Das Bio-Energie-Zentrum (BEZ) der infra fürth gmbh

Betrieb einer Biogasanlage mit Gasaufbereitung

Autor: Tobias Beck - Rudolf Hofmann, infra fürth GmbH (Stand: Mai 2015)

1. Allgemeine Informationen

Die infra fürth gmbh sieht sich als innovatives und umweltfreundliches Unternehmen und legt sehr großen Wert auf ein nachhaltiges Konzept zur regenerativen Energieversorgung. Daher hat die infra bereits 2006 durch eine Machbarkeitsanalyse mit der Vorplanung einer Biogasanlage begonnen und im Oktober 2010 mit dem Spatenstich die Umsetzung beschlossen. Bereits im Dezember 2011 wurde das erste Gas produziert und das BEZ konnte somit offiziell den Betrieb aufnehmen. Mit diesem Projekt will die infra einen Teil (ca. 4 bis 6%) der jährlich benötigten Erdgasmenge durch das in der Biogasanlage erzeugte Bioerdgas ersetzen. Dies vermindert die Abhängigkeit von Erdgasimporten und verlagert die Wertschöpfung in die Region. Für die Natur und Umwelt bedeutet der Bau des BEZ eine Einsparung des Primärenergieeinsatzes und somit eine Reduzierung des CO2-Ausstoßes. Nach Berechnungen werden hierdurch ca. 17.400 t CO2 eingespart. Dadurch kann die infra ein größeres Produktspektrum anbieten, z.B. 100% grünes Gas (Biogas), und der Bezug der Substrate aus der Region erfolgt nach dem Motto „aus der Region für die Region“.

Der Standort liegt an der Bundesstraße 8 in Nähe der Ausfahrt Horbach im Bereich der Gemarkungsgrenze Langenzenn (Horbach) und Cadolzburg (Roßendorf). Der Bau des BEZ umfasste die Errichtung einer Biogasanlage mit Gasaufbereitung zur Einspeisung von Bioerdgas direkt in die infra- eigene Leitung zwischen Langenzenn und Seukendorf.

Die Leistung der Anlage beträgt ca. 2,30 MW_el bzw. 7,5 MW_Hs, wobei Nachwachsende Rohstoffe (NawaRo), wie z.B. Maissilage, Gras- und Ganzpflanzensilage und Zuckerrüben eingesetzt werden. Zur Aufbereitung des Biorohgases in Bioerdgas wird eine Druckwasserwäsche (DWW) eingesetzt. Das in das Erdgasnetz eingespeiste Bioerdgas kann dann in Blockheizkraftwerken verwendet werden, wie sie u.a. in den 4 Heizkraftwerken in Fürth mit vollständiger Wärmeauskopplung hocheffizient betrieben werden.

Die Dimensionierung der Anlage wurde neben der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit natürlich auch an die örtlichen Gegebenheiten am Standort angepasst. Hierbei wurde besonderes Augenmerk auf eine hohe Verträglichkeit mit dem Anlagenumfeld gelegt, was insbesondere die Substratbereitstellung betrifft. Zur Prüfung sind im Rahmen der Genehmigungsverfahren Gutachten für Lärm-, Geruch- und Transportemissionen eingeholt worden.

2. Anlagenkonzept und Funktionsprinzip

Das BEZ ist auf einer Gesamtfläche von ca. 72.000 m² errichtet worden. Die Fläche bietet Platz für die zweisträngige Anlage und für die Lagerung der Substrate direkt vor Ort. Das Biogas wird durch eine hocheffiziente Nassfermentation in mehreren Schritten gewonnen und in der anschließenden Gasaufbereitung auf Erdgasqualität aufbereitet. Die ausgegorenen Substrate werden zunächst in den Gärrestlagern deponiert. Diese so genannten Gärreste sind reich an Nährstoffen und werden als hochwertiger Dünger eingesetzt. Die Gärreste werden von den Landwirten abgeholt und wieder auf die Felder ausgebracht.

