DECHEMAX Initiative für Chemische Technik und Biotechnologie

Frage der Woche

Frage der Woche

Biogas

Biogasanlage 
Quelle: pixabay

Die Energiewende und der Verzicht auf fossile Brennstoffe gehören zu den größten Herausforderungen unserer Zeit. Die Weltbevölkerung wächst immer weiter an. Da Öl und Erdgas nicht ewig reichen werden und zu viel Kohlenstoffdioxid freisetzen, brauchen wir neue Möglichkeiten, um unsere Energie umweltfreundlich zu gewinnen.
Kernenergie scheint eine vielversprechende Alternative, aber die Risiken beim Betrieb von Atomkraftwerken sowie die Folgen der Lagerung von Atommüll sind bisher nicht absehbar. Hydro-, Solar- und Windenergie sind sehr viel sicherere Backstop-Technologien (das sind Technologien zur Energiegewinnung, die unbegrenzt zur Verfügung stehende Ausgangsstoffe nutzen), allerdings sind sie Witterungs- sowie Tageszeit-abhängig und nicht überall einsetzbar.
Eine weitere, weitestgehend Standort-unabhängige Möglichkeit der Energieerzeugung ist die Produktion und Verbrennung von Biogas. Gereinigtes Biogas besteht zum größten Teil aus Methan, bei dessen Verbrennung wiederum Energie freigesetzt wird. Gleichzeitig entstehen bei der Biogas-Herstellung große Mengen an geruchsneutralem Dünger sowie Wärme, die in das Fernwärmenetz eingespeist werden kann.

Frage (Klassenstufen 7-11)

Die Biogasanlage – Was darf rein?

Eine Biogasanlage funktioniert im Prinzip wie die Verdauung einer Kuh. Für die Produktion von Biogas muss Biomasse als primärer Energieträger von Mikroorganismen zersetzt werden.

Welche Form von Biomasse wird in traditionellen Biogasanlagen nicht für die Methanproduktion genutzt? Kreuzt 2 Antworten an.

Reste von Ackerpflanzen
Schlachtabfälle
Gülle
Biomüll
Holz
Klärschlamm aus Kläranlagen
Wiesengras

Lösung:

Schlachtabfälle werden im Normalfall nicht in Biogasanlagen verwendet. Der hohe Proteinanteil im Fleisch führt zu unerwünscht hohen Konzentrationen von Schwefelwasserstoff im resultierenden Biogasgemisch.
Holz ist ebenfalls ein ungeeignetes Substrat. Im Holz findet sich ein hoher Anteil an schwer zersetzbaren Stoffen wie Lignin und Cellulose.
Je nach Quelle wird auch Klärschlamm als ungeeignet betrachtet.
Bitte beachtet, dass aus technischen Gründen bei dieser Frage eventuell nicht alle eure abgegebenen Antworten angezeigt werden. Sie sind aber bei uns sicher angekommen.

Zusatzfrage (Klassestufen 8-11)

Elektrischer Strom aus der Kuh

Wir nehmen an, eine Milchkuh produziert pro Tag 47 L Gülle. Diese Gülle kann im laufenden Betrieb einer Biogasanlage zu etwa 0,79 Nm³ (Normkubikmeter) Methan umgewandelt werden. 1 Nm³ Methan hat einen Energiegehalt von 9,97 kWh (Quelle FNR).

Wie viele Kilowattstunden (kWh) an Energie können aus der täglich anfallenden Gülle von zwei Milchkühen produziert werden?
Ihr kennt das bestimmt aus der Schule: den Rechenweg mit aufzuschreiben schadet nie. Es könnte euch einen Punkt retten, wenn eure Überlegungen nachvollziehbar sind, das Ergebnis aber leider falsch.

Lösung:

2 x 0,79 x 9,97 kWh = 15,75 kWh

Das in der Biogasanalage produzierte Methan wird in einem Kraftwerk verbrannt und die freiwerdende Energie mithilfe eines Generators in elektrischen Strom umgewandelt.
(CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O + Energie)

Das Methan aus der vorhergehenden Frage wird mit einem angenommenen elektrischen Wirkungsgrad von 40 % in Strom umgesetzt. Wieviel Strom kann somit aus der täglich anfallenden Gülle von zwei Milchkühen in etwa erzeugt werden?
(Bitte alle richtigen Antworten ankreuzen)

Der produzierte Strom reicht aus um:

A) 100 Handys aufzuladen
B) 100 km mit einem e-Auto zu fahren
C) einen 1-Personen Haushalt einen Tag lang zu versorgen

Lösung:

Der produzierte Strom reicht aus um:
A) 100 Handys aufzuladen
Korrekt. Die Ladung eines Handyakkus verbraucht ca. 0,02 kWhel (eon.de). 100 x 0,02 kWhel = 2 kWhel

B) 100 km mit einem e-Auto zu fahren
Falsch. Eine 100 km Fahrt mit einem E-Auto verbraucht je nach Modell zwischen 12 und 20 kWhel (eon.de)

C) einen 1-Personen Haushalt einen Tag lang zu versorgen
Korrekt. Ein 1-Personen Haushalt benötigt durchschnittlich 4,5 - 5,5 kWhel pro Tag (Mainova.de; co2 stromreport.de) 0,4 x 15,75 kWhel = 6,3 kWhel

Zusatzfrage (Klassestufen 9-11)

Vergärung von Biomasse
Fülle folgenden Lückentext aus.

