BIOGASNUTZUNG IN DER ANTRIEBSTECHNIK
Letzte Änderung: 11.02.2010
Biogasnutzung in der Antriebstechnik
Autoren: Colette Bomnüter und Holger Fiegenbaum (Letzte Änderung: 11.02.2010)
Inhaltsverzeichnis
1. Bedeutung der Technologie / Marktentwicklung für das Handwerk
2. Stand der Technik und Entwicklungstendenzen
2.1 Zusammensetzung von Biogas und Notwendigkeit der Aufbereitung
2.2 Aufbereitungstechnik
2.3 Fahrzeugtechnik für Biogasnutzung
3. Marktpotential
4. Notwendige Aktivitäten
5. Quellen
6. Fachberatung und Fachkontakte
1. Bedeutung der Technologie / Marktentwicklung für das Handwerk
Hinsichtlich der Verwendungsalternativen für Biogas ist neben der bisher üblichen Verstromung und der damit sinnvollerweise zu nutzenden Abwärme in den letzten Jahren auch die Einspeisung ins Erdgasnetz oder sowie die Verwendung als Treibstoff zunehmend diskutiert worden. Letztere Verwendungsalternativen benötigen in ihrem Verfahrensprozess zwingend eine Gasaufbereitung.
Verwendungsalternativen für Biogas
Im Rahmen der Klimaschutzdiskussion rückt die Frage nach alternativen Antriebsstoffen zunehmend in den Mittelpunkt. Ziel ist es dabei, Antriebsstoffe aus regenerativen Energiequellen zu verwenden und als Alternative zu fossilen Brennstoffen - mit ihren klimaschädlichen Auswirkungen und vor dem Hintergrund der endlichen Verfügbarkeit- einzusetzen. Eine Möglichkeit stellt dabei die Nutzung von Biogas/Biomethan als Antriebsstoff für Fahrzeuge dar.
Die nachfolgende Abbildung macht deutlich, dass bezogen auf ein Hektar Anbaufläche der Energieertrag in Dieseläquivalent (Liter je Hektar) bei Biogas/Biomethan mit rd. 4.000 l/ha im Vergleich zu den anderen Biokraftstoffarten am höchsten ist. Dies hängt u. a. damit zusammen, dass Biomethan gegenüber Bioethanol und auch gegenüber Biodiesel eine höhere Energiedichte (Heizwert) aufweist.
Jahresertrag an Biokraftstoffen pro Hektar und resultierende Reichweite
Durch verbesserte Aufbereitungsmöglichkeiten und neue Entwicklungen in der Motortechnik ist der Einsatz heute schon technisch möglich. Die Umrüstung von Fahrzeugen sowie die Wartung und Reparatur von Biogas betriebenen Fahrzeugen kann für das Handwerk, vor allem für Kfz-Techniker und Landmaschinenmechaniker, ein interessantes Betätigungsfeld darstellen.
Darüber hinaus ist das Feld des Biogasanlagenbaus ein hochkomplexer Aufgabenbereich für das Handwerk - letztlich als ausführender Faktor. Metallbau, Betonbau, Elektrotechnik, Maschinenbau, SHK (Ver- und Entsorgung, Rohrleitungsbau), Holzbau bis hin zum Straßenbau sind Aufgabenfelder die durch das Handwerk ausgeführt werden. Während des Betriebs sind regelmäßige Wartungsarbeiten erforderlich, beispielsweise im Bereich der Blockheizkraftwerke sowie in den vor- und
nachgelagerten Peripherien.
2. Stand der Technik und Entwicklungstendenzen
2.1 Zusammensetzung von Biogas und Notwendigkeit der Aufbereitung
Biogas entsteht als Produkt des anaeroben Abbaus organischer Substrate durch Mikroorganismen. Hauptbestandteil des entstehenden Gases ist dabei Methan (CH4) als brennbare Biogaskomponente. Neben dem nutzbaren Methan enthält Biogas aber immer verschiedene weitere Komponenten, deren Zusammensetzung in Abhängigkeit vom jeweiligen Ausgangssubstrat variiert.
