Was bringen Biogasanlagen den Ökobauern?

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1 Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft Was bringen Biogasanlagen den Ökobauern? DR. G. REINHOLD Thüringer Ökolandbau-Fachtagung 2003 "Marketing/Forschung/Umstellung/Recht/Umweltleistungen" in Jena Das Thüringer Ministerium für Landwirtschaft, Naturschutz und Umwelt

2 Was bringen Biogasanlagen den Ökobauern? Dr. Gerd Reinhold, Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft 1 Einleitung Durch die Energie des Sonnenlichtes wird bei der Photosynthese Biomasse gebildet. Diese dient Lebewesen, welche die Sonnenenergie nicht direkt nutzen können, als Nahrungs- und Energiequelle. Die in der Biomasse gespeicherte Energie bietet verschiedene Verwendungsmöglichkeiten. Am naheliegendsten ist natürlich die direkte Verbrennung. Daneben sind Verfahren der physikalisch-chemischen Umwandlung wie die Pyrolyse und Verfahren der biochemischen Umwandlung wie die Alkoholgärung und die Methangärung möglich. Biogas entsteht durch die Methangärung in der Natur nur an Orten, wo organische Stoffe auf Grund nicht vorhandener Sauerstoffzufuhr nicht aerob abgebaut werden können. Der Abbau von Biomasse zu Biogas geschieht in mehreren Stufen und durch verschiedene Bakteriengruppen (Bild 1). Bild 1: 4-Stufen Modell der Methanerzeugung In den letzten Jahren hat die Biogaserzeugung in der Landwirtschaft deutlich an Bedeutung gewonnen. Bedingt durch die steigenden Preise für fossile Energieträger und besonders durch die rechtlichen Rahmenbedingungen des 1994 verabschiedeten Stromeinspeisegesetzes sowie des Erneuerbare-Energien-Gesetzes wurden Rahmenbedingungen geschaffen, die einen wirtschaftlichen Betrieb einer Biogasanlage ermöglichen. Für den Landwirt ist der Bau einer Biogasanlage eine kapitalintensive Maßnahmen mit langer Abschreibungszeit. Investitionen in diesen Bereich erfolgen somit nur bei kalkulierbaren Rahmenbedingungen. Bundesweit gibt es zum Stand 2003 mehr als 2000 landwirtschaftliche Biogasanlagen (Bild 2). 1

3 Bild 2: Entwicklung Biogasanlagenbau in Deutschland Die Anwendung der Biogastechnologie erfolgte in Thüringen fast ausschließlich im Bereich der Landwirtschaft. Bis zum Mai 2002 wurden in Thüringen 32 landwirtschaftliche Biogasanlagen gebaut, von denen der Großteil in den letzten Jahren errichtet wurde (Tabelle 1). Tabelle 1: Biogasanlagen in Thüringen Anzahl Faulraum Installierte Leistung Inbetriebnahmejahr Stück m³ kw elektrisch Altanlage bis (Stand Mai 2003) Summe

4 Mit einer installierten elektrischen Leistung von kw verfügt Thüringen über ein hohes Fermentationspotenzial. Die mittlere Anlagengröße liegt in Thüringen bei fast 300 kw. Insgesamt sind m³ Reaktorvolumen in Nutzung (Bild 3). Bild 3: Standorte der Biogasanlagen in Thüringen 2 Aufbau und Funktion einer Biogasanlage Die Biogaserzeugung stellt eine fakultative Erweiterung des Wirtschaftsdüngerverwertungssystems für den Landwirt dar. Die Wirtschaftsdünger werden nach dem Stall entnommen und in einem Biogasreaktor vergoren. Gegebenenfalls erfolgt die Zuführung von Ko-Substraten in die Vorgrube bzw. direkt in den Reaktor. Die Verwertung des entstehenden Biogases erfolgt fast ausschließlich in Blockheizkraftwerken mit dem Ziel der Verstromung. Die erzeugte Elektroenergie, wird in das öffentliche Stromversorgungsnetz eingespeist und die Abwärme der Motoren für die Aufheizung der Reaktoren verwendet (Reaktionstemperatur C). Überschüssige Wärme steht im Landwirtschaftsbetrieb zur Nutzung zur Verfügung. Der entstehende Faulschlamm bzw. besser die Biogasgülle wird in das vorhandene System der Wirtschaftsdüngerverwertung zurückgeführt, d. h. gelagert und landwirtschaftlich verwertet. Innerhalb des Biogasreaktors ist eine Durchmischung erforder- 3

