Biogasanlagen in ökologisch wirtschaftenden Betrieben - verfahrenstechnische Aspekte

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1 Dr. Hans Oechsner, Universität Hohenheim, Stuttgart Biogasanlagen in ökologisch wirtschaftenden Betrieben - verfahrenstechnische Aspekte Das Interesse landwirtschaftlicher Betriebe am Bau von Biogasanlagen ist in den vergangenen Jahren deutlich gestiegen. Im Gegensatz zu vielen anderen Bereichen landwirtschaftlicher Produktion ist eine Investition in Biogasanlagen dank der langfristigen Absicherung der Stromeinspeisepreise durch das EEG einigermaßen überschaubar. Durch die besondere Honorierung des Einsatzes von tierischen Exkrementen als Rohsubstrat in Biogasanlagen bietet sich ein gesteigerter Anreiz für Tierhaltungsbetriebe am eigenen Betrieb bzw. in Kooperation mit anderen Landwirten eine Biogasanlage zu errichten. Entwicklung der Biogasanlagen in ökologisch wirtschaftenden Betrieben Nach Zahlen des Deutschen Biomasseforschungszentrums (DBFZ) und des Fachverbandes Biogas wurden in Deutschland im Jahr landwirtschaftliche Biogasanlagen betrieben. Deren gesamt installierte elektrische Leistung liegt bei MW und ersetzt somit die Stromproduktion von zwei Kernkraftwerken dezentral über ganz Deutschland verteilt. Die durchschnittliche Leistung von Biogasanlagen in Deutschland entwickelte sich von etwa 60 kwel im Jahr 1999 über 125 kwel (2004) auf nun über 360 kwel. Diese Steigerung der Anlagenleistung war nur dadurch möglich, dass inzwischen auf 5,4 % der A- ckerfläche und zusätzlich auf Grünland Biomasse für die Biogasproduktion erzeugt wird. Ökolandwirte befassten sich bereits in den frühen 1980er Jahren mit Biogas und entwickelten erste Hofbiogasanlagen. Besonders aktiv war dabei die Bundschuh- Gruppe. Leider gibt es keine exakte Erhebung der Zahl von Biogasanlagen auf Ökobetrieben. Anspach hat im Rahmen einer Studie die Zahl der Anlagen ermittelt. Er konnte von 117 Betrieben im Jahr 2010 Daten erheben. Er rechnet aber mit einer beachtlichen Dunkelziffer und schätzt die tatsächliche Zahl von Biogasanlagen auf Ökobetrieben auf mindestens 160 (ANSPACH und MÖLLER, 2010). Ein deutlicher Schwerpunkt der Biogaserzeugung auf Ökobetrieben befindet sich in Baden- Württemberg und Bayern mit fast 70 % der Anlagen. Bis zum Jahr 2007 hat deren Bedeutung nach Anspach zugenommen und entsprach etwa dem Anteil des Ökologischen Landbaus in Deutschland. Danach zeigte sich nur noch ein geringes Wachstum. 41,6 % der Biogasbetriebe gehören zum Verband Bioland, 16,8 % zum Verband Demeter und 16 % zum Verband Naturland (SIEGMEIER, 2010). Nach Anspach handelt es sich bei 11 % der Betriebe um reine Ackerbaubetriebe ohne Tierhaltung. Die meisten Betriebe nutzen das klassische Nassfermentationsverfahren, während bei 5 % der Anlagen eine Feststofffermentierung praktiziert wird (ANSPACH Abbildung 1: Anzahl und elektrische Leistung von Biogasanlagen auf Ökobetrieben in Deutschland (ANSPACH und MÖLLER, 2010). 1

2 Landinfo 1/ ). Der Input bei den untersuchten Biogasanlagen setzte sich aus folgenden Substraten zusammen: 54 % Wirtschaftsdünger, 24 % Kleegras und Gras, 14 % Maissilage, 4,5 % Getreide- Ganzpflanzensilage, 1,5 % Getreidekorn (z.t. Ausputzgetreide) und 2 % andere Pflanzen (Sonnenblume, Hirse, Sudangras). In der Erhebung wurde deutlich, dass der Zukauf konventionell erzeugter Substrate für viele Biogasbetriebe durchaus attraktiv ist. Er erlaubt eine Energieproduktion aus kostengünstigeren Substraten und bringt einen Input organischer Düngemittel auf den Betrieb. Der Zukauf zum Beispiel von Mais wird vorwiegend von Betrieben mit größeren Biogasanlagen genutzt. So verfügen die Betriebe mit Zukauf konventioneller Produkte über Biogasanlagen mit einer durchschnittlichen Leistung von 216 kwel, während die Betriebe, die ihre Biogasanlage ausschließlich mit biologisch