Die Notwendigkeit der Energiewende wächst stetig – und mit ihr die Notwendigkeit, alternative, verlässliche Energiekonzepte zu finden. Ein Thema, das in diesem Zusammenhang immer wieder aufkommt, ist die Energiegewinnung mittels Biogas. Biogasanlagen erfreuen sich in den letzten Jahren einem zunehmenden Wachstum. Doch warum ist das eigentlich so? Was sind ihre großen Vorteile? Und wie funktioniert eine Biogasanlage überhaupt? Das und mehr erfahren Sie in diesem Beitrag.

Vom Substrat zur Energie – so entsteht Biogas

Bevor es darum geht, die Frage „Wie funktioniert eine Biogasanlage?“ zu klären, ist es zunächst sinnvoll, zu wissen, woraus Biogas überhaupt entstehen kann. Ganz allgemein gesagt, ist Biogas das Endprodukt einer natürlichen Zersetzung von organischem Material. Dieses können zum Beispiel Gülle oder Bioabfälle sein, tierische Abfälle oder Zwischenfrüchte und Energiepflanzen, wie Raps, Mais oder die Durchwachsene Silphie. Unter Ausschluss von Luft, also in einem sogenannten anaeroben Prozess, zersetzen verschiedene Mikroorganismen das Ausgangsmaterial und Biogas bildet sich. Als energiereiches Gasgemisch lässt sich dieses beispielsweise mittels Gasmotoren zur Strom und Wärmeerzeugung einsetzen oder über eine Aufbereitung zu Biomethan in das öffentliche Gasnetz einspeisen.

Wie funktioniert eine Biogasanlage? In vier Phasen zum Endprodukt

Woraus Biogas entsteht und welche Ausgangsmaterialien dafür nötig sind, ist also schnell erklärt. Doch wie funktioniert eine Biogasanlage nun ganz konkret? Auch wenn es sich hierbei um mehrere komplexe Vorgänge handelt, ist das Prinzip dennoch leicht erklärt. Denn die Funktionsweise einer Biogasanlage lässt sich ganz übersichtlich in vier Phasen einteilen.

1. Das Substratmanagement

Die Antwort auf die Frage, wie eine Biogasanlage funktioniert, beginnt beim Substratmanagement. Hierbei kommen die ersten wichtigen Bestandteile einer Biogasanlage zum Einsatz: das Lager bzw. die Vorgrube und die zur Aufbereitung, Reinigung und Sortierung des Substrats notwendigen Systeme. In der Vorgrube passiert bereits ein ganz essenzieller Schritt der Biogasproduktion. Denn durch Schreddern, Mühlen, Quetschen oder Wellen bekommt das Ausgangssubstrat genau die zerkleinerte oder aufgebrochene Konsistenz, die die Mikroorganismen benötigen, um optimal arbeiten und das Substrat zersetzen zu können.

Auch wichtig in diesem Zusammenhang: der Unterschied zwischen Nass- und Trockenfermentation. Danach unterscheidet sich nämlich die Art der Substratvorbereitung in der Vorgrube. So ist die Biomasse bei der Trockenfermentation eher trocken und faserig, bei der Nassfermentation vergären die Ausgangsstoffe als nasse oder feuchte Biomasse unter stetigem Durchmischen. Im Unterschied zur Nassfermentation bietet die Trockenfermentation zudem die Möglichkeit, Bioabfälle energetisch zu verwerten. Dieser Unterschied spielt ebenfalls in die Antwort hinein, wie eine Biogasanlage funktioniert.

2. Die Biogasgewinnung

Wer sich fragt, wie eine Biogasanlage funktioniert, stößt schnell auf das Herzstück einer jeden Anlage: den Fermenter. Über entsprechende Pumpen gelangt das in der Vorgrube angemischte Substrat in die sogenannten Fermenterboxen, die es sowohl in stehender als auch in liegender Ausführung gibt. Bei einer durchschnittlichen Temperatur von etwa 40°C beginnen die Mikroorganismen jetzt mit der anaeroben Vergärung des Substrats. Das bedeutet, dass dieser Prozessschritt ohne Sauerstoff abläuft. Wichtig ist, dass jede Biogasanlage über ein Heizsystem verfügt, das ein konstantes Temperaturniveau sicherstellen kann. Eine effektive Wärmedämmung sorgt für zusätzlichen Schutz. Zudem ist ein verlässlich funktionierendes Rührwerk notwendig. Denn das Substrat benötigt eine konstante Durchmischung.

Die Fermentation kann dabei entweder statisch oder kontinuierlich ablaufen oder aber durch eine vorgeschaltete Hydrolyse stattfinden. Diese gilt jedoch als besonders kritischer Vergärungsprozess, da die versäuernden Bakterien sowie die Essigsäure- und Methanbilder unterschiedliche Anforderungen an ihre Umgebung haben. Um diesen allen gerecht zu werden, verfügen manche Biogasanlagen über einen separaten Behälter, der es möglich macht, die Hydrolyse abzutrennen und bereits vor der Vergärung im Fermenter durchzuführen. Halten wir hier schon einmal fest: Eine Biogasanlage funktioniert nur durch den Einfluss verschiedenster Aspekte.

