Biomethan

Der Begriff Biomethan - oder auch Bioerdgas - bezeichnet Methan, welches biogenen Ursprungs und Bestandteil von Biogas ist.

Die Herstellung von Biomethan besteht aus einem komplexen Ablauf von Verfahrensschritten. Auf dem Weg von der Biomasseerzeugung bis zur Anwendung des eingespeisten Biomethans spielen viele Einflussfaktoren eine Rolle – gleichzeitig sind verschiedenste Akteure daran beteiligt.

Wertschöpfungskette der Biomethanherstellung

Die Biogaseinspeisung bietet Wertschöpfung auf vielen Stufen: Biomasseproduktion, Logistik, Biogaserzeugung, Biogasaufbereitung, Einspeisung sowie Verkauf und Handel. Auf jeder der genannten Wertschöpfungsstufen bestehen Optimierungspotenziale technischer und wirtschaftlicher Natur. Zur Ausschöpfung dieser Potenziale wird branchenspezifisches Know-how gebraucht.

Da Biogas grundsätzlich aus allen organischen Verbindungen (Biomasse) erzeugt werden kann, ist die genutzte Biomasse entsprechend vielfältig. Die Biomasse wird zum einen von Landwirten durch den Anbau geeigneter Pflanzen erzeugt. Zum anderen werden biogene Reststoffe genutzt. Die Biomasse zur Verwendung in Biogasanlagen wird auch als Substrat bezeichnet. Bei der Nutzung von Reststoffen als Substrat kommt jedes verfügbare organische Material in Frage. Von besonderer Bedeutung sind hierbei insbesondere Gülle, Bioabfall und Klärschlamm, da diese als Abfallprodukte in großen Mengen günstig zur Verfügung stehen.

Energiepflanzen
Unter Energiepflanzen versteht man Pflanzen, die speziell zur Erzeugung von Energie angebaut  werden. Als Energiepflanzen eignen sich schnell wachsende Pflanzen mit einer hohen  Photosyntheserate unter Berücksichtigung der lokalen Umweltgegebenheiten. In Mitteleuropa finden vor allem Mais, Raps und Roggen Anwendung. In einigen tropischen Ländern ist der Anbau von Zuckerrohr als Energiepflanze weit verbreitet.

Energiepflanzen für die Biogaserzeugung
Für den Einsatz in Biogasanlagen ist Mais aufgrund der hohen Flächeneffizienz und der Synergien bei der Gewinnung von Futtermitteln besonderes gut geeignet, jedoch können auch Getreide (z. B. Roggen) und/ oder Grasschnitt verwendet werden. Die Wahl der eingesetzten Pflanzen ist von Region zu Region unterschiedlich und sollte den lokalen Bedingungen angepasst werden. Hierbei ist unter anderem darauf zu achten, dass es nicht zu negativen ökologischen Folgeerscheinungen durch die
veränderte Bodennutzung kommt.

Bei der Logistik der Biomasse ist aus energetischen und wirtschaftlichen Gründen auf die Vermeidung von langen Lieferwegen des Substrats zur Biogasanlage zu achten. Da die Biomasse nur während kurzer Perioden im Jahr geerntet wird, setzt dies eine gut geplante Logistikkette voraus.

Prinzipiell unterscheidet man zwischen Konzepten mit dezentraler und zentraler Lagerung:

Auf dezentrale Lagerung wird meist dann zurückgegriffen, wenn in näherer Umgebung der Biogasanlage bereits ausreichend Kapazitätenfür die Lagerung der für das Jahr benötigten Biomasse vorhanden sind. Die Biomasse wird dann kontinuierlich (just in time) an die Anlage geliefert. Dadurch wird eine hohe Auslastung der Transportmittel erreicht, da das entstehende trockene Gärsubstrat als Rückfracht abtransportiert werden kann. Jedoch ist der personelle Aufwand relativ hoch, da mehrmals wöchentlich angeliefert werden muss.

