Brennbares Gas

6.1 Einleitung

Das Wissen um brennbares Gas, das aus verrotteten pflanzlichen Stoffen gewonnen wird, ist seit der Zeit der alten Perser bekannt. Später, als die Zivilisation in die Neuzeit eintrat, wurden in Europa zentralisierte Entwässerungssysteme errichtet und das Volumen der Feststoffe im Abwasser durch anaerobe Vergärung reduziert. Zur gleichen Zeit konzentrierte sich die Wissenschaft auf die Suche nach neuen alternativen Brennstoffen, die proportional zum Bevölkerungswachstum den wachsenden Energiebedarf der Gesellschaft decken sollten. Das Abfallaufkommen ist immer proportional zur Bevölkerungszahl, wobei einige Abfallfraktionen schwer zu recyceln sind. Diese Fraktionen sollten für Energiezwecke weiter untersucht werden (Statistical Review of World Energy, Juni 2016). Es gibt viele Arten von Abfällen, hauptsächlich biologisch abbaubare wie Biomasse, Lebensmittelabfälle usw. und nicht biologisch abbaubare wie Kunststoffe, Altöl und metallische Abfälle. Viele Länder wie das Vereinigte Königreich (VK) und Deutschland nutzten diese Idee, um in den frühen 1900er Jahren durch die Behandlung von Abwässern brennbares Gas für die Beleuchtung von Straßenlaternen herzustellen. Die erste Kläranlage wurde 1859 in Bombay (heute Mumbai), Indien, gebaut. In den 1930er Jahren wurde, ebenfalls in Bombay, die Praxis der Müllverbrennung zur Erzeugung von brennbarem Gas entwickelt. In den frühen 1960er Jahren entwickelte die KVIC (Khadi and Villages Industries Commission) Biogasanlagen, die von indischen Dorfbewohnern genutzt wurden. Bald darauf bildete der Erfolg der Konstruktion, die ein schwimmendes Fass verwendete, die Grundlage für ein laufendes Programm der indischen Regierung zur Versorgung der indischen Dorfbewohner mit Kochbrennstoff.

In den frühen 1630er Jahren stellte Jan Baptista Van Helmont, ein belgischer Chemiker, fest, dass brennbare Gase aus der Zersetzung organischer Stoffe gewonnen werden können. Im Jahr 1776 wurde durch das Experiment des Grafen Alessandro Volta festgestellt, dass die Menge des entstehenden brennbaren Gases direkt proportional zur Menge der sich zersetzenden organischen Materie ist. Im Jahr 1808 untersuchte Sir Humphrey Davy, ob bei der anaeroben Verdauung von Rinderabfällen Methangase entstehen. 1875 nutzte der niederländische Landwirt Wouter Sluys erstmals Methan für Beleuchtungszwecke. In England wurde 1895 Biogas aus einer „sorgfältig konzipierten“ Kläranlage gewonnen und als Brennstoff für Straßenlampen in Exeter verwendet. Die erste Biogasanlage in Indien wurde 1897 in Bombay gebaut.

China installierte Anfang der 1960er bis in die 1980er Jahre mit einer ähnlichen Initiative 5 Millionen Anlagen, die auf der Bauweise von Klärgruben basierten. Die kuppelförmigen Konstruktionen wurden durch den ursprünglichen rechteckigen Tank ersetzt. Indien entwickelte ähnliche Konstruktionen und bildete die Grundlage für ein aktives Programm in Nepal, an dem sich verschiedene Gruppen beteiligten, ein Programm, das jetzt BSP (Biogas Sector Partnership) genannt wird. China, Indien und Nepal haben dieses Programm kontinuierlich weiterentwickelt. In letzter Zeit ist das Interesse an diesem Programm in Europa und Großbritannien gestiegen. Aufgrund der Ölpreisspitzen begannen einige Gruppen im Vereinigten Königreich mit der Energieerzeugung durch Biogas in landwirtschaftlichen Betrieben als Alternative; dies wurde durch das indische Programm in den frühen 1980er Jahren angeregt. Als die Ölpreise in die Höhe schnellten, suchten die Menschen nach Alternativen. Der Fall des Ölpreises und damit des Strompreises, der die nicht sehr rentablen Biogasanlagen in den landwirtschaftlichen Betrieb zurückbrachte, ermöglichte das Überleben der 200 Anlagen, die damals gebaut wurden.

