Biogas -Reststoffe zu Biogas: Neue Verfahren für Stroh & Co.

Mit der Ukrainekrise bekommen Alternativen zu russischem Erdgas neuen Auftrieb: Dazu gehört Biogas beziehungsweise Biomethan. „Die Nachfrage nach Biomethan für die Bereiche Strom, Wärme und Kraftstoff ist stark gestiegen“, erklärt Dr. Stefan Rauh, Geschäftsführer im Fachverband Biogas.

Als Gründe für die hohe Nachfrage sieht Rauh zum einen die gute Treibhausbilanz bei Biomethan als Kraftstoff, was das Gas für die Mineralölkonzerne interessant macht. Denn sie sind verpflichtet, unter anderem mit dem Verkauf von Biokraftstoffen die Treibhausgasemissionen zu senken. Mit Biomethan gelingt das besonders effizient.

Dazu kommen die extrem gestiegenen Gaspreise in den letzten Monaten. Während fossiles Erdgas zeitweise bis zu 250 Euro/MWh kostete, lässt sich Biomethan ab 55 Euro/MWh erzeugen. Auch die EU plant eine Steigerung der heimischen Biomethanproduktion, um sich von russischen Energieimporten unabhängiger zu machen. „Das geht aber nur mit Rest- und Abfallstoffen“, sagt Rauh. Sie sind nicht nur günstig, sondern reduzieren auch die Flächenkonkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion und ermöglichen eine hohe CO₂-Einsparung, weil unter anderem keine Emissionen beim Anbau entstehen.

Doch bei der Reststoffnutzung gibt es zahlreiche rechtliche Hürden. Eine sieht der Fachverband Biogas in der übereilten Umsetzung der Nachhaltigkeitsverordnung, die beispielsweise für die Strohvergärung zusätzliche Nachweispflichten einführt und damit diese Art der Reststoffverwertung verhindern könnte. „Dabei gibt es viele Studien, die zeigen, dass eine Ausbringung von Gärrest förderlich für den Humusaufbau ist“, erklärt Rauh.

„Wir müssen jetzt alle Potenziale nutzen, um Energie zur Verfügung zu stellen“, sagt auch Dr. Elmar Brügging von der FH Münster. Die Wissenschaftler untersuchen im Projekt „BioRest“ verschiedene Reststoffe für die Vergärung in Biogasanlagen. Diese fallen regional sehr unterschiedlich an: In Norddeutschland sind es unter anderem überschüssige Grasschnitte im Grünland, Gülle und Mist im Münsterland oder Rübenblatt oder Kartoffelkraut in Ostniedersachsen. In dem Projekt stehen daher die sechs Substrate Gras, Rinder- und Pferdemist, Raps- und Gerstenstroh sowie Kartoffelkraut im Fokus. Zur Aufbereitung der Substrate setzt die FH auch auf die mechanische Zerkleinerung sowie auf Ammoniak für einen basischen Aufschluss. „Die Konzentration ist geringer als bei Natronlauge. Außerdem könnten Landwirte künftig Ammoniak über die Gülle selbst herstellen, um Kosten zu sparen“, begründet der Wissenschaftler das.

Erste Ergebnisse des Projekts: Je nach Substrat gibt es unterschiedliche Aufbereitungsverfahren, die für einen Mehrertrag sorgen. Bei Pferdemist und Gerstenstroh reicht eine erste Zerkleinerung, bei Rapsstroh, Kartoffelkraut, Rindermist und Gras führte eine zusätzliche basische und enzymatische Behandlung zu 8 bis 26 Prozent mehr Methan. Dabei entstehen Kosten für die Substratvorbehandlung von 8 Euro/t Frischmasse (FM) bei Rindermist (u.a. Stromverbrauch, Verschleiß), bei 9 Euro/t FM beim Gras oder 29 Euro/t FM beim Rapsstroh. Diese müssten Anlagenbetreiber bei der Bewertung der Wirtschaftlichkeit eines neuen Substrats einrechnen.

In dem Forschungsprojekt „Lignoflex“ beschäftigt sich die Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL) mit der Aufbereitung von Koppelprodukten und Reststoffen wie Raps- oder Körnermaisstroh. Im Fokus steht unter anderem die Auswirkung der Aufbereitung auf die Abbaukinetik. Zum Einsatz kommen Verfahren wie Hammermühle, Laugenzugabe, Siliermittel sowie eine Kombination aus Hammermühle und Siliermittel. „Häufig ist es bei lignocellulosereicher Biomasse sinnvoll, die Verweilzeit im Fermenter zu verlängern, um die Gasausbeute zu erhöhen“, sagt Referent Matthias Steindl. Wer dagegen für die flexible Stromproduktion die Gasbildung beschleunigen will (Abbaukinetik), sollte auf die Aufbereitung setzen.

