4.1 Biogas-Rohstoffe und Herstellung von Biogas

Für Biomasse ist der biologische Prozess der Vergärung ein besonders geeignetes und energetisch günstiges Verfahren, um über den Weg von Biogas Biogas-Treibstoff, Strom und Wärme zu gewinnen. Bei der Vergärung zersetzen Bakterien Biomasse unter Luftabschluss in einem geschlossenen Behälter, auch Fermenter genannt, zu Biogas. Das so entstandene Biogas besteht etwa zu zwei Dritteln aus dem Gas Methan, das brennbar ist und den wertgebenden Anteil am Biogas ausmacht. Das restliche Drittel machen vor allem Kohlendioxid sowie Restgase aus wie etwas Wasserdampf, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasserstoff, Stickstoff und Spuren von niederen Fettsäuren und Alkoholen.
In den Fermenter können organische Haushaltabfälle oder Speiseresten aus Küche und Gastronomie gegeben werden. Es eignen sich auch Grünabfälle jeglicher Art aus dem Garten und aus der Landschaftspflege. Theoretisch können auch gezielt angebaute nachwachsende Rohstoffe, insbesondere Energiepflanzen wie Chinaschilf, in den Fermenter gegeben werden. Auch aus landwirtschaftlichem Hofdünger wie Gülle und Mist, Faulschlamm von Abwasserreinigungsanlagen und aus gewissen Industrie-Abwässern lässt sich Biogas gewinnen.

Die Biogasproduktion läuft unterschiedlich ab, je nach Input-Materialien und Anlagentyp. Trotzdem gibt es einen grundsätzlich gemeinsamen Verfahrensablauf:

1. Bereitstellung, Lagerung und Aufbereitung des Biomasse-Substrates ("Bio­abfall")
2. Eigentlicher Vergärungsprozess im luftdicht geschlossenen Fermenter
3. Aufbereitung und Nutzung des Biogases als Treibstoff, Gas, Fernwärme oder Strom
4. Lagerung, Verwertung und Nutzung der Gärreste als flüssiger und fester Naturdünger

4.2 Der Gärprozess im Fermenter

Bei der Biogasbildung im geschlossenen Behälter sind – je nach Ausgangsstoff – verschiedene Arten von Mikroorganismen beteiligt. Die Mikroorganismen knacken so fast alle organischen Stoffe ausser grössere Anteile an Holz mit viel schwer zersetzbarem Lignin. Die Ausgangs-Biomasse muss aber mindestens einen Wasseranteil von 50 Prozent haben.

Die organischen Stoffe der Biomasse durchlaufen vier biochemische Prozesse, bis sie zu Methan werden:

1.  Hydrolyse
Grosse Moleküle werden in kleinere zerlegt, z.B. Fette in Fettsäuren, Polysaccharide (Vielfachzucker) in Monosaccharide (Einfachzucker) und Proteine in Aminosäuren.

2.  Acidogenese, auch Fermentation genannt
Die in der Hydrolyse entstandenen Zwischenprodukte werden einerseits in niedere Fett- und Carbonsäuren wie Butter- und Essigsäure und andererseits in niedere Alkohole wie Ethanol umgewandelt. Während der Acidogenese werden schon bis zu 20 Prozent des Gesamtanteils an Essigsäure gebildet.

3.  Acetogenese
Essigbildende Mikroorganismen bauen alle niederen Fett- und Carbonsäuren zu Essigsäure um.

4.  Methanogenese
Methanbildner bauen die Essigsäure zu Methan um.

Zurück bleibt der Gärrest, ein Gemisch aus schwer abbaubarem organischem Material wie Lignin und anorganischen Stoffen wie Sand. Der Gärrest ergibt einen guten Dünger, weil er noch alle Spurenelemente sowie einen grossen Teil des Stickstoffes der Biomasse enthält.

4.3 Reinigung und Aufbereitung des Biogases

Das bei der Methanogenese gebildete Biogas enthält Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Die beiden aggressiven Gase schädigen durch ihre Reaktionsfreudigkeit Fahrzeugmotore. Das Biogas muss daher entschwefelt und gereinigt werden. Für die Weiterverwendung muss Biogas zudem verdichtet und getrocknet werden. Zuletzt wird auch noch das CO2 aus dem Biogas entfernt.

Entschwefelung
Für die Entschwefelung bieten sich mehrere Lösungsmöglichkeiten an. Unter Umständen gestaltet sich die Entschwefelung mehrstufig mit einer Grobentschwefelung und einer anschliessenden Feinentschwefelung. Es gibt verschiedene Entschwefelungsverfahren für Biogas:

• Reinigung nach der Biogas-Produktion mit einem Entschwefelungsfilter
• Reinigung im Gasraum durch Zugabe von Sauerstoff
• Zugabe von Luft oder eines anderen Oxidationsmittels direkt in die Reaktorflüssigkeit
• Laugenwäsche oder biologische Entschwefelung
• Zugabe von Eisen-Ionen
• Irreversible Adsorption an Aktivkohle

Verdichtung
Vor allem für die Nutzung als Treibstoff ist eine starke Komprimierung auf 250 bar nötig. Dazu braucht es mehrstufige Verdichtungsverfahren.