Die anaerobe Vergärung ist eine der am weitesten verbreiteten Technologien, die jedoch wegen des komplizierten Vergärungsprozesses, der hauptsächlich von der Leistung der Mikroorganismen abhängt, noch nicht vollständig verstanden ist. Außerdem hängt die Leistung dieser Mikroorganismen weitgehend von der Umgebung ab, in der sie sich aufhalten. Es wurden zahlreiche mathematische Modelle entwickelt, um das Verhalten des Prozesses und die laufende Optimierung neuer Modelle zu untersuchen. Diese mathematischen Modelle können aufgrund des „biologischen Faktors“ nicht direkt in der Industrie angewandt werden, da dieser einen nicht einfach zu realisierenden Prozess behindert und die anaerobe Vergärung stark nichtlinear ist. In ähnlicher Weise werden jährlich weltweit mehr als 130 Millionen Tonnen Lebensmittel verschwendet, was zu einer enormen Menge an Küchenabfällen führt. Küchenabfälle haben einen hohen Gehalt an organischen Nährstoffen und zersetzen sich aufgrund der mikrobiellen Aktivität schnell. Dies verursacht schlechte Gerüche und Krankheiten, die die Entsorgung von Küchenabfällen weltweit zu einem ernsten Problem machen. Da Küchenabfälle größtenteils organischer Natur sind, eignen sie sich ideal als Ausgangsmaterial für die Biogaserzeugung, weshalb das Potenzial von Lebensmittel- und Küchenabfällen als Substrat für die Biogaserzeugung umfassend untersucht wurde. Die meisten Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen weltweit konzentrieren sich auf Methoden zur Herstellung von Biokraftstoffen der so genannten zweiten Generation, die sich durch hervorragende Umwelteigenschaften und eine hohe Flexibilität bei der Verwendung von Biomasse auszeichnen.

Die Erzeugung von Synthesegas aus Bioabfällen ist ein wichtiger Schritt bei der Herstellung der meisten Biokraftstoffe der zweiten Generation. Mehrere Länder der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) haben ihre eigenen Biokraftstoffindustrien für die lokale Nutzung aufgebaut. Die jährliche weltweite Produktion von Synthesegas, das hauptsächlich aus fossilen Energieträgern wie Erdgas, Erdöl und Kohle gewonnen wird, beträgt etwa 6 EJ, was etwa 2 % des gesamten Primärenergieverbrauchs entspricht. Die wichtigsten Erzeuger und Verbraucher von Bioethanol (etwa 95 % des weltweiten Gesamtverbrauchs) sind Brasilien und die Vereinigten Staaten; bei Biodiesel sind es vor allem Deutschland, Österreich und Frankreich. Zu den bevorzugten Rohstoffen gehören sowohl holzige als auch grasartige Materialien sowie landwirtschaftliche, kommunale und industrielle Abfälle. Synthetische Kraftstoffe wie Biomethanol, Bioethanol, Di-Methylether (DME), synthetisches Erdgas, FT-Kraftstoff (Fischer-Tropsch) und Wasserstoff, die von Sasol (Südafrika) und Mobil (USA) hergestellt und vermarktet werden, sind einige Beispiele, die durch Dampfreformierung in Synthesegas umgewandelt werden können. Das aus Biogas gewonnene Synthesegas könnte für eine höhere Alkoholproduktion verwendet werden.

