 130 Tagen Verweildauer.
Die Qualität der Anlagenbetreuung beeinflusst die Effizienz maßgeblich.
Wenn die Anlage korrekt gebaut und genügend Futter vorhanden ist, ist eine Auslastung von 95 % machbar.
