Biomethan

Grundidee und Entstehung

Biomethan, auch Bioerdgas genannt, ist Methan, das nicht fossilen Ursprungs ist, sondern aus biogenen Stoffen erzeugt wurde. Es ist Bestandteil von Biogas und kann nach der Aufbereitung ähnlich wie Erdgas genutzt werden. Wichtig ist Biomethan, weil es in bestehenden Anwendungen für Gas eingesetzt werden kann: zur Erzeugung von Strom und Wärme, in Gaswärmepumpen, Brennstoffzellen und als Kraftstoff für Fahrzeuge.

Methan kann natürlich entstehen oder technisch erzeugt werden. Technisch kann Biomethan über Synthesegas aus einer Biomasse-Vergasung produziert werden; dieses Produkt wird auch Synthetic Natural Gas genannt. Häufiger wird Biomethan aus Biogas gewonnen. Biogas entsteht, wenn organisches Material unter Sauerstoffausschluss zersetzt wird. In Biogasanlagen geschieht dies technisch kontrolliert.

Das erzeugte Biogas besteht zu 50–75 % aus Methan (CH4). Daneben enthält es vor allem Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie weitere Gase wie N2, NH3, H2, H2S, O2, flüchtige organische Verbindungen, Siloxane und Thiole. Als Substrate für Biogasanlagen dienen meist Energiepflanzen, Gülle, Stroh und teilweise organische Reststoffe. Natürlich entsteht Biomethan unter anderem in sauerstofflosen Schichten unter der Erdoberfläche, in Mooren, Sümpfen, anaeroben Sedimenten und Reisfeldern sowie unkontrolliert in Deponien, Güllebehältern und durch Emissionen in der Tierhaltung.

2012 wurde in Zörbig in Sachsen-Anhalt eine Anlage in Betrieb genommen, die aus jährlich 260.000 Tonnen Stroh Biomethan erzeugen kann. Das Deutsche Biomasseforschungszentrum in Leipzig schätzt das Strohpotenzial auf 8–13 Mio. Tonnen in Deutschland und 240 Mio. Tonnen in Osteuropa. 8 Mio. Tonnen entsprechen nach dem Artikel 2,5 Gigawattstunden beziehungsweise anschaulich dem Energiebedarf von 4 Mio. Erdgasfahrzeugen.

Aufbereitung zu Erdgasqualität

Rohbiogas kann nicht direkt wie Erdgas verwendet oder in das Gasnetz eingespeist werden. Vorher muss es zu Biomethan aufbereitet werden. Dabei werden vor allem Wasser, Kohlenstoffdioxid und Schwefelwasserstoff entfernt. Außerdem wird das Gas konditioniert, also in seiner Zusammensetzung angepasst, und verdichtet. Entscheidend ist, dass der Brennwert beziehungsweise der Wobbe-Index an Erdgas angepasst wird. Der Wobbe-Index beschreibt, ob verschiedene Brenngase in einem Brenner vergleichbar nutzbar sind.

Die ersten Schritte finden meist bereits in der Biogasanlage statt: Entfeuchtung und Entschwefelung. Danach enthält Rohbiogas durchschnittlich 50 bis 60 % Methan und 35 bis 45 % Kohlenstoffdioxid; der Rest besteht aus Stickstoff, Sauerstoff und anderen Gasen. In der weiteren Aufbereitung werden besonders CO2 und verbliebene Spuren von Schwefelwasserstoff mit physikalischen oder chemischen Verfahren entfernt, etwa durch Absorption, Adsorption oder Filtrierung. Dadurch wird das Methan stark angereichert.

Wichtige Aufbereitungsschritte sind: Entschwefelung, damit Schwefelwasserstoff keine Korrosion verursacht; Gastrocknung gegen Korrosion; CO2-Abtrennung etwa durch drucklose Aminwäsche, Druckwasserwäsche, Druckwechseladsorption oder Membrantechnik; Konditionierung zur Brennwertanpassung; Odorierung, damit austretendes Gas riechbar ist; und Verdichtung auf Leitungsdruck. Bei der Gasbeschaffenheitsmessung werden Brennwert, Heizwert, Wobbe-Index, Dichte und die übergebene Energiemenge bestimmt.

