Forschungs- und Innovationsprojekt
Kleine Biogasanlagen aus textilen Materialien

Verfahrensentwicklung, Errichtung und Erprobung einer Technikums- sowie einer Demonstrationsanlage

Kleine Biogasanlagen (< 75 kW) haben ein großes Potenzial für Klima- und Umweltschutz sowie für ein nachhaltiges Wirtschaften im ländlichen Raum. Jedoch sind die Investitionskosten für konventionelle Gärbehälter sehr hoch. Der Einsatz von textilen Materialien hat das Potenzial, die Gärbehälterkosten im Vergleich zur konventionellen Bauweise zu senken. Im Projekt wird deshalb untersucht, ob der Betrieb einer Hofbiogasanlage aus textilem Material technisch umsetzbar, praxistauglich, genehmigungsfähig, wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll ist. Dazu arbeitet die LfL zusammen mit der Hochschule für angewandte Wissenschaften in Landshut (HAW, Projektkoordinator), der Landmaschinenschule Landshut-Schönbrunn, der Finsterwalder Umwelttechnik GmbH & Co. KG und der AGROTEL GmbH an einem Konzept, zunächst im halbtechnischen und anschließend im Pilot-Maßstab.

Ziele

Hauptziel ist es, die Herstellungs- und Betriebskosten für kleine Hofbiogasanlagen gegenüber bestehenden Anlagen vergleichbarer Größe (30 bis 75 kW elektrische Leistung) deutlich zu reduzieren sowie einen sicheren und nachhaltigen Betrieb der Anlage über einen langen Zeitraum zu gewährleisten. Das vorgestellte System für Fermenter und Gärrestelager soll aus textilen Materialien in doppelwandiger Ausführung mit Leckageerkennung, externer Beheizung und Umwälzung sowie einer Aufbereitung von einzubringenden Feststoffen (v.a. Festmist) ausgeführt werden. Um das Potenzial für kleine Biogasanlagen abzuschätzen, die vorwiegend Gülle vergären, wird in einem ersten Schritt eine umfassende Bestands- und Potenzialanalyse durchgeführt. Parallel zur technischen Entwicklung und Optimierung der Anlage wird eine Ökobilanz für das Anlagenkonzept erstellt und darüberhinausgehend eine Nachhaltigkeitsbewertung unter ökologischen, sozialen, ökonomischen und technischen Aspekten vorgenommen.

Methode

Die Aktivitäten im Projekt sind in vier Arbeitspakete gegliedert:
(1) Erhebung und Bewertung der Ist-Situation bei kleinen Hofbiogasanlagen
Um das Potenzial für die Errichtung kleiner Hofbiogasanlagen abzuschätzen, wird im Projekt in einem ersten Schritt eine Bestandsanalyse durchgeführt. Dabei werden Informationen über die Anzahl und Bauweise von bestehenden kleinen Biogasanlagen (bis 75 kW Bemessungsleistung) erhoben. Basierend auf der Bestandsanalyse wird in Befragungen mit Experten, Betreibern und viehhaltenden Betrieben untersucht, welche Gründe für und welche Hemmnisse gegen den Bau einer Hofbiogasanlage sprechen und durch welche wirtschaftlichen, rechtlichen und politischen Änderungen diese Hemmnisse behoben werden könnten. Die Zusammenführung der Befragungsergebnisse mit Strukturdaten (z. B. Viehdichte je Region) und den politischen und rechtlichen Rahmenbedingungen (z. B. Genehmigungsanforderungen) dient zur Schätzung des theoretischen, technischen, ökonomischen und umsetzbaren Potenzials für den Bau kleiner Hofbiogasanlagen.

Bayernkarte mit kleinen Biogasanlagen (installierte el. Leistung bis 75 kW (2002-2016), sowie Anlagen bis 150 kW (2017-2018)

Karte: Kleine Biogasanlagen mit einer installierten elektrischen Leistung bis 75 kW (2002-2016) und bis 150 kW (2017-2018) in Bayern (Quelle: Eigene Darstellung basierend auf Daten des Energie Atlas Bayern)
(2) Konzeption, Entwicklung und Erprobung einer landwirtschaftlichen Kleinbiogasanlage mit textilen Materialien
Die Entwicklung eines Biogasfermenters aus textilen Materialien erfolgt im Projekt in zwei Schritten. Zunächst wird ein Technikumsfermenter mit ca. 300 Litern Arbeitsvolumen im Energie- und Umwelttechnik-Labor der Hochschule Landshut konstruiert, gebaut und betrieben (Abbildung Laboranlage). Anschließend wird dieser Fermenter unter Realbedingungen im Freien erprobt werden. Als Substrat soll hierfür Rinderfestmist aus dem Ökolandbaubetrieb des Agrarbildungszentrums (ABZ) Schönbrunn des Bezirks Niederbayern eingesetzt werden. Dabei sollen Erfahrungen für den zweiten Entwicklungsschritt, die Konstruktion, den Bau und den Betrieb einer Demonstrationsanlage mit 150 m³ Fermentervolumen auf dem Standort des ABZ gewonnen werden. Diese Demonstrationsanlage wird in einer anschließenden Testphase unter den Bedingungen des landwirtschaftlichen Lehrbetriebs von Mitarbeitern des ABZ betrieben, erprobt und auf ihre Dauerbetriebstauglichkeit untersucht. Diese Anlage soll so konzipiert werden, dass sie auch von Landwirten in Eigenregie errichtet und betrieben werden kann. Dabei wird eine entsprechende externe Baubegleitung und Abnahme der Anlage im Rahmen von Qualitätssicherungsmaßnahmen angestrebt.

