UNTERSUCHUNGEN ZUR VERWERTBARKEIT VON PFERDEMIST IM BIOGASPROZESS

Transkript

1 Universität Hohenheim Institut für Agrartechnik Verfahrenstechnik der Tierhaltungssysteme (440b) Prof. Dr. T. Jungbluth Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie (740) Dr. Hans Oechsner UNTERSUCHUNGEN ZUR VERWERTBARKEIT VON PFERDEMIST IM BIOGASPROZESS Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktors der Agrarwissenschaften (Dr. sc. agr.) vorgelegt der Fakultät Agrarwissenschaften von M. Sc. Matthias Mönch-Tegeder aus Hannover Stuttgart Hohenheim 2014

2 Die vorliegende Arbeit wurde am von der Fakultät Agrarwissenschaften der Universität Hohenheim als "Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktors der Agrarwissenschaften" angenommen Tag der mündlichen Prüfung: Prodekan: Prof. Dr. M. Rodehutscord 1. Prüfer/in: Prof. Dr. T. Jungbluth 2. Prüfer/in: Prof. Dr. W. Büscher 3. Prüfer/in: Prof. Dr. J. Müller ii

3 Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis... iv 1. Einleitung Publikation 1: Investigation of the methane potential of horse manure Publikation 2: Effects of full-scale substrate pretreatment with the cross-flow grinder on biogas production Publikation 3: Enhancement of methane production with horse manure supplement in a full-scale biogas process Gesamtdiskussion Zusammenfassung Summary Literaturverzeichnis Danksagung iii

4 Abkürzungsverzeichnis a Bio-QZ C EEG et al. FM GPS ha HBT K kwh el kwh th Mio. N Nm³ Q x50,3 t TS VDI Jahr Bio-Querstromzerspaner Kohlenstoff Gesetz für den Vorrang erneuerbarer Energien et alii Frischmasse Ganzpflanzensilage Hektar Hohenheimer Biogasertragstest Kelvin Kilowattstunde elektrisch Kilowattstunde thermisch Million Stickstoff Normkubikmeter Median der massebezogenen Verteilungsumme Tonne Trockensubstanz Verein Deutscher Ingenieure Euro iv

5 Einleitung 1. Einleitung Die anaerobe Konversion von organischen Materialien zur Erzeugung von Biogas ist ein seit langem bekannter Prozess zur umweltschonenden Behandlung von Abfällen, Abwässern und Reststoffen (Weiland, 2006). Gestützt durch die energiepolitischen Ziele der Bundesregierung und dem daraus resultierenden Gesetz für den Vorrang erneuerbaren Energien (EEG) im Jahre 2000 hat sich die Biogaserzeugung zu einem bedeutenden Wirtschaftszweig in der Bundesrepublik Deutschland entwickelt. So stieg seit Einführung des EEG die Anzahl von Biogasanlagen um ein Vielfaches von ursprünglich im Jahre 2000 auf Anlagen in 2012 (Fachverband Biogas e.v., 2013). Einen wesentlichen Einfluss auf diesen starken Zubau im Bereich von landwirtschaftlichen Biogasanlagen hatten die Novellierungen des EEG in den Jahren 2004 und 2009 und der damit einhergehenden Förderung des Einsatzes von nachwachsenden Rohstoffen und Wirtschaftsdüngern zur Biogaserzeugung (Weiland, 2010). Dies führte zu einem Anstieg der Anbaufläche für Substrate zur Biogaserzeugung auf 1,157 Mio. ha und entspricht damit ungefähr 10% der in der Bundesrepublik Deutschland verfügbaren Ackerfläche. Dabei ist Maissilage mit einem Anbauumfang von 0,84 Mio. ha der dominierende Einsatzstoff in landwirtschaftlichen Biogasanlagen (Bundesministerium für Ernährung Landwirtschaft und Verbraucherschutz, 2012; Gömann, 2013). Für die Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen und flüssigem Wirtschaftsdünger wurde das kontinuierlich betriebene einphasige Nassfermentationsverfahren im volldurchmischten stehenden Reaktor zum dominierenden Anlagensystem (Lemmer, 2005; Johann Heinrich von Thünen-Institut, 2009; Weiland, 2010). Jedoch führte der stetige Anstieg der Biogaserzeugung zu zunehmenden Akzeptanzproblemen in der Bevölkerung. Besonders kontrovers wird der Anbau von Energiepflanzen diskutiert (Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina, 2012). Hauptargumente sind hierbei der Anbau von Mais, einseitige Fruchtfolgen, Veränderungen des Landschaftsbilds und der Flächenverbrauch zur Energieproduktion (Ehrenstein et al., 2013). Zusätzlich wird durch steigende Preise für Agrarrohstoffe die Flächenkonkurrenz zwischen der Nahrungsmittelproduktion und Biogaserzeugung die Wirtschaftlichkeit der Erzeugung von Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen verringert. Daher ist die Effizienzsteigerung der Bioenergieerzeugung und Senkung der Substratkosten eine zentrale Herausforderung, um zukünftig wettbewerbsfähig und nachhaltig Energie zu produzieren. 1

6 Einleitung Die Erschließung von Nebenprodukten, Abfall- und Reststoffen bietet die Möglichkeit zur Kostensenkung der Einsatzstoffe und zudem die Verringerung von Landnutzungskonkurrenzen zwischen der Nahrungsmittelproduktion und der Biogaserzeugung. Zusätzlich können Stoffkreisläufe geschlossen werden und Nährstoffe für die Pflanzenproduktion bereitgestellt werden. Trotz des Anteils von 43% am Frischmasseeintrag in Biogasanlagen werden die in Deutschland anfallenden Wirtschafsdüngermengen nicht ausreichend für die Biogaserzeugung genutzt (Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina, 2012; Daniel-Gromke et al., 2013). So wurden 2011 lediglich 12% der vorhandenen Wirtschaftsdüngermengen in Biogasanlagen verwertet. Zu beachten gilt hierbei zusätzlich, dass 90% des verwendeten Wirtschaftsdüngers aus Rinderund Schweinegülle bestehen und die restlichen 10% aus Festmist, Geflügelmist und Hühnertrockenkot (Daniel-Gromke et al., 2013) Diese Zahlen zeigen deutlich, dass noch erhebliche Mengen an ungenutzten tierischen Reststoffen zur Verfügung stehen (European Renewable Energy Council, 2007). Die anaerobe Konversion von Festmist bietet viele positive Aspekte. So wird eine unkontrollierte Rotte und die damit verbundene Freisetzung von gasförmigen Emissionen sowie die Auswaschung von Nährstoffen in den Boden und das Grundwasser eingeschränkt (Romano et al., 2006). Außerdem wird die Nährstoffverfügbarkeit und Düngewirksamkeit des Festmistes gesteigert (Romano et al., 2006; Appels et al., 2011; Möller and Müller, 2012). Zusätzlich entstehen in der Regel für den Biogasanlagenbetreiber keine Produktionskosten für den Festmist und es kann die benötigte Anbaufläche für Einsatzstoffe verringert werden. Ein ebenfalls nahezu ungenutztes Substrat stellt Pferdemist dar. In Deutschland werden zurzeit ca. 1 Mio. Pferde gehalten (Deutsche Reiterliche Vereinigung, 2012). Entsprechend den Untersuchungen von Häußermann et al. (2002) muss mit einer anfallenden Mistmenge zwischen 17 und 21 t pro Pferd und Jahr gerechnet werden. Da die Pferde in der Regel auf spezialisierten Betrieben mit einer geringen Flächenausstattung gehalten werden, stellt die Verwertung des produzierten Mistes häufig ein erhebliches Problem dar. Aufgrund des hohen Anteils an Einstreu ist eine Ausbringung auf Grünland ohne ausreichende Rotte nicht möglich. Bedingt durch den geringen Düngewert des Pferdemistes ist die Verwertung im Pflanzenbau schwierig. Daher ist in vielen pferdehaltenden Betrieben inzwischen ein Verwertungsproblem mit zum Teil erheblichen Entsorgungskosten entstanden (Beck, 2005). Eine energetische Verwertung des Pferdemistes konnte sich trotz des kontinuierlichen Anfalls, der guten Verfügbarkeit und geringer Kosten bis heute nicht etablieren. Ein wesentlicher Grund ist, dass durch rechtliche Beschränkungen im EEG 2004 der Einsatz von 2

