Entwicklung von BIOGAS ANLAGEN

1 Die natürliche Energie aus Abfall

 

-  die Annahme, dass Uran noch 30 Jahre, Öl noch 35 Jahre und Erdgas noch 50 Jahre zur Verfügung stehen

-  ein konstanter Kohleabbau von 140 Mio t/a, (keine Kohleverflüssi­gung)

-  eine weltpolitische Stabilität ohne Embargo

-  Verbesserung der Wirkungsgrade um 30%.

 

Trotz dieser sehr optimistischen Annahmen müssen, wie man sieht, die alternativen Energien Wasserkraft, Sonnenenergie, Windkraft und Biogas bereits in wenigen Jahrzehnten ein Drittel des Energiebedarfes decken, wobei die vier Alternativen etwa je den gleichen Anteil haben.

Wie hoch der Wert einer Energie wie z. B. Biogas, einzuschätzen ist, geht schon daraus hervor, dass heute eine Biogasanlage in etwa 8 bis 10 Jahren abgeschrieben ist. Hinzu kommt, dass die Landwirtschaft dadurch von der öffentlichen Energieversorgung unabhängiger wird.

 

Der schnelle Anstieg der Anzahl von Biogasanlagen - sie verdoppeln sich jährlich etwa - zeigt, dass die Landwirte beginnen, die Notwendig­keit von Biogasanlagen einzusehen. Sie erkennen, dass die zunehmende Verwendung von Handelsdünger und von Pestiziden die natürliche Grundlage ihres Berufes zerstört und das Oberflächen- wie auch das Grundwasser an die Grenze ihrer Belastbarkeit gekommen sind. Auch die größere Wirtschaftlichkeit ihrer Höfe durch Biogasanlagen wird viele Bauern anregen, ihre Anwesen zu modernisieren. Hier sind die Schwellenländer wie Indien und China weit voraus. Doch deren Anlagen sind für das Klima Mitteleuropas wenig geeignet.

Deshalb wurden in Europa in den letzten 50 Jahren eigene Formen und Fermentertypen entwickelt. Anfangs des Jahres 1985 arbeiteten in der Bundesrepublik 105 Biogasanlagen aller Größenordnungen. Ein Jahr vorher waren es noch kaum 60. Bezeichnend ist, dass auch auf diesem Gebiet die Automatisierung zunimmt.

 

Auch wenn die einzelnen Anlagen aus verschiedenen Gründen gebaut wurden, ist es ihre vordringliche Aufgabe, das teure Heizöl zu ersetzen.

 

Da der Wärmebedarf auf einem landwirtschaftlichen Hof ziemlich hoch ist, kommt dem Biogas eine entsprechende Bedeutung zu. In der Regel fällt jedoch mehr Gas an, als verbraucht wird, so dass sich weitere Verwendungsmöglichkeiten anbieten. Aber häufig wird schon die Gewinnung von Biodünger als gleichwertig gegenüber der gewonnenen Energie angesehen. In der Schweinezucht kann die Geruchbelästigung so groß sein, dass Biogasanlagen in bewohnten Gebieten geradezu zwingend erforderlich werden. Eine Schweinezucht mit Biogasanlage ist geruchlos. Auch die Sauberkeit und die Geruchfreiheit auf dem Hof selbst wird - ganz besonders von den Bäuerinnen - geschätzt.

 

Allgemeine Umfragen des Kuratoriums für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft haben ergeben, dass die Besitzer von Biogasanlagen im Bedarfsfalle sofort wieder eine Anlage bauen würden, beziehungs­weise, dass sie sich schon nach zwei Jahren einen bäuerlichen Betrieb ohne Biogasanlage nicht mehr vorstellen können, noch dazu, da der Arbeitsumfang geringer wird und der Dünger beliebig lang liegen bleiben kann, ohne an Wert zu verlieren oder störend zu wirken.

Die Forschung hat sich verdienstvollerweise in Zusammenarbeit mit der Industrie für die Entwicklung von Biogasanlagen eingesetzt. Wenn es sich dabei auch meist um Großanlagen wie Ismaning in Bayern oder Liebenau in Oberschwaben mit z. B. 820 Großvieh und 800 Schweinen handelt, so kommen die Erfahrungen auch den mittleren und kleineren Anlagen zugute.

 

Im Zusammenhang mit Biogasanlagen werden dabei die Verbrennung von Stroh und Holz eingeplant, mit Wärmepumpen die Stallhitze genutzt und mit biogasbetriebenen Stromaggregaten die Überschußlei­stung an das Energieversorgungs-Unternehmen zur Zeit des größten Spitzenstromes verkauft.

 

Durch ein erst kürzlich erprobtes Verfahren können über eine Biogas­anlage aus Hausmüll und Klärschlamm Briketts mit einem hohen Heizwert gewonnen werden.

Der Interessent für eine Biogasanlage steht heute nicht mehr allein da. Es gibt überall schon Demonstrationsanlagen und private Biogasanla­gen. Auch gibt es in jedem Land, meist bei den Universitäten, Beratungsstellen.

 

 

 

2 Die Biomasse

Zur Biomasse gehört ein großer Teil der organischen Stoffe wie Pflanzen, tote Tiere, Mikroben, der Abfall aller Lebewesen und alle Erzeugnisse, die aus Pflanzen und Tieren hergestellt werden, so zum Beispiel das Papier, das durch seine große Menge einen hohen Wert als Biomasse darstellt. In der Bundesrepublik fallen jährlich 7 Mio t an, weltweit sogar 150 Mio t. 53 % des städtichen Hausmülls bestehen aus Papier (1984).

 

Hier interessiert allerdings weniger der hohe Energiewert des Papiers, sondern mehr die natürliche Biomasse, die auf dem Land anfällt und da wiederum hauptsächlich der Mist von Tieren, Stroh, Rübenblätter und jeglicher gewachsene Abfall.

 

 

 

Bild 2.1: Natürlicher Kohlenstoff-und Sauerstoffkreislauf: Pflanzen-Nahrung-Biogas

 

 

Die Entstehung der Pflanzen, die die Basis für alles niedrige und höhere Leben bildet, beruht auf dem Vorhandensein von Mineralstof­fen und Sonnenstrahlung. Das Sonnenlicht mit seinen Photonen ist es, das über Chlorophylmoleküle, Pigmente und Enzyme unsere Pflanzen­welt aufbaut.

Die Vorgänge sind zu kompliziert, um sie hier ausführlich darzustellen. Bild 2.1 zeigt die wesentlichen Zusammenhänge: Als chemische Bestandteile sind überall Wasser (H20), Kohlendioxide (C02) und Mineralien vorhanden. Dazu kommen die elementaren Lichtteilchen, die Photonen, die als Energiequelle für den Aufbau von Großmolekü­len aus den chemischen Bestandteilen dienen. Durch die Mineralien und ihre stofflichen Eigenschaften finden die Pflanzen ihren Halt und ihre Nahrung.

Der Kreislauf der chemischen Elemente und Moleküle in  der Natur sieht so aus:

Die Lebewesen nehmen pflanzliche Nahrung auf, die aus Wasserstoff, Kohlehydrate und Mineralien besteht. Das Wasser fließt über den Körper der Tiere dem Boden wieder direkt zu. Das Kohlendioxid wird über den Atem wieder in die Luft abgeben. Der im CO2 gebundene Sauerstoff wird bei allen höheren Pflanzen frei. Die Mineralien des Kotes werden wieder an die Erde auf natürliche Weise zurückgegeben.

Alle Bestandteile der Atmosphäre und des Erdbodens bleiben mengenmäßig erhalten. Solange die Nahrung für Mensch und Tier aus­reicht und weder etwas in den Kreislauf hineingetan wird (z. B. Chemikalien) oder herausgenommen wird (z. B. Mineralien), bleibt der Kreislauf für alle Zeiten gesund.

Ändert man auch nur eine einzige Größe (zu hohe Bevölkerungszahl, Kahlschlag von Wäldern als Sauerstofferzeuger, Verbrennung der Abfälle mitsamt ihren Minera­lien, Zuführung von Pestiziden, die auch Bakterien töten, usw.) bricht der Kreislauf unweigerlich zusammen.

 

Das geht natürlich nicht von heute auf morgen. Es ging sogar relativ lange gut, bis durch die explosionsartig wachsende Technik und Chemie vorübergehend die Bedingungen für ein gleich explosives Bevölkerungswachstum geschaf­fen wurden, das lawinenartig den Einsatz von Energie, Kunstdünger, Pestiziden und anderen Giften nach sich zog.

Um das Geschehen in einer Biogasanlage zu verstehen, muss man sich die chemischen Vorgänge bei Stoffumwandlungen anschauen. Die Energie des mit den Sonnenstrahlen einfallenden Photons baut in der so genannten Photosynthese aus Kohlendioxid (C02), Wasser (H20) und Sauerstoff Kohlenhydrate auf, Verbindungen von Kohlenstoff und Wasserstoff, aus denen alle pflanzlichen Substanzen bestehen.

 

Bei diesem Prozess entstehen Stärke, Zellulose und Zucker, der Hauptanteil der verwertbaren Biomasse.

 

Die in Bild 2.1 durch die Bakterien wieder freigesetzte Energie entspricht dem Anteil der Sonnenenergie, die den Prozess der chemi­schen Stoffumwandlung einleitete. Sie wird in Form eines Gases, überwiegend als Methan, wieder frei. Auf die Gärung mit Hilfe der Bakterien wird im nächsten Kapitel eingegangen.

 

Bei der Erzeugung von Biogas und Biodünger in der Landwirtschaft ist zu beachten, dass die Biomasse, die in landwirtschaftlichen Betrieben anfällt, von recht unterschiedlicher Beschaffenheit ist:

 

-   im unveränderten Zustand wie Stroh, Blätter, verdorbene Früchte, Wurzeln, Kartoffel- und Rübenkraut, Obsttrester, Küchenabfälle, aber auch Sträucher, Stauden und Holzabfälle.

 

-  der Kot aller Lebewesen, auf dem Land zum Beispiel von Rindern und Schweinen.

 

Die Mengen sind beträchtlich.

 

So ergibt

1 Rind im Jahr gut 2 t Mist,

10 Schweine etwa 1,5 t/a und

100 Hühner ebenfalls 1 t/a Trockensub­stanz.

 

In der Regel wird dieses „biologische Gold" immer noch auf den Misthaufen geworfen und man nimmt es als selbstverständlich hin, dass wertvolle Bestandteile, die wegen der Pflanzenverträglichkeit uner­setzbar sind, verloren gehen. So ist nicht nur die Abkühlung des Mistes ein Wärmeverlust. Ein großer Teil der flüssigen Gülle mit ihrem Nährwert für die Pflanzen, fließt ins Grundwasser ab und ist zu seinem Hauptverseucher geworden.

 

Zudem verliert der Mist durch die offene Lagerung unter freiem Himmel erheblich an Dünge-Qualität, da der Sauerstoff der Luft 25 %o seines wertvollen Stickstoffs bindet, der damit den Pflanzen nicht mehr zur Verfügung steht. Dieser Verlust muss durchweg mit Handelsdünger ausgeglichen werden.

Außerdem fallen in Haus und Hof Abfälle an, deren Grundstoffe industriell hergestellt wurden.

Dazu gehören Zeitungspapier, Verpac­kungsmaterial, Säcke, Kunststoffe, die zum Teil schon verrottbar sind, auch Holzabfälle, gekochte Abfälle, die an der Luft faulen. Diese sollten nicht auf dem Misthaufen oder gar in der Biomasse landen, mit der eine Biogasanlage beschickt wird, da - Holz ausgenommen - nicht mit Sicherheit feststeht, dass sie frei von Giftstoffen oder Schwermetal­len sind.

 

Unkrautvertilgungs- und Schädlingsbekämpfungsmittel sollten weder auf den Misthaufen noch in die Biomasse gebracht werden, da sie nicht nur Schädlinge, sondern auch die für den Prozeß in der Biogasanlage wichtigen Bakterien töten.

 

Neben den Giften muss auch vor Wachstumsmitteln wie Östrogenen gewarnt werden, die nicht so harmlos sind, wie man sie gern hinstellt. Sie gehören zu den ungelösten Problemen der Kläranlagen. Seitdem Östrogene in der Aufzucht der Kälber verwendet werden, gelangen sie über den Nahrungsmittelkreislauf auch zum Menschen. Jedenfalls sollte der Mist der Tiere, der Östrogene enthalten könnte, gesondert gelagert werden, damit er nicht in den Biodünger gerät, dessen Reinheit damit beeinträchtigt wird. Das Gleiche gilt natürlich für alle Abfälle, in denen Gifte oder Schwermetalle enthalten sind. Dagegen können und sollen alle biologischen Abfälle zusammengemischt wer­den, da der Inhalt der organischen Stoffe im Kot je nach der Nahrungund der Art der Tiere verschieden ist, so dass sich ein reichhaltiger Dünger ergibt.

 

Der Anteil der organischen Stoffe in Gramm pro Kilogramm Kot­ Trockenmasse ist für den Landwirt nicht uninteressant, da die Ansprü­che der Pflanzen an der Zusammensetzung der Erde verschieden sind. Außerdem erhält man Aufschlüsse darüber, welcher Dünger (Kalium, Stickstoff, Kalzium oder Phosphat) besonders notwendig ist.

 

 

Tabelle 2.1: Täglicher Anfall von organischen Stoffen in g/kg Trockensubstanz (TS) bei Rind und Schwein

und in mg/kg TS beim Huhn

 

          

 

Die Tabelle 2.1 zeigt sehr deutlich die unterschiedlichen Anteile der wichtigen Düngerstoffe wie Kalium, Kalzium, Stickstoff und Phosphor an der Trockensubstanz der verschiedenen Tierarten.

Die Menge an Dungstoff, die jährlich auf einem mittleren Hof mit 20 Rindern, 10 Schweinen und 50 Hühnern anfällt, ist überraschend hoch.

 

 

Tabelle 2.2: Jährlicher Anfall der wichtigsten organischen Dungstoffe in kg bei einem mittleren gemischtwirtschaftlichen Hof mit

20 Rindern, 10 Schweinen und 50 Hühnern.

 

 

 

Ein Modellhof dieser Größe verfügt im Mittel über eine Anbaufläche von 10 ha, für deren Düngung bei der heutigen zu intensiven Bodennutzung der anfallende tierische Dünger etwa zur Hälfte aus­reicht, wobei zu den organischen Dungstoffen ja noch die eigentliche Biomasse wie Faserstoffe, Fette, Proteine und andere hinzukommen. So beträgt die tägliche Trockensubstanz des Kotes

 

beim Rind 6 kg (jährlich ca. 2 400 kg)

beim Schwein 0,5 kg

beim Huhn 0,038 kg.

 

Zu den organischen Stoffen der Tabelle 2.2 von 5.376 t muss der Trockenmist von

(20 x 6 + 10 x 0,5 + 50 x 0,038) x 365 = 46 318 kg = 46,3 t

 

hinzugezählt werden. Die jährliche Mistmenge eines solchen Hofes liegt also bei etwa 46 t, von denen 5 t (ca.10 %) aktiver Dünger sind, während der größere Anteil in Humus umgesetzt wird, wenn die dafür notwendigen Bakterien und Kleinlebewesen ausreichend vorhanden sind, wie es beim Biodünger der Fall ist.

 

Ohne Biogasanlage muss die Hälfte des notwendigen Düngers gekauft werden. Mit einer Biogasanlage kann man zum einen den Verlust von 25 % des für die Pflanzen nährhaften Stickstoffs vermeiden, der bei der Lagerung auf einem Misthaufen durch den Sauerstoff der Luft gebunden wird, zum anderen einen von den Pflanzen schnell aufzuneh­menden Stickstoff herstellen. So gesehen, kann man mit einer Biogas­anlage rund 30 % des im Handel gekauften Stickstoffs einsparen. Bei Phosphor und Kalzium liegt die Einsparung nicht so hoch, da beide Elemente bei der Lagerung auf dem Misthaufen nicht abgebaut werden. Doch allein der Gewinn an Stickstoff beim Betrieb einer Biogasanlage ist wertvoll und trägt zu ihrer Wirtschaftlichkeit bei.

 

Ganz allgemein wird heute immer noch - die Landwirtschaft ausge­nommen - die Biomasse als lästiger Abfall angesehen, der mit großem Energieaufwand beseitigt wird, anstatt die wertvollen Bestandteile zurück zu gewinnen und den Rest energetisch auszubeuten; denn jeder Abfall, auch die Biomasse besitzt einen hohen Energieinhalt, dessen Nutzung fossile Brennstoffe spart und zur Minderung der Schadstoffe beiträgt, die die Wälder schon an den Rand ihrer Überlebensmöglich­keiten gebracht haben. Die vielseitigste Methode, Biomasse ökologisch sauber wieder zu verwerten, ist deren Vergärung in der Biogasanlage.


3 Biogasgewinnung

 

Auch bei der Biogasgewinnung war die Natur dem Menschen des hochtechnisierten 20. Jahrhunderts weit voraus. Man braucht nicht unbedingt in ein Moor hinunterzusteigen, um zu beobachten, wie aus organischer Substanz Gas entsteht. Das beste Beispiel gibt ein Haustier des Menschen: das Rind.

 

Sein Pansen (Bild 3.1) ist eine natürliche Biogasanlage. Ihm wird die zerkleinerte Biomasse zugeführt und vergoren. Das besorgen Bakterien, so genannte anaerobe Bakterien, die im Gegensatz zu ihren aeroben Kollegen ohne Luft (lat.: aer) leben und arbeiten können. Statt „vergären" spricht der Fachmann bei diesem Prozess von „fermentieren". Daher nennt man den Gär- oder Faulraum in einer Biogasanlage auch Fermenter. Die gleichmäßige Temperatur von 36 ° im Pansen oder Magen der Rinder ist ein ideales Arbeitsklima für die anaeroben Bakterien, die gegen Temperatur­schwankungen relativ empfindlich sind und bei niedriger Wärme wesentlich langsamer verdauen.

Es ist kein Zufall, dass der Pansen eine liegende Form hat. Das erleichtert die dauernde Durchmischung des Mageninhalts und die Ausscheidung der Gase. Auch in dieser Hinsicht ist er ein Vorbild für die Biogasanlage. Während man früher senkrechte Faultürme baute, geht man jetzt immer mehr zu waagerechten Gärbehältern über, wenn es die örtlichen Verhältnisse erlauben.

Man unterscheidet drei Gruppen von anaeroben Bakterien oder Methanbakterien, wie man sie auch nennt. Diese Einteilung ist zwar etwas willkürlich, sie entspricht jedoch den von ihnen bevorzugten Wärmebereichen

 

 

Bild 3.1: Magen von Wiederkäuern, hier vom Rind

 

 

Bakterien des psychrophilen Bereiches mit Arbeitstemperaturen von

4 ° bis 25 ° Celsius

Bakterien des mesophilen Bereiches mit Arbeitstemperaturen von

25 ° bis 40 °C

Bakterien des thermophilen Bereiches mit Arbeitstemperaturen von

40 ° bis 75 °C.

 

Je niedriger der Bereich der Arbeitstemperaturen ist, umso kleiner ist die Methanerzeugung je Zeiteinheit; denn um so träger ist die Verdauung der Bakterien. Hat man einmal die Arbeitstemperatur gewählt, so siedeln sich die dem Bereich entsprechenden Bakterien an, die dann eine möglichst konstante Temperatur verlangen, wenn man die vorausberechnete Biogasmenge erhalten will. Die Bakterien erho­len sich nach einem „Kälteschock" nur langsam.

 

Bei den psychrophilen Bakterien sollte die Temperatur nur zwischen 14 ° und 16 °C schwanken,

bei den mesophilen     Bakterien etwa zwischen           25 ° und 33 °C,

bei den thermophilen Bakterien etwa zwischen           50 ° und 55 °C.

Wegen der langsamen Gaserzeugung der psychrophilen Bakterien wird dieser Arbeitsbereich nur selten gewählt und zwar dann, wenn die Gasmenge zweitrangig gegenüber dem Wert des Biodüngers ist und wenn aus klimatischen Gründen eine höhere Arbeitstemperatur einen zu hohen Heizungsaufwand zur Folge hätte.

 

Der mesophile Arbeitsbereich wird heute allgemein bevorzugt, da er einen guten Kompromiss zwischen hoher Gasausbeute, mäßiger Heiz­leistung und ausreichendem Massendurchsatz darstellt.

Wegen des hohen Biogasanfalles im thermophilen Bereich hat man zu Beginn der Entwicklung von Biogasanlagen diesem Bereich oft den Vorzug gegeben. Doch die Aufrechterhaltung der hohen Temperatur von 55 °C machte eine langzeitliche Heizung in unseren Breitengraden erforderlich, die bis zu einem Drittel der erzeugten Biogasmenge verbrauchte.

 

 

 

Bild 3.2: Biogaserzeugung in den drei Bereichen der Methanbakterien als Funktion der Faulzeit und der Gärtemperatur

 

 

Heute wendet man sich immer mehr dem mesophilen Bereich bei mittleren Temperaturen von 32 ° bis 35 °C im Faulraum zu. Dafür genügen im Jahresmittel etwa 10% der erzeugten Gasmenge, die hauptsächlich im Winter anfallen. In den Sommermonaten ist meistens keine Heizung notwendig.

 

Wie die Kurve in Bild 3.2 zeigt, erreicht man schon nach etwa 30 Tagen eine relativ hohe Biogasausbeute in N m3 /m3 Faulraum. Auch die chemische Ausgärung der Biomasse hat bereits einen Grad erreicht, in dem der Dünger zum Biodünger geworden ist. Die Entscheidung, wie lange man die Biomasse im Faulbehälter belässt, hängt von mehreren Gegebenheiten ab, da aus wirtschaftlichen Gründen die Größe des Faulraumes in einem vernünftigen Verhältnis zur Biomasse stehen muss. Das hat Grenzen, die durch die notwendige Faulzeit von drei bis vier Wochen gegeben sind.

 

Bei reinem Rinderbestand ist der Anfall der Biomasse natürlich relativ hoch, so dass die kurzmöglichste Faulzeit von vier Wochen gewählt werden wird, wenn die Gasmenge für den Bedarf ausreicht, um mit einem kleinen Faulraum auszukommen. Bei Schweinen oder gar Hühnern, wo der Mistanfall wesentlich geringer ist, kann man sich zu Gunsten einer größeren Biogaserzeugung eine längere Faulperiode leisten.

 

Man sollte immer daran denken, dass nicht nur die Erzeugung von Biogas Vorrang hat. Hochwertiger Dünger und die Umstellung auf einen hygienischen Betrieb ist ein weiterer Zweck einer Biogasanlage.

 

Die Vorgänge im Fermenter werden von mehreren Faktoren beeinflusst. Die Bedeutung der Gärtemperatur ist schon geklärt.

Aber auch das Verhältnis Trockensubstanz zur Flüssigkeitsmenge ist von Bedeu­tung. Es soll bei etwa 1 : 10 (- 5) liegen und wird durch die Einbeziehung des Urins und der Stallreinigungsflüssigkeit in der Regel ungefähr erreicht.

Eine andere Regel besagt, dass die Kohlenstoffmenge (C) zum Stick­stoff (N) sich wie 15/1 verhalten soll.

 

Das C/N-Verhältnis lässt sich durch das Mischungsverhältnis der organischen Stoffe einstellen, wobei der Wert 15/1 natürlich nur ein allgemeiner Richtwert ist, deren Nichteinhaltung lediglich die Gasausbeute mehr oder weniger beein­trächtigt. Der Kohlenstoffanteil soll eher etwas größer als kleiner sein, da die methanbildenden Bakterien den Kohlenstoff bis zu dreißig mal schneller aufschließen als den Stickstoff. Wenn einer der beiden Stoffe erschöpft ist, kommt allerdings die Methanbildung zum Erliegen.

 

Die Tabelle 3.1 gibt das Kohlenstoff/Stickstoff-Verhältnis verschiede­ner Abfallstoffe an. Darin fällt besonders der hohe C/N-Wert von Stroh und Sägemehl auf. Doch das ist verständlich, da diese Stoffe aus hochmolekularem Kohlehydrat, der Zellulose, bestehen. Damit hat man es in der Hand, mit geringen Beigaben von Stroh das Verhältnis C/N zu Gunsten von C aufzubessern, was auch der häufigere Bedarf ist, da, wie schon bekannt, die Bakterien den Kohlenstoff schneller verarbeiten.

Für das Mischen der Stoffe werden ihre Gewichte herangezogen.

 

 

Tabelle 3.1: Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis C/N einiger Stoffe

 

 

 

 

Stoff

C/N

   Schweinemist

      6

   Menschenkot

      8

   Geflügelmist

    15

   Heu

    12-18

   Küchenabfälle

    15

   Rindermist

    18

   Pferdemist

    25

   Haferstroh

    50

   Getreidestroh

  150

   Sägemehl

  200-500

 

 

Ein Beispiel möge die Menge der Reguliermasse und ihre Berechnung zeigen.

Will man z. B. eine Biomasse mit dem C/N-Verhältnis k1 = 12 auf ein C/N-Verhältnis k2 = 20 anheben und hat die Biomasse ein Volumen von M1 = 1200 kg, so ergibt sich die zuzugebende Menge Stroh aus folgender Gleichung, wobei k3 das C/N-Verhältnis von Stroh gleich 200 ist:

 

                                                                      (k2      k1) x M1

Die Zugabemenge von Stroh M2 =               k3   -   k2           = (kg)

 

 

 

Setzt man die Zahlen für unser Beispiel ein, so ergibt sich eine Strohmenge M2: 53,33 kg

 

Neben dem Kohlestoff/Stickstoff-Verhältnis spielt für die Biogasent­wicklung auch der Säurewert pH der Biomasse eine bedeutende Rolle. Der pH-Wert soll zwischen 6,5 und 7,5 liegen.

Bei zuviel Säure in der Biomasse kann die Fermentierung in eine saure Gärung umschlagen, die zu einer Schädigung der methanbildenden Bakterien führt, so dass kein Methan mehr erzeugt wird. Dieser Vorgang tritt jedoch nur bei grober Vernachlässigung der Biomasse ein. Er. ist ziemlich selten, wenn man der Gaserzeugung einige Aufmerksamkeit schenkt. Ein Nachlas­sen deutet meist auf ein falsches C/N-Verhältnis oder auf eine Übersäuerung hin, die sich durch eine Gasminderung voranmeldet. Ihr kann man mit dem Nachfüllen von frischer Biomasse begegnen.

Selbstverständlich ist auch darauf zu achten, dass keine Giftstoffe wie Schädlingsverhütungsmittel und andere Pestizide in den Fermenter gelangen, da auch sie die Methanbakterien töten würden. Dass durch eine Dichthaltung der Anlage der Zutritt von Sauerstoff verhindert werden muss, braucht kaum erwähnt zu werden.

 

Bevor auf die anaerobe Gärung näher eingegangen wird, soll noch der Wert des Stickstoffes besprochen werden.

Der Stickstoff, ein sehr häufiges Element unserer Erde, ist meist gasförmig und in der Luft mit 75,5% gewichtsmäßig bzw. mit 78,1% volumenmäßig enthalten. Die Masse des Stickstoffes in der Luft beträgt etwa 4 000 Bill. t und kann als nahezu unerschöpflich betrachtet werden. Der Stickstoff brennt nicht, er ist geruch- und geschmacklos und vor allem reaktionsträge. Auch seine Löslichkeit in Wasser ist mäßig.

 

Stickstoff ist ein Baustoff für die Eiweißbildung bzw. für Proteine. Er ist als Teil der Pflanzen und der Tiere so wichtig wie Kohlenstoff. Durch die Entnahme der Pflanzen für die Ernährung wird dem Boden laufend Stickstoff entzogen, der ihm wieder zugeführt werden muss. Doch nicht jede Stickstoffver­bin­dung ist für den Aufbau von Pflanzen geeignet. Besonders günstig ist hier der Kalkstickstoff (CaCN2).

 

Wie kompliziert die natürlichen Vorgänge sind, zeigt der Gärungsvor­gang im Fermenter, der in drei Phasen abläuft. Die erste Bedingung für eine anaerobe Gärung ist das Fehlen von Sauerstoff. Dann kann die erste Prozess-Stufe beginnen:

 

In dieser ersten Prozess-Stufe werden die hochmolekularen Verbindun­gen wie Eiweiße, Fette, Kohlehydrate biochemisch in niedermoleku­lare organische Verbindungen umgeformt.

 

In der zweiten Phase bauen anaerobe säurebildende Bakterien die Restverbindungen der 1. Stufe zu organischen Säuren wie Essigsäure (H2C02), zu Salzen, Alkohol, Kohlendioxide (C02), Wasserstoff, Schwefelwasserstoffe (H2S) und Ammoniak (NH3) ab. Dabei wird noch der letzte Sauerstoff an noch aufnahmefähige Elemente gebun­den, so dass ein nahezu absoluter anaerober Zustand entsteht, in dem sich die Methanbakterien vermehren können. In der zweiten Stufe deuten sich auch schon die neben dem Methan befindlichen Gase im Biogas, wie Wasserstoff und Spuren von Schwefelwasserstoff an.

 

In der dritten Prozess-Stufe wird ein Teil der Verbindungen der zweiten Stufe durch die nun zahlreichen Methanbakterien verarbeitet, wobei Methan (CH4) in größeren Mengen, sowie Kohlendioxide, Wasser­stoffgas und etwas Schwefelwasserstoff gebildet werden.

Die dritte Stufe ist die zeitraubendste, da der Stoffwechsel der Methanbakterien langsamer als der der säurebildenden Bakterien abläuft. Das kann auch zur Folge haben, dass die Biomasse von letzteren übersäuert wird, der pH-Wert unter 6,5 sinkt und die methanbildenden Bakterien in ihrer Aktivität nachlassen.

Wenn die Methanbildung unerwartet zurückgeht, ist eine Säuremes­sung angeraten. Der Anstieg des pH-Wertes kann dann durch Zugaben von frischem Mist herbeigeführt werden.

 

Mit der Methanbildung hängt unmittelbar (Stufe 1) die Zerkleinerung der Biomasse zusammen, die als Ansiedlungsfläche für die Bakterien günstig ist. Je mehr die Stoffe zerkleinert werden, um so größer wird die Siedlungsfläche und damit die Gasausbeute.

 

Nun bringt es die Gärung mit sich, dass die Teilchen der Faulmasse durch Abtrennung von Kohlenstoff und Wasserstoff zu Methan leichter werden. Außerdem hängen sich an die Teilchen kleine Gasblasen, so dass das Material als Schwemmteile nach oben getragen wird. Das hat zur Folge, dass sich auf der flüssigen Gärmasse eine Schwimmdecke bildet, die eine Stärke von einem Meter und mehr erreichen kann. Sie verhindert zunehmend den Austritt des Methans aus der Biomasse. Bei einer Anreicherung von Methan im Medium läßt aber sofort die Methanbildung nach. Durch geeignete Methoden wird deshalb laufend die Entstehung einer Schwimmdecke unterbunden.

 

Die Menge des Biogases und dessen chemische Zusammensetzung wird zum Teil von den Ausgangsstoffen, aber auch von dem Grad der Ausgärung bestimmt. Das Biogas aus gemischter Biomasse nach einer Gärzeit von vier Wochen hat etwa folgende Zusammensetzung:

 

Tabelle 3.2: Durchschnittliche Zusammensetzung von Biogas

 

 

 

  Gasart

  Volumen %

  Dichte

  Methan (CH')

   55 - 70

  0,72 g/Liter

  Kohlendioxid (CO2)

   25 - 40

  1,98 "

  Stickstoff (N2)

            0,5-3

  1,25

  Wasserstoff (H2)

           1

  0,09

  Sauerstoff (02)

           0,1

  1,43 "

  Kohlenmonoxid (CO)

           0,1

  1,25 "

  Schwefelwasserstoff (H2S)

           0,01

  1,54 "

 

 

Wie wir sehen, befinden sich im Biogas auch giftige Gase wie das Kohlenmonoxid und vor allem Schwefelwasserstoff, wenn auch in ganz geringen Mengen. Eine Reinigung des Biogases ist deshalb notwendig, doch darauf wird noch später eingegangen werden. Der Methananteil nimmt mit der Gärzeit zu und kann durch eine Nachgärung bis auf 90% angehoben werden. Häufig hat aber der schnelle Durchsatz der Biomasse den Vorrang vor einer Erhöhung der Gasmenge.

 

Die Nachgärung ist besonders deshalb von größerer Bedeutung, weil die Kohlehydrate langsamer als Fette abgebaut werden. So werden die Kohlehydrate, bezogen auf eine feste Gärzeit, zu 30%, die Proteine zu 50% und die Fette zu 80% abgebaut. Wenn also die Fette und Proteine bereits vollkommen fermentiert sind, ist immer noch ein aktiver Rest von Kohlehydraten vorhanden, die in der landwirtschaftlichen Bio­masse bis zu 50% ausmachen und etwa ein Drittel des Biogases einbringen.

 

Die Nachgärung erfolgt somit hauptsächlich wegen der Ausgasung der Kohlehydrate.

Die Tabelle 3.2 zeigt uns zwar die Zusammensetzung des Biogases aber nicht die Eigenschaften der einzelnen Gasarten.

 

Reines Methan hat einen Heizwert von 8500 kcal/Nm3, 70-prozentiges Methangas, wie es meist vorliegt, hat einen Heizwert von 5290 kcal/ Nm3 = 22 150 kJ. Es ist ohne Luft- oder Sauerstoffzutritt nicht explosiv. Es ist ungiftig. Durch seine geringe Dichte von 0,72 steigt es nach oben, so dass es sich nicht in offenen Gruben ansammeln kann, jedoch in Gasglocken. Da im Methan kein Sauerstoff ist, besteht in Glocken Erstickungsgefahr.

 

Das Kohlendioxid ist ein chemisch neutrales Molekül, ungiftig und nicht brennbar, doch etwas umweltbelastend. Es kann mit Kalkwasser absorbiert (aufgenommen) werden. Durch seine hohe Dichte von 1,89 sinkt es nach unten und verdrängt dort die Luft. Offene Faulgruben müssen längere Zeit mit Ventilatoren belüftet werden, sonst besteht Erstickungsgefahr (siehe Betriebsvorschriften).

 

Der Stickstoff ist sowohl chemisch als auch ökologisch neutral, da er sowieso ein Teil unserer Luft ist. Er kann im Biogas verbleiben. Durch sein spezifisches Gewicht von 1,25 gilt hinsichtlich Erstickungsgefahr das Gleiche wie bei Kohlendioxid.

 

Der geringe Wasserstoffanteil von 1 % geht in den Heizwert des Biogases ein, wenn er sich nicht schon vorher mit Sauerstoffresten gebunden hat und als Kondenswasser auftritt.

 

Das Kohlenmonoxid ist giftig genug, um innerhalb weniger Stunden tödlich zu wirken. Seine Dichte von 1,25 führt zu einem Absinken des Gases. Eine besonders intensive Belüftung in Gruben ist deshalb notwendig. Wegen des CO-Inhaltes von Biogas müssen alle Räume, in denen sich Biogas befinden kann oder verbrannt wird, ständig belüftet werden.

 

Der Schwefelwasserstoff ist auch in seinem geringen Anteil von 0,01 % noch hochgiftig. Bei seiner Verbrennung formt er sich in Schwefelsäure um, die so aggressiv ist, dass die Metalle und Maschinenöle zerstört werden. Der Schwefelwasserstoff sollte immer aus dem Gas entfernt werden. Entsprechende Katalysatoren sind im Handel erhältlich.

 

Je nach der Reinheit des Biogases bzw. der Höhe des Methananteiles kann mit 2 bis 3 Nm3 Biogas 1 1 Heizöl ersetzt werden. Die genaue Definition eines Normalkubikmeters (Nm3) entspricht der Dichte des Gases bei dem „normalen" atmosphärischen Druck von 1000 hPa bei einer Temperatur von 0° Celsius (1000 hPa = 1 bar = 750 Torr).

 

Um die Wirtschaftlichkeit einer Biogasanlage beurteilen zu können, ist es notwendig zu wissen, in welcher Zeit eine bestimmte Ausgasung der Biomasse erfolgt.

 

Nach den allgemeinen Erfahrungen hat eine Biomasse im mesophilen Bereich mit einer Gärtemperatur von 33° C nach etwa 100 Tagen die volle Ausgasung von 100% erreicht. Bei einer Faulzeit von 30 Tagen sind es immerhin schon 80%, nach 20 Tagen rund 65% und nach 10 Tagen bis zu 40%. Es ist nur selten wirtschaftlich, die Faulperiode auf 100 Tage festzulegen, da man dabei die Faulraumgröße für den Mistanfall von 100 Tagen auslegen müßte. Das kommt ziemlich teuer. Bei einer Gärperiode von 30 Tagen ist der Massedurchsatz dreimal so groß, während der Gasverlust nur 20% beträgt. Man kann ja die Biomasse noch außerhalb des Gärraumes nachgären lassen.

 

 

 

Bild 3.3: Ausgasungsfaktor in Prozent der möglichen Ausgasung als Funktion der Faulperiode im mesophilen Bereich

 

 

 

Die absoluten Gasmengen hängen einerseits von der Zusammenset­zung der Biomasse andererseits von der Konsistenz der Biomasse, also dem Flüssigkeitsanteil ab. Die Ausbeute an Methangas bei richtiger Verdünnung mit Gülle oder Wasser ist etwa doppelt so groß wie bei unverdünnter Biomasse.

 

Ein günstiges Verhältnis von Trockensubstanz zu Flüssigkeit ist etwa 1:8 bis 1:10. Eine zu große Verdünnung hätte den Nachteil, dass der Gärraum größer wird und im Winter eine größere Masse aufgeheizt werden muss. Damit geht der Gewinn an Biogas unter Umständen durch die vermehrte Heizenergie, die ja von dem Biogas gestellt wird, wieder verloren. Unter eine Verdünnung von 1:8, die oft schon durch die Jauche und das Stallreinigungswasser hergestellt wird, sollte man aber nicht gehen. Kommt es nicht so sehr auf eine große Gasmenge an, weil der Bedarf nicht vorhanden ist, kann man äußerstenfalls auf 1:5 bis 1:6 zurückgehen.

 

Den Gasmengen der Tabelle 3.3 ist eine Verdünnung von 1:9 unterstellt. Sie beziehen sich auf jeweils 1 kg Trockensubstanz, die in der Gärmasse aufgelöst ist.

 

Tabelle 3.3: Spezifischer Gasanfall verschiedener Herkunft in Nm3/kg TS in 10, 20, 30 und 100 Tagen

 

 

 

 

 

 

Die Werte in Tabelle 3.3 gelten für den mesophilen Bereich.

 

Um nun die tatsächlichen Biogasmengen zu erhalten, muss die Menge der Trockensubstanz der Tiere bekannt sein. Sie beträgt für:

 

Rinder             6  kg/Tag

Pferde             2,7  kg/Tag

Schweine       0,6  kg/Tag

Schafe            0,2  kg/Tag

Geflügel          0,038  kg/Tag

Mensch           0,12  kg/Tag

 

Nach diesen Angaben kann man jetzt für den Modellhof von 20 Kühen, 10 Schweinen und 50 Hühnern die erzeugbare Biogasmenge im mesophilen Bereich für eine Faulperiode von 30 Tagen berechnen. Sie ergibt sich aus der Anzahl der Tiere z, der täglichen Kotmenge m in kg zusammen mit einer Einstreu von 60% und dem täglichen Biogas­anfall q (Nm3) (siehe Tabelle 3.3).

Da die jährliche Biogasmenge ermittelt werden soll, wird das Ergebnis mit 365 multipliziert. Unsere Berechnungsformel lautet dann für die jährliche Biogasmenge Q:

 

Q = z • m • q • 365 (Nm3/a)

 

 

Ergebnis

Für die Rinder: 20 . (6 + 2,6) • 0,19 . 365 = 13 133 N m3/a

für die Schweine: 10 . (0,6 + 0,36) . 0,21 . 365 = 736 Nm3/a

für das Geflügel: 50 • (0,03 + 0,018) . 0,2 . 365 = 175 Nm3/a

 

das sind zusammen 14 044 Normalkubikmeter im Jahr.

 

Die Klammerwerte setzen sich aus der täglichen Kotmenge + 60% Einstreu zusammen. Man könnte natürlich die Gasausbeute der Einstreu (Stroh) eigens berechnen, dann entfällt der zweite Wert in den Klammern. Die täglichen Kotmengen q sind aus der Tabelle 3.3, Spalte für 30 Tage, entnommen.

 

Diese 14 044 Nm3 ersetzen im Jahr rund 5 200 1 Heizöl und erbringen jährlich (bezogen auf den Ölpreis 1982) eine Einsparung von 4 200,­DM. Dazu kommen noch die Einsparungen von 25 % des Stickstoff ­Handelsdüngers und der Wegfall des Dieselöles, wenn der Traktor auf Gas umgestellt wird.

 

Im Fermenter kann praktisch jede Biomasse, die arm an Herbiziden und Antibiotika ist, vergoren werden. Je grüner eine Pflanze ist, umso schneller geht die Gasbildung vonstatten.

 

Nachdem bei der anaeroben Gärung die Keimkraft aller Samen verloren geht, kann auch Dreschstroh eingegeben werden, ohne dass man befürchten muss, dass im Biodünger Keimlinge in den Boden verfrachtet werden. Das trifft auch zum großen Teil auf Schädlingseier und Krankheitserreger zu. Der Biodünger ist ärmer an Krankheitserre­ger, hat aber alles, was der Boden braucht und die Pflanzen leicht aufnehmen und verarbeiten können, wie aktiven Stickstoff, Phosphor usw. und die humusschaffenden Bakterien.


4 Biogasanlagen im Ausland

 

 

Die Methangewinnung aus organischen Stoffen ist nicht neu und wird in verschiedenen Ländern bereits seit Jahren mit Erfolg betrieben. Vor allem in den Entwicklungsländern besteht immer ein Bedarf an billigen und leicht verfügbaren Energiequellen. Kein Wunder, dass man in Indien bereits 1939 ein Biogaswerk entwickelte, das als Rohmaterial den Mist der ansonst heiligen Kühe verarbeitete. Die Erfolge der vom Indian Agricultural Research Institute errichteten Kuhdung- oder Gobar-Anlage führte in den fünfziger Jahren zur Gründung des Gobar Gas Instituts, das sich auf die anaerobe Faulung von Kuhdung in kleinem Rahmen zur Gewinnung von Methangas und Düngemittel spezialisieren sollte.

 

Heute ist die Gobar-Anlage eine in Indien häufig anzutreffende Biogasanlage.

Die indische Bauweise (Bild 4.1) ist mit Ausnahme der Gasglocke leicht in Eigenarbeit herzustellen. Der Faulraum liegt unter Flur, weil der trockene Boden auch im Winter relativ warm ist, so dass eine Heizung der Gärmasse entfällt. Der Gärbetrieb ist kontinuierlich, da zwei Kammern vorhanden sind. Der Flüssigmist (Gülle) wird im

 

Mischbehälter angerührt und fließt der Kammer 1 zu. Wenn diese voll ist, übersteigt die Biomasse die Zwischenwand und füllt während des Gärens die Kammer 2. Die Anlage ist so ausgelegt, dass nach drei bis vier Wochen auch die Kammer 2 gefüllt ist und die vergorene Masse in das Schlackenbecken fließt. Die Nachfüllung der Masse in Kammer 1 erfolgt kontinuierlich, ebenso der Austritt des Biodüngers. Das Gas wird in einer schwimmenden Glocke aufgefangen und dem Brenner zugeführt. Die Stahlglocke ist drehbar gelagert und hat Rührelemente. Täglich wird die Glocke von Hand gedreht, um die Schwimmdecke zu zerstören.

 

 

Bild 4.1: Indische Gobaranlage, Typ 20 m3 mit 7 Nm3 Biogas/Tag

 

 

 

Die Phillippinische Biogasanlage ist ähnlich wie die indische aufgebaut, hat aber bereits eine wesentliche Verbesserung.

 

Bild 4.2: Philipinische Biogasanlage

 

 

 

 

Ursprünglich schwamm die Gasglocke direkt in der Faulgülle. Dabei kam es immer wieder vor, dass die Glocke durch grobe Verschmutzung festsaß. Das hatte zur Folge, dass bei Schwankungen des Spiegels der Biomasse Gas austrat und, was noch schlimmer ist, Sauerstoff eintrat. Die Glocke musste deshalb aus der Gülle genommen werden. Man schuf einen eigenen mit Wasser gefüllten Ringkanal und tauchte die Glocke ein. Diese phillippinische Bauart ist heute auch in Indien zu finden. Die Tauchtiefe für die Glocke ist ziemlich groß, damit sie sich bei Gasmengenänderungen entsprechend auf- und abbewegen kann. Die bewegliche Glocke hat den Vorteil, dass im System immer der gleiche Gasdruck herrscht. Der Druck wird lediglich vom Gewicht der Glocke bestimmt.

 

Auch der Faulturm selbst, der nur aus einer Grundplatte und einem aufgemauerten Zylinder besteht, war verbesserungsbedürftig, da noch keine Spülung vorhanden war. Mit der Zeit setzte sich in der Ecke an der Grundplatte immer mehr dickeres Material an, so dass jährlich mindestens einmal die ganze Anlage stillgesetzt und ausgeräumt werden musste. Damit fiel die Gasversorgung immer wieder aus. Es war ein diskontinuierlicher Betrieb.

 

 

Die geradezu lebenswichtige Bedeutung der Biogasanlagen führte in Indien dazu, dass sich die Forschung der Entwicklung von größeren Anlagen annahm, die ganze Genossenschaften versorgen sollten.

 

Bild 4.3: Indische Grossbiogasanlage für kälteres Klima

 

 

 

 

 

Dabei fand man die Lösung eines Problems, das bisher den Bau von Biogasanlagen erheblich erschwerte. Die Gasglocke muss mit ihrem Gewicht dem Auftrieb des Gases bei dem gewünschten Betriebsdruck entsprechen. Um dies zu erreichen, stellt man jede Gasglocke in Abmessung und Gewicht individuell her. Sie kostete daher oft mehr als die ganze Biogasanlage. Die Inder ersetzten bei ihrer Großbiogasan­lage die Masse der Glocke durch Gewichte. Dadurch konnten sie den Gasdruck individuell einstellen, indem sie die Gewichte erhöhten bzw. verringerten.

 

Die Masse einer teuren Standardglocke wird durch billige Ausgleichs­gewichte ersetzt.

 

Auch der aufwendige Wasserring um den Faulraum herum wird durch ein baulich anspruchsloses Becken ausgetauscht. Das Gas wird von unten her der Glocke zugeführt. Die Großanlagen sind alle mit einer Faulraumheizung ausgestattet, damit die Gärtemperatur konstant gehalten und die Ausgasung optimal werden.

 

In China hat die Biogaserzeugung, die vom Staat sehr stark gefördert wird, in der dezentralisierten Energieversorgung bereits einen bedeu­tenden Rang erreicht. 1983 waren bereits über 7 Millionen Biogasge­neratoren im Betrieb, Anlagen, die sowohl Einzelfamilien als auch ländliche Genossenschaften versorgten. Sie gewährleisteten die Ener­gieversorgung für 10 % der Bevölkerung.

 

Bild 4.4 ist eine Unterfluranlage ohne Heizung. Der ovale Querschnitt des Gärraumes dient hier einer leichteren und vollkommeneren Umlaufbewegung der Biomasse mittels eines Rührwerkes, das einen kontinuierlichen Betrieb gestattet. Bei kleinen Familienanlagen wird das Rührwerk von Hand einmal am Tage betätigt, bei größeren Anlagen geschieht das durch einen Motor. Da keine schwimmende Gasglocke vorhanden ist, ändert sich der Gasdruck je nach Erzeugung und Verbrauch.

 

Bild 4.4 Chinesische Dom-Biogasanlage

 

 

 

 

 

 

Der Faulraum wird so groß gebaut, dass etwa 50 Tagesmengen an Mist darin Platz haben. Bei größerem Mistanfall schiebt man die Biomasse etwas schneller durch und beschleunigt die Gärperiode. Bei geringe­rem Anfall verbleibt die Masse eben etwas länger im Faulraum.

 

Die Anlage muss von Zeit zu Zeit ausgeräumt werden, um den Bodensatz (Sediment) an unverrottbarem Material wie Steine zu entfernen. Dafür ist der Einstieg vorgesehen.

 

Auch einige europäische Länder zeigen interessante Lösungen. In Tirol steht eine Biogasanlage nach dem System Berlin, das im Schema der chinesischen Bauart ähnelt, aber bereits eine Nachgärkammer hat und statt des mechanischen Umrührens eine hydraulische Anlage besitzt, die viel einfacher arbeitet, als es auf den ersten Blick aussieht.

 

Die Anlage kann sowohl automatisch vom Stall her als auch „per Hand" befüllt werden. Der Faulraum ist durch eine waagerechte Unterteilung in zwei Gärräume getrennt. Der untere Raum ist der eigentliche Faulraum, in dessen Mitte ein Schacht untergebracht ist. Im oberen trichterförmigen Raum befindet sich der vorgegorene Biodün­ger mit einem Abfluss (rechts). Im oberen Bereich des Faulraumes ist ein waagerechter Rechen eingebaut. Darüber liegt der Gasraum.

 

Bild 4.5: Biogasanlage in Tirol nach System Berlin

 

 

Der Vorgang im Betrieb ist folgender: Die Gaserzeugungsmenge und die Verbrauchsmenge werden in der Regel nicht gleichzeitig in derselben Größenordnung entstehen und verbraucht. Das führt zu Gasdruckänderungen. Wird nichts abgenommen, so steigt der Gas­druck und presst die Faulmasse nach unten. Dadurch steigt sie im Schacht zum Teil in die obere Kammer. Bei größerem Gasverbrauch sinkt der Gasdruck und der Faulmassespiegel steigt wieder an, damit fließt ein Teil des Biodüngers wieder in den Schacht zurück. Bei der Spiegelschwankung im Faulraum durchquert die Biomasse laufend den Rechen und zerstört dadurch die Schwimmdecke.

Durch das ständige Nachfließen von frischer Gülle wandert das Faulgut durch den Schacht immer weiter nach oben, so dass der fertige Biodünger im gleichen Maß, aber im Rhythmus der Gasdruckänderun­gen, die obere Kammer bei a verlässt.

 

Eine andere Biogasanlage in Österreich nach dem System BIMA ist deshalb besonders interessant, weil sie eine sehr hohe Ausgasung der Biomasse durch eine integrierte Nachgärkammer verbürgt. Die Anlage ist für die Verwertung der Gülle von 60 Großvieheinheiten (GVE) ausgelegt (1 GVE entspricht allgemein 500 kg Tiergewicht).

 

Nach Einfüllung des Flüssigmistes bei A in den Hauptgärraum bildet sich dort immer mehr Biogas und baut einen steigenden Gasdruck auf, der die Faulmasse im Hauptgärraum zu verdrängen beginnt und über den Schacht G teilweise in den Nachgärraum verfrachtet. Öffnet man nun das Gasventil C, so strömt das Gas aus dem Hauptgärraum zum Gasspeicher (Gasometer). Der Gasdruck im Hauptgärraum sinkt, so dass der Güllespiegel dort wieder ansteigt und ein Teil des Inhaltes der Nachgärkammer in den Hauptgärraum zurückkommt. Lässt man jedoch den Gasdruck in dem Hauptgärraum stärker ansteigen, weil die Biomasse schon ausreichend ausgegoren ist, so fließt der oberste Teil des Biodüngers aus dem Nachgärraum über die Leitung B ab.

 

4.6: Querschnitt einer BIMA-Anlage in Vorarlberg/Österreich

 

 

 

 

 

Es kann bei A wieder frische Gülle nachgefüllt werden. Das ganze läuft natürlich kontinuierlich ab. Die Bewegung der Faulmasse durch die Gasdruckänderungen sorgt für eine gute ständige Durchmischung. Gleichzeitig muss das Faulgut bei jeder Auf- und Abbewegung den Rechen E passieren, der die Schwimmdecke schon im Entstehen zerstört. Der Güllezufluß im Rohr A liegt in einem Wärmetauscher F, der mit warmer Faulmasse gefüllt ist und so die zulaufende Gülle erwärmt; denn eine kalte Gülle wäre jedesmal für die Methanbakte­rien ein Schock, der die Gaserzeugung beeinträchtigen würde. Die tägliche Gasmenge beträgt etwa 90 Nm3.

 

Als Gasspeicher dient ein rundes offenes Silo mit doppelten senkrech­ten Wänden, zwischen denen sich eine Sole (Wasser mit Frostschutz­mittel) befindet. In dieser Sole schwimmt die Gasglocke, bestehend aus einem festen Ring und einer daran befestigten Kunststoffhaube aus Sarnafil-Folie. Eine Sole ist dann nicht nötig, wenn das Tauchwasser im Winter geheizt wird. In der Mitte des Speichers befindet sich eine Standsäule damit die Folie bei geringem Gasdruck nicht mit der Gülle in Berührung kommt. Um zu vermeiden, dass der Gasdruck die Haube aus dem Wasserring (Tasse) hebt, hat der Haubenring, der hier aus Beton besteht, ein Gewicht von 15 t. Die Flüssigkeit des Gasometers könnte natürlich auch aus Wasser bestehen, wobei man sich dann den äußeren Wasserring sparen könnte. Man kann aber auch, wie in Bild 4.7 eine vergorene Gülle einlagern und den ganzen Gasometer als Nachgärkammer nutzen.

 

Bild 4.7: Gasometer für die BIMA-Anlage (Bild 11) mit 12 m Durchmesser

 

 

 

 

 

 

Der Speicher ist so bemessen, dass er den täglichen Gasanfall, der für eine fünfstündige Heutrocknung eingesetzt wird, aufnehmen kann. Wer besonders viel Gas für Trocknunsgzwecke braucht, kommt um die Nachgärung kaum herum.

 

Eine solche Biogasanlage für 65 GVE steht seit 1979 auch in Langen bei Bregenz am Bodensee. Die Anlage hat eine große Hauptgärkam­mer, der die warme Gülle aus dem Stall direkt zufließt, ein anschlie­ßendes Nachgärkammersystem und, was selten zu finden ist, eine Impfgutkammer, die eine schnellere Ausgasung der Biomasse ermög­licht, weil immer ein großes Angebot von Methanbakterien zur Verfügung steht. Der Ablauf des flüssigen Biodüngers erfolgt gleich­zeitig in derselben Menge, wie an Frischgülle zuläuft. Der Behälter für den Biodünger ist auch hier der Kessel für den Gasometer, um auch noch die letzte Ausgärung zu nutzen. Der Gasometerinhalt beträgt 310 m3. Der tägliche Biogasanfall von 100 Nm3 zusammen mit der Speicherung im Gasometer reicht für eine Trocknungsperiode von 18 Stunden. Die Heutrocknung hat den höchsten Energiebedarf eines Hofes, der mit Fremdenergie nicht mehr wirtschaftlich ist.

 

 

 

Bild 4.8: Schema der Biogasanlage in Langen bei Bregenz mit Nachgär- und Impfgut­kammer für die Heutrocknung

 

 

Das Biogas für den Warmluftofen zur Heutrocknung wird in der Regel ungereinigt verbrannt. Um das ganze Heu dieses Hofes trocknen zu können, bräuchte man allerdings mindestens das Zehnfache des vorhandenen Biogases.

 

Die Schweiz misst dem Bau von Biogasanlagen große Bedeutung bei. Fünf Firmen nehmen sich bereits der Entwicklung und dem Bau von Biogasanlagen an. 1979 waren nach nur zweijähriger Entwicklung schon 30 Anlagen in Betrieb und zwar in den Größen von 25 bis 150 GVE mit Faultürmen bis zu 11 m Höhe und 300 m3 Gärrauminhalt in Über- oder Unterflurbauweise. Die Faulraumwände sind entweder aus Beton mit Außenisolation oder aus einer doppelwandigen Glasfaser­konstruktion mit einer dicken Kernschicht aus Polyuretan.

 

Wo ein Überschuß an Gas vorhanden ist, wird auch Strom erzeugt und an die öffentliche Energieversorgung verkauft.

 

Interessante Biogasanlagen in der Schweiz sind auch die Anlagen der Firma Inventa für Käsereien. Unter Einbeziehung von Totemanlagen ergeben sie energieautarke Betriebe. Käsereien haben einen großen Energiebedarf und zwar je 1 t verkäste Milch 250 bis 300 kWh, davon etwa drei Viertel als Wärme und ein Viertel für das Rührwerk. Mit dem Biogas wird meist ein Stromaggregat angetrieben, um eine vielseitig verwendbare Energie für alle Arbeitsgänge zu haben.

 

Bei der in Bild 4.9 gezeigten Biogasanlage einer Käserei stammt die Biomasse von 160 Schweinen, die von dem Abfallprodukt des Herstel­lungsverfahrens, nämlich der Molke, ernährt werden.

 

Bei der nachstehenden Biogasanlage sind besonders drei Konstruk­tionsmerkmale hervorzuheben.

 

 

Bild 4.9 Biogasanlage einer Schweizer Käserei

 

 

 

 

1 Stall                          5 Fermenter                                      9 Heizelement

2 Gülle                         6 Gasglocke                                      10 Bodenheizung

3 Biodünger                 7 Rührtrichter                                    11 Heizkessel

4 Güllepumpe              8 Führungsgestänge f.7                   12 Düngerableitung

 

 

 

 

 

 

 

Das 1. Merkmal ist der kompakte Zusammenbau aller Anlagenteile wie Stall, Vortank, Fermenter und Düngerlager zu einer Einheit.

 

Das 2. Merkmal ist eine neue Spezialpumpe für Dickstoffe. Es ist eine Exzenter-Schneckenpumpe.

 

Das 3. Merkmal ist das Rührelement im Fermenter zur Zerstörung der Schwimmdecke. Durch den periodischen Abruf von mehr oder weniger Biogas aus der Gasglocke sinkt und steigt diese und nimmt über ein Führungsgestänge den Rührkegel mit, der dabei laufend die Schwimm­decke durchbricht. Auf eine ähnliche Weise funktioniert auch die schweizerische Griogasanlage.

 

Eine andere Schweizer Anlage ist zwar nicht unbedingt typisch für das Land, bringt aber eine neue, von Agrogas entwickelte Art der hydraulischen Auflösung der Schwimmdecke. Zu diesem Zweck wird ein zentrales senkrechtes Rohr in den Faulraum eingebracht. In dem Rohr befindet sich eine Umwälzpumpe zum Ansaugen der Gülle, die dann am oberen Ende des Rohres auf den Güllespiegel fällt. Damit entsteht ein Flüssigkeitskreislauf, der keine Schwimmdecke aufkom­men lässt. Das System ist einfach und wirksam.

 

Bild 4.10: Schweizer Biogasanlage mit Zentralrohr und Umwälzpumpe

 

 

 

 

1 Gärraum              4 Güllezufuhr                         7 Sichtfenster         10 Umwälzpumpe

2 Zentralrohr          5 Gasentnahmerohr               8 Düngerabfluss

3 Heizung               6 Kontrollöffnung                   9 Siphon

 

Die obere Öffnung des Rohres kann in seiner Höhe verstellt werden, so dass bei dieser Art auch der Güllespiegel einstellbar ist. Die frische Gülle wird über ein hohes Siphonrohr zugeführt, das ein selbständiges Auslaufen der Fertiggülle verhindert. Auch der Zulauf geschieht über Siphon (9), um den Zulauf nach Belieben dosieren zu können. Das Zentralrohr (2) ist ummantelt. In dem Mantel fließt warmes Wasser zur Temperaturhaltung der Biomasse. Diese Art der Heizung verlangt nur einen geringen Aufwand und stört die Umwälzströmung nicht. Sie kann auch nicht verschmutzen.

Der Einsatz von einem Siphon ist immer dann notwendig, wenn der selbsttätige Zu- oder Abfluss einer Flüssigkeit ohne Ventile verhindert werden soll. Befüllt oder entladen wird dann allerdings mit einer Pumpe.

 

In Dänemark entstanden die ersten Biogasanlagen 1973. Sie sind durchwegs im Selbstbau bei gegenseitigem Erfahrungsaustausch ent­standen.

 

Nach einigen kleinen Pilotanlagen ist man sofort auf den Bau von größeren Anlagen übergegangen. Das System paßt sich dem Anfall von Mist an. Es ist kontinuierlich. Es gibt immer einen Vortank zur Aufnahme und Mischung der Frischgülle und oft auch mehrere Gärtanks.

 

Die gezeigte Anlage (Bild 4.11) hat sogar fünf Faulräume, die kreisförmig um den Vortank (6) gelagert sind. Die Anlage, die für 60 GVE gebaut wurde, ist groß genug, um einen Wartungsgang (7) rund um den Vortank unterzubringen. Von den einzelnen Faulräumen (1 bis 5) führt eine Gasleitung zum Gasometer, oft auch nur zu einem Kissenspeicher. Das ist eine Grube in der Erde, meist teilweise mit Biodünger zum Nachgären gefüllt und einer Folie darüber.

 

Bei den fünf Faulräumen wird die Stetigkeit des Betriebes natürlich kaum beeinflusst, wenn jeweils ein Faulraum zur Entnahme des Biodüngers geöffnet wird.

 

 

Bei der Anlage Bild 4.11) hat jede Faulkammer einen Inhalt von 90 m3, die mit 75 m3 befüllt werden. Die jährliche Gaserzeugung liegt bei 40 000 Nm3. Die Einsparungen pro Jahr liegen bei 20 0001 Heizöl und 1200,- DM für Handelsdünger (entsprechend 20,- DM/GVE).

 

Bild 4.11: Dänische Biogasanlage im Mehrkammerverfahren für 60 GVE

 

 

 

 

 

 

 

Eine andere interessante dänische Biogasanlage für 200 Großviehein­heiten fasst Vortank, Faultank und Gasglocke konzentrisch zu einer Baueinheit zusammen. Das mindert die Kosten erheblich, erfordert aber gute Vorstellungen des Betriebsablaufes vor allem der Faulpe­riode. Die Anlage darf nicht zu klein gebaut werden. Sollte jedoch später eine längere Faulperiode zwecks höherer Ausgasung notwendig werden, kann man immer noch einen weiteren Vortank und eine Nachgärmulde mit Folienüberdeckung dazubauen. Auch ein zusätzli­cher Gasometer ist möglich.

 

  1  Folienglocke

  2  Gasraum 3 Gärraum

  4  Gasableitung 5 Vortank

  6  Umpumprohr

  7  Überlaufrohr

  8  Mehrzweckpumpe

  9  Umpumprohr

10  Güllezufuhr

11  Biogdüngerentnahme

12  Faulraumheizung

                      

 

 

 Bild 4.12: Dänische Kompakt-Biogasanlage, Faulrauminhalt 680 m3

 

 

In den vorgewärmten Tank (5) werden täglich 3 m3 frische Gülle eingebracht und zugleich bei 11 dieselbe Menge ausgegaster Biomenge entnommen. Der Hof ist so gebaut, dass der anfallende Mist durch Spalten in einen Sammelkanal fällt. Von dort fließt der flüssige Mist über einen großen Zwischentank zum Fermenter, in den er mit einer 7 kW-Pumpe portionsweise in den Vortank gelangt.

 

Auf diesem gut durchdachten Anwesen wird der Mist nicht mehr per Hand transportiert. Das Einschalten der jeweiligen Pumpe ist die einzige Arbeit neben dem Abspritzen der Stallflächen, die für die Mistbeseitigung und -verarbeitung anfällt.

 

Interessant ist vor allem, warum sich der Besitzer entschlossen hat, die Biogasanlage zu errichten. Immer wieder traten vorher in den Ställen Wurmkrankheiten auf, denen auf die Dauer nicht beizukommen war. Bei der Vergärung der Biomasse werden die Wurmeier getötet, so dass der Dung hygienisch ist. Seit dieser Zeit ist kein Wurmbefall mehr vorgekommen. Die Energie und die anderen Vorteile bekommt der Besitzer dazu, so die Einsparung von 5 000 ton Heizöl jährlich und eine starke Verminderung an Stickstoff-Handelsdünger, von der Sauberkeit des ganzen Hofes bis zur Geruchsfreiheit ganz zu schweigen. Der tägliche Anfall von Biodünger (3 m3) wird mit Wasser verdünnt und sofort auf die Felder gebracht, so dass der ganze Stickstoff den Pflanzen zugute kommt.

 

Aus dem hier anfallenden Mist könnte ohne weiteres die doppelte Menge Biogas gewonnen werden, wenn die Biomasse länger im Fermenter verbliebe. Doch damit würde sich der Durchsatz etwa auf die Hälfte vermindern oder die Anlage hätte doppelt so groß gebaut werden müssen. Wenn keine Heutrocknung im großen Stil vorgesehen ist, kann man aber die Gasmenge aus der Biomasse von 200 GVE nicht verbrauchen. So wurde die Gärzeit auf nur 14 Tage festgelegt. Die Anlage ist somit wirtschaftlich optimal.

 

Die systematische Entwicklung von Biogasanlagen begann anfangs der dreißiger Jahre. In den Mittelmeerländern entschloss man sich bald zu einem Baukastensystem von drei gleichgroßen Türmen. Davon arbei­teten zwei als Fermenter und einer als Gasometer. Die Anlagen arbeiten ohne mechanische Hilfsmittel. Man überlässt die anaerobe Gärung sich selbst und zwar drei Monate lang bis zur völligen Ausgasung. Dann werden die beiden Faulräume nacheinander mit Baggern entleert. Inzwischen fallen laufend wieder offene Misthaufen mit den bekannten Nachteilen an. Nach dem 2. Weltkrieg, als das Biogas als Antrieb von Fahrzeugen nicht mehr gebraucht wurde, hielt man die technisch anspruchslosen Anlagen nicht mehr in Betrieb. Heute wächst auch im Mittelmeerraum das Interesse an der Biogastechnologie wieder, diesmal aber für die Aufgaben eines modernen landwirtschaftlichen Betriebes.

 

In den Vereinigten Staaten geht die Entwicklung von Biogasanlagen schon auf das Jahr 1933 zurück. Die damaligen horizontalen Faulbe­hälter nach Buswell und Boruff werden heute wieder gebaut, weil sie leicht unter dem Stallboden untergebracht werden können und so der Mist unter geringstem Aufwand und noch warm in den Gärraum gelangt. Wirtschaftlichkeit wird in den USA bekanntlich groß geschrie­ben. Eine Vorrichtung mit viel Handarbeit ist dort nicht durchzusetzen.




5 Die Entwicklung von Biogasanlagen in der Bundesrepublik

 

In der Bundesrepublik gibt es rund 450 000 landwirtschaftliche Betriebe, die mehr als 10 ha bewirtschaften und für die eine Biogasan­lage interessant ist.

 

In Mitteleuropa arbeiteten 1984 über 500 Biogasanlagen, in der Bundesrepublik waren es über 100, die recht verschieden sind. So führt das Studium einer größeren Zahl von typischen Anlagen am schnell­sten zu den gesuchten praktischen Erkenntnissen.

 

Ein solcher Anlagentyp hat sich die horizontale Lage des Rinderpan­sens zum Vorbild genommen, obwohl die ersten Versuche mit waage­rechten Unterflur-Fermentern aus Gründen der Eingliederung in den Stallbau gewählt wurden. Dabei hat sich herausgestellt, dass wegen der größeren Flüssigkeits­ober­fläche auch die Schwimmdecke dünner ist. Außerdem waren die Rührprobleme geringer. Die Anlagen waren handlicher im Betrieb.

 

Hier zunächst das Schema einer Horizontalanlage für einen Kleinbe­trieb.

 

Bild 5.1: Schema einer horizontalen Biogasanlage mit Rührwerk

 

Der Fermenter besteht aus einem großen Wasser- oder Odelfaß, das schräg aufgestellt wird, damit eine Ecke für die Ansammlung des Biogases verbleibt. Als Rührwerk dient eine Welle mit mehreren Löffeln, die entweder von Hand oder mit Hilfe eines Motors mit starker Untersetzung gedreht werden. Der Düngerabfluß kann aus einem Siphon mit Pumpe oder ohne Siphon mit einem Absperrventil bestehen. Die Anlage arbeitet diskontinuierlich.

 

Das System läßt sich ohne weiteres zu einer kontinuierlichen Großan­lage erweitern. Eine solche Erweiterung ist unter dem Namen System Darmstadt bekannt.

 

In der Schwäbischen Alb arbeitet eine derartigen Anlage zuverlässig .seit 1959, die von dem Besitzer in einer, auch für heutige Vorstellun­gen, modernen Weise selbst gebaut wurde. Die Biogasanlage ist für 20 GVE, also für eine durchschnittliche Hofgröße bemessen. Die Mate­rialkosten betrugen damals nur 6 000, - DM. Stall, Mischgrube und Gärraum bilden eine Einheit. Für die Mischung ist eine nicht ortsfeste Pumpe vorhanden. Sie zerkleinert gleichzeitig den vom Stall zufließen­den Mist. Das Rührwerk macht alle 11/2 Stunden 2 Umdrehungen. Das genügt. Der tägliche Energiebedarf dafür beträgt 0,1 kWh und für den Mischer 7 kWh. Die Energie wird ebenso wie die der Faulraumheizung dem Biogas entnommen, dafür werden im Winter 15 % eingesetzt. Zu dem täglichen Viehmist von 36 kg TS kommt noch die Einstreu (Stroh) hinzu. Beide zusammen erbringen jährlich 14 000 Nm3Gas, die für die Gebäudeheizung und Warmwasser, auch für einen Kartoffeldämpfer ausreichen. Als Speicher steht ein Gasometer zur Verfügung, der mit einer Entschwefelungsanlage ausgestattet ist.

 

 

 

Bild 5.2: Schema einer Unterflur-Biogasanlage für 20 GVE in Bernloch

 

Es gibt viele Gründe, eine Biogasanlage zu errichten und für jeden Landwirtschaftsbetrieb kann ein anderer Grund zum Bau Vorrang haben. Mitten in einer oberbayrischen Gemeinde liegt ein Schweine­mastbetrieb, dessen Geruchbelästigung, wie bei Schweinen so üblich, immer unzumutbarer wurde. Der Hofbesitzer entschloss sich deshalb 1981 zum Bau einer Biogasanlage. Seitdem ist der Ort geruchfrei, der Hof ist sauber, die Arbeit weniger und der Bauer rundherum zufrie­den. Bei der Planung half die Forschungsstelle „Landtechnik Weihen­stephan" mit. Es wurde eine Demonstrationsanlage.

 

 

  1 Lagertank für Biodünger (300 m=)

  2 Wärmespeicher für 3

  3 Vortank für Frischgülle

  4 Zulauf der Frischgülle

  5 Zentralpumpe

  6 Siphon zwischen 2 und 9

  7 Wärmetauscher für Frischgülle

  8 Gasglocke

  9 Gärraum 80 m3

10 Ablauf für Biodünger

11 Bodenheizung für 9

12 Gasreiniger

13 Gasheizkessel

 

 

Bild 5.3: Biogasanlage für 20 GVE (500 Schweine) in Gilching/Obb

 

 

Die Anlage kostete rund 100 000,- DM einschließlich aller Bauten und den vom Gas versorgten Einrichtungen. Der stehende Faulturm besteht

 

aus 20 cm Beton, 12 cm Wärmedämmung und einer Alumi­niumverkleidung, die technisch nicht notwendig ist. Die Bodenheizung (11) ist nur im Winter in Betrieb. Die Gärtemperatur liegt bei 32° C. Die Stahlglocke wiegt 4 t, um einen Gasdruck von 0,04 bar zu halten. Die Eintauchtiefe der Glocke schwankt zwischen 0,4 und 1 m. Der tägliche Arbeitsaufwand liegt bei 10 Minuten.

 

Wenngleich auch allgemein der mesophile Gärbereich von 32 bis 35° C wegen der geringen Wärmeverluste gewählt wird, so hat der Tempera­turbereich der thermophilen Bakterien von 50 bis 55° C dann seine Berechtigung, wenn eine hohe Methangaserzeugung oder kurze Faulpe­rioden angestrebt werden (s. Bild 3.2).

 

Ein Prototyp für die industrielle Fertigung von Kompakt-Biogasanla­gen steht seit den siebziger Jahren in Hopfen bei Weiler im Allgäu. Sie kann den Mist von bis zu 35 Großvieheinheiten in kurzer Zeit vergären und ist damit für 350 000 landwirtschaftliche Betriebe mit individuel­len Änderungen passend. Die Investitionskosten werden mit 1200 bis 15 00,- DM/GVE ohne Speicherung angegeben.

Der tägliche Gasge­winn liegt maximal bei 50 Nm3, was einer Heizölersparnis von 10 000 ton/a entspricht.

 

Der verdünnte Mist wird alle paar Stunden automatisch dem Faulraum zugeführt.

Bild 5.4: Kompakt-Biogasanlage Hopfen

 

 

 

 

 

  1  frische Gülle

  2  Homogenisierungspunpe

  3  Faulturm 50 m3

  4  Heizung für 3

  5  Rückwärmetauscher

  6  Biodünger

  1  frische Gülle

  2  Homogenisierungspunpe

  3  Faulturm 50 m3

  4  Heizung für 3

  5  Rückwärmetauscher

  6  Biodünger

  7  Gastrockner

  8  Kondensatabscheider

  9  Gasometer

10  Gasheizkessel

 

 

Um die Heizleistung durch Biogas zu mindern, wird die Wärme des abfließenden Biodüngers über einen Wärmetauscher wieder dem Faulraum zugeführt. Außerdem werden hier eine Kraftwärmekopplung und eine Wärmepumpe eingesetzt. Das Überschußgas wird mit einem Kompressor (300 bar) in Stahlflaschen gefüllt.

 

Die Heizung und Isolierung des Fermenters ist oft teuer und problema­tisch. Wenn die Heizschlangen im Gärraum nicht unter Putz liegen, verschlammen sie häufig oder sind der Strömung hinderlich, so dass die Auflösung der Schwimmdecke erschwert wird. Aber auch mit Außen­isolierung und Heizung wird die Temperatur immer etwas schwanken, was die empfindlichen Methanbakterien zu einer etwas geringeren Gaserzeugung veranlasst.

 

Dem kann man entgehen, wenn man den ganzen Faulbehälter, ob aus Stahl oder glasfaser­verstärktem Kunststoff (GFK), in einem warmen Wasserbad unterbringt.

 

Selbstverständlich muss diese „Badewanne" außen isoliert werden, was bei den geraden Wänden keine Schwierigkeiten macht. Dazu kann sogar das billigere Styropor verwendet werden. Bei guter Isolierung ist der Bedarf an Prozeßenergie für die Erwärmung des Wasserbades äußerst gering. Ein weiterer Vorteil dieser Bauweise ist, dass der gasbefeuerte Heizkessel in seiner Vorlauftemperatur frei ist und im Winter für die Raumheizun­gen hochgefahren werden kann, was dann nicht möglich ist, wenn sich die Heizschlange direkt in der Gärmasse befindet.

 

Die Erfahrungen mit solchen Anlagen sind gering, da bisher vor allem Anlagen mit Faultürmen gebaut wurden, die von außen zugänglich sind und daher auch besser gewartet werden können. Auch die Zu- und Ableitungen des Faulraums und eventuelle Reinigungen sind einfacher.

 

Dieser Typ wird wohl speziellen Fällen vorbehalten bleiben. Es ist selbstverständlich, dass das Wasserbecken so klein wie möglich gehal­ten wird. 15 bis 20 cm Freiraum zwischen Faulraum und Innenwand der Wanne dürften genügen.

 

 

 

 

 

 

Bild 5.5: Faulraumbehälter in einer Wasserwanne

 

 

Wie das Bild 5.5 zeigt, wird der Ablauf des Düngers durch einen Siphon geregelt, dessen Überström­kante mit dem Biomassenniveau übereinstimmt.

 

Welch hohen Stellenwert man dem Wärmehaushalt in einer Biogasan­lage aus biologischen und wirtschaftlichen Gründen beimisst, zeigt die nachstehende Konstruktion, die von der Erkenntnis ausgeht, dass der Kreis die geringste Oberfläche, gemessen an der Querschnittsfläche, hat und demnach auch die geringste Abkühlungsfläche.

 

Sie wird nur noch von der Kugel unterboten.

 

Ein ausgeklügeltes aber einfaches System zur Erhöhung der Gas­menge, bis zur völligen Ausgärung, bei geringstem Einsatz von Fremd­energie für den Prozess, wurde von der Firma Lipp entworfen und mehrmals gebaut.

 

Bei diesem System sind alle Behälter, der Faulraum (1), der Frischgül­lebehälter (3), der Nachgärraum (2) und die Wassertasse (4) für die Aufnahme der Gasglocke (5) in konzentrischen Ringen angeordnet. So geht kaum Wärme verloren, da die Wärme des einen Ringes die Masse des benachbarten Ringbehälters erwärmt. Lediglich der innerste Behälter (1), der Hauptfaulraum, besitzt eine Isolierung und natürlich der äußerste Mantel der ganzen Anlage.

 

Der Vorgang im Fermenter spielt sich wie folgt ab:

 

In den Ring 3 wird von Zeit zu Zeit eine gewisse Menge Frischgülle gepumpt, von wo sie über eine Rohrleitung in den innersten Raum (1) fließt. Die Biomasse wird dort erwärmt und anaerob vergoren. Durch das Eindringen von Frischgülle in Raum 1 wird die gleiche Menge Faulmasse über die gegenüberliegende Leitung in den Raum 2 zur Nachgärung geschoben. Das hat zur Folge, dass wiederum eine gleichgroße Menge vergorenen Materials aus der Nachgärkammer (2) in das Lager (7) für den Biodünger befördert wird.

An der Gasglocke (5) sind Zahnstangen (6) angebracht, mit deren Hilfe beim Heben und Senken der Glocke, infolge von Gasdruckände­rungen bei der Gasentnahme über einen Kettenantrieb, Stahlplatten nach oben und unten bewegt werden, die die entstehende Schwimm­decke laufend zerstören.

 

 

 

 

  1  Hauptgärraum

  2  Nachgärraum

  3  Gülleraum

  4  Wassertasse

  5  Gasglocke

  6  Zahnstange für Rührwerk

  7  Grube für Biodünger

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      

 

 

 

                                                                                    Bild 5.6: Konzentrische Biogasanlage nach Lipp

 

Eine solche Anlage kann allerdings nicht im Selbstbau hergestellt werden, ausgenommen die Fundamente, äußere Rohrleitungen, Auf­stellung von Pumpen, Stromaggregate. Der Fermenter selbst besteht aus gängigen Größen aus dem Stahlsilobau, so dass der Preis der Anlage niedriger ist, als man aus dem komplizierten Aufbau schließen möchte. Die geringen Wärmeverluste erlauben einen thermophilen Betrieb mit 55° C zumindest bei größeren Anlagen, die empfohlen werden.

 

Bei Großanlagen werden Preise von 1400, - DM je GVE genannt, wenn die Anlage für 100 GVE geplant ist, und 1000,- DM/GVF für Baugrößen von 200 GVE. Hier lohnt sich also ein genossenschaftlicher Zusammenschluss von Biogasinteressenten. In diesem Fall muss jedoch die Frischgülle vor Einbringung in den Fermenter wieder angewärmt werden, da eine kalte Flüssigkeit in dem kompakten Wärmesystem ein Störfaktor wäre.

 

Bei Kleinanlagen für etwa 20 GVE wird meist der mesophile Methan­bereich von circa 32° C angewendet, da das Verhältnis von Oberfläche des Fermenters zur Masse ungünstiger ist und eine hohe Temperatur eine Wärmeabstrahlung hätte, die eine Heizungsanlage notwendig machen würde. Das System arbeitet ohne eine zusätzliche Prozeßener­gie, so dass das gesamte Biogas zur freien Verfügung steht.

 

Auch langjährige Kenntnisse werden heute von der Forschung aufge­griffen, um sie systematisch zu durchleuchten; denn es gibt nichts, was nicht noch verbesserungsfähig wäre. Genauere Grundkenntnisse füh­ren immer zu einer größeren Effektivität. So ging Ende 1983 in Quickborn im Kreis Lüchow-Dannenberg eine Gemeinschaftsanlage für Biogaserzeugung im Dorfverbund in Betrieb. Dabei entstanden unter Beratung und mit Zuschüssen des Bundesministeriums für Forschung und Technologie auf fünf Bauernhöfen Biogasanlagen in dezentraler Güllevergärung. Lediglich zwei Nachbarn lieferten zusätz­lich ihr Faulgut bei den fünf Biogasanlagen ab.

 

Nach der Planung wird das Biogas aber nicht auf den Höfen direkt eingesetzt, sondern einer zentralen Gasdeponie zugeleitet. Von dort aus wird es mit dem für den Verbraucher günstigen Druck in das dörfliche Gasnetz eingeleitet. Dieser Gasverbund hat nicht nur den Vorteil der höheren Gas-Reservehaltung, sondern erlaubt auch eine bessere Freizügigkeit des individuellen Verbrauches.

Im Sommer, wo der Gasbedarf in den Haushaltungen und auch für die Prozesswärme der Faulräume am geringsten ist, stehen nun Gasmengen für energieintensive Aufgaben, wie zum Beispiel die Heutrocknung, zur Verfügung.

 

Bei diesem System besteht auch die Möglichkeit, dass sich jederzeit andere Betriebe, die sich nur noch einen Fermenter zu bauen brauchen, an den zentralen Gasspeicher anschließen. Durch jeden Neuanschluß wird gleichzeitig die allgemeine Gasversorgung des Verbundes verbessert.

Mit zunehmender Gesundung der Einzelhöfe und der Umwelt entste­hen auf diese Weise regionale Gasversorgungsnetze, die später einmal zusammengeschlossen werden können und die große Mengen des teureren Dieselkraftstoffes und Heizöles einsparen helfen. Da nicht jeder landwirtschaftliche Betrieb seinen eigenen Gasspeicher bauen muss, amortisieren sich die dezentralen Biogasanlagen in noch kürzerer Zeit.

 

Der Hauptvorteil dieses Verbundsystems besteht darin, dass jeder beteiligte Landwirt seine Biogasanlage seinen örtlichen Verhältnissen anpassen kann und in seinen Entschlüssen frei bleibt, ob er der Gaserzeugung und der Menge des Biodüngers Priorität einräumen will.

Der Verbundanlage in Quickborn ging zunächst eine umgekehrte Entwicklung voraus und zwar die eines zentralen Fermenters.

 

Die Planung und Durchführung der Anlage Ismaning/Obb. lag bei Messerschnitt-Bölkow-Blohm. Man ist dabei von der früheren Übung, wie z. B. von der Forderung abgegangen, dass ein Fermenter nicht in einem Haus untergebracht werden soll. Auch gärungstechnologische Neuerungen wurden eingebracht. Die Größe der Biogasanlage wäre mit Privatmitteln sicher nicht durchführbar, obwohl es sich hernach herausgestellt hat, dass sich selbst diese Summe amortisiert.

 

Die Großanlage in Ismaning ist für eine tägliche Vergärung von 50 m3 Biomasse ausgelegt, eine Menge, die ein einziger Hof allein gar nicht liefern kann. Sie ist zugleich ein Test, ob eine Gemeinschaftsanlage von den umliegenden Bauern angenommen wird, wobei die Frischgülle natürlich in geschlossenen Tanks geruchfrei nach einem gemeinsamen Transportplan angeliefert werden muss, um die Gleichmäßigkeit der Befüllung zu gewährleisten. Dass dies tatsächlich funktioniert, ist eine Nebenerkenntnis des Projektes, aber zugleich auch der Beweis, dass die anaerobe Mistverwertung als Vorzug in kurzer Zeit erkannt wurde.

 

Nach anfänglichem Zögern lieferten immer mehr Landwirte den Stallmist in Ismaning an, da vor allem die Arbeit auf dem Hof dadurch geringer, ein höherwertigerer Dünger erzielt und der ganze Hof hygienischer wird. 1983 war die Anlage bereits zum großen Teil ausgelastet. Bei vollem Betrieb werden täglich 1 000 bis 1 500 Nm3 Biogas erzeugt. Schaltet man auf thermophilen Betrieb um, so erhöht sich die Gasproduktion mit Nachgärung auf etwa 3 000 Nm3/Tag.

 

Die Großbiogasanlage besteht aus zwei isolierten Faulbehältern von je 500 m3 Fassungsvermögen. Sie haben einen Durchmesser von 10 m und können die Gülle von 1000 Großvieheinheiten aufnehmen. Die beiden Faultürme befinden sich in einem geschlossenen Haus mit Außenisolierung. Dies ist nur möglich und zulässig, weil der Raum mit Gasspürgeräten überwacht wird. Der Güllespeicher (6) liegt außerhalb des Gebäudes und ist heizbar. Er ist nur als kurzzeitiger Zwischenspei­cher gedacht, in den die Anlieferer ihre Gülle schütten. Aus diesem Speicher fördert periodisch eine Pumpe mit einer Leistung von 3,6 kW rund 70 m3 pro Stunde in einen der beiden Faultürme, nachdem die Gülle in einem Mischbehälter gemischt und homogenisiert (zerklei­nert) worden und über einen Wärmetauscher auf eine Temperatur von etwa 22° C gebracht worden ist. Die Gülle wird dem Faulraum ganz unten zugeführt, wo das vorhandene Gärgut bereits soweit angegoren ist, dass eine Übersäuerung eintreten würde, wenn kein neues Frischgut hinzu käme. Durch eine größere bewegliche Klappe im Faulraum (s. Bild 5.8) wird dieser in 2 Phasenbereiche unterteilt, wobei im unteren Bereich immer der optimale Säurewert von ungefähr pH = 7 herrscht und kein Sauerstoff mehr vorhanden ist.

  

 

 

  1  Faulbehälter  1

  2  Faulbehälter  2

  3  Gasspeicher

  4  Kompressor

  5  Stromaggregat

  6  Güllegrube mit Wärmetauscher

  7  Nachgärgrube

  8  Entschwefler

  9  Güllevorwärmer

10  Warmwasserspeicher 95 Grad

11  Warmwasserspeicher

12  Schaltwarte

13  Büro

14  wärmegedämmtes Haus

 

 

 

 

 

 

Bild 5.7: Aufbau der Großbiogasanlage in Ismaning

 

 

Die Stoffumsetzung (Gärung) erfolgt in dem unteren Bereich etwa 3­bis 5-mal so schnell, was einen höheren Durchsatz zur Folge hat. Die Zweiphasentrennung ist patentamtlich geschützt. Der Schutz gilt nach § 11 des Patentrechtes nicht für den Eigenbau von Privatpersonen auf eigenem Grund und für eigene Zwecke.

 

 

 

 

 

Bild 5.8: Prinzip der Zweiphasentrennung nach MBB

 

Die Ismaninger Anlage arbeitet im Gärbereich von 33 bis 37° C die durch Warmwasserleitungen im Boden der Faultürme erhalten wird. Dazu genügen im Sommer rund 10% im Winter 25% des erzeugten Gases. Das Nutzgas wird mit einem Kompressor auf einen Druck von 11 bar gebracht und in einem außerhalb des Hauses liegenden Druckbehälter von 140 m3 Inhalt gespeichert. Da die große Gasmenge - im Probebetrieb wurden täglich 3 500 Nm3 erzeugt - bei weitem nicht auf dem landwirtschaftlichen Anwesen verbraucht werden kann, wurde ein Gasmotor aufgestellt, der einen Generator von 80 kW Leistung antreibt. Damit werden jährlich um 700 000 kWh Strom erzeugt, die in das öffentliche Versorgungsnetz fließen, beziehungs­weise verkauft werden.

 

Es wurde errechnet, dass der Wert des jährlich erzeugten Biogases mit den Ersparnissen an Heizöl und Handelsdün­ger 480 000,- DM beträgt, so dass sich eine rechnerische Abschrei­bung innerhalb sieben Jahre ergäbe. In Wirklichkeit wird es etwas länger dauern, da die Anlage noch nicht voll ausgelastet ist und nebenbei noch Forschungsprogramme laufen.

 

Nun zum Betrieb dieser Großanlage. Vor der Erstfüllung wurde der Sauerstoff in den neuen Türmen verbrannt. Man hätte ihn auch mit Kohlendioxid (C02) verdrängen können. Dann wurde der Faulraum vorgeheizt und mit Faulschlamm geimpft, der auch beim Transport und Einfüllen nicht mit Sauerstoff in Verbindung kommen darf. Unter Beobachtung des Säurewertes wurde der Faulturm ratenweise mit warmer Frischgülle beschickt, wobei anfangs die Trockensubstanz sogar nur 5% (statt 10%) betrug. Die Beschickungsraten konnten bald von 5 auf 25 m3 täglich erhöht werden.

 

Bei vollem Betrieb können etwa 40% des anfallenden Biodüngers sofort auf das Feld gebracht werden, 60% müssen zwischengelagert werden. Das geschieht in einem offenen Erdbecken, der sogenannten Lagune, mit einem Aufnahmevermögen von 1 400 m3. Da die Bio­masse im Faulturm wegen der Verweildauer nicht völlig ausgegast ist, wurde die Lagune mit einer Kunststoff-Folie überdacht, die eine Nachgärung mit einem Ausstoß von 100 Nm3 Biogas täglich zur Folge hat.

 

Über einen Heizkessel wird laufend Warmwasser von 95° und 60° vorgehalten.

 

Bei einer so großen Anlage kann man sich eine eigene Schaltwarte leisten. Auch die Gasreinigungen und vor allem die Entschwefelung haben einen hohen Stellenwert. Allein die Sicherung des Hauses

gegenüber giftigen Gasen oder Explosivstoffen verlangen eine beson­dere Überwachung und eine automatische Belüftung in ausreichendem Maß.

 

Die in Ismaning eingebaute Phasentrennung in Bereich 1 und 2 lässt eine Schwimmdeckenbildung nicht entstehen, so dass hier keine besonderen Maßnahmen getroffen werden müssen.

 

Bei den einzelnen Biogasanlagen sind die Aufwendungen an mechani­schen oder anderen Systemen oft recht umfangreich. Unter der Schwimmdecke erhöht sich z. B. der Gasdruck sosehr, dass die Metha­nerzeugung durch die Bakterien zurückgeht, die anscheinend unter diesem Überdruck leiden.

Außerdem würde ohne Eingriffe die Schwimmdecke immerzu wachsen und dadurch die Nachfüll­mengen immer kleiner werden, was die Effektivität der Anlage schmälern würde. Zusätzlich kann durch das Anwachsen der Schwimmdecke eine Verstopfung von Rohren oder der Gasableitung stattfinden. Die Anlage müsste stillgesetzt und gereinigt werden, was mit weiteren Verlusten verbunden ist. Die Gärung müsste danach biologisch mit allen notwendigen Vorkehrungen bis zur Neu­impfung wieder in Gang gebracht werden, von der zwischenzeitlichen aeroben Faulung des anfallenden Stallmistes einmal ganz abzusehen. Die Phasentrennung wirkt sich also nicht nur chemisch, sondern auch mechanisch günstig aus.

 

Ist dieser Aufwand in jedem Falle nötig, oder kann man auch die Schwimmdecke zur Methangärung heranziehen und aus ihr einen hochwertigen Biodünger machen? Das hat sich der biologisch und chemisch erfahrene Bauer Fritz Weber, Georgenau, gefragt, ohne zu ahnen, welch langwieriger Weg zur Verwirklichung seiner Idee vor ihm lag, bis sich sogar die Methanausbeute erhöhte und die pflanzenver­trägliche Stickstoffmenge auf das 3,6-fache und der Phosphor auf das 2,3-fache anstieg. Zunächst hatte er natürlich alle Sachverständigen gegen sich; denn er musste zur Erreichung seines Zieles ab einem gewissen Zeitpunkt eine kleine gut dosierte Menge Sauerstoff zulassen. Als Versuchsgrundlage diente ihm seine Biogasanlage nach Eggers­glüß.

 

Weber hat sich diesem Spezialgebiet der Gärprozesse 1952 durch den Bau mehrerer Biogasanlagen nach seinem Prinzip gewidmet und erkannt, dass die größere Ausbeute von Gas und aktivem Stickstoff und Phosphor gerade in der Schwimmdecke stattfindet, die den höheren Strohanteil hat. Das hat ihn zu einer vollkommen neuen Methode der Vergasungsart angeregt. Er züchtete sozusagen geradezu die Schwimmdecke, die er vorher zu unterdrücken versuchte. Das Ziel war nunmehr der hohe Nährwert des Biodüngers für die Pflanzen, neben­bei eine gute Gasausbeute und ein Betrieb ohne Fremdenergie, was den Einsatz der psychrophilen Methanbakterien mit einem Verdau­ungsbereich von 4 bis 25° C voraussetzte. Es war ihm klar, dass dies eine längere Faulperiode zur Folge haben würde, da diese Bakterien träger sind. Er rechnete für eine Ausgasung von 80% statt 30 Tage etwa 55 Tage. Der höhere Düngerwert aber war ihm die längere Gärzeit wert.

 

Da im psychrophilen Bereich die meisten Krankheitserreger und Schädlingseier nicht unbedingt sterilisiert werden, wird zum Schluss die Gärtemperatur mit einer Heizung auf 55° C hochgefahren.

 

  1  Mischgrube

  2  Mehrfachpumpe

  3  Hauptgärraum

  4  Nachgärraum

  5  Gasfilter

 

 

 

 

 

 

 

 

    Bild 5.9: Biogasanlage Georgenau nach F. Weber

 

Die Hauptgärgrube (3) hat die Abmessungen 11 x 9 x 4 m (Tiefe), entsprechend 396 m3. Der Gärraum ist also nicht rund, was auch nicht nötig ist, da nicht umgerührt werden muss. Der Raum nimmt die Biomasse von 60 GVE auf. Die Güllezufuhr erfolgt direkt über dem Gärraumboden und zwar in der Menge, dass die Schwimmdecke gerade frei schwimmen kann, wobei aus Gewichts­gründen 4/5 der Schwimm­decke sich unterhalb des Flüssigkeitsspiegels befinden. Täglich werden hier 60 1 Mischgülle zugegeben, die 37 kg Frischmist und 3 kg gehäckseltes Stroh enthalten. Die Gärtemperatur liegt im Mittel bei 20°C. Die Verweildauer im Gärraum beträgt bis zu 100 Tage.

