Biogas als Kraftstoff

Biogas ist eine Mischung aus etwa 50–75 % Methan, 25–50 % CO2 _, 0–10 % Stickstoff und 0–1 % Wasserstoff. Das Gas entsteht aus anaerob zerfallendem organischem Material wie Dung und Pflanzenmaterial . ^[1] Da das Gas künstlich erzeugt wird, unterscheidet es sich von Erdgas , das tief unter der Erdoberfläche entsteht und hauptsächlich aus Methan besteht.

Komposition

Das Gas besteht aus

• Methan: 54 – 70 %
• Kohlendioxid: 27 – 45 %
• Stickstoff: 0,5 – 3 %
• Wasserstoff: 1 – 10 %
• Kohlenmonoxid: 0,1 %
• Sauerstoff: 0,1 %
• Schwefelwasserstoff: Spuren ^[2]

Produktion

Biogas wird durch einen Prozess namens anaerobe Vergärung erzeugt , bei dem organische Stoffe durch mikrobiologische Aktivität abgebaut werden. Wie der Name schon sagt, handelt es sich dabei um einen Prozess, der unter Luftabschluss stattfindet. Dieses Phänomen tritt auf natürliche Weise am Boden von Teichen und Sümpfen auf und führt zur Entstehung von Sumpfgas oder Methan , einem brennbaren Gas.

Es gibt zwei gängige Technologien zur Gewinnung von Biogas. Die erste (die weiter verbreitet ist) ist die Fermentierung von menschlichen und/oder tierischen Abfällen in speziell entwickelten Faulbehältern. Die zweite ist eine neuere Technologie zur Gewinnung von Methan aus Mülldeponien. Die Größe einfacher Biogasanlagen kann von einem kleinen Haushaltssystem bis hin zu großen kommerziellen Anlagen mit mehreren tausend Kubikmetern variieren. Große kommerzielle Biovergärungsanlagen (d. h. mit Tierkot aus Viehzuchtbetrieben betrieben ) sind in der Regel viel effizienter als Biovergärungsanlagen für den Hausgebrauch, da Mist von Kühen (und ähnlichen Tieren) viel mehr flüchtige Feststoffe enthält als Mist von Menschen. Außerdem gibt es das Problem der geringen Menge an Kot und Pflanzenmaterial in Haushaltssystemen, was bedeutet, dass viel weniger Gas produziert wird, was diese Methode für bestimmte Zwecke wie die Stromerzeugung weniger naheliegend macht.

Die Ausgangsstoffe zur Biogasherstellung

Obwohl es theoretisch möglich ist, nur Pflanzen zu verwenden, werden die meisten Biogasanlagen mit einer Mischung aus Dung und Pflanzen betrieben. Die Vergärung von Pflanzen ist viel schwieriger als die von Dung, der leicht verdaulich ist. Dies liegt daran, dass durch die Zugabe von Dung eine kontinuierliche Frischzufuhr der mikrobiologischen Organismen erfolgt, die für den Betrieb der Biogasanlage erforderlich sind. ^[3] Die in den meisten Biogasanlagen verwendeten Mikroorganismen sind daher dieselben, die auch im verwendeten Dung vorkommen. Neben Pflanzenmaterial, z. B. aus Gärten, werden manchmal auch Getreide und entölte Kuchen (z. B. Jatropha, Pongamia usw.) hinzugefügt.

Auch die Art des verwendeten Düngers ist von großer Bedeutung. Insbesondere Dünger mit einem hohen Anteil an „flüchtigen Feststoffen“ (VS) (Material, das für Bakterien verdaulich ist und für die Gasproduktion verfügbar wird) im Verhältnis zur Gesamtmenge des Düngers (VS) liefert Biogas. Kuhmist hat einen sehr hohen Anteil an flüchtigen Feststoffen, Pferde-, Schweine-, Menschen- und Hühnermist ist noch viel reich an flüchtigen Feststoffen. Die genaue Anzahl (und Menge des pro Tag produzierten Düngers) sind:

• Kuh: scheidet durchschnittlich 52 Pfund Kot pro Tag aus, davon sind etwa 10 Pfund Feststoffe, der Rest ist Wasser. Von den 10 Pfund Feststoffen sind 80 % oder 8 Pfund flüchtig und können in Gas umgewandelt werden.
• Pferd: produziert durchschnittlich 36 Pfund Kot pro Tag, davon 5,5 Pfund flüchtige Feststoffe.
• Schwein: produziert 7,5 Pfund pro Tag, davon 0,4 Pfund flüchtige Feststoffe.
• Mensch: produziert 0,5 Pfund Kot pro Tag, davon 0,13 Pfund flüchtige Feststoffe.
• Hühner produzieren 0,3 Pfund pro Tag, von denen 0,06 Pfund ein flüchtiger Feststoff sind.

Aus Küchenabfällen aus Haushalten lässt sich potenziell genug Biogas produzieren, um drei Mahlzeiten pro Tag für eine vierköpfige Familie zu kochen und es bleibt immer noch genug übrig, um etwas Wasser zum Abwaschen zu erhitzen. (Siehe den Link zu ARTI unten.)

Mischen der Ausgangsmaterialien

Beim Nassvergärungsverfahren muss beim Mischen der Ausgangsstoffe darauf geachtet werden, dass ein geeignetes Kohlenstoff/Stickstoff-Verhältnis (C/N) erreicht wird (ähnlich wie bei der normalen Kompostierung). Das Verfahren erfordert einen Teil Stickstoff auf 30 Teile Kohlenstoff. Mist ist stickstoffreich und enthält im Durchschnitt etwa 15 Teile Kohlenstoff auf einen Teil Stickstoff. Alle Studien zeigen daher, dass die Gasproduktion erheblich gesteigert wird, wenn dem Mist etwas Kohlenstoffmaterial beigemischt wird. Der Stickstoffanteil kann in Tierabfällen sogar noch höher sein, wenn dem Kot Urin beigemischt wird. Es ist daher ratsam, den Urin vom Kot zu trennen und nur letzteren zu verwenden.

Zur Veranschaulichung: Hühnermist allein erzeugt nur fünf Kubikfuß Gas pro Pfund Mist, aber Hühnermist gemischt mit Papierbrei erzeugt acht Kubikfuß Gas pro Pfund Mist. Kuhmist erzeugt nur 1,5 Kubikfuß Gas pro Pfund Mist, aber Kuhmist gemischt mit Grasschnitt erzeugt 4,5 Kubikfuß Gas pro Pfund Mist.

Es gibt noch eine weitere Methode, die Trockenvergärung . Bei diesem Verfahren wird überhaupt kein Dünger verwendet und es ist daher für bestimmte Anwendungen besser geeignet, bei denen kein Dünger verarbeitet werden muss. Siehe anaerobe Vergärung .

Raffination des Gases

Das Gas kann für den Einsatz in Generatoren weiter aufbereitet werden. Das im Gas enthaltene Methan kann auch abgetrennt werden, um die Wirksamkeit des Gases zu erhöhen.

Kohlendioxid abtrennen

Biogas enthält Kohlendioxid (CO ₂ ). Dies mindert seine Leistung als Brennstoff. Das spezifische Gewicht von Methan beträgt etwa 0,55 im Verhältnis zum Gewicht von Luft, daher steigt es auf, ebenso wie Wasserstoff. Kohlendioxid hingegen ist doppelt so schwer wie Luft. Wenn man die Gase in einem vertikalen Gasbehälter absetzen lässt, trennen sie sich auf natürliche Weise, die brennbaren Gase steigen nach oben. Diese Tatsache legt nahe, dass ein gutes Design einen Ablasshahn am Boden eines vertikalen Gasbehälters haben sollte. Verwenden Sie ihn, um das angesammelte Kohlendioxid abzulassen.