7 Einleitung Pferdemist in Biogasanlagen zur Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen nicht zulässig war (2004). In der novellierten Fassung des EEG im Jahre 2009 wurde Pferdemist in der Positivliste für nachwachsende Rohstoffe eingestuft (2009). In der aktuellen Fassung des EEG aus dem Jahre 2012 ist Pferdemist der Einsatzstoffvergütungsklasse 2 zuzuordnen (2012). Ein weiteres Hindernis bei der Nutzung von Pferdemist in landwirtschaftlichen Biogasanlagen ist dessen heterogene Zusammensetzung. Zusätzlich ist aufgrund der hohen Anteile von faserreichen Einstreumaterialien im Pferdemist mit Trockensubstanzgehalten (TS-Gehalten) von bis zu 50% zu rechnen (Häußermann et al., 2002). Die Verwertung von Pferdemist im Feststofffermentationsverfahren ist Bestandteil verschiedener wissenschaftlicher Arbeiten (Kusch, 2007; Kusch et al., 2008; Cui et al., 2011; Wartell et al., 2012). Nach Kusch et al. (2008) führt die Verwendung von Pferdemist aufgrund der hohen TS-Gehalte schnell zu Verstopfungen von Förderpumpen und Rohrleitungen und ist derzeit nur im Feststoffverfahren möglich. Zusätzlich neigt das langfaserige Einstreumaterial des Pferdemistes zum Aufschwimmen und kann so zu Schwimmschichten im Fermenter führen und die Gasfreisetzung behindern (Hashimoto, 1983; Kalia and Singh, 1998). Des Weiteren haben die hohen TS-Gehalte der Einsatzstoffe einen großen Einfluss auf die Viskosität des Fermenterinhaltes und verringern damit die Rührfähigkeit der Substrate (Hartmann et al., 2000; Haeffner et al., 2010). Neben den verfahrenstechnischen Problemen verursachen die hohen Ligningehalte der faserreichen Substrate einen verlangsamten Substratabbau und erfordern hohe Verweilzeiten im Fermenter (Bruni et al., 2010a). Als Lösungsansatz für diese Probleme wird in der Literatur eine Vorbehandlung solch faserreicher Substrate empfohlen (Appels et al., 2011; Bolduan et al., 2011; Fischer et al., 2013). Nach Agbor et al. (2011) sowie Taherzadeh und Karimi (2008) muss eine effektive Substratvorbehandlung für die Biogaserzeugung folgende Ansprüche erfüllen: Vermeidung von verfahrenstechnischen Problemen; Schaffung von enzymatisch reaktiven Cellulosefasern; Kein Verlust von vergärbaren organischen Substanzen; Keine Formung von Prozessinhibitoren; Geringer Energiebedarf; Vermeidung des Einsatzes von Chemikalien; Keine Produktion von unverwertbaren Abfallprodukten; Geringe Investitions- und Betriebskosten. 3

8 Einleitung Zudem soll die Substrataufbereitung die Abbaueffizienz im Biogasprozess erhöhen. Dies wird erreicht durch eine Steigerung des spezifischen Methanertrags und einer schnelleren Abbaugeschwindigkeit der Einsatzstoffe (Strong et al., 2011). Für die Erreichung dieser Ziele sind viele verschiedene Verfahren beschrieben. Grundsätzlich kann eine Einteilung der wissenschaftlich untersuchten Verfahren in physikalische (mechanisch oder thermisch), chemische und biologische Verfahren vorgenommen werden (Schwarz et al., 2009). Die Effekte der mechanischen Substrataufbereitung resultieren vorrangig in einer Verringerung der Partikelgröße, eine Vergrößerung der Substratoberfläche und einer Verbesserung der Löslichkeit der organischen Bestandteile (Angelidaki and Ahring, 2000; Climent et al., 2007; Hjorth et al., 2011). Durch die thermischen Substratvorbehandlungsverfahren wird ein Aufschluss der Lignin und Cellulose Komplexe und zusätzlich in Kombination mit Druck eine Verringerung der Partikelgrößen erreicht. Jedoch besteht die Gefahr bei zu hohen Temperaturen die Bildung von Hemmstoffen, wie z.b. Phenolen und heterozyklische Verbindungen zu begünstigen (Hendriks and Zeeman, 2008; Bruni et al., 2010b). Bei den chemischen Desintegrationsverfahren werden durch den Einsatz von Säuren, Laugen oder Oxidationsmitteln die schwer vergärbaren Stoffe (Lignin und Hemicellulose) aufgelöst. Wesentlicher Nachteil bei diesen Verfahren ist der Umgang mit Chemikalien, die eine z.t. hohe Korrosivität besitzen und eine Gefährdung für den Anwender darstellen (Carlsson et al., 2012). Bei den biologischen Verfahren werden in der Regel Enzympräparate zur Steigerung der Hydrolysegeschwindigkeit dem Biogasprozess zugeführt. Die Wirksamkeit dieser Produkte ist jedoch umstritten. So konnten Quiñones et al. (2012) deutliche Steigerungen der spezifischen Gasausbeuten durch den Einsatz von Enzymen nachweisen. Auf der anderen Seite berichteten Brulé et al. (2008) von keinen signifikanten Effekten durch die von den Herstellern empfohlenen Einsatzmengen von Enzympräparaten im einphasigen Biogasreaktor. Es wurde vermutet, dass eine Enzymwirkung nur in einem instabilen und nicht optimal versorgten Prozess nachweisbar ist (Brulé et al., 2008; Schwarz et al., 2009). Die Vorbehandlung und Animpfung mit Pilzsubstraten zählt ebenfalls zu den biologischen Desintegrationsverfahren. In der Regel werden hierbei ligninabbauende Pilze (Klasse Agaricomycetes) unter aeroben Bedingungen verwendet. Aufgrund der langen Einwirkzeiten ist die Wirksamkeit umstritten. Es ist davon auszugehen, dass während der aeroben Lagerung eine hohe Umsetzung von organischer Masse stattfindet (Bruni et al., 2010a) 4

