Methanbildungspotenziale als Grundlage für die ökologische und ökonomische Bewertung von Energiefruchtfolgen

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1 Methanbildungspotenziale als Grundlage für die ökologische und ökonomische Bewertung von Energiefruchtfolgen Christiane Herrmann, Vincent Plogsties, Christine Idler, Monika Heiermann 4. Energiepflanzenforum Nachhaltige und effiziente Bereitstellung von Biomasse 5./6. Juli 2016, Dornburg

2 Inhalt Einleitung: Qualitätsparameter Methanbildungspotenzial Methodik Silierung und Batch-Gärtests Einfluss der stofflichen Zusammensetzung auf die Methanbildung Richtwerte Methanausbeuten Methodik, Ergebnisse, Anwendung Fazit

3 Einleitung Biomassebereitstellung in Energiefruchtfolgen Biogasproduktion Verlustarme Konservierung und Lagerung Input / Aufwendungen Biomasseertrag Methanbildungspotenzial Effiziente Bereitstellung erneuerbarer Energieträger Minderung von THG-Emissionen durch Substitution fossiler Energieträger Ökonomischer Nutzen

4 Einleitung Biomassebereitstellung in Energiefruchtfolgen Biogasproduktion Verlustarme Konservierung und Lagerung Input / Aufwendungen Biomasseertrag Methanbildungspotenzial Effiziente Bereitstellung erneuerbarer Energieträger Minderung von THG-Emissionen durch Substitution fossiler Energieträger Ökonomischer Nutzen Chemische Zusammensetzung Art, Menge, Verfügbarkeit von Nährstoffen Fruchtart Fruchtfolgestellung Anbaubedingungen Reife zur Ernte Schnittzeitpunkt Schnitthäufigkeit Silierverlauf

5 Methodik Silierung und Batch-Gärtests Laborsilierversuche Konservierung von Pflanzenbiomasse aus den Fruchtfolgen des EVA-Verbundprojektes an 10 Standorten (2005 bis 2015) Silierung vor Ort in 1,5 Liter WECK-Gläsern Lagerung über 90 Tage bei 25 C Batch-Gärtests in 2-Liter-Fermentern, Arbeitsvolumen 1,5 L Analyse der Silagen ohne weitere Vorbehandlung mesophil (35 C im Wasserbad) Versuchsdauer 30 Tage Gasanalyse: Verdrängung von Sperrflüssigkeit, Infrarot-Sensor

6 Methodik Auswertung der Batch-Gärtests 400 Methanausbeute (l N kg -1 otm) Bsp. Zuckerrübe, 2015 Bsp. Sorghum b. x s., 2015 Bsp. Buchweizen, 2014 Spezifische Methanausbeute (Tag 30) Mittlerer Methangehalt (Anteil des gebildeten Methanvolumens am Biogasvolumen) Versuchsdauer (d)

7 Methodik Auswertung der Batch-Gärtests 400 Methanausbeute (l N kg -1 otm) t 50 Bsp. Zuckerrübe, 2015 Bsp. Sorghum b. x s., 2015 Bsp. Buchweizen, Spezifische Methanausbeute (Tag 30) Mittlerer Methangehalt (Anteil des gebildeten Methanvolumens am Biogasvolumen) Geschwindigkeit der Methanbildung (Kurvenanpassung: k- value; Halbwertszeit t 50 ) Versuchsdauer (d)

8 Einfluss der Inhaltsstoffe auf die Methanbildung Lignin / ADF Methanausbeute Methanausbeute (L N kg -1 otm) Einfluss des Ligningehaltes auf die Methanausbeute y = x R 2 = 0.61 n = 405 Linear regression 95% Confidence Band Methanausbeute (L N kg -1 otm) Einfluss des Lignin- und Cellulosegehaltes auf die Methanausbeute y = x R 2 = 0.35 n = 405 Linear regression 95% Confidence Band ADL-Gehalt (% TM) ADF-Gehalt (% TM) ADL: Säure-Detergenz-Lignin, ADF: Säure-Detergenz-Faser

