Biogas gewinnt als erneuerbare Energiequelle zunehmend an Bedeutung. Doch was genau verbirgt sich hinter diesem Begriff? Biogas ist ein brennbares Gasgemisch, das bei der Vergärung organischer Materialien unter Luftabschluss entsteht. Es wird in Biogasanlagen produziert und kann vielseitig zur Energiegewinnung genutzt werden, sei es für die Erzeugung von Strom und Wärme oder nach entsprechender Aufbereitung als Biomethan im Gasnetz. Als klimafreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen spielt Biogas eine wichtige Rolle in der Energiewende.
Biogas Definition: Was versteht man unter Biogas?
Die Biogas Definition lässt sich präzise formulieren: Biogas ist ein Gemisch verschiedener Gase, das durch den mikrobiellen Abbau organischer Substanzen unter anaeroben Bedingungen – also ohne Sauerstoff – entsteht. Die chemische Zusammensetzung besteht hauptsächlich aus Methan (CH₄) und Kohlendioxid (CO₂), wobei Methan den energiereichen, brennbaren Anteil ausmacht.
Im wissenschaftlichen Kontext wird Biogas als Produkt der anaeroben Fermentation bezeichnet. Dieser biologische Prozess findet natürlicherweise in Mooren, Sümpfen oder im Verdauungstrakt von Wiederkäuern statt. In Biogasanlagen wird dieser natürliche Vorgang technisch optimiert und kontrolliert durchgeführt, um gezielt Energie zu gewinnen.
Rechtlich ist Biogas in Deutschland im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) verankert und wird als biogener Energieträger klassifiziert. Es zählt zu den erneuerbaren Energien, da die eingesetzten Rohstoffe nachwachsen und bei der Verbrennung nur so viel CO₂ freigesetzt wird, wie die Pflanzen zuvor aus der Atmosphäre aufgenommen haben – ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf.
Biogas – was ist das? Die Grundlagen verständlich erklärt
Biogas – was ist das eigentlich in der praktischen Anwendung? Vereinfacht gesagt handelt es sich um „Gas aus biologischen Abfällen“. Stellen Sie sich vor, wie Küchenabfälle, Gülle vom Bauernhof oder Pflanzenreste normalerweise verrotten würden. Bei diesem Zersetzungsprozess entstehen Gase, die einfach in die Atmosphäre entweichen. In einer Biogasanlage wird dieser natürliche Vorgang in einem geschlossenen Behälter – dem Fermenter – gesteuert und das entstehende Gas aufgefangen.
Der Fermenter ist das Herzstück jeder Biogasanlage. In diesem luftdicht verschlossenen Behälter herrschen optimale Bedingungen für Mikroorganismen: eine konstante Temperatur zwischen 35 und 55 Grad Celsius, kein Sauerstoff und ein gleichmäßiges Substratangebot. Die Bakterien zersetzen die organischen Materialien Schritt für Schritt und wandeln sie in Biogas um.
Das gewonnene Gas kann dann auf verschiedene Weise genutzt werden:
- Direkt vor Ort in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung
- Nach Aufbereitung als Biomethan ins Erdgasnetz eingespeist
- Als Kraftstoff für Fahrzeuge verwendet
- Zur reinen Wärmeerzeugung in Heizkesseln genutzt
Der große Vorteil: Biogas ist speicherbar und kann bedarfsgerecht eingesetzt werden – im Gegensatz zu Solar- oder Windenergie, die wetterabhängig sind.
Was ist Biogas einfach erklärt? Der Prozess Schritt für Schritt
Was ist Biogas einfach erklärt, wenn man den gesamten Entstehungsprozess betrachtet? Denken Sie an einen geschlossenen Kreislauf, der in mehreren aufeinander folgenden Phasen abläuft:
Phase 1: Hydrolyse
Die erste Stufe beginnt mit der Zerkleinerung komplexer organischer Moleküle. Kohlenhydrate, Proteine und Fette werden durch Enzyme in kleinere Bausteine aufgespalten: Zucker, Aminosäuren und Fettsäuren. Dieser Schritt ist vergleichbar mit der Verdauung im menschlichen Körper.
