Effiziente Verfahren zur Biogasgewinnung aus organischen Reststoffen

Überall entstehen Reststoffe und Abfälle, die sich nicht weiter als Futtermittel oder stofflich nutzen lassen. In all diesen organischen Reststoffen und Bioabfällen steckt wertvolle Energie. Bei der Verwertung in Kompostierungsanlagen geht diese verloren; dazu ist die Kompostierung mit einem hohen energetischen Aufwand für die Belüftung des Kompostgutes verbunden. Eine energieeffiziente und kostensparende Alternative zur Nutzung und Entsorgung organischer Stoffe stellt auch die Vergärung dar.

Nutzung von organischen Reststoffen der Lebensmittelindustrie und Biotechnologie

Bei der Produktion von Lebensmitteln oder bei biotechnologischen Prozessen fallen Reststoffe mit unterschiedlichster Zusammensetzung an. Das Fraunhofer IGB entwickelt individuelle und angepasste Lösungen zur stofflichen und energetischen Nutzung von organischen Reststoffen, die als Nebenprodukte anfallen. Organische Reststoffe, die keiner weiteren stofflichen Verwertung zugeführt werden können, eignen sich besonders für die anaerobe Umsetzung mit dem Endprodukt Biogas.

Produktivitätssteigerung von Biogasanlagen

Biogasanlagen, in denen vor allem nachwachsende Rohstoffe (NaWaRo) zu Biogas vergoren werden, sind ein wichtiger dezentraler Baustein beim Ausbau regenerativer Energien. Forschungsbedarf besteht allerdings noch dahingehend, die Biogasproduktion als Ganzes möglichst effektiv zu gestalten und damit die Biogasausbeute zu verbessern.

Biogas aus Abfällen

In Deutschland wird Biogas heute noch vorwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt. Dabei eignet sich die Vergärung hervorragend für alle holzarmen frischen und feuchten organischen Abfälle: von Gülle und Mist, über Grünschnitt und Gemüseabfälle aus der kommunalen Entsorgung bis hin zu Lebensmittelabfällen aus Handel und Industrie. Eine Förderung der flächendeckenden Nutzung dieser organischen Abfälle sollte Eingang in nationale Strategien zur nachhaltigen Nutzung biologischer Ressourcen finden, damit der Anbau von Energiepflanzen auf Ackerflächen reduziert werden kann. Auch für die landwirtschaftlichen Betreiber kleinerer Anlagen würden so wirtschaftliche Anreize geschaffen. Zuletzt wurden bereits funktionstüchtige Anlagen stillgelegt, da die EEG-Vergütung nach 20 Jahren Laufzeit entfällt. 

Biogas – Alternative zu Erdgas zur Grundlastversorgung

Biogas bzw. das hieraus aufgereinigte Biomethan stellt auch eine Alternative dar, um die Versorgungssicherheit mit Methan (»Erdgas«) sicherzustellen und internationale Abhängigkeiten zu reduzieren. Rund 9600 Biogasanlagen gibt es laut Angaben des Fachverbands Biogas derzeit in Deutschland. Mit einem Anteil von elf Prozent der erneuerbaren Stromerzeugung lieferten sie 2021 gut 50 Terawattstunden Strom – ebenso viel wie alle Photovoltaikanlagen in Deutschland (Umweltbundesamt, auf Basis AGEE-Stat, Stand 02/2022). Damit ist Biogas eine wichtige speicherbare Ergänzung zu volatilem Strom aus Wind und Sonne.

Effiziente anaerobe Vergärung organischer Reststoffe

Mit Vergärungsverfahren können direkt am Entstehungsort der Restbiomasse Anlagen betrieben werden, welche die Verwertung gut vergärbarer Stoffe zu Biogas gewährleisten. Auch das für die Effizienzsteigerung bei der Klärschlammfaulung entwickelte Hochlastverfahren verspricht für den Einsatz bei organischen Reststoffen wesentlich verbesserten Wirkungsgrad, kurze Verweilzeiten und hohen Abbaugrad sowie eine hohe Biogasausbeute. 