9 Einfluss der Inhaltsstoffe auf die Methanbildung NfE Mittlerer Methangehalt Mittlerer Methangehalt (Vol-%) Einfluss des Gehaltes an stickstofffreien Extraktstoffen (NfE) auf den Methangehalt im Biogas y = x R 2 = 0.30 n = Gehalt an NfE (% TM) Linear regression 95% Confidence Band NfE: Stickstofffreie Extraktstoffe

10 Einfluss der Inhaltsstoffe auf die Methanbildung NDF Geschwindigkeit der Methanbildung Geschwindigkeitskonstante k (d -1 ) Einfluss des NDF-Gehaltes auf die Geschwindigkeit der Methanbildung y = 0,346-0,003 x R 2 = 0,29 n = 405 Linear regression 95% Confidence Band Halbwertszeit t 50 (d) Einfluss des NDF-Gehaltes auf die Geschwindigkeit der Methanbildung Linear regression 95% Confidence Band y = 0,31 + 0,07 x R 2 = 0.31 n = NDF-Gehalt (% TM) NDF-Gehalt (% TM) NDF: Neutral-Detergenz-Faser

11 Einfluss der Inhaltsstoffe auf die Methanbildung Gärprodukte der Silierung Methanbildung Methanausbeute (l N kg -1 otm zu ) TM Verlust (%) Bsp.: Grünschnittroggen Methanausbeute Methangehalt Summe der Gehalte an niederen Fettsäuren (C3 bis C6) und Alkoholen (% TM) Methangehalt (Vol-%) Silagequalität: sehr gut gut verbesserungsbedürftig schlecht sehr schlecht Theor. Methanausbeute; Methangehalt: Glucose 373 l*kg -1 otm; 50 % CH 4 Fructose 373 l*kg -1 otm; 50 % CH 4 Milchsäure 373 l*kg -1 otm; 50 % CH 4 Essigsäure 373 l*kg -1 otm; 50 % CH 4 Buttersäure 636 l*kg -1 otm; 63 % CH 4 Ethanol 729 l*kg -1 otm; 75 % CH 4 1,2-Propandiol 589 l*kg -1 otm; 67 % CH

12 Einfluss der Inhaltsstoffe auf die Methanbildung Multiple Regressionsanalysen C. Herrmann, C. Idler, M. Heiermann (2016). Bioresource Technology 206, SMY: Spezifische Methanausbeute; MC: Methangehalt; k: Geschwindigkeitskonstante; t50: Halbwertszeit; ADL: Säure-Detergenz-Lignin, BA: Buttersäure; ALC: Alkohole; CP: Rohprotein; NfE: Stickstofffreie Extraktstoffe; DM: Trockenmasse; NDF: Neutral- Detergenz-Faser; ai: Substrat-zu-Inoculum-Verhältnis

13 Richtwerte Methanausbeuten Methodik Ziel: Charakterisierung einer groβen Bandbreite pflanzlicher Biomassen aus Energiefruchtfolgen hinsichtlich des Methanbildungspotenzials Untersuchung von 59 verschiedenen Fruchtarten, 769 verschiedenen Erntegütern aus Parzellenversuchen ( ) Analyse der Methanbildung der Silagen in Batch-Gärtests in 2-L- Fermentern (ATB, 80% der Proben) und in 100-mL-Fermentern im HBT (TLL, 20% der Proben) Berechnung von Richtwerten relativ zum Mais (Hauptfrucht) Weitere Spezifizierung der Fruchtarten hinsichtlich Fruchtfolgestellung, Entwicklungsstadium zur Ernte, Schnitt Ableitung von Richtwerten für 93 verschiedene pflanzliche Biomassen Angaben zu Anzahl untersuchter Varianten, BBCH zur Ernte, relativer Methanausbeute, Methangehalt, TM, Aschegehalt

