Freitag, 13. Dezember 2019
Plattform zum Wissenstransfer für die landwirtschaftliche Biogasproduktion in Bayern

Glossar für Begriffe im Umfeld von Biogasanlagen

Aerob

Unter Zutritt von Sauerstoff. Der aerobe Abbau von organischer Substanz durch Mikroorganismen (Pilze und Bakterien) liefert als Hauptprodukt Kohlendioxid (CO2).

Ammoniak (NH3)

Farbloses, stechend riechendes, giftiges und reizendes Gas. Entsteht beim biologischen Abbau stickstoffhaltiger Stoffe. Ein geringer Anteil der Ammoniak-Emissionen, stammt aus der Landwirtschaft. Ammoniak ist ein starker Hemmstoff in Biogasanlagen.

Anaerob

Ohne Zutritt von Sauerstoff. Der anaerobe Abbau von organischer Substanz durch Mikroorganismen (Pilze und Bakterien) liefert zahlreiche organisch-chemische Verbindungen, als Endprodukt größtenteils Methan (CH4)

Anlagenverfügbarkeit

Kennzahl zur der Nutzungsfähigkeit einer Anlage, die das Verhältnis der Betriebsdauer der Anlage zur Basiszeit darstellt (s. a. Basiszeit). Die Anlage wird nur dann als verfügbar bezeichnet, wenn die Anlage im Betrieb ist oder sich in funktionsbereiter Bereitschaft befindet.

Asche

Bei der restlosen Verbrennung (Veraschen) von organischen Substanzen bei 550 °C zurückbleibende anorganische Bestandteile. Es handelt sich hierbei um ein Gemisch von Alkali- und Erdalkalimetallverbindungen, Phosphaten, Oxiden, Carbonaten, Sulfaten und Silicaten.

Basiszeit

Die Basiszeit bezeichnet die maximal möglichen Jahres-Arbeitsstunden einer Biogasanlage vermindert um die üblichen Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten zur Aufrechterhaltung des betriebs der Anlage und Anlagenteile (s. a. Anlagenverfügbarkeit).

Betriebshilfsstoffe

Organische und anorganische Stoffe, Arbeitsmittel, Schmierstoffe, aber auch Zündöle und Zündgas, die zum Betrieb einer Biogasanlage unerlässlich sind und die zum Betrieb einer Anlage und deren Technik dienen. Diese Betriebsstoffe werden nicht zur Optimierung der Biogasproduktion oder zur Steigerung des Biogasprozesses, sondern nur zur Aufrechterhaltung des Betriebes eingesetzt.

Biodiesel

Umgangssprachlich für Pflanzenölmethylester (PME). In Deutschland wird überwiegend Rapsölmethylester (RME) als Biodiesel eingesetzt. RME besitzt ähnliche Eigenschaften wie konventioneller Dieselkraftstoff und kann in herkömmlichen Dieselmotoren eingesetzt werden.

Biogasreaktor (auch Fermenter)

Der Fermenter, auch Biogasreaktor genannt, ist der Behälter einer Biogasanlage, in dem Methanbakterien und weitere spezielle Mikroorganismen unter anaeroben Bedingungen leben. Als Stoffwechselprodukte entstehen dabei u.a. Methan, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Spurengase.

Biogassubstrat (siehe Einsatzstoff)

Biomasse

Biomasse bezeichnet alle pflanzlichen, mikrobiellen und tierischen Stoffe, aus denen Energie gewonnen werden kann. Die Biomasse ist die gebildete organische Materie, die sich aus Phyto- und Zoomasse zusammensetzt. Dazu gehören Energiepflanzen wie z. B. Mais, Gras und Sonnenblumen, ebenso die aus dieser Biomasse gebildeten Abfall- Neben- und Folgeprodukte. Zu diesen zählen, Nebenprodukte der landwirtschaftlichen Nutzung wie Stroh, Rübenblätter und Abfälle, wie z. B. Bewuchsschnitte an Straßen oder die Abfälle aus der Biotonne.

