Mat. IX: Bio-Methan aus Biogas (Synthetic / Substitute Natural Gas (SNG))
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siehe auch: Haupttext / 2. Generation mit allg. Übersicht und weiteren Aufgaben
Methan (CH4) ist eines der Treibhausgase, das noch klimaschädlicher als Kohlenstoffdioxid (CO₂) ist. Quellen dieses Gases sind z.B. Moore, Reisanbau, Wiederkäuer, Müllhalden und Kläranlagen. Diese Quellen und auch fossiles Erdgas (CH4) sind nicht Gegenstand der folgenden Ausführungen. |
| In Deutschland stehen ca. 9.000 Biogasanlagen (Stand: 2019*). Die Silbe „Bio“ weist lediglich darauf hin, dass dieses Gas aus Biomasse gebildet wird und nicht fossilen Ursprungs ist. Biogas entsteht durch anaeroben (= ohne Sauerstoff) Abbau von Biomasse ( = Vergärung).
Es entsteht ein Gasgemisch, das vor allem Methan (CH4), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) enthält. In geringeren Mengen kommen Stickstoff (N₂), Wasserstoff (H₂), Ammoniak (NH3) und Schwefelwasserstoff (H₂S) vor. Biogas kann zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt werden. |
 Abb. Mat. IX-1 |
Wie zuvor erwähnt geht es im Folgenden ausschließlich um die Herstellung von Bio-Methan bzw. – Erdgas aus Biogas. Geäußerte Kritik an Bio-Erdgas bezieht sich in der Regel selten direkt auf dieses Produkt, sondern betrifft fast immer die Vorstufe, das Biogas. Meistens geht es dabei um verschiedenste mögliche Umweltbelastungen (Luft, Wasser) durch Biogasanlagen, aber auch um das Thema Landnutzung. Indirekt ist auch die Massentierhaltung Gegenstand dieser Kritik.
Versorgungssicherheit durch Biomethan?
Mit dem Angriff auf die Ukraine im Februar 2022 stellte sich bald die Frage nach der zukünftigen Versorgung mit Erdgas (= Biomethan). Inwieweit kann das in Biogasanlagen gewonnene Gas und dessen Aufbereitung zu Biomethan (= Erdgas) dazu beitragen, eine Versorgungslücke zu schließen?
Nach Meinung von Fachleuten wird eine Produktionssteigerung nur in geringem Maße möglich sein. Grund ist vor allem, dass die Ausgangsprodukte in der Regel Energiepflanzen – vor allem Mais – sind, die mit den Lebens- oder Futtermitteln konkurrieren. Eine Chance wird mittelfristig allerdings darin gesehen, wenn statt dieser Ausgangsstoffe vermehrt Pflanzenabfälle und -reste zur Biogas- bzw. Biomethangewinnung genutzt würde. Dazu müssten aber entsprechende rechtliche Voraussetzungen und auch Anreize für Betreiber geschaffen werden.
Quellen:
https://biooekonomie.de/nachrichten/neues-aus-der-biooekonomie/nachhaltige-biomasse-fuer-die-gaserzeugung-mobilisieren (Zugriff: 2022-05-30)
https://www.dbfz.de/fileadmin//user_upload/Referenzen/Statements/Positionspapier_Biogas_Ukraine.pdf (Zugriff: 2022-05-30)
Bio-Methan aus Biogas / Fließschema
Abb. Mat. IX-2 Herstellung von Bio-Erdgas aus Biogas (schematisch und vereinfacht)
Bezüglich ausführlicher Informationen zu den Themen Biogas bzw. Biogasanlagen bieten sich u.a. folgende Links als Einstiegsquellen an – aber auch selber mit entsprechenden Begriffen weitersuchen!
Bio-Methan aus Biogas / Erklärungen zum Fließschema
Hinweis: Die im Folgenden angegebenen Werte zu den Stoffanteilen (Vol.%) weichen in den verschiedenen Quellen teilweise sehr voneinander ab.
