Einsatz der mechanischen Entwässerung von Feuchtkonservierten Energiepflanzen (Ganzpflanzensilagen) mit dem Ziel Brennstoff bereitzustellen.

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1 Inhalt: Einsatz der mechanischen Entwässerung von Feuchtkonservierten Energiepflanzen (Ganzpflanzensilagen) mit dem Ziel Brennstoff bereitzustellen. Jürgen Reulein 1 System und Versuchsaufbau Potentiale Nutzungswege Holz Pflanzenöl Biogas Trockene Biomasse Mechanische Entwässerung Verfahren Verwertung... 6 Abkürzungen: BE Brutto Energie BTL Biomass to Liquid dt Dezitonne EEG Erneuerbare-Energien-Gesetz FM Frischmasse GE Gesamtenergie ha Hektar kw Kilowatt kwh Kilowattstunde kwh el Kilowattstunde elektrische Energie kwh th Kilowattstunde thermische Energie LN Landwirtschaftliche Nutzfläche N Stickstoff NaWaRos Nachwachsende Rohstoffe NE Netto Energie OE Öläquivalent t Tonne TM Trockenmasse TS Trockensubstanz

2 Einsatz der mechanischen Entwässerung von Feuchtkonservierten Energiepflanzen (Ganzpflanzensilagen) mit dem Ziel Brennstoff bereitzustellen. Jürgen Reulein Um Biomasse vom Acker, ähnlich wie Holz, als Energieträger einsetzen zu können müssen wichtige Bedingungen erfüllt werden: A) beim Anbau - Der Anbau von Nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRos) muss mit Methoden erfolgen, die Umwelt- und Naturbelastungen vermeiden. - Der Einsatz von mineralischen Düngern und von Pflanzenschutzmitteln sollte so gering wie möglich sein. - Nährstoffe müssen im Kreislauf geführt werden. - Hohe Produktivität da Flächenkonkurrenz mit Nahrungsmittelproduktion. B) bei der Verarbeitung - hohe Qualität (geringe Anteile an Asche und Schadstoffen wie Chlorid oder Stickstoff) - effektive Ausnutzung - Lagerfähigkeit und Flexibilität in der Anwendung - Transportwürdigkeit (BTL) Weiterhin ist es wichtig, dass bei der energetischen Verwertung von Nachwachsenden Rohstoffen keine boden-, grundwasser- oder klimaschädigenden Verfahren angewendet werden. 1 System und Versuchsaufbau Die mechanische Entwässerung von Ganzpflanzensilagen ist ein System zur effizienten Nutzung der in Pflanzen gespeicherten Energie. Der gesamte Pflanzenaufwuchs wird zunächst einsiliert und dadurch Konserviert. Über das ganze Jahr verteilt wird die Biomasse aus dem Silo entnommen und mit einer Schneckenpresse entwässert. Dabei entstehen z. B. aus einer Maissilage mit ca. 25 % TS-Gehalt ein Presskuchen mit ca. 50 % TS-Gehalt. D. h. aus einem Kilogramm Maissilage werden ca. 500 ml Flüssigkeit ausgepresst. Diese Flüssigkeit ist natürlich nicht klar sondern stark mit allen möglichen Mineralien und allen löslichen und fein zerriebenen Biomassebestandteilen angereichert. Über eine Biogasanlage wird dieser Presssaft zu Methan vergoren, welches verstromt wird und dabei genügend Energie zum Betreiben des Gesamtprozesses liefert. Mit der Entstehenden Abwärme kann der Presskuchen auf ein lagerfähiges Niveau nachgetrocknet werden. Die anfallende Gülle wir auf die Felder als Dünger ausgebracht. Der Presskuchen (Fester Pressrückstand) liegt im Asche- und im Stickstoffgehalt deutlich unter dem Ausgangsmaterial. Die Qualität des Brennstoffs ist nahezu