14 Richtwerte Methanausbeuten - Ergebnisse ca,. 1/3 der untersuchten Biomassen mit hohen Methanausbeuten (> 100 % Mais (Hf)): Rüben (geköpft/entblattet) Ackerfutter-/Ackergrasmischungen, 1. Schnitte bzw. frühe Schnitte (BBCH 55) z.b. Weidelgras-, Kleegras-, Luzernegrasmischungen, Luzerne Getreide-Ganzpflanzensilage, Winterzwischenfrucht (BBCH 59) und bis zur Blüte Andere Fruchtarten: z.b. Winterrübsen, Senf, Topinambur (Knolle)

15 Richtwerte Methanausbeuten - Ergebnisse Biomassen mit Methanausbeuten im mittleren Bereich ( % Mais (Hf)): Wintergetreidearten und artenmischungen, Hauptfrucht Sorghum bicolor x bicolor, Sorghum bicolor x sudanense; verschiedene Entwicklungsstadien (bis BBCH 85) Getreide-Leguminosen-Gemenge (z.b. Wintertriticale/ Winterwicke, Wintertriticale/Ackerbohne) Ackerfutter-/Ackergrasmischungen, Folgeschnitte bzw. späte Schnitte (BBCH > 55) Andere Fruchtarten: z.b. Riesenweizengras, Leindotter (Hauptfrucht), Bokharaklee (Hauptfrucht)

16 Richtwerte Methanausbeuten - Ergebnisse Biomassen mit niedrigen Methanausbeuten (< 80 % Mais (Hf)): Buchweizen (BBCH und BBCH > 90), Mischungen mit Buchweizen Sonnenblume (BBCH 71-87) Blühmischungen (Biogas), einjährig und überjährig Verschiedene perennierende Fruchtarten, z.b.: Topinambur (Kraut), Miscanthus, Igniscum

17 Richtwerte Methanausbeuten - Ergebnisse Weitere Spezifizierung der Richtwerte zu Methanausbeuten verschiedener Fruchtarten: Einfluss der Fruchtfolgestellung; z.b. 5 % höhere Methanausbeuten für Mais Zweitfrucht verglichen mit Mais Hauptfrucht; 7-12 % höhere Methanausbeuten für Getreide- Ganzpflanzen bei Hauptfrucht-Nutzung verglichen mit Anbau als Winterzwischenfrucht Getreidearten: Methanausbeuten Gerste > Triticale > Roggen Erheblicher Einfluss der Reife zur Ernte: Abnahme der Methanausbeute um bis zu 25 % von Ährenschieben bis Totreife, z. B. bei Buchweizen, Phacelia, Raps, Sandhafer, Senf Ackerfutter-/Grasmischungen: 1. Schnitt > Folgeschnitte; früher Schnitt > später Schnitt Publikation der Richtwerte voraussichtlich: Landtechnik

18 Fazit Das Methanbildungspotenzial ist ein entscheidendes Qualitätsmerkmal pflanzlicher Biomassen für die Biogasproduktion. Die stoffliche Zusammensetzung bestimmt die Eigenschaften bei der Biomethanisierung Methanbildungspotenziale von Silagen sind wesentlich von Ligninanteil und Gehalt an Silierprodukten abhängig. Wahl der Fruchtart, die Eingliederung in die Fruchtfolge bzw. das Anbausystem und damit verbunden die Reife der Pflanzen zur Ernte sind Haupteinflussfaktoren. Richtwerte für Methanausbeuten relativ zu Mais (Hf) für 93 silierte pflanzliche Biomassen ermöglichen eine Abschätzung der spezifischen Methanausbeuten für eine große Bandbreite von Einsatzstoffen. umfassende Datengrundlage zur Konzeption und Bewertung nachhaltiger Biogasfruchtfolgen in Verbindung mit Biomasseerträgen

19 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

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