Evaluierung von Dauerkulturen zur Energiebiomasseproduktion. Berichtszeitraum: bis der LFA

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1 Zwischenbericht Evaluierung von Dauerkulturen zur Energiebiomasseproduktion Forschungs-Nr.: 3/13 Berichtszeitraum: bis verantw. Themenbearbeiter: Dr. Jana Peters Mitarbeiter: Sabine Titze Beteiligte Einrichtungen: Sachgebiet Nachwachsende Rohstoffe der LFA Dezember 2012 Themenbearbeiter Sachgebietsleiter Institutsleiter Institut für Pflanzenproduktion und Betriebswirtschaft Dorfplatz 1/OT Gülzow Gülzow-Prüzen

2 INHALTSVERZEICHNIS 1 Einleitung Material und Methoden Standortbedingungen Witterung Versuchsdurchführung Datenerhebung Ergebnisse Durchwachsene Silphie Sida Hermaphrodita Literaturverzeichnis... 9 Evaluierung von Dauerkulturen zur Energiebiomasseproduktion 2

3 1 Einleitung Die Klimaerwärmung der letzten Jahre von 0,7 C (Richardson, et al., 2009) und die Vorhersage einer Weiterentwicklung dieses Trends führt zur stärkeren Fokussierung der Politik hinsichtlich einer nachhaltigen und ressourcenschonenden Energieversorgung. Als Konsequenz dieses Umdenkens wurde in Deutschland das EEG erlassen. Die darin verankerten Umlagen beeinflussen die Entwicklung im Bereich der erneuerbaren Energien maßgeblich. Vor dem Hintergrund der Förderung der erneuerbaren Energien und dem von der Bundesregierung fokussierten Ausstieg aus der Atomenergie hat sich beispielweise in den letzten fünf Jahren die Zahl deutscher Biogasanlagen verdoppelt und die installierte Leistung verdreifacht (Fachverband Biogas, 2011). Aber auch in der Nutzung von Festbrennstoffen sowie auf dem Kraftstoffsektor ermöglichen technologische Weiterentwicklungen eine effektivere Verwertung der eingesetzten Rohstoffe. Der Anstieg der Anzahl an Konversionsanlagen führt jedoch zu einem erhöhten Substratbedarf. Dieser wird hauptsächlich durch die Ausdehnung der zum Energiepflanzenanbau genutzten Ackerfläche gedeckt. Folglich kommt es insbesondere im Bereich der Biogasproduktion zur Konkurrenz zwischen Energiepflanzen- und Marktfruchtanbau bezüglich der Ackerflächennutzung. Der Mais spielt dabei eine wesentliche Rolle. Er ist durch seine Flächeneffizienz und gute Wirtschaftlichkeit derzeit das bevorzugte Substrat für die Biogasanlagenversorgung (Döhler, 2010; Janzig, 2010). Das führt zur Ausweitung der Maisanbauflächen (Statistisches Bundesamt, 2011). Obwohl Mecklenburg Vorpommern mit einer durchschnittlichen Maiskonzentration von 12% (Statistisches Landesamt Mecklenburg-Vorpommern, 2011) offensichtlich kein Problemland darstellt, zeigt sich doch eine punktuell stark erhöhte Maisanbaukonzentration in Regionen mit Biogasanlagen und gleichzeitig hohem Viehbesatz. Dies führt neben den Akzeptanzproblemen der Bevölkerung auch noch zu bereits bekannten ökologischen Folgewirkungen (Humuszehrung, Bodenerosion, Zunahme von Schaderregern und Krankheiten). Dauerkulturen können durch die Eigenschaft einer ackerflächengebundenen langjährigen Nutzung und hohe Erträge ein Lösungsansatz für die Konfliktbewältigung sein. Ziel dieser Arbeit ist es, ausgewählte Kulturarten hinsichtlich ihrer Eignung als Rohstofflieferant für die Erzeugung erneuerbarer Energien zu eruieren. Die Optimierung der Nutzungseffizienz von Anbauflächen steht dabei im Vordergrund, um den erhöhten Anforderungen an die Landwirtschaft hinsichtlich Versorgungssicherheit, Nachhaltigkeit und gesellschaftlicher Akzeptanz gerecht zu werden. Folgende Schwerpunkte werden dazu bearbeitet: a) Artenspezifischer Vergleich verschiedener mehrjähriger Kulturpflanzen für ihre Nutzung zur Biomasseproduktion b) Berücksichtigung der für die Verwertung in Biogas- und anderen Konversionsanlagen notwendigen Qualität c) Ermittlung der Nutzungseignung der nachfolgend genannten Arten für weitere Energiequellen (Bioethanol, Festbrennstoffe) d) Rentabilität der evaluierten Dauerkulturen e) Ökologische Bewertung der Dauerkulturen Evaluierung von Dauerkulturen zur Energiebiomasseproduktion 3