Ein besonderes Beispiel ist die Aufbereitung unter Normaldruck mit Einspeisung unter 100 mbar, die im Juni 2008 in Meilen in der Schweiz nach dem BCM-Verfahren weltweit erstmals realisiert wurde. Laut Artikel ist sie energetisch vorteilhafter als Aufbereitung unter Druck, verursacht geringere Methanverluste und kann Transportkosten senken, wenn das Gas dezentral genutzt wird.

Einspeisung und Gasqualität

Für die Einspeisung in Gasnetze unterscheidet der Artikel drei Qualitätsstandards. Austauschgas entspricht Erdgasqualität und kann nach Druckanpassung vergleichsweise problemlos eingespeist werden; dazu gehören aufbereitetes Biogas, also Biomethan, aufbereitetes Grubengas oder Synthetic Natural Gas. Zusatzgas darf nur begrenzt beigemischt werden, weil Zusammensetzung und Energiemenge vom Grundgas abweichen. Gereinigtes Biogas, bei dem CO2 noch nicht auf Erdgas-Beschaffenheit abgetrennt wurde, kann in kleinen Ortsnetzen über eigene Leitungen zu Satelliten-Anlagen mit Blockheizkraftwerk und Wärmenetz geleitet werden; dabei vermischt es sich nicht mit fossilem Erdgas.

Biomethan muss für die Übernahme in das Erdgasnetz in den wesentlichen Eigenschaften Erdgas entsprechen. Das DVGW-Arbeitsblatt G 260 ordnet es der Brenngasfamilie „Methanreiche Gase“ zu, mit den Gruppen L („low“) und H („high“). Für L-Gas gilt ein Wobbe-Index von WS,N = 11,0–13,0 kWh/m³, Nennwert 12,4 kWh/m³; zeitlich begrenzt darf er bis auf 10 kWh/m³ fallen. Für H-Gas gilt WS,N = 13,6–15,7 kWh/m³, Nennwert 15 kWh/m³; zeitlich begrenzt darf er bis auf 12 kWh/m³ fallen.

Besonders in der H-Gruppe ist aufbereitetes Biogas bei weitgehender CO2-Entfernung mit einem Brennwert von etwa 10,6 kWh/m³ nur als Zusatzgas möglich. Ohne Anreicherung, zum Beispiel mit Propan, kann durch Biogasaufbereitung kein Gas mit höherem Brennwert als reinem Methan erzeugt werden; dieser liegt bei 11,06 kWh/m³.

Verbreitung und Wirtschaftlichkeit

Die Aufbereitung von Biogas zu Biomethan erfordert hohe Investitionen. Sie gilt laut Artikel erst ab einer Kapazität von etwa 250 m³ bis 500 m³ Biomethan pro Stunde als wirtschaftlich. Das entspricht bei direkter Biogasverstromung im Blockheizkraftwerk ungefähr einer elektrischen Anlagenleistung von 1 MW bis 2 MW.

In Deutschland waren im November 2017 190 Anlagen zur Biomethanerzeugung mit einer Gesamtkapazität von 1 Mia. m³ pro Jahr in Betrieb. Für 2017 wurden bundesweit 191 laufende Anlagen mit einer Leistung von 113.000 m³/h erwartet. Ziel der Bundesregierung war, im Jahr 2020 etwa 60 Milliarden kWh Biomethan pro Jahr zu erzeugen. Dafür wären etwa 1200 bis 1800 Biomethananlagen nötig gewesen, also ein Neubau von mindestens 120 Anlagen pro Jahr und ein Investitionsvolumen in Anlagentechnik von 10–12 Mrd. €. Für die Energiepflanzen wären bis 2020 1,2 Mio. ha Anbauflächen nötig gewesen.

Um dieses Ziel zu erreichen, hätte die Biogaserzeugung gegenüber 2007 um 150 % steigen müssen, unter der Voraussetzung, dass sämtliches Biogas zu Biomethan aufbereitet wird. Bei Verstromung in Blockheizkraftwerken könnten damit etwa 4 % des Strombedarfs gedeckt werden.