9 Einleitung Bei der genaueren Betrachtung der verschiedenen Desintegrationsverfahren und der verfügbaren Literatur fällt jedoch auf, dass nahezu alle Untersuchungen im Labormaßstab durchgeführt worden sind. Die Anwendbarkeit im Praxismaßstab ist für die thermischen und chemischen Verfahren noch nicht nachgewiesen (Carlsson et al., 2012). Für eine effektive Aufbereitung faserreicher Einsatzstoffe und einen störungsfreien Biogasprozess kommen derzeit nur die mechanischen Desintegrationsverfahren in Betracht (Kianmehr et al., 2010; Bruni et al., 2010a; Lindmark et al., 2012). 5

10 Einleitung Zielsetzung der Arbeit Die Steigerung der Nachhaltigkeit der Biogaserzeugung in Deutschland durch eine verstärkte Nutzung von alternativen Einsatzstoffen und Reststoffen ist ein wesentlicher Bestandteil einer umweltverträglichen Energiewende. Zusätzlich muss durch die Verwendung von kostengünstigen Substraten die Wirtschaftlichkeit der Bioenergieerzeugung verbessert werden. Jedoch stellt die Struktur der alternativen Einsatzstoffe oftmals hohe Ansprüche an die vorhandene Anlagentechnik. Die Verwertung solcher Materialien ist daher ohne spezielle Aufbereitungsverfahren in landwirtschaftlichen Biogasanlagen nicht möglich. Zudem ist die fehlende Kenntnis über die Verwertbarkeit und Gasausbeute dieser Substrate ein großes Hindernis für die Anlagenbetreiber. Daher soll in dieser Arbeit die Möglichkeit der Verwertbarkeit von Pferdemist als alternatives Substrat in landwirtschaftlichen Biogasanlagen und die Effekte einer mechanischen Desintegration mittels Querstromzerspaner untersucht werden. Dafür wurden folgende Teilziele definiert: Untersuchung der Zusammensetzung und Verwertbarkeit von Pferdemist mit verschiedenen Einstreumaterialien und Bestimmung der spezifischen Methanerträge unter Berücksichtigung des Alterungsprozesses des Pferdemistes; Ermittlung der Effekte der mechanischen Substratvorbehandlung mit dem Querstromzerspaner auf den spezifischen Methanertrag und die Abbaugeschwindigkeit von nachwachsenden Rohstoffen und Pferdemist im Labormaßstab; Untersuchungen zur Verwertbarkeit von Pferdemist im Praxismaßstab und den Einflüssen der mechanischen Aufbereitung auf den Biogasprozess an der Forschungsbiogasanlage Unterer Lindenhof. 6

11 Publikation 1: Mönch-Tegeder et al. (2013) 2. Publikation 1: Investigation of the methane potential of horse manure Matthias Mönch-Tegeder, Andreas Lemmer, Hans Oechsner and Thomas Jungbluth State Institute of Agricultural Engineering and Bioenergy, University of Hohenheim, Stuttgart, Germany Agricultural Engineering International: CIGR Journal (2013), 15(2): Veröffentlichung abrufbar unter: 7

12 Publikation 1: Mönch-Tegeder et al. (2013) Abstract During recent years the renewable energy production with agricultural biomass became more and more important. The increased use of agricultural products instead for nutrition aroused a debate. Therefore, the utilization of agricultural byproducts and residuals for anaerobic digestion is the essential step for the future sustainable energy production. One available substrate would be horse manure, but literature is still lacking information about gas potential and digestibility of horse manure in biogas plants. This work aims at investigating the suitability of horse manure with different bedding materials and to produce standard values for different horse manure samples. Additionally the methane yields of the components of the horse manure were analyzed. The results of the batch digestion test showed the highest specific methane yields for straw pellets with Nm³ CH 4 / kg VS. Slightly lower are the values for the straw samples in range of to Nm³ CH 4 / kg VS. The digestion of alternate bedding materials like flax and woody materials leads to specific methane values beneath Nm³ CH 4 / kg VS. Based on these results these materials should be avoided for anaerobic digestion. The straw based horse manure produced ± 0.02 Nm³ CH 4 / kg VS in the batch assay. The storage of the manure resulted in significant lower methane yields. Hence, the anaerobic digestion of the straw based horse manure is an efficient conversion pathway and can help to avoid the utilization of acreage for energy production instead of the production of food. 8

13 Publikation 1: Mönch-Tegeder et al. (2013) 9

25 Publikation 2: Mönch-Tegeder et al. (2013) 3. Publikation 2: Effects of full-scale substrate pretreatment with the cross-flow grinder on biogas production Matthias Mönch-Tegeder, Andreas Lemmer, Thomas Jungbluth and Hans Oechsner State Institute of Agricultural Engineering and Bioenergy, University of Hohenheim, Stuttgart, Germany Veröffentlichung eingereicht bei Agricultural Engineering International: CIGR Journal 21

26 Publikation 2: Mönch-Tegeder et al. (2013) Abstract The enhancement of the degradation rate of energy crops, agricultural residues and manure by different lab scale pretreatment pathways is shown in previous studies. In general, the pretreatments resulted in higher degradation efficiencies and an increase in methane yield for lignocellulosic and fibrous biomass. The major drawback of most of the different pretreatment methods is that either they are not feasible for application in practice or the high energy demand makes them economically inefficient. The aim of this study was to evaluate the effects of a full-scale mechanical pretreatment with a cross-flow grinder on commonly used energy crops (maize silage, grass silage and rye grain silage) and horse manure. Furthermore, the optimal treatment intensity for the highest energy output was estimated. A grinding time of 15 s led to a significant increase in methane yield for horse manure (+ 9.2 %) and a mixture of energy crops and horse manure (+ 9.7 %). However, only lower treatment intensities proved to have a positive energy balance. An increase in treatment intensity resulted in a further reduction of particle size but showed no effects on the degradation efficiency. Hence, it can concluded that the utilization of the mechanical treatment enables the digestion of lignocellulosic and fiber-rich substrates like residuals and organic wastes and therefore increases the environmental sustainability of energy production by anaerobic digestion. 22

45 Publikation 3: Mönch-Tegeder et al. (2013) 4. Publikation 3: Enhancement of methane production with horse manure supplement in a full-scale biogas process Matthias Mönch-Tegeder, Andreas Lemmer and Hans Oechsner State Institute of Agricultural Engineering and Bioenergy, University of Hohenheim, Stuttgart, Germany Mit freundlicher Genehmigung vom Elsevier Verlag wiederveröffentlicht. Energy (2014), im Druck Original Veröffentlichung abrufbar unter: 41