Der Heizbetrieb der Anlage erfolgt jahreszeitbedingt von ca. Oktober bis ca. April mit einer Wärmeleistung von 100 – 350 kW. Beheizt wird die gesamte Anlage (Fermenter 50°, Nachfermenter ca. 45°C) und die Gebäude über eine 500 kW Hackschnitzelheizung. Als Reserve (Redundanz) kann zusätzlich mit einem BHKW (ca. 320kWth, dient im Nor-malbetrieb als Notstromaggregat) und einem Gasheizkessel (ca. 350 kW_th) beheizt werden. Die Endlager werden nicht beheizt.

Die Rohstoffversorgung für das Bio-Energie-Zentrum übernimmt hierbei ausschließlich die BMLG Biomasseliefergesellschaft mbH, die sich aus Vertretern von Maschinenringen und der Erzeugergemeinschaft Qualitätsgetreide zusammensetzt. Dazu schließt die BMLG mit den einzelnen Landwirten Verträge ab, organisiert die Ernte und Logistik und verdichtet die angelieferten Substrate in den Fahrsilos.

Im Liefervertrag verpflichtet sich die BMLG, keine Pflanzen oder Pflanzenteile, die gentechnisch verändert sind, zu liefern bzw. zu verarbeiten. Der Einzugsbereich für die Substrate er-streckt sich aus ökologischen sowie ökonomischen Gesichtspunkten auf ca. 15 km um die Anlage herum. Je nach Verfügbarkeit wird die Rohstoffversorgung mit weiteren Substraten, wie z.B. Blühpflanzenmischungen, Blühende Silphie, Hirsen und Riesenweizengräser ergänzt.

3. Daten zur Anlagengröße (Planungsdaten)

Leistung der Anlage	2,30 MW_el zur Erzeugung von ca. 5,5 Mio. Nm³/a Biogas
Stromproduktion	ca. 20 Mio. kWh/a
Wärmeproduktion	ca. 31 Mio. KWh/a
Größe des Betriebsgeländes	ca. 72.000 m²
jährlicher Substrateinsatz	ca. 40.000 t Maissilage ca. 6.000 t Ganzpflanzensilage ca. 3.000 t Grassilage ca. 3.000 t Zuckerrüben
Gärbehälter je Strang	1 Fermenter (Ring-in-Ring) 34 m Durchmesser, 8 m Höhe, Ortbetonbauweise, Stahlbetondecke 1 Nachfermenter 34 m Durchmesser, 8 m Höhe, Ortbetonbauweise, Tragluftdach 2 Gärrestlager 34 m Durchmesser, 8 m Höhe, Ortbetonbauweise, Tragluftdach
Gasspeicher	6 Tragluftdächer mit je ca. 6.000 m³ Speicherkapazität (in Summe ca. 36.000 m²)
Gasaufbereitung	DWW für 700 Nm³ aufbereitetes Biomethan je Stunde (ca. 1.400 NM³/h Rohbiogas

Die gewonnene Gasmenge entspricht z.B. bei einer Nutzung in BHKWs einer Strommenge für ca. 6.300 Haushalte und einer Wärmemenge für bis zu 2.000 Haushalte.

4. Gesamtenergiebilanz und ökologische Nachhaltigkeit

Zur Bewertung der Umwelteffekte wurde eine Betrachtung der CO2- Emissionen durchgeführt. Die Berechnungen ergeben eine positive Gesamtbilanz des Bio-Energie-Zentrums. Im deutschen Strom- und Wärmemix entstehen bei der Produktion der gleichen Menge an Strom und Wärme, die auch das Bio-Energie-Zentrum im Äquivalent erzeugt, insgesamt ca. 22.000 t CO2 (Strom 13.000 t CO2/ Wärme 9.000 t CO2). Die gesamten CO2- Emissionen des Bio-Energie-Zentrums, von der Ansaat der Pflanzen bis zum Ausbringen der Gärreste (inkl. Transport), betragen lediglich ca. 4.600 t CO2. Dies entspricht einer CO2- Einsparung von ca. 17.400 t CO2 oder ca. 80% gegenüber herkömmlicher Erzeugung.