4 2 Material und Methoden 2.1 Standortbedingungen In der Versuchsstation Gülzow der Landesforschungsanstalt wurde ein Feldversuch angelegt. Der Standort Gülzow liegt 10 m über NHN im norddeutschen Grund- und Endmoränengebiet der Weichselkaltzeit. Charakteristisch für das Gebiet ist ein leicht welliges Relief. Das Ausgangsmaterial der Bodendecke im Versuchsfeld besteht aus Geschiebemergel mit einer ca. 0,5 bis 10 m mächtigen periglaziären Sanddecke. Infolge von Ackernutzung kam es häufig zur Verlagerung der ursprünglichen Sanddecke. Daraus resultiert eine reliefgeprägte Substratverteilung, die sich in Form von Lehmkuppen und eingesenkten Kolluvien äußert. Die Bodenart ist stark lehmiger Sand. Das Versuchsfeld unterliegt einer starken Heterogenität. Als Bodentyp herrscht eine Pseudogley-Parabraunerde vor. Die Ackerzahl liegt bei Witterung Das langjährige Mittel der jährlichen Niederschlagsumme beträgt 559 mm. Die Jahresdurchschnittstemperatur liegt bei 8,5 C. Der Versuch wurde in 2007 unter dem Einfluss extreme Temperatur- und Niederschlagsschwankungen angelegt. Dementsprechend waren die Bestandsetablierung insbesondere bei Sida und Switchgras als mittelmäßig bis schlecht einzustufen. In 2008 lagen die Temperaturen generell im Bereich des langjährigen Mittels. Die Niederschlagsmengen waren unterdurchschnittlich und die lang anhaltende Trockenheit bis in den Oktober hinein führte zur schlechten Etablierung der Sida- Nachpflanzungen. In 2009 zeigte der April und die erste Maihälfte überdurchschnittliche Temperaturen gekoppelt mit der für diese Region typischen Vorsommertrockenheit. Die Trockenperiode zog sich von Anfang März bis Ende Mai hin (Abbildung 2). Die hohen Niederschläge im Mai basieren auf Starkregenfällen am mit 28,5 mm. Einem warmen feuchten Juli folgte ein überdurchschnittlich warmer Sommer und Herbst bis in den November hinein. Eine geschlossene Schneedecke bis in den März 2010 hinein, überdurchschnittlich niedrige Temperaturen im Januar und Februar und die Trockenperiode im April zeigten keine besonderen Auswirkungen auf die Bestandesentwicklung der Dauerkulturen. Das überdurchschnittliche Wasserangebot im August und September führte zu verzögerter Abreife insbesondere bei der Durchwachsenen Silphie. Das Anbaujahr 2011 war durch die typische Vorsommertrockenheit und darauf folgende starke Regenfälle im Juli bis September gekennzeichnet. Die Temperaturen lagen geringfügig über dem langjährigen Mittel. Nach einem überdurchschnittlich warmen und feuchten Januar 2012 folgte eine 7 Monate anhaltende Trockenperiode. Von März bis August konnten lediglich 47% des durchschnittlichen Niederschlages der letzten 30 Jahre gemessen werden. Die Temperaturen lagen dabei bis Juli im normalen Mittel. Eine Ausnahme bildete der Februar, welcher durch geringe Niederschläge einhergehend mit eisigen Temperaturen bis zu -22 C Kahlfröste verursachte (Abbildung 1). Evaluierung von Dauerkulturen zur Energiebiomasseproduktion 4

5 Abbildung 1: Witterungsverlauf Versuchsdurchführung Die letzte Vorratsdüngung erfolgte 2002 und beinhaltete 4,0 t Mg- Kalk/ha, 80 kg P 2 O 5 /ha und 200 kg K 2 O/ha. Aufgrund der mittlerweile stark verringerten Kaliumwerte im Boden wurde in 2012 erstmalig eine Kaliumdüngung vorgenommen. Bei der Durchwachsenen Silphie werden vier verschiedene Herkünfte hinsichtlich ihrer Ertragsleistung geprüft. Der Bestand wurde durch eine Pflanzung von 4 Pfl./m² etabliert. Eine, in allen Herkünften einheitliche Düngung von 120 kg N/ha erfolgte zu Wachstumsbeginn im Frühjahr. Die Sida Hermaphrodita wurde mit einer Aussaatstärke von 6 kg/ha in 2007 gleichzeitig mit der Durchwachsenen Silphie etabliert. Der sehr schlechte Aufgang der Evaluierung von Dauerkulturen zur Energiebiomasseproduktion 5