Trocknung
Die Trocknung des Biogases geschieht entweder durch Zuführung von Kompressorkälte oder durch Kühlung des Gases im Erdreich. Die Kühlung des Gases lässt das Wasser kondensieren, wodurch es abgeleitet und gesammelt werden kann.

CO2-Abtrennung
Am Schluss der Aufbereitung von Biogas werden CO2 und O2 abgetrennt. Dazu eignen sich Verfahren des Gaswaschens wie die Druckwasserwäsche, einem Absorptionsverfahren mit Wasser oder speziellen Waschmitteln sowie die Druckwechsel-Adsorption, einem Adsorptionsverfahren mit Aktivkohle.

4.4 Vorteile von Biogas

Der Aufwand für das Sammeln von Biomasse ist gross. Man denke etwa an die unzähligen Gänge der Personen, die im Haushalt tätig sind, zu den Grüngut-Behältern und die zahlreichen Grüngut-Touren der Abfallentsorger. Daraus entsteht aber insofern ein Vorteil, als sich der Haushaltkehricht ohne organische Abfälle um etwa einen Drittel verringert und die Haushalte so Abfallgebühren einsparen können. Und wenn weniger normaler Abfall vorhanden ist, können die Abfalltouren mit den Grünguttouren kombiniert werden, was wiederum die Umwelt schont.
Beim Bau von Biogasanlagen muss Geld und Land vorhanden sein. Weil beim Betrieb der Bioanlage aber Produkte wie Biogas und Dünger und je nach Anlagetyp auch Fernwärme, Strom und Biotreibstoff gewonnen werden können, für die es einen Markt gibt, sollte die Biogas-Anlage früher oder später amortisiert sein. Aus einer Tonne Biomasse entstehen zwischen 70 und 160 Kubikmeter Biogas. Aus dem Gärtank einer Biogas-Anlage gelangen keine unangenehmen Gerüche in die Umwelt, wie dies bei Komposthaufen der Fall sein kann.
Die Empa schreibt in ihrem durchgeführten Emissionsvergleich: "Erdgas-Fahrzeuge schneiden erstens hinsichtlich Treibhausgas-Emissionen und zweitens durch gleichzeitig niedrige Emissionen von Stickoxiden (NOx) und Nichtmethan-Kohlenwasserstoffen (NMHC) bezüglich Ozonbildungspotenzial am besten ab." Da die Schweizer Erdgas-Wirtschaft dem in der Schweiz getankten Erdgas noch mindestens zehn Prozent CO2-neutrales Biogas beimischt, steht Erdgas auch punkto CO2-Emissionen rund 30 Prozent besser da als Benzin. Auch kostet Erdgas rund ein Drittel weniger als Benzin und Diesel.

4.5 Nachteile von Biogas

Der Aufwand und die Kosten für das Sammeln der Biomasse sind ein Nachteil. Auch schneidet Biogas, das aus einer Gras-Bioraffinerie gewonnen wurde, in der Empa-Studie schlechter ab als schwefelarmes Benzin. Hingegen schneidet das Biogas, das aus allen übrigen Biomasse-Ausgangssubstanzen wie Holz, Klärschlamm, Bioabfall und Gülle gewonnen wurde, von der gesamten Umweltbelastung her immer besser ab als schwefelarmes Benzin.

4.6 Bedeutung von Biogas als Treibstoff in der Schweiz

Die meisten Biogasanlagen in der Schweiz, seien es landwirtschaftliche, industrielle oder Kläranlagen kombiniert mit Gärungsanlagen, produzieren nebst Dünger Biogas und daraus dann Strom oder Fernwärme. Es sind vor allem die Biogas-Anlagen, die das Unternehmen Kompogas herstellt und die teilweise auch Kompogas gehören, die aus dem Biogas auch Biogas-Treibstoff produzieren. Kompogas bietet gewerblich-industrielle Lösungen für eine Jahreskapazität von 4'000 bis 100'000 Tonnen Biomasse an. Weltweit sind schon über 50 Fermenter von Kompogas im Einsatz. In den Kompogas-Gärtanks werden vor allem organische Abfälle aus Privathaushalten vergärt. Das entstehende Biogas wird in Strom und Wärme umgewandelt oder zum Biogas-Treibstoff "Kompogas" aufbereitet. Kompogas betreibt eigene Kompogas-Tankstellen in Bachenbülach, Otelfingen und Rümlang. Schon seit Jahren wird das Biogas "Kompogas" normalem Erdgas beigefügt und kann in der ganzen Schweiz getankt werden – im Raum Zürich unter dem Label Naturgas (sie­he auch Kasten). Insgesamt gibt es in der Schweiz nun schon über 100 Tankstellen, an denen Erdgas, Naturgas oder Biogas, vor allem Kompogas, getankt werden kann.
Nach Angaben der Oberzolldirektion wurden 2007 in der Schweiz 5'182 Tonnen Ergas verbraucht. 1'388 Tonnen Biogas wurden ins Erdgas-Netz eingespiesen – der Anteil Biogas im Erdgasnetz belief sich also auf 21 Prozent. 1'329 Tonnen Biogas dienten zusätzlich dem Eigenverbrauch, teils für die Stromproduktion, teils als Treibstoff in Fahrzeugen. Total wurden in der Schweiz 2007 2'717 Tonnen Biogas verbraucht.