Wärmebilanz einer Biogasanlage im Winter: wie viel Wärme der Prozess verbraucht und woher sie kommt

Die Wärmebilanz einer Biogasanlage im Winter besteht aus einigen einfachen Posten: Wärme zum Erwärmen des dosierten Substrats, Verluste über die Hüllflächen von Behältern und Rohrleitungen, Wärme für eine eventuelle Hygienisierung sowie externe Abnehmer. Auf der Einnahmenseite steht vor allem die Wärme aus dem KWK-Aggregat (CHP) und gegebenenfalls ein Kessel. Im Winter steigen beide wichtigsten Bedarfsposten, während die Fähigkeit der Quellen, sie zu decken, überhaupt nicht wächst. Deshalb muss die Bilanz für die kälteste typische Woche und nicht für den Jahresmittelwert erstellt werden.

Woraus sich der Wärmebedarf zusammensetzt

1. Erwärmen des Substrats. Das Substrat gelangt mit Umgebungstemperatur in den Fermenter (Silage, gekühlte Schlempe, Gülle aus einem externen Behälter), während der mesophile Prozess in der Regel bei 38–42 °C geführt wird. Die Energie wird nach der Formel Q = m · c · ΔT berechnet. Für Substrate mit hohem Wassergehalt liegt die spezifische Wärmekapazität nahe an der von Wasser, also bei ca. 4,2 kJ/(kg·K); bei höherem Trockensubstanzgehalt ist sie etwas niedriger.

Anschauliches Beispiel für eine spezifische Wärmekapazität von 4,18 kJ/(kg·K) (1 kWh = 3,6 MJ):

Bei einer Dosierung von 50 t pro Tag und ΔT = 40 K ergibt das ca. 2,3 MWh pro Tag, also im Mittel ca. 96 kW Wärmeleistung. Im Winter benötigt dieselbe Substratmasse also ein Vielfaches an Energie gegenüber dem Sommer, wenn das Substrat warm ist. Der Wert ist orientierend: Der tatsächliche hängt von der Zusammensetzung der Mischung, vom Anteil des Rezirkulats und davon ab, ob das Substrat warm gelagert wird.

2. Verluste über die Hüllflächen. Der Wärmestrom durch Wand, Dach und Boden des Behälters beträgt Q = U · A · ΔT, wobei U der Wärmedurchgangskoeffizient, A die Fläche und ΔT die Temperaturdifferenz innen und außen ist. Zur Veranschaulichung: 1000 m² Fläche mit U = 0,3 W/(m²·K) ergeben bei ΔT = 40 K ca. 12 kW. In Wirklichkeit kommen der Einfluss des Windes, Wärmebrücken, der Zustand der Dämmung (durchfeuchtete Dämmung verliert ihre Eigenschaften) sowie weitere thermische Bedingungen des Erdreichs unter dem Boden hinzu. Membrandächer und Bauteile mit geringer Masse verhalten sich anders als Betonwände, weil sie Wärme schlecht speichern.

3. Hygienisierung und Behandlung. Verarbeitet die Anlage Materialien, die hygienisiert werden müssen, ist die Wärme, die erforderlich ist, um den gesamten Strom auf die vorgeschriebene Temperatur zu bringen und sie über die vorgeschriebene Zeit zu halten, ein großer, kurzzeitiger Posten. Die Anforderungen für tierische Nebenprodukte legt die Verordnung (EU) Nr. 142/2011 fest (u. a. Zeit- und Temperaturparameter für die einzelnen Kategorien). Eine Wärmerückgewinnung aus dem hygienisierten Strom (regenerativer Wärmeübertrager) verringert den Wärmeverbrauch erheblich.

4. Externe Abnehmer. Gebäudeheizung, Trockner, externes Heizwerk. Im Winter konkurrieren sie mit dem Prozess um dieselbe Wärme; in der Bilanz sollte der Prozess Vorrang haben, denn das Auskühlen des Fermenters kostet Wochen an Produktion und nicht Stunden.

Auf der Seite der Wärmelieferung

Der CHP-Motor wandelt die Brennstoffenergie in elektrische Energie und Wärme um; elektrischen und thermischen Wirkungsgrad typischer Einheiten behandeln wir im Text zum Wirkungsgrad von CHP-Motoren. Die Wärme gelangt in den Kühlwasserkreislauf des Motors (Mantel und Öl) und in die Abgase. Nicht die gesamte Wärme ist nutzbar: Temperatur und Verfügbarkeit hängen vom System der Wärmeübertrager und davon ab, ob der Motor läuft. Saisonalität und Struktur der Wärmebilanz aus der Kraft-Wärme-Kopplung beschreiben wir im Artikel Abwärme aus CHP-Anlagen.

