Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Vor dem Hintergrund der Anstrengungen der Europ\u00e4ische Union die Verdoppelung des Anteils erneuerbarer Energien an der Energiebereitstellung auf 12 % bis zum Jahr 2010 (Referenzjahr: 1995) zu realisieren, soll der Anteil der Biomasse \u00fcberdurchschnittlich wachsen. Durch die Auflage des Marktanreizprogramms zur F\u00f6rderung von Ma\u00dfnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien (MAP) im Jahr 1999 und das Inkrafttreten des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) am 1. April 2000 wurden in der Bundesrepublik Deutschland Instrumente geschaffen, die der Umsetzung der europ\u00e4ischen Zielvorgaben dienen. Notwendig ist in diesem Zusammenhang somit eine Gesamtbewertung der sich abzeichnenden Trends hinsichtlich Fertigung und Errichtung von Biogasanlagen und Komponenten. Das Projekt hat folglich das Ziel, einen Einblick in verschiedene Bereiche der Biogastechnologie zu vermitteln. Unter Ber\u00fccksichtigung der aktuellen Potenziale an organischen Stoffstr\u00f6men und verschiedener Technikoptionen wird versucht, anhand repr\u00e4sentativer und praxisnaher Beispiele technische und wirtschaftliche M\u00f6glichkeiten sowie Grenzen der Biogasgewinnung und -nutzung in Deutschland darzustellen. Hierdurch soll einem Informationsbed\u00fcrfnis in der \u00d6ffentlichkeit Rechnung getragen werden. Des Weiteren soll eine Datenbasis geschaffen werden, die f\u00fcr potenzielle Investoren, Betreiber, Planer und Genehmigungsbeh\u00f6rden bei Entscheidungen bez\u00fcglich der Realisierung und des Betriebs von Biogasanlagen hilfreich sein kann. Die erarbeiteten Informationen werden anschlie\u00dfend der interessierten \u00d6ffentlichkeit zug\u00e4nglich gemacht.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie nachfolgend zusammengestellten Arbeitsschritte wurden im Rahmen dieses Projektes realisiert.
\n–\tErhebung und Charakterisierung der in Deutschland zur Verf\u00fcgung stehenden Substrate auf der Ebene einzelner Bundesl\u00e4nder.
\n–\tZusammenstellung des aktuellen Standes der Technik landwirtschaftlicher Biogasanlagen durch praxisnahe Recherchen u. a. bei Anlagenherstellern und -betreibern.
\n–\tDarstellung des Standes der Nutzung von Biogas in Deutschland und in der EU.
\n–\tProzesstechnische Analyse zur Darstellung nutzbarer technischer bzw. systemtechnischer Kenngr\u00f6\u00dfen
\n–\t\u00d6konomische Analyse verschiedener Substrat-Anlagenkonfigurationen und Parametervariationen
\n–\t\u00d6kologische Analyse anhand der Erarbeitung von<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Potenziale
\nDie im wesentlichen im landwirtschaftlichen Sektor bestehenden technischen Potenziale der Biogasgewinnung in Deutschland sind beachtlich und energiewirtschaftlich relevant. Die Potenzialnutzung erfolgt dagegen derzeit noch auf einem nur sehr geringen Niveau von etwa 5%. Die im Rahmen der vorliegen-den Arbeit erhobenen Potenziale an nutzbaren Abfall- und Reststoffen betragen f\u00fcr die gesamte Bundesrepublik etwa 182 Mio. t. Der Anteil der Exkremente aus der Landwirtschaft ist mit etwa 75 % am h\u00f6chsten. Durch energetische Umsetzung des daraus gewinnbaren Biogases ergibt sich ein Stromerzeugungspotenzial von rund 20 TWh pro Jahr (abz\u00fcglich Eigenverbrauch der Anlagen). Hierbei resultiert der gr\u00f6\u00dfte Anteil aus den nachwachsenden Rohstoffen mit etwa 42 % und aus den tierischen Exkrementen mit etwa 41 %.
\nStand der Technik
\nDie zur Erschlie\u00dfung dieser Potenziale eingesetzte Anlagentechnik hat sich in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt und ist verl\u00e4sslicher sowie betriebssicherer geworden. Damit dieser Trend in den n\u00e4chsten Jahren weiter anh\u00e4lt, sind jedoch weitere technische Fortschritte notwendig. Bei der Errichtung von Biogasanlagen ist eine deutliche Tendenz zur standardisierten Fabrikation und Montage erkennbar. Die Nutzung von Einrichtungen im Bestand sowie Eigenleistungen der Betreiber werden zunehmend durch den Einsatz von vorgefertigter Elemente verdr\u00e4ngt. Diese Entwicklungen trugen zur Erh\u00f6hung der Investitionen f\u00fcr Biogasanlagen bei. Mittelfristig ist – g\u00fcnstige Rahmenbedingungen vorausgesetzt – davon auszugehen, dass sich der Einsatz besserer Technik Effizienz steigernd und somit auch kostensenkend auswirkt. Abschlie\u00dfend kann geschlussfolgert werden, dass die in Biogasanlagen zum Einsatz kommende Verfahrens- und Energieerzeugungstechnik trotz bestehender Optimierungspotenziale grunds\u00e4tzlich sowie weitestgehend ausgereift sowie praktikabel ist.
\nStand der Nutzung
\nSeit dem Start des Marktanreizprogramms und dem Inkrafttreten des EEG stieg die Anzahl der Biogasanlagen ausgehend von etwa 850 in Betrieb befindlichen Anlagen zum Ende des Jahres 1999 auf \u00fcber 1700 Anlagen im Sommer 2003. Hinsichtlich der Anlagenleistung ist ein deutlicher Trend hin zu gr\u00f6\u00dferen Leistungsbereichen erkennbar: Die durchschnittlich installierte elektrische Leistung pro Anlage betrug Ende 1999 etwa 53 kW. Dies ergab zum damaligen Zeitpunkt eine elektrische Gesamtleistung f\u00fcr alle Anlagen in Deutschland von etwa 45 MW. F\u00fcr die seit 1999 neu errichteten Anlagen wurde eine mittlere Leistung von etwa 150 kW ermittelt. Mitte 2003 wird somit von einer durchschnittlichen elektrischen Leistung von \u00fcber 100 kW und einer daraus resultierenden Gesamtleistung der Biogasanlagen in Deutschland von \u00fcber 175 MW ausgegangen. Daraus resultiert f\u00fcr Biogasanlagen in Deutschland eine erzeugte Strommenge von etwa 1,1 TWh\/a Strom und eine erzeugte W\u00e4rmemenge von etwa 6,5 bis 7,0 PJ\/a. Im Jahr 2002 wurde in der Europ\u00e4ischen Union Biogas mit einem Gesamtenergieinhalt von etwa 31,1 TWh (inklusive Deponie- und Kl\u00e4rgas) produziert. Das entspricht rund 2,1 Mrd. Kubikmeter Biogas. Vom gesamten gewonnenen Biogas wird nicht einmal die H\u00e4lfte zur Produktion von Energie in Form von Strom, W\u00e4rme oder auch Kraftstoffen eingesetzt. Der Rest wird aus Mangel an wirtschaftlichen Alternati-ven \u00fcber Notfackeln verbrannt. Es wird davon ausgegangen das 2002 europaweit etwa 12 TWh Energie aus Biogas (inklusive Kl\u00e4r- und Deponiegas) produziert wurden. Hinzu kommt noch die Energiemenge die in einzelnen Staaten bereits als Fahrzeugtreibstoff genutzt wird.
\nProzesstechnische Analyse
\nEine zentrale Problematik f\u00fcr zuk\u00fcnftige Forschungs- und Entwicklungsaktivit\u00e4ten sollte die Untersuchung der Vorg\u00e4nge des eigentlichen mikrobiologischen G\u00e4rprozesses und der dran beteiligten Mikroorganismen sein. Nur auf der Basis dabei gewonnener Erkenntnisse kann es zuk\u00fcnftig gelingen diese Abl\u00e4ufe transparenter sowie verst\u00e4ndlicher zu machen und somit f\u00fcr die Prozessf\u00fchrung zu nutzen. Oft fehlen hierzu wiederum einfach umzusetzende Regelkonzepte und kosteng\u00fcnstige Messeinrichtungen auf der Basis einiger, problemlos erfassbarer Gr\u00f6\u00dfen. Die Etablierung weiterer L\u00f6sungsans\u00e4tze auf dem Gebiet der Optimierung von Biogasanlagen und hier besonders bei der \u00dcberwachung, Steuerung, Regelung und Bilanzierung von G\u00e4rprozessen sind somit unumg\u00e4nglich. Die gilt in \u00e4hnlicher Weise hinsichtlich der Charakterisierung und Bewertung von Verfahren, Anlagen und Prozessen der Biogastechnik. Prinzipiell existieren eine Anzahl geeigneter Parameter und Kenngr\u00f6\u00dfen, die belastbare Aussagen hin-sichtlich der Qualit\u00e4t bzw. Effizienz von Biogasanlagen liefern k\u00f6nnen. Jedoch nur unter gleichzeitiger Verwendung von auslegungs- bzw. anlagentechnischen sowie prozesstechnischen Kenngr\u00f6\u00dfen ist es m\u00f6glich sinnvolle Bewertungen vorzunehmen und geeignete MSR- Techniken zu gestalten.
\n\u00d6konomische Analyse
\nDie Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen erfordert die Einbeziehung diverser Rand- und Rahmenbedingungen und h\u00e4ngt von diversen Einzelfaktoren bzw. deren Interpretation ab. Prinzipiell h\u00e4ngt die Wirtschaftlichkeit verschiedener Anlagenkonfigurationen von der Qualit\u00e4t und der Quantit\u00e4t der eingesetzten G\u00e4rsubstrate bzw. Substratgemische ab. Anhand der daraus resultierenden Leistungsf\u00e4hig-keit einer Anlage ist die erste \u00f6konomische Einsch\u00e4tzung des Anlagenbetriebs m\u00f6glich. Im Leistungsbereich um 150 kW installierter elektrischer Leistung erreichen bzw. \u00fcberschreiten unter den derzeit vorliegenden Rahmenbedingungen die meisten Anlagenkonfigurationen die Schwelle zum wirtschaftlichen Betrieb. Dies gilt z.B. f\u00fcr die Monoverg\u00e4rung von Rinderg\u00fclle sowie die Koverg\u00e4rung von hygienisch unbedenklichen Reststoffen von au\u00dferhalb der Landwirtschaft. Hier ist ein wirtschaftlich darstellbarer Betrieb bei Anlagenleistungen ab etwa 170 kW m\u00f6glich. Anlagen zur Koverg\u00e4rung von nachwachsenden Rohstoffen erreichen diese Schwelle in Leistungsbereichen um ca. 650 kW installierter elektrischer Leistung. Dies resultiert zuerst aus den hohen Bereitstellungskosten f\u00fcr nachwachsende Rohstoffe. Dahingegen erreichen Anlagen die hygienisch bedenkliche Rest- und Abfallstoffe als Kosubstrat einsetzen die Schwelle zur Wirtschaftlichkeit bereits in Leistungsklassen von etwa 100 kW. Relativ hohe Gasausbeuten der Substrate sowie einzuwerbende Entsorgungserl\u00f6se sind die Ursache daf\u00fcr. Grunds\u00e4tzlich ist es m\u00f6glich den Betrieb von Anlagen die knapp unterhalb der Wirtschaftlichkeit arbeiten durch die gezielte Modi-fikation einzelner oder besser mehrerer Anlagenparameter wirtschaftlich zu gestalten. Hierzu z\u00e4hlen besonders die Absenkung der Anlageninvestitionen bzw. Betriebskosten, der Substratbereitstellungskosten sowie die Erh\u00f6hung der Biogasausbeuten der Substrate und der elektrischen Wirkungsgrade von BHKW. Des Weiteren sind die genaue Erfassung der anfallenden W\u00e4rmenergie und die verst\u00e4rkte Erschlie\u00dfung von M\u00f6glichkeiten zu deren Nutzung unerl\u00e4sslich, um die Wirtschaftlichkeit der Anlagen und nicht zuletzt auch die Akzeptanz der gesamten Technologie entscheidend zu steigern.
