Untersuchung zum Umfang von Methanemissionen bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen publiziert

Früher gehörte ein Miststock zu jedem Bauernhof. Heute bringen die Bauern Gülle und Mist ihrer Nutztiere in eine Biogasanlage. Das ist gut fürs Klima. Denn das Treibhausgas Methan, das bei einer herkömmlichen Lagerung unkontrolliert in die Atmosphäre gelangt und zur Klimaerwärmung beiträgt, wird so in Energie umgewandelt. Allerdings: Auch die Biogasanlagen sind häufig nicht ganz dicht, und Methan entweicht. In welcher Grössenordnung? Antworten gibt eine internationale Studie, die das Bundesamt für Energie mitfinanziert hat.

Deutschland, Österreich, Schweden, Dänemark und die Schweiz haben bei der Untersuchung mitgemacht. In den Projektjahren 2018 bis 2020 wurden bei über 30 landwirtschaftlichen Biogasanlagen die Methan-Emissionen gemessen. Darunter waren drei aus der Schweiz mit einer installierten elektrischen Leistung zwischen 120 und 680 kW. Die Haupterkenntnis: Die Emissionen variieren je nach Anlage, und sie können innerhalb eines Tages und auch von Tag zu Tag unterschiedlich sein.

Es wurden sogenannte Fernmessungen durchgeführt, aber auch vor Ort gemessen. Mit der Fernmessung wurden Emissionen von 0,4 bis 0.5 kg Methan pro Stunde im Normalbetrieb ermittelt. Damit liegen die Maximalwerte der drei untersuchten Schweizer Biogasanlagen unter jenen der Partnerländer, wo Werte bis 10,4 kg Methan pro Stunde gemessen wurden.

Methanemissionen aus Biogasanlagen kommen beispielweise bei Lecks vor. Es können aber auch Emissionen aufgrund baulich nicht-gasdichter Anlagenbestandteile wie Substratlager oder Gärrestlager (das Abfall-Produkt der Biogasproduktion) auftreten. Messungen vor Ort brachten hier Klärung. Die gasdichten Behälter (Fermenter, Nachgärer, Gärrestlager) hatten keine oder sehr niedrige Emissionen. Nicht-gasdichte Gärrestlager, Vorgruben, die Blockheizkraftwerk-Abluft und in einem besonderen Fall auch eine defekte Doppelmembran wurden als Hauptemissionsquellen identifiziert.

Zu beachten gilt es dabei: Die gemessenen Emissionen hatten keinen Zusammenhang mit der Gas-Produktion. Das heisst eine hohe Energie-Produktion führte nicht automatisch zu mehr Emissionen als eine niedrige.

Deborah Scharfy von der Genossenschaft Ökostrom, dem Schweizerischen Fachverband landwirtschaftliches Biogas ist Co-Autorin des Berichts. Energeiaplus hat bei ihr nachgefragt, welche Bedeutung die Ergebnisse der Untersuchung haben und wozu sie dienen?

Energeiaplus: Studien zu Methangasemissionen aus Biogasanlagen gibt es bereits verschiedene. Was ist neu an der Studie von Ökostrom Schweiz.

Deborah Scharfy hat die Studie zu den Methanemissionen mitverfasst. Bild: zvg

Deborah Scharfy: Neu ist, dass innerhalb eines Projektes in mehreren Ländern gleichzeitig mit denselben beiden Methoden gemessen wurde. Die ermittelten Methanemissionen sind also zwischen den Ländern vergleichbar. Das gab es bisher noch nicht.

Wie überraschend sind die Ergebnisse für Sie?

Überraschend war vor allem, wie Sie eingangs erwähnen, dass die Methanverluste nicht mit der Methanproduktion korrelierten. Wir hatten schon eine Tendenz erwartet und zwar entweder dass grössere Anlagen proportional weniger Verluste aufweisen als kleinere Anlagen oder andersherum. Entweder, weil grössere Anlagen gut funktionieren müssen, um die Investitionen wieder reinzuholen und daher weniger Emissionen aufweisen. Oder, weil kleinere Anlagen besser überschaubar und kontrollierbarer sind. Beides war aber nicht der Fall. Das heisst konkret, die Emissionskontrolle ist für jede Anlage, egal ob gross oder klein, gleich wichtig.

Wie repräsentativ sind die Messungen der drei Schweizer Biogasanlagen für die restlichen in unserem Land?

Drei hört sich erstmal nach wenig an, und diese drei allein sind auch nicht repräsentativ für alle Anlagen. Insgesamt haben wir ja momentan etwas mehr als 100 landwirtschaftliche Biogasanlagen in der Schweiz in Betrieb. Da wir die Methode der Fernmessung hierzulande das allererste Mal ausprobiert haben und diese doch mit einem grossen Aufwand verbunden ist, haben wir nur drei Anlagen vermessen.