Biomethan

Bei Biomethan handelt es sich um ein brennbares Gas, das durch Umwandlungsprozesse aus biogenen Stoffen unter Abwesenheit von Sauerstoff entsteht und eine regenerative Ergänzung zu fossilem Erdgas darstellt. Gleichzeitig ist Biomethan eine Bezeichnung für auf Erdgasqualität aufbereitetes und in das Erdgasnetz eingespeistes Biogas. Biomethan ist in einschlägigen Gesetzen, Verordnungen, Normen oder Richtlinien nicht definiert, wird aber im Sprachgebrauch verwendet.

Blockheizkraftwerk (BHKW)

Blockheizkraftwerke sind Anlagen zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme, deren Leistung oder Baugröße kleiner ist als die herkömmliche Kraftwerke. BHKW im Bereich der Bioenergie werden mit Biogas (Methangas) betrieben und erzeugen über einen Generator Strom, der ins Stromnetz eingespeist wird.

Brennstoff

Als Brennstoff wird Holz, Methangas, Biodiesel, Dieselkraftstoff, Erdgas oder Pflanzenöl usw. bezeichnet. Aus diesen Brennstoffen kann durch direkte Verbrennung (Oxidation mit Sauerstoff) oder durch den Betrieb eines Motors und angeschlossenem Generator Energie erzeugt werden. Ideal wäre dabei der optimierte Brennstoffeinsatz, der eine rationelle Nutzung von Energiereserven und eine Senkung der CO2-Emissionen zur Folge haben würde.

Co-Fermentation

Dies bezeichnet einen anaeroben biotechnologischen Prozess (ohne Sauerstoff), bei dem ein Haupt-Einsatzstoff zusammen mit einem anderen Neben-Einsatzstoff vergoren wird. Dies ist z. B. bei der Herstellung von Wein gängige Praxis, bei der unterschiedliche Traubensorten miteinander vergoren werden. Der Begriff wird jedoch auch in der Kläranlagentechnik und bei der Biogaserzeugung verwendet. Hier wird z. B. bei der Güllevergärung durch Mitvergärung von Co-Substraten (Einsatzstoffen) wie z. B. Fettabscheiderflotate eine deutlich höherere spezifische Gasausbeute erreicht. Während z. B. bei reiner Güllevergärung in der Praxis nur ca. 30 m³ Gas / m³ Substrat erzielt werden, erreichten Anlagen mit 65 % Co-Substrat Spitzenwerte von 150 m³ Gas /m³ Einsatzstoff.

Einsatzstoff (auch Biogassubstrat)

Einsatzstoffe, auch Substrate genannt, bestehen aus organischem Material, z.B. Pflanzenmaterial und tierischen Auscheidungen (Gülle), Stallmist usw. das in die Biogasanlage für die Vergärung eingebracht und zu Methangas umgesetzt wird.

Essigsäreäquivalent

Das Essigsäureäquivalent kann mit guter Näherung und sehr schnell den Zustand des Gärsubstrats anfzeigen. Dazu ist allerdings eine kontinuierliche Messung erforderlich. Durch Veränderungen im Essigsäureäquivalent können sehr gut Störungen, Futterumstellungen, Temperaturschwankungen, Spurenelementmangel oder eine Überfütterung diagnostiziert werden. Analytisch werden die Essigsäureäquivalente der organischen Säuren im Fermenter oder im Gärrest kann entweder durch Summierung der einzelnen Carbonsäuren von Essigsäure (C2) bis Capronsäure (C6) mittels Gaschromatographie oder durch Titration der kurzkettigen, in Wasser gelösten Carbonsäuren erfolgen. In einem stabilen Vergärungs-Prozess liegt das Essigsäureäquivalent deutlich unter 3000 mg/Kg.

Fermenter (siehe Biogasreaktor)

Fermenterinhalt

Der Fermenterinhalt ist bei kontinuierlichen Prozessen ein Gemisch aus organischen Einsatzstoffen, bereits abgebauten Biomolekülen, Zusatzstoffen, gelösten Gasen, Stoffwechselprodukten und mikrobieller Biomasse.

