Massen- und Energiebilanz einer Biogasanlage: Rechenbeispiel vom Substrat bis zur Kilowattstunde

Die Massen- und Energiebilanz einer Biogasanlage wird in sechs Schritten durchgeführt: Frischmasse → Trockensubstanz (TS) → organische Trockensubstanz (oTS) → Methanproduktion (Ertrag je kg oTS) → chemische Energie des Brennstoffs (Heizwert) → elektrische und thermische Energie unter Berücksichtigung des CHP-Wirkungsgrads und des Eigenverbrauchs. Nachfolgend ein vollständiges Beispiel mit offenen Annahmen; alle Zahlen sind illustrativ und durch eigene Daten aus Analysen und Messungen zu ersetzen.

Schritt 1: Tagesdosierung

Die Erträge sind angesetzte praktische Werte im technischen Maßstab, niedriger als die Potenziale aus BMP-Tests (siehe Artikel zum Unterschied zwischen BMP und technischem Maßstab).

Schritt 2: Methanproduktion

• Maissilage: 6.270 kg × 0,34 = 2.132 m³ CH₄/d,
• Gülle: 1.920 × 0,20 = 384 m³,
• Gräser: 1.350 × 0,30 = 405 m³.

Gesamt ≈ 2.921 m³ CH₄/d. Bei einem CH₄-Gehalt des Biogases von 53% entstehen ca. 5.512 m³/d (230 m³/h). Mittlerer Ertrag: 2.921 / 9.540 ≈ 0,31 m³ CH₄/kg oTS — plausibel (liegt unterhalb der theoretischen Maxima für diese Substrate).

Schritt 3: Chemische Energie

Nehmen wir einen Heizwert von Methan von 9,97 kWh/m³ an (Normbedingungen). Brennstoffenergie: 2.921 × 9,97 ≈ 29.120 kWh/d, also ≈ 1.213 kW Feuerungswärmeleistung (im Mittel).

Schritt 4: CHP

Bei einem elektrischen Wirkungsgrad von 38% und einem thermischen von 45% (typische Werte für Gasmotoren dieser Klasse; die tatsächlichen hängen von Modell und Last ab):

• elektrische Energie brutto: 29.120 × 0,38 ≈ 11.066 kWh/d (≈ 461 kW),
• Wärme: 29.120 × 0,45 ≈ 13.104 kWh/d (≈ 546 kW).

Schritt 5: Eigenverbrauch

Nehmen wir den Eigenstromverbrauch mit 8% der Produktion an, also ≈ 885 kWh/d; die Nettoenergie ins Netz beträgt ≈ 10.181 kWh/d. Die Eigenwärme für die Beheizung des Fermenters hängt von der Jahreszeit ab; nehmen wir im Mittel 25% der CHP-Wärme an (≈ 3.276 kWh/d). Die für Abnehmer verfügbare Wärme beträgt ≈ 9.828 kWh/d, es wird jedoch nur ein Teil tatsächlich genutzt (Saisonalität).

Schritt 6: Massenbilanz des Gärrests

Der oTS-Abbau im Prozess beträgt in der Regel einige Dutzend Prozent des zugeführten oTS, abhängig von Mischung und HRT; nehmen wir in diesem Beispiel 60% an. Von 9,54 t oTS verbleiben dann ca. 3,8 t oTS im Gärrest, zu denen der anorganische Teil der Trockensubstanz und Wasser hinzukommen. Die Gärrestmasse entspricht der dosierten Masse abzüglich der Biogasmasse. Bei einer Biogasdichte in der Größenordnung von 1,2 kg/m³ und einer Produktion von 5.512 m³/d beträgt die Gasmasse ca. 6,6 t/d, der Gärrest also ca. 48 t/d (55 − 6,6 ≈ 48,4). Das Ergebnis muss in der Planung der Gärrestlagerung und -ausbringung berücksichtigt werden.

Plausibilitätskontrolle

Sensitivitätsanalyse

Eine Änderung des Maisertrags von 0,34 auf 0,30 m³ CH₄/kg oTS senkt die Methanproduktion um ca. 250 m³/d (−8,6%) und die elektrische Energie um ca. 950 kWh/d. Eine Änderung des Trockensubstanzgehalts der Silage von 33% auf 30% verringert den oTS um ca. 9%, wirkt sich also nahezu ebenso stark aus. Daher sind die Genauigkeit der TS- und oTS-Analysen sowie das Wiegen der Substrate entscheidend.

Schlussfolgerungen

Die Bilanz ist ein Werkzeug für Planung und Kontrolle. Monatlich mit realen Daten wiederholt, zeigt sie, wo die Anlage Energie verliert: im unvollständigen Substratabbau, in der Fackel, in einem niedrigen CHP-Wirkungsgrad, im übermäßigen Eigenverbrauch oder in ungenutzter Wärme.

Hinweise zu den Annahmen

Die CHP-Wirkungsgrade hängen von Modell, Last, Wartungszustand und Umgebungstemperatur ab; der Betrieb bei Teillast senkt den elektrischen Wirkungsgrad. Die Erträge im technischen Maßstab liegen in der Regel unter den BMP-Ergebnissen, weil ein Teil des Materials den Fermenter zu schnell durchläuft und die Durchmischung unvollkommen ist. Der Trockensubstanzgehalt der Silage ändert sich mit Charge und Erntetermin. Die Eigenwärme für die Fermenterbeheizung ist im Winter am größten, während im Sommer oft nur wenige Wärmeabnehmer vorhanden sind — deshalb lohnt es sich, die jährliche Wärmebilanz Monat für Monat zu berechnen.

So wird aus dem Beispiel ein Werkzeug

Erstellen Sie eine Tabelle, in die Sie die Substratmassen, die TS- und oTS-Werte und die Erträge eintragen, während die übrigen Felder per Formel berechnet werden. Fügen Sie Spalten hinzu, die den Plan mit der Realität vergleichen (Gasmessung, Energiezähler). Abweichungen von einigen Prozent sind normal; größere sollten untersucht werden.