5. Herausforderungen Bio-Energie

Die Herausforderungen bei Bio-Energie Projekten sind vielseitig und reichen von ersten Überlegungen, über die Projektplanung, die Umsetzung und dem anschließenden Betrieb der Anlagen. Diese beginnen bereits bei der Suche nach geeigneten Standorten, da auf unterschiedliche Randbedingungen, wie z.B. die Erschließung mit Gas und Strom, geachtet werden muss. Auch sind angrenzende Wohnbebauungen oder die Anbindung an öffentliche Verkehrswege meist wichtige Entscheidungskriterien.

In der Planungsphase müssen dann weitere Herausforderungen bewältigt werden, die speziell bei der Planung einer Biogasanlage sehr weitreichend sind. Neben einem geeigneten Grundstück mit ausreichend Fläche, einer verkehrsgünstigen Anbindung und der Erschließung mit Strom, Wasser und Gas sind zahlreiche Gutachten und Stellung-nahmen für die Genehmigungsunterlagen einzuholen. Diese reichen von Gutachten über die zukünftige Verkehrsbelastung, über Geruchsgutachten zur Ausbreitung des Geruchs der Anschnittsfläche der Fahrsilos bis hin zu Gutachten über den Hohlraumgehalt der Asphaltflächen der Fahrsiloanlage und die dauerhaft dichten Anschlüsse an die Fahrsilowände.

Parallel zur Genehmigung für Immissionsschutz (BImSchG) und Wasserrecht erfolgt auch die Erstellung des Bebauungsplans mit der Festlegung der Auflagen und der notwendigen Ausgleichsflächen. Es werden Berechnungen zu versiegelten Flächen angestellt und der Eingriff in die Natur bewertet. Anhand dieser Ergebnisse wird festgelegt, welche Ausgleichsmaßnahmen, wie z.B. ökologische Aufwertung von Flächen oder auch das Einbezahlen in Ökokonten, erforderlich sind.

Bei der Planung des Bio-Energie-Zentrums war es zudem notwendig, die Ableitung des anfallenden Regenwassers in einen naheliegenden Bach zu planen, da ein Abwasserkanal zur Einleitung nicht zur Verfügung stand.

Einer der wichtigsten Punkte bei der Vorplanung ist allerdings der Abschluss von Lieferverträgen mit den Landwirten bzw. mit dem Zusammenschluss einer Liefergemeinschaft, wie es bei der infra fürth die BMLG Biomasseliefergesellschaft ist. Die Biomasseliefergesellschaft besteht zu gleichen Anteilen aus Gesellschafter von zwei Maschinen- und Betriebshilfsringen und aus einem Gesellschafter aus der Erzeugergemeinschaft für Qualitätsgetreide. Sie übernimmt die Rohstoff-Akquirierung, organisiert die Ernten und die Gärrestabholung und übernimmt den Transport und die Einsilierung der Rohstoffe auf der Anlage.

Weitere Herausforderungen ergeben sich auch in der Bauphase bzw. nach der Fertigstellung. Die Biogasanlage wird durch diverse Behörden und Sachverständige abgenommen. Für Biogasanlagen, die mehr als 10.000 kg Biogas an der Anlage speichern können und das aufbereitete Bio-Erdgas in ein Erdgasnetz einspeisen, ergeben sich zusätzliche Pflichten und Auflagen.

Hohe Sicherheitsauflagen für Biogasanlagen

Generell müssen alle Biogasanlagen ein Brandschutzkonzept bzw. einen Feuerwehrplan und ein Explosionsschutz-Dokument vorweisen können, in dem die möglichen Gefahren auf der Anlage betrachtet werden. Des Weiteren sind solche Anlagen sowohl von einem Sachverständigen für Wasserrecht bzw. VAwS (Verordnung für wassergefährdende Stoffe) gemäß Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) als auch von der zuständigen Genehmigungsbehörde abzunehmen. Auch wurde durch die infra dem Landratsamt Fürth als Genehmigungsbehörde nachgewiesen, dass bei den errichteten Fahrsiloanlagen der Asphalt mit säurebeständigen Zuschlagstoffen ausgeführt wurde und der maximale Hohl-raumgehalt kleiner 3% im eingebauten Zustand nicht überschreitet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Sickersaft als wassergefährdend (WGK 1, schwach wassergefährdend) eingestuft ist und somit die Dichtheit der Fahrsilos dringend erforderlich ist. Ebenso wurde auch die Dichtheit des Anschlusses vom Übergang des Asphalts der Fahrsiloanlage auf die Betonwände in einem aufwändigen Verfahren ausgeführt und dem Landratsamt in Form eines Gutachtens nachgewiesen.

