Erneuerbare Energien

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  • Günther Jobst
    Günther Jobst
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    Ist Biogas in Erdgasqualität und Strom aus Biogas auch ohne Subventionen Konkurrenzfähig?
    Ist Biogas in Erdgasqualität und Strom aus Biogas auch ohne Subventionen Konkurrenzfähig?

    Ich beschäftige mich seit rund vier Jahren mit der Biogasproduktion und kann auf die oben gestellte Frage ganz klar mit ja antworten. Es ist möglich ein Kilowattstunde Methan in Erdgasqualität für 3,87 Cent/KW/h und Strom für 4,89Cent/KW/h herzustellen. Die genannten Preise sind alle inklusive der Substratkosten unter der Verwendung einer 250Nm3/h Biogasanlage.
    .
    Vorgeschichte

    Am Anfang, im Jahr 2004, war die Nutzung von Makroalgen oder Wasserpflanzen als Substrat für die Biogasgewinnung nicht das zentrale Thema. Der Anlass für alles war ein Bericht über den Rückgang der Dorschbestände (Kabeljau) in der Ostsee.
    Die Idee war, befruchtete Dorscheier (Rogen) im Aquarium mit den entsprechenden Regelungen zum Schlupf zu bringen und die Ostsee mit Besatz wie einen großen Fischteich zu bewirtschaften. Eines der Hauptthemen war hierbei wie wird das Wasser von Schadstoffen befreit. Für die Reinigung boten sich Makroalgen an die beim Wachstum die Schadstoffe wie CO2. Nitrat, Nitrit und Phospate bindet. Bei den Versuchen stellte sich heraus, dass die Algen ein sehr großes Wachstum hatten und so eine große Menge an Biomasse produzierten.
    Irgendwann stellte sich die Frage wohin mit dem anfallenden Substrat, die Antwort war man könnte es ja zur Biogasgewinnung nutzen ohne dass dort am Anfang die wirtschaftliche Nutzung im Vordergrund stand. Das änderte sich nach kurzer Zeit der Einarbeitung in das Thema und der Durchführung kleinerer Versuchsreihen. Vor etwa zwei Jahren wurden die Arbeiten intensiviert, so dass dort komplette Versuchsreihen durchgeführt wurden bis hin zur Biogasgewinnung im Labormaßstab. Über die Qualität des Biogases kann keine Aussage gemacht werden da keine geeigneten Messinstrumente (begrenzte finanzielle Mittel), zur Bestimmung des Methangehaltes, zur Verfügung standen.
    Als Referenz wurde eine Versuchsreihe mit Maissilage unter gleichen Bedingungen durchgeführt. Über die Leistungsausbeute des Substrats kann mit der Maissilagereferenz eine Aussage der Wertigkeit des Methangehaltes gemacht werden. Die erzeugte Leistung lag bei dem Substrat etwa 18% höher, das lässt den Rückschluss zu das der Methangehalt im gewonnen Biogas 18% höher sein muss (Maissilage 53% Methananteil, Schlussfolgerung Versuchssubstrat 63% Methananteil).
    Es wurden mehrere Algen und Wasserpflanzen auf ihre Tauglichkeit und Wachstum untersucht. Der hohe Methangehalt des Substrats wird darauf zurückgeführt das viele von ihnen hohe Öl- und Stärkeanteile in ihrer Biomasse aufweisen. Das ist auch in der einschlägigen Fachliteratur nach zu lesen.
    Es wurde nach geeigneten Biogasanlagen aus schau gehalten die auch kleine Substratmengen verarbeiten und das mit einem geringen finanziellen Aufwand. Diese gab es und gibt es zurzeit nicht. So entstand dann die eigene Konstruktion einer Biogasanlage die auch patentiert ist.

    Ansatz der Planung zur Biogasanlage

    Die Grundidee war es, zur Nutzung des Substrats, eine Biogasanlage zu planen die nachfolgend Attribute hat:

    a) Geringe Materialkosten.
    b) Niedrige Produktionskosten.
    c) Hoher Automatisierungsgrad in der Produktion.
    d) Wenige Bauteilgruppen für die Produktion.
    e) Hohe Flexibilität auf anfallende Substratmengen, das heißt es sind kleine Anlagen bis hin zu großen Anlagen mit den gleichen Bauteilgruppen schnell und einfach planbar.
    f) Hohe Flexibilität in der Gasmengenproduktion (Winter-Sommer-Bedarf)
    g) Einfache Aufstellung vor Ort
    h) geringe baurechtliche Vorgaben
    i) Ressourcenschonung durch geringen Wasserverbrauch bei der Biogasproduktion und bei der Herstellung der Anlage möglichst mit Recyclinggrundstoffen
    j) Geringe Störanfälligkeit und kein Komplettausfall der Anlage
    k) Einfache Beladung und Entladung des Substrats
    l) Kleinste genormte Transporteinheiten (Senkung der Transportkosten)



