Biomethan

Rohrleitungen für Erdgas und Bioerdgas

Als Biomethan wird Methan bezeichnet, welches nicht fossilen Ursprungs ist, sondern aus biogenen Stoffen erzeugt wurde und Bestandteil von Biogas ist. Zur Erzeugung kommen sowohl natürliche als auch technische Verfahren infrage. Anwendung findet Biomethan für die Produktion von Elektrizität und Wärme in Blockheizkraftwerken (BHKW) oder als Treibstoff für Fahrzeuge. Vor Anwendung und Verteilung muss produziertes Biogas zu Biomethan aufbereitet und von anderen Gasbestandteilen separiert werden.

Entstehung

Hauptartikel Methan

Methan kann sowohl technisch erzeugt werden als auch natürlich entstehen. Biomethan kann technisch zum einen über Synthesegas aus einer Biomasse-Vergasung produziert werden. Das so erzeugte Biomethan bezeichnet man englisch auch als Bio Synthetic Natural Gas (Bio-SNG).

Derzeit häufiger verwendet wird jedoch das sogenannte „Biogas“. Es entsteht beim Zersetzen von organischem Material unter Sauerstoffausschluss. Technisch kontrolliert finden diese Vorgänge in Biogasanlagen statt. Größte Fraktion des erzeugten Biogases ist das Methan (CH₄) mit 50 – 75%. Daneben entstehen größtenteils Kohlenstoffdioxide (CO₂), aber auch andere Gase wie N₂, NH₃, H₂, H₂S, O₂, VOCs, Siloxane, Mercaptane. Für die Erzeugung von Biogas in Biogasanlagen kommen in der Regel Energiepflanzen, Gülle und gelegentlich organische Reststoffe als Substrate zum Einsatz. Biomethan entsteht aber auch natürlich als Komponente des Biogases in sauerstofflosen Schichten unter der Erdoberfläche, Moore, Sümpfe, anaeroben Bereichen von Sedimenten und Reisfeldern, sowie unkontrolliert in Deponien, Güllebehältern oder durch Emissionen in der Tierhaltung.^[1]

Aufbereitung

Hauptartikel Biogasaufbereitung

Vor der Einspeisung in das Gasleitungsnetz werden die fermentativ erzeugten, mit Wasserdampf gesättigten Rohgase auf Erdgasqualität aufbereitet. Diese Gasaufbereitung umfasst vor allem eine weitgehende Entfernung von Wasser, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff, sowie eine Konditionierung und Verdichtung. Damit Biomethan als Erdgas-Substitut verwendet werden kann, muss insbesondere eine Anpassung des Brennwerts (Wobbe-Index) erfolgen. Abhängig von den technischen und wirtschaftlichen Randbedingungen werden verschiedene Gasaufbereitungsverfahren angewandt und miteinander kombiniert.^[2]

Die ersten Schritte der Aufbereitung und Grobreinigung (Entfeuchtung und Entschwefelung) erfolgen bereits in der Biogasanlage. Das erzeugte Rohbiogas enthält nach diesen Schritten einen Methananteil von durchschnittlich 50 bis 60% und einen Kohlendioxidanteil von 35% bis 45%. Der Rest setzt sich aus Stickstoff, Sauerstoff und anderen Gasen zusammen.

Bei der nachgeschalteten Aufbereitung zu Biomethan wird insbesondere der Bestandteil Kohlendioxid sowie verbliebene Spuren von Schwefelwasserstoff durch verschiedene physikalische oder chemische Verfahren (Absorption, Adsorption oder Filtrierung) aus dem Biogas entfernt und das Methan stark angereichert. Das resultierende Biomethan wird konditioniert (Brennwertanpassung mittels LPG (Flüssiggas) wie Propan und Butan oder Luft)^[3] und nachfolgend zur Einspeisung in das Erdgasnetz oder zur Bereitstellung als Biokraftstoff verdichtet.

Weiterhin muss über eine Gasbeschaffenheitsmessung die Erhebung wichtiger Parameter des eingespeisten Gases (Brennwert, Heizwert, Wobbe-Index, Dichte etc.) und eine Bestimmung der übergebenen Energiemenge (Abrechnungsbrennwert) erfolgen. Ziel dieser Anforderungen an die Gasbeschaffenheit ist die Bereitstellung der gleichen Gasqualität (besonders hinsichtlich des Brennwertes) für die Nutzer und die Abrechnung der bezogenen Energiemengen. Hinzu kommt aus Sicherheitsgründen eine Odorierung des Gases, damit das durchsichtige und geruchlose Gas über den Geruchssinn detektiert werden kann.