\n\u00d6kologische Analyse
\nHinsichtlich der Untersuchung ausgew\u00e4hlter Umwelteffekte der energetischen Nutzung von Biogas zeigen die Ergebnisse, dass diese sp\u00fcrbar zur Reduktion der energiebedingten Klimagasfreisetzungen und zur Einsparung von fossilen Energietr\u00e4gern beitragen kann. Biogas weist im Vergleich mit weiteren Optionen der Stromerzeugung die geringsten Emissionen an klimawirksamen Substanzen sowie den geringsten Verbrauch an fossilen Energietr\u00e4gern auf. Im Hinblick auf die Emissionen an versauernd wirkenden Gasen stellt eine Nutzung von Biogas jedoch eine Option dar, die durch vergleichsweise hohe Emissionen gekennzeichnet ist. Die Ergebnisse der \u00d6kobilanz der Biogasnutzung werden wesentlich von den Werten f\u00fcr die Emissionen bei der Lagerung und Ausbringung von vergorener G\u00fclle im Vergleich zu unvergorener G\u00fclle bestimmt.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
In der Ausgabe des Magazins Erneuerbare Energien (Ausgabe 11\/02) wurde ein Artikel publiziert, der die Ergebnisse des Zwischenberichts in komprimierter Form wiedergibt. Der Ergebnisse des Zwischenberichtes werden im Verlauf Projektes im Rahmen verschiedener Veranstaltung vorgetragen bzw. vorgestellt. Den Auftakt bildeten z. B. die Veranstaltung Fachgespr\u00e4ch – Biogasm\u00e4rkte der Zukunft (C.A.R.M.E.N. e. V. in Straubing) und die VDI-Tagung Biogas- Energietr\u00e4ger der Zukunft in Leipzig . bereits w\u00e4hrend der Projektlaufzeit wurden Teilergebnisse aus dem Zwischenbericht mehrfach zitiert.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die im wesentlichen im landwirtschaftlichen Sektor bestehenden technischen Potenziale der Biogasgewinnung in Deutschland sind beachtlich und energiewirtschaftlich relevant. Die Potenzialnutzung erfolgt bisher jedoch auf einem nur sehr geringen Niveau. Die in Biogasanlagen zum Einsatz kommende Verfahrens- und Energieerzeugungstechnik ist trotz bestehender Optimierungspotenziale grunds\u00e4tzlich und weitestgehend ausgereift sowie praktikabel. Mittelfristig ist davon auszugehen, dass der Einsatz hochwertigerer Technik sp\u00fcrbar zur Steigerung der Effizienz von Biogasanlagen beitragen wird und somit kostensenkend wirkt. Unter der Voraussetzung stabiler wirtschaftlicher und rechtlicher Rand- und Rahmenbedingungen wird sich der Anlagenbestand in Deutschland und Europa nach derzeitigen Absch\u00e4tzungen kontinuierlich und auf einem stabilem Niveau weiter nach oben entwickeln. Die durchschnittlich installierte Leistung pro Anlage wird damit einhergehend ebenfalls weiter steigen. Eine zentrale Problematik f\u00fcr zuk\u00fcnftige Forschungsaktivit\u00e4ten bleibt die Untersuchung der Vorg\u00e4nge des eigentlichen mikrobiologischen G\u00e4rprozesses und der dran beteiligten Mikroorganismen. Ziel hierbei ist die Entwicklung geeigneter Steuerungs- und Regelkonzepte mittels kosteng\u00fcnstiger Messeinrichtungen auf der Basis weniger, problemlos erfassbarer Gr\u00f6\u00dfen. Prinzipiell h\u00e4ngt die Wirtschaftlichkeit verschiedener Anlagenkonfigurationen von der Qualit\u00e4t und der Quantit\u00e4t der eingesetzten G\u00e4rsubstrate bzw. Substratgemische ab. Im Leistungsbereich um 150 kW installierter elektrischer Leistung erreichen bzw. \u00fcberschreiten unter den derzeit vorliegenden Rahmenbedingungen die meisten Anlagenkonfigurationen die Schwelle zum wirtschaftlichen Betrieb. Eine Ausnahme hiervon stellt aufgrund der hohen Bereitstellungskosten f\u00fcr die Substrate die Koverg\u00e4rung nachwachsender Rohstoffe dar. Grunds\u00e4tzlich ist es m\u00f6glich den Betrieb von Anlagen die knapp unterhalb der Wirtschaftlichkeit arbeiten durch die gezielte Modifikation einzelner oder besser mehrerer Anlagenparameter wirtschaftlich zu gestalten. Die energetischen Nutzung von Biogas tr\u00e4gt sp\u00fcrbar zur Reduktion der energiebedingten Klimagasfreisetzungen und zur Einsparung von fossilen Energietr\u00e4gern bei. Im Vergleich mit weiteren Optionen der Stromerzeugung weist die Biogasgewinnung die geringsten Emissionen an klimawirksamen Substanzen auf. Im Hinblick auf die Emissionen an versauernd wirkenden Gasen ist sie durch vergleichsweise hohe Emissionen gekennzeichnet. Die augenscheinlichsten Fragestellungen f\u00fcr die nahe Zukunft werden im Umgang mit den G\u00e4rresten und der effektiveren Nutzung der im KWK-Prozess anfallenden W\u00e4rme gesehen.
\nUngeachtet der mittelfristig noch zu l\u00f6senden Probleme stellt die Gewinnung und Nutzung von Biogas schon jetzt eine ausgereifte und marktg\u00e4ngige Technologie dar. Sie ist als eine vielversprechende Option zur Nutzung regenerativer Energien anzusehen, die in den n\u00e4chsten Jahren verst\u00e4rkt zu einer nachhaltigen Energiebereitstellung sowie zur Senkung der Emission von Treibhausgasen wird beitragen k\u00f6nnen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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