Biogasanlage / Fermenter / Biogas
Fermentation (lat.: fermentum „Gärung“ / „Sauerteig“) bezeichnet in der Biologie und Biotechnologie die mikrobielle oder enzymatische Umwandlung organischer Stoffe. Ein Fermenter kann auch als Bioreaktor bezeichnet werden, in dem Mikroorganismen, Zellen bzw. Enzyme unter kontrollierten möglichst optimalen Bedingungen wirken und in den Fermenter gegebene Stoffe um- oder abbauen.
Grundsätzlich kann jede Art von Biomasse im Fermenter durch Bakterien um- und abgebaut werden (für Biogasanlagen angebaute Pflanzen z.B. Mais / tierische Biomasse-Abfälle z.B. Gülle, Hühnermist / Pflanzenreste, z.B. Rübenreste / Reste aus der Nahrungsmittelindustrie bzw. Gastronomie / Grassilage)
Das Ergebnis der in einer Biogasanlage ablaufenden Prozesse ist Biogas – ein Gasgemisch, das Methan(CH4) – Anteil 35-75 Vol.% – als wichtigsten Bestandteil enthält. Als Methan liegt der Kohlenstoff in seiner reduziertesten Form vor, wird bei der Verbrennung durch den Sauerstoff oxidiert und liefert die Energie. Dabei wird es zu Kohlenstoffdioxid (CO2) umgewandelt.
Wasserentzug
Wasserdampf – Anteil 0,05-10 Vol.% – entsteht immer bei Stoffwechselprozessen. Der Gehalt an Wasserdampf ist vom Ausgangsstoff abhängig. Er wird weitgehend durch spezielle Gas-Trocknungsverfahren entfernt, um spätere Schäden durch Kondensation in Geräten zu vermeiden.
Entschwefelung
Die enthaltene Menge an Schwefelwasserstoff (H2S) – Anteil 0,005-0,7 Vol.% – entsteht im Rahmen der Um- und Abbauprozesse der zu vergärenden Ausgangsstoffe. Es ist ein nicht erwünschter Gasbestandteil. Würde Schwefelwasserstoff mit verbrannt werden, würde Schwefeldioxid entstehen, eine Verbindung, die u.a. für sauren Regen verantwortlich ist.
Der Stoff kann durch spezielle Filter- und Gaswaschmethoden entfernt werden. Dabei entstehen Abwässer und Schlämme. Der Einsatz von Mikroorganismen zur Entschwefelung ist möglich (siehe unten). Aufgrund der Kosten wird diese Methode allerdings z.Zt. noch selten eingesetzt.
CO2-Abtrennung
Kohlenstoffdioxid (CO2) – Anteil 25-50 Vol.% – entsteht durch Oxidationsprozesse im Rahmen des Um- und Abbaus der zu vergärenden Ausgangsstoffe. Die Abtrennung des Kohlenstoffdioxids ist notwendig, um den Brennwert des Gases zu erhöhen. Bestimmte physikalische und chemische Verfahren ermöglichen das weitgehende Entfernen des Kohlenstoffdioxids durch sogenannte „Wäschen“. Kohlenstoffdioxid kann in der chemischen Industrie weiterverarbeitet werden.
Sonstige Bestandteile
Weitere Bestandteile mit geringen Anteilen sind Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Aufgrund ihrer geringen Menge verbleiben sie im Gasgemisch.
Brennwertanpassung
Mit der Brennwertanpassung werden Normen erfüllt – z.B. hinsichtlich des Druckes – um das aus Biogas gewonnene Bio-Erdgas auch unter technischen Gesichtspunkten genauso verwerten zu können, wie fossiles Erdgas.
