Biogas und sein Potenzial zur Beschleunigung der globalen Energiewende

Von John Booth, Business Developement Manager International bei WANGEN PUMPS

Die Umsetzung der Energiewende erfordert die schnelle Entwicklung alternativer, kohlenstoffarmer Energiequellen. Seit 2022 haben Sorgen um die Energiesicherheit sowie die steigenden Kosten für den Import von Erdgas die Vorteile von Biogas noch stärker in den Fokus gerückt.

Derzeit stammen rund 10 % der weltweiten Primärenergie aus Biogas.^[1] Bei großflächigem Einsatz von Biogas könnten die globalen Treibhausgasemissionen um schätzungsweise 18 bis 20 % reduziert werden.^[2] Biogas bietet noch einen weiteren Vorteil: Es unterstützt die Kreislaufwirtschaft, da bei seiner Produktion alltägliche Abfälle aus verschiedenen Quellen wiederverwendet werden, um neue und wertvolle Produkte wie Strom und Wärme zu erzeugen. Aus diesem Grund ist Biogas heute und auch in Zukunft von entscheidender Bedeutung, damit Länder ihre Dekarbonisierungs- und Recyclingziele erreichen können.

Von Bioabfall zu Energie

Die Wirtschaftlichkeit von Biogas hängt von verschiedenen Faktoren ab: der Art und Menge der als Substrat verwendeten Abfälle, den spezifischen Anlagenprozessen, der Endanwendung und den Marktbedingungen. Das Prinzip der Biogasproduktion ist jedoch relativ einfach zu verstehen. Als Einsatzstoffe werden organische Abfälle wie Mist, Lebensmittelreste, Klärschlamm, Fette und andere organische Nebenprodukte verwendet. Diese Abfälle werden in einen luftdichten anaeroben Fermentereingebracht, dem Flüssigkeiten zugesetzt werden. Bei einer Temperatur von etwa 30 bis 45 °C wird das Material zwei bis vier Wochen lang kontinuierlich gerührt. Diese kontrollierten Bedingungen fördern den Abbau der Abfälle durch Mikroorganismen. Das entstehende Biogas ist eine Mischung aus 45 bis 75 % Methan (je nach Einsatzstoff), Kohlendioxid und einem geringen Anteil anderer Gase.^[3]

Biogas kann zur Erzeugung von Strom und Wärme genutzt werden. Nach weiterer Aufbereitung kann es zudem in erneuerbares Erdgas (Renewable Natural Gas, RNG), sogenanntes Biomethan, umgewandelt werden, das als Kraftstoff für Fahrzeuge eingesetzt oder direkt in die Gasnetze eingespeist werden kann.^[4] Darüber hinaus kann das Gärprodukt als organischer Dünger oder zur Herstellung von Produkten wie Tierstreu, Baumaterial und Pflanztöpfen verwendet werden.^[5] Biogas reduziert außerdem die Umweltauswirkungen: Landwirtschaftliche Betriebe, die tierische Abfälle in anaeroben Fermentern verarbeiten, senken ihre Methanemissionen. Dadurch verringert sich die Stickstoffbelastung lokaler Böden und Gewässer.^[6]

Der Markt für Biogas

Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (International Energy Agency, IEA) wuchs der Biogassektor zwischen 2017 und 2022 weltweit um rund 19 %. Die prognostizierte Wachstumsrate für 2023–2028 liegt bei 32 %.^[7] Technologische Verbesserungen, Effizienzsteigerungen sowie die breite Verfügbarkeit geeigneter Substrate waren in den vergangenen Jahrzehnten entscheidend für dieses stetige Wachstum in Europa und Nordamerika. In vielen Fällen war auch die Unterstützung durch die Regierungen von zentraler Bedeutung. Infolgedessen entfallen mehr als 60 % der aktuellen globalen Biogasproduktionskapazität auf Europa und Nordamerika.^[8] IEA-Studien deuten ferner darauf hin, dass ein Drittel des gesamten Wachstumspotenzials für Biogas in den „fortgeschrittenen Volkswirtschaften” liegt, die Hälfte davon in Nordamerika und etwa 30 % in Europa.^[9]