 

Wenn die Hauptgärkammer (3) voll ist, läuft die Gülle in die Bleichgroße Nachgärkammer (4) über. Die Schwimmdecke in 3 baut sich von unten her bis zu einer Stärke von 3 m auf und gibt täglich rund 50 Nm3 Biogas ab. Aber das Wertvollste ist der überdurchschnittlich hochwertige Dünger mit dem 3,6fachen aktiven Stickstoff- und dem 2,3-fachen aktiven Phosphorgehalt gegenüber der heute noch üblichen Verrottung auf dem Misthaufen. Die Kalimenge ist bei allen Verrot­tungsarten etwa gleich groß. Die lange Faulzeit erfordert natürlich übergroße Faulräume, also höhere Baukosten. Der größere Gasanfall und die vermehrten Einsparungen an Handelsdünger, die bei dieser Gärart bis zu 100 DM/GVE, also im vorliegendem Fall 6000, - DM im Jahr ausmachen, erlauben mehr Investitionen. An Heizöl werden jährlich in Georgenau 10 000,- DM weniger ausgegeben.

 

Der Hauptnachteil dieser Gärart ist der etwas größere Arbeitsanfall. Die bis zu 200 t schwere Schwimmdecke muss vierteljährlich ausgebag­gert und gelagert werden. Eine vergorene Biomasse verliert allerdings an der Luft keinen ihrer Nährstoffe und kann auch lange Zeit gelagert werden. Auch Geruchsbelästigungen treten nicht auf. Bei langer Frischmistlagerung verändern. sich bis 70% des Stickstoffes und bei Phosphor bis zu 50% in eine Molekülform, mit der die Pflanze nichts mehr anfangen kann.

 

Wenn man mit dieser Methode Erfolg haben will, muss man sich in die Arbeitsweise der Schwimmdeckenkultivierung einarbeiten, denn die hohen Nährwerte des Biodüngers sind nur zu erreichen, wenn nach der anaeroben Gärung die Biomasse so weit ist, dass der Zutritt von geringen Mengen Sauerstoff weder den Methanbakterien schaden kann, noch eine aerobe Faulung eintritt. Die zulässige Luftmenge muss ziemlich genau dosiert werden. Wenn dieser teilaerobe Betrieb auch wissenschaftlich noch nicht völlig geklärt ist, so ist doch erwiesen, dass er, wenn er zur richtigen Zeit und vorsichtig dosiert in Gang gesetzt wird, den Nährwert des Düngers für die Pflanzen spürbar hebt.

 

Weber nennt das Verfahren „kontrollierte Rotte." Er läßt bei der täglichen Nachfüllung von 50 l Frischgülle mit der Pumpe 500 Ncm3 Luft mit eintreten, die sofort nach oben in die Schwimmdecke steigt, sich dort verteilt und zur teilaeroben Vergärung der Feststoffe, vor allem vom Stroh, führt. Dabei steigt die Wärme innerhalb der Schwimmdecke örtlich durch eine kontrollierte Fäulnis um einige Grade an. Zwischen Gülle und Schwimmdecke wurden Temperaturun­terschiede von 8° C gemessen.

Sicher sind auch Abwandlungen der teilaeroben Gärung denkbar, indem man z. B. die Hauptgärung anaerob im mesophilen Bereich yornimmt und im Nachgärraum eine teilaerobe Weitergärung ablaufen lässt, oder dass man von Zeit zu Zeit die Schwimmdecke ablaufen lässt und in einem Nachgärbecken teilaerob nach obigem Muster weiterbe­handelt.

 

Eine neue Biogasanlage mit einem Zweiphasen-Fermenter wurde von Messerschmitt-Bölkow-Blohm entwickelt und auf der IFAT 84 zum ersten Mal der Öffentlichkeit vorgestellt. Sie eignet sich sowohl für den industriellen Betrieb, da sie auch in größerer Auslegung funktionssi­cher arbeitet und ein Biogas von hoher, gleich bleibender Qualität erzeugt, als auch für den landwirtschaftlichen Bereich, für den das Unternehmen serienfertige Standardanlagen anbieten will. Besondere Erfahrungen wurden mit der neuen Anlage bereits bei der Vergärung von Destillationsrückständen aus Brennereibetrieben gewonnen, die durch den Einsatz von Biogastechnik energieunabhängiger gemacht werden können.

Dass die Biogastechnologie auch im Verbund mit anderen alternativen Energien auf einem Bauernhof eingesetzt werden kann, bewies der Vilshofener Landwirt Adam Reinhardt. Nachdem er sich bereits einen 33 m2 großen Sonnenkollektor für ganze 2 400,- DM Materialkosten aufs Dach gebaut und für 1500, - DM einen Stalluft-Wärmetauscher zusammengenagelt hatte, installierte er nach einem ersten Misserfolg - der Gärbehälter rostete innerhalb eines Jahres durch - für 65 000,- DM eine Biogasanlage, die inzwischen einwandfrei funktio­niert und ihm 18 000 l Heizöl im Jahr spart. Nach den gegenwärtigen Heizölpreisen dürfte sich die Anlage, deren Gas zum Kochen und Heizen verwandt wird, in sechs bis sieben Jahren amortisieren.

 

Bei allen vorgestellten Biogasanlagen handelt es sich nur um eine Auswahl, aus der die mögliche Vielfalt und Gestaltungsmöglichkeit sichtbar werden soll. So sind die Pionieranlagen in der Bundesrepublik wie die von Eggersglüß, Schmidt, Schulz, Perwanger u. a. aus Platz­gründen nicht gezeigt, aber ihre Entwicklungen sind in den vorgestell­ten Biogasanlagen enthalten. Man erkennt, dass es zwar möglich ist, ohne Prozessenergie auszukommen, aber dass es sich meist lohnt,

zumindest die Faulräume mit einer Heizung zu versehen.

 

Je größer eine Anlage ist, um so mehr Hilfsaggregate können eingesetzt werden und um so richtiger wird es, die ganze Anlage zu automatisieren, angefangen vom Zulauf der Gülle aus dem Stall mit automatischer Stallreinigung, die Mischung und eventuell Heizung und Zerkleinerung des Mistes, die selbsttätige Dosierung und Beschickungs­menge des Faulraumes, die dortige Temperaturregelung bis zum Abtransport des Biodüngers. Damit läuft parallel die Überwachung des Säurewertes, des Gasdruckes und die Gasreinigung.

 

Der Grad der Automatisierung der Biogasanlage geht sicher mit der Modernisierung des ganzen Betriebes einher. Auch umgekehrt sollte man bei der Modernisierung des Hofes an die praktischen Erforder­nisse einer späteren Biogasanlage denken, selbst wenn sie im Augen­blick nicht geplant ist, also z. B. im Stall die Ablaufkanäle für den Flüssigmist so legen, dass ein Anschluss an einen Mischbehälter, der einstweilen als Zwischenlager dienen kann, gleich mitgebaut wird. Ähnliche Überlegungen sollte man auch bei der Springleranlage für die Stallreinigung anstellen und zwar hinsichtlich des Wasserverbrauches. Mit etwa 6:1 (Wasser zu Trockensubstanz des Mistes) sollte man auskommen. Jede bauliche Maßnahme auf dem Hof sollte die Möglich­keit einer späteren Biogasanlage berücksichtigen. Das kostet im Augenblick keinen Pfennig und rentiert sich später sehr.

Man muss kein Prophet sein, um vorauszusagen, dass in den nächsten 10 Jahren die Biogasanlage zu den Standardeinrichtungen vieler landwirt­schaftlicher Betriebe gehören wird, nicht nur der Energieerzeugung wegen, sondern vor allem auch des geruchlosen Gärrückstandes willen, der sich als hochwertiger Naturdünger verwenden lässt. Die hygieni­schen Gärsubstrate sind zudem ein eiweißreicher Futterzusatz.

 

 

 


6 Hilfsmaschinen und Geräte

 

6.1 In der Mischgrube

 

Wer nicht gerade im niedrigen psychrophilen Bereich bei 20°C gären will, sollte zur Beschickung seiner Anlage einige technische Hilfsmittel in Anspruch nehmen, die im wesentlichen bereits entwickelt und im Fachhandel erhältlich sind.

 

Sollte der Stall noch nicht modernisiert sein, dann muss der Stallmist anstatt auf den freien Misthaufen in eine Mischgrube gebracht werden. Die Mischgrube sollte deshalb so nahe wie möglich in Stallnähe gebaut werden. Es ist ratsam, die Grube so groß anzulegen, dass die Gülle, also Mist und Flüssigkeit, von einer Woche darin Platz hat, um nicht gleich in Zeitdruck zu kommen, wenn es im Fermenter einmal nicht so recht vorwärts geht. Die Mischgrube deckt man am besten zu, um sie später unverändert an eine Heizung anschließen zu können. Man sollte sogar schon ein paar Rohre in den Betonboden mit hineinlegen. Die Ausgaben dafür sind jetzt gering. Man kann später ohne Schwierigkei­ten die Gülle im Mischraum auf etwa 20°C halten, damit der Gärungsablauf im Fermenter bei der jeweiligen Nachfüllung nicht zerstört wird.

 

Der Nachschub der Gülle von der Mischgrube in den Faulraum erfolgt in der Regel mindestens einmal am Tag. Das hängt unter anderem auch von der Leistung der Misch- bzw. Förderpumpe ab. Die drei Arbeits­gänge in der Mischgrube (mischen, zerkleinern und weiterbefördern) sollten aus wirtschaftlichen Gründen möglichst von einer einzigen Mehrzweckpumpe erledigt werden können, denn meist ist die Einstreu, in der Regel Stroh, nicht von vornherein klein genug gehäckselt. Die Größe dieser Pumpe bestimmt, ob der Tagesanfall an Mist in weniger als einer Stunde aufbereitet und abgepumpt werden kann. Der eigentliche Pumpvorgang zum Faulbehälter dauert ja nur wenige Minuten.

 

Die Pumpe in der Mischgrube muss so tief sitzen, dass sie nie Luft ansaugen kann, da sonst Sauerstoff in die Gülle und damit in den Gärraum käme, was den Tod der anaeroben Bakterien bedeuten würde.

 

Mit einem einfachen Schwimmerschalter, der den Motor bei einem bestimmten Flüssigkeitsspiegel in der Mischgrube abschaltet, kann der Eintritt von Luft in die Pumpe verhindert werden.

 

Die benötigten Mehrzweckpumpen werden z. B. von Feluwa, Glygt, Mortensen sowie Ritz und Schweizer hergestellt. Es handelt sich um spezielle Dickstoffpumpen.

 

Die Gülleleitungen vom Stall zur Mischgrube und von dort zum Gärraum haben in der Regel einen inneren Durchmesser von 100 bis 200 mm. Die Leitungen werden vor und nach dem Mischbehälter mit einem Absperrschieber ausgestattet. Das dient einmal dem kontrollier­ten Zu- und Ablauf von Flüssigmist und zum anderen wird damit verhindert, dass Gase aus der Mischgrube in den Stall gelangen. Das muss zwingend verhindert werden, da beim Rührvorgang eventuell auch Schwefelwasserstoff frei wird, der bereits bei einem Anteil in der Luft von nur 6 Promille tödlich sein kann. Deshalb muss auch während des Zulaufes des Flüssigmistes aus dem Stall in die Mischgrube die Mischpumpe stillgesetzt werden. Auch auf einen Siphon allein zwi­schen Stall und Grube sollte man sich nicht unbedingt verlassen ; denn wenn aus irgend einem Grund (z. B. Undichtheit) der Flüssigkeitsspie­gel im Siphon absinkt, ist die notwendige Gassperre aufgehoben.

 

 

 

 

1 Absperrschieber vor der Mischgrube               

2 Absperrschieber nach der Grupe

 

 

Bild 6.1: Mischgrube mit Absperrschiebern Pumpe und Heizungsrohren

            

Was die Pumpe selbst betrifft, so muss es auf alle Fälle eine Dickstoff­pumpe sein. Man spricht auch von Freistrompumpen, weil der Strö­mungsquerschnitt in der Pumpe frei von Konstruktionsteilen ist und auch der Läufer sich nicht im Durchflußquerschnitt befindet. Die Motorleistung der Pumpe beträgt etwa 2 bis 3 kW auf kleineren Höfen und 5 kW bei größeren Betrieben. Da die Arbeitsperioden der Pumpen ziemlich kurz sind, ist der Strombedarf in kWh pro Tag recht gering. Eine Überdachung der Pumpe ist nicht erforderlich. Die Aggregate sind heute fast durchwegs für Freiluftaufstellung geeignet. Günstig ist es, die Pumpe unter Flur in einer seitlichen Nische der Mischgrube unterzubringen. Damit verbleiben die Wege und Arbeitsplätze frei von Störkörpern.

 

Als Baumaterial für die Wanne der Mischgruben wird Beton empfoh­len. Gemauerte Gruben bringen fast immer Dichtungsprobleme.

 

Bei längerem Verbleiben der Gülle in der Mischgrube kühlt sie ab und muss wieder erwärmt werden. Bei nicht automatisierten Biogasanlagen dürfte das der Regelfall sein oder öfter vorkommen. Ein kalte Gülle stört aber den Gärprozess. Da die Grube vor allem im Winter über die Betonwände sehr viel Wärme abgibt, ist in unseren Breitengraden eine Wärmedämmung zu empfehlen. Das Isoliermaterial sollte auf alle Fälle nicht dünner sein als 10 cm. Glasfasermatten und Styropor sind allerdings hier nicht geeignet, da sie Feuchtigkeit aufnehmen und damit wieder zum Wärmeleiter werden. Außerdem ist ihre mechanische Festigkeit unzureichend.

 

 

 

 

 

 

Bild 6.2: Wärmedurchgang in W/m2 als Funktion der Isolationsdicke für Hartschaum

 

Auch das bei Biogasanlagen oft als Platten oder Schaum bevorzugte Polyurethan ist nur da sinnvoll, wo es vor Nässe geschützt werden kann. Das ist über der Erde der Fall. Im Erdbereich kommen heute fast nur Polystyrolplatten in Frage.

 

Die Auslegung der Heizung in der Mischgrube hängt von der Gülle­menge, der Verweilzeit, den Temperaturunterschieden und dem Wand­material ab. Die Temperatur des Heizmediums (meist Warmwasser bzw. Warmwasserrohre) findet ihre Grenzen durch zwei Faktoren. Der eine ist die Empfindlichkeit der Bakterien. Sie vertragen, ohne Schaden zu nehmen, etwa 55° C.

 

Der zweite Faktor wird durch das Verhalten der Zellulose bestimmt, die an heißen Rohren leicht anbäckt oder festklebt, wobei der Wärmeübergang in die Gülle sich verschlechtert und nebenbei eine

Verschmutzung stattfinden wird. In der Praxis sollte man nicht über 50° C beim Warmwasser gehen. Sollte das nicht reichen, dann muss eben eine größere Wärmeübergangsfläche (längere Rohre) gewählt werden.

 

Besonders empfehlenswert ist es, die Heizschlange unter Putz zu verlegen. Sie ist damit nicht nur gegen Korrosion geschützt, sondern behindert die Strömungen in der Gülle nicht. Auch die gelegentliche Reinigung des Gärraumes wird dadurch erleichtert.

 

Als Heizrohre genügen Gasrohre (Gewinderohre) nach DIN 2440 mit einer Nennweite von 11/2 bis 2 Zoll (40 bis 50 mm Innendurchmesser).

 

Die Gülle soll in der Mischgrube aus biologischen Gründen nicht über 35° C erwärmt, aber auch nicht wesentlich unter 25° C gehalten werden, wenn man im heute üblichen mesophilen Bereich gärt.

Der Heizungsbedarf für die Mischgrube ist schon wegen deren relativ geringen Größe und der niedrigen Maximaltemperatur von 25 bis 30° C nicht ins Gewicht fallend. Der Wärmebedarf beträgt kaum mehr als 10% des Bedarfes für die Faulraumheizung. Deshalb reicht auch die Abwärme des Biodüngers aus, um in einem Wärmetauscher die einlaufende Gülle in die Nähe der Betriebs­temperatur zu bringen. Am preiswertesten ist es natürlich, den Stallmist sofort zu verdünnen, zu homogenisieren und mit seiner natürlichen Wärme in den Fermenter einzubringen, was bei automatisch gesteuerten Anlagen auch ge­schieht.

 

Die Höhenlage der Mischgrube zum Faulraum spielt nur eine unterge­ordnete Rolle. Es ist ja kaum möglich sie so hoch zu setzen, dass die Gülle durch ein natürliches Gefälle in den Faulraum fließt. Da müsste der Güllespiegel höher liegen als der Faulraumspiegel. Man kann die Grubenlage also nach der Lage des Stalles so festsetzen, dass wenig­stens der Flüssigmist des Stalles durch das natürliche Gefälle in die Mischgrube fließt.

 

Aus wirtschaftlichen Gründen wird auch hie und da die Mischpumpe nur provisorisch in der Mischgrube verankert so dass man sie heraus­nehmen und an anderer Stelle verwenden kann.

 

Bei der Mischgrube selbst ist es vorteilhaft, dem Boden ein Gefälle und einen Pumpensumpf zu geben. Das erleichtert die Reinigung der Mischgrube erheblich.

 

Bei großen Anlagen wird häufig die Mischgrube durch einen „Vor­tank" ersetzt, der manchmal bis zur Größe des Hauptfaulraumes ausgeführt wird und bereits unter anaeroben Gärbedingungen steht. Damit hat man gleichzeitig einen Ersatzfermenter, bzw. eine Ausbau­möglichkeit auf die doppelte Kapazität.

 

 

6.2. Schwimmdeckenauflösung

 

Bei den besprochenen Biogasanlagen haben wir eine Reihe von Möglichkeiten kennen gelernt, wie man die unerwünschte Schwimm­decke im Faulraum verhindern oder gar zerstören kann. Um das Problem etwas durchsichtiger zu machen, sollen die Grundsatzlösun­gen herausgeschält und miteinander verglichen werden. Die einzelnen Systeme können dann vom Bauherrn für seine Zwecke und Vorstellun­gen abgewandelt werden. Fünf Hauptsysteme stehen zur Verfügung:

 

 

6.2.1 Die mechanischen Rührwerke

 

 

Bild 6.3: Beispiele von mechanischen Rührwerken

 

a. von außen angetriebener Propeller mit hoher Drehzahl

b. Rührlöffel (Paddel) mit niedriger Drehzahl

c. von der Gasglocke auf- und abbewegte Störkörper

 

Die aufgewandte Energie ist in allen Fällen unbedeutend.

 

Die Rührzeiten pro Tag sind sehr kurz. So betrug die tägliche Rührzeit in dem großen Fermenter mit einer Biomasse von 150 GVE rund 5 Minuten. Der Strombedarf betrugt 0,1 kWh/d. Nicht selten werden die mechanischen Rührwerke überdimensioniert, laufen mit zu hoher Drehzahl und zeitlich zu lange. Die Drehzahlen sollten extrem niedrig gewählt werden. Der Energiebedarf sinkt etwa mit der 3. Potenz der Drehzahl des Rührwerkes.

 

 

 

6.2.2 Hydraulische Rühreinrichtungen

 

Bei ihnen wird in der Regel die Druckänderung des Biogases genutzt, die dadurch entsteht, dass der Gasverbrauch periodisch wechselt, während die Gaserzeugung gleichmäßig verläuft.

Eine andere Art der hydraulischen Schwimmdeckenzerstörung geschieht mittels Umwälzpumpen. Durch die ständige Bewegung der Gärmasse im Umlauf kann es zu keiner Schwimmdeckenbildung kommen, da die Strohteilchen die Umlaufbewegung mitmachen müs­sen. Auch hier müssen die Pumpen nur kurzzeitig in Betrieb sein.

 

 

Bild 6.4: Beispiele für hydraulische Schwimmdeckenauflösung

 

 

 

In Bild 6.4 zeigt die Figur a eine aussen liegende Umwälzpumpe. Sie hat den Vorteil der guten Zugänglichkeit und Austauschbarkeit. Die Durchmischung dürfte aber nicht so gut sein wie bei b, was wohl zu längeren Laufzeiten, also einem höheren Energieverbrauch führt. Die aussen liegende Pumpe kann jedoch die Ideallösung sein, wenn mit ihr ein Wärmetauscher (w) verbunden ist. Das ersetzt die gesamte Innenheizung des Fermenters.

 

Die Figur Bild 6.4b bringt eine symmetrische Umwälzung der Gülle, die durch ihre gründliche Spülung einen hohen Wirkungsgrad bei geringem Energieeinsatz hat. Mit dieser Konstruktion ist der Vorteil verbunden, dass die Faulraumwände keine Durchbrüche erhalten.

 

Die Lösung Bild 6.4 c ist zwar baulich etwas aufwendiger, verbindet aber die Vorteile von a und b, da das Rohr nicht nur eine symmetrische Umwälzung bringt, sondern selbst als Wärmetauscher gestaltet werden kann.

 

 

6.2.3 Pneumatische Systeme

 

Die Schwimmdeckenzerstörung mit Hilfe der Gasdruckänderungen im Fermenter haben zu recht einfallsreichen Methoden geführt.

 

Bild 6.5: Beispiele einer Schwimmdeckenauflösung durch Gasdruckänderung

 

a. Mit Rechen im Niveauänderungsbereich                          b.Mit größeren Druckänderungen und Nachgärraum

 

Im Falle der Konstruktion a geht folgender Vorgang vor sich:

 

Bei der Entnahme von Gas sinkt der Druck in der Gasglocke und das Niveau des Faulgutes, das am Einfüllkanal unter dem atmosphärischen Druck steht, steigt an. Dabei muss es den Rechen passieren, was zu einer Zerstörung der Schwimmdecke führt. Bei geschlossenem Gas­hahn steigt der Gasdruck im Fermenter an und drückt den Gärmasse­spiegel wieder nach unten, wobei das Gärgut erneut durch den Rechen gepresst wird. Der Nachteil dieser Anlage ist, dass alle Tage viel Gas entnommen werden muss, was unter Umständen auch zu Gasverlust führen kann.

 

Bei der Konstruktion 6.5 b hat man den Fermenter unterteilt und zwar in den Hauptgärraum (1) und in den Nachgärraum (2). Man kann Gas entweder dem Gasraum (3) der Hauptgärkammer ( 1) entnehmen oder dem Gasraum (4) der Nachgärkammer (2), und erhält eine kontinu­ierliche Gasentnahme bei Güllespiegeländerungen in beiden Kam­mern.

 

Entnimmt man z. B. dem Gasraum 3 Biogas, so mindert sich der Druck im Raum 1, so dass der atmosphärische Druck den Güllespiegel ansteigen lässt. Dadurch kann sogar ein Teil der Masse in den Nachgärraum 2 fließen. Wenn man umgekehrt Gas aus dem Raum 4 entnimmt, entsteht ein Unterdruck, der einen Teil der Biomasse des Raumes 2 in den Hauptraum zurückfließen läßt. Durch die Unruhe in den Gärräumen wird die Schwimmdeckenbildung erschwert. Die Vorteile sind ein gleichmäßiger Gasfluss und eine etwas bessere Ausgasung. Der komplizierte Doppelkammerbau kann allerdings kaum noch in Selbstherstellung errichtet werden. Die Innenkonstruk­tion bedarf einer Eisenmonierung.