46 Publikation 3: Mönch-Tegeder et al. (2013) Abstract The increased demand for renewable energy resources worldwide has lead to a strong interest in biomass for energy and heat production. However, the use of energy crops competes with human food production for limited available arable land. Therefore, it is necessary to develop alternate feedstocks for anaerobic digestion and increase the use of agricultural residues and by-products. In this work, the usability of straw-based horse manure was investigated in a full-scale biogas plant over a period of 160 days. Additionally, for the improvement of the methane production, a mechanical disintegration device was tested. The results of this longterm study indicate that the digestion of horse manure is not sufficient without further disintegration. The pretreatment of the substrates caused an increase in specific methane production of approximately 26.5%. The determination of the degradation efficiency resulted in an almost complete degradation of the disintegrated substrates during the theoretical hydraulic retention time of 80 days. Regarding these results, the energy demand for the pretreatment is negligible. Therefore, the anaerobic digestion of lignocellulosic materials with an appropriate pretreatment is the suggested method for a sustainable and economically viable energy production. 42

55 Gesamtdiskussion 5. Gesamtdiskussion Die Verwertung von Abfällen und landwirtschaftlichen Reststoffen ist ein wesentlicher Bestandteil einer zukunftsfähigen, nachhaltigen und ökonomischen Biogaserzeugung. Bedingt durch die politischen Rahmenbedingungen und der damit verbundenen Vergütungsstruktur für Energie aus Biomasse, kam es in den Jahren 2004 bis 2012 zu einem starken Anstieg der Biogaserzeugung durch Nutzung von verfahrenstechnisch leicht verwertbaren Energiepflanzen. Dementsprechend wurde die Biogasanlagentechnik in der Regel nicht für Einsatzstoffe mit hohen TS- und Fasergehalten konzipiert. Steigende Substratkosten und zunehmende Landnutzungskonkurrenzen mit der Nahrungsmittelproduktion erfordern jedoch die Fokussierung auf alternative Einsatzstoffe. Die fehlenden Erfahrungen bezüglich der Verwertbarkeit und der zu erwartenden Energieausbeuten der alternativen Substrate resultieren in einer Zurückhaltung der Biogasanlagenbetreiber. Daher war das Ziel der vorliegenden Arbeit, durch systematische Untersuchungen im Labor- und Praxismaßstab, die Umsetzbarkeit von rohfaserreichen Ausgangstoffen am Beispiel des Substrates Pferdemist im anaeroben Prozess zu ermitteln, die zu erwartenden Energieerträge zu quantifizieren und die Wirkungen einer mechanischen Vorbehandlung zu definieren. Des Weiteren wurde die verfahrenstechnische Verwertbarkeit von strohhaltigem Pferdemist an der Forschungsbiogasanlage Unterer Lindenhof im unbehandelten und mechanisch aufbereiteten Zustand untersucht. Abbaubarkeit und Methanerträge von Pferdemist im Labormaßstab Nach Beck (2005) stellen Stroh- und Strohpellets mit einem Anteil von 50% die in der Pferdehaltung am häufigsten verwendeten Einstreumaterialen dar. Zunehmend gewinnen jedoch auch holzige Materialien und Flachsstroh als Einstreumaterial an Bedeutung. Um eine möglichst fundierte Datengrundlage bezüglich der Fermentierbarkeit zu generieren, wurden im Rahmen dieser Untersuchungen Proben von pferdehaltenden Betrieben mit den Einstreumaterialien Stroh und Strohpellets sowie den alternativen Einstreumaterialen Flachsstroh, Holzpellets und Sägespäne verwendet. Neben frischem Pferdemist wurde frisches Einstreumaterial, Pferdekot und vierwöchig gelagerter Mist von den Betrieben gewonnen. 51

56 Gesamtdiskussion Die Ergebnisse der erweiterten Weender Futtermittelanalyse zeigten erwartungsgemäß hohe Gehalte an langsam umsetzbaren Inhaltsstoffen der untersuchten Materialien. So lagen die Rohfaser- und Ligningehalte aller Proben um bis zu zehnmal höher als bei schnell abbaubaren Maissilagen (Mittweg et al., 2012). Zusätzlich war bei den alternativen Einstreumaterialien ein deutlich höherer Lignifizierungsgrad im Vergleich zu den Strohmaterialien erkennbar. Auch die Lagerung und der damit einhergehende aerobe Abbau des Pferdemistes führte zu einer Verminderung der umsetzbaren organischen Bestandteile und einer relativen Erhöhung des Ligningehaltes um durchschnittlich 43%. Bei der Lagerung des Pferdemistes kommt es zunächst zu einer starken Erwärmung des Materials und einer Umsetzung von leicht abbaubaren Inhaltsstoffen durch Mikroorganismen (Grundl, 2012). Aufgrund der hohen Pufferkapazität und der Konzentrationen an Mikro- und Makronährstoffen besitzen Gülle und Festmist aus der landwirtschaftlichen Tierhaltung eine prozessstabilisierende Wirkung bei der anaeroben Vergärung (Oechsner et al., 2011). Um zu überprüfen, ob durch den Einsatz von Pferdemist ebenfalls Defizite in der Nährstoffversorgung der Mikroorganismen ausgeglichen werden können, wurden von den frischen Mistproben die Mineralstoffkonzentrationen bestimmt. Die Ergebnisse zeigten, dass der untersuchte Pferdemist mit Stroheinstreu ähnliche Nährstoffgehalte wie die Grassilagen aus den Untersuchungen von Kimmich und Slotyuk (2011) aufweist. Ein Ausgleich eines Nährstoffmangels kann daher durch den Pferdemist nicht erreicht werden. Die Gehalte an Makro- und Mikronährstoffen müssen im kontinuierlichen Biogasprozess regelmäßig überprüft werden um Hemmungen durch eine Mangelversorgung auszuschließen (Lemmer et al., 2010). Aufgrund der ermittelten Substrateigenschaften des Pferdemistes scheint daher eine Co-Vergärung mit weiteren tierischen Exkrementen sinnvoll. Zudem kann aufgrund des weiten C/N-Verhältnisses von Pferdemist bei der Nutzung von stickstoffreichen Substraten das Risiko einer Prozessinhibition durch zu hohe Ammoniumkonzentrationen im Gärsubstrat minimiert werden. Die anaerobe Abbaubarkeit der Pferdemistvarianten und der Einstreumaterialien wurden mit dem Hohenheimer Biogasertragstest (HBT) entsprechend der VDI-Richtlinie 4630 (VDI- Gesellschaft Energietechnik, 2006) ermittelt. Um die Abbaugeschwindigkeit der Materialien zu beurteilen, wurden mit der modifizierten Gompertz-Funktion und der spezifischen Methanerträge die Verzögerungszeit und die maximale Methanproduktion pro Tag bestimmt. Eine Abschätzung der theoretischen maximalen Methanpotentiale anhand der chemischen Zusammensetzung der Materialien erschien für diese Untersuchung nicht zweckmäßig, da 52