erzeugten Substraten beschicken, eine durchschnittliche Leistung von 98 kwel erzielen. In den neuen Richtlinien der Bioverbände wurden die Bedingungen für den Zukauf konventioneller Fermentationsstoffe verschärft, so dass nur noch maximal 40 kg/ha betriebsfremde Dünger und Kosubstrate sowie maximal 30 % des Gärsubstrates importiert werden dürfen. Ab 2020 dürfen Bioland-Betriebe keine konventionellen Substrate mehr zukaufen. Vorteile durch Biogasanlagen im Ökolandbau Durch die Errichtung einer Biogasanlage in einem ökologisch bewirtschafteten Betrieb ergibt sich eine Reihe von Vorteilen in der Bewirtschaftung. Vor allem bei viehlos wirtschaftenden Betrieben sind beachtliche Vorteile zu erwarten, da die Biogasanlage Teilfunktionen der Tierhaltung übernehmen kann: Stoffkreisläufe werden geschlossen (N-Verluste während der Lagerung und bei der Ausbringung werden gesenkt). Stoffströme innerhalb des Betriebes können besser gesteuert werden. Gärrest der Biogasanlage ist ein mobiler Stickstoffdünger, der zeitlich und räumlich flexibel und zielgerichtet eingesetzt werden kann. Durch den Abbau organischer Substanz steigt der Anteil von Ammonium-N im Gärrest um 10 bis 20 %. Die betriebliche Fruchtfolge kann durch Kombination von Marktfrucht- und Energiepflanzenanbau sowie verstärkte Zweikulturnutzungssysteme erweitert werden (Reduzierung von Erosion). Es ergibt sich eine verbesserte Kleegrasverwertung für Ackerbaubetriebe und eine Erhöhung der Gesamt-N-Fixierung im Betrieb. Damit können Flächenerträge und Gewinn gesteigert werden. Flüssigmist öffentl. Netz Milchvieh Vorgrube Trafostation 400V --> 20kV Fermenter Biogas: CH4 + CO2 Thermische Energie Elektrische Energie Faulsubstrat: Lignocellulose + Mineralstoffe (NPK) Lagerbehälter BHKW Biomasse Abbildung 2: Biogasbetrieb mit Flüssigfermentation von Flüssigmist und nachwachsenden Rohstoffen (LEMMER, 2010). 2

3 Unkrautsamen werden im Biogasprozess abgetötet. Produktion von Energie (Strom und Wärme) am Betrieb wird ermöglicht. Bei Untersuchungen eines viehlos wirtschaftenden Ökobetriebes an der Universität Gießen wurden bei Düngung mit vergorenen Erntenebenprodukten in einer Biogasanlage eindeutige Ertragseffekte bei Getreide gemessen: Auf dem Untersuchungsstandort ließen sich gegenüber der Kontrolle ohne Vergärung der Nebenprodukte die Kornerträge um 15 % und die N-Aufnahmen um 22 % erhöhen. Beim Winterweizen wurden zudem signifikant höhere Rohprotein-gehalte erzielt (MÖL- LER et al., 2006). Verfahren der Biogaserzeugung für Ökobetriebe Heute werden im landwirtschaftlichen Bereich vorwiegend Biogasanlagen als Flüssigfermenter bei mesophiler Betriebstemperatur zwischen 37 und 45 C betrieben. Meistens bestehen diese Fermenter aus ein- oder zweistufigen Kaskaden von Rührkesselfermentern, in denen der anaerobe Stoffumsatz mehr oder weniger willkürlich abläuft (Abb.2). Die meisten dieser Biogasanlagen werden mit einem Gemisch aus tierischen Exkrementen und nachwachsenden Rohstoffen gefüttert. Für Flüssigmist ist eine Vorgrube vorhanden, Feststoffe (Nachwachsende Rohstoffe, Festmist) werden über einen automatischen Feststoffdosierer in den Fermenter eingebracht. Der Gärrest wird in Substratlagern zwischengelagert. Hierfür ist eine Lagerdauer von mindestens sechs Monaten erforderlich um ein optimales Düngungsmanagement zu ermöglichen. Durch Mischung verschiedener Substrate und Zugabe von Flüssigmist wird im Fermenter ein maximaler Trockensubstanzgehalt von circa 10 bis maximal 12 % eingestellt, damit das Gärsubstrat in einem pumpfähigen Zustand verbleibt. Die durchschnittliche Raumbelastung dieser Fermentersysteme liegt meistens unter 4 kg ots/m³ Fermentervolumen und Tag. Es wird bei der Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen meist eine hydraulische Verweilzeit von mehr als 80, zum Teil mehr als 100 Tagen eingehalten. Bei Kofermentation