Phase 2: Acidogenese (Säurebildung)
Die zerlegten Moleküle werden von säurebildenden Bakterien weiter abgebaut. Es entstehen kurzkettige organische Säuren wie Essig-, Propion- und Buttersäure sowie Alkohole, Wasserstoff und Kohlendioxid. In dieser Phase sinkt der pH-Wert im Fermenter leicht.
Phase 3: Acetogenese (Essigsäurebildung)
Acetogene Bakterien wandeln die entstandenen Säuren und Alkohole in Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid um. Diese Verbindungen sind die direkten Vorstufen für die Methanbildung.
Phase 4: Methanogenese (Methanbildung)
Im letzten Schritt produzieren methanbildende Mikroorganismen (Archaeen) aus Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid das energiereiche Methan. Diese Mikroben sind sehr empfindlich und benötigen stabile Bedingungen. Sie sind der Grund, warum der Prozess ohne Sauerstoff ablaufen muss.
Die Verweilzeit des Materials im Fermenter beträgt je nach Substrat und Temperatur zwischen 20 und 80 Tagen. Während dieser Zeit wird kontinuierlich Biogas produziert, das über eine Gasleitung abgeführt und gespeichert wird.
Zusammensetzung von Biogas: Welche Gase enthält es?
Die Zusammensetzung von Biogas variiert je nach eingesetzten Rohstoffen, kann aber in typischen Bereichen angegeben werden:
Hauptbestandteile:
- Methan (CH₄): 50-75 Vol.-% – der energetisch wertvolle Bestandteil
- Kohlendioxid (CO₂): 25-45 Vol.-% – nicht brennbar, muss für höherwertige Nutzung abgetrennt werden
Nebenbestandteile:
- Wasserdampf (H₂O): 1-5 Vol.-% – je nach Temperatur des Gases
- Stickstoff (N₂): 0-5 Vol.-% – gelangt durch Undichtigkeiten oder mit dem Substrat in den Prozess
- Sauerstoff (O₂): 0-2 Vol.-% – sollte möglichst vermieden werden
- Schwefelwasserstoff (H₂S): 0,01-2 Vol.-% – korrosiv, muss vor der Nutzung entfernt werden
- Ammoniak (NH₃): Spuren – entsteht bei proteinreichen Substraten
- Wasserstoff (H₂): < 1 Vol.-% – Zwischenprodukt im Abbauprozess
Der Methangehalt bestimmt maßgeblich den Energiewert des Biogases. Je höher der Methananteil, desto höher der Heizwert. Rohbiogas hat einen Heizwert von etwa 5-7,5 kWh pro Kubikmeter, während aufbereitetes Biomethan mit 97% Methangehalt etwa 10 kWh pro Kubikmeter erreicht – vergleichbar mit Erdgas.
Ausgangsstoffe für die Biogasproduktion
Die Vielfalt der einsetzbaren Substrate macht Biogas besonders flexibel. Grundsätzlich kann jedes organische Material vergoren werden, das Kohlenstoff enthält. In der Praxis werden folgende Stoffgruppen unterschieden:
Nachwachsende Rohstoffe (NawaRo):
- Energiepflanzen wie Mais, Getreide, Gräser und Zuckerrüben
- Gezielt für die Energieerzeugung angebaut
- Hohe Methanerträge pro Hektar
- Planbare Verfügbarkeit und gleichbleibende Qualität
Wirtschaftsdünger:
- Gülle von Rindern, Schweinen oder Geflügel
- Festmist aus der Tierhaltung
- Kontinuierlich anfallend auf landwirtschaftlichen Betrieben
- Trägt zur Emissionsminderung bei, da Methan nicht unkontrolliert in die Atmosphäre gelangt
Organische Reststoffe und Abfälle:
- Bioabfälle aus Haushalten und Kommunen
- Speisereste aus Gastronomie und Lebensmittelindustrie
- Reste aus der Lebensmittelverarbeitung (Treber, Schlempen, Molke)
- Grünschnitt und Landschaftspflegematerial
- Klärschlamm aus kommunalen Kläranlagen
Innovative Substrate:
- Algen und Wasserpflanzen
- Stroh und andere Ernterückstände
- Organische Industrieabfälle
Die Wahl der Substrate beeinflusst nicht nur die Gasmenge und -qualität, sondern auch die Wirtschaftlichkeit der Anlage. Eine ausgewogene Mischung verschiedener Substrate (Substratmix) sorgt für stabile Prozessbedingungen und optimale Gasausbeute.