3 Holzvergleichbar. In Abbildung 1 ist schematisch der Systemablauf mit den Stoffflüssen von verschiedenen Elementen dargestellt. Energiefluss Abbildung 1: Verfahrensschema zur Mechanischen Entwässerung Im laufenden Projekt wird Untersucht, ob eine Abhängigkeit zwischen Pflanzenentwicklungsstadium und Abpressverhalten festzustellen ist. Dafür werden Silagen aus Weizen und aus Mais Verwendet. Ob weitere, in der Landwirtschaft anfallende Roh- und Abfallstoffe mit diesem System verarbeitet werden können wird Untersucht indem zu den Silagen vor der Silierung Stroh in unterschiedlichen Anteilen zugemischt wird. Die Strohzumischung bewirkt zudem, dass auch sehr nasse Kulturpflanzen wie z.b. Wintererbsen zu stabilen Silagen verarbeitet werden können. Aus Vorversuchen ist bekannt, dass das Zumischen von Wasser zu Silage (Maischen) vor dem Abpressen zu besseren Abpressergebnissen führt. Im Versuchsaufbau integriert ist der Vergleich von verschiedenen Maischflüssigkeiten die zudem in unterschiedlichen Mengen eingesetzt werden. Der Versuchsaufbau ist schematisch in Abbildung 2 dargestellt.

4 Abbildung 2: Schematischer Aufbau der Versuchsfragestellung

5 2 Potentiale Biomasse wird als der potentiell größte Energieträger in naher Zukunft angesehen. In Deutschland stehen bereits ca. 1,5 Mio. ha landwirtschaftliche Nutzfläche (LN) für den Anbau von Energiepflanzen zur Verfügung, was ungefähr einem Flächenanteil von 10 % der Gesamt-LN entspricht. Im Jahr 2003 wurden ca. 0,8 Mio. ha LN in Deutschland mit Nachwachsenden Rohstoffen bestellt. Durch die Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) im Juni 2004 wurde die Biogaserzeugung und zur anschließenden Verstromung von Nachwachsenden Rohstoffen wirtschaftlich sehr attraktiv. Dadurch ist die Anbaufläche für NAWARO bereits 2004 auf über ha angestiegen. Weitaus stärkere Auswirkungen sind in diesem und in den kommenden Jahren zu erwarten. In verschiedenen Studien ist belegt, dass die mögliche Anbaufläche für NaWaRos in Deutschland bis zu 4 Mio. ha (ca. 25 % der LN) erreichen könnte. Rechnerisch wachsen auf einem Hektar Ackerfläche kwh Energie in Form von Biomasse (Gesamtenergie vom oberirdischen Ganzpflanzenaufwuchs), was einem Öläquivalent (OE) von ca l Heizöl entspricht. 3 Nutzungswege 3.1 Holz Holz hat als NaWaRo zur energetischen Verwertung sehr hohe Qualität. (geringe Asche, geringer N-Gehalt, ). Die Aufforstung von landwirtschaftlichen Nutzflächen mit schnell wachsenden Hölzern ist auf manchen Standorten sicher eine Alternative, nach unserer Auffassung jedoch aus ertraglicher- sowie aus kulturland(wirt)schaftlicher Sicht nicht flächendeckend einsetzbar. 3.2 Pflanzenöl Auf LN wurden bisher zur energetischen Nutzung von NaWaRos vor allem Ölhaltige Pflanzen wie Raps und Sonnenblumen angebaut, um flüssige Treibstoffe (z.b. Biodiesel) zu gewinnen. Dabei finden nur die Samenkörner Verwendung. Auf diesem Weg sind etwa bis l OE je Hektar zu gewinnen. 3.3 Biogas Eine andere Möglichkeit, Energie aus Nachwachenden Rohstoffen bereitzustellen, ist die Vergärung von Ganzpflanzen zu Methan (Biogas), welches dezentral in Blockheizkraftwerken zu Strom und Wärme verarbeitet werden kann. Auf diesem Weg sind derzeit ca l/ha OE in Form von elektrischer Energie und ca l/ha OE als Wärme (ganzjährig) produzierbar. Was sich zunächst als deutliche Steigerung liest, ist jedoch nur bedingt verwertbar. Die Wärme entsteht in diesem System ganzjährig und kann nur dezentral verbraucht werden, was oft schwierig ist. Als weitere Alternative wird derzeit auf Bundesebene über ein Biogas-Einspeise- Gesetz ins öffentliche Gasnetz beraten. Vorteil: Bei der Ganzpflanzenverwertung über Biogas sind alle Stoffkreisläufe geschlossen.