Mögliche Aufbereitungsschritte sind somit ^{[4] [5]}:

• Entschwefelung da Schwefelwasserstoff zu Korrosion führen würde
  • Grobentschwefelung
    • Biologisch mit schwefeloxidierenden Mikroorganismen
    • Chemisch mit Fällmitteln wie Eisenoxid, die S binden
  • Feinentschwefelung durch Adsorption an Aktivkohle oder Zinkoxid
• Gastrocknung gegen Korrosion durch Verdichtung und/oder Kühlung
  • Adsorption Bindung von Wasser an Kieselgele oder Aluminiumoxid
  • Kondensation durch Kühlung
• CO₂-Abtrennung Druckwasserwäsche oder Druckwechseladsorption
• Konditionierung Anpassung des Brennwertes über Gaszusammensetzung
• Odorierung damit austretendes Gas über den Geruch erkannt wird
• Verdichtung auf Leitungsdruck

Einspeisung

Hinsichtlich der Biogasqualität bestehen zwei Standards für die Einspeisung:

• Austauschgas (entspricht Erdgasqualität; unproblematische Einspeisung bei Druckanpassung) und
• Zusatzgas (begrenzt zumischbar; unterschiedliche Zusammensetzung und Energiemenge zu Grundgas).^[6]

Für die Übernahme von Biomethan in das Erdgasnetz muss es in den wesentlichen Eigenschaften dem Erdgas entsprechen. Innerhalb der durch die DIN 51624 festgelegten Brenngasfamilie „Methanreiche Gase“ und der darin enthaltenen Gruppen L („low“) und H („high“) muss das Biomethan folgende Werte einhalten:

1. Wobbe-Index von L-Gas: W_S,N = 10,5-13,0 kWh/m m³ (Gesamtbereich), Nennwert = 12,4 kWh/m m³; darf zeitlich begrenzt bis auf 10 kWh/m m³ fallen.
2. Wobbe-Index von H-Gas: WS,N = 12,8-15,7 kWh/m m³ (Gesamtbereich), Nennwert = 15 kWh/m m³; darf zeitlich begrenzt bis auf 12 kWh/m m³ fallen.

Insbesondere innerhalb der H-Gruppe ist entsprechend aufbereitetes Biogas bei weitgehender Kohlendioxidentfernung mit einem Brennwert von etwa 11,6 kWh/m m³ nur als Zusatzgas möglich.

Verbreitung und Ökonomie

Wegen der Höhe der erforderlichen Investitionen gilt die Biogasaufbereitung erst ab einer Kapazität von etwa 250 m³ bis 500 m³ Biomethan pro Stunde als wirtschaftlich. Das entspricht einer elektrischen Anlagenleistung von 1 MW bis 2 MW bei direkter Biogasverstromung im Blockheizkraftwerk (BHKW). In Deutschland waren im April 2010 32 Anlagen zur Biomethanerzeugung mit einer Gesamtkapazität von 21.333N m³ (Normkubikmeter) pro Stunde in Betrieb. Bis zum Jahresende 2010 sollen 35 weitere Anlagen ans Netz gehen, die sich im Bau oder Planung befinden, so dass die Gesamtkapazität auf 49.063 Nm³/h steigen soll.^[7]. Für 2011 werden bundesweit 72 laufende Anlagen mit einer Leistung von 54.093 Nm³/h erwartet. Erklärtes Ziel der Bundesregierung ist es, dass in Deutschland im Jahr 2020 etwa 60 Milliarden kWh Biomethan pro Jahr erzeugt werden. Das entspricht der Kapazität von rund 1200 bis 1800 Biomethananlagen und somit einem Neubau von mindestens 120 Anlagen pro Jahr mit einem Investitionsvolumen in Anlagentechnik von 10 – 12 Mrd. €. Zur Bereitstellung der Energiepflanzen für die Biogasproduktion, müssten bis 2020 1,2 Mio. ha Anbauflächen zur Verfügung stehen.^{[8] [9]} Um das Ziel zu erreichen, müßte die Biogaserzeugung gegenüber 2007 um 150 % steigen, unter der Voraussetzung, dass sämtliches Biogas zu Biomethan aufbereitet wird. Bei Verstromung in BHKWs könnten so etwa 4 % des Strombedarfs gedeckt werden.^[10]

Nutzung

Biomethan wird energetisch nutzbar, indem es entweder in das Erdgasnetz eingespeist (Bioerdgas) oder als Biokraftstoff für Erdgasfahrzeuge verwendet wird. Während der Einspeisung eine zunehmende Bedeutung zukommt, stellt die Nutzung von Biomethan als Kraftstoff bisher nur eine Nischenanwendung dar. In Mecklenburg-Vorpommern wird ab 2011 dem Erdgas-Kraftstoff bis zu 10 Prozent Bio-Erdgas beigemischt. Im November 2010 hatten bereits die Stadtwerke München (SWM) begonnen, an ihren sieben Erdgastankstellen im Stadtgebiet 50 Prozent Bio-Erdgas beizumischen.