der nachwachsenden Rohstoffe mit Flüssigmist erfolgt in der Regel eine ausreichende Versorgung der Mikroorganismen mit Spurennährstoffen. Bei einseitiger Substratfütterung müssen meist Spurenelemente ergänzt werden. Im Zuge der verstärkten Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen als Gärsubstrat wurden Verfahren entwickelt, mit denen stapelbare Feststoffe ohne deren Verflüssigung vergoren werden können. Es handelt sich dabei um stapelfähige Substrate mit einem Trockensubstanzgehalt über 20 %. Auch Festmist kommt als Gärsubstrat in Feststofffermentern zum Einsatz. Für die Feststofffermentation wurden sowohl kontinuierliche, als auch diskontinuierliche Verfahren entwickelt. In der Landwirtschaft kommen aus Kostengründen vorwiegend diskontinuierliche Fermenter zum Einsatz. Meist erfolgt die Vergärung dann in garagenartigen Boxenfermentern (Abb. 3). Hierbei wird die Substratcharge mit einem Radlader im Fermenter aufgestapelt und ohne Durchmischung unter Berieselung über mehrere Wochen vergoren. Da die Gasbildung einer Box starken zeitlichen Schwankungen unterliegt, besteht eine Anlage aus drei bis sechs Boxen, die zeitversetzt betrieben werden. Damit kann eine gleichmäßige Biogasproduktion erfolgen. Neben den Gärboxen gehört zu einer Feststoffvergärungsanlage auch ein Perkolattank, in dem die Flüssigkeit zwischengelagert wird, die zum Berieseln des Feststoffstapels eingesetzt wird. Zum störungsfreien Fermenterbetrieb wird ein Teil (in der Regel mehr als 30 %) des ausgefaulten Abbildung 3: Garagenfermenter für stapelfähige Substrate mit Perkolation (WEILAND, 2007). 3

4 Landinfo 1/2011 Gärrestes als Starterkultur und zur Abpufferung von Säurespitzen bei der Befüllung unter das frische Substrat gemischt. Berieselte Boxenfermenter erlauben einen sehr flexiblen Betrieb bei großer Robustheit und sind relativ wartungsarm. Es können auch Substrate verarbeitet werden, die in einer Flüssigvergärung ausgeschlossen werden müssten, beispielsweise Feststoffe, die einen höheren Anteil verholzter Biomasse oder Steine enthalten, wie es beispielsweise für Grünschnitt von Landschaftspflegeflächen typisch ist (KUSCH, 2006). Bei ökologisch wirtschaftenden Betrieben spielt Kleegras eine wichtige Rolle als Gärsubstrat. Bei höheren Kleeanteilen und damit erhöhtem Eiweißgehalt muss beim Betrieb von Biogasanlagen auf den Stickstoffgehalt geachtet werden. Im Fermenter sollte die Ammoniumkonzentration nicht höher als mg/l ansteigen um die Methanbakterien nicht zu hemmen. Um eine optimale Methangärung sicherzustellen, sollte das C:N-Verhältnis zwischen 25 und 35:1 liegen. Durch größere Anteile von Kleegras kann das C:N- Verhältnis auf unter 15:1 sinken, was zu einer Bakterienhemmung führen kann. Abtötung von Unkrautsamen im Fermenter Die Unkrautregulation erweist sich nicht nur im ökologischen Landbau oft als schwierig. Insbesondere der Stumpfblättrige Ampfer kann aufgrund seiner enorm hohen Samenproduktion zum schwer bekämpfbaren Problemunkraut werden. Gelangen keimfähige Unkrautsamen in die Gülle, werden diese durch die Gülleausbringung flächendeckend verbreitet. Der Biogasprozess führt zu einer Hemmung der Keimfähigkeit. Dabei ist der Einfluss der Betriebstemperatur deutlich zu erkennen. Bei den Arten Winterweizen, Raps, Ackerfuchsschwanz und Ackersenf genügte bei einer Untersuchung in Hohenheim bereits eine Verweildauer von 24 Stunden in der mesophilen Anlage (37 C), um die Keimfähigkeit vollständig zu unterbinden. Dagegen zeigten Tomatensamen, Samen von Weißem Gänsefuß, und Stumpfblättrigem Ampfer erst nach einigen Tagen Biogasbehandlung bei 37 C eine vollständige Abtötung (Abb. 4). Bei thermophilen Temperaturen um 52 bis 55 C waren bereits nach 24-stündiger Verweildauer in der Biogasanlage keine Samen mehr keimfähig (SCHRADE, et al., 2003). Weitere Entwicklung - Ausblick Die agrartechnische