Vorteile der anaeroben Vergärungstechnologie 

• Produktion von Biogas als Alternative zu fossilen Brennstoffen
• Beitrag zum Klimaschutz durch Reduktion von Treibhausgasemissionen
• Nutzung der Gärreste zur Bodenverbesserung und nachhaltigen Phosphorversorgung
• Inaktivierung von Unkrautsamen, Neutralisierung von Inhaltsstoffen (z. B. Antibiotika) und Hygienisierung der Reststoffe (mit thermophilen Verfahren bei ca. 55°C)

Das Fraunhofer IGB entwickelt individuelle und angepasste Lösungen zur stofflichen und energetischen Nutzung von organischen Reststoffen, die in Industrie und Landwirtschaft als Nebenprodukte anfallen.

Untersuchung der Vergärbarkeit und Verfahrensauslegung

Hierzu untersuchen wir die fermentative Umsetzung der Reststoffe im Labormaßstab hinsichtlich ihres Biomethanpotenzials. Für die Auslegung des neuen Verfahrens entsprechend der Kundenvorgaben bewerten wir die verschiedenen Prozessparameter, ermitteln Schwachpunkte und optimieren den Prozess in Hinblick auf maximale Produktausbeute.

Optimierung von Biogasanlagen

Bestehende Biogasanlagen bewerten und optimieren wir hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz.

Analyse und Beratung

Mit einer technisch-wirtschaftlichen Analyse der Produktionsabfälle und Nebenprodukte beraten wir Betriebe, um anfallende Reststoffe jeweils optimal zu verwerten, etwa durch Kopplung der anaeroben Vergärung mit weiteren Umsetzungs- oder Rückgewinnungsschritten.

Optimale Prozessführung

Für die Auslegung des Prozesses ist die Art und Zusammensetzung der Substrate entscheidend, da die Eigenschaften der Rohstoffe den größten Einfluss auf die Abbaudauer haben. Weitere wichtige Parameter, die wir für eine optimale Konversion der Rohstoffe zu Biomethan untersuchen, sind, neben der Prozesstemperatur, die Verweilzeit der Substrate und die organische Raumbelastung im Reaktor. Die Stabilität des biologischen Prozesses wird dabei vor allem durch die im Inokulum verfügbaren Mikroorganismen und das C/N-Verhältnis im Fütterungsregime beeinflusst, zudem durch die Verfügbarkeit von Spurenelementen. Auch Stoffwechselprodukte wie Ammoniak und flüchtige Fettsäuren oder Toxine müssen bei der Prozessführung berücksichtigt werden.

Eine umfassende Analytik sichert das Monitoring des Prozesses, seine Optimierung und die Verbesserung der Prozess- und Energieeffizienz der Anlage. 

Anaerob-Reaktortechnik

Charakteristisch für die anaerobe Umsetzung ist der geringe Zuwachs von Biomasse, da der Großteil der in den Substraten enthaltenen Energie in das Endprodukt Methan übergeht. Für eine Steigerung der Umsetzungsgeschwindigkeit muss die aktive Biomasse daher im Reaktor zurückgehalten und konzentriert werden. Dies kann durch Immobilisierung der Biomasse auf einem Trägermaterial in einem Festbettreaktor oder durch mechanische Rückhaltung in einem Membranbioreaktor geschehen.

Flüssige Rohstoffe können ohne weitere Vorbehandlung verwendet werden. Zum Einsatz kommen hierbei Suspensionsreaktoren oder Festbettreaktoren.

Für Rohstoffe mit hohem Feststoffgehalt, z. B. die organische Fraktion kommunaler Feststoffabfälle, Lebensmittelabfälle und lignocellulosehaltige Biomasse, eignen sich anaerobe Feststoffreaktoren.

Bei faser- und lignocellulosehaltigen Rohstoffen führen längere Verweilzeiten und eine geeignete Vorbehandlung, beispielsweise mit verschiedenen mechanischen, biologischen oder thermochemischen Aufschlussverfahren, zu besseren Biogasausbeuten.

Für die Biomethanproduktion geeignete Substrate

• Lebensmittelabfälle
• Rinder-/Schweinegülle und Geflügelmist
• Abfälle/Rückstände aus der Getränke- und Lebensmittelindustrie
• Abfälle/Rückstände aus der Biokraftstoffproduktion
• Energiepflanzen, z. B. Mais, Becherpflanze (Silphium), Miscanthus (nach ausreichender Vorbehandlung), Zuckersorghum
• Kombination von verschiedenen Substraten