Hinter der Zusammenarbeit mit den anderen Ländern stand aber auch genau die Idee, dass alle im Projekt von den Messungen der anderen lernen und die Messergebnisse für die Auswertung verwendet werden können. Insgesamt wurden im Projekt 25 Biogasanlagen per Fernmessung analysiert.

Wie können Methan-Emissionen am besten verhindert werden?

Zunächst muss man unterscheiden zwischen Leckagen und diffusen Emissionen. Leckagen sind Undichtigkeiten an prinzipiell dichten Bauteilen. Diese lassen sich durch Dichtigkeitskontrollen aufspüren und mit entsprechenden Massnahmen beheben. Diffuse Emissionen aus nicht-gasdicht konstruierten Bauteilen wie Vorgruben oder Gärrestlager – dort wird das Material vor und nach dem Vergärungsprozess gelagert – lassen sich nicht per se verhindern, sie lassen sich aber vermindern. Dann sind sogenannte Management-Faktoren gefragt.

Eine möglichst lange Verweildauer im anaeroben, also gasdichten System, so dass das Restgaspotential klein wird, ist eine bekannte Methode. Eine möglichst rasche Einspeisung ins gasdichte System ist eine weitere emissionsarme Vorgehensweise, d.h. möglichst kurze Lagerungszeiten vor dem Eintrag in die Biogasanlage. Investitionen in zusätzliche anaerobe Behälter sind je nach Hofdüngerverfügbarkeit und Kosten-Nutzen-Verhältnis natürlich auch eine Option.

Vom Mist zum Biogas:
Heute werden ungefähr 5 Prozent der anfallenden Hofdüngermengen in der Schweiz energetisch verwertet.
Das Potenzial für die energetische Nutzung von Gülle und Mist ist noch gross. Im Jahr 2020 gab es in der Schweiz 119 landwirtschaftliche Biogasanlagen (BFE-Statistik). Sie haben 2020 176 GWh Strom produziert (BFE-Statistik).

Sie sprechen das Kosten-Nutzen-Verhältnis an. Methan, das aus einer Biogasanlage entweicht, schadet der Umwelt. Aber es ist auch ein Kostenfaktor.

Das stimmt. Methanverluste sind immer auch Energieverluste und die gilt es zu minimieren, da wir die Energie nutzen oder verkaufen wollen. Es ist also im Eigeninteresse der Anlagenbetreiber, die Verluste zu minimieren. Die Leckagedetektion hilft dabei, Emissionsquellen und damit auch wartungsrelevante Elemente zu identifizieren.

Allerdings: Unsere Studie hat auch gezeigt, dass grosse Investitionen (z.B. für die gasdichte Abdeckung eines Gärrestlagers) nur dann wieder reingeholt werden können, wenn neben der Vergütung für das Energieprodukt (Strompreis) auch eine weitere Vergütung stattfindet, zum Beispiel via CO₂-Zertifikate.

CO₂-Zertifikate erhalten unsere landwirtschaftlichen Biogasanlagen in der Schweiz, wenn sie als Klimaschutzprojekte registriert sind und ihren Klimaschutzbeitrag dokumentieren können. Dies wird durch externe Stellen verifiziert. Die CO₂-Zertifizierung ist ein guter Anreiz für die emissionsarme Biogasproduktion.

Ist Null-Emission überhaupt möglich?

Zunächst darf man nicht vergessen, dass Biogasanlagen ein Vielfaches an Methan einsparen und in nutzbare Energie verwandeln, gegenüber Hofdünger, welcher nicht in Biogasanlagen vergoren wird und «unbehelligt» Methan in die Umwelt abgibt. Biogasanlagen, wie sie in der Schweiz betrieben werden, mit mindestens 80% Hofdünger, sind primär klimaschützend!

Die Frage nach Null-Emissionen: theoretisch ist das bei den Anlagenkomponenten, welche gasdicht konstruiert werden, möglich. Praktisch aber nicht, da es immer zu Verschleiss, Korrosion, oder Materialmüdigkeit kommt.

Dennoch konnten wir im Projekt klar zeigen, dass es nicht die gasdicht-konstruierten Anlagekomponenten sind, welche die Emissions-»anführer» waren, sondern die Komponenten, welche nicht-gasdicht konstruiert waren oder nicht emissionsfrei konstruiert werden können, wie z.B. Vorgruben oder Gärrestlager. Vorgruben müssen durchlüftet konstruiert werden und dürfen nicht gasdicht ausgeführt werden.