Bei Biogasanlagen, die unter die Störfallverordnung fallen (> 10.000 kg Biogas Speicherkapazität) muss zusätzlich ein Konzept zur Verhinderung von Störfällen inkl. einem Sicherheitsmanagement erstellt werden. Hier werden die Gefahrenpotenziale der eingesetzten Stoffe erörtert und eine anlagenspezifische Risikoanalyse mit Maßnahmen zur Verhinderung von Störfallen aufgestellt. In einem weiteren Schritt wird noch das Anlagen- und Sicherheitsmanagement beschrieben.

Erfolgt die Verwertung des Biogases nicht, wie bei den meisten Anlagen, über ein Blockheizkraftwerk (BHKW), sondern über eine Gasaufbereitung, bei der das Biogas auf Erdgasqualität aufbereitet wird, so muss die Anlage zusätzlich noch gemäß Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) abgenommen werden.

In der letzten Phase des Projektes, also im Betrieb der Anlage, werden sämtliche Abnahmen, Auflagen und erstellten Dokumente wieder aufgegriffen. Je nach Art der Genehmigung sind wiederkehrende Prüfungen durchzuführen. Als Beispiel müssen das Explosionsschutz-Dokument, das Störfallkonzept und auch der Feuerwehrplan jährlich auf Aktualität überprüft werden. Die wiederkehrende Prüfung gemäß Betriebssicherheit muss hingegen alle 3 Jahre durch einen Sachverständigen durchgeführt werden.

Die Erzeugung von Strom, Wärme und Gas aus regenerativen Quellen unterliegt starken jahreszeitlichen Schwankungen. Insbesondere die Stromgewinnung aus Sonne und Wind ist sehr stark vom aktuellen Wetter abhängig und nur sehr schwer prognostizierbar.

Bei Erzeugung von Strom bzw. Gas aus nachwachsenden Rohstoffen, wie z.B. Mais, Gras und Ganzpflanzensilage (GPS), kann hingegen kontinuierlich bzw. geregelt produziert werden. Das Wachstum der Rohstoffe bzw. die Ernten sind jedoch sehr stark vom vorherrschenden Wetter abhängig und dementsprechend jährlich stark schwankend.

Diese Schwankungen und Unwägbarkeiten müssen bereits bei der Vorplanung und Erstellung der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung berücksichtigt werden und mit einem gewissen Sicherheitsaufschlag ergänzt werden.

6. Wertschöpfungskette

Obwohl es eine Reihe von Herausforderungen und Auflagen bei der Planung, der Errichtung und den Betrieb von Bio-Energie-Anlagen gibt, sieht die infra die Investition in Bio-Energie als eine Investition für die Zukunft und eine Verbesserung für die Region.

Speziell im Bereich von Bio-Energie in Form von Biogas reicht die Wertschöpfungskette von der Landwirtschaft über den Verkauf des erzeugten Bio-Erdgases, des grünen Stroms und der regenerativen Fernwärme im Stadtgebiet und Landkreis Fürth bis hin zum Imagegewinn für alle Beteiligten.

Für die Landwirtschaft bedeutet die Versorgung einer Biogasanlage mit Rohstoffen ein weiteres Standbein zur Vermarktung von Ackerfrüchten in der Region zu einem wirtschaftlichen Preis mit langfristiger Absicherung. Somit kann durch den Betrieb einer Biogasanlage die lokale Land- und Forstwirtschaft gestärkt werden. Darüber hinaus sind bei der infra fürth durch den Rücktransport des anfallenden Gärrestes auf die Ackerflächen kurze Nährstoffkreisläufe aufgebaut, wodurch auf industriell erzeugten Dünger größtenteils verzichtet werden kann und somit die Wertschöpfung ebenfalls in der Region verbleibt. Auch sind in den Rohstoff-Lieferverträgen weitere diverse Punkte, wie z.B. Fruchtfolge mit maximal 1/3 Maisanbau und der Verzicht auf gentechnisch verändertes Saatgut, vereinbart. Dadurch kann die Nachhaltigkeit und die gute landwirtschaftliche Praxis sichergestellt gestellt werden.