    Die Biogasanlage ist als diskontinuierliche Anlage vorgesehen, die im thermophilen Bereich arbeitet. Die Produktionskosten für eine 250Nm3/h ist <400.000€ inklusive der Steuerelektronik und Gaszwischenspeicher aber exklusive der Transportkosten. Die Bauzeit einer 250Nm3/h. Anlage wird vor Ort maximal 5 Tage dauern. Es wird alles in einer Art Baukastenprinzip vorgefertigt. Es wurde erreicht den Aufbau der Biogasanlage soweit zu vereinfachen das handwerklich begabte Personen diese Aufgabe erfüllen können.


    Voraussichtliche Kosten einer Biogasanlage

    Es sind für vier Pfade Berechnungen vorgenommen worden mit Anlagen für Biogasanlagen in den Größenordnungen 22Nm3/h, 44Nm3/h, 66Nm3/h, und 250Nm3/h.
    Die kleinen Biogasanlagen bis 66Nm3/h sind für Anwender interessant, die in ihren Betrieben kleine Mengen an Biomasse haben, die den Strom und vor allem die Wärme selber nutzen.

    Pfad1
    Hier sind die Kosten für 1KW/h Rohbiogasmethan berechnet worden.
    In Zeile 1 sind die reinen Herstellungskosten mit Arbeitskosten (25€/h), Finanzkosten, Wartungen aber ohne Substratkosten. Die Berechnungen basieren auf ein Substrat mit einem 53%tign Methananteil im Biogas.
    In Zeile 2 ist das Substrat Mais mit einem Einkaufpreis von 35€/T mit ein berechnet.
    In Zeile 3 ist das Substrat WPF/ALG mit einem Herstellungspreis von 20€/T

    Methanpreis 1KW/h in €-Cent
    Anlagengröße 22Nm3/h 44Nm3/h 66Nm3/h 250Nm3/h
    Kostenfreies Substrat 53% CH 4,06 Cent 2,29 Cent 1,74 Cent 0,76 Cent
    Substrat Maissilage 8,41 Cent 6,64 Cent 6,09 Cent 5,11 Cent
    Substrat WPF/ALG 5,97 Cent 4,20 Cent 3,65 Cent 2,67 Cent

    Pfad 2
    Hier sind die Kosten für 1KW/h elektrische Leistung mit einem BHKW mit einem effektiven elektrischen Wirkungsgrad von 35% berechnet worden.
    In Zeile1 sind die reinen Herstellungskosten mit Arbeitskosten (25€/h), Finanzkosten, Wartungen aber ohne Substratkosten. Die Berechnungen basieren auf ein Substrat mit einem 53%tign Methananteil im Biogas.
    In Zeile 2 ist das Substrat Mais mit einem Einkaufpreis von 35€/T mit ein berechnet.
    In Zeile 3 ist das Substrat WPF/ALG mit einem Herstellungspreis von 20€/T


    1KW/h elektr in €-Cent BHKW 35% elektrischer Wirkungsgrad

    Anlagengröße 22Nm3/h 44Nm3/h 66Nm3/h 250Nm3/h
    Kostenfreies Substrat 53% CH 14,67 Cent 9,23 Cent 6,93 Cent 3,68 Cent
    Substrat Maissilage 27,04 Cent 21,6 Cent 19,3 Cent 16,05 Cent
    Substrat WPF/ALG 18,78 Cent 13,44 Cent 11,04 Cent 7,79 Cent



    Pfad 3
    In die neusten Strompreisberechnungen sind Preise für ein ETM-BHKW mit einem effektiven Wirkungsgrad elektrisch von 72 % eingeflossen. Dieses BHKW ist laut Konstrukteur in der Prototypphase und hat auf dem Prüfstand beim TÜV einen gemessenen Wirkungsgrad an der Generatorwelle von 80% im Dauerbetrieb erreicht.
    In Zeile1 sind die reinen Herstellungskosten mit Arbeitskosten (25€/h), Finanzkosten,
    Wartungen aber ohne Substratkosten. Die Berechnungen basieren auf ein Substrat mit einem 53%tign Methananteil im Biogas.
    In Zeile 2 ist das Substrat Mais mit einem Einkaufpreis von 35€/T mit ein berechnet.
    In Zeile 3 ist das Substrat WPF/ALG mit einem Herstellungspreis von 20€/T

    1KW/h elektr in €-Cent EMT-BHKW 72% elektrischer Wirkungsgrad
    Anlagengröße 22Nm3/h 44Nm3/h 66Nm3/h 250Nm3/h
    Kostenfreies Substrat 53% CH 10,50 Cent 5,34 Cent 4,83 Cent 2,66 Cent
    Substrat Maissilage 17,27 Cent 12,71 Cent 11,60 Cent 9,43 Cent
    Substrat WPF/ALG 12,83 Cent 8,27 Cent 7,06 Cent 4,89 Cent






    Pfad 4
    Hier wurde die Produktion von Biogas in Erdgasbetrieb betrachtet. Hier wurde nur die Anlage mit dem Volumenstrom250Nm3/h bewertet da bei kleineren Volumenströmen Keine verwertbaren Angaben über die Kosten vorliegen. Für den Anlagenteil der Aufbereitung zu Biogas in Erdgasqualität wurden Zahlen aus der Frauenhofer Umschau der (DVGW-BGW Studie Analyse und Bewertung der Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse) übernommen.

    In Zeile1 sind die reinen Herstellungskosten mit Arbeitskosten (25€/h), Finanzkosten, Wartungen aber ohne Substratkosten. Die Berechnungen basieren auf ein Substrat mit einem 53%tign Methananteil im Biogas.
    In Zeile 2 ist das Substrat Mais mit einem Einkaufpreis von 35€/T mit ein berechnet.
    In Zeile 3 ist das Substrat WPF/ALG mit einem Herstellungspreis von 20€/T

    1KW/h reines Biogas in Erdgasqualität
    Anlagengröße 250Nm3/h
    Kostenfreies Substrat 53% CH 2,02 Cent
    Substrat Maissilage 6,31 Cent
    Substrat WPF/ALG 3,87Cent



    Ertrag und Zucht der Makroalgen

    Um die Biomasse für eine 250Nm3/h Anlage zu produzieren wird eine Fläche von 3,5 Hektar in der Ostsee benötigt. Da die Versuche eine 10 bis 20 fache höhere Biomassenproduktion ergeben haben, also im Durchschnitt um das 15 fache höher ist als bei der Maissilage wird eine wesentlich kleinere Fläche benötigt. Für die gleiche Menge Maissilage wird eine Fläche von 50 Hektar an Land benötigt. (In wissenschaftlichen Veröffentlichungen wird von bis zu einem vierhundertfachen Biomassenertrag geschrieben.)
    Im Mittelpunkt der Versuche stand eine Makroalge die in der Nord und Ostsee beheimatet ist und dort ergaben die eigenen Untersuchungen eine durchschnittliche Biomassenproduktion von 750t /Hektar.
    Neben dem ökonomischen Nutzen hat die Produktion der Makroalgen auch einen ökologischen Nutzen, denn die Algen verzehren beim Wachstum pro Tonne Biomasse 1,85 Tonnen CO2 und Wandeln es in Sauerstoff. Das ist ein ökologischer Punkt neben vielen anderen die hier nicht aufgezählt werden.



    Gestehungskosten der Makroalgenzuchtanlage

    Da bei der Planung, genauso wie bei der Planung der Biogasanlage, auf wenige Baugruppen geachtet wurde und Synergien aus der Biogasanlage angestrebt waren hat sich gezeigt, dass dort zum großen Teil gleiche Bauteile genutzt werden können. So kann die Tonne Algenbiomasse für rund 20€ erzeugt werden.
    Für eine Anlage für die Produktion von 2625 Tonnen Algenbiomasse bedarf es einer Investition von 375.000€. Die Menge Algen reicht aus um eine 250Nm3/h Biogasanlage ein Jahr lang zu betreiben.


    Investitionskosten für eine Makroalgenbasierten Biogasanlage in Erdgasqualität

    Die Gestehungskosten für eine Gesamtanlage betragen voraussichtlich 1.475.000€. Wird davon ausgegangen, dass 52 Anlagen, pro Jahr in Serie produziert werden wird der Preis einer Anlage noch sinken. Immerhin ist das Projekt so angelegt das am Ende eine Anlage oder mehr am Tag produziert werden.


    Wann wird dieses Projekt realisiert?

    Nie!!

    Theoretisch könnte die erste Anlage in 3 Jahren ihren Betrieb aufnehmen.

    Folgende Punkte sprechen dagegen.

    1. Um das Projekt zu realisieren benötigt man Kapital in diesem Fall ca. 5.000.000€ .
    2. In Deutschland gar nicht da eine behördliche Genehmigung eines solchen Projekts 100 Jahre dauert und Einsprüche von allen Seiten zu erwarten sind wie z.B.: von Umweltschützern, Anwohnern, Konkurrenten, Fischern und anderen Gruppen


    Die Aufzählung könnte noch endlos fortgesetzt werden. Sollte es tatsächlich Menschen geben die Interesse haben dieses Projekt zu unterstützen würde es mich freuen in welcher Form auch immer.
    • 04 Sep 2008, 12:38 pm