6 wurde maßgeblich durch die geringen Keimfähigkeiten und Wassermangel im Ansaatjahr hervorgerufen. Eine Pflanzung war notwendig, um die gewünschte Bestandesdichte von 4 Pfl./m² zu erreichen. Da hierzu erst Jungpflanzen aufgezogen werden mussten, konnten diese erst im Folgejahr etabliert werden. Hingewiesen werden muss bei beiden Kulturarten auf die starke Verunkrautung im Etablierungsjahr, so dass hier eine mehrfache mechanische Unkrautbekämpfung notwendig war. Zu Versuchsbeginn 2007 gab es noch keine Herbizide, die auf ihre Verträglichkeit für diese Kulturarten geprüft oder zugelassen worden waren. 3 Datenerhebung Bei der Durchwachsenen Silphie erfolgte die Ermittlung der Ertragsdaten durch Parzellenhäcksler mit integrierter Waage. Die Erträge der im Frühjahr (Februar) mit Mähbalken geernteten Sida werden durch Feldwaagenmessungen bestimmt. Evaluierung von Dauerkulturen zur Energiebiomasseproduktion 6

7 4 Ergebnisse Der Vorteil von Dauerkulturen besteht zum einen in der, durch das bereits vorhandene Wurzelsystem ausgeprägten Trockenheitstoleranz insbesondere im Frühjahr, wenn sich die annuellen Kulturarten noch in der Wurzelmassebildungsphase befinden und dadurch massive Ausfälle bei Wassermangel zu verzeichnen sind. Zum anderen sind ökologische Wirkungsfaktoren nicht von der Hand zu weisen (Humusreproduktion, Erosionsschutz durch ganzjährige Bodenbedeckung, Bienenweide usw.). 4.1 Durchwachsene Silphie Untersuchungen zur Biogasausbeute der Durchwachsenen Silphie zeigten ein gutes Biogasbildungspotential und charakterisieren die Eignung der Silphie als Substrat für den Biogassektor damit vortrefflich. Als sehr kostenintensiv erweist sich derzeit noch die Etablierung des Bestandes und die Unkrautunterdrückung im ersten Anbaujahr. Tabelle 1 zeigt dazu eine vereinfachte vergleichende Auflistung der Produktionskosten und des Deckungsbeitrages von Mais und Durchwachsener Silphie ohne Kapitalverzinsung und andere Positionen der Investitionsrechnung. Tabelle 1: Produktionskosten der Durchwachsenen Silphie und Mais in Gülzow Mais Silphie Pflanzjahr 1. Erntejahr folg. Erntejahre Erlös /ha*a Saatgut /ha*a Dünger /ha*a PSM /ha*a Direktkosten /ha*a AEK /ha*a Prozesskosten /ha*a DB /ha*a Diese Beispielrechnung zeigt, dass sich die anfänglichen höheren Investitionen zur Bestandesetablierung der Durchwachsene Silphie nach ca. 6 Jahren amortisieren. Da bei der Durchwachsenen Silphie von einer Mindestnutzungsdauer von 10 Jahren ausgegangen wird, könnten im verbleibenden Zeitraum von mindestens 4 Jahren doppelt so hohe Deckungsbeiträge erwirtschaftet werden wie beim Maisanbau. In Abbildung 2 dargestellte Erträge zeigen eine Überlegenheit der Herkunft 2 gegenüber den anderen Prüfgliedern. Die Norddeutsche Herkunft konnte durch hohe Frischmasseerträge und eine frühe Abreife überzeugen. Die Herkunft aus Russland hatte beim Wiederaustrieb in diesem Jahr Probleme. Vergleichsweise geringe Triebzahlen und blass grüne Blätter prägten das Bild. Schädlingsbefall oder Krankheiten konnten jedoch nicht festgestellt werden, so dass entweder die Kahlfröste als Ursache vermutet werden oder die Herkunft sich bereits in der jetzigen Anbauphase verjüngt hat. Als visuelle Wahrnehmung musste im weiteren Entwicklungsverlauf eine geringere Höhe und kleine schmächtige Triebe aus den Seiten der Pflanzstelle festgestellt werden. Dies spiegelte sich dann auch in den Erträgen wieder. Evaluierung von Dauerkulturen zur Energiebiomasseproduktion 7

8 Abbildung 2: Trockenmasseerträge der Durchwachsenen Silphie in Gülzow Generell wurde durch das geringe Wasserangebot in den Hauptwachstumsmonaten ein Ertragsrückgang in allen Herkünften ermittelt. Hierbei handelt es sich um Spannen gegenüber dem Vorjahr von ca. 18 % (USA) - 35 % (Russland) Ertragsminimierung. Zur tatsächlichen Nutzungsdauer der Durchwachsenen Silphie und zur Beeinflussung des Ertragspotentials durch veränderte Anbaumaßnahmen (Düngeregime, Düngerarten) sollten weitere Untersuchungen stattfinden. 4.2 Sida Hermaphrodita Bei der Sida trägt die fehlgeschlagene Bestandesetablierung durch Aussaat maßgeblich zur niedrigen Ertragsbildung bei. Hier ist eine Pflanzung unumgänglich, um einen guten, in sich homogenen Bestand zu erzielen. Die in Abbildung 3 dargestellten Trockenmasseerträge verdeutlichen den Einfluss der Bestandesentwicklung auf die Erträge. In der Wiederholung A (WDHL A) war bei der Aussaat die beste Bestandesdichte aller Varianten zu verzeichnen. Die restlichen Fehlstellen in den anderen Wiederholungen wurden in 2008 mit nachgezogenen Pflanzen ersetzt. Daraus resultieren ein heterogener Pflanzenbestand und die unterschiedlichen Ernteergebnisse der Varianten. Die Ertragsermittlung der letzten Jahre zeigt aber auch einen kontinuierlichen Biomassezuwachs aller Wiederholungen über die Jahre. Lediglich in der Wiederholung A musste in Frühjahr 2012 ein geringer Ertragsrückgang zum Vorjahr verzeichnet werden. Ob diese Tatsache bereits das erreichen das höchsten Ertragsniveaus im Vorjahr charakterisiert oder einem witterungsbedingten Jahreseffekt zu Grunde liegt, wird sich in den nächsten Erntejahren zeigen. Eine zu BBCH 51 durchgeführte Biomasseuntersuchung erbrachte jedoch eine theoretische Methanausbeute von lediglich 228 l/kg ots. Damit ist diese Kulturpflanze für die Biogasnutzung nur zweitrangig geeignet. Die Verholzung der Triebe im Herbst deutet jedoch auf eine Verwertung der Pflanze im Festbrennstoffbereich hin. Hierzu durchgeführte Untersuchungen hinsichtlich des Brennwertes (oberen Heizwertes) liegen mit 17,99 MJ/kg TM noch über dem von Holzhackschnitzeln. Evaluierung von Dauerkulturen zur Energiebiomasseproduktion 8

9 Abbildung 3: Trockenmasseerträge der Sida am Standort Gülzow Die Untersuchungen der nächsten Jahre sollen deshalb speziell auf die Biomasseentwicklung und deren qualitative Eignung für die Verbrennung gerichtet werden. Rentabilitäts- sowie die ökologische Bewertungen und Vergleich der Dauerkulturen sind zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht aussagekräftig zu realisieren, da Angaben zu Inhalten noch nicht komplett vorliegen und die Nutzungsdauer der Kulturarten derzeit nicht eindeutig geklärt sind. 5 Literaturverzeichnis Bundessortenamt. (2000). Richtlinien für die Durchführung von landwirtschaftlichen Wertprüfungen und Sortenversuchen. Hannover: Landbuch Verlagsgesellschaft mbh. DLG. (1997). DLG-Futterwerttabellen für Wiederkäuer. Universität Hohenheim Dokumentationsstelle [Hrsg.], 7. Aufl. Frankfurt: DLG-Verlag. Döhler, H. H. (2010). Ohne Mais geht es nicht. Biogas Journal, Sonderheft, Fachverband Biogas. (15. November 2011). Biogas Branchenzahlen. Abgerufen am 24. April 2012 von Fachverband Biogas e.v.: Janzig, B. (2010). Durchwachsene Suche nach Alternativen. Biogas Journal, Sonderheft, Richardson, K., Steffen, W., Schellhuber, H. J., Alcamo, J., Barker, T., Kammen, D. M., et al. ( ). Climat Echange Global Risks, Challenges & Decisions, Secound Edition. Abgerufen am von University of Copenhagen: Statistisches Bundesamt. (2011). destatis, Spezielle Bodenutzung und Ernte. Abgerufen am 24. April 2012 von ZahlenFakten/Wirtschaftsbereiche/LandForstwirtschaft/Bodennutzung/ Tabellen/AckerlandHauptfruchtgruppenFruchtarten.html?nn=50896 Statistisches Landesamt Mecklenburg-Vorpommern. (2011). Statistisches Jahrbuch. Schwerin: Landesamt für innere Verwaltung Mecklenburg-Vorpommern. Evaluierung von Dauerkulturen zur Energiebiomasseproduktion 9