Festmist

Ist ein Wirtschaftsdünger aus tierischen Ausscheidungen, auch mit Einstreu, insbesondere Stroh, Sägemehl, Torf oder anderes pflanzliches Material, das im Rahmen der Tierhaltung zugefügt worden ist, oder mit Futterresten vermischt, dessen Trockensubstanzgehalt 15 % übersteigt.

FOS/TAC-Verhältnis

Der FOS/TAC gibt das Verhältnis des Gehalts an flüchtigen organischen Carbonsäuren (irrtümlich auch als Fettsäuren bezeichnet), zum Gehalt des Carbonatpuffers und andererer puffernder Substanzen an. Dieser Wert beschreibt den biochemischen Zustand im Fermenter und sollte regelmäßig gemessen werden, um Änderungstendenzen frühzeitig erkennen und ggf. eingreifen zu können. Abhängig von der Anlagentechnik sollten bei einphasigen Prozessen die Werte bei ≤ 0,3 liegen, bei Werten ≥ 0,8 ist in der Regel von Prozesshemmungen auszugehen. Der FOS/TAC kann titrimetrisch bestimmt werden (siehe Abbildung).

Dazu werden 20 ml einer zentrifugierten oder gesiebten Fermenterprobe mit 0,1 molarer Schwefelsäure zunächst bis pH 5 (MTAC) und dann bis pH 4,4 (MFOS) titriert. Aus dem Säureverbrauch lässt sich die Menge an TAC und FOS rechnerisch ermitteln.

Flüchtige organische Säuren (FOS)

Bei der Vergärung von Biomasse entstehen im Fermenter Carbonsäuren als Abbauprodukte organischer Moleküle und langkettiger Substanzen z. B. Proteine oder Stärke usw.. Die Konzentration dieser Flüchtigen-Organischen-Säuren (FOS) gibt eine Abschätzung der Abbauvorgänge und eventueller Veränderungen in der Biologie in einem Fermenter oder im Gärrest an. Als Flüchtige Organische Säuren werden im Sprachgebrauch folgende Säuren bezeichnet: Essigsäure (C2), Propionsäure (C3), Buttersäure (C4), iso-Buttersäure(C4), Valeriansäure (C5), iso-Valeriansäure (C5), Capronsäure (C6), iso-Capronsäure (C6). Die Säuren Önanthsäure (C7), Caprylsäure (C8) und Pelargonsäure (C9) sind bei Raumtemperatur ebenfalls flüssig und als flüchtig zu bezeichen. Sie spielen jedoch beim Prozess in Biogasfermentern keine Rolle. Die Bezeichnung z. B. C3 gibt dabei die Anzahl der Kohlenstoffatome im Molekül an. Die Analyse wird in der Regel mittels Gaschromatographie für die Einzelkomponenten (C2 bis C6) oder durch Titration der Säuren als Summenparameter bestimmt. Diese Säurekonzentration gibt in der Folge der Untersuchungen sehr schnell Aufschluss über die kleinsten Veränderungen in dem Gärsubstrat. Im Normalbetrieb ist das Gleichgewicht der Einzelsäuren sehr stark in Richtung der Essigsäure verschoben.

Organische Carbonsären (FOS)

Die allgemeine Formel von Carbonsäure lautet: R-COOH. Die chemischen Eigenschaften von Carbonsäuren ohne zusätzliche funktionelle Gruppen in der Alkylkette werden allein von der Carboxygruppe (COOH) bestimmt. Das Sauerstoffatom der Carbonylgruppe (C=O) hat einen relativ starken elektronenziehenden Effekt, sodass die Bindung zwischen Wasserstoff und dem Sauerstoffatom der Hydroxygruppe stark polarisiert wird. Das fördert die Freisetzung von H+-Ionen und somit die Funktion als Säure. Die Säurestärke einer Carbonsäure ist um so stärker, je kürzer die Alkylkette ist. So ist z. B. die Essigsäure stärker als die Valeriansäure (s. a. FOS/TAC). Die Carbonsäuren entstehen im Fermenter durch Abbau von organischen Biomolekülen zu diesen Carbonsäuren und führen über die Essigsäure auch zur Bildung von Biogas (CH4 + CO2). Analytisch wird der FOS als Summenparameter aller Säuren von der Essigsäure (C2) bis Capronsäure (C6) mittels Titration im Bereich von pH 5,0 und 4,4 ermittelt (siehe auch FOS/TAC).

