Biogas Energiepark

Bio­gas, Bio­methan, Bio­erdgas: Grüne Gase schonen das Klima

Grüne Gase: Was verbirgt sich hinter den Begriffen Biogas, Biomethan oder Bioerdgas? Wir klären auf. Immer mehr Verbraucher wollen sich beim Heizen klimaschonend verhalten und entscheiden sich für Biogas. Wir erklären, wie aus vergärenden Pflanzenresten zunächst Biogas entsteht, das dann zu Biomethan veredelt und ins Gasnetz eingespeist wird.

Grüne Gase wie Biogas und Biomethan spielen eine wichtige Rolle bei dem Ziel, die Nutzung von Energie klimafreundlich zu gestalten und von fossilen zu erneuerbaren Energieträgern umzusteigen. Für den Verbraucher ist es allerdings nicht immer einfach, den Überblick zu behalten und genau zu verstehen, was sich hinter den für ihn neuen Begriffen genau verbirgt. Daher erklären wir in diesem Artikel, was es mit diesen Gasen auf sich hat und warum deren Nutzung so klimafreundlich ist.

Biogas: wenn Pflanzen und Biomasse vergehen …

Um die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften von Biogas zu verstehen, muss man sich zunächst mit der Biologie beschäftigen. Denn Biogas entsteht immer dann, wenn sich organische Masse (Pflanzen, Gülle, Klärschlamm, Bioabfall usw.) unter Abschluss von Luft zersetzt. Die Zersetzung unter Luftabschluss nennt man anaerob. Das Gegenteil davon wäre eine aerobe Zersetzung (also Zersetzung mit Luft), wie sie zum Beispiel auf einem Komposthaufen stattfindet. Während der anaeroben Zersetzung, die man auch Vergärung nennt, werden die Elemente, aus denen die vergärende Biomasse besteht, in andere Stoffe umgebaut. Pflanzen wachsen, indem sie das in der Luft befindliche Gas Kohlendioxid (CO2) verarbeiten und als Kohlenstoff in ihre Zellstrukturen einbauen. Dieser Prozess heißt Photosynthese. Um diesen Vorgang auszuführen, benötigen Pflanzen Energie von der Sonne und als weitere Komponenten Wasser sowie Mineralien, die sie dem Boden entziehen. Aus dem CO2 wird der Kohlenstoff C abgespalten und in die Pflanzen eingebaut, während der Sauerstoff O in die Atmosphäre abgegeben wird. Pflanzen bestehen in trockenem Zustand zu 45 % aus Kohlenstoff.

Wenn die Pflanzen bzw. die Biomasse nun vergärt, entsteht ein Gas, bei dem es sich um die Ausscheidungen von Mikroorganismen handelt. Diese benutzen die von Pflanzen in Stärke und Zucker eingebaute Energie, um sie in eine neue Form zu zerlegen. Um diesen Fäulnisprozess in einer Biogasanlage so effektiv wie möglich zu gestalten, werden die Pflanzen zunächst verflüssigt und versäuert, bevor sie in der so genannten Methanogenese zu Biogas werden. 

Karte Biogasanlagen Deutschland

Entscheidend dabei ist, dass der pflanzliche Kohlenstoff beim Gärprozess in zwei Komponenten des Biogases eingebaut wird: Zum einen zurück in Kohlendioxid (CO2) und zum anderen vor allem in Methan (CH4). Der Anteil des Methans in Biogas beträgt je nach Pflanze, die vergärt wurde, zwischen 50 und 75 Prozent – der Rest des Biogases besteht hauptsächlich aus CO2. Die Menge des Biogases, die bei der Vergärung in sogenannten Faultürmen entsteht, ist abhängig von der pflanzlichen Zusammensetzung der Biomasse. So kann man aus jeweils einer Tonne Mais-Pflanzen über 200 m3 Gas gewinnen, aus Gras 172 m3 und aus Biomüll noch 100 m3, während man bei Rindermist nur 45 m3 und bei Gülle sogar nur 25 m3 erhält. Die Biomasse kann aus Energiepflanzen wie Mais oder Silphie bestehen, aber auch aus landwirtschaftlichen Reststoffen wie Stroh, Gülle oder Mist und sogar aus Bioabfällen, dem biogenen Anteil von Restmüll, Klärschlämmen und vielem mehr. Eine neue Datenbank des Biomasseforschungszentrums zählt allein 77 verschiedene biogene Reststoffe auf. Aktuell gibt es in Deutschland 12.000 Biogasanlagen.