57 Gesamtdiskussion diese Werte in der Regel die erreichbaren Methanerträge um ein Vielfaches überschätzen (Czepuck et al., 2006). Die spezifischen Methanerträge der Einstreumaterialien zeigten deutlich die unzureichende Umsetzbarkeit der alternativen Einstreumaterialien im Biogasprozess. Die höchsten spezifischen Methanerträge wurden bei den untersuchten Strohpellets detektiert. Die spezifischen Methanerträge des Strohs sind vergleichbar mit den Ergebnissen von Schumacher (2008) und Triolo et al. (2011). Die spezifischen Methanerträge des untersuchten Pferdekotes lagen unterhalb der ermittelten Werte der Stroheinstreu. Zusätzlich konnte eine Verzögerung des anaeroben Abbaus aufgrund der höheren Anteile schwer verdaulicher Bestandteile beobachtet werden. Bei der Betrachtung der Ergebnisse der Vergärung des frischen Pferdemistes fielen die signifikant niedrigeren Methanerträge des Mistes mit alternativen Einstreumaterialien auf. Hier zeigte sich erneut die geringe anaerobe Abbaubarkeit der Materialien mit hohen Ligningehalten. Eine Verwertung solcher Materialien im Biogasprozess erscheint daher nicht sinnvoll. Zudem können durch die holzigen Materialien verfahrenstechnische Probleme verursacht werden. Im Vergleich zum Pferdekot lagen die spezifischen Methanerträge der frischen Mistvarianten mit strohhaltiger Einstreu auf einem geringfügig höheren Niveau und sind vergleichbar mit den Ergebnissen von Kusch et al. (2008) und Wartell et al. (2012). Die Lagerung des Pferdemistes über einen Zeitraum von vier Wochen verursachte eine signifikante Verringerung der spezifischen Methanausbeuten zwischen 10 und 24%. Zusätzlich führten die Verluste an organischen Bestandteilen zu einer Reduktion der Degradationsgeschwindigkeit. Im Rahmen dieser Untersuchung konnte die Verwertbarkeit von strohhaltigem Pferdemist im Biogasprozess nachgewiesen und eine erste Datenbasis über die spezifischen Gaserträge geschaffen werden. Aufgrund der geringen Abbaubarkeit und Gasausbeute stellt der Pferdemist mit alternativen Einstreumaterialen kein geeignetes Substrat für die Biogaserzeugung dar. Des Weiteren wurde gezeigt, dass eine Zwischenlagerung von Pferdemist erhebliche Ertragsverluste verursacht und daher auf ein Minimum reduziert werden muss. Außerdem zeigen die Ergebnisse eine hohe Heterogenität der spezifischen Gaserträge des Pferdemistes. Die fundierte Planung für landwirtschaftliche Biogasanlagen setzt daher voraus, die verfügbaren Substrate bezüglich des Gasertragspotentials untersuchen zu lassen und den Einsatz von geeigneten Co-Substraten sicherzustellen, um eine Mangelversorgung mit Mineralstoffen zu vermeiden. Da die derzeit vorhandene Datengrundlage für so ein heterogen zusammengesetztes Material als gering betrachtet 53

58 Gesamtdiskussion werden muss, sind weitere Untersuchungen empfehlenswert, um die Abschätzung der Gaserträge aus Pferdemist zu validieren. Effekte der mechanischen Substratvorbehandlung Die Steigerung der Abbaugeschwindigkeit und spezifischen Methanausbeute verschiedenster faserreicher Biomassen durch eine mechanische Intensivaufbereitung ist Bestandteil einer Vielzahl wissenschaftlicher Veröffentlichungen. Es besteht in der wissenschaftlichen Literatur ein allgemeiner Konsens, dass eine mechanische Vorbehandlung von lignocellulosehaltigen Substraten im kontinuierlichen Biogasprozess zwingend notwendig ist (Ward et al., 2008; Bruni et al., 2010a; Menardo and Balsari, 2012). Bedingt durch die Zerkleinerung werden verfahrenstechnische Schwierigkeiten minimiert, die Zugänglichkeit der schwer abbaubaren Lignocellulosekomplexe für hydrolysierende Enzyme und Mikroorganismen erhöht und dementsprechend die prozesslimitierende Hydrolysegeschwindigkeit gesteigert und die Abbaueffizienz im Biogasprozess erhöht (Gharpuray et al., 1983; Carlsson et al., 2012). Die Auswirkungen der Substratzerkleinerung und Oberflächenvergrößerung von Silagen auf die Abbaubarkeit und Gasausbeute sind jedoch nicht eindeutig beschrieben. So konnten Schumacher und Oechsner (2007) sowie Schwarz et al. (2009) durch eine Vorbehandlung Methanertragsteigerungen bei Maissilagen nachweisen. Keine Signifikanten Veränderungen der Abbaugeschwindigkeit und Methanerträge durch die Aufbereitung von Silagen aus Mais, Hirse und Gras mit einer Hammermühle wurden von Brückner und Sawatzki (2011) festgestellt. Die Effektivität der mechanischen Aufbereitung steht in direkter Abhängigkeit zu dem Lignifizierungsgrad der Substrate (Palmowski and Müller, 2003). Demzufolge ist die Desintegration von Materialien mit geringen Ligningehalten bedeutungslos (Bruni et al., 2010c). In den Untersuchungen von Weiss und Brückner (2008) konnte durch die Verringerung der Häcksellängen eine Steigerung des anaeroben Abbaus realisiert werden. Nach Herrmann und Rath (2012) ist die durch eine geringere Häcksellänge während der Ernte verursachte Optimierung der Siliereigenschaften der entscheidende Faktor für eine erhöhte Methanausbeute. Die Einbindung einer mechanischen Substratvorbehandlung an einer landwirtschaftlichen Biogasanlage führt in der Regel zu einem mechanischen Aufschluss von allen zugeführten Feststoffen. Da die Wirkungen auf die Vergärbarkeit dieser Substrate nicht abschließend geklärt sind und auch über die notwendige Intensität der mechanischen Desintegration wenige 54

59 Gesamtdiskussion Informationen vorhanden sind, wurden im Rahmen dieser Untersuchung die Effekte unterschiedlicher Aufbereitungsintensitäten von Silagen, Pferdemist und einer Mischung dieser Substrate ermittelt und eine optimale Vorbehandlungsintensität bestimmt. Die Variation der Aufbereitungsintensität des Bio-Querstromzerspaners (Bio-QZ) wurde durch eine 15- bzw. 30-sekündige Verweilzeit der Materialien im Prallreaktor erreicht. Bedingt durch die intensive mechanische Substratbehandlung mit dem Bio-QZ konnte eine Erwärmung der Materialien um bis zu 40 K festgestellt werden. In Kombination mit der starken Verwirbelung der Substrate im Prallreaktor führte dies zu einem Verlust von flüchtigen Fettsäuren und Alkoholen bei Grassilage und Getreide-Ganzpflanzensilage (GPS). Die Bildung von prozessinhibitorischen Substanzen bzw. wesentliche Veränderungen der Substratzusammensetzung wurden bei den weiteren Materialien nicht beobachtet. Eine Vernebelung von Wasser im Prallreaktor könnte die aufsteigenden flüchtigen Substanzen binden, einen Eintrag in den Fermenter gewährleisten und die Verluste der leicht abbaubaren Substanzen minimieren. Die Veränderungen der Substratstruktur durch die mechanische Desintegration wurden mittels Partikelgrößenanalysen quantifiziert. Zur Beschreibung des Zerkleinerungsgrads wurde der Median der massebezogenen Verteilungssummenkurve der Partikelgrößenanalyse (Q x50,3 ) verwendet. Die Behandlung im Bio-QZ führte zu einer signifikanten Verringerung der mittleren Partikelgrößen und Steigerung der spezifischen Oberfläche der untersuchten Substrate. In Abhängigkeit der Substrateigenschaften waren jedoch deutliche Unterschiede in der Behandlungseffektivität erkennbar. So führte die Behandlung der Maissilage und Getreide-GPS für 15 Sekunden im Bio-QZ zu einem Zerkleinerungsgrad von 80 bzw. 81%. Durch die Aufbereitungsdauer von 30 Sekunden betrug der Zerkleinerungsgrad der bei beiden Materialien 96%. Die mechanische Desintegration des Pferdemistes für 15 Sekunden resultierte in einer Reduzierung des Q x50,3 um 69% und die Steigerung der Aufbereitungsintensität zu einem Zerkleinerungsgrad von 82%. Die geringsten Veränderungen des Q x50,3 durch die Behandlung im Bio-QZ wurden bei der Gassilage beobachtet. So betrug durch die Aufbereitung für 15 Sekunden der Zerkleinerungsgrad 46% und die Verlängerung der Verweilzeit im Bio-QZ auf 30 Sekunden führte zu einer Verringerung des Q x50,3 um 82%. Die Resultate aus den diskontinuierlichen Laboruntersuchungen zum Gasertrag zeigten keine signifikanten Veränderungen der spezifischen Methanerträge der zerkleinerten und unbehandelten Silagen. In Übereinstimmung mit Mukengele und Oechsner (2007) bewirkt die 55

60 Gesamtdiskussion Milchsäuregärung während der Silierung einen ausreichenden Substrataufschluss und eine weitere Vorbehandlung ist nicht erforderlich. Signifikante Verbesserungen der anaeroben Abbaubarkeit wurden beim Pferdemist und der Substratmischung nachgewiesen. Der Intensivaufschluss für 15 Sekunden bewirkte eine Steigerung der spezifischen Methanerträge um bis zu 10%. Interessanterweise, resultierte die Erhöhung der Aufbereitungsdauer auf 30 Sekunden zu einer Verringerung der Gaserträge gegenüber der 15 Sekunden Variante. Nahezu identische Effekte konnten bei der Substratmischung detektiert werden. Dementsprechend scheint durch die Intensivaufbereitung für 15 Sekunden der Substrataufschluss der beiden Substrate für die anaerobe Fermentation optimal. Im Anbetracht des Energiebedarfs der mechanischen Aufbereitung führt eine Steigerung der Intensität lediglich zu einem erhöhten Stromverbrauch. Eine maximale Vergrößerung der spezifischen Substratoberfläche für den mikrobiellen Abbau erscheint daher nicht notwendig. Bei der Durchführung von Batchgärtests entsprechend der VDI-Richtlinie 4630 (VDI- Gesellschaft Energietechnik, 2006) ist die Testdauer von der täglichen Gasbildung abhängig. Das Abbruchkriterium für den Gärtest wird durch das Unterschreiten der täglich produzierten Biogasmenge auf unter 1% des bis dahin produzierten Biogasgesamtvolumens definiert. Dementsprechend wird in diesen Gärtests eine nahezu vollständige Umsetzung und Ausfaulung des Substrates erreicht. Daher können die Effekte auf den spezifischen Methanertrag von Desintegrationsverfahren durch die optimalen Fermentationsbedingungen und langen Verweilzeiten ausgeglichen werden (Hjorth et al., 2011). Eine Betrachtung der Abbaukinetik ist dementsprechend unerlässlich. Durch die Modellierung der Gasertragskurven mit der modifizierten Gompertz-Funktion und deren Differentiation konnte die anaerobe Degradation beurteilt werden. Bei dieser Betrachtungsweise konnte eine Steigerung der Abbaugeschwindigkeit bei der Getreide-GPS um 24% durch die mechanische Aufbereitung für 15 Sekunden nachgewiesen werden. Bedingt durch die Reduktion der Gehalte an flüchtigen Fettsäuren und Alkoholen betrug nach einer Aufbereitungszeit von 30 Sekunden die Zunahme der Abbaugeschwindigkeit gegenüber der unbehandelten Variante 7%. Bei der Grassilage betrug die Zunahme der Abbaugeschwindigkeit bis zu 9%. Keine eindeutigen Effekte wurden bei der vorbehandelten Maissilage festgestellt. Bei dem Pferdemist wurde durch die Vorbehandlung die maximale Methanproduktion um 29% erhöht und der Zeitraum bis zum Erreichen dieses Zeitpunktes um bis zu 21% verringert. Die Auswirkungen dieser Veränderungen auf die kontinuierliche Biogasproduktion können jedoch nur schwer beurteilt werden. So halten Zhang und Banks (2013) eine Steigerung der Abbaugeschwindigkeit bei hydraulischen Verweilzeiten oberhalb von 15 Tagen für nicht 56

61 Gesamtdiskussion relevant. Im Zuge einer bedarfsorientierten Energieerzeugung können die Veränderungen der Abbaukinetik jedoch einen erheblichen Beitrag zur flexiblen Steuerung der Gasproduktion liefern. Um die Effizienz der mechanischen Substratvorbehandlung zu beurteilen, wurden die spezifischen Methanerträge in Relation zum Energieaufwand für die Zerkleinerung gesetzt. Dabei zeigte sich, dass nur die mechanische Desintegration für 15 Sekunden bei den Materialien Pferdemist (+12,7 kwh/t FM) und Substratmischung (+17,3 kwh/t FM) zu einem positiven Ergebnis führt. Entsprechend dieser Erkenntnisse ist der Einsatz einer mechanischen Aufbereitung im großmaßstäblichen Biogasprozess in Übereinstimmung mit Lissens et al. (2004) nur für die Erschließung und Verwertung von lignocellulosehaltigen Substraten gerechtfertigt. Des Weiteren scheint die Aufbereitungsdauer von 15 Sekunden im Bio-QZ für den untersuchten Pferdemist und die Substratmischung einen optimalen Aufschluss für einen effektiven Abbau zu gewährleisten. Übereinstimmend mit den Ergebnissen von Schell und Harwood (1994) führt auch in der vorliegenden Untersuchung eine weitere Steigerung der Aufbereitungsintensität zu keiner zusätzlichen Verbesserung der Substratumsetzung. Verwertbarkeit von Pferdemist im Praxismaßstab Die Eignung von strohhaltigem Pferdemist als Einsatzstoff im kontinuierlich betriebenen Biogasfermenter wurde an der seit 2008 betriebenen Forschungsbiogasanlage Unterer Lindenhof über einen Zeitraum von 160 Tagen untersucht. Die Versuchsbiogasanlage ist mit zwei identischen Hauptfermentern ausgestattet, die jeweils über ein eigenes Eintragssystem verfügen (Lemmer et al., 2008). Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Eintragssystem am Fermenter 1 durch den Querstromzerspaner Bio-QZ 900 (Fa. Meba, Nördlingen, Deutschland) ergänzt. Dadurch konnten die Auswirkungen der mechanischen Substrataufbereitung auf den Biogasprozess im Großmaßstab ermittelt werden und aufgrund der identischen Beschickung der beiden Fermenter ein direkter Vergleich gezogen werden. Neben dem Forschungsbetrieb sollen alle an der Versuchsstation anfallenden Wirtschaftsdünger energetisch verwertet werden. Dementsprechend waren der Rationsgestaltung in dieser Versuchsreihe Grenzen gesetzt und die flüssigen Wirtschaftsdünger nahmen einen Anteil von nahezu 40% an der Gesamtration ein. Für einen störungsfreien Anlagenbetrieb, waren vor dem Versuchsstart Vorversuche notwendig, um die Rationszusammensetzung der Feststoffeinträge zu optimieren. Der Feststoffdosierer am Fermenter 2 ist im Gegensatz zum Fermenter 1 mit nur einer Vertikalschnecke ausgestattet. 57