Gärrest

Der Gärrest wird auch Biogasgülle genannt und ist der meist flüssige aber auch feste Rückstand aus der Vergärung. Der Gärrest, der durch Abgabe „in Verkehr gebracht wird“ und den Hof verlässt muss nach Düngeverordnung aus dem Gärrestlager entnommen werden.

Gärrestlager

Die Gärrestlager sind der Biogasanlage direkt nachgelagerte Speicherbehälter oder Erdbecken, die periodisch, ganz oder auch nur teilweise entleert werden. Gärrestlager werden nicht beheizt und sind nicht wärmegedämmt, so dass über die natürliche bzw. technische Abkühlung im Gärrestlager eine Reduzierung der biologischen Aktivität, d.h. eine Minderung der Restgasemission, erreicht wird.

Gülle

Ein Wirtschaftsdünger aus tierischen Ausscheidungen, auch mit geringen Mengen Einstreu oder Futterresten oder Zugabe von Wasser, dessen Trockensubstanzgehalt 15 %nicht übersteigt.

Homogenisieren

Das Homogenisieren ist das gleichmäßige Vermischen von Stoffen zu einem einheitlichen Gemenge.

Hydrolysebehälter

Der Hydrolysebehälter ist ein Vorbehälter des eigentlichen Fermenters. Hier werden die komplexen, organischen Verbindungen der Substrate (z.B. Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße) biochemisch in einfachere Strukturen (z.B. Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren) zerlegt.

Jauche

Ist ein Gemisch aus Harn und ausgeschwemmten feinen Bestandteilen des Kotes oder der Einstreu sowie von Wasser; Jauche kann in geringem Umfang Futterreste sowie Reinigungs- und Niederschlagswasser enthalten.

Kohlenhydrate

Sammelbezeichnung für die als Naturstoffe sehr weit verbreiteten Polyhydroxyaldehyde (Aldosen) bzw. -ketone (Ketosen) sowie höhermolekularer Verbindungen, die sich durch Hydrolyse in solche Verbindungen überführen lassen (Summenformel meist CnH2nOn oder C(H2O)n, formal also "Hydrate des Kohlenstoffs"). Die bekanntesten im Bioenergiebereich sind Stärke, Zucker, Cellulose.

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

Energieerzeugungs- und Umwandlungsverfahren, bei dem gleichzeitig Strom und Wärme bereitgestellt wird. Durch die Nutzung der Abwärme, die beim Stromerzeugungsprozess in herkömmlichen Kraftwerken ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird, lässt sich der Energienutzungsgrad durch KWK entscheidend erhöhen (von 30 bis 45 % auf 80 bis 90 %).

Kurzumtriebsplantage

Plantagen, in denen schnellwachsende Baumarten wie z. B. Pappeln, und Weiden angebaut und in regelmäßigen Intervallen (alle 3-5 Jahre) mit vollautomatischen Erntemaschinen abgeerntet werden. Sie werden als Biomasselieferanten zur Energiegewinnung genutzt. Aus den verbleibenden Stöcken und Wurzeln kommt der Neuaustrieb für die nächste Ernte.

Lignin

Ein hochpolymerer, aromatischer Pflanzenstoff, der in verholzenden Pflanzen die Räume zwischen den Zellmembranen ausfüllt und zu Holz werden lässt (Lignifizierung bzw. Verholzung). Lignin kommt in Verbindung Hemicellulosen vor.

Lignozellulosepflanzen

Holz- oder grasartige Pflanzen mit hohen Anteilen an Ligninen und Zellulose in der Biomasse.