 

 

 

 

6.2.4 Thermische Methoden

 

Die meisten Stoffe und Gase dehnen sich bei einer Erwärmung aus. Damit vermindert sich ihre Dichte, sie werden leichter und haben die Tendenz in ihrem Medium aufzusteigen.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Heizkörper

2 Thermosyphonströmung

 

 

 

Bild 6.6: Anordnung von Heizkörpern mit dem Nebeneffekt einer Umströmung

 

Bei diesem System werden die Faulgutheizkörper nicht als Heizschlan­gen, sondern als Flachheizkörper ausgeführt und im Faulraum rings­herum in schräger Lage aufgestellt. Die erwärmte Gülle steigt nach oben, kühlt wieder ab und sinkt zu den Heizkörpern zurück. Dann beginnt der Umlauf von neuem. Dieses Thermosyphon-Verfahren war bis in die zwanziger Jahre auch beim Autokühler üblich und wurde erst durch die hohen Motorleistungen überholt. Es ist auch nicht in jedem Fall für die Schwimmdeckenauflösung im Fermenter ausreichend, wenn z. B. der Strohanteil sehr groß ist. Bei dünner Gülle mit wenig Feststoffen dürfte es allerdings ausreichen. Problematisch mag die Reinigung des Faulraumes im Heizkörperbereich sein.

 

 

6.2.5 Gaseinführung in den Faulraum

 

Das Biogas ist etwa 800 bis 900 mal leichter als die Gülle. Bläst man dies von unten her in den Flüssigmist ein, so wandern die Gasblasen mit erheblicher Geschwindigkeit nach oben und sind in der Lage, die Zusammenballung von Feststoffen, meist Stroh, an der Oberfläche der Gülle im Fermenter zu verhindern. Das Gas selbst wird dabei nicht verbraucht.

 

Einführung von Biogas in das Faulgut

 

 

 

 

 

Von der Biogasleitung wird ein Teil des Gases zunächst abgezweigt und unter einem Lochblech, der so genannten Brause, in den Fermenter eingeführt. Die Gasblasen steigen allerorts zum Güllespiegel auf und gehen dann wieder in die Gasglocke hinein. Es ist selbstverständlich, dass die Leitungen überall dicht sein müssen, so dass keine Luft mit Sauerstoff in die Biomasse gerät. Dadurch würden in kürzester Zeit die Methanbakterien vergiftet werden. Die Anlage müsste außer Betrieb genommen, neu gefüllt und geimpft werden. Auch bei dieser Methode muss man bedenken, dass die relativ geringe Mischleistung nur dann ausreicht, wenn das Stroh sehr fein gehäckselt ist.

 

 

6.3 Der Gasspeicher

 

6.3.1 Der Gasdom

 

Es kommt kaum vor, dass man das Biogas umgehend in der gleichen Menge verbraucht, wie es erzeugt wird. Will man das wertvolle Gas nicht abfackeln, ist der Einsatz eines Gasspeichers nicht zu umgehen. Meist ist der erste Gasspeicher direkt auf dem Fermenter aufgebaut und erzeugt in der Gasglocke oberhalb des Güllespiegels einen Gasdruck, der von der erzeugten Gasmenge und dem Gasverbrauch gebildet wird. Ist das nicht der Fall, so ist die Anlage undicht oder die Glocke taucht nicht weit genug in die Dichtflüssigkeit ein. Wenn mehr Gas erzeugt als verbraucht wird, muss die Differenzmenge laufend abgepumpt und einem zweiten Gaskessel zugeführt werden. In vielen Fällen kann man den Gasdom so groß gestalten, dass er als Gasreserve ausreicht. Der Gasdom sollte zu diesem Zweck etwa das Zweifache des Tagesverbrauches aufnehmen können. Von einem Dom spricht man, wenn der Gasraum über dem Fermenter in der Form unveränderlich ist und sich nach oben kuppelförmig verjüngt. Sonst spricht man von einer Gasglocke.

 

 

 

 

 

 

Bild 6.8: Verschiedene Gasdomausführungen

 

Der ebene Deckel des Faulbehälters in Bild 6.8 a hat den Vorteil der leichten Herstellung und der einfachen Montage, Dichtung und Demontage. In den Deckel kann man leicht Sichtlöcher und Bege­hungsöffnungen einbringen. Um vom Gasdruck nicht abgehoben werden zu können, muss der Deckel ein bestimmtes Gewicht haben, auf das wir später noch zurückkommen werden. Eine Gewichtsan­passung ist bei dieser einfachen Scheibe ziemlich problemlos.

 

Bei nach oben konisch zulaufendem gemauerten Dom ist der kleine Deckel (Figur 6.8 b) einem viel kleineren Gasdruck ausgesetzt. Außerdem ist die Gefahr der Verschlammung der Gasableitung kaum noch gegeben. Die selten anzutreffende Blechhaube als Gasdom (Figur 6.8 c) ist zwar billig, bereitet aber Dichtungsschwierigkeiten.

 

Bei den Lösungen a und c ist eine Nachrechnung des notwendigen Domgewichtes notwendig, damit die Haube nicht vom Gasdruck abgehoben wird und damit die Belüftung des Gärraumes herbeiführen würde.

 

Der heute übliche Gasdruck in Biogasanlagen liegt bei etwa 50 mbar. Das entspricht einem mechanischen Druck von 0,05 kg/cm2 bzw. 0,5 N/ cm2.

 

Als Gesamtfläche ist die horizontale Deckelfläche der Gas­haube anzusehen.

 

Bei Figur 6.8 a und c ist die Fläche identisch mit der inneren Querschnittsfläche des Faulturmes, bei b nur die kleine Deckeloberfläche. Rechnen wir kurz den Druck auf den Deckel von a und b nach:

Der lichte Durchmesser des Faulturmes sei 5 m (500 cm). Der größte Gasdruck 0,05 bar. Die aktive Querschnittsfläche des Deckels ist dann:

 

A = r2p = 2,52 • 3,14 = 19,625 m2 = 196 250 cm2 • 0,05 = 9 812 kg = 9,812 Tonnen.

 

So schwer muss also mindestens die Gasglocke sein, um nicht vom Gasdruck abgehoben zu werden.

Ein Überdruck­ventil muss dabei sicherstellen, dass der Gasdruck 0,05 bar nicht überschreitet.

 

Wenn man dagegen den Druck auf den Deckel von Figur 6.8 b berechnet und diesem einen Durchmesser von 50 cm (Mannloch) unterstellt, so erhält man einen Druck von

p = 252 • 3,14 • 0,05 = 98,1 kg.

 

Die Durchrechnung zeigt außerdem noch, dass ein Blechtrichter für einen Fermenterdurchmesser von 5 m kaum noch in Frage kommt. Da bei einem Kilogrammpreis für Stahl von 3,- DM (1984) eine Haube von 10 Tonnen Gewicht 30 000,- DM kosten würde. Der Typ b ist deshalb sicher die wirtschaftlichste Bauweise.

 

Nicht selten stellen die Kosten für die Gasglocke bei Biogasanlagen den größten Posten. Das muss aber nicht sein. Auch betrieblich ist eine 10 Tonnen schwere Glocke kaum tragbar, da sie nur mit einem Kran abgehoben werden kann.

 

Unabhängig vom Gewicht sei nochmals darauf hingewiesen, dass ein fest mit dem Faulturm verbundener Gasdom einen veränderlichen Gasdruck nach sich zieht.

 

 

6.3.2 Die Gasglocke

 

Die Forderung nach einem stets gleich bleibenden Gasdruck bei unterschiedlicher Gaserzeugung und veränderlichem Gasverbrauch kann nur über eine sich anpassende Gasraumvergrößerung bzw. -verkleinerung erfüllt werden. Das ist auf zweierlei Arten möglich.

 

Die erste ist die über dem Faulraum oder der Faulgrube eine Folie anzubringen, die nicht nur am Übergang vom Faulgut zur Kunststoff­folie dicht ist; sondern auch groß genug, um eine für die gewünschte Gasreservehaltung ausreichende Blase bilden zu können. Über die Blase legt man mehrere schwere Bretter, deren Gewicht den Gasdruck konstant hält, solange die Blase nicht prall gefüllt ist. Diese Art wird meist nur für nachgeschaltete Gasspeicher gewählt.

 

In der Regel baut man direkt auf den Gärraum eine schwimmende Stahl- oder Kunststoffglocke auf, die je nach der vorhandenen Gasmenge in die Flüssigkeit mehr oder weniger tief eintaucht.

 

Das Bild 6.9 zeigt nicht nur den Anschluss der Gasbehälter, sondern auch zwei grundsätzliche Formen. Die Glocke bei a kann in dieser Domform nur industriell hergestellt werden. Sie ist nicht gerade billig, rückt aber das Gasentnahmerohr weiter von der Faulmasse weg. Der Gasbehälter b in Topfform kann dagegen in jeder Werkstätte gebaut werden. Er hat den Vorteil, dass der Gasdruck durch Auflage von Gewichten erhöht werden kann.

 

 

 

 

Bild 6.9: Anschluß von Gasglocken am Faulbehälter

 

Für die Hubbewegungen der Glocken werden meist Höhen von etwa 1 m geplant, wobei eine Eintauchtiefe in der Flüssigkeit von minde­stens 10 bis 15 cm gewahrt bleiben muss, um einen Gasaustritt oder Lufteintritt mit Sicherheit auszuschließen.

 

Bei 6.9 a schwimmt die Glocke direkt in der Gülle. Da die Glocke senkrechte Bewegungen bis zu 1 m ausführt, kann man sich die Verschmutzung der Glockenwände leicht vorstellen, die auch immer wieder die Gängigkeit behindert. Aus diesem Grund wird die Ausfüh­rung nach 6.9 b bevorzugt, wo man um den Faulturm herum einen Wasserring, die so genannte Tasse, aufbaut, die eine Tiefe von 1 bis 2 m haben kann je nach der angestrebten Gasreserve in der Glocke. Da in unseren Breitengraden im Winter mit Frost gerechnet muss, erhält das Wasser in der Tasse eine Zugabe eines Gefrierschutzmittels für -20° C.

 

Die Tasse und die Glocke sollten einen Anschlag (s. Bild 6.9 b) erhalten, der technisch verhindert, dass bei zu großer Gasmenge die Haube aus der Tasse gehoben wird. Selbstverständlich steigt dann der Gasdruck an, wenn die Glocke oben ansteht.

 

 

Bild 6.10: Druckregulierung des Biogases mit beweglichen Glocken

 

 

Über die Bestimmung des Glockengewichtes wurde schon gesprochen. Es ist aber nicht notwendig, dass die Glocke selbst das berechnete Gewicht aufweist. Man kann auf wesentlich billigere Weise die Glocke von außen her beschweren oder sich dem Gasdruck in gewissen Grenzen mit einem Federsystem (Bild 6.10 b) anpassen.

 

Das Zusatzgewicht aus Beton auf der Topfhaube in 6.10 a setzt sich aus dem Gasdruck abzüglich des Haubengewichtes zusammen. Die Kraft der Federn in Bild 6.10 b wird ähnlich berechnet. Die erforderliche Einzelfederkraft ist FFed. = (FGas - FGlocke): z. Darin ist FG. der

Gasdruck auf die Normalfläche der Haube, FGlocke das Gewicht der

Glocke in kg, z ist die Anzahl der Federn.

 

Es liegt in der Natur der Sache, dass mit einer Federaufhängung der Glocke der Gasdruck nur in gewissen Grenzen konstant gehalten werden kann, was jedoch auch oft ausreicht. Eine Federkraft wächst linear mit dem Weg der Zusammenpressung bzw. der Länge des Auszuges. Im unbelasteten Zustand ist ihre Kraft gleich Null. In unserem Fall müssen die Federn, wenn kein Gasdruck vorhanden ist, das reine Gewicht einer Glocke tragen, die allerdings sehr leicht gebaut werden kann, da ja nicht ihr Gewicht den Gasdruck ausgleichen muss, nachdem dies die Federn übernehmen sollen. Bei beginnendem Gasdruck hebt sich zunächst die Glocke ziemlich an, weil die von dem Gewicht der Glocke belasteten Federn sich entspannen. Mit weiterem Anstieg der Gasmenge wird die Glockenlast aufgehoben und die Federn beginnen sich in entgegen gesetzter Richtung auszudehnen, womit ganz allmählich der Gasdruck anzusteigen beginnt. Bis dahin ist aber das Gasvolumen ohne Druckanstieg schon erheblich angewach­sen. Wenn dann der Gasverbrauch einsetzt, schwankt der Gasdruck nur in ziemlich unbedeutender Weise. Erst wenn die Glocke an ihrem oberen Anschlag angekommen ist, wächst der Druck so an, als wenn keine Feder vorhanden wäre. Da Glockengröße und Verbrauch von vornherein aufeinander abgestimmt sind, dürfte dieser Fall nur sehr selten eintreten.

 

a Gasdruckverhalten ohne Federn,

b Gasdruckverhalten mit Federn

0 Normaldruck,

1 keine Gasabnahme,

2 zu geringe Abnahme, abfackeln,

3 starker Gasverbrauch,

4 Normaldruck bei ausgeglichenem Verbrauch

 

 

 

 

Bild 6.11: Druckverhalten im Fermenter, a bei freischwimmender Glocke b mit Federaufhängung, bei unregelmäßigem Gasverbrauch

 

Wenn ein nachgeschalteter Gasdruckspeicher vorhanden ist, wird die mit Federn aufgehängte Gasglocke auf alle Fälle durch das geringe Glockengewicht wirtschaftlicher sein. Außerdem hat die an Federn befestigte Gashaube gleichzeitig eine Zwangsführung, so dass die Haube nicht schief hängen oder gar festsitzen kann.

 

Es hat schon Gasglocken gegeben, die teurer waren als die gesamte sonstige Biogasanlage. Hier ist die Federaufhängung ein beachtliches Mittel zur Senkung der Kosten. Als Federn können Spiralfedern von Personenkraftwagen, Federbeine usw. benutzt werden, die auf den Kfz-Schrottplätzen um wenig Geld zu haben sind. Die Kosteneinspa­rung dagegen bei den Gasglocken kann eine vierstellige Zahl erreichen.

 

 

6.3.3 Der nachgeschaltete Gasspeicher

 

Meist reicht die Speicherkapazität der Gasglocke oder des Domes nicht als Energievorhaltung für die Verbrauchszwecke aus.

 

In manchen Fällen genügt es, den schon besprochenen Folienspeicher zwischen Biogasanlage und Verbrauchstelle zu legen. Das ist eine Frage der notwendigen Puffermenge, aber auch des vorhandenen Platzes. Falls das Verbrauchsaggregat sporadisch große Mengen Gas abruft, oder nicht ortsgebunden ist, bevorzugt man gerne Hochdruck­speicher, in denen große Energiemengen in relativ kleinen Raumein­heiten untergebracht werden können. Bei Normaldruck, das ist der atmosphärische DLuftdruck in Meereshöhe in geographischer Breite von 45° und bei einer Temperatur von 0° C, liegt der Heizwert von Biogas üblicher Reinheit und Zusammensetzung bei etwa 5 000 kcal je Kubikmeter. Der Normaldruck der Atmosphäre ist etwa 1000 mbar.

 

Komprimiert man das Biogas auf 10 bar, was in der Regel üblich ist, so kann man in einem Kessel von 10 m3 schon 100 Nm3 Biogas speichern. Das ist die Tagesmenge von rund 70 GVE. Im Falle der Komprimie­rung wird in der Gasglocke auf dem Gärraum kein gleichmäßiger Druck benötigt. Die Haube muss nicht mehr beweglich sein und kann auch leichter gebaut werden. Die Kosten für den Kompressor und den Mitteldruckspeicher werden durch den Wegfall einer schwimmenden Haube ungefähr eingebracht. Größere Speicher unterliegen dem TÜV. Die Anstrichfarbe für die Kessel und Rohre ist rot.

 

 

Bild 6.12: Größerer Druckgas-Kugelspeicher

 

 

6.4 Heizung von Biogasanlagen

 

Die Antwort auf die Frage nach der Heizung von Biogasanlagen hängt von vielerlei Umständen ab. Nicht nur der Kälteverlauf eines Jahres ist von entscheidender Bedeutung, sondern auch die Wahl der Gärungs­temperatur. Daneben sind Dinge, wie das Zusammenwirken von Stall und Biogasanlage, und das angewandte Gärungssystem von großem Einfluss. Wichtig ist vor allem, welche Hauptaufgabe die Anlage haben soll, ob höchste Ausgasung oder schneller Biomassedurchsatz mit hohem Biodüngeranfall. Nicht zuletzt sind auch wirtschaftliche Forde­rungen zu beachten.

 

Sieht man einmal von der speziellen Gärung der Schwimmdecke ab, wie sie in Georgenau betrieben wird, dann scheidet in den meisten Fällen die psychrophile Gärung bei etwa 20° C aus. Bei der heute meist bevorzugten mesophilen Gärtemperatur von etwa 33° C kann man den Heizbetrieb auf die Winterzeit beschränken, wenn die Anlage in allen Teilen gut isoliert ist. Hier kommt man meist mit der Faulraumheizung aus, die im Jahresdurchschnitt rund 10% des erzeugten Biogases verlangt, wenn die hohe Ausgasung der Biomasse nicht an erster Stelle steht. Dann ist es auch vorteilhaft, die Mischgrube bzw. den Vortank mitzuheizen. Der Energiebedarf kann dann bis an die 20% des erzeugten Biogases herankommen.

 

Im thermophilen Betrieb mit dem größten Durchsatz und der höchsten Gasmenge muss fast ganzjährig mehr oder weniger jeder Tank geheizt werden. Der Energiebedarf kann an 25 bis 30% heranreichen. Dafür ist aber das Ergebnis auf allen Gebieten optimal.

Das Biogas wird grundsätzlich für alle Heizkreise, ob Biogasanlage oder den Verbrauch zum Heizen der Wohnräume und für die Küche sowie zum Warmwasser für den landwirtschaftlichen Betrieb ver­wendet.

Über die Größe der Heizkörper in den Faulräumen gibt es noch keine festen Vorschriften, sondern nur praktische Erfahrungen. Da der Wärmeübergang in Flüssigkeiten um ein Vielfaches größer ist als in der Luft, braucht man keine so großen Heizkörper im Faulraum. Man kann etwa mit der halben Heizkörperfläche wie bei einer Bodenheizung auskommen. Man kann ja mit einem Mischventil die Vorlaufwärme, die nie 50° C übersteigen soll, soweit herabsetzen, dass die Gärtempe­ratur eingehalten wird. Das Mischventil wird wie bei einer Wohnungs­heizung durch ein Fernthermometer, das sich in unserem Fall in der Gärmasse befindet, gesteuert. Damit kann die Vorlauftemperatur des Heizkessels immer auf der Höhe sein, wie sie im Haus für die Heizung und Warmwassertemperatur notwendig ist.

Das nachstehende Heiz- und Gas-Schema zeigt deutlich, dass alle Leitungen, natürlich gut isoliert, im Boden verlegt werden können.

 

1 Vortank                                               12 Gaszähler

2 Faulraum (Fermenter)         13 Kiesfilter

3 Kondensatabscheider        14 Heizkessel

4 Rohrentwässerung            15 Boiler

5 Siphon                                 16 Heizkörper

6 Gasreiniger                         17 Überdruckventil

7 Biodünger                           18 Entspannungsventil

8 Gasdruckbehälter

9 Warmwasserbehälter

10 Absorber für CO2

11 Entschwefler

 

Bild 6.13: Heiz- und Gas-Schema einer mittleren Biogasanlage

 

 

6.5 Zubehör

 

An sich stellt die anaerobe Gärung, wenn sie einmal über die Impfung angelaufen ist, einen selbständigen Vorgang dar, der bei der täglichen Zuführung richtig zusammengesetzter Biomasse hinsichtlich C/N­Verhältnis und richtigem Flüssigkeitsanteil wenig Überwachung erfor­dert. Das trifft ganz besonders auf die Gärung im untersten Tempera­turbereich, dem psychrophilen Bereich, zu. Der erfahrene Praktiker kann auch mit einfachen Mitteln die Gründe herausfinden, die an einer ungenügenden Biogaserzeugung schuld sind. Über den Geruch des Gases weiß er einiges von dessen Güte, so, wenn es z. B. schwefelhaltig ist. Über ein dünnes Rohr kann er, wenn er es in das Innere des Faulturmes einführt, die Gärtemperatur messen oder mit einem eingebrachten Lakmuspapier sich über den Säuregrad der Biomasse ein Bild machen. Aber das alles braucht er erst zu tun, wenn die Gasausbeute nachlässt, was er an dem Absinken der Gasglocke feststellen kann.

 

Es kostet aber nicht viel und ist behilflich, wenn man das Thermometer und einen Säuremesser schon von vornherein einbaut. Für die pH­Anzeige bedarf es einer kleinen elektrischen Kraftquelle in Form einer Batterie. Über ein Schauglas und mit einer inneren Lampe in Feucht­raumausführung kann man sich schon gut über die Schwimmdecken­auflösung unterrichten. Das alles sind geringfügige Ausgaben.

 

Bei mittleren und größeren Biogasanlagen lohnt sich jedoch ein etwas größerer Aufwand an Geräten. Eine kleine Überwachungszentrale erspart Zeit und zeigt frühzeitig an, wenn die Anlage beginnt, von ihren optimalen Werten hinsichtlich Temperatur, Säurewerte, Gas­mengen oder – Gaszusammen­setzung abzuweichen. Man kann die Heizung regulieren oder etwas Stroh oder Frischbiomasse hinzugeben und schon ist der günstigste Ablauf wieder gewährleistet.

 

Bei Großanlagen wird man am besten sowieso alles automatisieren. Eine Wertabweichung vom Optimum wird selbständig die entspre­chenden Maßnahmen treffen oder zumindest über einen Alarm den Betreuer der Anlage herbeirufen. Wie eine langzeitliche Untersuchung fast aller Biogasanlagen ergeben hat, beträgt im Schnitt der Zeitauf­wand für eine Biogasanlage je Tag eine halbe Stunde. Das ist weniger Zeit, als man in Betrieben ohne Biogasanlage für die Mistbeseitigung aufwenden muss.

 

Man braucht nicht unbedingt eine vollautomatische Programmierung des Biomasseablaufes vom Stall bis zum Auswurf des Biodüngers. Für die ersten Jahre ist aber eine persönliche Überwachung sicher empfeh­lenswert, um die Anlage besser in Griff zu bekommen.

 

Nach diesen allgemeinen Betrachtungen soll ein Überblick über die Möglichkeiten einer umfangreichen Überwachungs- und Regelanlage für eine große Bioanlage aufgezeigt werden.

 

Bild 6.14: Überwachungsschema einer grösseren Biogasanlage

 

 

3 (p)       Druck im Gasspeicher (bar)

4 (t)        Temperatur im Warmwasserbehälter

5 (t)        Warmwassertemp. im Heizkessel

6 (t)        Warmwassertemp. im Boiler (° C)

7 (t)        Außentemperatur ° C)

1 (t)        Vortanktemperatur (° C)

2 (p)       Gasdruck im Fermenter (bar)

2 (t)        Gärtemperatur (° C)

2 (pH)     Säurewert der Biomasse (pH)

2 (h)       Güllespiegel im Fermenter

 

 

Besonders wichtig für die optimale Biogaserzeugung sind die Beobach­tungen von 2 (t) und 2 (pH). Wenn die Richtwerte für die Temperatur im Fermenter, in mesophilen Bereich bei ungefähr 32° C und im thermophilen Bereich bei circa 52° C, sowie der Säurewert von 6,7 bis 7,5 stimmen, läuft die Anlage gut. Die anderen Messwerte zeigen die ordnungsgemäße Funktion der Hilfsaggregate an, die die Hauptwerte absichern.

