Entwicklung von BIOGAS ANLAGEN
-
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.
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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 = r2 • p
= 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 r2 •
p = 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