Methanproduktion optimieren – Nachwachsende Rohstoffe für Biogasanlagen

Biogas bietet eine Vielzahl von Nutzungsmöglichkeiten.

1. Verbrennung im Blockheizkraftwerk: Erzeugung von Strom und Wärme.
2. Reinigung von Spurengasen und Kohlendioxid: Einzuspeisen als „Green Gas“ ins Erdgasnetz.
3. Verdichtung: Gasförmiger oder flüssiger Kraftstoff aus Biogas.

Die beiden zuletzt genannten Wege sind momentan zwar noch nicht Stand der Technik, sie können aber bei Entwicklung geeigneter gesetzlicher Rahmenbedingungen schnell zur praktischen Umsetzung kommen.

Optimierung der Energieerzeugung
Bei der Optimierung der Biogasproduktion spielen pflanzenbauliche Aspekte wie Standorteigenschaften, Sortenwahl, Fruchtfolgen und Anbaustrategien, nutzbare Vegetationsdauer und Erntezeitpunkt sowie ein Düngerbedarf eine wichtige Rolle. Bei der Silierung der Biomasse können durch eine sorgfältige Verdichtung und Abdeckung Verluste an organischer Substanz durch Atmung oder Schimmelbefall vermieden werden. Schimmelbefall kann zusätzliche negative Auswirkungen auf den Ablauf des Gärprozesses haben (antibiotische Wirkung). Ein Trockensubstanzgehalt im Siliergut zwischen 28 und 32 % hat sich bewährt.

Auswahl und Produktion von Energiepflanzen
Ziel muss es sein, die Kosten der Biomasseproduktion zu minimieren – u.a. durch die Wahl geeigneter Anbausysteme und Sorten. Je nach Region wird hierbei der Einsatz von Gras, Ganzpflanzensilage, Getreide, Rüben oder Maissilage bevorzugt. In jüngster Zeit wird auch mit der Nutzung von Sonnenblumen und Hirsearten experimentiert. Auch Anbausysteme, bei denen Zwischenfrüchte integriert sind, gewinnen zunehmend an Bedeutung.

Inhaltsstoffe beeinflussen die Methanproduktion
Beispiel 1: Gras
Versuche zur Vergärung von Grüngut von unterschiedlich intensiv genutzten Flächen zeigten eine klare Abhängigkeit der substratspezifischen Methanproduktion von der Substratzusammensetzung.

Bei Wiesengras von Naturschutzflächen nimmt mit späterem Mähzeitpunkt der Rohfasergehalt zu und der Gehalt an verdaulichen Inhaltstoffen (Kohlehydrat, Fett und Eiweiß) ab – daher sinkt der spezifische Biogasertrag je Kilo organischer Substanz. Sehr spät geerntete Biomasse aus Mähgut von Naturschutzgebieten eignet sich deshalb nicht für die Nutzung in Biogasanlagen, da nur noch 15% der enthaltenen Energie in Biogas überführt werden können. Bei intensiv erzeugter Biomasse und Ernte im grünen Stadium dagegen können etwa 70% der „gespeicherten Sonnenenergie“ in Biogas umgesetzt werden. So ist es möglich, mit der Grassilage einer intensiv bewirtschafteten Wiese mit einem sehr hohen Trockenmasseertrag von 12,5 t/ha bis zu 5.000 m3 Methan/Jahr zu erzeugen.

Beispiel 2: Mais: Bei Nutzung der gesamten Pflanze als Maissilage ist bei durchschnittlichen Erträgen von 17,5 t/ha Trockenmasse die Erzeugung von ca. 6.000 m3 Methan möglich. Für den Betrieb eines Blockheizkraftwerkes werden je 100 kWel unter diesen Bedingungen ungefähr 40 ha Anbaufläche benötigt. Zwar sind die meisten der zugelassenen Maissorten züchterisch noch nicht auf eine maximale Biomasse-/Biogasproduktion ausgerichtet, es wurden allerdings 2006 einige „Massensorten“ zugelassen, die speziell auf die Biomasseproduktion selektiert wurden.

Mit Ganzpflanzensilage können deutlich höhere Methanerträge/Hektar realisiert werden. Bei bestimmten Betriebsstrukturen und großen Transportentfernungen kann aber auch die alleinige Nutzung der Kolben für Betriebe interessant werden.

Die Ernte von Mais sollte im Stadium der späten Milchreife bis frühen Teigreife erfolgen. In diesem Zeitraum ist der Trockenmasseertrag der Kulturpflanze maximiert und es ergibt sich aufgrund der guten Verdaulichkeit eine hohe spezifische Methanausbeute je Kilogramm organischer Substanz. Aufgrund seines höheren Gehaltes an Inhaltsstoffen (besonders Stärke) ist der Maiskolben für die Methanbildung sehr wichtig. Um die Kolbenbildung und einen ausreichend hohen TS-Gehalt sicher zu stellen, sollte bei dem Anbau von Mais für die Biogasanlage eine Sorte ausgewählt werden, die um 30 bis 50 Reifepunkte über der für diesen Standort üblichen Silagesorte für Milchviehfütterung liegt. Durch züchterischen Fortschritt kann sich aber mittelfristig eine Verschiebung in den spätreiferen Sortenbereich ergeben.

Durch den relativ hohen Kohlenhydratgehalt von Maissilage und den meisten anderen Biomassepflanzen, weist dieses Biogas nur einen Methangehalt von 50-55% auf. Bei fett- und eiweißhaltigen Kosubstraten wie z. B. Sonnenblumen ist dagegen ein wesentlich energiereicheres Biogas mit einem Methangehalt um 60% erreichbar. Und auch vor dem Hintergrund einer ausgeglichenen und nachhaltigen Fruchtfolge findet derzeit eine intensive Suche nach alternativen Pflanzen für Biogasanlagen statt. Darunter auch erste produktionstechnische Versuche zur Optimierung des Mischanbaues von Mais und Sonnenblume.

25 Tonnen/Hektar ersetzen 10.000 Liter Heizöl
In enger Zusammenarbeit mit Züchtungsunternehmen und Pflanzenbauinstituten versucht die Universität Hohenheim derzeit, geeignete Pflanzen und Fruchtfolgen für die Biogaserzeugung zu finden oder zu entwickeln. Wichtigstes Ziel ist die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit durch eine maximale Biomasseproduktion je Flächeneinheit, eine ausreichende Kältetoleranz und die Ausnutzung der für den jeweiligen Anbaustandort verfügbaren Vegetationszeit. Unter optimalen Standortbedingungen können Biomasseerträge von bis zu 25 t/ha und damit Methanerträge von rund 10.000 m2 erzielt worden. Bei einer Bruttobetrachtung entspricht dies einer Substitution von 10.000 Litern Heizöl!

Die Universität Hohenheim verfügt über ein modernes und effizientes Biogaslabor. Hier werden z.B. verschiedene Gärsubstanzen untersucht oder verfahrenstechnische Untersuchungen zur Stabilität des Biogasprozesses und ähnliches durchgeführt. Die moderne technische Ausstattung machen praxisnahe Untersuchungen möglich. Zurzeit wird der Bau einer Praxisbiogasanlage geplant, in der sich systematisch Praxisversuche durchführen lassen, deren Erkenntnisse direkt in den Betrieb von anderen Biogasanlagen einfließen.

Dr. Hans Oechsner