Wer seinen Hofdünger in eine Biogasanlage bringt und ihn nicht konventionell auf einem Miststock lagert, wird mit Klimaschutzleistungen «belohnt» – eben mit diesem CO2-Zertifikat. Welche Bedeutung hat die Untersuchung vor diesem Hintergrund?

Der Fokus auf die Emissionen birgt die Gefahr, dass die Ergebnisse für die Biogasanlagen negativ interpretiert werden. Dabei zeigten die Messergebnisse in der Schweiz, dass 97-98.5% des produzierten Methans in Biogasanlagen auch verwertet wird. Und wenn wir bedenken, dass eine Biogasanlage die Methanemissionen einer konventionellen Hofdüngerlagerung um durchschnittlich 80% reduziert, so ist das eine beachtliche Leistung, und die Klimaschutzleistungen sind klar erbracht und sollen auch belohnt werden.

Zudem können die CO2-Zertifikate helfen, wie oben erwähnt, gewisse Investitionen zur Emissionsminderung zu unterstützen, welche rein durch den Verkauf des Energieprodukts nicht amortisiert werden können. Die geringsten Emissionen, die in diesem Projekt auf einer Anlage gemessen wurden, waren 0.4% des produzierten Methans, d.h. 99.6% des produzierten Methans konnte verwertet werden. Das ist also unser Best Practice-Level!

Für wen sind die Ergebnisse relevant?

Zunächst für die ganze Biogasbranche, und zwar auch auf europäischer Ebene. Von den Anlagebauern, über die Hersteller von Blockheizkraftwerken bis zu den Anlagebetreibern. Wir haben im Projekt auch mit der European Biogas Association zusammengearbeitet, um die Reichweite zu erhöhen.

Natürlich sind die Ergebnisse besonders auch für die Biogasfachverbände relevant, und es wurden verschiedene Aktivitäten rund um die Leckagedetektion und Emissionsminderung ausgebaut. Relevant sind die Ergebnisse auch für das Bundesamt für Umwelt, welches das nationale Treibhausgasinventar erarbeitet.

Ökostrom Schweiz hat parallel zu den Messungen ein Branchenkonzept mit freiwilligem Methanmessprogramm für landwirtschaftliche Biogasanlagen aufgebaut. Was verspricht man sich davon?

Da man entweichendes Methan nicht sehen kann, braucht es dafür spezielle Messgeräte. Wir haben daher als Fachverband Methanmessgeräte angeschafft, welche auch kleinste Methankonzentrationen detektieren. Diese helfen dann auch bei Revisionsarbeiten oder Neubauten die Dichtigkeit zu kontrollieren.

Da der Klimaschutz und die Klimaschutzprojekte für uns zentrale Elemente der Philosophie und der Qualitätssicherung sind, sind vorbeugende Massnahmen wie die Leckagedetektion ein Mittel, um diesem Anspruch gerecht zu werden. Zudem helfen uns die Emissionsmessungen auf lange Sicht zum besseren Verständnis der Anlagen anhand der Datenanalyse und zur Beratung für den emissionsarmen Betrieb von Biogasanlagen.

Das Projekt EvEmbi

Das Projekt wurde im Rahmen des 11. ERA-Net Bioenergy Joint Calls unter dem Motto «Bioenergie als Teil eines smarten und flexiblen Energiesystems» gefördert und lief unter dem Titel EvEmbi (Evaluation und Reduktion von Methanemissionen verschiedener Biogasanlagenkonzepte in Europa).

Die Partnerländer Deutschland, Österreich, Schweden, Dänemark und die Schweiz haben zusammen mehr als 30 Biogasanlagen, sowohl landwirtschaftliche als auch gewerblich-industrielle, auf Methanverluste und Reduktionspotentiale untersucht.

Die eingesetzten Methoden zur Bestimmung der Methanemissionen folgten einer Guideline für harmonisierte Messmethodik. Es wurden die IDMM = Inverse dispersion modelling method, eine Fernmessmethode mit Lasern und die On-site Methode angewandt. Bei der IDMM wurden Gesamtemissionen und Emissionsfaktoren für die untersuchten Anlagen bestimmt und bei der On-site Methodik wurden Emissionsfaktoren für einzelne Anlagenkomponenten bestimmt.

In Schweden, der Schweiz und Dänemark und gibt es seit 2007, 2011 und 2016 ein freiwillige Methanmessprogramm für Biogasanlagen. Durch das Projekt wurde auch ein freiwilliges Messprogramm in Österreich aufgebaut.

Text und Interview: Brigitte Mader, Kommunikation, Bundesamt für Energie