3. Die Lagerung der Gärreste

Nachdem die Arbeit im Fermenter abgeschlossen ist, kommen drei weitere wichtige Komponenten ins Spiel. Auch sie entscheiden darüber, wie eine Biogasanlage funktioniert. Gemeint sind:

  • der Gasspeicher zur kurzen oder mittelfristigen Speicherung des entstandenen Biogases,
  • die Gasreinigungssysteme zur Entschwefelung und Entwässerung,
  • sowie die Pumpleitungen für Gärreste und Biogas inklusive aller notwendigen Sicherheitsventile und Drucksicherungen.

Gerade letztere sind extrem wichtig, ist der Umgang mit Biogas doch nicht ungefährlich. Darum sollten alle Sicherheitsvorkehrungen jederzeit stimmen.

Außerdem wichtig: Gasreinigung sowie Reststofflagerung und -verwertung

Biogas besteht zum Großteil aus brennbarem Methan (CH4). Abhängig davon, welche Substrate zur Biogasgewinnung im Einsatz waren, kann der Methangehalt zwischen 50 Prozent und 75 Prozent betragen. Weitere Bestandteile von Biogas sind Stickstoff, Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff. Je „reiner“ das Biogas am Ende ist, desto effektiver lässt es sich zur Herstellung von Energie nutzen. Deswegen ist eine Gasreinigung zur Entschwefelung und Entwässerung von Vorteil – und sollte bei der Frage, wie eine Biogasanlage funktioniert, unbedingt Berücksichtigung finden.

Nach der Zersetzung bleiben von den organischen Ausgangsmaterialien nicht nur Biogas, sondern auch Restabfälle als Gärprodukt zurück. Diese sind sowohl für die Landwirtschaft sowie für den Garten- und Landschaftsbau als auch für Privatgärten nützlich, lassen sie sich doch als hochwertiges und an humusbildenden Nährstoffen reiches Düngemittel einsetzen. Aus dem Fermenter gelangen sie entweder in ein Zwischenlager oder einen Nachfermenter. Dieser sollte immer die gleiche Ausführung wie der Hauptfermenter haben. Wichtig ist, dass Nachfermenter über eine Sinkschichtaustragung verfügen, um einen Rückfluss der Gärreste in den Hauptfermenter zu verhindern. Doch damit ist die Frage, wie eine Biogasanlage funktioniert, noch nicht gänzlich beantwortet. Denn ein entscheidender Schritt fehlt noch.

4. Das Speichern und Verbrennen des Biogases

Während die Gärreste zur weiteren Verarbeitung in den Nachfermenter gelangen, geht es für das Biogas vom kurzen oder mittelfristigen Gasspeicher weiter in das Blockheizkraftwerk der Anlage. Hier dient es der gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme. Je besser die Fermentation abgelaufen ist, desto höher ist die Gasausbeute und umso mehr Energie lässt sich im BHKW erzeugen. Da dieses allerdings nicht sofort die gesamte Menge des produzierten Gases verarbeiten kann, benötigt jede Biogasanlage entsprechende Zwischenspeicher, in denen sich das Gas „lagern“ lässt. Zudem verfügen manche Biogasanlagen über eine Aufbereitungstechnik für die Umwandlung von Biogas zu Biomethan. Somit kann das entstehende Biomethan in das öffentliche Gasnetz eingespeist werden und an andere Stelle (bilanziell) entnommen werden.

Wie funktioniert eine Biogasanlage und welche Rolle spielt sie für die Energiewende?

Im Unterschied zu anderen erneuerbaren Energiekonzepten, wie Wind- und Solarenergie, die extrem abhängig von Wetter und Witterungsbedingungen sind, lässt sich Biogas unabhängig erzeugen und auch speichern. Aus diesem Grund eignet sich Biogas besonders gut als regel- und speicherbarer erneuerbarer Energieträger. Dank seiner flexiblen Herstellung sowie Speicherung kann es bspw. immer auf gewisse Residuallasten im Stromnetz reagieren und mögliche Netzschwankungen ausgleichen.

Dennoch ist es aktuell nach wie vor so, dass der Anteil von Biogas an der Bruttostromerzeugung in Deutschland bei ca. 5 % liegt, was ca. 29 Milliarden Kilowattstunden entspricht (laut Umweltbundesamt). Damit belegt Biogas hinter der Photovoltaik (51 Milliarden Kilowattstunden) und der Windenergie (131 Milliarden Kilowattstunden) Platz 3 der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Auch wenn in Zukunft aufgrund von begrenzten Einsatzstoffen die Biogaserzeugung keinen signifikanten Zuwachs erfahren wird, sollte Biogas aufgrund seiner Speicherfähigkeit auf jeden Fall eine zunehmend wichtigere Rolle für die Energiewende spielenund damit auch die Frage, wie eine Biogasanlage funktioniert, für viele Menschen an Relevanz gewinnen.