62 Gesamtdiskussion Aufgrund der hohen Faseranteile und der variierenden Konsistenz des Mistes kann ein zu hoher Mistanteil in der Ration zu einer Brückenbildung im Feststoffdosierer führen. Die dadurch entstehenden Fütterungsausfälle hätten zu einer erheblichen Störung des Versuchsablaufes geführt. Mit der Rationsumstellung an der Biogasanlage wurde gegenüber der vorherigen Fütterungsration der Anteil der nachwachsenden Rohstoffe um 14% reduziert und der Mistanteil (Festmist und Pferdemist) um 17% erhöht. Durch diese Veränderungen und den Einsatz des Pferdemistes konnte ein deutlicher Anstieg des TS-Gehaltes der Gärsubstrate um nahezu 3% während des Versuches in den beiden Fermentern beobachtet werden. Außerdem musste die Rührintensität im Fermenter 2 erheblich gesteigert werden, um die Bildung von Schwimmschichten zu verhindern und um eine ausreichende Substratbewegung im Reaktor aufrechtzuerhalten. Zusätzlich bildeten sich im Versuchsverlauf grobklumpige Substratagglomerationen im Fermenter ohne mechanische Aufbereitung. Ein Aufschwimmen von faserreichen Materialien im Fermenter 1 trat während dieser Versuchsphase nicht auf. Jedoch konnte eine sehr intensive Gasfreisetzung während des wöchentlichen routinemäßigen Aufrührens des Behälterbodens im Fermenter 1 festgestellt werden. Dies kann als Anzeichen einer Substratablagerung interpretiert werden. Im Fermenter 2 war dieser Effekt wesentlich geringer ausgeprägt. Inwieweit die Zerkleinerung der Materialien und Veränderungen der Substratkonsistenz durch die mechanische Desintegration die Sedimentation von Partikeln fördern und dementsprechend eine Anpassung des Rührregimes erfordern, konnte in diesen Untersuchungen nicht abschließend beurteilt werden. Bedingt durch den hohen Stroh- bzw. Faseranteil des Pferdemistes wurde eine Abnahme der Pumpfähigkeit des Inhaltes von Fermenter 2 festgestellt. Im Fermenter 1 traten während des gesamten Versuchsablaufes keine relevanten verfahrenstechnischen Störungen auf. Die Aufbereitung der Substrate hatte einen erheblichen Einfluss auf den Energiebedarf zur Aufrechterhaltung der Prozesstemperatur im Fermenter 1. In den Untersuchungen von Naegele und Lemmer (2011) konnten keine Differenzen im thermischen Energiebedarf zur Beheizung der beiden Versuchsreaktoren an der Forschungsbiogasanlage festgestellt werden. In dieser Versuchsreihe zeigte sich jedoch, dass durch die mechanische Desintegration am Fermenter 1 der Wärmebedarf erheblich reduziert wurde. So lag im Vergleich mit dem identisch betriebenen Fermenter 2 der Wärmebedarf in dem Zeitraum vom November 2012 bis Februar 2013 um insgesamt kwh th geringer. Für den Antrieb des Bio-QZ betrug der elektrische Energiebedarf in diesem Zeitraum kwh el. Verursacher für diese große Differenz im Wärmebedarf der Reaktoren könnte zum einem durch die Erwärmung der Einsatzstoffe durch die mechanische 58

63 Gesamtdiskussion Aufbereitung verursacht sein und zum anderen ist aufgrund der verbesserten Substratzugänglichkeit von einer höheren Aktivität der Mikroorganismen und schnelleren Umsetzung auszugehen (Climent et al., 2007; Menardo and Balsari, 2012). Bedingt durch die gesteigerte Aktivität, bei identischer Fütterung, wird wesentlich mehr Reaktionswärme freigesetzt. In Anbetracht einer Optimierung der Gesamteffizienz der Biogaserzeugung kann die Einsparung von Wärmeenergie zur Aufrechterhaltung der Prozesstemperatur in den Wintermonaten einen erheblichen Beitrag liefern. Die Analyse der prozessbiologischen Parameter zeigen in diesem Versuch keine Auffälligkeiten. Eine Prozessinhibition durch die Akkumulation von organischen Säuren und einer daraus resultierenden Übersäuerung des Fermenterinhaltes erscheint bei dem Einsatz von hohen Anteilen Pferdemist in der Fütterungsration unwahrscheinlich. In diesem Fall muss davon ausgegangen werden, dass die Einbringung der hohen TS-Konzentrationen der Fütterungssubstrate in den Gärbehälter Störungen verursacht und als prozesslimitierender Faktor bei der Steigerung der Raumbelastung gilt. Entsprechend der VDI-Richtlinie 3475 Blatt 4 (VDI-Gesellschaft Kommission Reinhaltung der Luft, 2010) sowie nach Eder und Schulz (2012) ist ein TS-Gehalt von 15% des Gärsubstrates bei der Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen in kontinuierlich betriebenen und volldurchmischten Biogasfermentern ein verfahrenstechnischer Grenzwert. Bei höheren TS-Gehalten ist mit einer erheblichen Reduzierung der Durchmischbarkeit und Förderfähigkeit der Substrate zu rechnen. Zusätzlich wird die Gasfreisetzung aus dem Gärsubstrat behindert. Der in dieser Versuchsanordnung hohe Einsatz von flüssigen Wirtschaftsdüngern ist nicht nur aus ökologischer Sicht als vorteilhaft zu bewerten. Bedingt durch die hohen Wasseranteile der Gülle konnte der Anstieg der TS-Gehalte der Fermenterinhalte begrenzt werden und die rheologischen Eigenschaften der Gärsubstrate verbessern. Zusätzlich werden durch die flüssigen Wirtschaftsdünger essentielle Mikro- und Makronährstoffe für den anaeroben Prozess zur Verfügung gestellt. Zudem bewirkt die hohe Pufferkapazität der Gülle eine Stabilisierung des ph-wertes im Gärsubstrat (Mähnert, 2007). Entsprechend den Ergebnissen von Köllmeier et al. (2012) und den daraus abgeleiteten Schlussfolgerungen von Lemmer et al. (2013) ist bei einem ph-wert von 8,0 die hydrolytische Umsetzung von Stroh im Biogasprozess gegenüber niedrigeren ph-werten effizienter. Dies lässt die Annahme zu, dass bei der Vergärung von strohhaltigem Pferdemist eine Verbesserung der Fermentationsbedingungen durch den Einsatz von Gülle als Co-Substrat erreicht werden kann. 59