Bio-Methan aus Biogas / Mikroorganismen und Enzyme
Wie zuvor gesagt, werden hier nicht die Leistungen der verschiedenen Mikroorganismen bzw. unzähligen Enzyme behandelt, die zur Entstehung von Biogas führen. Es geht ausschließlich um die mögliche Nutzung der enzymatischen Leistungen von Mikroorganismen im Rahmen der Bio-Erdgas-Herstellung. Diese Leistungen betreffen vorwiegend die Reinigung des Biogases.
| Die entsprechenden Mikroorganismen kommen vor allem in Zusammenhang mit der sogenannten Entschwefelung zum Einsatz. Der im Biogas enthaltene Schwefelwasserstoff verursacht starke unerwünschte Gerüche und hat eine ätzende Wirkung bei der Verbrennung des Biogases. Es gelten gesetzliche Emissionsgrenzwerte. Die sogenannten Schwefelbakterien sind in der Lage in ihrem Stoffwechsel den im Biogas enthaltenen Schwefelwasserstoff (H2S) über enzymatisch bedingte Oxidationsprozesse zunächst in elementaren Schwefel und dann in Schwefelsäure (H2SO2) umzuwandeln. Im Rahmen dieser Prozesse wird Energie zur Bildung von ATP und NADH2 gewonnen. Zu den genutzten Schwefelbakterien gehört z.B. das stäbchenförmige Bakterium Acidithiobacillus thiooxidans (Abb. Mat. IX- 4). Durch eine Veränderung der Gene wird angestrebt, dessen enzymatische Leistungen weiter zu optimieren. So soll z.B. eine größere Toleranz hinsichtlich des pH-Wertes erreicht werden.Ein anderes angepasstes kugelförmiges Schwefelbakterium – Sulfolobus acidocaldarius (Abb. Mat. IX-5) – ist zusätzlich in der Lage Metalle, z.B. Eisen zu oxidieren und es so zumindest teilweise aus dem Biogas zu entfernen.Die technische Umsetzung erfolgt in einem an die Biogasanlage angeschlossenen Fermenter. Dort werden den Schwefelbakterien die notwendigen Nährsalze und Sauerstoff zugeführt. Gekoppelt ist dieser Fermenter mit einem Tropfkörper. Über dessen nasse Umgebung wird das Biogas mit den zu entfernenden Schwefelverbindungen geleitet. Von dort können die Schwefelbakterien (Abb. Mat. IX- 3) und sogenannte Urbakterien (Abb. Mat. IX-4 / siehe auch hier) den Schwefelwasserstoff aufnehmen und in ihrem Stoffwechsel verwerten. Der Schwefelanteil im Methan kann auf diesem Weg stark reduziert werden. |
 Abb. Mat. IX- 3 |
 Abb. Mat. IX-4 |
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1.Informiere dich über den Begriff „Chemosynthese“ und dessen grundsätzliche Merkmale. Beziehe die folgenden Gleichungen mit ein. Sie zeigen verkürzt die Leistungen der zuvor genannten Bakterien.2.Den „Sinn und Zweck“ dieser Stoffwechselleistung zeigt die Abb. Mat. IX-5. Begründe in Zusammenhang mit dieser Abbildung, warum neben den grünen Pflanzen auch diese Schwefelbakterien als „autotroph“ bezeichnet werden. Hilfe befindet sich u.a. hier: https://studyflix.de/biologie/autotroph-2805 (Zugriff: 2021-09-07)3.Begründe, warum man diese Mikroorganismen an einen bestimmten Toleranzbereich hinsichtlich des pH-Wertes angepasst hat.(Erläuterungen zu „Toleranzbereich“ siehe hier) |
Abb. Mat. IX-5
Nutzung von Schwefelverbindungen bzw. Schwefel durch Schwefelbakterien (verändert u. vereinfacht nach versch. Internetquellen, z.B. Schneider, R. (Diss.2007) Biologische Entschwefelung von Biogas
Neben der Veredelung von Biogas in Methan ist dieses Gas auch aus unter folgenden Gesichtspunkten zu beachten:
- Es ist eines der Treibhausgase, die durch ihre Freisetzung zur Klimaveränderung beitragen (siehe hier).
- Die mit ihnen verbundenen Emissionen erfolgen u.a. durch das Auftauen von Permafrostböden. Die dadurch unter anaeroben Bedingungen stattfindende Zersetzung von totem organischen Material führt zur Methanbildung und -freisetzung.