Grundsätzlich sind Aufbereitungsverfahren den Eigenschaften des Substrats anzupassen. Dabei gilt: Je mehr Lignocellulose enthalten ist, desto intensiver muss die Aufbereitung erfolgen, um an die wertvollen Bestandteile wie Cellulose und Hemicellulose zu gelangen. Die Aufbereitung mit Lauge scheint dabei vielversprechend, ist aber laut Steindl noch kein praxisrelevantes Verfahren. „Allein der Einsatz von Natronlauge kostete etwa 25 Euro/t Substratfrischmasse im Versuch. Da ist Arbeitsaufwand, Invest in Technik und so weiter noch gar nicht enthalten“, sagt Steindl. Es gibt aber Untersuchungen, dass man die Lauge wiederverwenden kann. Möglicherweise könnte man auch mit Temperatur und Verweilzeit im Lauge-Bad noch viel erreichen und so die Kosten deutlich reduzieren.

Die Zerkleinerung von Materialien wie Stroh, Pferdemist oder Landschaftspflegematerial steht im Mittelpunkt des Projekts „FLEX-CRASH“ der Uni Hohenheim. Dabei kommt eine neu entwickelte Kugelmühle zum Einsatz.

Die Versuchsanlage auf der Forschungsbiogasanlage am Unteren Lindenhof besteht aus einer drei Meter langen Trommel, die sich dreht. Darin befinden sich die Biomasse sowie zahlreiche Stahlkugeln, die bei jeder Drehung nach oben befördert werden und dann auf das Substrat fallen. Über eine spiralförmige Scheibe wird das zerkleinerte Material nach außen gedrückt, während die Kugeln in der Kapsel zurückbleiben.

„Wir haben beim Substrat Pferdemist 6, 10 und 14 Umdrehungen pro Minute untersucht“, erklärt René Heller, der über die Kugelmühle seine Doktorarbeit schreibt. Erste Ergebnisse: Bei 6 U/Min. ist der anschließende Methanmehrertrag in der Biogasanlage am höchsten. Grund: Das Material bleibt hierbei am längsten in der Trommel und wird stärker zerkleinert als bei den schnelleren Umdrehungen.

Im Projekt „Landwirtschaftliche Rest- und Abfallverwertung“ (LaRA) haben die TH Ingolstadt, das Leibnitz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie sowie das Netzwerk C.A.R.M.E.N. aus Straubing Lösungsansätze zur technischen Anpassung bestehender Biogasanlagen für die Nutzung faseriger Reststoffe untersucht. Als Ergebnis ist ein Leitfaden für Anlagenbetreiber entstanden, der sich unter www.carmen-ev.de kostenlos abrufen lässt. An dem Projekt beteiligt waren 15 Biogasanlagen aus Deutschland und Österreich. „Aussichtsreiche Reststoffe sind Gülle, Mist, Getreidestroh und Landschaftspflegematerial“, sagt Cosima Aeschbach von C.A.R.M.E.N. Wie wirtschaftlich der Reststoffeinsatz sein kann, zeigt der Kostenvergleich einer Projektanlage mit einer theoretischen Vergleichsanlage, die dieselbe Gasausbeute bei einem Substratwechsel erzielen würde. Ersetzt der Betreiber einen Teil des Substratmixes (vor allem Mais und Rüben) durch Rinderfestmist (7800 t, Anteil von 37 %), sinken die bedarfsgebundenen Kosten um 17 %, die Gesamtkosten um 8 %. Die Stromgestehungskosten lassen sich damit um ca. 1,5 ct/kWh verringern. „Da der Betrieb dann noch den Güllebonus erhält, steigt der Gewinn für diese Anlage um fast 50 %“, erklärt Aeschbach.

Ein weiterer interessanter Reststoff ist das Zuckerrübenblatt, erklärt Bengt Verworner vom Deutschen Biomasseforschungszentrum (DBFZ) aus Leizpig. Mit den in Deutschland anfallenden etwa 12 Mio. t ließen sich etwa 120.000 bis 190.000 ha Mais ersetzen. Die Gasausbeute liegt bei etwa 46 m3 Methan/t FM und damit etwa halb so hoch wie beim Silomais.