Füllwörter:
Anaerobier, Methan, Monomeren, Schwefel, Kohlenstoffdioxid, Essigsäure, Strom, Hydrolyse, Sauerstoff, Polymere, Erdgas

Beim Gärprozess in Biogasanlagen setzten verschiedene Mikroorganismen die Ausgangsstoffe unter Abwesenheit von


Lösung:

Sauerstoff

zu Methan und

Lösung:

Kohlenstoffdioxid

um. Die verwendeten Bakterien bezeichnet man auch als

Lösung:

Anaerobier

Zunächst findet die sogenannte

Lösung:

Hydrolyse

statt.

Lösung:

Polymere

wie zum Beispiel Zellulose müssen zunächst zu kleineren Molekülen, also

Lösung:

Monomeren

umgewandelt werden. Aus diesen kleinen Molekülen stellen die Mikroorganismen

Lösung:

Essigsäure

CO2 und Wasserstoff (H2) her. In der letzten Reaktion, der sogenannten Methanogenese, entsteht schließlich das energiereiche

Lösung:

Methan

(CH4). Nach der Reinigung des Gemischs (störende Stoffe wie

Lösung:

Schwefel

werden entfernt) erhält man bis zu 98% reines CH4, man bezeichnet dies auch als

Lösung:

Erdgas

- Qualität. Das Gas kann dann direkt zur Erzeugung von

genutzt werden.

Lösung:

Strom

Wie CH4 in einer Biogasanlage entsteht, kann in zwei verschiedenen, unabhängigen Reaktionsgleichungen dargestellt werden, ausgehend von Kohlendioxid und Essigsäure.

Ordne die beiden Ausgangsstoffe den Gleichungen zu:

A) ________ + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O
B) ________ -> CH4 + CO2

Kohlendioxid gehört zu Gleichung

A)
B)

Lösung:

A)

Essigsäure gehört zu Gleichung

A)
B)

Lösung:

B)

A) CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O B) CH3COOH -> CH4 + CO2

Zusatzfrage (Klassestufen 10-11)

Teller oder Tank?
Die staatliche Subventionierung von Biogasanlagen führt dazu, dass viele Landwirte verstärkt „Energiemais“ anbauen, anstatt nur Abfallstoffe für ihre Anlagen zu verwenden. Aus Mais kann man pro Anbaufläche am meisten Methan erzeugen. Das macht die Maispflanze zu einem attraktiven Energieträger.

Ordne die folgenden Rohstoffe danach, wieviel Methan pro Tonne daraus gewonnen werden kann. Ordne von viel nach wenig. (ein Dreher ist erlaubt)
Bioabfall, Rindergülle, Maissilage, Hühnermist, Grassilage

Lösung:

Maissilage, Grassilage, Bioabfall, Hühnermist, Rindergülle

Der Anbau von Energiemais hat mittlerweile ein so großes Ausmaß angenommen, dass man immer öfter von einer „Vermaisung“ des Ackerlands liest. Große Mais-Monokulturen können allerdings gravierende Auswirkungen auf die Umwelt haben.

Kreuze die zutreffenden Aussagen an:

Mais-Monokulturen entziehen dem Boden einseitig wichtige Nährstoffe, sodass jede Menge Dünger auf die Felder aufgebracht werden muss
Mais-Monokulturen bieten für Bienen und andere Insekten keinen attraktiven Lebensraum
Der Anbau von Mais-Monokulturen kann zu Bodenerosion führen, da die Flächendeckung bei Mais nicht sehr hoch ist. Dadurch wird der Boden zwischen den einzelnen Pflanzen durch Regen ausgewaschen
Durch den Anbau von Energiemais werden riesige Ackerflächen genutzt, die dann für die Nahrungsmittelproduktion nicht mehr zur Verfügung stehen. Ackerflächen und somit auch Feldfrüchte werden dadurch deutlich teurer
Mais-Monokulturen sind anfällig für Schädlingsbefälle

Lösung:

Alle Antworten sind korrekt

Die ursprüngliche Idee, in erster Linie Abfallstoffe für die Energieproduktion in Biogasanlagen zu verwenden und so die Umwelt zu schützen, haben wir also schon lange hinter uns gelassen. Die Biogasproduktion ist deshalb durchaus auch ein umstrittenes Thema. Richtig eingesetzt kann Biogas aber einen wichtigen Baustein der globalen, nachhaltigen Energieversorgung darstellen.

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