Der aktuelle Stand und die Entwicklungen der Biogasindustrie in den USA

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Der aktuelle Stand und die Entwicklungsrichtungen der Biogasindustrie in den USA 1. Einleitung: Im Vergleich zu Europa und China entwickelt sich die Biogastechnologie in den USA insgesamt nur langsam. In den 70er Jahren führten die steigenden Ölpreise dazu, dass einige Biogasanlagen errichtet wurden. In den Jahren 1970 bis 1990 wurden etwa 140 Biogasanlagen errichtet – mit dem Hauptzweck der Energieerzeugung. Doch aufgrund von mangelhaften Einrichtungen, unzureichender Planung, unsachgemäßer Installation sowie schlechter Verwaltung sind die meisten dieser frühen Biogasfermenter bereits stillgelegt oder nicht mehr in Gebrauch. In den letzten fünf Jahren hat die Biogastechnologie aufgrund der globalen Erwärmung und des Mangels an fossilen Energieträgern immer mehr an Bedeutung gewonnen. Die damit verbundenen Forschungen sowie die Errichtung von Demonstrationsanlagen nehmen wieder zu. Laut den Angaben des U.S. Environmental Protection Agency (EPA) gab es im Jahr 2007 etwa 111 in Betrieb befindliche Biogasanlagen. Es handelte sich dabei hauptsächlich um Anlagen zur Erzeugung von Strom aus Biogas auf Vieh- und Geflügelbetrieben. Insgesamt wurden jährlich 215 Millionen kWh an Energie erzeugt. Die im Jahr 2007 durch Biogasanlagen erzeugte Energie betrug das Dreifache der Menge aus dem Jahr 2003. 2 Die wichtigsten Antriebskräfte für die Entwicklung der Biogasanlagen 2.1 Umwelt- und Energievorteile sind die Hauptgründe für die Entwicklung von Biogasanlagen in den USA. Laut Untersuchungen des U.S. Environmental Protection Agency (EPA) zu den vom Menschen verursachten Methanemissionen in den USA sanken die Emissionen von Treibhausgasen wie Kohlendioxid aus den Energie- und Industriebranchen in den Jahren 1990–2005. Gleichzeitig stiegen die Emissionen von Treibhausgasen wie Methan durch die Entsorgung von Mist auf Farmen um 34%. Denn in den amerikanischen Farmen ist die Tierzucht und der Anbau im Grunde miteinander verbunden. Früher wurde der Dung aus der Tierzucht meist in offenen Behältern gelagert, um anschließend als Dünger auf den Feldern verwendet zu werden. Dabei entstanden große Mengen an Treibhausgasen wie Methan und Kohlendioxid. Biogasanlagen können zu erheblichen Verringerungen der Treibhausgasemissionen beitragen, die Freisetzung unangenehmer Gerüche eindämmen und Umweltvorteile wie den Schutz der Wasserressourcen vor Verschmutzung durch Tierkot gewährleisten ； Gleichzeitig entsteht eine nutzbare Biogas-Energie (50–70 % Methan) sowie ein nährstoffreicher Dünger für wissenschaftliche Forschung, der die Hygieneverhältnisse verbessern kann. Aufgrund der Vorteile dieser Biogasanlagen sowie der immer strengeren Umweltvorschriften ist die Bereitschaft von Landwirten und Unternehmen im Bereich erneuerbare Energien, solche Anlagen zu errichten, gestiegen. 2.2 Anreizpolitik In den letzten Jahren haben das US-Landwirtschaftsministerium (USDA), das Umweltschutzamt der USA (EPA) sowie das Energieministerium der USA (DOE) gemeinsam das AgSTAR-Projekt ins Leben gerufen, um den Bau von Biogasanlagen für den Umgang mit Tierexkrementen voranzutreiben und Energieeinsparungen zu erreichen. Dabei wird eine Plattform zur Unterstützung des Aufbaus solcher Biogasanlagen bereitgestellt, die Informationen zu politischen, rechtlichen, technischen Aspekten sowie zu Geräten und Marktbedingungen bietet. Die US-Regierung auf Bundesebene sowie die einzelnen Bundesstaaten haben ebenfalls Programme zur Förderung der Entwicklung von Biogasanlagen sowie finanzielle Unterstützung bereitgestellt. Daher erhalten die meisten Biogasanlagen Unterstützung von der US-Regierung. Zum Beispiel sieht Artikel 9006 des Gesetzes von 2002 mit dem Titel „Gesetz über finanzielle Anreize für die Landwirtschaftsbehörden und die Bundesstaaten“ zur Förderung erneuerbarer Energien und Energieeffizienz die Unterstützung von Biogasanlagen vor. Seit 2003 hat das US-Landwirtschaftsministerium insgesamt 31 Millionen US-Dollar für anaerobe Vergärungssysteme bereitgestellt. Das „Projekt für Kredite für Methan erzeugende Vergärungsanlagen“ des Landwirtschaftsministeriums von Minnesota bietet Landwirten, die Biogasanlagen errichten wollen, zinslose Kredite an. 3 Drei typische Verfahren der anaeroben Vergärung in den USA 3.1 Membranbasierte anaerobe Behälter: Auf bestehenden Behältern zur Lagerung von Tiermist wird eine Membran angebracht, um Biogas zu gewinnen. Die organische Belastung ist gering – in der Regel 0,05–0,2 kg COD/M³·Tag. Die hydraulische Verweildauer beträgt 60–360 Tage, abhängig von der Betriebsführung der Anlage. Gärung bei mittlerer Temperatur von 35–40,5 °C, organische Last: 1–10 kg COD/M³·Tag. Die hydrodynamische Verweildauer beträgt 5–20 Tage. Die Konzentration an Schmutzstoffen im Abwasser liegt bei 3–10 %. Derzeit wird die neue deutsche Technologie für anaerobe Behälter, die Gaserzeugung und -speicherung in einem Gerät vereinen, bereits auf Bauernhöfen in landwirtschaftlich geprägten Bundesstaaten wie Wisconsin in den USA eingesetzt. Aufgrund der geringen Kosten und der zuverlässigen Technik ist sie allmählich zur Standardlösung geworden. 3.3 Strömungsbetriebene anaerobe Vergärer: Es handelt sich um schmale, lange unterirdische Betonkonstruktionen. Dabei wird die Temperatur erhöht; in der Regel befindet sich auf der Oberseite eine Membran, die das Biogas sammelt. Die Gärung erfolgt bei mittlerer Temperatur von 35–40,5 °C, wobei die organische Belastung bei 1–6 kg COD/M³·Tag liegt. Hydraulische Verweildauer: 18–20 Tage. Konzentration des zu behandelnden Fäkalstoffs: 5–13 %. Wird häufig für Rinderstallmist verwendet, eignet sich aber nicht für sandigen Dung. Anäerober Vergärer mit Rückstauverhinderung für eine Kuhfarm mit 800 Kühen. Aufgrund der niedrigen Baukosten und der einfachen Verwaltung ist dieses Verfahren in den USA zum vorherrschenden anaeroben Verfahren geworden. Die Anzahl der Strömungskammer-, Vollmischungs- sowie Membrananaerobikbecken macht jeweils 58%, 27% bzw. 19% aller Biogasanlagen aus. Auch auf einigen anderen Farmen werden die Verfahren ASBR und UASB zur Behandlung von Schweinemistabfällen eingesetzt. 4 Die wichtigsten Hindernisse für die Entwicklung der Biogasanlagen in den USA Derzeit stehen die Entwicklung von Biogasanlagen in den USA vor verschiedenen wirtschaftlichen, technischen, politischen und sozialen Hindernissen. 4.1 Wirtschaftlich gesehen: Die Kosten für die Erzeugung von Energie aus fossilen Brennstoffen sind sehr niedrig (durchschnittlich 0,09 US-Dollar/kWh). Bei der Erzeugung von Energie aus Biogas liegen die Kosten bei 0,05–0,11 US-Dollar/kWh. Die Rendite auf die Investitionen ist daher gering. Zudem sind die Investitionen hoch, und es gibt nicht ausreichende finanzielle Anreize. Auch die Vertragsbedingungen mit den Stromversorgern stellen ein Problem dar. 4.2 Technische Aspekte: Das Problem der Kontrolle dafür, dass der Torfrest weiterhin als Futter für Viehställe sowie zur Herstellung von Kompost verwendet werden kann – unter Einhaltung der Hygienestandards. Es bestehen erhebliche technische Risiken: Die Landwirte verfügen oft nicht über die notwendigen Kenntnisse zur Bedienung und Wartung komplexer Biogasanlagen. Zudem kann es zu einem Rückgang des Phosphorgehalts im vergorenen Material kommen, was wiederum die Gasproduktion beeinträchtigen kann. 4.3 Auf institutioneller Ebene: Aufgrund der verstreuten und unabhängigen Lage der Farmen in den USA ist es schwierig, zentrale Biogasanlagen zu errichten, die eine hohe Effizienz aufweisen. Zudem wird das System für den Handel mit Kohlenstoff- und Umweltzertifikaten nicht ausreichend umgesetzt. 