Einspeisung in das Erdgasnetz

Bei der Gasentnahme aus dem Erdgasnetz erfolgt die Differenzierung zwischen Erdgas und Biomethan theoretisch. Eine dem eingespeisten Biomethan äquivalente Menge Erdgas wird an einer beliebigen Stelle des Netzes entnommen. Ein Großteil des in das Erdgasnetz eingespeisten Biomethans wird in Blockheizkraftwerken (BHKW) zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt, da die BHKW-Betreiber so erhöhte Stromvergütungen nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz erhalten. Zudem bieten einzelne Gasversorger gegen Aufpreis die Lieferung von Erdgas mit Biomethananteil an, als umweltfreundlichere Alternative zu reinem Erdgas.^[11]

Nutzung als Kraftstoff

Vergleich von Biokraftstoffen in Deutschland

Biokraftstoff	Ertrag/ha	Kraftstoffäquivalenz [l][12][* 1]	Kraftstoffäquivalent pro Fläche [l/ha][* 2]	Preis [cent]	Preis Kraftstoff- äquivalent [cent/l][* 3]		Fahrleistung [km/ha][12][* 4]
Pflanzenöl (Rapsöl)	1590 l[12]	0,96	1526	98,1/l (11/2009)[13]	102,2		23300 + 17600[* 5]
Biodiesel (Rapsmethylester)	1550 l[14]	0,91	1411	107,9/l (KW 49/2009)[15]	118,6		23300 + 17600[* 5]
Bioethanol (Weizen)	2760 l[12]	0,65	1794	93,2/l (E85, 11/2009)[16]	133,1		22400 + 14400[* 5]
Biomethan	3540 kg[14]	1,4	4956	93/kg (06/2008)[17]	66,4		67600
BtL	4030 l[14]	0,97[* 6]	3909	nicht am Markt	k.a		64000

1. ↑ 1 l Biokraftstoff bzw. 1 kg Biomethan entspricht dieser Menge konventionellen Kraftstoffs
2. ↑ ohne Nebenprodukte
3. ↑ Preis für die Menge Biokraftstoff, die äquivalent zu 1 l konventionellem Kraftstoff ist
4. ↑ separate Berechnung, nicht auf den anderen Daten basierend
5. ↑ ^{a b c} mit Biomethan aus Nebenprodukten Rapskuchen/ Schlempe/ Stroh
6. ↑ auf Basis von FT-Kraftstoffen

Biomethan kann, ebenso wie Erdgas, als Treibstoff in Kraftfahrzeugmotoren genutzt werden, bisher wird Biogas allerdings selten auf diesem Weg verwertet. Fahrzeuge, die für den Einsatz von reinem oder bivalentem Erdgasbetrieb umgerüstet sind, können auch mit Biomethan betrieben werden. Im Gegensatz zu Erdgas ist Biomethan allerdings nahezu CO₂-neutral. In Deutschland existiert die erste öffentliche Biomethan-Tankstelle in Jameln. Ab März 2010 sollen drei Tankstellen Biomethan bereitstellen.^[18] Mit Einspeisung von Biomethan in das Erdgasnetz enthält zudem auch das als Kraftstoff genutzte Erdgas einen Anteil Biomethan.

Wegen der hohen elektrischen Wirkungsgrade könnte in Zukunft zudem die Verwertung von Biogas in Brennstoffzellen interessant sein. Der hohe Preis für die Brennstoffzellen, die aufwendige Gasaufreinigung und die in Praxisversuchen bisher noch geringe Standzeit verhindern derzeit eine breitere Anwendung dieser Technik.