Das zweite Konzept ist die zentrale Lagerung der Biomasse an der Biogasanlage. Als Vorteil hierbei sind vor allem die konstante Silagequalität und der geringere Logistikaufwand zu nennen. Jedoch werden höhere Investitionskosten fällig, da Lagerkapazitäten geschaffen werden müssen. Durch Verminderung der Silierverluste um ca. zehn Prozent können jedoch Kostenreduktionen bei der zentralen Lagerung gegenüber der dezentralen Lagerung von zwei Euro pro Tonne Silage erreicht werden. Die Wahl der Transportmittel ist abhängig von der Entfernung der Anbaufläche zur Biogasanlage. Bei kurzen Distanzen ist der Transport mit Schleppern günstiger, da nicht extra nach dem Häckseln verladen werden muss. Bei größeren Entfernungen kann das Umladen auf LKWs günstiger sein.

Rohbiogas
Rohbiogas entsteht bei der Vergärung von Substraten biologischen Ursprungs. Dies geschieht in  sogenannten Fermentern. In diesen befinden sich Mikroorganismen, die Biogas als Stoffwechselprodukt
erzeugen. Die bei der Vergärung ablaufenden Prozesse sind sehr komplex und bis heute immer noch nicht vollständig bekannt. Verschiedene Forschungsprojekte beschäftigen sich mit diesem Thema. Zur  Optimierung des Prozessablaufs ist die eingesetzte Mess- und Regeltechnik entscheidend.

Das Rohbiogas besteht zu 45 bis 70 Prozent aus Methan (CH4). Der zweitgrößte Bestandteil mit ca. 25 bis 50 Prozent ist Kohlenstoffdioxid (CO2). Des Weiteren entstehen geringe Anteile von Schwefelwasserstoff (H2S), Ammoniak (NH3) und Wasserdampf (H2O). Fossiles Erdgas besteht je nach Klasse zu 85 bis 98 Prozent aus Methan. Um eine konstante Qualität des im Gasnetz vorhandenen Gases zu gewährleisten, ist eine Erhöhung des Methangehalts des Rohbiogases nötig.

Methanerträge
Der brennbare und damit relevante Teil des Biogases ist das Methan. Demzufolge sollte die im Biogas prozentual enthaltene Methanmenge möglichst groß sein. Die Methanerträge unterscheiden sich hauptsächlich durch das eingesetzte Substrat. Durch die Optimierung der Anlagentechnik für das jeweilige Substrat und durch Einsatz moderner Mess- und Regeltechnik lassen sich die Methanerträge noch steigern.

Vom Rohbiogas zum Biomethan
Das Rohbiogas kann durch verschiedene Verfahren auf Erdgasqualität aufbereitet werden. Der  wichtigste Schritt ist dabei die Erhöhung des Brennwerts durch die Abtrennung des im Rohbiogas enthaltenen CO2. Zusätzlich sind je nach Verfahren Prozesse zur Gastrocknung und zur Reinigung von Schwefelverbindungen und anderen Spurenstoffen notwendig. Die Reihenfolge der Einzelprozesse ist dabei vom gewählten Aufbereitungsverfahren abhängig. Darüber hinaus kann die Einspeisung in das Erdgasnetz eine zusätzliche Brennwertanpassung (z. B. durch Zugabe von Flüssiggas/LPG) sowie eine Odorierung des Biomethans notwendig machen. Aufgrund des umfangreichen apparativen Aufwands für eine Biogasaufbereitung und -einspeisung liegt der spezifische Investitionsaufwand in der Regel über der von Vor-Ort-Verstromungsanlagen. Für kleinere Biogasanlagen kann daher die  Zusammenführung des Rohbiogases aus verschiedenen Fermentationsanlagen zu einer gemeinsamen Biogasaufbereitung und -einspeisung eine Option darstellen.