Kohlendioxid auswaschen

Auch Kohlendioxid kann ausgewaschen werden. ^[4]

Hierzu haben Sie folgende Möglichkeiten:

• Akzeptieren Sie die geringere Leistung. Es funktioniert trotzdem und Sie sparen sich eine Menge Ärger. Für sehr kleine Anwendungen ist dies möglicherweise die beste Option.
• CO ₂ mit Schwefel waschen - siehe z. B. Biogas-CO2-Wäscheprojekt
• In Zukunft könnten Trenntechnologien wie ein molekularer Kunststoffschwamm verfügbar werden. ^[5]

Schwefelwasserstoff auswaschen

Schwefelwasserstoff ^W (H2S _, auch „faules Eiergas“ genannt) ist ein häufiges Produkt der anaeroben Vergärung. Es verursacht einen unangenehmen Geruch und kann in ausreichend hohen Konzentrationen hochgiftig sein. (Beachten Sie, dass es den Geruchssinn lange betäubt, bevor es tödlich wirkt – wenn Sie es also riechen können, ist es noch nicht tödlich.)

Schwefelwasserstoff ist korrosiv und macht einige Stähle spröde. Wenn also eine größere Menge vorhanden ist, ist es wichtig, ihn zu entfernen, bevor das Gas durch ein Gerät strömt, insbesondere durch Geräte aus Eisen oder Stahl. (Und was ist mit anderen Materialien? Schwefelwasserstoff ist nur sehr schwach sauer, es scheint also nicht die Säure zu sein, die das Problem bei Stahl verursacht.

Produktion mit Biogasanlagen

Es wurden zwei beliebte, einfache Fermenterkonstruktionen entwickelt: der Biofermenter mit fester Kuppel (chinesischer Biofermenter mit fester Kuppel) und der Biofermenter mit schwimmender Trommel (indischer Biogasfermenter mit schwimmender Abdeckung). Die genannten Beispiele sind in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt. Der Fermentationsprozess ist in beiden Fermentern der gleiche, aber die Gassammelmethode ist bei beiden unterschiedlich. Beim Typ mit schwimmender Abdeckung kann sich die wasserdichte Abdeckung des Fermenters bei der Gasproduktion anheben und als Speicherkammer dienen, während der Typ mit fester Kuppel eine geringere Gasspeicherkapazität hat und eine gute Abdichtung erfordert, wenn Gaslecks verhindert werden sollen. Beide wurden für die Verwendung mit Tierkot oder Dung entwickelt.

Der Abfall wird über das Zulaufrohr in den Faulbehälter geleitet und in der Faulkammer vergärt. Das Produkt des Prozesses ist eine Kombination aus Methan und Kohlendioxid, typischerweise im Verhältnis 6:4. Die Faulzeit beträgt je nach Ausgangsmaterial und Faultemperatur zwischen einigen Wochen und einigen Monaten. Der Restschlamm wird am Auslass entfernt und kann als Dünger verwendet werden .

Isolierung

Die Temperatur des Biogasproduktionsprozesses ist ziemlich entscheidend. Methanproduzierende Bakterien arbeiten am effizientesten bei Temperaturen zwischen 95 °F und 100 °F (oder etwa 35 °C). In kälteren Klimazonen muss der Kammer möglicherweise Wärme zugeführt werden, um die Bakterien zur Ausübung ihrer Funktion anzuregen. An Orten, an denen die Temperatur im Winter unter 5 °C (40 °F) fällt, werden etwa 20 % des erzeugten Gases zum Heizen des Fermenters und zur Erhaltung des Fermentationsmaterials benötigt. Daher ist eine entsprechende Isolierung erforderlich.

Die Isolierung müsste vollständig um den Tank herum sowie darunter (zwischen Tank und Boden) angebracht werden. Dies liegt daran, dass die Temperatur des Bodens mehrere Fuß unter der Oberfläche relativ konstant bei 10–13 °C bleibt und daher als Kühlkörper fungiert, der Wärme aus dem Tank ableitet. Es ist möglich, den Tank in den Boden einzugraben (um die Abkühlung durch den Wind zu reduzieren), doch am besten ist es, zwischen der Erde und dem Tank selbst einen Zwischenraum offen zu lassen.