Nachgärer

Der Nachgärer ist ein Speicherbehälter, der größtenteils „ausgegorenen“ Fermenterinhalt enthält und durch seine Abdeckung in der Lage ist, das in dieser Stufe gebildete Restgas aufzufangen. Sie werden oft beheizt und gerührt.

Normalbedingungen

Will man Biogaserträge unterschiedlicher Anlagen miteinander vergleichen, muss das Volumen der entstehenden Gase, in Abhängigkeit von Druck und Temperatur auf Normbedingungen (d. h. gleicher Druck und gleiche Temperatur) angepasst werden. Das Ergebnis wird dann in Norm-Liter (NL oder LN) pro kg oTM ausgegeben. Definiert wird nach der DIN 1343, dass sich ein trockenes Gas bei einer Normtemperatur von Tn = 273,15 K (oder Tn = 0°C) und einem Normdruck von pn = 101,325 kPa (= 1,01325 bar = 1013,25 mbar) im Normzustand befindet. Als Normvolumen (Vn) bezeichnet man das Volumen eines Gases im Normzustand.

Nutzenergie

Der Anteil der Endenergie, der dem Verbraucher nach der letzten Umwandlung für den jeweiligen Nutzungszweck zur Verfügung steht. Z.B. Licht für die Beleuchtung, mechanische Arbeit von Motoren für Transportmittel, Wärme für die Raumheizung. Nutzenergie wird gewonnen aus Endenergieträgern bzw. der Endenergie, vermindert um die Verluste dieser letzten Umwandlung (z.B. infolge der Wärmeabgabe einer Glühbirne für die Erzeugung von Licht, Verluste in einer Hackschnitzelfeuerung bei der Temperierung eines Raumes).

Organische Reststoffe / Rückstände

fallen bei der Land- und Forstwirtschaft, der Industrie und den Haushalten an. Es zählen dazu: Aball- und Restholz, Stroh, Gras, Laub, Dung, Klärschlamm, organischer Müll. Produkte aus organischen Rest- und Abfallstoffen sind insbesondere Biogas, Deponiegas, Klärgas.

Organische Trockenmasse (oTM)

Die organische Trockenmasse (TM) stellt häufig auch eine Bezugsgrößen für andere Messgrößen dar, die auf eine bestimmte Einwaage, also die Trockenmasse, Bezug nimmt. So bekommen z. B. Stickstoff, Nährstoffe und Spurenelemente die Einheit mg/kg TM oder die Einheit % TM. Ist die Bezugsgröße die organische Trockenmasse (oTM), so ist die Bezeichnung mg pro kg oTM.

Photosynthese

Bildung von Kohlenhydraten (Zuckern) aus Kohlenstoffdioxid und Wasser, die in grünen Pflanzen im Sonnenlicht erfolgt, wobei unter Mitwirkung von Chlorophyll Sonnenenergie in chemische Energie umgewandelt wird. Damit ist die Photosynthese die grundlegende Stoffwechselreaktion der Pflanzen und einer der wichtigsten biologischen Energie-Direktumwandlungs-Prozesse.

pH-Wert

Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der H3O+ Ionen-Konzentration einer wässrigen Lösung.

Der pH-Wert fällt ab, wenn hydrolytische Bakterien organische Substanz schneller abbauen, als methanbildende Mikroorganismen die entstandenen Säuren zu Biogas verwerten können. Dies kann durch Zugabe von zu vielen Kohlenhydraten, Überlastung des Faulraumes oder Störung des biochemischen Gleichgewichts hervorgerufen werden. Das pH-Optimum liegt für die säurebildenden Bakterien bei 5,2 - 6,3 und für die Methanbildner bei 6,7-7,5 (WEILAND 2001). Der pH ist jedoch in der Praxis nicht als Qualitätskriterium für den Biogasprozess geeignet, da er im Falle einer Störung zu träge reagiert.

Schwefeldioxid (SO2)

ist ein farbloses, stechend riechendes Gas. Es entsteht überwiegend als unerwünschtes Nebenprodukt bei der Verbrennung schwefelhaltiger fossiler Energieträger wie Kohle oder Öl. SO2 ist in der Atmosphäre einer Reihe von Umwandlungsprozessen unterworfen, als deren Folge beispielsweise schweflige Säure, Schwefelsäure, Sulfite, Sulfate u. a. Stoffe entstehen können.

Schwermetalle

kommen in der Natur (Gesteine, Böden, Wasser, Pflanzen) nur in sehr geringen Konzentrationen vor. Die Quellen für die Schwermetall-Immissionen sind teils natürlichen Ursprungs (Vulkane, Verwitterung), teils anthropogen als Folge der Industrialisierung. Manche Schwermetalle, wie z. B. Co, Zn, Mn … sind als Spuren- oder Mikronährstoffe für den Stoffwechsel von Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren essentiell.

Stickstoffoxide (NOX)

Sammelbegriff für alle Oxide des Stickstoffs wie z.B. Stickstoffmonoxid NO, Distickstoffoxid N2O und Stickstoffdioxid NO2. Stickstoffoxide greifen die Schleimhäute der Atmungsorgane an und begünstigen Atemwegserkrankungen. In der Luft reagieren die Stickoxide in Verbindung mit Wasser zu Salpetersäure und sind für den Sauren Regen mitverantwortlich und sind damit auch für Pflanzen schädlich.

Spezifische Gasausbeute

Die spezifische Gasausbeute beschreibt die pro Kubikmeter (m³) Gärsubstrat erzielte Gasmenge in Kubikmeter Gas (m³).

Triticale

ist durch die Kombination der Gattungen Triticum (Weizen) und Secale (Roggen) entstanden und mit dem Ziel gezüchtet worden, die hohe Leistungsfähigkeit von Weizen mit der Anspruchslosigkeit von Roggen zu kombinieren.

Trockenmasse (TM)

Will man im Gegensatz zum TS eine Menge beschreiben, bezeichnet man diese als Trockenmasse. Dies gilt insbesondere für die Zugabe von Pflanzenmaterial zu einem Fermenter (Fütterung). Hier spricht man z. B. von 1,2 Tonnen Maissilage TM pro Tag. Zudem ist der Begriff: Masse eine Standard Einheit (SI Einheit).

Trockensubstanz (TS)

Wird nur der Gehalt bzw. die Konzentration in einer Probe bezeichnet, verwendet man die Bezeichnung Trockensubstanz. Wenn z. B. eine Probe drei Stunden bei 105 °C im Trockenschrank war und sich ihr Gewicht auch nach 30 weiteren Minuten nicht verändert hat (Gewichtskonstanz), so ist das Wasser der Probe verdunstet und zurück bleibt eine Probe, deren TS-Gehalt z. B. bei 19 % (oder 190 g Trockensubstanz pro Kilogramm Frischmasse) liegt. Im Abwasserbereich verwendet man statt dem beschriebenen Begriff Trockensustanz auch den Begriff Trockenrückstand (TR).

Vollastbenutzungsdauer

Quotient aus der jährlich erzeugten Energie (z. B. Wärmemenge) und der Nennleistung einer Anlage zur Energieumwandlung.

Vorgrube

Die Vorgrube ist ein Sammel- und Vorratsbehälter, in dem das frische Biogas-substrat eingebracht und dann kontinuierlich (meist mehrmals täglich) in bestimmten Mengenanteilen der Biogasanlage zugeführt wird.

Wachstumsregulatoren

Präparate, die in den Stoffwechsel der Pflanzen eingreifen und z. B. in Getreide und Raps mit dem Ziel eingesetzt werden, eine Halm- oder Stengelverkürzung und damit eine bessere Standfestigkeit zu bewirken.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad einer technischen Anlage (z.B. Kraftwerk) ist ein Maß für das Verhältnis des erreichten Nutzens gegenüber dem eingesetzten Aufwand oder auch das Verhältnis (der Quotient) aus nutzbarer Energie zu eingesetzter Energie. Der Wirkungsgrad ist dabei vor allem ein Kriterium für die Güte eines Prozesses.