6 3.4 Trockene Biomasse - Trockengutlinie: In Deutschland kann nur Getreide und Stroh als trockene und lagerfähige Biomasse geerntet werden. Die Ertragspotentiale liegen für Getreidekorn und Stroh jeweils zwischen 50 bis 100 dt TM/ha. Vorteil: Trockene Biomasse kann ohne weitere Aufbereitung als Brennstoff eingesetzt werden. Nachteil: Es müssen sehr hohe Asche- und Stickstoffgehalte in Kauf genommen werden. - Feuchtgutlinie: Alle in Deutschland angebauten Kulturarten können als Silage feucht konserviert werden (TS-Gehalt von 15 bis 45 %). Die Ertragspotentiale liegen bei 150 bis 300 dt TM/ha. Nachteil: Nicht Transportwürdig; thermische Trocknung kommt aufgrund des hohen Energiebedarfes nicht in Frage, hohe Mineral- und Stickstoffgehalte. 4 Mechanische Entwässerung Mit dem System der Mechanischen Entwässerung ist es möglich, aus Ganzpflanzensilagen mit geringem energetischen Aufwand einen qualitativ hochwertigen Brennstoff herzustellen. 4.1 Verfahren - Biomasse wird feucht geerntet und als Silage konserviert. - die Biomasseentnahme und Verarbeitung erfolgen über das Jahr verteilt gleichmäßig. Mit einer Presse wird ein Presskuchen erzeugt mit ca % TS-Gehalt. der Aschegehalt kann um bis zu 60 % verringert werden der Stickstoffgehalt kann um bis zu 45 % verringert werden der Kalium / Chlorid-Gehalt kann um bis zu 80 % verringert werden. Mit der Presse wird ein Presswasser erzeugt, das: zwischen 10 und 45 % der Trockenmasse, bis zu 75 % der Asche, bis zu 60 % des Stickstoffs, bis zu 95 % des Cl / K aus dem Ausgangsmaterial enthält. 4.2 Verwertung Die im Presswasser enthaltene organische Trockensubstanz kann nicht als handelsfähiger Brennstoff verwertet werden. Im Gesamtsystem wird dieser Trockensubstanzanteil in einer Biogasanlage zu Methan vergoren und verstromt. Der erzeugte Strom kann als Prozessenergie eingesetzt werden (40 bis 60 %), der Rest wird ins öffentliche Netz eingespeist. Die bei der Verstromung anfallende Abwärme wird ganzjährig zur Nachtrocknung des Presskuchens verwendet (100 %). Der Gärrest wird als Dünger in die Landwirtschaft zurückgeführt. Um das System energetisch selbsttragend zu gestalten, müssen mindestens 30 % der organischen Trockenmasse im Presswasser verfügbar sein. Mit diesem System ist ein trockener Brennstoff herstellbar, der vom Hektarertrag mit der Trockengutlinie gleichzusetzen ist, der jedoch wesentlich höhere Qualität aufweist.

7 Dieser Brennstoff ist in Heizanlagen aller Größen einsetzbar. Außerdem kann mit diesem Verfahren ein möglicher Rohstoff für die BTL-Produktion hergestellt werden.