- Im Sinne eines Rückkopplungsprozesses kommt es dadurch zur weiteren Klimaveränderung.
- Im Rahmen der Sicherung der Energieversorgung wird versucht, Methan in Bioreaktoren mithilfe angepasster Mikroorganismen Methan zu gewinnen (siehe Mat. XIII).
- Bisher wenig Beachtung finden Projekte, die die Methangewinnung aus tieferen Seen nutzen.
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Im Kontext mit der Methangewinnung und -nutzung gibt es noch weitere Beispiele. Im Folgenden werden andere Wege der Methangewinnung erläutert. Inwieweit dieses Verfahren weiter an Bedeutung gewinnen können, sei dahingestellt. |
| Wissenschaftler des Kirchhoff Instituts für Physik und der Umweltphysik an der Universität Heidelberg und das Kompetenzzentrum für Nachhaltige Entwicklung an der Universität Tübingen beschäftigen sich mit der folgenden Möglichkeit der Energiegewinnung durch Methan: Der Kivusee liege in Zentralafrika und gehört zu Ruanda und der Demokratischen Republik Kongo. Zu Entwicklung einer eigenen Industrie wird dieser See, der fünfmal so groß wie der Bodensee und 500 Meter tief ist, als Energiequelle genutzt. Aufgrund geologischer Gegebenheiten strömen aus den Gesteinsschichten in der Tiefe Gase mit einem hohen Gehalt an Methan, Kohlenstoffdioxid und Schwefelverbindungen in das Wasser. Man geht davon aus, dass sie dort vor allem aufgrund des hohen Druckes und einer sehr stabilen Schichtung eine Verweildauer von bis zu 1.000 Jahren haben. Man schätzt, dass bis zu 225 km3 CO2 und etwa 75 km3 Methan dort gelöst vorliegen. Nach der Förderung des Gasgemisches und seiner Bearbeitung, wird das gewonnene Methan in einem Gaskraftwerk genutzt, um Strom herzustellen. Bereits heute erzeugt Ruanda daraus ca. ein Drittel des benötigen Stroms. Einen grundsätzlich ähnlichen Ansatz zur Energiegewinnung durch Methan erforschen Wissenschaftler der Universität Basel, Departement Umweltwissenschaften: Wie in allen tieferen Binnengewässern sammelt sich in den tieferen Schichten bzw. am Grund tote organische Biomasse, die unter anaeroben Bedingungen abgebaut wird. Unter anderem entsteht dabei Kohlenstoffdioxid, Methan und Schwefelwasserstoff. Durch die Abbauprozesse toter organischer Substanz erhöht sich der Salzgehalt dieser Wasserschichten und sie sinken unter Zunahme des Druckes nach unten. Mehrere Millionen Tonnen Methan sind in diesen unteren Wasserschichten gespeichert. Die Wissenschaftler weisen darauf hin, dass alle größeren und tieferen See auf gleiche Art und Weise Methan speichern, auch in Europa. Es wird geschätzt, dass – theoretisch betrachtet – die weltweit in entsprechenden Seen gespeicherte Methanmenge ausreicht, um den globalen Energiebedarf zu decken. Quellen: https://www.deutschlandfunkkultur.de/methan-strom-aus-ruanda-energie-aus-dem-vulkansee.979.de.html?dram:article_id=499936 (Zugriff: 2021-09-01) https://www.unibas.ch/de/Aktuell/News/Uni-Research/Kohlenstoff-neutrale-Biotreibstoffe-aus-dem-See.html(Zugriff: 2021-09-01) https://www.dialog-energie.de/2019/09/10/energieerzeugung-am-kivu-see/ (Zugriff: 2021-09-01) https://www.sciena.ch/de/research/lake-kivu-danger-of-a-lethal-gas-eruption-is-not-increasing.html (Zugriff: 2022-09-07) https://biooekonomie.de/nachrichten/neues-aus-der-biooekonomie/wasserstoff-aus-biogas-erzeugen (Zugriff: 2022-06-22) |
 Abb. Mat. IX-6 Gase im Kivusee  Abb. Mat.IX-5 |
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