Drei Situationen verderben die Winterbilanz besonders:

• Betrieb des Motors bei reduzierter Last (Leistungsbegrenzung durch den Netzbetreiber, weniger Biogas nach einem Produktionsrückgang): weniger Wärme bei unverändertem Bedarf.
• Stillstand des Motors (Ausfall, Wartung, zu niedrige Gasqualität): Die Wärme muss im Kessel erzeugt werden, und ist keiner vorhanden, sinkt die Fermentertemperatur.
• Zu niedrige Rücklauftemperatur oder fehlende Abnahme in der Gegensaison, die sich im Winter umkehrt: Wärme ist vorhanden, aber die Wärmeübertrager sind für hohe Leistung bei geringer Temperaturdifferenz unterdimensioniert.

So erstellen Sie eine eigene Bilanz

1. Legen Sie die kälteste typische Woche für den Standort und die Temperatur der Substrate in dieser Zeit fest (Silage aus der Silomiete, Gülle aus dem Behälter, Schlempe).
2. Berechnen Sie die mittlere tägliche Dosiermasse und die Energie zum Erwärmen (Tabelle oben).
3. Addieren Sie die Verluste der Hüllflächen: gesondert Behälter, Rohrleitungen, Wärmeübertrager, Pumpen, Technikgebäude.
4. Addieren Sie Hygienisierung und externe Abnehmer.
5. Stellen Sie die Summe der Wärmeleistung gegenüber, die aus dem CHP bei der im Winter erwarteten Last real verfügbar ist, und der Leistung des Reservekessels.
6. Prüfen Sie das Szenario des Ausfalls einer Quelle: ob die Reserve die Prozesstemperatur über die Dauer einer typischen Reparatur hält.

Was die Bilanz ohne neue Quellen verbessert

• Schrittweises Erwärmen des Substrats, z. B. in einem Vorlagebehälter, der mit Niedertemperaturwärme beheizt wird, und häufigere Dosierung in kleineren Portionen (stabilere Temperatur im Fermenter).
• Reparatur der Dämmung, Windschutz und Verringerung von Wärmebrücken an den am stärksten betroffenen Stellen.
• Wärmerückgewinnung aus dem ausgehenden Strom (Gärrest-Wärmeübertrager zum Erwärmen des Substrats), wenn technisch und hygienisch machbar.
• Warmhalten der Substrate dort, wo es sich lohnt (z. B. überdachte Lagerplätze), statt sie erst im Fermenter zu erwärmen.
• Abschalten externer Abnehmer in den Frostspitzen nach einer zuvor festgelegten Priorität.

Die Wärmereserve sollte durch Messungen überprüft werden: Ein Wärmezähler am Fermenterkreislauf und ein Zähler an den externen Abnehmern zeigen die tatsächliche Aufteilung und erlauben den Vergleich mit der Planungsbilanz. Die Prozessparameter, einschließlich der Folgen von Temperaturschwankungen, behandeln wir im Text zum Anfahren eines Fermenters.

Typische Fehler in Wärmebilanzen

• Annahme einer über das Jahr konstanten Substrattemperatur: Silage aus der Silomiete und Gülle aus einem externen Behälter haben im Winter in der Regel eine Temperatur nahe der Umgebung.
• Vernachlässigung der Verluste in Rohrleitungen, Wärmeübertragern und Pumpen, die im Winter ebenso bedeutend sein können wie die Behälterverluste.
• Berechnung der verfügbaren CHP-Wärme nach Nennleistung und nicht nach der tatsächlichen Last in der jeweiligen Jahreszeit.
• Nichtberücksichtigung der Reparaturdauer der Wärmequelle: Die Reserve muss für die Zeit reichen, in der der Prozess nicht auskühlen darf.
• Gleichsetzung von Niedertemperaturwärme mit Hochtemperaturwärme; der Wärmeübertrager benötigt eine geeignete Temperaturdifferenz.

So ergänzen Sie die Bilanz durch Messungen

Die beste Ergänzung der Berechnungen sind Wärmezähler und Temperaturmessungen an mehreren Punkten: am Ein- und Austritt des Fermenter-Wärmeübertragers, im CHP-Kreislauf, an den externen Abnehmern sowie die Temperatur im Fermenter selbst. Der Vergleich der Winterwerte mit den Berechnungen zeigt, ob die Verluste größer sind als angenommen (z. B. infolge durchfeuchteter Dämmung) und ob die verfügbare Leistung tatsächlich der geplanten entspricht. Die Erkenntnisse sollten festgehalten und jede Saison wiederholt werden, denn mit einer Änderung der Substratrezeptur ändert sich auch der Wärmebedarf.