Wie funktioniert eine Biogasanlage? Der biologische Prozess im Detail
Eine Biogasanlage ist ein Kraftwerk, das organische Abfälle in einen wertvollen Energieträger umwandelt. In unserem umfassenden Leitfaden zu Biogasanlagen haben wir das „Was” und die Hauptkomponenten aufgelistet – vom Fermenter über die Vorgrube bis zum Blockheizkraftwerk (BHKW).
Dieser Artikel konzentriert sich nun auf das „Wie”. Wir werfen einen detaillierten Blick auf die komplexe biologische Funktionsweise einer Biogasanlage, die das gesamte System antreibt.
Die Kernfunktion basiert auf einem Prozess namens anaerobe Vergärung. Dies ist das „Wie” der Biogasproduktion. Es ist ein biologischer Prozess, bei dem ein diverses Team von Mikroorganismen organisches Material in einer Umgebung komplett ohne Ausschluss von Sauerstoff abbaut. Dies geschieht alles im Inneren des Fermenters. Was wie ein einfacher Prozess klingt, ist in Wirklichkeit eine komplexe, vierstufige biologische Reise, die in perfekter Balance gehalten werden muss.
Die vier Phasen des Vergärungsprozesses
Der Vergärungsprozess (oder die Fermentation) im Fermenter ist kein einzelner Schritt. Es ist eine hochentwickelte, vierteilige biologische Kette, bei der das Abfallprodukt einer Gruppe von Mikroorganismen zur Nahrung für die nächste wird. Diese vier Phasen laufen alle gleichzeitig im Substrat ab. Damit die Biogasgewinnung funktioniert, müssen alle vier im Einklang sein.
Phase 1: Hydrolyse (Der Aufschluss)
Die erste Funktion ist der Aufschluss der Rohmaterialien. Das in den Fermenter eingebrachte organische Material – wie Energiepflanzen (z. B. Erntereste oder andere nachwachsende Rohstoffe), Bioabfälle, Gülle oder andere organischen Stoffe – besteht aus großen, komplexen organischen Molekülen wie Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten.
Diese Moleküle sind zu groß, als dass die Mikroorganismen sie direkt „fressen“ könnten. Eine erste Gruppe von Bakterien setzt spezielle Enzyme frei, die diese langen Ketten in kleinere, lösliche Moleküle wie Einfachzucker, Aminosäuren und Fettsäuren aufspalten. Die Hydrolyse macht die Einsatzstoffe für die Biogasgewinnung „verfügbar“.
Phase 2: Acidogenese (Die Versäuerung oder Säurebildung)
Sobald die Einsatzstoffe aufgespalten sind, beginnt die zweite Phase, die Säurebildungsphase. Ein anderer Satz von Bakterien, die acidogenen Mikroorganismen, verbrauchen die Einfachzucker und Aminosäuren aus der Hydrolyse-Phase.
Während sie diese konsumieren, sind ihre Abfallprodukte (die Nebenprodukte dieser Phase) flüchtige Fettsäuren (wie Essigsäure, Propionsäure und Buttersäure) sowie Alkohole, Kohlendioxid (CO₂) und Wasserstoff (H2).
Phase 3: Acetogenese (Die Essigsäurebildung)
Die dritte Phase, die Acetogenese, ist ein entscheidender Vorbereitungsschritt für die endgültige Gasproduktion. In dieser Phase verbrauchen acetogene Mikroorganismen die flüchtigen Fettsäuren (außer der Essigsäure) aus der Acidogenese.
Sie wandeln diese Säuren in Essigsäure, mehr Kohlendioxid und mehr Wasserstoff um. Diese Phase ist unerlässlich, da sie das Substrat in die ideale „Nahrung“ für die letzte und wichtigste Gruppe von Mikroorganismen umwandelt.
Phase 4: Methanogenese (Die Gasproduktion)
Dies ist die letzte und kritischste Funktionsweise einer Biogasanlage. Hier findet die eigentliche Biogasproduktion statt. Spezialisierte Mikroorganismen, sogenannte Methanogene (eine Form von Archaeen), verbrauchen die Produkte aus den vorherigen Phasen: Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff.
Ihr biologisches Abfallprodukt ist Methan (CH4). Das Roh-Biogas, das Gasgemisch, das im Gasspeicher aufgefangen wird, ist diese Mischung aus Methan und dem Kohlendioxid, das aus den früheren Phasen übrig geblieben ist. Dieser hohe Methananteil (oft 50-60 % Methangehalt) macht es zu einem wertvollen Energieträger und einer wichtigen erneuerbaren Energiequelle.