Als Ernteverfahren empfiehlt Verworner einen Köpfroder. Damit ist es möglich, das Blatt aufzunehmen, ohne dass es Bodenkontakt hat. „Es lässt sich auch sehr gut einsilieren, entweder mono oder in Kombination mit Maisstroh“, erklärt der Wissenschaftler. Weitere Vorteile sind die Einbringung ohne nötige Aufbereitung und eine vollständige Ausgasung schon nach zehn Tagen. „Wenn das Blatt dagegen auf dem Feld verbleibt, können Lachgasemissionen entstehen. Daher ist die Vergärung auch aus Klimaschutzgründen sinnvoll“, ergänzt er.

Für eine artenreiche Flora an Straßenrändern hat es sich als nötig erwiesen, das Mähgut abzufahren. „Momentan kommt es durch die häufig praktizierten Mulchschnitte sowie verkehrsbedingten Abgase zu einer Nährstoffanreicherung und damit zu einer Verarmung der Artenvielfalt“, erklärt Lennart Dittmer von der Bayerischen Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau (LWG). Um die Biodiversität zu erhöhen, hat sich deshalb auch die bayerische Straßenbauverwaltung im Zuge des „Volksbegehrens Artenvielfalt“ dazu verpflichtet, Bundesstraßen als Magergrünland zu bewirtschaften. Für bestimmte Insektengruppen wie Bestäuber hat sich dabei in Experimenten zum Beispiel ein zweimaliges Mähen pro Jahr als förderlich erwiesen.

Das Mähgut lässt sich ebenfalls in Biogasanlagen verwerten. Nach Literaturwerten liegt der Methanertrag je nach Mähtermin und Pflanzenzusammensetzung zwischen 74 und 93 % des Ertrags von Maissilage. An Autobahnen ergeben sich überschlagsmäßig Flächen von 0,8 ha pro Straßenkilometer, bei Bundesstraßen 0,6 ha und Land- und Kreisstraßen von 0,4 ha. Der Ertrag liegt bei 4 t TS/ha und Jahr.

Allein in Bayern gibt es ein Potenzial von jährlich 235.000 t FM Mähgut an Straßenrändern, wobei der Großteil der Biomasse an Gemeindestraßen zu finden ist. Werden auch die Potenziale der circa 300.000 km bayerischer Feld- und Wirtschaftswege mit in die Betrachtung genommen, würden sich die Potenziale mehr als verdoppeln. In einer Machbarkeitsstudie identifizierte die LWG dezentrale Kleinkompostieranlagen, eine Verwendung des Mähguts als Mulchmaterial zur Steigerung von Holzschnittpotenzialen und die Trockenvergärung in abfallrechtlich genehmigten Biogasanlagen als Hauptverwertungspfade. Es konnte gezeigt werden, dass gesetzlich relevante Schadstoffe im Mähgut des Straßenrands unter den Grenzwerten bleiben, die Entfernung zur Straße die Gehalte sogar noch weiter reduziert und wenn möglich auf eine Absaugung des Materials verzichtet werden sollte, da so höhere Schwermetallgehalte erwartbar sind als durch die mechanische Aufnahme durch beispielsweise Pick-ups.

Schweinegülle als Biogassubstrat war bislang wenig beliebt. Grund: Anders als bei der Rindergülle sind der TS-Gehalt und die Gasausbeute erheblich niedriger. Eine Fest-Flüssig-Trennung verspricht zwar gewisse Abhilfe, aber das Verfahren ist aufwendig.

Abhilfe könnte dagegen ein neues Stallsystem schaffen, bei dem Kot und Harn von vornherein getrennt werden. In dem Projekt „Biogas mit Schweinekot (BioSeK)“ hat das Unternehmen Döhler Agrar aus dem bayerischen Untermerzbach ein System entwickelt, bei dem der Harn im Stall in speziellen Bereichen in der Bucht vom Kot getrennt wird. „Mit einer Tonne frischem Schweinekot lassen sich etwa 0,5 t Mais ersetzen“, erklärt Geschäftsführer Helmut Döhler.

Wichtig ist, dass das Material frisch in die Biogasanlage kommt und es keine Antibiotikabehandlung des Bestandes gegeben hat. Denn das reduziert die Gasbildung „Für bestehende Biogasanlagen ist das Material gut geeignet, weil wenig Umbauten für den Einsatz nötig sind“, sagt Döhler. Ein weiteres Plus sieht er dabei in dem höheren Tierwohl für die Schweine, weil es so gut wie keine Emissionen in den Ställen gibt. Die Buchten werden regelmäßig über eine „Strohdusche“ mit gehäckseltem Stroh eingestreut. Würde man das Stroh mit vergären, sei die Gasausbeute noch höher.

