Biogas- und Biomethanproduktion aus Schlamm und Abfällen

Organische Abfallströme, wie z. B. landwirtschaftliche Rohstoffe, Lebensmittel und Klärschlamm, werden durch anaerobe Vergärung in Biogas und Biomethan umgewandelt. Da Biogas und Biomethan Energie aus Abfällen zurückgewinnen, leisten sie einen Beitrag zur Dekarbonisierung, sie verringern Abfallmengen und Emissionen und verbessern zudem die Energiesicherheit durch lokal erzeugte, erneuerbare Energie, die Strom-, Wärme- und Gasversorgungsnetze unterstützen kann.

Aus der Prozess- und Betriebsperspektive betrachtet, sind Biogas- und Biomethananlagen darauf ausgelegt, biologischer Stabilität, Gas- und Energieertrag und Gesamtverfügbarkeit unter stark schwankenden Bedingungen miteinander in Einklang zu bringen. Ziel der Anlagenbetreiber ist es, einen stabilen Vergärungsprozess aufrechtzuerhalten, der eine konstante Gasqualität und Energieeffizienz liefert und dabei mit veränderlichen Zusammensetzungen der Ausgangsstoffe, Beladungsraten und gesetzlichen Auflagen zurechtkommt. Im Gegensatz zu rein mechanischen Prozessen ist die anaerobe Vergärung von Natur störungsempfindlich. Neben der Energierückgewinnung gehört die Prozessstabilität deshalb zu den vorrangigen Zielen.

• Biogas ist das Rohgasgemisch, das bei der anaeroben Vergärung erzeugt wird. Es besteht hauptsächlich aus Methan, Kohlendioxid sowie Wasserdampf und Spurenverunreinigungen. Es wird üblicherweise vor Ort zur Wärme- und Stromerzeugung genutzt.
• Biomethan ist aufbereitetes Biogas: Kohlendioxid, Wasser und Verunreinigungen wurden entfernt, damit das Gas definierte Qualitätsspezifikationen erfüllt. Durch diesen Verarbeitungsschritt kann Biomethan als erneuerbares Gas genutzt werden, das mit Erdgas austauschbar ist und für die Nutzung in der Industrie oder im Verkehr in das Netz eingespeist werden kann.

Die Biogasproduktion wird um die Nutzung von lokal verfügbaren Ausgangsstoffen herum aufgebaut. Dies sind beispielsweise Klärschlamm, landwirtschaftliche Rohstoffe, Lebensmittel- und sonstige organische Abfälle sowie agroindustrielle Nebenprodukte. In Biogasanlagen werden diese organischen Ströme umgewandelt, d. h., Biogasanlagen verbinden Abfallbehandlung, Energierückgewinnung und Nährstoffrecycling in einem einzigen Prozess. Organische Stoffe, die sonst entsorgt werden müssten, werden stabilisiert, erneuerbare Energie wird erzeugt, und Nährstoffe in den Gärresten können (in einigen Ländern) in die landwirtschaftliche Nutzung zurückgeführt werden. Diese Integration macht die Biogasproduktion zu einem Beispiel, wie die Kreislaufwirtschaft in der Praxis funktioniert: Stoffkreisläufe werden geschlossen, und sowohl Energie als auch Ressourcen werden innerhalb bestehender regionaler Systeme zurückgewonnen.

Anaerobe Vergärung ist der wichtigste biologische Prozess in der Biogasproduktion und findet unter Sauerstoffabschluss in Fermentern statt, in denen Mikroorganismen das organische Material in Biogas umwandeln. Die Zusammensetzung des dabei entstandenen Gases, das hauptsächlich aus Methan und Kohlendioxid besteht, hängt stark von den Eigenschaften der Ausgangsmaterialien und den Betriebsbedingungen ab, beispielsweise von der organischen Beladung, dem Temperaturbereich und der Gesamtstabilität des Prozesses. Als biologisch gesteuerter und von Natur aus empfindlicher Prozess reagiert die anaerobe Vergärung direkt auf Veränderungen bei eingesetzten Stoffen und Bedingungen: Rohstoffschwankungen oder eine ungleichmäßige Beladung können Reaktionspfade beeinflussen, die Gasausbeute verringern, Veränderungen des Methangehalts verursachen oder zu einer vorübergehenden Instabilität des Prozesses führen.
Die Vergärungsleistung wird deshalb nicht nur durch die Auslegungskapazität bestimmt, sondern auch dadurch, wie konstant die Bedingungen innerhalb eines biologisch stabilen Betriebsfensters gehalten werden. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für einen zuverlässigen Anlagenbetrieb, insbesondere bei der Behandlung gemischter oder jahreszeitlich schwankender organischer Abfallströme.