Rechtlicher Rahmen

Die Biogaseinspeisung wird von zahlreichen rechtlichen Regelungen bestimmt, darunter in Deutschland das Energiewirtschaftsgesetz, die Gasnetzentgeltverordnung sowie Regelwerke des DVGW. Durch die seit April 2008 gültige Gasnetzzugangsverordnung (GasNZV) wurde der Zugang von Biomethan zum Erdgasnetz deutlich vereinfacht. Zudem konkretisiert die Verordnung die Zielsetzung der Bundesregierung für den Ausbau der Biogaseinspeisung: Bis zum Jahr 2020 sollen jährlich 60 Mrd. kWh Biogas und bis zum Jahr 2030 100 Mrd. kWh Biogas in das Gasnetz eingespeist werden^[19].^[20] Das wäre rund ein Zehntel der im Jahr 2008 in Deutschland verbrauchten Erdgasmenge von 930 Mrd. kWh.

Literatur

• Studie: Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz. Herausgegeben von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR), Gülzow 2007, erstellt durch das Institut für Energetik und Umwelt gGmbH (jetzt Deutsches Biomasseforschungszentrum (DBFZ)) in Zusammenarbeit mit dem DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH, Prof. Dr. Stefan Klinski, Fraunhofer-Institut UMSICHT und dem Gaswärme-Institut e.V. (GWI) (pdf)

Einzelnachweise

1. ↑ Tilche,A.,Galatola,M.,The potential of bio-methane as bio-fuel/bio-energy for reducing greenhouse gas emissions in :Water Science and Technology Vol.57 No.11,London,2008
2. ↑ Rahmesohl,S. et al.:Analyse und Bewertung der Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse, Untersuchung im Auftrag von BGW und DVGW, Band 1:Gesamtergebnisse und Schlussfolgerungen,Wupperthal,Leipzig,Oberhausen,Essen,2006,S.23
3. ↑ Burmeister,F. et al.:Neue Aspekte der Biogaskonditionierung,GWF,Gas,Erdgas,Nr.6,2008,S.358 ff
4. ↑ Rahmesohl,S. et al.:Analyse und Bewertung der Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse,Untersuchung im Auftrag von BGW und DVGW, Band 1:Gesamtergebnisse und Schlussfolgerungen,Wupperthal,Leipzig,Oberhausen,Essen,2006,S.20ff
5. ↑ Biogaspartner – Projektliste Deutschland
6. ↑ Rahmesohl,S. et al.:Analyse und Bewertung der Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse,Untersuchung im Auftrag von BGW und DVGW, Band 1:Gesamtergebnisse und Schlussfolgerungen,Wupperthal,Leipzig,Oberhausen,Essen,2006,S.50ff
7. ↑ Biogaspartner – Projektliste Deutschland
8. ↑ Biogaspartner – Projektliste Deutschland
9. ↑ Biogasnutzung im ländlichen Raum - Der Beitrag verschiedener Anlagenkonzepte zur regionalen Wertschöpfung und ihre Umweltleistung
10. ↑ Entwicklung der Erneuerbaren Energien bis 2008, Statistiken und Graphiken, BMU 2009
11. ↑ Hinrich Neumann, 2009: Run auf Biomethan überrascht die Branche. (pdf) In: top agar 2/2009, S.116-120
12. ↑ ^{a b c d} - Biokraftstoffe - Basisdaten Deutschland, Stand Oktober 2009 Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR), Gülzow, 2009, 14-seitige Broschüre, als pdf verfügbar
13. ↑ - Preisentwicklung von Rapsöl als Kraftstoff, CARMEN e.V., aktuelle Preisnotierungen, abgerufen am 04.12.2009
14. ↑ ^{a b c} Biokraftstoffe - Basisdaten Deutschland, Stand Januar 2008 Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR), Gülzow, 2008, Broschüre, wegen aktualisierter Version nicht mehr als pdf verfügbar
15. ↑ - Preisentwicklung von Biodiesel, UFOP, aktuelle Preisnotierungen, abgerufen am 04.12.2009
16. ↑ - Preisentwicklung von Bioethanol E85, CARMEN e.V., aktuelle Preisnotierungen, abgerufen am 04.12.2009
17. ↑ Biogastankstelle Jameln
18. ↑ Biogas für die Tankstelle, Joule - Journal für Agrarenergie
19. ↑ Gasnetzzugangsverordnung (GasNZV), §41a
20. ↑ Deutsche Energie-Agentur: www.Biogaspartner.de – Politik und Recht

Weblinks

• Informationsseite der Deutschen Energie-Agentur GmbH (dena) zur Einspeisung von Biomethan
• österreichische Informationsplattform zur Einspeisung von Biomethan
• Klima- und Umwelteffekte von Biomethan Diskussionspapier des Wuppertal Instituts
• Bioerdgas - Evolution der Bioenergie