Der Prozess in der Biogasanlage: Von der Biomasse zum nutzbaren Gas
Eine moderne Biogasanlage besteht aus mehreren aufeinander abgestimmten Komponenten, die zusammen einen kontinuierlichen Prozess gewährleisten:
Substratlagerung und -aufbereitung:
Bevor die organischen Materialien in den Fermenter gelangen, werden sie gesammelt, gegebenenfalls zerkleinert und homogenisiert. Feste Substrate wie Silage werden mit flüssigen Komponenten wie Gülle gemischt, um eine pumpfähige Konsistenz zu erreichen. Moderne Einbringtechnik wie die Easyfeeder-Systeme von Biogastechnik Süd sorgen für eine gleichmäßige und energieeffiziente Substratdosierung.
Fermenter (Hauptgärbehälter):
Im Fermenter findet die eigentliche Biogasproduktion statt. Diese gasdichten, meist zylindrischen Behälter fassen zwischen einigen hundert und mehreren tausend Kubikmetern. Eine konstante Temperatur wird durch Heizschlangen oder Behälterheizungen aufrechterhalten. Rührwerke – beispielsweise Paddelrührwerke wie der Varibull – sorgen für eine gleichmäßige Durchmischung des Substrats, verhindern Schwimmschichten und Sedimentbildung und gewährleisten optimalen Kontakt zwischen Bakterien und Nährstoffen.
Nachgärer:
Nach der Hauptfermentation gelangt das Material in einen Nachgärer, wo bei längerer Verweilzeit noch verbliebenes Gaspotenzial ausgeschöpft wird. Auch hier wird gerührt und beheizt, allerdings weniger intensiv als im Fermenter.
Gasspeicherung:
Das produzierte Biogas wird in Gasspeichern gesammelt – entweder in Foliendächern direkt auf den Fermentern (Tragluftdächer) oder in separaten Gasspeichern. So kann das Gas bevorratet und bedarfsgerecht abgerufen werden.
Gasaufbereitung:
Bevor das Biogas genutzt werden kann, müssen Störstoffe wie Schwefelwasserstoff entfernt werden, um Korrosion zu vermeiden. Für die Einspeisung ins Erdgasnetz oder als Kraftstoff ist eine aufwendigere Aufbereitung zu Biomethan erforderlich: Dabei wird das CO₂ abgetrennt, sodass ein Methangehalt von über 96% erreicht wird.
Gärrestlagerung:
Das ausgegorene Material (Gärrest) ist ein hochwertiger organischer Dünger. Es wird in Gärrestlagern zwischengespeichert und kann nach den Vorgaben der Düngeverordnung auf landwirtschaftlichen Flächen ausgebracht werden. Separationstechnik wie der Sepogant von Biogastechnik Süd trennt den Gärrest in eine flüssige und feste Phase, was Transport und Lagerung erleichtert.
Vorteile und Nutzen von Biogas als Energieträger
Biogas bietet zahlreiche Vorteile gegenüber fossilen Energieträgern und auch anderen erneuerbaren Energien:
Klimaschutz:
Bei der Verbrennung von Biogas wird nur so viel CO₂ freigesetzt, wie die Pflanzen während ihres Wachstums aufgenommen haben. Durch die Nutzung von Gülle und organischen Abfällen werden zudem Methanemissionen verhindert, die sonst bei der offenen Lagerung entstehen würden. Methan ist etwa 25-mal klimaschädlicher als CO₂.