64 Gesamtdiskussion Um den Aufwand der mechanischen Substratvorbehandlung zu rechtfertigen, müssen neben den Effekten auf verfahrenstechnischer Seite, auch Steigerungen der Biogasproduktion und Abbaueffizienz nachweisbar sein. Die Betrachtung der spezifischen Methanproduktion der beiden Fermenter zeigte eine deutliche Verringerung der Gasproduktion durch den Einsatz von Pferdemist. So lag die spezifische Methanausbeute im Fermenter 1 in der ersten Verweilzeit des Versuches um 30% niedriger gegenüber der vorherigen Betriebsweise ohne Pferdemist. Im Fermenter 2 betrug die Differenz 31%. Zusätzlich waren die Qualitätsschwankungen des Pferdemistes deutlich erkennbar. Wurde der schon zum Teil umgesetzte Mist aus dem Tiefstall eines Pferdebetriebs verwertet, konnte eine unmittelbare Verringerung der Gasproduktion beobachtet werden. Auch machte sich die aerobe Rotte des Pferdemistes durch eine längere Zwischenlagerung direkt im spezifischen Gasertrag bemerkbar. Zusätzlich war eine Adaption der Mikrobiologie im Reaktor durch die Umstellung der Einsatzstoffe im Fermenter 1 zu erkennen. Nach der starken Abnahme der spezifischen Gasproduktion war im weiteren Versuchsverlauf eine kontinuierliche Steigerung zu beobachten. Bedingt durch die Zunahme der verfahrenstechnischen Schwierigkeiten im Fermenter 2 konnte der Effekt der Anpassung der Prozessbiologie nicht nachgewiesen werden. Einen Einfluss der mechanischen Desintegration auf den Methangehalt des produzierten Biogases war in dieser Untersuchung nicht erkennbar. Für die Abschätzung der im Praxismaßstab erreichbaren Methanerträge sind Batchgärtests nach der VDI-Richtlinie 4630 (VDI-Gesellschaft Energietechnik, 2006) im Labormaßstab ein etabliertes Verfahren mit guter Übertragbarkeit in den Großmaßstab (Oechsner und Paterson, 2013). Daher wurden für die Beurteilung der Abbaueffizienz in den Biogasreaktoren die maximalen Methanpotentiale der Einsatzstoffe der Biogasanlage mittels HBT, entsprechend der VDI-Richtlinie 4630 (VDI- Gesellschaft Energietechnik, 2006), bestimmt. Anhand dieser Ergebnisse und den zugeführten Substratmengen der Reaktoren konnte die maximale spezifische Methanproduktion der Fermenter berechnet werden. Der Vergleich dieser Werte mit der erzielten spezifischen Methanproduktion zeigte eine sehr gute Abbaueffizienz im Fermenter 1 mit mechanischer Substratzerkleinerung. So lag die erzielte durchschnittliche spezifische Methanausbeute bei einer theoretischen Verweilzeit von ungefähr 80 Tagen um lediglich 11% unterhalb der im Labor bestimmten maximalen Ausbeute. Im Fermenter 2 betrug die Differenz zwischen der realisierten und berechneten Methanausbeute im Mittel 34% und zeigt eine unzureichende Substratumsetzung. Zwischen den beiden Reaktoren betrugen die Unterschiede in der spezifischen Methanproduktion bis zu 27% bzw. lag die tägliche Methanproduktion in diesem Zeitraum im Fermenter 1 um durchschnittlich 167 ± 85 Nm³ höher. Anhand dieser Ergebnisse 60

65 Gesamtdiskussion konnte die Notwendigkeit der mechanischen Desintegration beim Einsatz von Pferdemist im kontinuierlich beschickten Biogasfermenter nachgewiesen werden. Auch der benötigte Energieaufwand des Bio-QZ für die Aufbereitung der Einsatzstoffe von 11,3 ± 1,3 kwh/t FM ist im Anbetracht dieser Unterschiede vernachlässigbar. Eine abschließende Beurteilung der Wirtschaftlichkeit der mechanischen Desintegration mittels Bio-QZ und der Verwertung von strohhaltigem Pferdemist war aufgrund der Zielsetzungen zur verfahrenstechnischen Untersuchung an der Forschungsbiogasanlage der Versuchsstation nicht möglich. Trotzdem soll anhand der gewonnen Daten eine Abschätzung der Wirtschaftlichkeit für eine Biogasanlage mit einer installierten Leistung von 186 kw el vorgenommen werden. Aufgrund der Ergebnisse aus den Laboruntersuchungen ist davon auszugehen, dass eine mechanische Aufbereitung von Silagen nicht notwendig ist. Dementsprechend müssen die gesamten Kosten der Vorbehandlung dem Pferdemist zugerechnet werden. Die Investitionskosten für die Installation des Bio-QZ betrugen an der Forschungsbiogasanlage Bei dem Einsatz von 50% Pferdemist und 30% Gülle können gegenüber der reinen Nutzung von Maissilage (70%) und Gülle (30%) 2372,5 t Silomais substituiert werden. Bei einem angenommenen Preis von 40 /t FM frei Eintragssystem der Biogasanlage ergibt sich eine Kostenreduktion von /a. Demgegenüber stehen Kosten von /a bzw. 8 /t Pferdemist für die mechanische Aufbereitung (Zinssatz 5%, Nutzungsdauer 8 a, Strombedarf Bio-QZ 11 kwh/t FM, Stromkosten 0,20 /kwh, Instandhaltungskosten /a). Anhand dieser Zahlen können durch den Einsatz des Pferdemistes die jährlichen Substratkosten um /a gesenkt werden. Jedoch wurden bei dieser Betrachtung die Transportkosten für den Pferdemist nicht berücksichtigt, da diese in starker Abhängigkeit der Entfernung und der verfügbaren Transporttechnik stehen. Zu beachten ist auch, dass bei dieser Abschätzung t Pferdemist pro Jahr benötigt werden. Dies entspricht der Mistmenge von 150 bis 200 Pferden. Eine Überprüfung dieser Abschätzung durch Erhebungen an landwirtschaftlichen Praxisbetrieben ist daher zwingend notwendig. 61