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Fragen & Antworten

Wie funktioniert der Fermenter einer Biogasanlage?

Im Fermenter zersetzen verschiedene Arten von Mikrorganismen die eingesetzten Substrate (z. B. Gülle, Bioabfälle) unter anoxischen Bedingungen – unter Ausschluss von Sauerstoff. Die Substrate werden in mehreren zeitlich parallel verlaufenden Phasen zu Methan, dem Hauptbestandteil von Biogas, sowie weiteren Produkten umgewandelt. In der ersten Phase, der Hydrolyse, werden die komplexen Verbindungen des Ausgangsmaterials (z. B. Kohlenhydrate, Eiweiße, Fette) in einfachere, organische Verbindungen (z. B. Aminosäuren, Zucker, Fettsäuren) gespalten. Diese werden dann kontinuierlich in der zweiten Phase, der Acidogenese, durch säurebildende Bakterien neben weiteren Abbauprodukten zu kürzeren Fettsäuren und zu Kohlendioxid sowie Wasserstoff abgebaut. In der Acetogenese wird Essigsäure sowie Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff gebildet, aus denen in der anschließenden Methanogenese über verschiedene Wege Methan gebildet wird.

Diese Schritte und die Rahmenbedingungen sind dabei gleich unabhängig davon, ob es sich um Anlagen handelt, die landwirtschaftliche Reststoffe verwerten, Bioabfall vergären oder z. B. bei Kläranlagen den Klärschlamm zur Biogasbildung nutzen. Je nach den verwerteten Substraten bzw. dem Trockenmassegehalt der zu vergärenden Frischmasse kann jedoch der Fermenter entweder in Nass- oder Trockenfermentation betrieben werden.

Die Nassfermentation zeichnet aus, dass das Substrat rühr- und pumpfähig gehalten und im Vergärungsprozess durchgemischt wird. Wird somit z. B. Gülle als Substrat eingesetzt, wird nur die Nassvergärung angewendet. Bei der Trockenfermentation wird stapelbare organische Biomasse vergärt, wobei im Gegensatz zur Nassvergärung das Gärgut nicht verflüssigt oder durchgemischt wird. Die Trockenfermentation findet vor allem bei der Verwertung von Bioabfällen ihren Einsatz. Welches Verfahren sich eignet, hängt somit wesentlich von den eingesetzten Substraten ab.

Neben der Unterscheidung der Prozesse nach dem Trockenmassegehalt gibt es noch weitere Betriebsparameter nach denen sich die verschiedenen Verfahren unterscheiden. Dies bezieht sich einerseits auf die Beschickung, also ob die Substrate in den Fermenter kontinuierlich, quasikontinuierlich oder diskontinuierlich zugefügt werden. Bei den landwirtschaftlichen Biogasanlagen werden die Substrate in der Regel kontinuierlich oder quasikontinuierlich zugeführt, wobei die gleiche Menge Gärrückstände aus dem Fermenter in das Gärrestlager verdrängt wird. So bleibt die Faulraumauslastung im Fermenter auf gleichem Niveau behalten. Diskontinuierliche Verfahren, bei denen die Substrate auf einmal in den Fermenter eingebracht werden und hier bis zur Entleerung zum Vergären verbleiben, finden in der Regel bei der Vergärung von Substraten mit hohem Trockenmassegehalt statt.

Weitere Unterscheidung der Verfahren und somit auch der Prozesse im Fermenter kann man anhand der Temperatur im Fermenter vornehmen. Es wird grundsätzlich in psychrophile (< 25 °C), mesophile (zwischen 37 und 42 °C) und thermophile (zwischen 50 und 60 °C) Verfahren unterschieden. Je nach der Temperatur im Fermenter werden die Substrate von unterschiedlichen methanbildenden Mikroorganismen umgesetzt. Die Temperatur hat somit einen Einfluss auf die Zusammensetzung der Organismen und die Biogasbildung aber auch auf die Parameter wie die Viskosität des Gärsubstrats.

Das von den Mikroorganismen produzierte Biogas besteht je nach Substrat und dem Verfahren sowie weiteren Parametern aus einer Mischung von unterschiedlichen Gasen. Den Hauptbestandteil von Biogas bildet mit circa 50 – 75 Vol.-% Methan. Gleichzeitig enthält Biogas jedoch einen großen Anteil von Kohlendioxid (CO2) 25 – 45 Vol.-%. Zusätzlich enthält Biogas in geringeren Mengen Wasser (H2O) 2 – 7 Vol.-%, Schwefelwasserstoff (H2S) 20 – 20.000 ppm, Stickstoff (N2) < 2 Vol.-%, Sauerstoff (O2) < 2 Vol.-% und Wasserstoff (H2) < 1 Vol.-%. Das produzierte Biogas hat eine niedrigere Dichte als das Gärsubstrat und sammelt sich somit in der Regel in der flexiblen Abdeckung des Fermenters. Die gasdichte Abdeckung dient somit nicht nur dem Ausschluss von Sauerstoff, sondern andererseits auch dem, dass das produzierte Biogas und vor allem das Methan nicht in die Atmosphäre entweichen kann.

Mehr Informationen über genaue Vorgänge im Fermenter können Sie dem Leitfaden Biogas – Von der Gewinnung zur Nutzung der FNR entnehmen.

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