Die infra betreibt neben der Biogasaufbereitungs- und Einspeiseanlage auch die Roh-Biogas-Erzeugungsanlage. Dadurch verbleibt die gesamte Abwicklung von der Anlieferung der Rohstoffe bis hin zur Vermarktung des aufbereiteten Bio-Erdgases im Unternehmen, was nicht nur positiv für die Wertschöpfungskette ist, sondern zudem auch beim Bau und Betrieb der Anlage mögliche Schnittstellen reduziert und somit wiederum Zeit und Risiko einspart. Das aufbereitete Bio-Erdgas wird anschließend u.a. über die infra-eigenen Blockheizkraftwerke mit vollständiger Wärmeauskopplung verstromt. Neben dem erzeugten Strom, der gemäß dem EEG (Erneuerbaren-Energien-Gesetz) über 20 Jahre konstant vergütet wird, wird auch die produzierte Wärme vollständig genutzt und als Fernwärme verkauft. Dies bietet auch den Fernwärmekunden einen Vorteil, da durch den Einsatz von regenerativen Quellen der Primärenergiefaktor reduziert wird und dies wiederum Kostenersparnisse bei anstehenden Sanierungen bedeutet.

Weitere Bio-Erdgasmengen werden in das Portfolio aufgenommen und an Kunden vermittelt, die ebenfalls Blockheizkraftwerke betreiben, oder Wärme aus regenerativen Quellen erzeugen wollen.

7. Zusätzliche Wertschöpfungen

Weitere Wertschöpfungen ergeben sich aus der Direktvermarktung des erzeugten Stroms bzw. der Vermarktung als Regelenergie. Gemäß dem Erneuerbare-Energien-Gesetz bezeichnet die Direktvermarktung den Verkauf von Strom aus erneuerbaren Energiequellen an Dritte oder an der Börse.

Neben dem direkten Verkauf der erneuerbaren Strommenge an Endverbraucher, wie z. B. die Belieferung von Industrieunternehmen, ist vor allem das Marktprämienmodell beliebt. Dabei wird in der Regel der gesamte erzeugte Strom einer EEG-Anlage an einen Direktvermarkter veräußert. Diese Vermarktungsform soll im Vergleich zur Netzeinspeisung mit fester Einspeisevergütung die Markt- und Netzintegration der Erneuerbaren Energien fördern. Der Anlagenbetreiber erhält für diese Art der Vermarktung eine Marktprämie. Gemeinsam mit dem Verkaufserlös der Strommenge vom Direktvermarkter ergibt sich für den Anlagenbetreiber im Marktprämienmodell eine höhere Vergütung seines Erneuerbaren Stroms.

Seit 1. April 2015 müssen EEG-Anlagen im Marktprämienmodell eine Fernsteuerbarkeit durch Dritte nachweisen, um die Marktprämie vom Netzbetreiber zu erhalten. Die Höhe der Managementprämie für fernsteuerbare Anlagen liegt 2015 für erzeugten Strom aus Windenergie und solarer Strahlungsenergie bei 0,40 ct/kWh und aus Wasserkraft, Deponiegas, Klärgas, Grubengas, Biomasse und Geothermie bei 0,20 ct/ kWh.

Für steuerbare Stromerzeugungsanlagen besteht die Möglichkeit zur Teilnahme am Regelenergiemarkt. Für ein stabiles Netz ist es wichtig, dass die Menge des bereitgestellten Stroms der Menge des verbrauchten Stroms entspricht. Stellt der Übertragungsnetzbetreiber Abweichungen fest, ordert er von den Teilnehmern am Regelenergie-markt entsprechend negative oder positive Regel- bzw. Ausgleichsenergie. Für die Teilnahme am Regelenergiemarkt ist eine Präqualifikation notwendig. Es können Primär- und Sekundärregelleistung sowie Minutenreserve angeboten werden. Erhält man den Zuschlag, wird die Bereitstellung der ausgeschriebenen Regelenergie hierfür entsprechend vergütet.