22. Feb. 2019: Biogas hat Zukunft, prognostizieren WissenschaflerInnen des Potsdamer Leibniz-Instituts für Agrartechnik und Bioökonomie. In einem umfassenden Review, der vor Kurzem im Fachblatt energies im Open Access erschienen ist, skizzieren sie den interdisziplinären Forschungsbedarf für die Biogasproduktion der Zukunft als Element einer bioökonomischen Kreislaufwirtschaft - von Mikrobiologie bis Data Science.

Nach fast zwei Jahrzehnten subventionierter und auf Energiepflanzen ausgerichteter Entwicklung steht die landwirtschaftliche Biogasproduktion in Deutschland an einem Scheideweg. Eine Neuausrichtung ist erforderlich, um Biogasanlagen als integralen Bestandteil einer biobasierten Kreislaufwirtschaft für die Zukunft fit zu machen.

Die Herausforderungen bestehen darin, die Biogasproduktion von Energiepflanzen auf Reststoffe umzustellen, sie flexibel im Hinblick auf wechselnde Einsatzstoffe, eine bedarfsgerechte Energieproduktion und die Erzeugung hochwertiger Dünger zu gestalten und sie insgesamt effizienter zu machen. Der Großteil der mehr als 9.000 vorhandenen Anlagen besteht aus Rührkesselreaktoren, die auf Basis weitgehend gleichbleibender und leicht vergärbarer Stoffmischungen mit Mais und Rindergülle arbeiten. Künftig müssen Biogasanlagen in der Lage sein, ein breites Spektrum schwerer vergärbarer Reststoffe wie Festmist, Grünschnitt oder Siedlungsabfälle in wechselnder Zusammensetzung aufzunehmen und daraus flexibel Energie zu erzeugen, um das witterungsbedingt schwankende Angebot von Solar- und Windenergie auszugleichen. Dies stellt hohe Anforderungen an die Anlagentechnik und die Steuerung des komplexen und sensiblen biologischen Prozesses der anaeroben Vergärung. 

In ihrem Artikel beschreiben die Potsdamer WissenschaftlerInnen die Biogasanlage der Zukunft: Diese wird wissensbasiert und weitgehend automatisiert arbeiten, modular aufgebaut sein, zusätzliche Produkte erzeugen und sich standortspezifisch in ein lokales Umfeld von Reststoffaufkommen und Produktbedarf einpassen. 

Allerdings bedarf es umfassender interdisziplinärer Forschung, um dieses Zukunftskonzept zu verwirklichen. „Wir haben in den letzten Jahren geeignete Reaktortypen und effiziente Verfahren für kritische Einsatzstoffe wie Stroh oder Landschaftspflegegut entwickelt. Und wir wissen mittlerweile, dass ca. 2.000 Mikroorganismenarten am Prozess beteiligt sind, wobei wir nur von etwa 1 bis 2 % ihre Funktion im Prozess kennen. Um im laufenden Betrieb unterschiedlichste, auch problematische Reststoffe flexibel zuführen zu können – je nachdem, was gerade wann in welchen Mengen anfällt – und dabei den Biogasprozess wei-terhin gut zu beherrschen, brauchen wir ein genaueres Detailverständnis der Prozesse, die Entwicklung von Sensoren für die laufende chemisch-physikalische und biologische Prozesskontrolle und den Einsatz moderner Methoden aus dem Bereich Data Science wie maschinelles Lernen für eine selbstlernende Prozesssteuerung“, so Prof. Prochnow.

Sensorgestützte und datengetriebene Modelle in Verbindung mit modularer Verfahrenstechnik sollen künftig dafür sorgen, den Prozess der anaeoben Vergärung so präzise zu steuern, dass die Reststoffverwertung und die Energieproduktion dem Bedarf entspricht. „Voraussetzung ist, dass wir verstehen, wie die mikrobiellen Gemeinschaften im Reaktor auf Managementmaßnahmen reagieren und wie sich diese Reaktion auf den Abbauprozess auswirkt“, unterstreicht Dr. Susanne Theuerl, Mikrobiologin am ATB. „Letztlich geht es darum, Optionen der Prozesssteuerung zu simulieren, automatisiert Reaktionen auszulösen oder Empfehlungen für den Anlagenbetreiber abzuleiten.“ 

War die Biogasproduktion ursprünglich ausschließlich auf die Bereitstellung erneuerbarer Energien ausgerichtet, kann die anaerobe Vergärung als integraler Bestandteil künftiger Bioraffineriekonzepte auch zur Produktion von Basischemikalien und zum Recycling von Nährstoffen und organischem Kohlenstoff beitragen. Hier gilt es nach Ansicht der Potsdamer WissenschaftlerInnen, individuelle und sehr spezifische Lösungen für das jeweilige lokale Umfeld zu identifizieren. Letztlich müssen, um die Leistungsfähigkeit zukünftiger landwirtschaftlicher Biogasanlagen zu gewährleisten, Geschäftsmodelle und –umgebungen entwickelt werden, die zu einer für Landwirte und Anlagenbetreiber rentablen und akzeptierten Produktion beitragen.

Hintergrund: Mehr als 9.000 Biogasanlagen bundesweit produzieren derzeit Energie aus Biomasse. Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), das seit dem Jahr 2000 die Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Quellen ins Netz finanziell förderte, hatte starke Anreize für den Bau von Biogasanlagen und auch für den Anbau von Energiepflanzen gesetzt. Die Anzahl der Biogasanlagen war von 2004 bis 2012 von 1.050 auf 8.292 gestiegen, im gleichen Zeitraum weitete sich die Anbaufläche für Silomais von 1,2 Mio. ha auf 2,0 Mio. ha aus. Angesichts der gesellschaftlichen Debatte über Tank oder Teller  gerieten die Vorteile der Biogasproduktion weitgehend aus dem Blick. Mit den Novellierungen des EEG seit 2014 war die Förderung drastisch zurückgefahren worden. 

Literatur: Theuerl, S.; Herrmann, C.; Heiermann, M.; Grundmann, P.; Landwehr, N.; Kreidenweis, U.; Prochnow, A. The Future Agricultural Biogas Plant in Germany: A Vision. Energies 2019, 12 (3), 396; https://doi.org/10.3390/en12030396   

Kontakt:
Prof. Dr. Annette Prochnow - Abteilungsleitung Technikbewertung und Stoffkreisläufe
Tel.: 0331 5699-210, E-Mail: aprochnow@spam.atb-potsdam.de  

Dr. Susanne Theuerl - Abteilung Bioverfahrenstechnik
Tel.: 0331 5699-900, E-Mail: stheuerl@spam.atb-potsdam.de 

Helene Foltan - Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: 0331 5699-820, E-Mail: presse@spam.atb-potsdam.de 

Die Forschung des Leibniz-Instituts für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB) an der Schnittstelle von biologischen und technischen Systemen hat das Ziel, Grundlagen für nachhaltige bioökonomische Produktionssysteme zu schaffen. Dazu entwickelt und integriert das ATB neue Technologien und Managementstrategien für eine wissensbasierte, standortspezifische Produktion von Biomasse und deren Nutzung für die Ernährung, als biobasierte Produkte und Energieträger – von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung.