Substrat (Biogasanlage)

AlsSubstratoderBiogassubstratwird – in Anlehnung an dieMikro-undZellbiologie– der Rohstoff bezeichnet, der in einerBiogasanlagezur Erzeugung vonBiogasgenutzt wird. Gelegentlich wird auch der nicht exakt definierte BegriffGärsubstratbenutzt.

Maissilage, in Deutschland das häufigste Biogassubstrat, in der Zuführeinrichtung zum Biogasfermenter

Eigenschaften

Insbesondere stark wasserhaltigeBiomasse,die nicht direktthermisch verwertetwerden kann, eignet sich als Substrat. Biomasse, die reich anCellulose(z. B. Stroh) undLignocellulose(Holz) ist, ist für den mikrobiellen Abbau schlecht zugänglich und daher ohne vorherigen Aufschluss der Cellulose durchBioextrusionals Substrat zur Biogaserzeugung nicht geeignet.

Verwendung

In Biogasanlagen findet einanaerobermikrobieller Abbau (Fermentation) des Substrats statt. Das Substrat dient dabei als Nährstoff und Energiequelle für die Mikroorganismen. Das gasförmige Methan trennt sich vom flüssigen bis festen Substrat und kann beispielsweise in einemBlockheizkraftwerkzur Erzeugung von Strom und Wärme genutzt werden. Die Hauptbestandteile des Biogases,Methan(CH₄) undKohlendioxid(CO₂), sind zum einenStoffwechselabfälleder Mikroorganismen, zum anderen ist das energiereiche Methan das Hauptprodukt einer Biogasanlage. Der nach der Vergärung verbleibende flüssige bis feste Anteil wird alsGärrestbezeichnet und kann als nährstoffreicher organischer Dünger genutzt werden, soweit keine erhöhte Belastung mit Schadstoffen oder Krankheitskeimen vorliegt.

Häufig werden neben einem Hauptsubstrat weitere Rohstoffe eingesetzt, die alsCosubstratcofermentiert werden. Insbesondere bei Biogasanlagen, die hauptsächlich mitGüllebetrieben werden, können Cosubstrate wieFettabscheiderrückständeeinen großen Anteil des Methanertrags liefern.

Substrate der Biogaserzeugung

Vergleich vonBiogasrohstoffen

Material	Biogasertrag in m3pro Tonne Frischmasse	Methan- gehalt
Maissilage	202	52 %
Grassilage	172	54 %
Roggen-GPS	163	52 %
Zuckerrüben- Pressschnitzel siliert	125	52 %
Futterrübe	111	51 %
Bioabfall	100	61 %
Hühnermist	80	60 %
Schweinemist	60	60 %
Rindermist	45	60 %
Getreideschlempe	40	61 %
Schweinegülle	28	65 %
Rindergülle	25	60 %

Um die Abrechnung für Biogas-Rohstoffe zwischen dem anbauenden Landwirt und der abnehmenden Biogasanlage korrekt durchzuführen, wird bei den Ausgangsmaterialien (hier: Maishäcksel) die Trockenmasse bestimmt

In Biogasanlagen werden sowohlnachwachsende Rohstoffe(Nawaro) als auch Rückstände aus der Tierhaltung sowiebiogene Abfälleals Substrat verwendet.

Prinzipiell eignen sich fast alle Stoffe organischer Herkunft zur Vergärung in Biogasanlagen. Je weniger Wasser und anorganische Substanz und je mehr leicht abbaubare Substanzen wie Fette, Proteine und Kohlenhydrate im Substrat sind, desto mehr Methan kann potentiell daraus entstehen. Faserhaltige Substrate mit schwer abbaubaren Kohlenstoffverbindungen wie Lignocellulosen (Holz) sind ungeeignet, da sie fast ausschließlich und sehr langsam von aeroben Pilzen abgebaut werden. Um das Gasbildungspotential abzuschätzen, wird die Methanausbeute auf den organischen Anteil der getrockneten Inputmasse bezogen.

Nachwachsende Rohstoffe

Bei Biogasanlagen, die nachwachsende Rohstoffe vergären, sieht dasErneuerbare-Energien-Gesetzneben einer festen Einspeisevergütung (EEG-Vergütung) zusätzlich einenNawaro-Bonusfür den eingespeisten Strom vor. Dadurch wird der Anbau vonEnergiepflanzenfür die Verwendung als Substrat attraktiv. Mais, Ganzpflanzensilage, Zuckerrüben und Grassilage zählen zu den am häufigsten eingesetzten Substraten. Einige Energiepflanzen (z. B.Sonnenblume) werden vereinzelt oder regional eingesetzt. Die Eignung zahlreicher weiterer Energiepflanzen als Substrat wird derzeit erprobt.

Mais

Maisist der bedeutendste Nachwachsende Rohstoff in der Biogaserzeugung. Gründe sind die hohen Hektarerträge, die durch die Zucht von sogenanntemEnergiemaisnoch weiter verbessert werden sollen, die effiziente Ernte mitFeldhäckslernund die gute Lagerbarkeit alsMaissilage.Zudem ist er gut in die Biogasanlage einbringbar, gut abbaubar durch einen hohen Stärkegehalt und enthält keine langen Fasern, die die Anlagentechnik stören könnten. Der Einsatz erfolgt ganzjährig als Maissilage.

Ganzpflanzensilage

Ein Substrat mit zunehmender Bedeutung istGanzpflanzensilage(GPS), vor allem ausRoggenundTriticale.Die Erträge anTrockenmassepro Hektar sind rund 20 % geringer als bei Mais. Durch den Anbau einer Folgefrucht, wie beispielsweiseHirse,können die Erträge pro Hektar und Jahr noch deutlich erhöht werden. Bei frühzeitiger Ernte von Winterroggen als sogenannterGrünroggenist auch ein anschließender Anbau von Mais möglich.

Zuckerrübe

MitZuckerrübenkönnen hohe Hektarerträge erzielt werden. Zudem ist die Abbaubarkeit in Biogasanlagen gut. Problematisch sind Erdanhaftungen an der Rübe, die den Betrieb der Biogasanlage stören können. Eine Lagerung der Zuckerrübe ist nur bis zum Frühjahr möglich, da ein Konservieren durchsilierennicht durchführbar ist.

Grassilage

Häufig wird in Biogasanlagen ein geringer Anteil anGrassilageeingesetzt. Die enthaltenen langen Fasern erfordern eine geeigneteRührtechnik.Neben Gras von landwirtschaftlichen Flächen ist auchGrünschnittaus der Landschaftspflege verfügbar. Vor allem für viehlos wirtschaftende Betriebe desökologischen Landbauskann die Verwertung vonKleegrassilageattraktiv sein, da damit eineGründüngungdirekt erlösbringend verwertet wird und gleichzeitig mit dem Gärrest ein zeitlich flexibel einsetzbarer Dünger gewonnen wird.

Rückstände der Tierhaltung

In den frühen landwirtschaftlichen Biogasanlagen wurdeGülleals Hauptsubstrat eingesetzt. Sie fällt inviehhaltenden Betriebenan und steht in der Regel kostenlos zur Verfügung. Schwer verdauliche Anteile des Viehfutters geben der Gülle noch ein gewisses Gaspotential. Weitere Argumente für die Vergärung von Gülle ist die Verringerung der Geruchsemissionen von Gülle durch die Vergärung. Zudem ist sie ein wichtiges Cosubstrat in pflanzenvergärenden Anlagen, da sie durch ihre hohePufferkapazitätdie bei der Vergärung ablaufenden Prozesse stabilisiert und liefert Stickstoffverbindungen (Ammonium: NH₄⁺) undSpurenelemente,die die Aktivität und das Wachstum der Mikroorganismen optimieren. Zu beachten ist, dass eine Kontamination der Gülle mitAntibiotikaund Desinfektionsmitteln aus der Viehhaltung die mikrobiologische Aktivität imFermenterhemmen können. FürMistgilt ähnliches wie für Gülle. Die festere Konsistenz erfordert eine andere Rührtechnik im Fermenter, andererseits ist auch die Vergärung im Verfahren derTrockenfermentationmöglich. Das enthaltene Stroh liefert keinen nennenswerten Beitrag zur Gasausbeute, da es vor allem aus Cellulose besteht, die in herkömmlichen Biogasanlagen kaum abgebaut wird.

