8. Biogaserzeugung

8.1 Substrate

Viele organische Materialien können als Substrate für die Biogaserzeugung verwendet werden. Entscheidend für die Gasausbeute, also den Biogas- bzw. Methanertrag eines Substrats ist der Gehalt an Wasser, Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten sowie deren Verdaulichkeit für Mikroorganismen.

Etwa 47 % der insgesamt eingesetzten Substratmasse sind heutzutage Pflanzen wie Mais, Gras oder Getreide. Tierische Exkremente machen ca. 48 % der Substratmasse aus. Zum kleineren Teil werden auch Abfall (3 %) und Reststoffe (2 %) eingesetzt. Besonders geeignet, um den Vergärungsprozess zu starten, ist Rindergülle, weil sie einen hohen Gehalt an Methanbakterien enthält. Hühnerkot erzeugt hohe Gasausbeuten, sein hoher Anteil von Kalk und Sand kann aber zu Ablagerungen im Fermenter führen, weshalb er vorbehandelt werden muss.

Für den Anbau der verwendeten Pflanzen wurde im Jahr 2021 eine Gesamtfläche von 1,57 Mio. Hektar benötigt (FNR 2022). Die Abbildung unten zeigt den Anteil der verschiedenen Kulturen an der Gesamtanbaufläche.

Charakterisierung von Substraten

Pararmeter

Wichtige Parameter für die Bestimmung der Substrateignung und der erforderlichen Auslegung der Anlage werden im folgenden kurz erläutert:

Trockensubstanz (Total solids -TS):

Trockensubstanz = gesamte Masse abzüglich des enthaltenen Wassers

Trockensubstanzgehalt variiert stark mit dem Substrat

Trockensubstanzgehalt zwischen 25 und 35 % ideal

organische Trockensubstanz (Volatil solids -VS):

nur die organischen Substanzen können von den Mikroorganismen verarbeitet werden anorganische Stoffe (z.B. Mineralien) tragen nicht zum Methanertrag bei, können aber trotzdem durch Mangel oder Überschuss den Abbauprozess negativ beeinflussen 

pH-Wert:

das Substrat darf weder zu sauer noch zu basisch sein, da sich sonst die Zusammensetzung und das Zusammenspiel der Mikroorganismen verändert ideal sind pH-Werte von 6 bis 8, weil während der Methanbildung zunächst Säure entsteht, das Substrat aber nicht übersäuern darf

Biologischer Sauerstoffbedarf (Biochemical oxygen demand-DBO):

Indikator für den Gehalt an organischem Material, dass für Mikroorganismen zur Verfügung steht, liefert Hinweis, ob eine Belüftung notwendig ist

Chemischer Sauerstoffbedarf (Chemical oxygen demand-COD):

repräsentiert den Gehalt an organischem Kohlenstoff, Indikator für die theoretisch maximal mögliche Menge Methan, die aus einem Substrat erzeugt werden kann

Gesamtstickstoff-Gehalt:

Summe von organischem Stickstoff und Ammonium in der Probe

gemessen mit der Kjeldahl Methode (Analysemethode benannt nach einem dänischen Chemiker)

Das richtige Mengenverhältnis von Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) ist sehr wichtig (C:N Verhältnis). Ist zu viel Kohlenstoff im Verhältnis zu Stickstoff vorhanden, kann der Kohlenstoff nicht vollständig umgesetzt werden und der Methanertrag bleibt hinter der maximal möglichen Ausbeute zurück. Zu viel Stickstoff kann wiederum zur Bildung von Ammoniak führen, der auf einige Mikroorganismen toxisch wirkt und außerdem korrosive Schäden an der Anlage hervorrufen kann. Ein Verhältnis von 30:1 bis zu 10:1 von Kohlenstoff zu Stickstoff gilt als optimal. Hohe Protein- bzw. Stickstoffkonzentrationen können zur verstärkten Bildung von Ammoniak und Schwefelwasserstoff führen, die korrosive Schäden an der Anlage hervorrufen können.

Störstoffe

Es gibt eine Reihe weiterer Stoffe, die die Entwicklung der Mikroorganismen hemmen können. Dazu zählen z.B. Desinfektionsmittel, Antibiotika, Zink, Kupfer oder Tenside.