Bei der Aufbereitung von Biogas zu Biomethan werden Verunreinigungen und nicht brennbare Bestandteile aus dem Rohbiogas entfernt, um seine Methankonzentration auf Erdgasqualität zu erhöhen. Nach der anaeroben Vergärung wird das Biogas von Schwefelwasserstoff, Feuchtigkeit und Spurenverunreinigungen gereinigt. Kohlendioxid wird mit etablierten Verarbeitungstechnologien abgetrennt. Dies ermöglicht die Kompatibilität mit der vorhandenen Gasinfrastruktur und einer breiteren Palette an Endnutzungsanwendungen, beispielsweise Einspeisung in das Netz oder Nutzung als erneuerbarer Kraftstoff in Verkehr und Industrie.

Im Vergleich zur direkten Nutzung des Biogases erhöht die Aufbereitung allerdings die Komplexität des Prozesses und stellt strengere Betriebsanforderungen: Spezifikationen der Gasqualität, Energieverbrauch und Prozessverluste müssen gegen die Vorteile von Netzkompatibilität und Flexibilität abgewogen werden. Die Aufbereitung stellt infolgedessen einen eigenen Betriebsschritt dar und nicht nur eine einfache Erweiterung der Vergärung.

Die Gasqualität in der Biogas- und Biomethanproduktion muss anwendungsspezifische Anforderungen erfüllen, unabhängig davon, ob das Gas zur Wärme- und Stromerzeugung genutzt oder für die Einspeisung ins Netz aufbereitet wird. Schwankungen in der Zusammensetzung der Ausgangsstoffe wirken sich direkt auf die Gaszusammensetzung aus und können einen unterschiedlichen Methangehalt, Feuchtigkeitsgehalt oder unterschiedliche Schadstoffkonzentrationen zur Folge haben.

Die Überwachung der Gasqualität und der Prozessbedingungen ist deshalb nicht nur eine gesetzliche Anforderung, sondern ein unerlässlicher Baustein für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb: Die frühzeitige Erkennung von Abweichungen ermöglicht vorbeugende Maßnahmen und unterstützt die Vermeidung abnormaler Betriebsbedingungen, die die Integrität und Verfügbarkeit der Anlage oder die Sicherheit beeinträchtigen könnten.

In der Praxis wird die Anlagenleistung nicht nur anhand von Spitzenwerten, sondern auf der Grundlage der Stabilität und Konstanz wichtiger Ergebnisse des Prozesses bewertet. Eine gleichbleibende Gaszusammensetzung, ein stabiles Gärverhalten und zuverlässige Verfügbarkeit dienen dabei als Kennzahlen einer gut geführten Biogas- oder Biomethananlage.

Der Einsatz von Biomethan ist durch rechtliche Rahmenbedingungen geregelt, die Nachhaltigkeitskriterien, Qualitätsstandards für das Gas und den Marktzugang festlegen. Diese Rahmenbedingungen stellen Regeln für die Nachhaltigkeit der Ausgangsstoffe, die Treibhausgasemissionen im Lebenszyklus und für die Zertifizierung auf. Damit wird sichergestellt, dass Biomethan als erneuerbare Energiequelle qualifiziert ist. Die Rahmenbedingungen legen auch Anforderungen für die Netzeinspeisung sowie für die Zusammensetzung und Qualität des Gases fest, um die Kompatibilität mit der vorhandenen Infrastruktur und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Die Regelwerke enthalten auch Mechanismen für Messung, Berichterstattung und Verifizierung sowie Zertifizierungsverfahren, mit denen die Nachverfolgung erneuerbarer Merkmale und Teilnahme am Markt ermöglicht wird.

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