Durch eine sachgerechte Vergärung von Mist und Gülle können die Emissionen des stark klimaschädlichen Methans aus der Tierhaltung reduziert werden, zudem wirkt sich das Substrat anders als Einsatzstoffe aus Nachwachsenden Rohstoffen nicht auf dieFlächenkonkurrenzim Ackerbau aus. Daher ist in der seit 2009 gültigen Fassung desErneuerbare-Energien-Gesetzes(EEG) eine Bonuszahlung festgelegt („Güllebonus “). Diese wird gezahlt für Strom aus kleineren Biogasanlagen, die mit Gülle als Substrat betrieben werden. Zudem wird Gülle im Sinne des EEG zu den Nachwachsenden Rohstoffen gezählt, so dass für Strom aus güllebetriebenen Biogasanlagen auch der „Nawaro-Bonus“gezahlt wird. Mit einem Ausbau derartiger Anlagen aufgrund der Bonusregelung wurde 2008 vomFachverbandBiogas gerechnet.

Der Gasertrag pro Tonne Gülle ist, unter anderem wegen ihres hohen Wasseranteils, viel geringer als der Ertrag der meisten anderen Substrate. Bei gegebener Anlagenleistung muss daher mehr Gärraum als z. B. bei Mais als Substrat vorgesehen werden, zudem ist Gülle als Gärsubstrat nur wenigtransportwürdig.Bei unbehandelter Gülle ist der Transport als Substrat in der Regel nur über wenige Kilometer wirtschaftlich. Erste Projekte zurGülleseparierung,bei der nur der für die Gärung relevante Anteil der Gülle als Substrat verwendet wird, werden durchgeführt.

Organische Reststoffe

Reststoffe der Agrarindustrie

Bei der Verarbeitung landwirtschaftlicher Produkte fallen Reststoffe an, die sich zur Biogaserzeugung eignen. Das sind beispielsweise

• Trester (Pressrückstände),
• Treber(ausgelaugte Malzrückstände aus der Bierherstellung),
• Schlempen(Destillationsrückstände),
• Pülpen,z. B. Kartoffelpülpe (Rückstände der Stärkegewinnung aus Kartoffeln).

Die Gaserträge pro TonneFrischmassesind bei den verschiedenen Reststoffen sehr unterschiedliche, korrelieren aber stark mit dem Gehalt anTrockensubstanz.Die Reststoffe gelten nicht als Nachwachsende Rohstoffe im Sinne des EEG. Sie dürfen jedoch in Biogasanlagen eingesetzt werden, die Nachwachsende Rohstoffe zur Stromproduktion vergären, ohne denNawaro-Bonusder gesamten Anlage zu gefährden.

Abfälle

Verschiedene Arten biogener Abfälle wie

• Speisereste,
• Magen- undPanseninhaltvon Schwein und Rind,
• Fettabscheiderrückständeaus Großküchen und Gastronomie,
• Bioabfälle

und anderes sind in Biogasanlagen verwertbar. Häufig fallen sie unregelmäßig an und werden daher als Cosubstrat eingesetzt. BestimmteHygienisierungschrittesind gesetzlich vorgeschrieben. Bioabfälle werden wegen des hohen Trockensubstanzgehalts meist in Trockenfermentationsanlagen verwertet. Häufig schwanken die Vergärungseigenschaften von Bioabfällen stark, so dass die Prozessführung relativ anspruchsvoll ist. In Anlagen, die den Nawaro-Bonus erhalten, dürfen keine Abfälle eingesetzt werden. In der Regel erhält der Anlagenbetreiber vom Substratlieferanten eine Vergütung für die Verwertung der Abfälle.

Sonstige Substrate

Viele andere Substrate werden derzeit auf ihre Eignung zur Biogaserzeugung untersucht, beispielsweise umMonokulturenzu vermeiden oder um durch bestimmteFruchtfolgenhöhere Erträge zu erzielen.Auch Reststoffe aus der industriellen Verarbeitung von Biomasse, wie beispielsweise aus der Papierindustrie, werden auf ihre Eignung als Substrat untersucht. Beschränkend kann die Technik und die rechtliche Einteilung der Biogasanlage sein. Da die Mikrobiologie einer Biogasanlage längere Zeit benötigt, um sich auf ein Substrat einzustellen, kann die kurzfristige und kurzzeitige Verwendung eines neuen Substrats problematisch sein.

Literatur

• Handreichung Biogasgewinnung und -nutzung.Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR),ISBN 3-00-014333-5,fnr-server.de(PDF)
• Text desErneuerbare-Energien-Gesetz – EEG 2017
• Analyse und Bewertung der Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse,Wuppertal-Institut;abgerufen am 16. Juli 2011.