Mit dem Metitron 560 gibt es eine Maschine, die Biomasse wie Getreide-, Mais-, Rapsstroh, Miscanthus oder Heu direkt auf dem Feld pelletiert. Vorteil: Die Transport- und Lagerdichte erhöht sich erheblich, das Material lässt sich mit verschiedenen Fahrzeugen transportieren, die Lagerung und das Materialhandling ist einfacher als mit Ballen. Zudem steigt die Temperatur beim Pelletieren auf 90 °C, was nicht nur hygienisierend wirkt, sondern auch einen gewissen Voraufschluss bedeutet. Dieser könnte bei der Vergärung in Biogasanlagen vorteilhaft sein.

Basis für die Maschine ist das Feldhäcksler-Modell „Jaguar“ von Claas. Dieser nimmt die Biomasse aus dem Schwad auf, zerfasert und zerkleinert das Material, das anschließend durch eine Matrize mit 8 mm weiten Löchern gepresst wird.

Der Metitron hat eine Durchsatzleistung von bis zu 6 t Pellets pro Stunde. Das Material muss einen TS-Gehalt von mindestens 85 % haben. „Zu trockene Biomasse können wir an Bord mit Wasser befeuchten“, erklärt Metitron-Geschäftsführer Harald Späth aus Pfronstetten (Baden-Württemberg).

Die Pelletierkosten liegen zwischen 70 Euro/t bei Heu und 120 Euro/t bei Miscanthus. Wartung und Verschleiß beziffert Späth nicht viel höher als bei herkömmlichen Feldhäckslern.

Jens Geveke aus Westerstede (Niedersachsen) setzt in der 2005 gebauten Biogasanlage heute ausschließlich auf Reststoffe. 85 % des Substratmixes macht Rinderfestmist von umliegenden Milchviehbetrieben aus, dazu kommen 10 % Futterreste und Silagen, die nicht verfüttert werden können. Den Mist holt er von den Betrieben ab.

Eingebracht wird das Material mit einem stationären Vertikalmischer mit Schneckeneintrag. Ein einzelnes Paddelrührwerk in dem 1000 m³-Fermenter reicht aus, um das Substrat zu bewegen. Gepumpt wird das Material mit einer Ziehkolbenpumpe. „Wir haben festgestellt: Die Technik muss einfach sein, damit sie störungsfrei funktioniert“, sagt er.

Als weiteres Erfolgsrezept sieht er eine hohe Fermentertemperatur von mehr als 46 °C. „Ab diesem Niveau fällt die Leistungsaufnahme des Rührwerks erheblich ab und die Gasausbeute steigt. Das ergibt einen verbesserten Abbau der Strukturen“, hat er beobachtet. Falls eine Aufbereitung nötig wäre, würde Geveke sie erst nach dem Fermenter platzieren, damit die Bakterien die meiste Arbeit machen können.

Josef Höckner aus Utzenaich (Österreich) betreibt seit 2004 eine Biogasanlage mit einem Ring-in-Ring-Fermenter und Betondecke. Als Substrat setzt er 67 % Maisstroh, 12 % Rinder- und Pferdemist, 7 % Getreidestroh sowie Landschaftspflegematerial und Zwischenfrüchte ein.

Das Maisstroh erntet er mit dem „Bio-Chipper“, einer Kombination aus Bandschwader und Mulcher, den seine Firma BioG entwickelt hat. Das Stroh hat zwischen 30 und 70 % TS –, abhängig davon, wann es geerntet wurde und wie lange es auf dem Feld liegt. Bei dem sehr trockenen Material hat sich die Kosilierung mit feuchten Zwischenfrüchten, Rübenschnitzel oder Biertreber als hilfreich erwiesen.

Allerdings zeigt auch eine Mono-Silierung gute Erfolge. Die Erntekosten beziffert er mit rund 29 Euro/t TS oder mit 0,1 Euro/m³ Methan.

Für den Eintrag in den Fermenter setzt Höckner auf eine Kombination von Auflösen, Zerfasern und Fremdkörperabscheidung. Unterm Strich schneidet Rindermist mit Materialkosten frei Fermenter von 4 ct/kWh (elektrisch) am besten ab, gefolgt von Maisstroh (4,9 ct/kWh) oder Zwischenfrüchten (5 ct/kWh). Im Vergleich dazu liegt Gras bei 9,6 ct/kWh, Maissilage bei 10 ct/kWh und Weizenstroh bei 12 ct/kWh.