Biomethan wird wie Biogas besonders über das Erneuerbare-Energien-Gesetz subventioniert. Gegenüber Erdgas ist es laut Artikel derzeit weder wettbewerbsfähig noch absehbar wettbewerbsfähig. Bei klassischer Ölpreisindexierung des Erdgaspreises läge die Wirtschaftlichkeitsschwelle jenseits von 230 US-$/Barrel Brent-Rohöl. Zugleich wird erwähnt, dass fraglich ist, ob die Ölpreisbindung künftig in bisheriger Form bestehen bleibt, weil sich auf dem deutschen Erdgasmarkt zunehmend Großhandelspreise wie an der Leipziger Energiebörse EEX durchsetzen.

Nutzung für Energie und Verkehr

Biomethan wird energetisch genutzt, indem es entweder in das Erdgasnetz eingespeist oder als Biokraftstoff für Erdgasfahrzeuge verwendet wird. Die Einspeisung gewinnt laut Artikel an Bedeutung, während die Nutzung als Kraftstoff bisher eine Nischenanwendung ist. Beispiele sind Mecklenburg-Vorpommern, wo ab 2011 dem Erdgas-Kraftstoff bis zu 10 % Bio-Erdgas beigemischt wird, und die Stadtwerke München, die im November 2010 begannen, an sieben Erdgastankstellen im Stadtgebiet 50 % Bio-Erdgas beizumischen.

Bei der Entnahme aus dem Erdgasnetz wird Erdgas und Biomethan nur bilanziell unterschieden. Die Produktkette wird über Massenbilanzierung im DENA Biogasregister abgesichert: Eine dem eingespeisten Biomethan entsprechende Menge Erdgas wird an einer beliebigen Stelle des Netzes entnommen. Manche Gasversorger bieten Erdgas mit Biomethananteil gegen Aufpreis als umweltfreundlichere Alternative zu reinem Erdgas an.

Ein großer Teil des eingespeisten Biomethans wird zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt, auch weil Betreiber teilweise erhöhte Stromvergütungen nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz erhalten. In Blockheizkraftwerken treibt ein Gasmotor einen Generator an; die Anlage kann dezentral nach Wärmebedarf betrieben werden, während der Strom selbst genutzt oder eingespeist wird. In Brennstoffzellen wird Biomethan in Kohlenstoff und Wasserstoff zerlegt und reagiert an einer Membran mit Sauerstoff zu Wasser und CO2; der Gesamtwirkungsgrad liegt höher als beim Blockheizkraftwerk. Gaswärmepumpen nutzen einen Gasmotor, der einen Verdichter oder Kompressor antreibt; sie sind wärmegeführt und speisen keinen Strom ein.

Als Kraftstoff kann Biomethan ähnlich wie Erdgas in Fahrzeugmotoren genutzt werden. Fahrzeuge, die für reinen oder bivalenten Erdgasbetrieb umgerüstet sind, können auch mit Biomethan fahren. Im Gegensatz zu Erdgas ist Biomethan nahezu CO2-neutral. In Deutschland gibt es laut Artikel derzeit ungefähr 130 Erdgastankstellen, an denen Biokraftstoff aus 100 % Biomethan angeboten wird; 115 davon werden vom Hersteller Verbio beliefert. In der im Artikel genannten Vergleichstabelle erreicht Biomethan aus Mais 3540 kg Ertrag pro Hektar, eine Kraftstoffäquivalenz von 1,4, ein Kraftstoffäquivalent von 4956 l/ha und eine Fahrleistung von 67600 km/ha.

Rechtliche Vorgaben

Die Einspeisung von Biogas und Biomethan wird in Deutschland durch mehrere rechtliche Regelungen bestimmt. Dazu gehören das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG), das Energiewirtschaftsgesetz, die Gasnetzentgeltverordnung sowie Regelwerke des DVGW.

Die seit April 2008 gültige Gasnetzzugangsverordnung (GasNZV) vereinfachte den Zugang von Biomethan zum Erdgasnetz deutlich. Sie konkretisierte außerdem die Ausbauziele der Bundesregierung für die Biogaseinspeisung: Bis 2020 sollten jährlich 60 Mrd. kWh Biogas und bis 2030 jährlich 100 Mrd. kWh Biogas in das Gasnetz eingespeist werden. Das entspräche etwa einem Zehntel der im Jahr 2008 in Deutschland verbrauchten Erdgasmenge von 930 Mrd. kWh.