Grünes Gas im Energiesystem

Als grünes Gas werden alle Energieträger bezeichnet, die in gasförmiger Form vorliegen und bei deren Verbrennung nicht mehr CO2 freigesetzt wird als zuvor aus der Atmosphäre entnommen wurde. Grünes Gas ist daher nahezu klimaneutral. Das Prinzip grüner Gase ist einfach: Sofern Kohlenstoff enthalten ist, wird bei der Verbrennung nur so viel CO2 freigesetzt, wie die bei der Erzeugung verwendeten Rohstoffe zuvor aus der Luft aufgenommen haben.

Eine Möglichkeit zur Erzeugung von grünem Gas ist die Herstellung aus organischen Rohstoffen (Energiepflanzen, Reststoffe und Abfälle), die sogenannte Biogaserzeugung. Der Energieträger ist in diesem Fall Methan. Methan ist auch der Hauptbestandteil von Erdgas. Biogas kann daher (nach entsprechender Aufbereitung) in beliebigen Mengen in das Erdgasnetz eingespeist und in bestehenden Erdgas-Anwendungen genutzt werden, d. h. zum Heizen, zur Stromerzeugung, in der Mobilität oder als Grundstoff in der Industrie. Man spricht dann von Bio-Erdgas oder Biomethan.

Grünes Gas kann auch mithilfe der sogenannten Power-to-Gas (PtG)-Technologie erzeugt werden. Hierbei wird unter dem Einsatz von erneuerbarem Strom in einem Prozess, der als Elektrolyse bezeichnet wird, Wasserstoff erzeugt. Im Fall der direkten Nutzung des Wasserstoffs spielt Kohlenstoff gar keine Rolle mehr, d. h. es wird weder bei der Herstellung CO2 der Atmosphäre entnommen, noch wird bei der Verwendung CO2 in der Atmosphäre freigesetzt.

Grüner Wasserstoff kann in Reinform in der Industrie – z. B. in der chemischen Industrie oder in Raffinerien – und im Verkehrssektor als Kraftstoff zum Einsatz kommen oder (in gewissen Grenzen) dem Erdgas beigemischt werden.

Für eine unbegrenzte Einspeisung in das Erdgasnetz ist hingegen noch ein weiterer Aufbereitungsschritt nötig, bei dem der Wasserstoff mit Kohlenstoff zu Methan umgewandelt wird. Dieser Vorgang wird auch als Methanisierung bezeichnet. Hier ist also wieder Kohlenstoff beteiligt, dennoch ist die Verbrennung des so erzeugten Methans klimaneutral – bei der Verbrennung des Methans wird nur so viel CO2 freigesetzt wie zuvor zum Zweck der Methanisierung aus der Luft oder anderen CO2 -Quellen entnommen wurde.

Durch die Verwendung von grünem Gas können erneuerbare Energien unter Nutzung bereits bestehender Infrastrukturen (Transport- und Verteilnetze sowie Gasspeicher) und bestehender Verbrauchsgeräte (z. B. Erdgasheizungen) schnell und im Fall von grünem Methan ohne technische Umstellung der Endgeräte die Gasversorgung durchdringen und somit zur Klimaschonung beitragen.

Die Nutzung von grünem Gas als nachhaltigem Energieträger geschieht in Deutschland bereits in erheblichem Ausmaß, ist also nicht nur eine theoretische Möglichkeit. So werden jährlich Rohbiogasmengen in einer Größenordnung von etwa 100 TWh erzeugt, wovon der Großteil zur Stromerzeugung in Kraft-Wärme-Kopplungs (KWK)-Anlagen vor Ort genutzt und ein geringer Teil zu Biomethan aufbereitet wird. Es werden jährlich etwa zehn TWh Biomethan erzeugt und ins Erdgasnetz eingespeist, welches ebenfalls hauptsächlich zur Stromerzeugung verwendet wird. Insgesamt wurden aus Biogas und Biomethan im Jahr 2018 rund 33 TWh Strom erzeugt, was fast 5,5 % des Stromverbrauchs in Deutschland entspricht. Die heutigen Anteile sowie auch die Zukunftspotenziale der verschiedenen Technologien zur Herstellung von grünem Gas sind durchaus verschieden.

Biogase

Biogas als Brenngas ist ein Naturprodukt, welches im Zuge von Vergärungsprozessen von Biomasse, also organischen Stoffen, entsteht. Diese Vergärungsprozesse, die vielfach auf natürliche Weise z. B. in Mooren oder Güllegruben stattfinden, werden in Biogasanlagen gezielt genutzt, um Biogas im großen Maßstab zu erzeugen. Als Rohstoffe bzw. Substrate können dabei entweder nachwachsende Rohstoffe

(Energiepflanzen) oder organische Reststoffe und Abfälle verwendet werden. Nachwachsende Rohstoffe zur Biogaserzeugung sind insbesondere Raps, Mais, Stroh, Weizen, Gras und Durchwachsene Silphie. Bei organischen Abfällen handelt es sich vor allem um Reststoffe aus der Industrie (z. B. Brauereirückstände oder Apfeltrester) und Agrarwirtschaft (z. B. Gülle) sowie kommunale Bioabfälle wie beispielsweise Speisereste.