Entschwefelung
Schwefelverbindungen können abhängig von der Substratzusammensetzung in zum Teil hohen Konzentrationen im Rohbiogas vorhanden sein. Häufig kommt Schwefel als Schwefelwasserstoff (H2S) vor. Andere Schwefelverbindungen sind im Parameter Gesamtschwefel betrachtet. Diese Spurenstoffe haben eine korrosive Wirkung und müssen daher aus dem Biogas entfernt werden. Andernfalls gefährden sie Anlagenteile und Gasverbrauchseinrichtungen. Bei den verfügbaren Verfahren unterscheidet man in Grob- und Feinentschwefelung entsprechend der Schwefelkonzentration
im Reingas.

Gastrocknung
Zur Trocknung von Biogas kommen vor allem adsorptive Verfahren und Kondensationsverfahren zur Anwendung.

Kondensationsverfahren
Wird Biogas gekühlt, kondensiert der darin enthaltene Wasserdampf. Das Wasser kann dem Prozess entnommen und abgeführt werden. Dieses Verfahren wird vor allem bei der Biogasnutzung in BHKW angewendet. Der mit diesem Verfahren erreichte Feuchtegehalt ist in der Regel nicht ausreichend, um
die Anforderungen nach DVGW G260 und G262 zu erreichen. Daher muss das Kondensationsverfahren in der Regel um ein weiteres Trocknungsverfahren ergänzt werden.

Adsorptive Gastrocknungsverfahren
Das adsorptive Trocknungsverfahren basiert darauf, dass sich Wasserdampf an bestimmte Stoffe anlagert (z. B. Molekularsieben, Kieselgelen oder Aluminiumoxiden). Diese Stoffe werden
in einem Festbettadsorber in den Prozess eingebracht und entziehen dem umströmenden Biogas dabei das Wasser. Das Trocknungsmittel muss nach der Adsorption regeneriert werden. Soll die Biogasanlage kontinuierlich ins Netz einspeisen, müssen mindestens zwei getrennte Festbettadsorber verwendet werden. Dann kann jeweils ein Adsorber beladen werden während der andere sich in der Regenerierung befindet.

CO2-Abtrennung
Die Abtrennung von Kohlendioxid aus dem Rohbiogas ist notwendig, um den Brennwert des Gases zu erhöhen. Es kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz, wobei sich auf dem europäischen Markt vor allem die folgenden Verfahren durchgesetzt haben:

Die Netzeinspeisung ermöglicht die Nutzung von Biogas fern ab vom Erzeugungsort. Nach der Aufbereitung findet die Einspeisung im Wesentlichen über einen Kompressor statt, der das Druckniveau des Bioerdgases auf das der angeschlossenen Druckgasleitung anhebt. Voraussetzung für die Einspeisung ist, dass die Qualität des einzuspeisenden Biogases den Bestimmungen der Gasklasse vor Ort entspricht und die Abweichungen die zur Einhaltung der Qualitätsstandards zulässigen Grenzen
nicht überschreiten.

Bei der Einspeisung von Biomethan wird zwischen Austauschgas und Zusatzgas unterschieden. Der Unterschied liegt in der Qualität der Gase. Austauschgas hat dieselben qualitativen Standards wie herkömmliches Erdgas und kann dieses somit ersetzen. Zusatzgas ist in der Zusammensetzung dem Erdgas nicht äquivalent und kann deshalb nur zum Teil dem normalen Erdgas beigemischt werden. Je nach geografischer Herkunft unterscheiden sich die in Deutschland verfügbaren Erdgase. Dadurch ist auch der erforderliche Grad der Aufbereitung des Biomethans regional verschieden.

Qualitätsstandards
Erdgas wird in „Erdgas L (low)“ und „Erdgas H (high)“ unterschieden. Erdgas H hat einen höheren Brennwert als Erdgas L und wird hauptsächlich in den GUS-Staaten und in der Nordsee gefördert.
Erdgas L enthält ca. 89 Prozent brennbare Gase (hauptsächlich Methan, aber auch kleine Teile von Ethan, Propan, Butan und Pentan), während Erdgas H aus ca. 97 Prozent brennbaren Gasen besteht.