 

Es ist eine persönliche Ermessensfrage, ob die Öffnung oder Schließ­stellung an der Schalttafel fernangezeigt werden soll. Es kann auch von Interesse sein, welche Temperaturen in den Gasleitungen herrschen, um die Gefahr des Einfrierens der Rohre und der Abwasserhähne erkennen zu können. Wenn man das Anzeigeinstrument schon besitzt, kann ohne große Kosten auch die Stalltemperatur mit überwacht werden.

 

Zum Schluss sei noch darauf hingewiesen, dass alle Rohre, auch die Gasrohre ein Gefälle haben müssen um das Kondenswasser zu einem vorgesehenen Ablaufhahn fließen zu lassen; denn das Biogas kommt nicht nur aus einem Feuchtraum, sondern führt selbst Wasserstoff mit sich. Alle Reinigungsgeräte aber arbeiten nicht, wenn sich gefrorenes Wasser im Kies oder Katalysator befindet. Eine gute Isolierung aller Gasleitungen ist deshalb notwendig.

 




7 Hinweise für den Selbstbau von Biogasanlagen

 

 

Wie die steigende Anzahl von Biogasanlagen zeigt, fällt der Entschluss zur Modernisierung des Hofes mit einer solchen Anlage den Landwir­ten zunehmend leichter. Er spürt, dass er in einen Zeitverzug gerät.

 

Im folgenden Kapitel soll eine der vielen Möglichkeiten vorgestellt werden, eine richtig dimensionierte Biogasanlage selbst zu bauen. Dabei wird eine bestimmte Hofgröße zugrunde gelegt, ein mittlerer landwirtschaftlicher Betrieb. Die Umrechnung auf einen größeren oder kleineren Hof kann nach den Unterlagen dann jeder selbst ohne Schwierigkeiten vornehmen.

 

Der „Musterbetrieb" soll 20 Großvieheinheiten haben und die Biogas­anlagen soll

den bestehenden Wirtschaftsgebäuden hinzugefügt werden.

 

Zunächst wird für den Fall 2, der völligen Modernisierung, eine Lösung vorgestellt.

 

 

 

 

 

Bild 7.1: Muster einer Biogasanlage mit Stall

 

Bei dieser Kompaktanlage läuft der von der Spülung verdünnte Mist über eine Ablaufrinne direkt in den Gärraum. Dabei wird die Spülflüssigkeit vorgewärmt.

 

Die senkrechten Betonwände vom Stall in den Faulraum und zwischen Faulraum und Biodünger-Lager tauchen sehr tief ein, um zu verhin­dern, dass Sauerstoff in die Gülle eindringen kann. Die ausgegorene Biomasse ist gegen Sauerstoff bereits weitgehend unempfindlich, deswegen genügt dort ein Abschluss aus Holzbohlen, der für die Biodüngerentnahme beiseitegelegt werden kann. Der Gasbehälter steht außerhalb des Stalles direkt neben der Mauer. Da der Gärraum die ganze Länge des Stalles einnimmt, genügt für ihn eine lichte Höhe von etwa 2 m, damit der Raum für eventuelle Überholungen begehbar ist.

 

 

Bild 7.2: Erstellungskosten von Biogasanlagen ohne Eigenleistung

 

 

Nun zum Fall 1, dem nachträglichen Einbau einer Biogasanlage. Vor der Planung interessiert natürlich der voraussichtliche Preis der Anlage. Dieser ist zwar von einer Reihe von Annahmen abhängig, aber es hat sich doch bei den vielen bekannten Biogasanlagen ein mittlerer Preis herauskristallisiert, mit dem man, wenn alles in einem vernünfti­gen Rahmen gehalten wird, in der Regel auskommt. Die Baukosten in DM/GVE sinken natürlich mit der Größe der Anlage. So liegen die Kosten bei einem landwirtschaftlichen Betrieb mit

200 GVE bei 950 bis 1050,- DM/GVE, steigen bei

100 GVE auf etwa 1 300 bis 1400,- DM/GVE und erreichen bei

20   GVE (unserem Modellbe­trieb) eine Höhe von 1 450 bis 1550, - DM/GVE.

 

Dieses Preisverhal­ten legt eine Gemeinschaftsanlage für mehrere Bauernhöfe nahe. Auf der anderen Seite ist der Anteil der Eigenleistung bei einer Kleinanlage ungleich höher möglich, so dass der Preis nicht viel höher sein muss. Je nach dem Grad der Eigenleistung können in unserem Fall je Großvieh­einheit bis zu 700,- DM eingespart werden.

 

Damit sinken die Kosten für die Biogasanlage von 20 • 1 500 = 30 000,- DM vielleicht bis auf 20 • 800 = 16 000, - DM, wobei die Zuschüsse des Staates noch abgezogen werden können (alle Preise sind auf das Jahr 1984 bezogen). Die Anlage würde sich auch ohne Eigenleistung allein schon durch den Energiegewinn in etwa 10 bis 12 Jahren amortisieren.

 

Sie ist in keinem Fall ein Risiko.

 

Nach der Bestimmung der Gärtemperatur - hier beim mesophilen Bereich von etwa 33° C - kann mit der Planung der Faulraumgröße begonnen werden.

 

Sie ergibt sich größenordnungsmäßig aus dem täglichen Mistanfall + Verdünnung mal der Verweildauer im Fermen­ter (Gärperiode).

 

Ein Rind liefert mit Urin etwa 40 kg Kot/Tag.

Die Einstreu (~ 10%) wird mit 5 kg angesetzt. Im Kot ist auch schon eine gewisse Verdünnung enthalten, so dass das angestrebte Verhältnis Trockensub­stanz/Verdünnung von 1/9 vorliegt. Der Flüssigmist je Rind beträgt also 45 kg/Tag.

Bei 20 Rindern sind das 900 kg/Tag.

Legt man eine Faulperiode von 30 Tagen fest, so ergibt sich ein aktiver Faulraum von

0.9 • 30 = 27 m3. (Pro Tonne = 1 m3 • Tage)

 

Nachdem die Dichte von Flüssigmist etwa 1 kg/dm3 = 1 t/m3 ist, kann bei der Rechnung eben einer Tonne einem Kubikmeter gleichgesetzt werden.

 

Über dem Güllespiegel im Faulraum brauchen wir noch Platz für das Biogas, dem wir 20% des aktiven Gärraumes zumessen. Der gesamte Faulrauminhalt beträgt somit 27 + 0,2 • 27 = 32,4 m3.

 

Wir wollen aber den Gärraum nicht zu eng an den augenblicklichen Viehbestand anpassen und leisten uns eine gewisse Reserve. Mit einer Faulraum­größe von 40 m3 sind wir sicher ausreichend bedient.

 

Die Abmessungen kann man z. B. so festlegen: Durchmesser des Faulturmes soll 3 m sein.

Das ergibt eine Querschnittsfläche von r2p  = 1,52 • 3,14 = 7,065 m2. Teilen wir den Faulrauminhalt von 40 m3 durch die Querschnittsfläche so erhalten wir die Faulraumhöhe von h = 40 : 7,065 = 5,66 m, aufgerundet 5,7 m. Darin sind 20% Gasraum enthalten. Der Güllespiegel wird annahmegemäß bei einer Höhe von 0,8 • 5,7 = 4,56, aufgerundet bei 4,6 m liegen. Man kann selbstver­ständlich auch einen größeren oder kleineren Durchmesser wählen, dann ergeben sich andere Höhen.

 

Die Faulraumabmessungen liegen also fest und man kann das Problem mit dem Gasdom angehen.

 

Nachdem eine Gasglocke von 0,05 bar ein großes Gewicht erfordert, wäre das Mindestgewicht der Gasglocke dieser Anlage 70 650 cm2 • 0,05 = 3 532 kg = 3,5 t, die über 10 000, - DM kosten dürfte. Lässt man den oberen Teil des Faulturms konisch verjüngen und zwar auf eine lichte Weite von 1,2 m Durchmesser, ergibt das noch ein Glockengewicht von 0,56 t. Wenn das noch zu schwer ist, kann man den Glockendurchmesser verringern. Doch dann macht die Glocke zu große Bewegungen bei der Gasmengenänderung. Man wird also bei 1,2 m ø mit Federaufhängung bleiben.

 

Bevor man mit dem Bau beginnt, sollte man die Brauchbarkeit der verschiedenen Baustoffe prüfen. In der Tabelle 7.1 bedeuten die Zahl 1 = sehr gut, 2 = bedingt geeignet, 3 = unbrauchbar.

 

 

Tabelle 7.1: Eignung von Baustoffen

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bild 7.3: Entwurf eines Faulturmes mit Gasglocke für 20 GVE

 

Vor dem Beginn des Baues muss die Wärmedämmung geplant werden. Es ist auf alle Fälle empfehlenswert, auf die Betongrundplatte eine Hartschaumschicht aufzulegen und mit einer monierten Betonplatte abzudecken, in der bereits die Heizschlangen eingelegt werden kön­nen. Die Aufmauerung des runden Turmes muss sehr dicht vermörtelt und innen und außen verputzt werden Der Innenputz erhält außerdem einen Teer-Epoxy-Anstrich. Vor allem muss der obere Mauerkonus sauber vermessen werden, um darauf die Stahltasse von etwa 70 cm Höhe anpassen zu können. Zwischen Innenring und Außenring der Tasse genügt ein Abstand von 5 cm. Die Gashaube aus rostfreiem Stahl erhält eine Höhe von 0,9 bis 1 m. An der Tasse wie an der Haube wird je ein Stahlring angeschweißt, zwischen denen die Spiralfeder von mindestens 60 cm Länge montiert werden kann. Wenn man ohne die Federaufhängung bauen will, kann das notwendige Glockengewicht von 0,65 t dadurch erreicht werden, dass man auf die Haube eine runde Betonscheibe von 10 bis 15 cm Stärke, je nach dem Stahlgewicht der Haube auflegt.

 

Selbstverständlich müssen alle Installationen vor dem Bau festgelegt und am besten auch schon beschafft werden, damit alles zusammenpasst. Die Vorarbeit kann überhaupt nicht genau genug sein, wobei die Schwimmdeckenauflösung möglichst mit niedertourigen Rührwerken erfolgen soll, um Energie zu sparen und ein Schäumen zu vermeiden.

 

 

1  Mischgrube

2  Fermenter

3  Düngergrube

4  Kompressor

5  Druckgasbehälter

6  Rührwerk

7  CO2-Absorber

8  Entschwefler

9  Kiesfilter

 

 

        Bild 7.4: Entwurf einer Biogasanlage für 20 GVE

 

Die notwendigen Absperrschieber, Entwässerungshähne, Gas- und Güllerohre ergeben sich aus den örtlichen Verhältnissen. Alle Geräte wie 7, 8, 9 sollten zwischen zwei Verschlussorganen sitzen, damit man sie im Betrieb auswechseln kann, ohne dass Sauerstoff in die Leitungen gerät.

 

Die Größe des Vortanks oder Mischbehälters richtet sich nach den Gegebenheiten des einzelnen Hofs. So könnte er bei sofortiger täglicher Verwendung der Gülle nur für das Volumen des Flüssig­mistanfalles eines einzigen Tages gebaut werden. Das wird sicher niemand tun. Es gibt sogar Anlagen, bei denen der Vortank den Gülleanfall von 30 Tagen aufnehmen kann. Die Größen­festlegung hängt von vielen Fakten ab, so vom Betriebsablauf des Anwesens, zeitlichen Schwerpunkten des Gasbedarfes, von der Faulraumgröße, der Gärtemperatur und -periode, einem veränderlichen Viehbestand und auch von vorhandenen Platzverhältnissen. Nimmt man das Mittel aus vielen Biogasanlagen, so käme man auf eine Vortankkapazität vom 6- bis 8-fachen des täglichen Flüssigmistes.

 

 

 

 

 

Bild 7.5: Zulauf vom Vortank zum Fermenter mit einem Siphon

 

Wenn der Vortank, wie vorgeschlagen, nicht nur als Mischraum, sondern auch als Zwischenlager dienen soll, sind eine gute Wärmedäm­mung und eine mäßige Heizung unerlässlich, um die Nachfüllmenge wenigstens in die Nähe der Gärtemperatur zu bringen. Der Aufwand dafür ist nicht groß. Außerdem ist Warmwasser sowieso vorhanden.

 

Die Zuleitung des Flüssigmistes vom Stall zum Vortank ist meist problemlos. Als Sperre genügt ein einfaches Schieberventil. Der hohe Güllespiegel im Fermenter verlangt die Unterbindung des Abflusses des Fermenterinhaltes in den Vortank, wenn der Absperrschieber zwischen beiden Behältern geöffnet wird. Es darf mit Hilfe einer Pumpe nur die Flussrichtung von dem Vortank zum Fermenter möglich sein und nicht umgekehrt. Man könnte theoretisch natürlich auch den Vortank auf die Höhe des Güllespiegels im Faulraum bringen, aber das ist örtlich selten möglich. Außerdem hat der Siphon auch noch die Aufgabe einer Luftsperre zu erfüllen. Wenn z. B. die Pumpe wegen eines zu niedrigen Flüssigkeitsstandes im Vortank Luft ansaugt, verhindert der Güllestand im Siphon das Eindringen von Luft in den Fermenter. Bevor jedoch die Pumpe in so einem Fall wieder in Betrieb genommen wird, muss sie entlüftet werden. Wenn im Vortank mehr Biomasse enthalten ist, als einer Tages- bzw. Nachfüllmenge ent­spricht, und nicht von Hand ein- und ausgeschaltet wird, muss die Füllmenge über ein Zeitrelais dosiert werden, das die Pumpe nur während der notwendigen Füllzeit zuschaltet.

 

Für einen ungestörten Gärvorgang im Fermenter genügt es, wenn die Nachfüllmenge bis auf etwa 5° C an die Gärtemperatur aufgeheizt wird.

 

Nachdem die ausgegorene Schlacke keine Geruchbelästigung mehr darstellt und auch vom Sauerstoff kaum noch verändert werden kann, bestehen bei der Dimensionierung des Biodüngerbehälters oder -grube keine einschränkenden Gründe hinsichtlich der Planung. Es ist auch ein Vorteil des Biodüngers, dass er dann aufs Feld gebracht werden kann, wenn es gerade günstig oder Zeit dafür vorhanden ist. Er ist keine ökologische Belastung und behält seinen Nährwert für die Pflanzen.

 

Die Größe der Schlackenlagune kann somit frei gewählt werden. Der Abfluss der ausgegorenen Masse aus dem Faulraum sollte mindestens 1 m über dem Fermenterboden erfolgen und auch etwa 1 m unterhalb des Güllespiegels. Die untere Ausflusshöhe ist von der Erhaltung der Impfmasse im Faulraum bestimmt. Der obere Wert für die Lage des Abflussrohres hängt mit der eventuell vorhandenen Schwimmdecke zusammen, die beim Abfließen das Rohr verstopfen könnte. Außer­dem besteht die Gefahr, dass bei zu niedrigem Güllespiegel über das Rohr Sauerstoff in die Gärmasse gelangen könnte. Um das mit Sicherheit zu verhindern, wird oft zusätzlich zum Absperrschieber auch auf der Abflussseite ein Siphon vorgesehen.

 

Selbstverständlich soll man nicht mehr an Biodünger herausnehmen, als auf der anderen Seite Flüssigmist eingegeben wird. Es sei deshalb hier noch einmal an die Anbringung eines Sichtfensters erinnert, denn die Schwimmdecke verhindert doch eine genaue Niveaumessung. Ohne Sichtfenster im konischen Teil des Turmes verliert man zu leicht den Überblick über seine Biogasanlage.

 

 


8 Zusatzenergien

 

 

Der Wirkungsgrad aller Verbrennungsvorgänge ist bekanntlich ziem­lich gering, so in Heizkesseln im Jahresmittel bei 50% und bei Gasmotoren bei 25 %. Fünfundsiebzig Prozent davon gehen als Wärme verloren. Die Industrie hat deshalb sogenannte TOTEM-Anlagen (TOTAL ENERGY MODULE), also eine Wärme-Kraft-Kopplung, entwickelt. Auf engstem Raum sind hier der Gasmotor, Generator, Wärmetauscher, Warmwassertank und die elektrischen Schaltgeräte in einem schallgedämmten Container zusammengefasst. Durch die Abwärmeausnutzung steigt der Wirkungsgrad der Gasnutzung auf 95% an.

Der Preis solcher Anlagen liegt (1984) für eine 15 kW­Anlage zwischen 15 000 und 20 000, - DM, die zum Teil dadurch wieder hereinkommen, dass man eine größere und allseitigere Energie, nämlich elektrischen Strom, zur Verfügung hat und außerdem eventu­ell im Sommer eine kürzere Faulperiode wählen kann. Das ist die Zeit des höchsten Biomasseanfalles. Man kann somit die Biogasanlage etwas kleiner bauen. Anlagen werden häufig mit Asynchrongenerato­ren ausgestattet, die eine Fremderregung brauchen. Mit Synchronge­neratoren wird man netzunabhängig.

 

 

 

            1  = Motor

                 2  = Wassertank

                  3  = Abgas-Wasserwärmetauscher

                 4  = Öl-Wasserwärmetauscher

                 5  = Öltank

                 6  = Wasser-Wasserwärmetauscher

                 7  = Heißwasseraustritt

                 8  = Abgasaustritt

                 9  = Generator 15 kW

10  = Kaltwassereintritt

11  = Stromnetz

12  = Lufteintritt

13  = Biogaszufuhr

14 = Profilrahmenkonstruktion

15 = geräuschdämmende Platten

 

Bild 8.1: TOTEM-Anlage, 15 kW von FIAT            

 

 

Eine Zusatzenergie zum Biogas ist gerade bei kleinen Landwirtschafts­betrieben von großem Vorteil. Durch sie kann man häufig eine fast vollständige Energie-Eigenversorgung erreichen, wobei das Biogas in idealer Weise die Stelle des Energiespeichers übernimmt, während die Sonnen- und Windenergie in den für sie günstigen Stunden und Tagen die benötigte Energie stellt. Inwieweit das mit geringem Aufwand geschehen kann, sollen einige Hinweise klären.

 

Richtet man einige Sonnenkollektoren etwa in Richtung Südwest bis Südost aus, so bringt der Quadratmeter Kollektorenfläche an Sonnen­tagen zwischen 10 und 16 Uhr in unseren Breitengraden etwa 2 kWh/ Tag. An 120 Sonnentagen im Jahr ergibt das 240 kWh/Jahr und m2. Bei nur 10 m2 Gesamtkollektorfläche sind es 2 400 kWh/Jahr. Die Herstellung von Sonnenkollektoren in Eigenarbeit ist relativ einfach.

 

Bei der Nutzung der Windenergie ist es nicht viel anders. Ein mittlerer Wind an 2 500 Stunden im Jahr mit einer Geschwindigkeit von 5 m/s erbringt eine Leistung von 35 W pro m2 Windradfläche. Bauen wir uns ein Windrad von 6 m Durchmesser, so entspricht das einer Fläche von 28,26 m2, die bei 35 W/ m2 rund 990 W = 0,99 kW anbietet und in den 2 500 Windstunden im Jahr etwa 2 475 kWh/a erzeugt.

 

Die Biogasanlage eines landwirtschaftlichen Nebenbetriebes mit 5 Rindern erzeugt jährlich rund

2 500 Nm3 Gas mit einem Heizwert von 2500 mal 5 500 = 13 750 000 kcal. Bei einem Umwandlungswir­kungsgrad von 50% rechnet sich aus dem Heizwert eine Jahresarbeit von 8 000 kWh aus.

 

Alle drei Energiearten erbringen also dem Nebenerwerbslandwirt im Jahr:

2 400 + 2 475 + 8 000 = 12 875 kWh, die er nicht vom Energieversorgungsunternehmen kaufen muss.

 

Größere landwirtschaftliche Betriebe werden natürlich wesentlich mehr als 10 m2 Kollektorfläche einsetzen. Eine Kollektorfläche von 5 • 10 m ist absolut üblich und hat bereits eine Ausbeute von

12 000 kWh/ a Heizarbeit. Windräder kann man jedoch im Selbstbau kaum größer als mit einem Durchmesser von 8 m errichten. Darüber hinaus ist man auf Industrieanlagen angewiesen, die bei einem Durchmesser von 10 und einer Leistung von 10 kW zwischen 30 000 und 50 000, - DM kosten.

 

Mittlere bis größere landwirtschaftliche Betriebe, bei denen im Stall erhebliche Wärmemengen anfallen, haben die Möglichkeit, Wärme­pumpen einzusetzen, vor allem, wenn sie selbst Strom erzeugen. Damit wird die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe wesentlich erhöht, wenn der Strom für den Kompressor nicht gekauft werden muss. Aus einem Stall kann man pro GVE täglich etwa 5 000 kcal gewinnen.

 

 


9 Der Betrieb von Biogasanlagen

 

 

9.1 Die Inbetriebsetzung

 

Um eine Biogasanlage in Betrieb zu nehmen, müssen anaerobe Bakterien in die im Fermenter lagernde Biomasse eingebracht werden. Man spricht vom „Impfen" der Biomasse.

 

Da anaerobe Bakterien Sauerstoff nicht vertragen, muss bei einer Neuanlage dafür gesorgt werden, dass die Luft aus dem Fermenter entfernt wird. Zu diesem Zweck muss der Faulraum hermetisch

abgeschlossen werden. Alle Deckel, Absperrschieber, Zu- und Abläufe sowie Gasleitungen sind zu schließen.

 

Für die Entlüftung des Gärraumes gibt es verschiedene Wege:

 

·        Man lässt den Fermenter voll Wasser laufen, schließt an einem Gasrohr eine Stahlflasche mit komprimiertem Methangas an und lässt das Wasser langsam ablaufen. Damit füllt sich der Faulraum mit Methangas im gleichen Maß, wie der Wasserspiegel sinkt. Das ist die ungefährlichste Methode, da in keinem Augenblick explosives Gas im Raum vorhanden ist und im Faulraum bereits ein freundliches Klima für die späteren Methanbakterien entsteht.

·        Durch Verbrennungsvorgänge im Fermenter mit Holz oder Gas, auch flüssigen Brennstoffen kann der Sauerstoff aufgebraucht werden.

·        Auch mit dem Heraussaugen der Luft mit einer Vakuumpumpe und einem nachfliessenden Kohlendioxid ist eine gefahrlose Entfernung des Sauerstoffes aus dem Faulraum möglich. Theoretisch könnte man auch Biogas einfließen lassen, doch über eine gewisse Zeit würde im Raum ein hochexplosives Gasgemisch entstehen, was unbedingt zu vermeiden ist.

 

Nachdem der Gärraum frei von Sauerstoff ist, kann mit der Befüllung des Raumes mit Biomasse begonnen werden. Zunächst beschickt man den Faulraum mit etwa 15 % seines Volumens mit frischem Flüssigmist, der zur Hälfte aus unvergorener Masse und zur anderen Hälfte aus anaerob vergorener Masse als Impfgut besteht. Das Verhältnis von Mist zu Flüssigkeit soll gleich bei der Erstfüllung mit 1:10 angerührt werden, um die zu frühe Bildung von Säuren zu vermeiden und den Restsauerstoff zu binden. Nach ein paar Tagen kann damit begonnen werden, jeweils eine Tagesration von Mist und Jauche hinzuzugeben, die möglichst aus einer schon angelegten Mischgrube kommt und die richtige Wärme hat.

 

Zur Erstimpfung ist noch nachzutragen, dass die Züchtung von Methanbakterien viel zu zeitraubend ist, um sich damit zu befassen Es ist viel einfacher und wirkungsvoller, sich von Kläranlagen die entspre­chende Biomasse geben zu lassen, wenn man von der Bedienung die Zusage bekommen kann, dass keine Schwermetalle, Gifte oder Östro­gene darin enthalten sind. Wenn eine andere Biogasanlage in der Nähe ist, wäre deren Material vorzuziehen. Selbstverständlich muss das Impfmaterial auf dem Transport luftdicht verpackt werden.