Laboranlage mit den Komponenten (von links nach rechts): Zerkleinerer für Mist und Klee (Kessel mit Stab), Fermenter (runder Behälter in grauer Box), Pumpe (Rollwagen mit Motor), Wärmetauscher (Rohrverbindungen am Boden) und Nachgär-/Gärrestbehälter (schwarzer Behälter rechts) sowie der Laborcontainer zur Analyse (im Hintergrund mit Stromanschluss)

Abbildung: Laboranlage im Aufbau, Stand April 2021 (Foto: Dr. Uwe Behmel)
Die zu entwickelnden Behälter der geplanten Biogasanlage sollen aus hochwertigen und qualitätsgesicherten Kunststofffolien konstruiert und hergestellt werden. Es kann hierfür beispielsweise auf die jahrzehntelange positive Erfahrung mit dem Einsatz von PE-HD (Polyethylen-High-Density)-Folien als Dichtungskomponente beim Bau von Hausmüll- und Reststoffdeponien zurückgegriffen werden. In derartigen Deponieabdichtungssystemen wurden auch Systeme zur Erkennung von Leckagen bei Beschädigung dieser Dichtungskomponente verbaut.
(3) Entwicklung und Bewertung von Nutzungskonzepten für Biogas aus kleinen Hofbiogasanlagen
Auf Basis der Bestandsaufnahme und Potenzialanalyse im Arbeitspaket 1 werden Szenarien für mögliche Nutzungsvarianten des in Hofbiogasanlagen erzeugten Gases und entsprechende Referenzszenarien für die Energiebereitstellung definiert. Um die Besonderheiten der textilen Bauweise zu untersuchen, beinhalten diese Szenarien auch verschiedene konventionelle Bauweisen von Gärbehältern (z. B. Ortbeton oder Stahl). Für die ausgewählten Szenarien werden eine Lebenszyklusanalyse und eine Nachhaltigkeitsbewertung in folgenden Schritten durchgeführt:
  • Definition von Alternativ-/Referenzszenarien für die Erzeugung und Nutzung von Biogas aus kleinen Gülleanlagen
  • Erarbeitung von Nachhaltigkeitskriterien für kleine Hofbiogasanlagen
  • Analyse der sozio-ökonomischen Akzeptanzkriterien am Markt und Betrachtung der sozialen Akzeptanzkriterien im Anlagenumfeld
  • Entwicklung eines dimensionslosen Indikatorsets für die umfassende Nachhaltigkeitsanalyse
  • Erstellung und Auswertung von Lebenszyklus- und Nachhaltigkeitsanalysen für das zu entwickelnde Anlagenkonzept im Vergleich zu konventionellen Bauweisen von Gärbehältern und für alternative Biogas-Nutzungspfade
  • Betriebswirtschaftliche Evaluierung der Anlagenkonzepte und Nutzungspfade innerhalb und außerhalb der Regelungen des EEG
(4) Wissenstransfer zur Förderung der Akzeptanz von Hofbiogasanlagen
Um die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Projekt wissenschaftlich und wirtschaftlich zu verwerten und die Anschlussfähigkeit an die Praxis zu gewährleisten, werden die Befunde aus dem Betrieb der Demonstrationsanlage und die Ergebnisse der Nachhaltigkeitsbewertung in Form von Veranstaltungen, Fachvorträgen, Artikeln, Leitfäden und Projektberichten sowie auf den Webseiten der Projektpartner veröffentlicht.

Ergebnisse

Die mehrstufige Expertenbefragung läuft bereits und soll im Juni 2021 erste Ergebnisse liefern. Auch die ersten Versuche der Festmistzerkleinerung verliefen positiv, sodass im Mai 2021 die bereits aufgebaute Laboranlage in Betrieb genommen werden kann, um die Voruntersuchungen für die Demonstrationsanlage durchzuführen.

Projektinformation
Projektleitung (ILT): Dr. Thomas Venus
Projektbearbeitung: Dr. Thomas Venus, Dr. Mathias Effenberger
Kooperationspartner: Hochschule Landshut (Gesamtprojektleitung: Prof. Dr. Josef Hofmann); Landmaschinenschule Landshut-Schönbrunn; Agrotel GmbH; Finsterwalder Umwelttechnik GmbH & Co. KG
Laufzeit: 01.04.2019 bis 31.12.2022
Finanzierung: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (StMWi)
Förderkennzeichen: BE/19/02