Vergärung und Biogas

Bei der Vergärung zersetzen Mikroben feuchte organische Stoffe in einem geschlossenen Behälter ohne Luft. Dabei entstehen Biogas, ein Brennstoff vor allem aus Methan und Kohlendioxid, und ein vergorener Brei, der auf die Felder kommt. Mitte der 1890er Jahre verbrannte man in Exeter in England das Gas aus einer abgedeckten Abwassergrube in Lampen.

Was es ist

Vergärung, auch anaerobe Fermentation genannt, ist Verrottung unter Luftabschluss. In einem geschlossenen, sauerstofffreien Behälter baut eine Gemeinschaft von Bakterien und Archaeen feuchte organische Stoffe wie Mist, Klärschlamm oder Speisereste ab. Die methanbildenden Archaeen sind strikte Anaerobier, ein Teil der Bakterien, die das Material zerlegen und Säuren bilden, ist dagegen fakultativ anaerob und lebt mit oder ohne Sauerstoff. Gemeinsam machen die Mikroben einen großen Teil des Kohlenstoffs zu Biogas, einem brennbaren Gemisch aus Methan und Kohlendioxid mit etwas Wasserdampf und Spuren von Schwefelwasserstoff. Wie viel Methan es enthält, hängt vom Ausgangsstoff ab: Die US-Energieinformationsbehörde nennt 45 bis 65 %, die US-Umweltschutzbehörde 50 bis 75 %.

Derselbe Abbau läuft von selbst im Schlamm von Sümpfen ab, wo das Gas in Blasen aufsteigt und verloren geht. Ein Fermenter schließt ihn ein, damit man das Gas auffangen und nutzen kann. Was den Behälter verlässt, der Gärrest, enthält noch den größten Teil der Nährstoffe und wird als Dünger auf die Felder gebracht. Biogas brennt im Herd, im Heizkessel oder in Motoren, die Generatoren antreiben; befreit von Kohlendioxid und Verunreinigungen, lässt es sich ins Erdgasnetz einspeisen.

Eine Hausanlage der Art, die in Indien lange gefördert wurde, ist eine mit Ziegeln ausgemauerte Grube voller Dung, der mit Wasser angerührt ist. Eine unten offene Stahlglocke schwimmt umgekehrt auf dem Brei und gleitet an einem mittleren Führungsrohr auf und ab. Frisches Substrat gießt man in ein Einfüllbecken, von dem ein Rohr es bis zum Grubenboden leitet, und dieselbe Menge Gärrest läuft am Auslauf über. Das Gas verlässt die Glocke durch eine Leitung auf ihrer Oberseite.

Wie es funktioniert

Die Vergärung verläuft in Stufen, die jeweils andere Mikroben übernehmen. Zuerst spalten Enzyme, die Bakterien ausscheiden, Fette, Eiweiße und Kohlenhydrate in kleinere Moleküle: Fettsäuren, Aminosäuren und Zucker. Andere Bakterien vergären diese zu flüchtigen Fettsäuren und weiter zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid. Zuletzt bilden methanbildende Archaeen aus der Essigsäure oder aus Wasserstoff und Kohlendioxid das Methan.

Die Methanbildner wachsen langsam und geraten leicht aus dem Gleichgewicht. Wird ein Fermenter überfüttert oder ändert sich seine Temperatur plötzlich, häufen sich die Säuren schneller an, als die Archaeen sie verbrauchen; der Brei versauert und die Gasbildung bricht ein. Darum füttert man Fermenter gleichmäßig und hält sie auf gleichbleibender Wärme, meist um 35 °C für die mesophilen Mikroben oder um 55 °C für die thermophilen, die schneller arbeiten, sich aber schwerer stabil halten lassen. Das Substrat bleibt mehrere Wochen im Behälter, lange genug, damit die langsam wachsenden Archaeen Schritt halten. Bei faserreichen Stoffen wie Mist begrenzt oft die erste Stufe, das Aufspalten der Fasern, die Geschwindigkeit.

Bei einer Anlage mit schwimmender Glocke sammelt sich das Gas unter der Glocke und hebt sie an. Ihr Gewicht bestimmt den Gasdruck, der fast gleich bleibt, und ihre Höhe zeigt, wie viel Gas gespeichert ist. Wird Gas für den Herd entnommen, sinkt die Glocke wieder.

Im Fermenter mit fester Kuppel drückt das unter dem Mauerwerk gefangene Gas den Brei in die Auslaufkammer.

Der Fermenter mit fester Kuppel, die übliche Bauart der chinesischen Hausprogramme, hat kein bewegliches Teil. Er ist eine geschlossene Kammer aus Ziegeln, Stein oder Beton mit gewölbter Decke. Das Gas sammelt sich unter der Kuppel und schiebt einen Teil des Breis in eine Auslaufkammer; der Druck steigt, während sich Gas ansammelt, und fällt beim Verbrauch, wenn der Brei zurückfließt. Die Kuppel muss gasdicht sein, denn jeder Riss lässt das Gas entweichen.