Verwendet

Die Vergärung von tierischen und menschlichen Abfällen zu Biogas hat mehrere Verwendungsmöglichkeiten:

• die Produktion von Biogas oder reinem Methan zur Verwendung als Brennstoff zum Kochen.
• Der Abfall wird zu einer Gülle verarbeitet, die einen hohen Nährstoffgehalt aufweist und sich daher ideal als Dünger eignet. In manchen Fällen ist dieser Dünger das Hauptprodukt des Fermenters und das Biogas ist lediglich ein Nebenprodukt. Dies wird als Biogas bezeichnet.
• Während des Verdauungsprozesses werden Bakterien im Mist abgetötet, was einen großen Vorteil für die Umweltgesundheit darstellt.

Biogas ist in vielen Ländern ein etablierter Brennstoff zum Kochen und für die Beleuchtung , während ein wesentlicher Antriebsfaktor bei der Entwicklung flüssiger Biokraftstoffe das Bestreben ist, Erdölkraftstoffe zu ersetzen.

Kleine Biogasanlagen liefern normalerweise Brennstoff für die Beleuchtung und das Kochen im Haushalt. Diese kleinen Anlagen erzeugen täglich nur wenige Kubikmeter Biogas und damit genug Kochgas für eine ganze Familie. Wenn Biogasanlagen verwendet werden, die mehr als ein paar Kubikmeter Biogas erzeugen, ist es wirtschaftlich interessant, ein Generatoraggregat zu kaufen, um damit Strom zu erzeugen. Dies ist jedoch bei weitem nicht so effizient wie die Verwendung als Kochbrennstoff.

Es kann auch als Kraftstoff für Wärmekraftmaschinen verwendet werden, ist jedoch weit weniger wirksam als vergleichbare Gase (z. B. reines Methan ) und wird im Allgemeinen nur bei stationären Wärmekraftmaschinen verwendet. ^[6] Fahrzeugmotoren verwenden in der Regel besser (komprimiertes) Methan oder einen anderen Kraftstofftyp . Biogas kann in Dieselmotoren verwendet werden, indem es der Luft beigemischt wird, die zur Verbrennung in den Motor eingeblasen wird. Dadurch kann weniger Dieselgas verbraucht werden.

Einsatz in Verbrennungsmotoren zur Stromerzeugung

Die meisten Haushalte verwenden tragbare Stromaggregate (Verbrennungsmotoren kombiniert mit einem Generator oder Dynamo) im Bereich von 400 Watt – 5000 Watt (1,4 bis 8 PS). Die Stromaggregate für den Betrieb mit Biogas sind die gleichen wie die für den Betrieb mit Propangas oder Erdgas. ^[7] Es sind einfache Benzinmotoren (keine Dieselmotoren). Um die Größe des benötigten Stromaggregats zu bestimmen, müssen Sie zunächst Ihre aktuellen Stromrechnungen prüfen. Ermitteln Sie den täglichen Stromverbrauch. Wenn Sie 20 kWh pro Tag verbrauchen, benötigen Sie ein 5-kW-Stromaggregat, das 4 Stunden läuft, oder ein 2-kW-Stromaggregat, das 10 Stunden läuft. Stromaggregate verbrauchen etwa 0,5-0,9 m³ Biogas, um jede kWh zu erzeugen. Wenn Sie also ein 2-kW-Stromaggregat haben, verbraucht es etwa 1,2 m³ Biogas pro Stunde. Wenn Sie es also 10 Stunden lang laufen lassen, benötigen Sie 12 m³ Biogas – die Menge an Gas, die aus dem frischen Mist von etwa 20 Kühen erzeugt wird. Die meisten Systeme verwenden einen Akkupack, um den vom Generator erzeugten Strom zu speichern. Es ist möglich, überhaupt keinen Akku zu verwenden, aber dies würde eine genaue Dimensionierung des Generators (PS) erfordern und könnte Probleme verursachen (z. B. Unterproduktion oder Überproduktion, abhängig von den gleichzeitig im Haushalt verwendeten Geräten).

Das tragbare Stromaggregat sollte immer mit Benzin gestartet werden und dann eine Minute lang mit Benzin laufen, bevor auf Biogas umgeschaltet wird. Sobald der Motor aufgewärmt ist, läuft er vollständig mit Biogas. Der Gasverbrauch von Benzinmotoren beträgt etwa 60 % des Gasverbrauchs von Diesel-Dual-Fuel-Motoren, sodass Sie mit Benzinmotoren mehr Leistung aus Biogas herausholen können. Das Stromaggregat sollte beim Herunterfahren auf Benzinbetrieb umgeschaltet werden, da dies dabei hilft, den Motor von Biogas zu befreien.

Vorteile und Nachteile

Vorteile ^{[ Überprüfung erforderlich ]}

• Reduziert die Luftverschmutzung in Innenräumen und die Abholzung von Wäldern
• Weniger Zeitaufwand beim Holzsammeln und Kochen, wenn mit Gas gekocht wird
• Sehr geringer Betriebs- und Wartungsaufwand
• Reduziert Emissionen, die zum Klimawandel beitragen

Nachteile ^{[ Überprüfung erforderlich ]}

• Produziert möglicherweise nicht genug Energie
• Kann nur Gas ersetzen, keine anderen Energiearten
• Kann schwer zu lagern sein
• In kälteren Klimazonen ist es schwierig, gute Ergebnisse zu erzielen

Kosten

Biogasanlagen kosten je nach Größe und Baumaterial zwischen 150 und 200 USD/m³. Für den Bau gibt es in den meisten Orten staatliche Zuschüsse und Darlehen. Das Stromaggregat kostet zwischen 700 und 1500 USD. Weitere Komponenten, die Sie benötigen, sind Überwachungsgeräte wie ein Gaszähler, ein Druckmesser, ein Durchflussmesser, ein kWh-Zähler, ein Strommesser und ein Spannungsmesser. Ein pH-Meter und ein Thermometer werden ebenfalls benötigt, um die Vergärung in der Biogasanlage zu überwachen.

Einführung in Entwicklungsländern

Einige Länder haben groß angelegte Biogasprogramme gestartet, wie zum Beispiel Tansania. Das tansanische Modell basiert auf der integrierten Ressourcenrückgewinnung aus kommunalen und industriellen Abfällen für die netzgestützte Strom- und Düngemittelproduktion.

Die kleinmaßstäbliche Biogasproduktion in ländlichen Gebieten ist heute eine etablierte Technologie, insbesondere in Ländern wie China und Indien. Ende 1993 besaßen etwa fünfeinhalb Millionen Bauernhaushalte Biogasanlagen, die jährlich etwa 1,2 Milliarden Kubikmeter Methan produzierten, sowie ein mit Biogas betriebenes Elektrizitätswerk mit einer installierten Leistung von 3500 kW . In Indien ist die Entwicklung und Verbreitung der Vergasungstechnologie weit verbreitet und wird zur Deckung einer Reihe von Energiebedürfnissen in ländlichen Gebieten eingesetzt - beispielsweise für Bewässerungspumpen und die Elektrifizierung von Dörfern.

Kenia ist zu 75 % auf importiertes Erdöl angewiesen, um seinen Energiebedarf zu decken. Um diese hohe Abhängigkeit von einer extern kontrollierten Brennstoffquelle zu reduzieren, startete die kenianische Regierung 1980 das Special Energy Programme (SEP). Ein Aspekt des Programms war die Einführung und Verbreitung der Technologie für Biogasanlagen. Nach einem schlechten Start mit der Zusammenarbeit mit Bildungseinrichtungen wandte sich das Programm lokalen Handwerkern und im privaten Sektor tätigen Gewerbetreibenden zu. Maurer und Klempner erhielten praktische Ausbildung und private Händler wurden ermutigt, Geräte wie Herde und Lampen herzustellen und auf Lager zu haben. Bis 1995 wurde die Zahl der in Kenia installierten Anlagen auf 880 geschätzt.

