Organische Chemie: Biogasanlagen

Name: Simon R., 2023-01

Biomasse gehört zu den erneuerbaren Energieträgern. In Biogasanlagen wird die Biomasse mit Hilfe von Mikroorganismen zu Methangas vergärt.

Biogasanlage

Wie funktioniert eine Biogasanlage? 

Zuerst findet die Lagerung der Substrate statt. In landwirtschaftlichen Anlagen werden meist nachwachsende Rohstoffe (vor allem Maissilage, aber auch Grassilage, Zuckerrüben und Roggen-GPS) und tierische Exkremente (Rinder- und Geflügelmist, Schweine- und Rindergülle) verwendet. In nicht-landwirtschaftlichen Biogasanlagen werden organische Abfälle (Biomüll, Speisereste, Klärschlamm) eingesetzt.

Anschließend gelangt das Substrat in den Gärbehälter, den Fermenter. Darin herrscht eine Temperatur von 40°C. Der Faulprozess findet in einem feuchten Milieu und unter Ausschluss von Licht und Sauerstoff statt (anaerobe Vergärung). Während der Vergärung der Biomasse bilden die Mikroorganismen Biogas, welches sich unter der Fermenterhaube sammelt. Somit sind Gas und Biomasse getrennt. Die anaerobe Vergärung lässt sich in vier Phasen unterteilen:

1. Hydrolyse

Während der Hydrolyse wird die Biomasse durch Bakterienkulturen in seiner molekularen Struktur aufgespalten. An die Spaltstellen binden Wassermoleküle. In der Biogasentstehung werden konkret Fette zu langkettigen Fettsäuren, Proteine zu Aminosäuren und Kohlenhydrate zu Zucker umgewandelt. Erst sobald dieser Prozess abgeschlossen ist, können die Bakterien die Substrate aufnehmen.

2. Versäuerung (=Acidogenese)

In der zweiten Phase zersetzen acidogene Bakterienarten die kleineren Moleküleinheiten zu niedermolekülaren Säuren wie Ethan- oder Butansäure. Hierbei sorgen unterschiedliche Bakterienkulturen für bestimmte chemische Umwandlungen (z.B. Glukose zu Essigsäure). Als Nebenprodukte entstehen in diesem Vorgang in kleiner Menge auch Alkohole, Kohlendioxid und Wasserstoff. Da in dieser Phase der pH-Wert durch die entstehenden Säuren sinkt, spricht man von einer Versäuerung der Gärsubstanz. Die Acidogenese kann auch gleichzeitig mit der Hydrolyse stattfinden.

3. Essigsäurebildung (=Acetogenese)

Während der Acetogenese werden die entstandenen Fettsäuren mit Hilfe von Bakterien zu Essigsäure umgewandelt. Auch hier entstehen als Nebenprodukte Wasserstoff und Kohlendioxid. Da die Bakterien, welche für die Bildung von Essigsäure verantwortlich sind, von dem entstehenden Wasserstoff in ihrem Stoffwechsel beeinträchtigt werden, finden die Essigsäure- und Methanbildung gleichzeitig statt. Denn die methanbildenden Bakterienstämme benötigen für ihre Synthese genau jenen Wasserstoff. Die Bakterien in diesen Phasen leben quasi in einer Wechselbeziehung, in der beide voneinander profitieren.

 
4. Methanbildung

In der letzten Phase der Biogasentstehung wandeln methanogene Bakterienkulturen die Essigsäure sowie Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methan um. Nebenprodukte dieser Phase sind Kohlendioxid und Wasser. Das nun entstandene Biogas enthält folgende Bestandteile: Methan (ca. 60%), Kohlendioxid, Wasser, Schwefelwasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak.

CH₃COOH ---> CH₄ + CO₂

CO₂ + 4H₂ ---> CH₄ + 2 H₂O

Im Fermenter bleiben die Gärreste der Biogasproduktion zurück. Da sie viele Nährstoffe und Mineralien enthalten, eignen sie sich hervorragend als Dünger für landwirtschaftlich genutzte Flächen.

Verwendung von Biogas

Das Biogas kann in ein Blockheizkraftwerk (BHKW) gepumpt und dort verbrannt werden. Bei der Verbrennung mit Sauerstoff wird ein Generator zur Stromerzeugung angetrieben. Die dabei entstehende Wärme kann entweder direkt zum Beheizen des Fermenters genutzt oder über Rohrleitungen u.a. Wohnhäusern, Schwimmbädern oder Krankenhäusern zugeführt werden.
Darüber hinaus gibt es die Möglichkeit, das Biogas zu Biomethan aufzubereiten, um es anschließend im Erdgasnetz einzuspeisen. In diesem Prozess wird das Gas getrocknet (Entzug von Wasser und Ammoniak), entschwefelt und von Kohlendioxid getrennt.

Vor- und Nachteile einer Biogasanlage

Vorteile:

• Biogas verbrennt klimaneutral und schont als erneuerbare Energie fossile Energieträger
• Biogas kann witterungsunabhängig produziert und gespeichert werden (anders als Wind- und Solarenergie)
• Die Kreislaufwirtschaft wird durch Biogasanlagen gefördert, da biologische Abfälle zur Energiegewinnung genutzt werden können. Zudem werden die Gärreste unter geringer Geruchsbelästigung als Dünger verwendet

Nachteile:

• Der Anbau von Mais als bedeutendster regenerativer Energieträger sorgt für Monokulturen, welche dem Boden und der Artenvielfalt schaden
• Die weltweit steigende Nachfrage nach Lebensmitteln und dem damit verbundenen Anbau von Getreide und Gemüse konkurriert mit dem Anbau zu Energiegewinnungszwecken, da viele Flächen gebunden werden 
• Es besteht die Gefahr, dass unbemerkt Methan aus einer Biogasanlage in die Umwelt entweicht. Dies hat klimaschädliche Auswirkungen, da Methan um ein Vielfaches mehr zum Treibhauseffekt beiträgt als Kohlendioxid.