Der im Jahr 2022 vorgestellte REPowerEU-Plan der Europäischen Union (EU), der darauf abzielt, die Abhängigkeit der EU von fossilen Brennstoffen zu reduzieren, enthält aktualisierte Ziele für die Biomethanproduktion:

Die Steigerung der nachhaltigen Erzeugung von Biomethan auf 35 Milliarden Kubikmeter bis 2030 ist ein kosteneffizienter Weg, um das Ziel der Verringerung der Erdgasimporte zu erreichen. Um die Kapazitäten zur Biogaserzeugung in der EU zu erhöhen und die Umwandlung in Biomethan zu fördern, sind in diesem Zeitraum Investitionen von schätzungsweise 37 Milliarden Euro erforderlich.^[10]

Die derzeitige Biomethanproduktion in Europa liegt zwischen vier und fünf Milliarden Kubikmetern.^[11] Die größten Biogasproduzenten im Jahr 2021, gemessen in Gigawattstunden (GWh), waren laut Angaben der European Biogas Association (EBA) Deutschland (12.753 GWh), das Vereinigte Königreich (6.183 GWh), Dänemark (5.683 GWh), Frankreich (4.337 GWh), die Niederlande (2.374 GWh) und Italien (2.246 GWh).^[12] Berichten zufolge lag Frankreich bei der Biomethanproduktion bereits 2022 knapp hinter Deutschland, aber vor Dänemark und dem Vereinigten Königreich.^[13] Im April 2023 gab es in Europa nach Angaben der EBA 1.322 registrierte „Anlagen zur Erzeugung von Biomethan“ – und damit 30 % mehr als 2021.^[14]Um das Ziel von 35 Milliarden Kubikmetern zu erreichen, wären laut Berechnungen der EBA Investitionen in zweistelliger Milliardenhöhe sowie 4.000 mittelgroße anaerobe Fermenter und 1.000 Großanlagen erforderlich.^[15]

In den USA gibt es mehr als 2.400 Biogasstandorte in allen 50 Bundesstaaten, darunter Hunderte von landwirtschaftlichen Betrieben, Kläranlagen, Deponien und anderen Einrichtungen. Etwa 70 % der eingesetzten Substrate stammen aus kommunalen Abfällen und rund 20 % aus der Landwirtschaft.^[16] Die USA haben das Potenzial, schätzungsweise weitere 15.000 Biogasanlagen zu errichten. Damit ließen sich genügend Energie und Wärme für Millionen von Haushalten bereitstellen, Tausende Arbeitsplätze schaffen und die Energiesicherheit deutlich erhöhen.^[17]

Biogas hat auch in anderen Regionen Potenzial. In China kommen Biogasfermenter bereits in großem Umfang zum Einsatz. Viele davon werden im privaten Bereich genutzt, vor allem in ländlichen Gebieten.^[18] Das Land verfügt zudem über schätzungsweise 100.000 Biogasanlagen.^[19] Auch in Indien, Indonesien, Malaysia, Thailand und vielen weiteren asiatischen Ländern besteht ein beträchtliches Wachstumspotenzial für Biogas. Indiens Premierminister Narendra Modi hat jüngst erneut bekräftigt, bis 2030 5.000 Biogasanlagen im Land zu errichten.^[20]

Es gibt jedoch einen Vorbehalt: Laut IEA konzentriert sich die Produktion von Biogas auf „Länder mit entsprechenden Förderprogrammen“.^[21] Zwar besteht in zahlreichen Ländern Potenzial für den Ausbau von Biogas, doch fehlt es vielen von ihnen entweder an staatlicher Unterstützung oder an technischem Know-how – oder an beidem.