Der Vergärungsprozess in einer Biogasanlage findet in einem Gärbehälter (Fermenter) statt. Hier werden die Substrate durch eine Vielzahl von Mikroorganismen in einem mehrstufigen Prozess umgewandelt. Dabei werden u. a. durch sogenannte Archaebakterien die Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette der Substrate aufgespalten und in Zwischenprodukte wie Essigsäure, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgesetzt. Durch die Methanogenese entsteht hieraus anschließend – hauptsächlich durch die Reaktion von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid – Methan. Das Ergebnis dieses Prozesses sind Rohbiogas und Gärrückstände.

Anschließend wird das Rohbiogas entschwefelt und getrocknet, damit es den Anforderungen der nachgeschalteten Anlagen und Bauteile genügt. Das nun vorliegende Biogas besteht hauptsächlich aus Methan (ca. 50-75 Vol.-%) und Kohlenstoffdioxid (ca. 25-45 Vol.-%) sowie geringen Mengen weiterer Gase, wie u. a. Sauerstoff, Stickstoff und verschiedene Spurengase. Die genaue Zusammensetzung des produzierten Biogases hängt von den eingesetzten Substraten und Prozessparametern, wie z. B. der Temperatur, ab. Sämtliches bei der Erzeugung und späteren Verwendung anfallende Kohlenstoffdioxid stammt aus den eingesetzten organischen Rohstoffen, welche das Kohlenstoffdioxid – in der Regel über die Fotosynthese – aus der Atmosphäre entnommen und gebunden haben. Daher erfolgt Biogaserzeugung und -verwendung CO2-neutral. Der Energiegehalt von teilaufbereitetem Biogas liegt typischerweise zwischen 5 und 7,5 kWh pro Kubikmeter. Das erzeugte Biogas hat damit nicht die gleichen Eigenschaften wie Erdgas. Es kann jedoch auf Erdgasqualität aufbereitet werden. In diesem Fall spricht man von Bio-Erdgas bzw. Biomethan (s. unten).

Einem unbeschränkten Ausbau der Biogaserzeugung steht jedoch die begrenzte Substratverfügbarkeit gegenüber, die sich aus der nutzbaren Anbaufläche für nachwachsende Rohstoffe sowie den verfügbaren organischen Abfallmengen ergibt.

Bei Biogasanlagen handelt es sich um eine bereits seit vielen Jahren erprobe und in Betrieb befindliche Technologie.

Biogas-Verstromung

Der Großteil der Biogasanlagen nutzt das erzeugte Biogas direkt vor Ort (ca. 90 % der Anlagen). Das heißt, das Biogas wird direkt am Entstehungsort mittels KWK-Prozess in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zu Strom und Wärme umgewandelt. Dabei kommen typischerweise Verbrennungsmotoren (Gasmotoren) zum Einsatz. Auch der Einsatz in Mikrogasturbinen und Brennstoffzellen ist möglich. Der erzeugte Strom wird in der Regel in das öffentliche Stromnetz eingespeist und gemäß Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet. Die Wärme kann vor Ort genutzt, in ein Nahwärmenetz eingespeist oder wiederum für die Beheizung der Biogasanlage eingesetzt werden. Die im Zuge der Biogas-Verstromung eingesetzte KWK-Technologie ist technisch ausgereift und findet auch in vielen anderen Bereichen der Energiewirtschaft Anwendung.

Biomethan-Aufbereitung

Neben der Verstromung von Biogas mittels KWK-Prozess ist auch die Einspeisung in das Gasnetz eine Verwendungsmöglichkeit. Hierfür muss das Biogas jedoch auf Erdgasqualität aufbereitet werden. Das heißt im Wesentlichen, dass der Methananteil im Biogas auf bis zu 99 % gesteigert werden muss, indem vor allem Kohlenstoffdioxid entfernt wird. Dazu stehen verschiedene Verfahren im großtechnischen Maßstab zur Verfügung.

Das aufbereitete Biogas ist in seinen chemischen und brenntechnischen Eigenschaften sowie mit seinem Energiegehalt mit Erdgas gleichzusetzen und erfüllt somit die Anforderungen, die für Erdgas im allgemeinen Netz gelten. Daher wird aufbereitetes Biogas auch als Bio-Erdgas oder Biomethan bezeichnet. Für die Einspeisung von Biomethan in das Erdgasnetz ist eine Einspeiseanlage nötig, die u. a. den Druck des Gases regelt und überwacht. Biomethan kann grundsätzlich genauso verwendet werden wie Erdgas. Dies schließt die Strom- und Wärmerzeugung, die Verwendung als Kraftstoff und auch die stoffliche Nutzung in Industrieprozessen ein. Biomethan ist ein nahezu CO2-neutraler erneuerbarer Energieträger.

Im Jahr 2018 waren insgesamt 213 Aufbereitungs- und Einspeiseanlagen in Deutschland in Betrieb. Sie speisten 2018 rund zehn TWh Biomethan ins Erdgasnetz ein. Dies zeigt, dass auch die Biomethan-Aufbereitung technisch ausgereift und kommerziell verfügbar ist. Nichtsdestotrotz besteht weiteres Optimierungspotenzial bei den Aufbereitungstechnologien sowie bei der Reduzierung von Kosten, Methanschlupf und Energieverbrauch (insbesondere in Form von Wärme). Darüber hinaus kann durch die Umrüstung bestehender Biogasanlagen und die konsequente Erschließung von Rest- und Abfallstoffen, tierischen Exkrementen und in geringem Maße Energiepflanzen die Biomethan-Erzeugung deutlich gesteigert werden. So wird von einem mobilisierbaren Biomethan-Potenzial von bis zu 100 TWh pro Jahr ausgegangen.