 

Von Anfang an ist es auch wichtig, die Gärtemperatur, in unserem Fall 33° C, einzuhalten. Es ist vorteilhaft, den ganzen Faulraum vor der Erstbeschickung eine Woche lang zu heizen. Es kommt öfter vor, dass bei Neuanlagen die Gärung nicht in Gang kommt. Meist liegt das an der unzureichen­den Temperatur oder an einer zu schnellen Auffüllung des Gärraumes. Mit dem Auffüllen sollte man eigentlich erst beginnen, wenn die Erstfüllung schon etwas Methan abgegeben hat. Auch ein zu hoher Säurewert verhindert oft die anaerobe Gärung. Man sollte sich auch vergewissern, dass alle Hähne geschlossen sind. Eine einzige Undichte belüftet den Faulraum wieder, so dass das ganze Verfahren der Sauerstoffverdrängung im Gärraum wiederholt werden muss.

 

Wenn alle Gärvorschriften eingehalten wurden, müsste die Biogasan­lage nach drei Wochen schon nahezu die volle Methangasmenge erzeugen, die jedoch nicht sofort ihrem Zweck zugeführt wird.

 

Zunächst werden mit dem ersten Gas alle Leitungen und Gasbehälter gespült, indem man stundenlang Gas bei geöffnetem Ablasshähnen hineinleitet, bis man sicher sein kann, dass sich in keinem Gasraum noch ein Rest Luft befindet, der zusammen mit dem Methan ein explosives Gemisch bilden könnte.

 

Auch die Zuleitungen zu den Verbrauchsgeräten wie Herde und Heizkessel müssen kurzzeitig bei geöffneten Fenstern mit dem Methangas gespült werden, um die Luft aus diesen Leitungen hinaus­zuschieben. Dann können die Verbrauchsgeräte abgedreht werden und stehen nach einer Nachlüftung der Räume für den Gebrauch zur Verfügung. In der Handhabung besteht dann kein Unterschied mehr zwischen dem Betrieb mit Stadtgas, Ferngas und Methan. Wenn die Brenner schon für Ferngas ausgerüstet sind, wird keine Auswechslung der Brenner für den Methanbetrieb mehr nötig sein. Da das Methangas nahezu geruchfrei verbrennt, sollte man nur Herde und Geräte neueren Datums benutzen, die beim Verlöschen der Flamme die Gaszufuhr selbsttätig abstellen.

 

 

9.2 Der Betriebsablauf

 

Eine vorhandene Biogasanlage verändert die Arbeitsgänge auf einem landwirtschaftlichen Gut nicht unwesentlich. Sie vereinfacht sie. Ohne eine automatische Entmistung des Stalles muss jedoch der Mist wie vorher von Hand entfernt werden. Der Unterschied ist nunmehr, dass der Mist nicht mehr vor dem Haus abgeladen, sondern sofort in die Mischgrube gebracht wird, wo er mit einer Mehrzweck­pumpe homoge­nisiert, gemischt und in den Faulraum gepumpt wird. Ein- oder zweimal am Tag wird man vielleicht einen Rundgang um die Anlage machen, um zu prüfen, ob alles dicht ist. Aber auch das wird sich im Lauf der Zeit auf eine Wochenprüfung vermindern. Lediglich die Gärtemperatur und den Gaszähler sollte man täglich ablesen.

 

Nach der täglichen Beschickung des Gärraumes wird in der Regel automatisch die gleiche Menge vergorener Biodünger ausfließen, die man, wenn sie groß genug ist, gleich aufs Feld bringt. Damit sind die Stall- und Dungarbeiten für den ganzen Tag erledigt. Doch man hat mit dem Ausbringen des Biodüngers zeitlich völlige Freiheit denn er riecht nicht, verfault nicht und behält seinen Nährwert.

 

Auch die sonstige Hofarbeit wird bis zu einem gewissen Grad verändert. Das Methangas erleichtert manche Arbeit. Wenn der Traktor auf Methan umgestellt ist, wird man ihn noch mehr einsetzen, denn die Energie kostet ja nichts mehr. Reine Handarbeit wird immer mehr abgebaut. Bei einem Überhang von Gas kann das Heu nachge­trocknet werden.

 

 

9.3 Betriebsvorschriften

 

Der Umgang mit explosiven und giftigen Stoffen und Gasen verlangt die Beachtung gewisser Sicherheitsvorschriften, wenn der Betreiber einer Anlage Menschen, Tiere, sich selbst und das Anwesen nicht gefährden will. Die einschlägigen Bestimmungen können über die landwirtschaftlichen Ämter bezogen werden. Es handelt sich hierbei um die allgemein gültigen Merkblätter über den Umgang mit Methan, mit Kohlensäure, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Schwefelwasser­stoff, ferner die speziellen Unfallverhütungsvorschriften für Biogasan­lagen. Sie alle sollten an gut sichtbarer Stelle, möglichst unter Glas, aufgehängt werden. Auch das ist eine Vorschrift. Jeder, der mit der Biogas­anlage zu tun hat, muss sie kennen und beachten. Angestellte Mitarbeiter müssen alle Vierteljahr darüber belehrt werden. Es empfiehlt sich sehr, sich diese Belehrungen schriftlich bestätigen zu lassen.

 

Zu den gesetzlichen Sicherheitsvorschriften treten noch die Betriebs­anweisungen für die Biogasanleitung hinzu sowie die Vorschriften des Technischen Überwachungsvereins (TÜV). Man sollte sich bereitsbeim Bau mit dem nächsten TÜV in Verbindung setzen. Er kann kostenlos meist gute Ratschläge geben, die die Anlage sicher machen. Vorerst müssen Biogasanlagen noch nicht vom TÜV geprüft und abgenommen werden. Sollten jedoch Druckkessel in der Anlage, z. B. für die Speicherung von Methangas, verwandt werden, müssen sie ab einem bestimmten Druck und einer bestimmten Größe vom TÜV geprüft werden. Welche Vorschriften zurzeit gelten, ist vom TÜV zu erfahren.

 

 

9.4 Unfallverhütungsvorschriften

 

Vorbemerkung

 

Beim Ausfaulen von organischen Massen (Stalldung, Humus, Futterre­ste) in Jauchegruben, Kanälen usw. entwickelt sich bei Sauerstoffab­schluß ein brennbares Gas, das zum großen Teil aus Methan (CH.) und Kohlendioxyd (CO,) besteht und als Sumpf-, Klär-, Mist-, Faul- und Biogas bekannt ist. Das Gas kann zum Heizen und als Brennstoff für Verbrennungsmotoren verwendet werden und wird daher in besonde­ren Anlagen, den Biogasanlagen, gewonnen. Biogas enthält kein Kohlenoxyd (CO) wie Stadtgas und ist infolgedessen nicht giftig. Es führt aber zum Erstickungstod, da es keinen Sauerstoff enthält. Im Gemisch mit Luft (Sauerstoff) ist Biogas explosionsgefährlich. Vor dem Betreten von Gärräumen zum Reinigen, zu Ausbesserungsarbei­ten und dergl. sind die Behälter durch geeignete Einrichtungen, z. B. Gebläse, so lange zu belüften, bis die Flamme einer hineingelassenen Grubensicherheitslampe ruhig brennt und damit anzeigt, dass Atemluft in genügender Menge zum Aufenthalt von Personen vorhanden ist. Eine Lichtprobe bei offener Flamme ist wegen Explosions­gefahr verboten. Gasmasken bieten keinen Schutz, da die Gasmaske nur benutzt werden kann, wenn atembare Luft vorhanden ist. Der Einstei­gende ist auch stets von zwei Personen an einem Seil zu halten und zu beobachten, damit er im Gefahrfalle - Ausgehen der Grubensicher­heitslampe - herausgezogen werden kann, ohne dass eine weitere Person einsteigen muss. Das richtige Anseilen zeigen die Abbildungen im Abschnitt 3.

 

Vorschriften

§ 1. Geltungsbereich

 

Die nachstehenden Unfallverhütungsvorschriften gelten für Biogasan­lagen mit einem Behälterinhalt bis zu 100 cbm. Bei größeren Anlagen gelten die Unfallverhütungsvorschriften der Berufsgenossen­schaften der Gas- und Wasserwerke.

 

Einrichtung

 

§ 2. Biogasanlagen müssen nach den anerkannten Regeln der Tech­nik errichtet werden.

 

§ 3. Der Unternehmer muss die Herstellung der Biogasanlage einer mit dem Bau derartiger Anlagen erfahrenen Fachfirma mit der Bedingung übertragen, dass die Anlage den Bestimmungen des § 2 und den nachstehenden Unfallverhütungsvorschriften entspricht und eine eingehende Bedienungsan­weisung mit übergeben wird.

 

§ 4.

(1) Die Gär- und Pumpenräume sind mit Entlüftungseinrichtun­gen zu versehen, die ein gründliches Lüften in Kürze ermöglichen.

(2) An dem Gärraum ist eine Tafel mit folgendem Aufdruck anzu­schlagen:

„Erstickungs- und Explosionsgefahr!

Betreten nur nach gründlicher Entlüftung und nach Licht­probe mit Grubensicherheitslampe. Der Einsteigende ist anzuseilen und von 2 Personen zu beobachten."

(3) An geeigneter Stelle sind eine Grubensicherheitslampe und Seile zum Anseilen (Sicherheitsgurt) bereitzuhalten.

(4) Die Gasbehälter sind in genügendem Abstand von Wohnhäusern, Stallungen, Lagerräumen und von öffentlichen Straßen zu errichten. Als Mindestabstand gelten bei Weichdächern 10 m, bei Hartdächern 5 m, bei öffentlichen Straßen 5 m, sofern die Genehmigungsbehörde nichts anderes bestimmt. Behälteranlagen sind, sofern sie nicht inner­halb des Hofes liegen, gegen Zutritt Unbefugter durch Einfriedigung zu sichern.

(5) Durch dauerhafte Anschläge ist Rauchen und offenes Feuer in der Nähe der Gasbehälter zu verbieten.

§ 5. Elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Räumen müssen den Vorschriften des Verbandes Deutscher Elektrotechniker für die Errichtung elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Betriebs­stätten - VDE 0165 - und für explosionsgeschützte elektrische Betriebsmittel - VDE 0717 - entsprechen.

Betrieb

§ 6. Das selbständige Bedienen und Warten von Biogasanlagen darf nur zuverlässigen, mit dieser Arbeit vertrauten Personen übertragen werden.

§ 7. Die Wartungsvorschriften (Bedienungsanweisungen) sind zu beachten. Sie müssen in den Betriebsräumen oder an der Anlage angeschlagen sein.

§ 8. Der Wasserstand in den Tassen der Glockengasbehälter und die Beweglichkeit der Behälter sind regelmäßig zu prüfen. Im Winter ist Eisbildung zu verhindern.

§ 9. (1) Vor dem Betreten der Gärbehälter zur Vornahme von Reparaturen, Anstricharbeiten, Auswerfen der Sinkstoffe sind die in dem Raum angesammelten Biogase durch gründliches Lüften mit den hierfür vorgesehenen Einrichtungen zu entfernen. Der Raum ist erst zu betreten, wenn durch eine Grubensicherheitslampe festgestellt ist, dass genügend Atemluft vorhanden ist. Das Betreten ist nur unter Mit­nahme der brennenden Grubensicherheitslampe im Beisein von zwei Personen gestattet, die den Hineinsteigenden an einem Seil (Sicher­heitsgurt) halten und ständig das Brennen der Grubensicherheitslampe und den Hineingestiegenen beobachten.

(2) Bei Unfällen ist Abschnitt 3 § 3 Abs. 3 zu beachten.

§ 10. Instandsetzungen an Behältern und Rohrleitungen dürfen nur durch einen Fachkundigen (Herstellerfirma der Biogasanlage) erfol­gen. Dies gilt insbesondere für alle Brenn- und Schweißarbeiten an dem Gasbehälter und den Rohrleitungen.

§ 11. Das Rauchen, der Gebrauch von offenem Licht und Feuer im Umkreis von 10 m der Gasbehälter ist verboten.

§ 12. Bei Erneuerung von Schutzanstrichen in den Behältern gilt Abschnitt 3 § 2 entsprechend.

 

 

9.5 Betriebsanweisungen

 

Für den Umgang mit Biogasanlagen gelten die von den landwirtschaft­lichen Berufsgenossenschaften erlassenen Vorschriften, im besonderen die Abschnitte 4 bis 26 für Biogasanlagen und Dungbehälter ab dem Zeitpunkt der Erstbefüllung, auch wenn die Anlage noch oder wieder geöffnet sein sollte.

Die Wartung und Bedienung darf nur von sachkundigem Personal ausgeführt werden. Vorhandenes Hilfspersonal ist mit den einschlägi­gen Vorschriften vertraut zu machen.

 

Im Umkreis von 15 m darf weder geraucht noch offenes Licht oder Feuer unterhalten werden. Zugänge zu Biogasanlagen einschließlich Gasometer sind stets frei zu halten und im Winter eisfrei zu machen. Das Gleiche gilt auch für die Fluchtwege.

 

Wenn gasführende Teile, Geräte und Leitungen oder auch die ganze Biogasanlage in geschlossenen Räumen untergebracht sind, muss eine intensive Belüftung vorhanden sein. Das Schließen der Belüftungsein­richtungen, wie Fenster, ist technisch zu verhindern, andernfalls müssen empfindliche Gasmeßeinrichtungen angebracht werden, die spätestens bei einem Gasanteil von 4% in der Luft Alarm geben. Am besten sind zwei voneinander unabhängige Meß- und Belüftungsanla­gen einzuplanen.

 

Als Feuerlöscher eignen sich die der Gruppen ABCE Typ P 50. Die vorgeschriebenen Feuerlöscher sind so anzubringen, dass sie in der Nähe der möglichen Brandstelle greifbar sind. Sie sind vor Witterungs­einflüssen zu schützen. Ein kleines Dach reicht in der Regel aus. Vor allem dürfen sie nie verstellt sein. Man sollte sie vierteljährlich auf Herausnehmbarkeit überprüfen. Das hat zugleich den Vorteil, dass man sie im Ernstfall auch findet. Die Feuerlöscher müssen in den vorge­schriebenen Zeitabständen von einem Überwachungsdienst überprüft, nachgefüllt oder gegen neue ausgewechselt werden. Es ist vorteilhaft, dass der Besitzer bei den Überprüfungen anwesend ist. Das Personal ist jährlich mit dem Umgang mit Feuerlöschern vertraut zu machen.

 

Die elektrischen Einrichtungen in allen Räumen, die eventuell Gas enthalten können, sind nach den Vorschriften VDE 0165 bzw. nach den Vorschriften für explosionsgefährdete Betriebsstätten auszufüh­ren. Grundsätzlich sind sie von zugelassenen Elektroinstallateuren zu errichten. Sie werden vom zuständigen Energieversorgungsunterneh­men abgenommen.

 

Das Gleiche gilt auch für Änderungen an Elektroinstallationen. Vorhandene Elektromotoren, Generatoren, Schütze, Handlampen usw. müssen in ihrer Schutzart der VDE-Vorschrift 0171 entsprechen.

Die Verwendung von so genannten Trenntransformatoren beim Einsatz von elektrischen Werkzeugmaschinen, auch Handlampen, und zwar für jedes Gerät getrennt, ist bei Biogasanlagen nicht nur im stählernen Kessel, sondern ganz allgemein angeraten. Nur dadurch kann sicher­gestellt werden, dass bei Isolationsfehlern an Kabeln keine tödlichen Unfälle vorkommen. Die Netzspannung von 220 Volt wird immer wieder unterschätzt. Die Unfallverhütungsvorschriften lassen auch als Werkzeugspannung 40 Volt zu. Dann bedarf es keiner Trenntransfor­matoren. Aber alles auf 40 Volt umzustellen, ist nicht nur umständli­cher, sondern auch teurer.

 

Bei Arbeiten im Faulraum ist auch nach längerer Öffnungszeit der Behälter als noch unter Gas stehend zu betrachten. Nach jeder Arbeitsunterbrechung ist vor dem Einstieg eine Prüfung auf Gasfrei­heit vorzunehmen und die Anlage zu belüften, da aus dem Boden­schlamm und den Betonporen noch über längere Zeit Gase austreten.

 

 

Bild 9.1: Biogasanlage des Klosters Münsterschwarzbach mit 300 m3-Fermenter und eigenem Gasometer

 

 

Zwei Bestandteile vom Biogas haben eine Dichte kleiner als 1 und entweichen deshalb von selbst nach oben. Dies sind Methan und Wasserstoff. Alle anderen Bestandteile wie das giftige Kohlenmonoxid und Schwefelwasserstoff sind schwerer als Luft und setzen sich ebenso wie das Kohlendioxid (25 bis 40%) nach unten ab. Da es keinen Sauerstoff enthält, führt es zur Erstickung. Diese Gase müssen vor dem, Arbeitbeginn im Fermenter mit einem Ventilator noch oben befördert werden. Die Belüftung des Raumes muss während mehrerer Stunden durchgeführt werden, bis man es wagen kann, mit allen Vorsichtsmaßnahmen einzusteigen. Dazu gehört zum Beispiel eine Grubenlampe, um Reste eines explosiven Gases nicht zu entzünden. Gefährlicher sind auch nach Stunden der Belüftung die schweren Gase am Grunde der Grube, die teils giftig, teils erstickend sind. Wenn Sicherheit besteht, dass kein explosives Gas mehr vorhanden ist, kann man eine Kerze hinablassen. Wenn sie erlischt, ist noch Kohlendioxid vorhanden; der Raum darf noch nicht betreten werden. Ist das aber zur Rettung einer anderen Person notwendig, so braucht man dazu eine Sauerstoffmaske.

 

Während der Zeiten der Arbeitsruhe, nachts oder sonntags usw., darf die Grube nicht zugedeckt werden, da in den Poren oder Nischen noch Schwefelwasserstoff vorhanden sein kann. Die Öffnung ist aber rund um die Uhr, ob gearbeitet wird oder nicht, durch ein Geländer ringsherum gegen Absturz zu sichern. Es ist sogar vorgeschrieben, dass am Geländer schriftlich vermerkt ist, wer allein befugt ist, das Geländer zu entfernen oder den Ventilator abzustellen.

 

9.6 Wartungsarbeiten

Bei Reparaturen oder Revisionen von Fermentern im Winter darf man nicht vergessen, alle Rohre zu entwässern und die Hähne offen zu lassen. Nach Beendigung der Arbeiten werden die Rohre nicht nur wieder geschlossen, sondern auch auf Dichtheit überprüft. Zu diesem Zweck setzt man die Leitungen unter Druck (2 oder 3 bar) und beobachtet an einem Manometer, ob der Druck über einen Tag noch der gleiche ist. Unter anderem mit Seifenschaum an allen Anschluß­stellen kann man meist die undichte Stelle schnell finden.

Bei allen Arbeiten in Gruben muss sich ein zweiter Mann in der Nähe aufhalten.

Bei Arbeiten von Podesten aus sind Geländer anzubringen. Außerdem ist der Mann anzuseilen, was in Gruben immer vorteilhaft ist, um ihn hochziehen zu können, wenn er aus irgend einem Grund dazu selbst nicht mehr in der Lage ist.

 




9.6 Wartungsarbeiten

 

Jede Anlage arbeitet nur dann zuverlässig, wenn sie regelmäßig gewartet wird. Allein dadurch können teure Reparaturen oder Erzeu­gungsausfälle vermieden werden. Außerdem ist der Aufwand für die Wartung meist sehr gering. Das gilt auch für die Biogasanlage, bei der sich die Wartungsarbeiten nur auf wenige Handgriffe täglich beschrän­ken. Diese sind:

 

täglich:

Ablesung der Temperaturen, Drücke, Gaszähler, die man in einem Heft aufschreiben sollte, so dass man auch langzeitliche Verän­derungen feststellen kann.

 

wöchentlich:

Überprüfung aller Anlageteile auf Dichtheit. Dazu bedarf es keiner Arbeit. Ein Rundgang mit wachen Augen und Nase genügt. Alle beweglichen Teile, Aggregate, Pumpen, Rühranlagen sollte man kurz von Hand anlaufen lassen und dabei auf Geräusche achten. Im Winter ist es angebracht zu überprüfen, ob die Absperror­gane beweglich sind, eventuell enteisen, jedoch nicht mit warmem Wasser, sondern mit Warmluft oder warmen Sandsäcken.

 

monatlich:

Absperrschieber gängig machen, Schmierdienst durchfüh­ren, Rohrleitungen entwässern, Frostschutzmittel in der Gashauben­tasse überprüfen, Säuregrad messen, Gasgeruch feststellen.

 

halbjährlich:

Anlage auf Risse und Dichtheit untersuchen, Wasserpro­ben im Betriebsbereich entnehmen und untersuchen lassen, ob sie frei von Jauche sind, offene Gruben reinigen, Filter erneuern bzw. mit neuem Filtermaterial versehen, Ölwechsel durchführen, wenn die Laufzeiten lang genug waren. Einmal im Jahr sollten auf alle Fälle alle Öle gewechselt werden, da sie einer natürlichen Alterung unterliegen.

 

jährlich:

Gesamtüberprüfung, wenn möglich auch Reinigung, eventuell notwendige Überholungen vornehmen, Anstrich erneuern, Rost ent­fernen, Isolierungen durchsehen und ausbessern, Feuerlöscher pflegen, alle Kabel überprüfen und wenn nötig erneuern.

 

 

 

Bild 9.2: GroßbiogasanlagLiebenau 850 m3/d Gas, 1983

 

 


10 Wirtschaftlichkeit

 

 

Die Wirtschaftlichkeit einer Ware oder Anlage ist allgemein von folgenden Faktoren bestimmt:

- Gebrauchswert

- Herstellungskosten

- Betriebskosten

- Auslastung

- Nachfolgekosten.

 

Sieht man einmal von allen ökologischen Vorteilen, die mit einer Biogasanlage verbunden sind, ab und erstellt eine Kosten-Nutzen­ Rechnung, dann kann man den Preis für einen Kubikmeter Biogas PGas auf folgende Weise ermitteln:

 

                       A + Z + B – H - D

PGas      =                E1 – E2

 

A   =  jährliches Abschreibungssumme

Z   =  jährliche Zinsen

B   =  jährliche Betriebskosten

H   =  Heizölersparnis

D   =  Ersparnis an Handelsdünger

E1  =  jährliche Energieerzeugung in Nm3

E2 =  jährlich aufgewandte Prozessenergie

 

Nimmt man als Beispiel die Biogasanlage Gilching, von der die Einzelwerte bekannt sind. Dort lagen die Erstellungskosten der Gesamtanlage bei 96 261,- DM, wobei keine Eigenleistung erbracht wurde.

 

Die mittlere jährliche Gaserzeugung beträgt 32 850 Nm3.

Als Prozessenergie werden im Jahr rund 10 000 Nm3 verbraucht. (1/3)

Die jährliche Heizölersparnis liegt bei 5 000 l (nach den Heizölpreisen 1984 etwa 3 700,- DM).

Die jährlichen Betriebskosten werden mit 500,- DM angesetzt. Der Strombedarf wurde selbst erzeugt. Arbeits­stunden werden in der Rechnung nicht angesetzt.

Über die Einsparung an Handelsdünger liegen keine genauen Angaben vor. Diese dürften bei 800, - DM im Jahr liegen.

Danach erhält man bei einer Abschrei­bung von 10% im Jahr folgenden Gaspreis:

  

9 626 + 4 000 + 500 - 3 700 - 800          =   0,42 DM/ Nm3

             32 850 - 10 000