5 lich, um Sedimentationsprozessen und Aufschwimmen von organischer Substanz entgegen zu wirken. Ein Grundschlammabzug bzw. ein Austrag für sedimentierte Anteile ermöglicht es, die Akkumulation von Sinkschichten im Reaktor zu verhindern (Bild 4). Bild 4: Integration der Biogasanlage in die Wirtschaftsdüngerverwertung 3 Effekte der Biogaserzeugung für den Landwirt 3.1 Ergebnisse einer Erhebung in Thüringen Im Rahmen einer im Frühjahr 2003 durchgeführten Erhebung an den Thüringer Biogasanlagen wurden folgende Parameter erhoben: - technische und technologische Verfahrensparameter (Verweilzeit, Substratart, Zuspeisemengen, Reaktionstemperatur,...) - ökonomische Kennwerte (Investitionen, Förderung, Betriebskosten,..) - Produktionsergebnisse (Biogaserzeugung, Methangehalt, Elektroenergieeinspeisung,...). 4

6 Zusätzlich erfolgte in den Anlagen eine Probenahme zur Ermittlung chemischer Parameter der Ausgangssubstrate und der Biogasgülle. Hinsichtlich der eingesetzten Substrate ist festzustellen, dass in Thüringen vorrangig Wirtschaftsdünger als Substrat um Einsatz kommen (Bild 5). Zusätzlich wird neben betriebseigenen Reststoffen zurzeit auch in einem nicht unwesentlichen und perspektivisch steigenden Anteil Feldfrüchte eingesetzt. Momentan wird in Thüringen 12,5 % des Biogases (Berechnungsbasis organische Trockensubstanz) auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen erzeugt. Einzelanlage Bild 5: Substrateinsatz in den untersuchten 32 Thüringer Biogasanlagen WD - Wirtschaftsdünger, NAWARO - Nachwachsende Rohstoff, TBA - tierkörperbeseitigungspflichtiges Material 3.2 Nebenwirkungen der Biogaserzeugung Die Biogaserzeugung führt im Substrat durch den Abbau von organischer Substanz zu Änderungen in den Nährstoffbindungsformen, in den physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie im hygienischen Status. Im Einzelnen erfolgt durch den Kohlenstoffabbau eine deutliche Reduzierung der Trockensubstanz. Begründet ist dieser durch den Abbau von organischer Trockensubstanz (ots) und der flüchtigen Fettsäuren. Der reduzierte Anteil der ots an der Trockensubstanz lässt dies deutlich erkennen (Tab. 2). Des Weiteren steigt der ph- Wert und der Anteil des organisch gebundenen Stickstoffs wird deutlich reduziert. Bedingt durch den Kohlenstoffabbau wird für den Landwirt das C : N -Verhältnis enger. Durch den mit dem Abbau der organischen Substanz gestiegenen Ammonium- Anteil am Gesamtstickstoffes ist eine höhere Düngewirkung möglich. Vorraussetzung ist allerdings, dass der Wirtschaftsdünger zum richtigen Zeitpunkt und emissionsarm ausgebracht wird. Bei Düngung zum falschen Zeitpunkt bzw. Nichtanwen- 5

7 dung emissionsarmer Applikationsverfahren besteht die Gefahr der erhöhten Stickstoffverluste. Weitere Nebenwirkungen der Biogaserzeugung sind eine deutliche Minderung der Gesamtemissionen (Methan und Stickstoff bedingt), die von CLEMENS (2002) eindeutig nachgewiesen wurden. Bezüglich der Vernichtungen von Unkrautsamen erfolgten von SCHRADE (2002) Untersuchungen. Dieser belegte mit seinen Untersuchungen, dass z.b. die Keimfähigkeit von Weizen, Raps, Tomaten aber auch von Ackersenf, Ackerhellerkraut und Ampfer nach einer Verweildauer von einer Woche der Samen im Biogasreaktor nicht mehr vorhanden ist. Tabelle 2: Vergleich der Parameter von Rohsubstrat und Biogasgülle Parameter TS ots-anteil ph N t NH 4 -Anteil % 11,3 5,5 % d. TS - kg/m³ % d. N t Rohsubstrat 79,9 6,42 4,9 48 Biogasgülle 68,6 7,86 4,2 64 Der hygienische Status des Wirtschaftsdüngers wird durch die Biogaserzeugung deutlich verbessert. Die Erhebungen in Thüringer Biogasanlagen ergab, dass die gesamtkoliformen Keime in ca. zwei 10er-Potenzen ebenso wie die E-Koli auch um zwei bis 3 Zehnerpotenzen (von 10 5 auf 10 2 Keime pro g) reduziert wurden (Bild 6). Durch die Biogaserzeugung werden vorrangig die leicht umsetzbare Kohlenstoffanteile zu Methan konvertiert. In Untersuchungen in den 80er Jahren wurde nachgewiesen, dass der im Boden verbleibende Kohlenstoffanteil zur Reproduktion der Bodenfruchtbarkeit unabhängig von der Biogaserzeugung konstant ist (Bild 7). 6