Der Transport und Verkauf des eingespeisten Biomethans kann über eine Biogas- oder  Erdgashandelsgesellschaft erfolgen. Dazu sind folgende Verträge abzuschließen:

Biogas-Bilanzkreisvertrag
Um das eingespeiste Biomethan im Gasnetz zu transportieren, muss die Handelsgesellschaft (der Transportkunde) einen Bilanzkreisvertrag mit dem Bilanzkreisnetzbetreiber abschließen. Der Netzbetreiber bilanziert die ein- und ausgespeisten Mengen in einem Bilanzkreis und rechnet etwaige Mehr- und Mindermengen mit dem Transportkunden ab.

Einspeisevertrag
Um die Zuordnung der eingespeisten Mengen zu einem Bilanzkreis zu regeln, schließt der Einspeiser einen Einspeisevertrag mit dem Einspeisenetzbetreiber. Im Einspeisevertrag werden die Qualitätsanforderungen des eingespeisten Gases geregelt

Ausspeisevertrag
Der Letztverbraucher schließt für die Entnahme von Gas am physischen Ausspeisepunkt einen Ausspeisevertrag mit dem Ausspeisenetzbetreiber. Die Kosten der Netznutzung unterscheiden
sich nicht vom Erdgastransport und werden vom Letztverbraucher unabhängig vom Ort der Einspeisung mit den Netznutzungsentgelten jeweils bis zum virtuellen Punkt bezahlt.

Der Biomethanhandel unterscheidet sich durch den Herkunftsnachweis vom klassischen Erdgashandel. Die in das Erdgasnetz eingespeisten Mengen Biomethan müssen mit den entsprechenden gesetzlich geforderten Eigenschaften (z. B. „aus NawaRo erzeugt“) von der Erzeugung bis zur Nutzung dokumentiert werden. Es handelt sich dabei um Eigenschaften, die sich im Wesentlichen aus den gesetzlichen Rahmenbedingungen ergeben.

Neben der Abwicklung des Transports und der Abrechnung hält der Händler ein Gasportfolio bereit. Er kauft Biogasmengen von verschiedenen Erzeugern ein und kann an verschiedene Abnehmer und Endverbraucher ausliefern. Zudem ist der Händler in der Lage, Lieferungen strukturiert als Band, Profil oder auch einmalige Spot-Lieferung anzubieten. Diese klassischen Strukturierungen werden im Biomethanmarkt zudem von qualitativen Strukturierungen begleitet: Aus den Herkunftsmerkmalen
ergeben sich eine Vielzahl möglicher Biomethanprodukte. Der Händler kann durch die Strukturierung dieser Merkmale individuelle Anforderungen bedienen, die sich aus den angestrebten Verwertungspfaden des Kunden ergeben.

Die erstellten Mengenbescheinigungen sind für Biomethankunden die Grundlage, um beispielsweise die Vergütungsansprüche gemäß EEG oder die Anrechenbarkeit im Rahmen des EEWärmeG nachzuweisen.

Zur Vereinheitlichung dieses Herkunfts- und Eigenschaftsnachweises steht seit Anfang 2011 das Biogasregister Deutschland bereit. In dem System können Produzenten, Händler und Verbraucher von Biomethan ihre eingespeisten Mengen dokumentieren. Mit dem dabei verwendeten Kriterienkatalog bleiben den Produzenten und Händlern alle Verwertungspfade offen. Nach einer Bestätigung der Angaben zu Produktionsbedingungen durch unabhängige Gutachter können die Mengen einem Verbrauch zugeordnet werden und somit der Nachweis lückenlos zwischen Einspeisung und Entnahme belegt werden. Eine Mehrfachvermarktung wird so ausgeschlossen.