Forschung befasst sich derzeit mit der Entwicklung und Erprobung neuer Verfahren, die unter Nutzung mehrphasiger Prozessführung und Optimierung der Lebensbedingungen für die beteiligten Mikroorganismen eine Steigerung der Verfahrenseffizienz erwarten lässt. Bei Ausschleusung schwer abbaubarer Substratbestandteile und Rückführung von Substratfraktionen könnte möglicherweise auch eine bessere Biogasqualität erzielt werden. Derartige Ansätze könnten auch für den ökologischen Landbau interessant werden. Zukünftig wird es unumgänglich sein, das produzierte Biogas möglichst vollständig in nutzbare Energie zu überführen. Dies kann am Einzelbetrieb die Anwendung effizienter Energienutzungssysteme bedeuten. Nach Transformation Abbildung 4: Keimung (% der geprüften Samen) von Tomate, Stumpfblättriger Ampfer (RUMOB), Weißer Gänsefuß (CHEAL) und Ackerhellerkraut (THLAR) in der unbehandelten Kontrolle und nach unterschiedlicher Verweildauer (1 Tag, 2 Tage, 3 Tage, 1 Woche, 3 Wochen) in einer mesophilen Biogasanlage. (SCHRADE, et al. 2003). 4

5 des Biogases in modernen und weiterentwickelten Verbrennungssystemen (Verbrennungsmotoren mit verbessertem elektrischen Wirkungsgrad, Mikrogasturbinen, Brennstoffzellen) muss eine Auskopplung und Nutzung der Wärme für Heizung, Adsorptionskälteerzeugung oder ähnliche Verfahren erfolgen. Bereits bei der Standortwahl der Biogasanlage muss dies berücksichtigt werden. Hierbei bietet sich eine verstärkte und unabdingbare Kooperation mit potenziellen Wärmeabnehmern wie Industriebetrieben oder kommunalen Abnehmern an. Dies setzt allerdings auch die Bereitschaft dieser Partner zur Kooperation voraus. Eine direkte Verwertung des Biogases und Nutzung von Strom und Wärme vor Ort sind einer Aufbereitung und Einspeisung ins Erdgasnetz in der Regel vorzuziehen. Die Biogasproduktion sollte im ökologischen Landbau weiter unterstützt und ausgebaut werden, um die Vorteile bezüglich Energieversorgung sowie der gerade für ökologisch wirtschaftende Betriebe besonders wertvollen Verbesserung des Dungwertes und der Reduzierung der Nährstoffverluste nutzen zu können. Literatur Anspach, V. (2009): Status Quo, Perspektiven und wirtschaftliche Potenziale der Biogaserzeugung auf landwirtschaftlichen Betrieben im Ökolandbau. Dissertation Universität Kassel, 2009 Anspach, V. und D. Möller, (2010): Biogas im Ökologischen Landbau 2009 Strukturen Wirtschaftlichkeit Herausforderungen. 62. Landwirtschaftliche Woche Nordhessen, Kassel, Kusch, S., H. Oechsner und T. Jungbluth (2006): Ausgewählte Ergebnisse zur Vergärung von Feststoffen in berieselten Boxenfermentern mit Batch-Betrieb. In: Gülzower Fachgespräche, Bd. 24, S Lemmer, A. (2010): Aktuelle Entwicklungen in der Fermentationstechnik, Vortrag und Beitrag im Tagungsband, DVGW- Forschungsstelle am EBI (Hrsg.), Erzeugung und Einspeisung von Biogas: Workshop 2010, 09. und 10. Juni in Karlsruhe, Karlsruhe, 2010 Möller, K., Leithold, G.; Michel, J.; Schnell, S.; Stinner, W. und Weiske, A. (2006): Auswirkung der Fermentation biogener Rückstände in Biogasanlagen auf Flächenproduktivität und Umweltverträglichkeit im Ökologischen Landbau Pflanzenbauliche, ökonomische und ökologische Gesamtbewertung im Rahmen typischer Fruchtfolgen viehhaltender und viehloser ökologisch wirtschaftender Betriebe. Endbericht: DBU AZ Schrade, S.; H. Oechsner, C. Pekrun und W. Claupein (2003): Einfluss des Biogasprozesses auf die Keimfähigkeit von Samen. Landtechnik 58 (2003), Nr. 2, S Siegmeier, T. (2010): Stand der Biogaserzeugung im Ökolandbau. Gemeinsame Fachtagung der Bioland-Beratung und der Naturland- Fachberatung am 7. Dezember 2010 in Fürstenfeldbruck. Weiland, P. (2007): Stand der Technik der Festmistvergärung und der Trockenfermentation. In: Biogaserzeugung im Ökologischen Landbau, KTBL-Heft 65 5

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