Energie- und Massenbilanzen von Biogasaufbereitungsverfahren auf Erdgasqualität

Vor dem Hintergrund und im Rahmen der Novellierung des Erneuerbaren Energien Gesetzes (EEG) im Jahre 2004 hat die Entwicklung von Konzepten für die effiziente Nutzung von Biomasse große Relevanz gewonnen. Die im Rahmen dieser Diplomarbeit betrachtete Biomasse setzt sich aus den Bioabfällen und Grünschnitt der Stadt Dortmund zusammen und soll fermentativ in Biogas umgesetzt werden. Das Biogas ist eine alternative Energiequelle bezüglich der Lösung der Klima- und Umweltprobleme und somit ein Anreiz zur Untersuchung hinsichtlich ökologischer und ökonomischer Aspekte. Hierzu wurden die Herangehensweise und die Konzeptionierung einer Bioabfallverwertungsanlage zur Erzeugung von Biogas bis hin zur Einspeisung in das DEW21-Erdgasnetz erarbeitet.
Das Anlagenkonzept setzt sich aus folgenden Anlagenteilen zusammen: Anlieferung, Abfallpulper, Sandabscheider, Hygienisierungsanlage, Fermenter, Separator, Blockheizkraftwerk (BHKW), Gärrestlager, Druckwasserwäsche.
Diese Anlagenteile wurden aufgrund der Voraussetzungen der fermentativen Biogasgewinnung kombiniert. Diese Voraussetzungen sind in drei Prozessstufen der Biogasgewinnung unterteilt. Die Abbildung zeigt ein Schema der Anlage.
Die erste Prozessstufe beinhaltet die Biomasseanlieferung, -aufbereitung, -vorbehandlung und die Biomasseeinbringung in den Fermenter. Die Biomasse setzt sich aus 4.000 t/a Grünabfall und 20.000 t/a Bioabfall aus der braunen Tonne, die in der Stadt Dortmund anfallen, zusammen. In der zweiten Prozessstufe wird die Biomasse fermentativ in Rohbiogas umgesetzt. Aus dem Substrat werden rechnerisch 333,3 Nm3/h Rohbiogas gewonnen. Dieses wird einerseits zu Biomethan aufbereitet und andererseits in einem BHKW verstromt. Das BHKW erzeugt die benötigte thermische Leistung, um die Prozesswärme sowohl für die Hygienisierungsanlage als auch für den Fermenter zu liefern. Die thermische Leistung wird durch eine BHKW-Anlage mit einer installierten elektrischen Leistung von 526 kW, welche auf 7.000 Betriebsstunden pro Jahr ausgelegt ist, erzeugt. Daraus folgt, dass eine elektrische Energiemenge von 3,68 MWh/a in das Stromnetz einzuspeisen ist und der Ertrag des Stromverkaufs 452.886 €/a beträgt. Der Rohbiogasverbrauch hierfür beträgt 196,3 Nm3/h.
Die dritte Prozessstufe beinhaltet die Biogasaufbereitung, Biogaskonditionierung und die Verwertung der Gärreste. Die Biogasaufbereitung erfolgt mittels Druckwasserwäsche. Das BHKW benötigt von dem gewonnen Rohbiogas 196,3 Nm3/h. Demnach ist ein Volumenstrom von 137 Nm3/h aufzubereiten und zu konditionieren. Bei der Biogaskonditionierung ist zu dem aufbereiteten Biogas eine bestimmte Menge Flüssiggas zuzumischen, um den Brennwert an das vorliegende Erdgasnetz anzugleichen. Die Menge des Flüssiggases

richtet sich dabei nach dem zu erreichenden Brennwert und Wobbe-Index des im Einspeisenetz vorhandenen Gases. Der einzuspeisende Volumenstrom aus CH4 und C3H8 bildet hierbei das Biomethan und beträgt 85,6 Nm3/h mit einem Brennwert von 11,8 kWh/Nm3. Die daraus resultierende jährliche eingespeiste Energiemenge beträgt 7.07 MWh und ergibt einen Erlös von 381.810 €/a.
Der Gärrest, der bei der Fermentation anfällt, wird mit einem Separator aufbereitet. Der Separator trennt aus der ausgefaulten Abfallsuspension die Feststoffpartikel ab und entwässert sie zu einer rieselfähigen trockenen Konsistenz. Der vom Separator ausgetragene Feststoff ist der Kompost. Offen bleibt, wie die Entsorgung bzw. der Vertrieb des Gärrests gestaltet wird. Der flüssige Anteil gelangt zurück zu dem Abfallpulper und wird zum Anmaischen des Substrats verwendet. Die Berechnung der Wirtschaftlichkeit der Bioabfallverwertungsanlage zeigt, dass bei der Einspeisung des Biomethans in das HD-Netz die Investitionskosten der benötigen Anlagenteile 3,7 Mio € betragen. Jedoch basieren die Zahlen auf Literaturwerten und müssen durch Herstellerangebote verifiziert werden. Die Wirtschaftlichkeitsberechnung lässt darauf schließen, dass bei einer Einspeisung in das DEW21-Erdgasnetz eine Überschreitung des Investitionskostenbudgets von 2,75 Mio € zu vermeiden ist.
Ausgehend von den durchgeführten Betrachtungen und getroffenen Feststellungen ergeben sich für die Einspeisung von Biomethan in das DEW21-Erdgasnetz folgende Schlussfolgerungen: Die Aufbereitung von Biogas auf Biomethan und die anschließende Einspeisung in das vorliegende Erdgasnetz ist technisch machbar. Die für die Biomethaneinspeisung relevanten DVGW-Regelwerke und die vorgegebenen Qualitätsanforderungen können eingehalten werden. Wie viel Biogas in dieser Biogasanlage produziert wird, hängt von der Zusammensetzung des Substrats ab. Um die Ergebnisse der Berechnung der Biogasausbeute zu bestätigen, ist ein Gärversuch speziell mit dem Bioabfall der Stadt Dortmund durchzuführen. Durch die Substitution des Erdgases mit Biomethan kann eine fossile Primärenergie eingespart und so zur Entlastung der Atmosphäre von klimawirksamen Gasen beitragen werden.