Wenn man die Entwicklung von Biogas in der ganzen Welt betrachtet, stehen Indien und China den anderen Ländern in nichts nach, auch wenn der Anstoß aus Westeuropa kommt. Indien ist in der ganzen Welt dafür bekannt, dass es 1897 die allererste anaerobe Vergärungsanlage gebaut hat, in der menschliche Abfälle zur Erzeugung von Gas für die Straßenbeleuchtung im Matunga Leper Asylum in Mumbai verwendet wurden. In den 1950er Jahren wurde intensiv geforscht, und es wurden mehrere Anlagenkonzepte entwickelt. Die bemerkenswerteste von ihnen, bekannt als „Grama Laxmi III“, wurde von Joshbai Patel (einem Gandhianer aus Gujarat) entwickelt. Sie wurde zum Prototyp für das spätere Modell der Khadi and Village Industry Commission (KVIC) mit schwimmender Kuppel. Nach einer Flaute erwachte das Interesse an Biogas Anfang 1960 wieder, als die KVIC Standard-Biogasanlagen einrichtete und entwickelte. So wurde beschlossen, während des sechsten Plans für fünf Jahre eine Million Anlagen in Familiengröße und viele andere Gemeinschaftsanlagen der Regierung zu schaffen. Es hat sich bis heute ohne Unterbrechung gehalten und hat 4 Millionen Anlagen erreicht (MNRE 2011). Das nationale Biogas- und Güllemanagementprogramm sah vor, in den Jahren 2009 und 2010 150.000 „familienähnliche“ Biogasanlagen zu errichten.

Biomasse ist aufgrund der großen Menge an Ernterückständen und des Energiebedarfs eines der am stärksten fokussierten Felder in Indien für Programme zur Nutzung erneuerbarer Energien. Für die Fallstudie werden etwa 26 von insgesamt 39 Ernterückständen berücksichtigt. Insgesamt werden in Indien jährlich 686 Tonnen Bruttobiomasse aus Ernterückständen erzeugt, von denen schätzungsweise 234 Tonnen (34 % der Bruttomenge) als Überschuss für die Bioenergieerzeugung genutzt werden. In den ländlichen Gebieten werden vor allem Pflanzen und tierische Abfälle zur Energieerzeugung und zur Deckung des Energiebedarfs beim Kochen verwendet. Diese beiden sind die Hauptquellen, die zu einer großen Menge an Küchenabfällen aus Haushalten und Wohngebieten beitragen. Statistiken besagen, dass größere Haushalte, in denen mehr Personen leben, tendenziell mehr Abfall produzieren als ihre kleineren Pendants. Es wurde jedoch festgestellt, dass Einpersonenhaushalte pro Kopf die meisten Lebensmittel verschwenden. Auch ältere Menschen verschwenden genauso viele vermeidbare Lebensmittel wie jüngere (1,2 kg pro Person und Woche), was der gängigen Meinung in unserer Gesellschaft widerspricht. Jedes Jahr fallen große Mengen an Küchenabfällen an, die entsorgt werden müssen, um unsere Umwelt zu schützen. Bei der anaeroben Vergärung handelt es sich um einen organisierten biologischen Zersetzungsprozess der Küchenabfälle, der die effiziente Gewinnung und Nutzung von Biogas zur Energieerzeugung ermöglicht. Dieses Biogas besteht zu etwa 60 % aus Methan und zu 40 % aus CO2. Die Menschen in ländlichen Gebieten nutzen Biogas-Technologien, um ihren Bedarf an Koch- und Beleuchtungsmaterial zu decken. Dazu gehören Khadi and Village Industries, Janata und Deenbandhu Biogasanlagen. Diese Biomassen sind eine hervorragende Quelle für die Biomethanisierung und die Herstellung verschiedener flüssiger Kraftstoffe wie Biodiesel und Transportöle. Die anaerobe Vergärung ist einer der wichtigsten Prozesse zur Umwandlung von Biomasse in Biogas. Das Biogas wird durch partielle Oxidation oder Dampfreformierung in Synthesegas umgewandelt. Das Synthesegas wird mit verschiedenen Methoden wie dem Fischer-Tropsch-Verfahren in flüssige Kraftstoffe umgewandelt, und durch Methanisierung wird das Synthesegas in Methanol, Ethanol und verschiedene Biokraftstoffe umgewandelt.