Aus Biogas wird Biomethan

Für die weitere Nutzung als Brennstoff ist vor allem das Biomethan im Biogas interessant. Dieses Gas ist farb- und geruchlos, leicht brennbar und enthält eine Menge Energie. Das frisch im Faulturm bei der Pflanzenvergärung entstandene Biogas muss zunächst verändert werden, um es ins Gasnetz einspeisen zu können. Unbehandelt kann es nur direkt in einem Blockheizkraftwerk verwendet werden. Biogas enthält neben Methan noch weitere Gase. Kohlendioxid CO2 ist mit einem Anteil von etwa 25 bis 50 % vertreten. Außerdem findet man noch geringe Mengen von Stickstoff, Wasserdampf und Schwefelwasserstoff. Um Biogas für den normalen Endverbraucher nutzbar zu machen, wird es entschwefelt und getrocknet. Das CO2 wird abgetrennt und der Methananteil erhöht. Zuletzt wird es odoriert, also mit Geruchsstoffen versehen, damit man es riechen kann, falls es unkontrolliert austritt.  Am Ende dieser Aufbereitungsprozesse entsteht ein Gas mit einem Methananteil von 96 %. Aus Biogas ist Biomethan geworden, das jetzt für vielfältige Anwendungen zur Verfügung steht.

Infografik: Herstellung von Biogas
In der Infografik wird der Prozess der Herstellung von Biogas sowie die wichtigsten Sektoren der Nutzung von Biogas dargestellt.

Biomethan ist ein klimaneutrales, grünes Gas

Chemisch besteht Biomethan (CH4) aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Beides haben die Pflanzen zum einen aus der Luft (CO2) und zum anderen in Form von Wasser (H2O) aufgenommen. Durch die Mikroorganismen im Faulturm werden die pflanzlichen Strukturen aufgespalten und neu kombiniert, vor allem in das energiereiche Methan. Wenn Methan verbrennen soll, braucht es dafür Sauerstoff. Bei der Verbrennung wird der Wasserstoff in Wärmeenergie verwandelt, die damit technisch nutzbar wird: Um in Heizungen Wasser zu erwärmen oder um Motoren zu betreiben. Der Kohlenstoff des Methans verbindet sich mit dem Sauerstoff zu CO2, was ein schädliches Klimagas ist. Denn das Kohlendioxid ist dafür verantwortlich, dass die auf die Erde einstrahlende Sonnenenergie nicht mehr zurückgestrahlt wird. Die Folge: Die Erde erhitzt sich immer mehr. Es kommt zum sogenannten Treibhauseffekt. Deshalb ist die Menschheit aufgerufen, so wenig CO2 in die Atmosphäre abzugeben wie möglich. Obwohl bei der Nutzung von Biomethan CO2 freigesetzt wird, ist die verstärkte Verwendung von Biomethan eine gute Sache, wenn damit der Verbrauch fossiler Brennstoffe ersetzt wird. Denn nur, wenn wir auf die Nutzung von Kohle, Öl und Erdgas verzichten, wird der darin enthaltene Kohlenstoff nicht mehr als CO2 zusätzlich in die Atmosphäre gelangen. Diese andauernde, zusätzliche Emission von CO2 aus fossilen Brennstoffen ist die Ursache für die menschengemachte Klimakrise. Bei der Nutzung von Biomethan gelangt also auch CO2 in die Atmosphäre, aber genau dieselbe Menge, die zuvor von den Pflanzen, aus denen das Methan direkt oder indirekt entstanden ist, der Erdatmosphäre entzogen wurde. Es handelt sich daher um einen geschlossenen Kreislauf, der in vergleichsweise kurzen Zeiträumen beliebig wiederholbar ist. Diesen Umstand bezeichnet man als regenerativ. Biomethan ist daher ein Grünes Gas, das zur Lösung der Klimaproblematik beiträgt. Bereits heute werden 2 % der durch erneuerbare Energien verursachten CO2-Einsparung durch Biomethan beigetragen.

Verwendung von Biomethan

Grafik Verwendung von Biomethan

Da Biomethan ein geruchloses, transparentes Gas ist und viel Energie enthält, wird es in ganz unterschiedlichen Bereichen genutzt. Wieviel ist viel Energie? Je nach Beschaffenheit kann die in einem Kubikmeter Biomethan enthaltene Energie 10 bis 15 kWh betragen. Mit dieser Energie könnte ein modernes Elektroauto etwa 100 km weit fahren oder 100 bis 150 Exemplare der klassischen 100-Watt-Birne eine Stunde lang zum Leuchten gebracht werden. Ganz schön viel Energie also in so einem Kubikmeter Gas, die sich gut nutzen lässt, denn Biomethan ist leicht brennbar. Deshalb haben sich diverse Nutzungsformen gebildet. Aktuell wird Biomethan mit einer Energiemenge von etwa 10 Milliarden kWh pro Jahr erzeugt. Es könnten aber bis zu 120 Milliarden kWh sein, wenn die vorhandene Biomasse ausschließlich zur Biomethanerzeugung und nicht zur Stromerzeugung konsequent genutzt würde. Damit könnten 12 Mio. Pkw oder 185.000 Lkw betrieben werden. Oder acht Millionen Einfamilienhäuser könnten damit beheizt werden.