8 Bild 6: Veränderung im hygienischen Status durch die Biogaserzeugung Bild 7: Kohlenstoffbilanz der anaeroben Fermentation (REINHOLD 1988). 7

9 3.3 Effekte der Biogaserzeugung für den ökologischen Landbau Neben den bereits beschriebenen Effekten und Nebenwirkungen der Biogaserzeugung sind für den ökologischen Landbau folgende Aspekte der Biogaserzeugung von hoher Relevanz. - Die Biogaserzeugung führt ähnlich wie die aerobe Rotte bei der Kompostierung zur Stabilisierung der organischen Substanz. Anwendungsreif sind momentan nur Verfahren, bei welchen die Biogaserzeugung im wässrigen Milieu stattfindet (Nassvergärung). Somit erordert dieses Verfahren einen Wechsel zur Güllewirtschaft. Dieser Wechsel kann aber auch nach dem Stall erfolgen, indem der Stallmist vor der Biogaserzeugung bzw. im Reaktor verflüssigt wird. - Im Gegensatz zur Stallmistwirtschaft als Stabilisierungsverfahren für die Wirtschaftsdünger werden ca. 30 % Rottestoffverluste vermieden. Diese Rotteverluste sind auch Stickstoffverluste, die somit vermieden werden. Bei der anschließenden Lagerung der Biogasgülle treten kaum Stickstoffverluste auf. Somit stehen für den Ackerbau ca. 30 % mehr Stickstoff zur Verfügung. - Die Kohlenstoffverluste sind vorrangig im Bereich der leicht umsetzbaren Kohlenstofffraktionen festzustellen. Unabhängig vom Verfahren (mit oder ohne Biogaserzeugung) stehen für die Bodenfruchtbarkeit die gleichen Kohlenstoffmengen zur Verfügung. Eine Gefahr für die Bodenfruchtbarkeit ist somit nicht gegeben. - Durch die stattfindende Umwandlung von organisch gebundenem Stickstoff in die Ammoniumform ist eine gezieltere Düngung möglich. Besonders unter den Bedingungen des limitierten Stickstoffeinsatzes ist dieser Effekt von hoher Bedeutung. - Des Weiteren können im Biogasverfahren vielfältige Rest- und Abfallstoffe des landwirtschaftlichen Primärprozesses (Silodeckschichten, Futterreste,...) eingesetzt werden. Die im Biogasprozess erfolgte Stabilisierung und anaerobe Rotte führt zu einem hochwertigen Dünger. - Die Biogastechnologie ermöglicht z. B. auch die Aufbereitung von Zwischenfrüchten zu einem hochwertigen Wirtschaftsdünger. Bisher wurde dieses Material nur als Gründüngung bzw. Mulchmaterial mit geringer Düngewirkung eingesetzt. Durch die Biogaserzeugung werden zusätzliche Stickstoffquellen erschlossen und durch die termingerechte Platzierung des Düngemittels Voraussetzungen zu guten Erträgen geschaffen. Die Novelle des EEG, die sich zurzeit in der Diskussion befindet, wird die ökonomischen Rahmenbedingungen für eine solche Wirtschaftsweise deutlich verbessern. 8

10 4 Zusammenfassung Bedingt durch die veränderten Rahmenbedingungen hat sich die Biogaserzeugung in Thüringen in den letzten Jahren etabliert. Neben den direkten ökologischen Vorteilen der Erzeugung von nicht fossiler Energie, führt die Biogaserzeugung zu wesentlichen Vorteilen im Substrat Biogasgülle. Zu nennen sind hier neben dem Geruchsabbau und der Stabilisierung für den Ökologischen Landbau besonders der Vorteil der im Vergleich zu Stallmistwirtschaft stattfindenden Vermeidung von Stickstoffverlusten. Besonders unter den Bedingungen des limitierten Stickstoffeinsatzes, ist dies ein wesendlicher Punkt für die Anwendung dieses Verfahrens. Zusätzlich bietet die Biogastechnologie die Möglichkeit bisher als Gründüngung eingesetzte Zwischenfrüchte gezielt aufzubereiten und als zusätzliche Stickstoffquellen zu erschließen. Perspektivisch ist deshalb zu erwarten, dass die Biogaserzeugung auch im Ökologischen Landbau einen hohen Stellenwert erreichen wird. Anschrift des Verfassers: Dr. Gerd Reinhold Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft Jena, Naumburger Str. 98 Tel. (03641) , Fax. (03641)