Schlüsselfaktoren, die die Funktion einer Biogasanlage steuern
Dieser vierstufige Vergärungsprozess ist leistungsstark, aber auch sensibel. Damit eine Biogasanlage effizient funktioniert und man versteht, wie funktioniert eine Biogasanlage auf biologischer Ebene, muss ein Betreiber vier Schlüsselbedingungen managen.
Ein Versäumnis, diese Faktoren auszubalancieren, kann zu einem biologischen Kollaps des Fermenters führen – der „größte Schmerz“ für jeden Betreiber.
- Substrat- und Futterqualität
Die Biogasproduktion wird direkt von den Einsatzstoffen beeinflusst. Die Art des Futters, wie Energiepflanzen (z. B. nachwachsende Rohstoffe), Reststoffe oder Gülle im Vergleich zu organischen Abfällen (wie Erntereste), bestimmt den potenziellen Gasertrag. Noch wichtiger ist eine konstante, stabile Zufuhr der gleichen Substratmischung. Plötzliche Änderungen können die Mikroorganismen unter Schock setzen.
- Temperaturmanagement (Beheizung)
Die Mikroorganismen sind sehr temperaturempfindlich. Die meisten Biogasanlagen in Deutschland funktionieren in einem mesophilen Bereich und werden konstant auf 37–40 °C beheizt (und durch Rührwerke durchmischt). Dieser Prozess ist stabil und robust. Einige Anlagen (oft bei Trockenfermentation) laufen thermophil (ca. 50–55 °C), was schneller ist, aber die Mikroorganismen sind weitaus empfindlicher.
- Verweilzeit und Beladungsrate
Die Verweilzeit ist die Dauer, die das organische Material im Fermenter verbleibt. Das Substrat muss lange genug (z. B. 30–50 Tage) im Fermenter bleiben, damit alle vier biologischen Phasen abgeschlossen werden können. Die Beladungsrate (oder Raumbelastung) ist die Menge an frischem Substrat, die jeden Tag zugeführt wird. Wird die Rate zu hoch angesetzt, wird der Prozess „überfüttert“.
- pH-Wert-Stabilität
Dies ist die kritischste Balance. Wenn die Beladungsrate zu hoch ist, arbeiten die säurebildenden Bakterien (Phase 2) zu schnell und produzieren mehr Säuren, als die Methanogene (Phase 4) verbrauchen können. Dies führt dazu, dass der gesamte Fermenter „versauert“ (der pH-Wert sinkt). Diese saure Umgebung ist giftig für die Methanogene, die absterben, wodurch die Biogasproduktion komplett stoppt.
Von der biologischen Funktion zur mechanischen Rentabilität
Das Verständnis der vier Phasen der Methanogenese ist der Schlüssel zur Steuerung der Biologie. Aber die biologische Funktion (die Biogasproduktion) schafft nur das Potenzial für Profit. Die mechanische Funktion – der Gasmotor im Blockheizkraftwerk (BHKW) – ist das, was dieses Potenzial in tatsächliche Einnahmen (z. B. aus dem Erneuerbare-Energien-Gesetz) umwandelt.
Die zuverlässige Funktionsweise dieses Motors, der das Biogas für die Energiegewinnung nutzt, macht den gesamten Betrieb rentabel. Diese Stromerzeugung (für die Einspeisung ins Stromnetz) und Wärmeerzeugung (die Abwärme) ist der häufigste Weg für die Energiegewinnung vor Ort.
Alternativ kann das Rohgas zu Biomethan (einer Form von erneuerbarem Erdgas) aufbereitet werden. Dieses Biomethan kann (bei entsprechender Erdgasqualität) in das öffentliche Gasnetz (das Erdgasnetz) eingespeist werden.
Wie PowerUP sicherstellt, dass Ihre Anlage effizient funktioniert
Technologie ist unser Antrieb, Effizienz unser Fokus. Der komplexe biologische Vergärungsprozess einer Biogasanlage erzeugt einen komplexen und oft aggressiven Brennstoff. Roh-Biogas enthält Schwefelwasserstoff, Feuchtigkeit und Siloxane, die den Motor angreifen.
Damit Ihre Anlage rentabel funktioniert, muss Ihr Gasmotor diesen Herausforderungen rund um die Uhr standhalten. PowerUP ist der Spezialist für die Sicherstellung der mechanischen Funktion Ihrer Anlage. Wir liefern robuste, hochbelastbare Ersatzteile und Experten-Service passend für Jenbacher®- und MWM®-Motoren. Wir stellen sicher, dass Ihr BHKW zuverlässig läuft, dem aggressiven Biogas widersteht und Ihre gesamte Biogasproduktion rentabel bleibt.