5. Neuere Entwicklungen in der Biogastechnologie 5.1 Neue Modelle für die Entwicklung und Nutzung von Biogas. Die Verweildauer in den mit Membranen ausgestatteten anaeroben Teichen zur Behandlung von Abwasser aus 8600 Schweinen ist kurz. Behandlung von Fäkalien mit einer TS-Konzentration von 0,5–3,0 %. Wird häufig zur Aufbereitung von Schweinekotabfällen verwendet. Wissenschaftliche Forschung: Neue Ansätze zur Nutzung von Biogas aus organischen Abfällen in den USA. 5.2 Technologien zur Erzeugung von erneuerbarem Erdgas: Die Kosten für Erdgas in den USA sind immer noch 3–5 Mal höher als die Kosten für die Herstellung von Biogas. Daher wird es wirtschaftlich rentabel, Biogas mit einem Methangehalt von 50–70 % auf Erdgas mit einem Methangehalt von 94–98 % aufzubereiten. Derzeit ist das größte Projekt zur Verarbeitung von erneuerbarem Erdgas in Nordamerika das Projekt Huckabay Ridge im Bundesstaat Texas. Dort wird das Biogas aufbereitet und komprimiert, sodass hochreines Methan entsteht, das anschließend in die Erdgasleitungen eingespeist wird. Das Projekt wurde im Oktober 2008 in Betrieb genommen. Die Verarbeitung des Exkrets von 10.000 Milchkühen erfordert eine Gesamtinvestition von 12 Millionen US-Dollar. Es wird erwartet, dass jährlich 200.000 Tonnen an Kohlenstoffzertifikaten erzeugt werden können. 5.3 Technologie der anaeroben Trockenfermentation bei hohen Konzentrationen: Das Pilotprojekt zur anaeroben Trockenfermentation von organischen Abfällen wie Küchenabfällen in einer Menge von 8 Tonnen pro Tag wurde von Professor Zhang Ruihong an der University of California, Davis, entwickelt. Es wurde im Oktober 2007 in Betrieb genommen. Bei hohen Konzentrationen verschiedener organischer Stoffe wird ein System der Hochtemperatur-anaeroben Stufenfermentation eingesetzt, das Vorteile wie eine hohe Gasproduktivität sowie weniger Reststoffe nach der Fermentation aufweist. Derzeit werden anaerobe Anlagen in produktiver Größenordnung entwickelt. 5.4 Technologie zur Erzeugung von Strom mit Biogas-Brennstoffzellen – Im Jahr 2005 entwickelte Professor Philip Goodrich von der Universität Minnesota in Haubenschild mithilfe der Biogasanlagen auf Milchviehbetrieben erfolgreich einen 5-KW-starken Hydrogen-Brennstoffzellen-Generator. Dieser Generator weist die Vorteile geringer Geräuschentwicklung und keiner Umweltbelastung auf, hat aber die Nachteile hoher Erzeugungskosten und großer Abmessungen. 6 Einige Vorschläge: Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es angesichts der tatsächlichen Entwicklungen im Bereich der Biogasanlagen in China einige Bereiche gibt, auf denen Anstrengungen unternommen werden können, um die Entwicklung der Biogasindustrie in unserem Land weiterhin erfolgreich und schnell voranzutreiben. Erstens sollten die Anreizpolitiken für erneuerbare Energien verbessert werden. Angesichts der Vorteile von Biogasanlagen in Bezug auf Energieeinsparung und Umweltschutz sollten finanzielle Unterstützungen sowie Zuschüsse für Kredite erhöht werden. Gleichzeitig werden Richtlinien für den Handel mit Kohlenstoffzertifikaten im Markt für Biogasanlagen im Inland entwickelt. Zweitens geht es darum, die Entwicklung neuer Technologien und Ausrüstungen für Biogasanlagen zu fördern, um eine industrielle, großskalige und standardisierte Produktion zu erreichen. Dabei soll die Montage der Fermentertanks vereinfacht werden, die Qualität verbessert und die Baukosten gesenkt werden. Drittens soll die Technologie der gemeinsamen Fermentation mit mehreren Rohstoffen in hoher Konzentration erforscht werden, damit ausreichend Rohstoffe für die Gasproduktion zur Verfügung stehen und die Gasproduktionsrate erhöht werden kann. Die Biogasanlagen sollen in Richtung Zentralisierung und Größenausbau entwickelt werden, um die Wirtschaftlichkeit der Anlagen sowie die Energieeffizienz zu steigern. Viertens: Die Fähigkeit zur Kommerzialisierung von Biogas verbessern. Beseitigung der Hindernisse für den Anschluss von Biogasanlagen an das Stromnetz, Umsetzung von Strompreissubventionen. Forschung und Entwicklung von Technologien zur Reinigung und Komprimierung von Biogas zu Methan hoher Reinheit, um es in Gasleitungen einzuspeisen oder als Kraftstoff für Fahrzeuge zu verwenden – dadurch wird die Nutzung von Biogas auf höherem Niveau ermöglicht und die Energieeffizienz gesteigert. Fünftens besteht es darin, die Struktur der Zucht- und Anbaubranche zu verbessern und rational zu planen, um ein Gleichgewicht zwischen Zucht und Anbau zu erreichen. Dadurch wird eine effektive Nutzung von Biogasreststoffen gewährleistet, die Transportkosten werden gesenkt und die Effizienz erhöht.