Diese Begleitkomponenten machen eine Aufbereitung des Biogases vor der weiteren Nutzung erforderlich, um eine Verminderung der Nutzungseffizienz oder die Entstehung unzulässiger Schadgasemissionen zu verhindern. Andernfalls könnte es sonst zu Schäden kommen und vor allem die energetischen Qualitätsanforderungen nicht erreicht werden. So führt z. B. Kohlendioxid zu erhöhter Korrosion und vermindert Brennwert und Zündverhalten. Schwefelwasserstoff bedingt ebenfalls erhöhte
Korrosion und verursacht unerwünschte SO2-Emissionen bei der Verbrennung.
2.2 Aufbereitungstechnik
Um die erforderlichen Qualitätsanforderungen für die Nutzung als Kraftstoff - das bedeutet die Aufbereitung von Biogas auf Erdgasqualität - zu erfüllen, muss das Biogas in einem technisch aufwändigen Verfahren aufbereitet werden, da die bisher marktverfügbaren Bi-Fuel Ottomotoren konstruktiv auf Erdgasqualität abgestimmt sind.
Die wesentlichen Verfahrensschritte der Aufbereitung sind dabei Trocknung, Entschwefelung, Methananreicherung und Partikelabscheidung.
Neben dem hier aus vereinfachten Demonstrationsgründen gezeigten Aufbereitungsverfahren der chemisch/physikalischen Gaswäsche als feuchtes Verfahren gibt es noch das Membranverfahren in feuchter oder trockener Form sowie das trockene Adsorptionsverfahren, beispielsweise mittels Druckwechseladsorption. Letzteres Verfahren weist aktuell im Rahmen der Biomethanaufbereitung die meisten Verfahrensvorteile auf, ist allerdings aufgrund der höchsten Investitionskosten weniger für
kleinere Biogasanlagen geeignet.
2.3 Fahrzeugtechnik für Biogasnutzung
Im Technikfeld der Ottomotoren sind alle marktgängigen Erdgasfahrzeuge für die Nutzung von aufbereitetem Biogas geeignet. Gegenwärtig werden auf dem Markt Erdgasfahrzeuge von den folgenden Herstellern werksseitig angeboten (in alphabetischer Reihe): Citroen, Fiat, Ford, Daimler (Mercedes-Benz), Opel und Volkswagen. Ferner gibt es auch von den meisten der Hersteller spezielle Nutzfahrzeuge sowie einige nachgerüstete Modelle. Eine gute Übersicht inklusive
Busse gibt die Seite: www.erdgasfahrzeuge.de
International gesehen gibt es bereits seit Jahren verschiedene Systeme, die auch eine Bi-Fuel Nutzung von Biogas/Erdgas in Dieselmotoren ermöglichen.
Als namhafter Hersteller baut John Deere North America bereits seit Jahren eine Motorenlinie, die als Bi-Fuel-Dieselmotor ausgelegt ist. Dieses Aggregat wird vornehmlich in Bussen und Zuliefertrucks installiert, die insbesondere auch für Innenstadtverkehre eingesetzt werden.
Ursächlich für diese Entwicklung waren zunächst vorausgegangene Senkungen der Schadstoffgrenzwerte für solche Fahrzeuge im US-Bundesstaat Kalifornien. In diesem Zusammenhang entstanden aber auch in den gesamten USA und in anderen Regionen der Erde diverse Unternehmen, die sich mit der Nachrüstung von Dieselmotoren als BiFuel Diesel/Gas beschäftigen. Auf diese Weise war es möglich, auch alte Diesel in ihrem Schadstoffausstoß deutlich zu verbessern.
Darüber hinaus ist aktuell neben den Umweltvorteilen gerade auch für aktuelle schwere Nutzfahrzeuge eine solche Umrüstung aus wirtschaftlicher Sicht sinnvoll.
Eine gute Technologieübersicht findet sich beispielsweise auf der Internetseite www.cleanairpower.com .
Je nachdem wie hoch der verbleibende Dieselanteil am Gesamttreibstoffverbrauch ist ( min. 15%), sind dann bei der Nutzung von Biogas bis zu 80% Co2 Reduktion gegenüber reinem Dieselbetrieb möglich, bei Erdgasbetrieb immer noch 15%. Der Partikelausstoß reduziert sich um bis zu 40%.