Anmerkungen

Die Vergasung von Biomasse ist ein völlig anderer Prozess. Siehe „Vergasung von Biomasse“ . Auch Biodiesel ist ein völlig anderer Prozess.

Siehe auch

• Biovergärungsdesigns​
• Thermische Hydrolyse: das alternative Verfahren, das zur Biogasproduktion in großen Anlagen, z. B. Kläranlagen, eingesetzt wird ; Beispielprojekte sind das rwzi Apeldoorn und Waterschap Aa en Maas ^[8].
• Anaerobe Gärung

Verweise

Literaturverzeichnis

• Anonym (Büro der führenden Gruppe für die Verbreitung von Sumpfgas), Ein chinesisches Biogas-Handbuch , 1981. Ein klassisches Werk über die Biogasproduktion in China, das den Bau kleiner unterirdischer Faulbehälter zeigt.
• Gunnerson CG und Stuckey DC, Anaerobic Digestion - Principles and Practices for Biogas Systems . Technisches Papier der Weltbank Nr. 49, Weltbank, 1986. Ein guter Überblick.
• Gitonga, Stephen, Biogasförderung in Kenia. Intermediate Technology Kenya, 1997.
• Fulford, David, Running a Biogas Programme: A Handbook , Practical Action Publications, 1988 (wird aktualisiert). Bietet gute Informationen über die Verwaltung regionaler oder landesweiter Biogasprogramme und gute technische Informationen über die Konstruktion von Brennern für Biogas.
• House, David, The Complete Biogas Handbook , überarbeitet 2007. Ein sehr umfangreiches Werk. Es stehen mehrere Kapitel zum Download bereit.
• Ravindranath, NH und Hall, DO, Biomasse, Energie und Umwelt: Die Perspektive eines Entwicklungslandes aus Indien. Oxford University Press, 1995.
• Karekezi, S. und Ranja, T., Erneuerbare Energietechnologien in Afrika. ^ "AFREPEN, 1997".
• Kristoferson LA und Bokalders V., Erneuerbare Energietechnologien – ihre Anwendung in Entwicklungsländern. ITDG Publishing, 1991.
• Johansen, TB et al, Erneuerbare Energiequellen für Kraftstoffe und Elektrizität. Island Press, Washington DC, 1993.
• Gunnerson CG und Stuckey DC, Anaerobe Vergärung – Grundsätze und Praktiken für Biogassysteme. Technisches Papier der Weltbank Nr. 49, Weltbank, 1986.
• Gitonga, Stephen, Biogasförderung in Kenia. Intermediate Technology Kenya, 1997.
• Stassen, HE, Kleine Biomassevergaser für Wärme und Strom: eine globale Übersicht. Technisches Dokument der Weltbank Nr. 296, Energiereihe 1995.
• Quaak, P., Knoef, H. und Stassen, HE, Energie aus Biomasse: ein Überblick über Verbrennungs- und Vergasungstechnologien. Technisches Dokument der Weltbank Nr. 422, Energiereihe 1999.
• Anderson, T., Doig, A., Rees, D. und Khennas, S., Rural Energy Services: Ein Handbuch für nachhaltige Energieentwicklung. ITDG Publishing, 1999.

Externe Links

• Wikipedia:Biogas
• http://www.rebelwolf.com/essn/ESSN-Oct2005.pdf
• Al Rutans Bio-Vergärungshandbuch
• Biogashelpline; geleitet von Hemant Thite, verkauft einige Bücher zu diesem Thema
• BuildItSolar; Biogas
• Video: Kostengünstige Biogasanlage auf dem Altiplano. Bolivien
• Video: Industrielle zweistufige Biogasanlage. Deutschland
• Bio-Latrinen in kenianischen Slums .
• Biokraftstoffbibliothek
• Biogas FAQ
• Kurzer Überblick über Biogasprojekte, hauptsächlich in Indien, China, Nepal und Afrika
• Dorf Erde: Energie: Biogas
• ARTI: Biogas aus Lebensmittelabfällen
• Biogas-Foren bei Permies.com

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Erstellt	2. April 2007 von Chris Watkins
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