Biomethan ist gleich Bioerdgas

Biomethan entspricht mehr oder weniger dem, was landläufig als Erdgas bekannt ist und unterscheidet sich also nur in der Art der Erzeugung. Daher kann Biomethan problemlos in das Erdgasnetz eingespeist werden, sofern es den Anforderungen an die Gasqualität entspricht. Folglich wird es auch als Bioerdgas bezeichnet. Wenn ein Kunde Bioerdgas nutzen möchte, benötigt er also keine eigene Gasleitung für dieses Produkt, sondern er schließt einen entsprechenden Liefervertrag mit einem Gasversorger, wie zum Beispiel Erdgas Südwest. Dieser Gaslieferant verpflichtet sich, die gleiche Menge des Gases, das der Kunde verbraucht, in Form von Biomethan in das Gasnetz einzuspeisen. Das wird von der Deutschen Energieagentur (dena) regelmäßig kontrolliert. Einen Unterschied bei der Nutzung gibt es nicht. Allerdings ist reines Biomethan etwa doppelt so teuer wie fossiles Erdgas, weshalb die meisten Bio(erd)gas-Tarife einen Anteil von 10 % Biomethan aufweisen.

Biomethan macht Autos sauber

Schon heute fahren etwa 100.000 Pkws auf deutschen Straßen, die mit Erdgas betrieben werden. Das ist angesichts von über 40 Millionen Fahrzeugen in Deutschland nicht besonders viel, aber ein wichtiger Anfang, der beweist, dass es technisch möglich ist, Verkehr im großen Stil mit Gas zu betreiben. Alle Erdgasautos können auch mit Biomethan betrieben werden, weil diese beiden Gase sich von ihrer chemischen Zusammensetzung her gleichen. Das Potenzial von Biomethan liegt allerdings viel höher. Die Biomassedatenbank schätzt, dass das technische Biomassepotenzial etwa 13 % des Verkehrs versorgen könnte. Wenn man nur den deutschen Luftverkehr damit betreiben würde, wäre dieser zu 96 % klimaneutral.

Kurzfristig ist Biomethan im Verkehrssektor eine Option, die einerseits hilft, die Grenzwerte der Euro 6-Norm für Stickoxid- und Feinstaubemissionen deutlich zu unterschreiten, und gleichzeitig nahezu klimaneutrale Mobilität ermöglicht – sofern der Anteil erneuerbaren Methans bei 100 Prozent liegt. Dies ist bereits mit heute verfügbaren Antriebstechnologien im Bereich Erdgas umsetzbar. Langfristig sind Biomethan und Bio-LNG vor allem eine Option zur Dekarbonisierung des Schwerlast- und Schiffsverkehrs. Denn diese Verkehrsformen lassen sich nur schwer auf batterielelektrische Mobilität umstellen. Außerdem hat Biomethan eine viel bessere Energiebilanz gegenüber anderen Biokraftstoffen wie Biodiesel oder Bioethanol. Zahlen in der Wikipedia.

ESW Infografik Grüne Gase

Bio-LNG (Bio-Liquified Natural Gas)

In der Welt der Gasnutzung steht man ständig vor der Herausforderung des Transports und Lagerung des Gases. Zwar gibt es in Deutschland ein gut ausgebautes Netz von Gasleitungen mit einer Länge von über 500.000 km. Dennoch steht nicht immer dort, wo Biomethan erzeugt wird, eine Gasleitung zwecks Einspeisung zur Verfügung. Außerdem ist es effizienter, die Biogasanlagen dort zu bauen, wo sich die zu verarbeitenden Reststoffe befinden. Kurzum: Der Standort der Biogasanlage und der der Gasleitung müssen nicht unbedingt nah bei einander liegen. In diesem Fall bietet es sich an, das Gas zu verflüssigen, um es mit einem Tankwagen transportieren zu können. Hinzu kommt, dass sich Gas in flüssiger Form besser lagern lässt und zudem in Gegenden transportiert werden kann, in denen es keine Gasleitung gibt. Die Lagerung spielt natürlich auch bei der Nutzung von Gas als Energieträger im Verkehr eine wichtige Rolle. Denn ein Fahrzeug, das mit Flüssiggas betankt wird, kann im gleichen Tank viel mehr Energie mit sich führen als im gasförmigen Zustand. 

Download | Infografik Grüne Gase: Biogas und Biomethan (2,6MB)

Links

Studie der dena: Rolle und Beitrag von Biomethan im Klimaschutz heute und in 2050, Oktober 2017: PDF-Download auf ww.dena.de

Zahlen zur Erdgasversorgung in Deutschland vom Bundesministerium für Wirtschaft: www.bmwi.de

Artikel über die Biomassedatenbank: www.biooekonomie.de


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