Speicherfreie Verwertung von Biogas

Im Rahmen des durch das BMBF geförderten Projekts DEUS 21 betreibt das Fraunhofer IGB eine semi-zentrale Anlage zur anaeroben Abwasserreinigung mit integrierter Membranfiltration in Knittlingen. Die Anlage setzt die organischen Bestandteile des Abwassers und über ein Vakuumsystem zugegebene Küchenabfälle von derzeit etwa 170 Anwohnern zu Biogas um. Dabei werden Mengen von 8000 bis 10 000 Litern Biogas pro Tag erreicht. Wenn das Baugebiet komplett bebaut ist, kann mit der doppelten Menge gerechnet werden. Da dieses Biogas einen Methangehalt von 60–70 Prozent hat, stellt es eine wertvolle Energiequelle dar, durch deren Nutzung der Bedarf an fossilen Energieträgern reduziert werden kann.

In herkömmlichen Biogasanlagen wird Biogas in deutlich größeren Mengen produziert als in der Anlage in Knittlingen. Anlagen zur Nutzung relativ kleiner Mengen an Biogas sind daher bisher auf dem Markt nicht verfügbar. Entsprechend kleine Anlagen für die Nutzung von Erdgas sind wegen der anderen Zusammensetzung sowie fehlender Zulassung für Biogas nicht einsetzbar. Das Speichern des Biogases, das eine Verwertung mit einem größeren Aggregat zulassen würde, ist aus Explosionsschutzgründen und der Lage im Wohngebiet kritisch – zur Druckspeicherung müsste das Biogas aufbereitet werden. Daher haben wir am Fraunhofer IGB gemeinsam mit der Firma C-deg GmbH aus Kiel ein Aggregat entwickelt, welches die energetische Verwertung von geringeren Mengen ungereinigten Biogases ermöglicht.

Da aufgrund der geringen Größe der Abwasseranlage sowie möglicher Füllstandsschwankungen in den Reaktoren nicht mit Sicherheit ständig Biogas zur Verfügung steht, wird die Verbrennung mit einer Stützflamme betrieben, die mit Erdgas gespeist wird. Des Weiteren wird der Verbrennung ein Abluftstrom aus der Belüftung des Filtrats der Abwasserreinigungsanlage zugeführt. Dieser Luftstrom enthält auch 2–3 Prozent Methan, welches im Filtrat gelöst die Abwasserreinigungsanlage verlässt, jedoch wegen des hohen Treibhauspotenzials von Methan nicht in die Atmosphäre gelangen darf. Zugleich transportiert der Abluftstrom Sauerstoff zur Verbrennung sowie geruchsbelastende Stoffe wie Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Um einen bestmöglichen Umsatz dieser Schadstoffe zu erreichen, ist die Verbrennung geregelt. So wird je nach Sauerstoffbedarf, der abhängig ist von der Biogasbeigabe, der Zuluftstrom variiert. Das Abgas der Verbrennung wird schließlich über einen Wärmetauscher geleitet, in dem die Wärmeenergie des verbrannten Gases an den Heizkreislauf der Abwasserreinigungsanlage übergeben wird. Hiermit können die mesophile Faulung der Feststoffe sowie das Regenerat der Anlage zur Stickstoffrückgewinnung beheizt werden.

Ergebnis der Verbrennung des Biogases und der Prozessluft ist in erster Linie die Eliminierung des Treibhausgases Methan und die Verringerung von Schadstoffen wie Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Die Anlage zeigt aber auch, dass selbst eine geringe Menge Biogas noch sinnvoll zur Wärmeerzeugung eingesetzt werden kann. Die Zugabe von Biogas kann drucklos erfolgen. Das Biogas wird in der Zeit und in der Menge umgesetzt, in der es entsteht. Druckerhöhungsaggregate, Gasaufbereitungsanlagen oder Gasspeicher sind daher nicht notwendig. Die Biogasanlage wird auch nicht durch Unterdruck belastet wie es ansonsten bei einer aktiven Absaugung des Biogases der Fall wäre. Diese Vorteile ermöglichen eine einfache und kostengünstige Anbindung an die verschiedensten Biogasanlagen.

Technische Daten

• Geregelte Verbrennung in Abhängigkeit der
• Biogaszuspeisung, Grundleistung: 6 kW
• Wirkungsgrad Wärmetauscher: 60–70 Prozent
• Temperatur Brennkammer: 1000–1200 °C

Innerhalb des vorgestellten Projekts konnten wir einen betriebssicheren Prototyp entwickeln, der bei zukünftigen Umsetzungen weiter optimiert werden kann. Bei Bedarf erlaubt der technische Aufbau des Gerätes eine Modifikation des Wärmetauschers. Dadurch ist es möglich, Aggregate wie einen Stirlingmotor einzusetzen und somit zusätzlich Elektrizität zu gewinnen. Auch der Einsatz von Wärmetauschern mit einem erhöhten Wirkungsgrad ist möglich. Die Heizleistung des Brenners ist bei der Auslegung abhängig vom Bedarf wählbar. Bei Biogasanlagen, welche kontinuierlich Biogas in ausreichender Menge produzieren, kann ggf. auf eine Erdgasträgerflamme verzichtet werden.