Energieunabhängigkeit:
Biogas kann regional produziert werden und reduziert die Abhängigkeit von importierten fossilen Brennstoffen. Landwirtschaftliche Betriebe können ihre eigene Energie erzeugen und werden zu Energieerzeugern.
Grundlastfähigkeit:
Im Gegensatz zu Wind- und Solarenergie ist Biogas speicherbar und planbar verfügbar. Biogasanlagen können bedarfsgerecht Strom produzieren und stabilisieren so das Stromnetz – besonders wichtig bei der Integration volatiler erneuerbarer Energien.
Nährstoffkreislauf:
Die Gärreste enthalten alle wichtigen Pflanzennährstoffe und sind besser pflanzenverfügbar als unvergorene Gülle. Der Stickstoff liegt zu einem höheren Anteil in mineralischer Form vor, wodurch chemische Düngemittel eingespart werden können.
Emissionsminderung:
Moderne Biogasanlagen sind geschlossene Systeme, die Geruchsbelästigungen durch Güllelagerung deutlich reduzieren. Ammoniak- und Methanemissionen werden minimiert.
Wirtschaftliche Perspektiven:
Biogasanlagen schaffen Wertschöpfung im ländlichen Raum, sichern landwirtschaftliche Einkommen und schaffen Arbeitsplätze. Die Betreiber profitieren von stabilen Einspeisevergütungen und erschließen zusätzliche Einkommensquellen.
Nutzungsmöglichkeiten: Wie wird Biogas eingesetzt?
Die Verwendung von Biogas ist vielfältig und richtet sich nach dem Reinheitsgrad und den lokalen Gegebenheiten:
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK):
Die häufigste Nutzungsform ist die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme in Blockheizkraftwerken (BHKW). Ein Gasmotor treibt einen Generator zur Stromerzeugung an, während die Abwärme des Motors für Heizzwecke genutzt wird. Der Strom wird ins öffentliche Netz eingespeist, die Wärme beheizt die Fermenter sowie nahegelegene Gebäude, Gewächshäuser oder Trocknungsanlagen. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei etwa 35-40%, der Gesamtwirkungsgrad bei über 85%.
Biomethan-Einspeisung:
Nach der Aufbereitung zu Biomethan kann das Gas ins Erdgasnetz eingespeist werden. Es steht dann allen Erdgaskunden zur Verfügung und kann flexibel eingesetzt werden – vom Heizen über industrielle Prozesse bis zur Stromerzeugung in Gaskraftwerken.
Kraftstoff für Fahrzeuge:
Aufbereitetes Biomethan (Bio-CNG) kann als klimafreundlicher Kraftstoff für erdgasbetriebene Fahrzeuge genutzt werden. Busse, Lkw und Pkw mit Gasantrieb fahren damit nahezu CO₂-neutral. In einigen Regionen gibt es bereits Tankstellen, die Biomethan anbieten.
Wärmenutzung:
In Gasheizungen kann Biogas bzw. Biomethan konventionelles Erdgas ersetzen und Gebäude klimafreundlich mit Wärme versorgen. Besonders effizient ist dies in Nahwärmenetzen, die mehrere Abnehmer versorgen.
Industrielle Anwendungen:
Einige Industriebetriebe nutzen Biogas direkt für Produktionsprozesse, etwa in der Keramikindustrie, Lebensmittelverarbeitung oder chemischen Industrie.
Unterschied zwischen Biogas, Biomethan und Erdgas
Häufig werden die Begriffe Biogas, Biomethan und Erdgas verwechselt. Dabei gibt es wichtige Unterschiede:
Biogas:
Rohbiogas direkt aus dem Fermenter enthält etwa 50-75% Methan, 25-45% CO₂ sowie Schwefelwasserstoff, Wasserdampf und weitere Spurengase. Es kann in dieser Form in BHKWs verbrannt werden, ist aber nicht netzfähig.
Biomethan:
Aufbereitetes und gereinigtes Biogas mit einem Methangehalt von über 96%. Es entspricht in seiner Qualität dem Erdgas und kann ins Gasnetz eingespeist oder als Kraftstoff genutzt werden. Die Bezeichnung „Bio-Erdgas“ wird synonym verwendet.