Rohes Biogas enthält Schwefelwasserstoff, ein Gas, das nach faulen Eiern riecht und in hoher Konzentration giftig ist. Er wird zuerst entfernt, zusammen mit dem Wasserdampf. Nimmt man auch das Kohlendioxid heraus, bleibt fast reines Methan, Biomethan genannt, das sich überall wie Erdgas verwenden lässt.

So geht’s

Ein Luftballon über dem Flaschenhals fängt das Gas auf, das der Brei in der Flasche bildet.

Mit einer Plastikflasche und einem Luftballon lässt sich die Vergärung beobachten. Nehmen Sie eine saubere Getränkeflasche von 1,5 oder 2 Litern. Geben Sie fein gehackte Gemüsereste und einige Löffel frischen Kuh- oder Pferdemist oder Gartenerde hinein, die die Mikroben liefern. Gießen Sie lauwarmes Wasser zu, bis die Flasche etwa zu einem Drittel voll ist, damit viel Platz für das Gas bleibt, und schütteln Sie sie sanft. Ziehen Sie einen Luftballon über den Hals und umwickeln Sie die Stelle mit Klebeband, damit sie dicht ist.

Stellen Sie die Flasche an einen warmen Ort ohne direkte Sonne und schauen Sie täglich nach. Nach einigen Tagen beginnt der Ballon sich zu füllen. Setzen Sie eine zweite Flasche ebenso an und stellen Sie sie kühl: Der Vergleich zeigt, wie sehr Wärme die Mikroben beschleunigt. Wer den Umfang jedes Ballons täglich mit einem Papierstreifen misst, erhält eine Wachstumskurve.

Sicherheitshinweis. Das Gas im Ballon ist brennbar und kann Schwefelwasserstoff enthalten: Bringen Sie nie eine Flamme oder einen Funken in seine Nähe und versuchen Sie nie, es anzuzünden. Verschließen Sie die Flasche nie mit einem Deckel, sonst baut sich Druck auf; der Ballon ist der Auslass. Mist und faulende Reste tragen Keime: Tragen Sie Handschuhe, waschen Sie sich nach dem Umgang mit den Flaschen die Hände, halten Sie sie von Lebensmitteln fern und außer Reichweite kleiner Kinder. Zum Schluss bringen Sie die Flasche ins Freie, fern von jeder Flamme, lassen das Gas entweichen und leeren den Inhalt auf den Kompost.

Geschichte und Entwicklung

Das brennbare Gas aus faulenden Stoffen fiel lange auf, bevor man es nutzte. Im 17. Jahrhundert hielt der flämische Arzt Jan Baptista van Helmont fest, dass verwesende organische Stoffe ein brennbares Gas abgeben.

Volta rührte den Schlamm eines Schilfgürtels auf und fing die aufsteigenden Blasen in einem umgedrehten Gefäß.

1776 stocherte Alessandro Volta von einem Boot aus bei Angera am Lago Maggiore im schlammigen Grund zwischen dem Schilf und fing die aufsteigenden Blasen auf. Das Gas brannte, und er nannte es die brennbare Luft der Sümpfe. Er schloss, dass die Gasmenge von der Menge der verwesenden Pflanzen abhing.

Die ersten Fermenter entstanden mit der Abwasserreinigung. In Exeter baute der Stadtbaumeister Donald Cameron 1895 ein großes abgedecktes Becken, in dem sich das Abwasser absetzte und unter Luftabschluss faulte, und nannte es Septic Tank. Das Gas aus dem Abwasser von Exeter wurde in Lampen verbrannt: Penn State Extension datiert dies auf 1895, die FAO auf 1896. Im Emschergebiet des Ruhrgebiets ließ Karl Imhoff 1906 einen Behälter patentieren, in dem sich das Abwasser absetzte und sein Schlamm ausfaulte, und Becken seiner Bauart entstanden bald auch in Nordamerika. Ende der 1920er Jahre begann Arthur Buswell die Forschungen, die zusammen mit anderen Arbeiten der 1930er Jahre die beteiligten Mikroben und die für das Methan günstigen Bedingungen bestimmten.

Im 20. Jahrhundert verbreiteten sich kleine, mit Dung gefütterte Fermenter im ländlichen Asien. Indien förderte für Bauernfamilien Anlagen mit schwimmender Glocke und später mit fester Kuppel. China startete Massenkampagnen und hatte Ende der 1970er Jahre rund sieben Millionen Hausanlagen gebaut, doch viele waren schlecht ausgeführt, undicht und wurden bald aufgegeben. Große Fermenter behandeln heute in vielen Ländern Klärschlamm, Mist und Speisereste, und ihr Gas liefert Wärme und Strom oder wird gereinigt ins Gasnetz eingespeist.