In Südamerika zeigt sich ein gemischtes Bild bei der Nutzung von Biomethan: Während es in Chile und Argentinien noch an einem klaren politischen Rahmen fehlt, verfolgt Brasilien[22], dessen Regierung erneuerbare Brennstoffe und Biomethan aktiv fördert, konkrete Ausbauziele und kann auf eine breite öffentliche Unterstützung zählen. Tatsächlich könnte sich die Biogasentwicklung in Brasilien schneller vollziehen als in weiter entwickelten Ländern. Das theoretische Potenzial liegt bei 121 Milliarden Kubikmetern, vor allem aus landwirtschaftlichen Abfällen und anderen Reststoffen aus der Zuckerindustrie. Kurzfristig sind rund 30 % davon realistisch erschließbar, was 36 Milliarden Kubikmetern entspricht und damit dem gesamten bis 2030 erwarteten Anstieg der Biogasproduktion in Europa.

Optimierung der Biogaserzeugung

Fachwissen ist ein entscheidender Faktor, um das wirtschaftliche und ökologische Potenzial von Biogas voll auszuschöpfen – unabhängig davon, wo auf der Welt die Anlage gebaut wird. In Biogas- und Biomethananlagen ist die Pumpentechnologie von zentraler Bedeutung für einen zuverlässigen und kosteneffizienten Betrieb.

Pumpen werden zur Förderung viskoser Medien eingesetzt. Daher muss die verwendete Technologie sowohl auf die Art des Substrats als auch auf die spezifischen Parameter der Biogasanlage abgestimmt sein. Substratpumpen müssen zudem ausreichend robust sein, um kontinuierlich zu arbeiten und hochviskose Substrate über größere Distanzen zu transportieren. Auch bei der Fest-Flüssig-Trennung kommen Pumpen zum Einsatz. Dieses Verfahren kann die Förderung von Medien mit hohem Trockensubstanzgehalt (TS) umfassen und erfordert speziell entwickelte Pumpen und Module, die verhindern, dass sich langfaserige Stoffe verfangen und Verstopfungen im Rohrleitungssystem verursachen. Von entscheidender Bedeutung ist zudem, dass Pumpen dafür sorgen, dass die Substrate vor dem Eintrag in den Fermenter gemischt werden, bis sie die richtige Konsistenz aufweisen. Durch eine sorgfältige Vormischung der festen und flüssigen Substrate wird der Mischaufwand im Fermenter reduziert, was zu erheblichen Energieeinsparungen führt. Wangen Pumps, ein deutscher Pumpenhersteller und Teil der Atlas Copco Group, verfügt über umfassende Erfahrung in der Entwicklung und Installation von Pumpenlösungen für die weltweite Biogasindustrie. Die effiziente und zuverlässige Technologie des Unternehmens ermöglicht wichtige Betriebsabläufe in Tausenden von Biogasanlagen und -einrichtungen in Europa, Amerika, China, Japan, Indien und Afrika. Nach eigenen Schätzungen hat Wangen Pumps in den vergangenen 25 Jahren mehr als 50.000 Pumpen an den Biogassektor weltweit geliefert – unter anderem an einige der größten Anlagen in China sowie an die größte Biogasanlage der USA im Bundesstaat Oregon.

Fazit

Länder und Unternehmen sind bereits dabei, ihre Kohlenstoffemissionen zu reduzieren, um Klimaneutralität zu erreichen, doch es gibt noch viel zu tun. In den letzten Jahren wurden die größten Fortschritte in der Biogas- und Biomethananlagentechnologie in Europa, Nordamerika und China erzielt, wo unterstützende politische Rahmenbedingungen bestehen. Während die Märkte in diesen Regionen weiter wachsen, zeigt das hohe Ausbaupotenzial in den Schwellenländern, dass der Biogassektor weltweit erhebliche Wachstumsmöglichkeiten bietet.

Ein tiefgreifendes technisches Verständnis ist unerlässlich, um die Produktion zu optimieren und modernste Verfahren zur Erzeugung erneuerbarer Energien bereitzustellen. Der Wandel hin zu einer nachhaltigeren Zukunft basiert auf dem Einsatz geeigneter Spitzentechnologien und technischer Expertise. Mit der fortschreitenden Zunahme der globalen Biogas- und Biomethanproduktion erhöht sich auch der Bedarf an geeigneten Technologien und Systemen, was wiederum Innovationen anstößt, etwa im Bereich der Industriepumpen.