CO2 Emissionen im Vergleich
|
|
|
|
|
|
Verbrauch
|
CO2-Ausstoß
|
Laufleistung
|
CO2-Ausstoß
|
|
100 km
|
pro km
|
km pro Jahr
|
kg pro Jahr
|
|
|
|
|
|
Benzin Pkw
|
8,4 Ltr.
|
200 g
|
30.000
|
6.000
|
|
|
|
|
|
Diesel Pkw
|
6,8 Ltr.
|
180 g
|
30.000
|
5.400
|
|
|
|
|
|
Flüssiggas Pkw
|
10 Ltr.
|
264 g
|
30.000
|
7.920
|
|
|
|
|
|
Erdgas Pkw
|
5 kg
|
138 g
|
30.000
|
4.140
|
|
|
|
|
|
Biogas
|
CO2-Neutral
|
|
30.000
|
0
|
|
|
|
|
|
Diesel Lkw
|
30,0 Ltr.
|
790 g
|
150.000
|
118.500
|
|
|
|
|
|
Lkw mit Biogas/Diesel
|
10 kg+15 Ltr.
|
395 g
|
150.000
|
59.250
|
Quelle: Luhmann
Mittlerweile gibt es vergleichbare Systeme auch in Deutschland. Das Unternehmen Luhmann GmbH, Holdorf berichtete auf der Biogasfachtagung im November 2009 in Hitzacker von seinem Diesel Biogas Mischbetriebssystem. Dieses „Trigas"-System geht davon aus, dass nur etwa die Hälfte des Dieseltreibstoffs durch Biogas/Erdgas ersetzt wird. Dieses ermögliche bei einer unterstellten Fahrleistung von 150.000 km/Jahr bei einem angenommenen Verbrauch von 30 l Diesel/100 km eine CO2
Reduktion von bis zu 50%, eine Partikelreduktion um ca. 20%. Dadurch ergebe sich eine Kraftstoffkostensenkung von bis zu 25%, so dass sich das System daher bereits nach ca. 1,5 Jahren amortisiere.
3. Marktpotential
Auch Angebote induzieren Nachfrageeffekte. Das konnte durch die Einrichtung der ersten Biogastankstelle in Jameln (Nordostniedersachsen) 2006 gezeigt werden. In einer Region ohne bisherige Erdgas/Biogas-Tankstelle wurde durch die Einrichtung ein erheblicher Anteil an Erdgasfahrzeugen bei der Neuanschaffung ausgelöst.
Folgende Kriterien weist die Biogastankstelle auf:
Ferner ist zu erwarten, dass auf mittlere Sicht die Nachfrage nach Treibstoffen aus erneuerbaren Energiequellen zunehmen wird, da bereits als Megatrend u. a. Ressourcenknappheit und wachsende Bedeutung des Umweltschutzes identifiziert werden (Grömling).
Nach Angaben des Kraftfahrt-Bundesamtes (KBA) zeigt sich seit kurzem ebenfalls ein deutlicher Trend: Bei derzeit noch vergleichbar geringem Anteil am Gesamtfahrzeugbestand ist die Wachstumsrate alternativer Antriebe
bemerkenswert. So wuchs beispielsweise der Bestand der Fahrzeuge mit Flüssiggasantireb (LPG) um knapp 90 % im Vergleich zum Vorjahr. Rund 367.000 Pkw tanken LPG oder Erdgas (KBA). Das entspricht bei rund 42 Millionen Pkw ca. 0,9 %. Und die Tendenz ist steigend.
Seitens der EU werden Ziele für den Transportverkehr formuliert, wodurch die Treibhausgase im Nutzfahrzeugverkehr bis 2020 um 20 % zu reduzieren sind und die Energieeffizienz um 20 % zu steigern ist. Diese Ziele, so zeigten die bisherigen Untersuchungen, ließen sich bereits aktuell durch eine Gasnachrüstung für einen Bi-Fuel-Diesel-Betrieb erreichen. Daher kann erwartet werden, dass in Folge dessen ein Nachrüstmarkt für Gasbeimischungstechnologie im Nutzfahrzeugsegment
zu erwarten ist, wie er sich seit einigen Jahren bei der LPG/Flüssiggas-Umrüstung bei den Benzin-Pkw entwickelt hat.