Erdgas:
Ein fossiler Energieträger, der vor Millionen Jahren aus organischem Material unter hohem Druck und hohen Temperaturen entstanden ist. Es besteht hauptsächlich aus Methan (>80%) und wird aus unterirdischen Lagerstätten gefördert. Bei der Verbrennung wird fossiles CO₂ freigesetzt, das zusätzlich zur Atmosphäre hinzugefügt wird.
Der entscheidende Vorteil von Biogas und Biomethan: Sie sind erneuerbar und klimaneutral, während Erdgas die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre erhöht.
Herausforderungen und Entwicklungen in der Biogastechnologie
Trotz aller Vorteile steht die Biogasbranche vor Herausforderungen, die durch innovative Technik adressiert werden:
Substratvielfalt und Flexibilität:
Der Trend geht weg von der reinen Maisvergärung hin zu einer breiteren Substratepalette. Reststoffe, Gülle und Gras gewinnen an Bedeutung. Moderne Einbringtechnik und Rührsysteme, wie sie Biogastechnik Süd mit den Easyfeeder- und Varibull-Produkten anbietet – ermöglichen die Verarbeitung auch faserreicher und inhomogener Substrate.
Prozessoptimierung:
Durch intelligente Steuerung, optimierte Wärmetechnik und innovative Systeme wie Ultraschalltechnik (Wavebox) wird der Abbaugrad der organischen Substanz erhöht. Dies führt zu höheren Gaserträgen bei gleichem Substrateinsatz.
Gärrestaufbereitung:
Moderne Separationstechnik und Gärrestverdampfung (Vapogant) reduzieren das Lagervolumen und konzentrieren Nährstoffe. Dadurch sinken Transportkosten, und wertvolle Düngemittel wie Ammoniumsulfat können gezielt vermarktet werden.
Flexibilisierung:
Um Schwankungen im Stromnetz auszugleichen, werden Biogasanlagen zunehmend flexibel betrieben. Das bedeutet: Biogas wird gespeichert und bei hohem Strombedarf gezielt verstromt. Flexible BHKW-Konzepte und größere Gasspeicher machen dies möglich.
Nachhaltigkeitszertifizierung:
Strengere gesetzliche Vorgaben und Nachhaltigkeitskriterien erfordern eine genaue Dokumentation der Stoffströme und Emissionen. Nur nachhaltig produziertes Biomethan erhält Fördermittel und kann auf Treibhausgasquoten angerechnet werden.
Biogas im Kontext der Energiewende
Biogas leistet einen wichtigen Beitrag zur Energiewende, insbesondere in Bereichen, die schwer zu elektrifizieren sind:
In der Landwirtschaft ermöglicht Biogas die energetische Nutzung von Wirtschaftsdüngern und landwirtschaftlichen Reststoffen. Landwirte werden zu aktiven Akteuren der Energiewende und verbessern gleichzeitig ihre Nährstoffbilanz.
Im Wärmesektor kann Biomethan fossiles Erdgas in Heizungen ersetzen und trägt zur Dekarbonisierung des Gebäudebestands bei. Nahwärmenetze auf Biogasbasis versorgen ganze Ortschaften klimafreundlich mit Wärme.
Im Verkehrssektor bietet Biomethan als Kraftstoff eine Alternative, besonders für Schwerlastverkehr und Nutzfahrzeuge, bei denen batterieelektrische Antriebe an ihre Grenzen stoßen.
In der Industrie ersetzt Biogas fossile Brennstoffe in Produktionsprozessen und trägt zur Reduzierung industrieller Emissionen bei.
Die Integration in intelligente Energiesysteme macht Biogas zu einem wertvollen Baustein einer sicheren, dezentralen und erneuerbaren Energieversorgung. Während Wind und Sonne volatil sind, bietet Biogas planbare, regelbare Energie – eine ideale Ergänzung im Energiemix der Zukunft.