Folglich kann sich dadurch ein neues zusätzliches Betätigungsfeld insbesondere für Nutzfahrzeugwerkstätten entwickeln.
4. Notwendige Aktivitäten im Technologietransfer
Bei einer entsprechenden Marktresonanz wird es erforderlich, Meister und Gesellen des Kraftfahrzeug- und Landmaschinenmechaniker-Handwerks entsprechend durch geeignete Aus- und Fortbildungsinhalte zu schulen. Diese Schulungsinhalte sollten dann in Abstimmung mit den Komponentenherstellern erfolgen. Als geeignete Fortbildungsstandorte bieten sich z. B. die Technologiezentren der Handwerkskammern an. Erfahrungen grundsätzlicher Art liegen aus vergleichbaren
Technikbereichen z. B. im Werkstattzentrum Fahrzeugtechnik sowie beim 2009 eröffneten Kompetenzzentrum für Nutzfahrzeug- und Landmaschinentechnik (KomzetNLTec) bei der Handwerkskammer Braunschweig-Lüneburg-Stade im Technologiezentrum Lüneburg vor.
Inhaltliche Abstimmungen zwischen der Zulieferwirtschaft und dem KomzetNLTec werden durch die Beauftragten für Innovation und Technologie aktiv begleitet.
Darüber hinaus wird ein zusätzlicher Informationstransfer durch die Beauftragen für Innovation und Technologie (BIT) erforderlich sein, um die umweltbedeutsamen Vorteile bei der Nutzung von Biogas als Erdgassubstitut darzustellen. Aufgrund der guten TT-Netzwerkstrukturen sollte es gelingen, diese Inhalte bundesweit zu transportieren, um so durch Multiplikatorfunktion eine möglichst weite Chance der Technologieverbreitung und Umsetzung in die Praxis zu
erzielen.
5. Quellen
vTI: von Thünen Institut, Braunschweig, Prof. Dr. Ing. Peter Weiland: Vortrag „Biogaserzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen - Welche Substrate, Verfahren und Betriebsweisen finden Anwendung?" auf der Veranstaltung "Innovative Konzepte für Biogas" der Handwerkskammer Lüneburg-Stade am 20.02.2007 in Lüneburg.
Carbotech: Dr. Alfons Schulte-Schulze-Berndt Vortrag „Einspeisung in das Erdgasnetz" auf der Veranstaltung "Innovative Konzepte für Biogas" der Handwerkskammer Lüneburg-Stade am 20.02.2007 in Lüneburg.
DBFZ: Deutsches Biomasse Forschungszentrum, Dipl.-Ing. Elmar Fischer Vortrag „Biogasnutzung mit ORC-Anlagen" auf der Veranstaltung "Innovative Konzepte für Biogas" der Handwerkskammer Lüneburg-Stade am 20.02.2007 in Lüneburg.
Grömling, M., Haß, H.-J. 2009 Globale Megatrends und Perspektiven der deutschen Industrie, Köln
EU: Europäische Union 2009: Report on transport scenarios with 20 and 40 year horizon (transvision) www.ec.europa.eu/transport
KBA: Kraftfahrt-Bundesamt: Immen, Stephan Pressemitteilung Nr. 7/2009: Der Fahrzeugbestand am 01. Januar 2009
Luhmann, Alfred: Vortrag „Mobilität mit Biogas - Mischbetrieb Diesel/Biogas" auf dem Biogasfachkongress Hitzacker (Elbe) am 24.11.2009
6. Fachberatung und Fachkontakte
von Thünen-Institut-Braunschweig
http://www.vti.bund.de
Niedersachsen Netzwerk Nachwachsende Rohstoffe 3 N
http://www.3-n.info
Bioenergie Region Wendland Elbetal
http://www.bioenergie-wendland-elbetal.de
Biogastankstelle-Übergabestation-Netzanschluß
http://www.biogastankstelle.de
Gasaufbereitung: z.B.
http://www.dfbz.de
http://www.carbotech.info
Fachverband Biogas
http://www.biogas.org
Gasbeimischung in Dieselmotoren
http://www.cleanairpower.com