Carbon Footprint der Landwirtschaft

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1 Technische Universität München Carbon Footprint der Landwirtschaft Symposium Energieeffizienz der Landtechnik 13. März 2013, Technische Universität Braunschweig Kurt-Jürgen Hülsbergen, Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme

2 Carbon Footprint der Landwirtschaft Problemstellung Treibhausgasemissionen der Landwirtschaft Emissionsquellen und Minderungsbedarf Globaler und betrieblicher Kohlenstoffkreislauf Relevante C-Pools und C-Flüsse, C-Sequestrierung durch Humusaufbau Einsatz fossiler Energie und -Emissionen Energiebilanzierung und Energieeffizienz, Optimierungspotenziale Stickstoffkreislauf und Lachgasemissionen Einflussfaktoren auf N 2 O-Flüsse und Minderungsstrategien Gesamtbewertung und Schlussfolgerungen

3 Product Carbon Footprint (PCF) (BMU und BDI 2010) Der Product Carbon Footprint bezeichnet die Bilanz der Treibhausgasemissionen entlang des gesamten Lebenszyklus eines Produkts in einer definierten Anwendung und bezogen auf eine definierte Nutzeinheit.

4 Spezifische Treibhauspotentiale (Global warming potential, GWP), nach IPCC Lebensdauer Konzentration (ppm) vor Treibhausgas GWP industriell a 100 a ~ variabel 1 CH 4 0,70 1, N 2 O 0,27 0, Treibhauspotential in Bezug auf (GWP = 1) abhängig von der Absorption der infraroten Strahlung und der Verweildauer

5 Klimawirkungen und Nachhaltigkeit von Landbausystemen Untersuchungen in einem Netzwerk von Pilotbetrieben Pilotbetrieb, ökologischer Landbau Pilotbetrieb, konventioneller Landbau Versuchsstation

6 Globaler und betrieblicher Kohlenstoffkreislauf Relevante C-Pools und C-Flüsse, C-Sequestrierung durch Humusaufbau

7 Der globale Kohlenstoffkreislauf (Mrd. t C) nach Janzen (2004), modifiziert und ergänzt

8 Der globale Kohlenstoffkreislauf (Mrd. t C) nach Janzen (2004), modifiziert und ergänzt + 7,2 + 0, ,1 560 C-Emissionen Welt: 7,2 Mrd. t = 1,1 t C pro Kopf -Emission pro Kopf + 2,2 Welt: 4 t Deutschland: 10 t Fossil C USA: 20 t Indien: 1 t

9 Der globale Kohlenstoffkreislauf (Mrd. t C) nach Janzen (2004), modifiziert und ergänzt a 760 c b Fossil C a) Reduzierung von Emissionen aus der Nutzung fossiler Brennstoffe b) Nutzung von photosynthetisiertem C als Bioenergieträger c) Erhöhung der C-Speicherung in Böden und in der Phytomasse

10 Carbon cycle of the organic farming system Scheyern (kg C ha -1 a -1 ) Küstermann, Kainz & Hülsbergen (2008): Renewable Agric. and Food Systems 23, Inputs On-farm carbon fluxes Outputs feed, straw 1587 animals yield 2803 market products conservation loss conservation loss feed, straw market products assimilation 5295 Plant straw, green manure 327 Animal -enteric ferm CH 4 -enteric ferm. 109 rot loss 781 plant residues 1965 organic manure 1171 CH 4 -manure 3 organic manure seed Soil 500 -soil loss 34 SOC

11 Carbon cycle of the conventional farming system Scheyern (kg C ha -1 a -1 ) Küstermann, Kainz & Hülsbergen (2008): Renewable Agric. and Food Systems 23, Inputs Inputs On-farm carbon fluxes internal farm cycling yield 3894 yield 3894 Outputs Outputs market products market products assimilation assimilation Plant Plant straw, straw, green green manure plant residues 1095 organic Manure organic 293 manure seed 293 seed plant residues 1095 Soil Soil SOC -soil loss CO soil loss 4501

12 Beziehung zwischen C-Sequestrierung und THG-Emissionen Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012) 60 THG-Emissionen [kg eq GE -1 ] y = 29,0-0,036 x R² = 0,81 ökologisch konventionell y = 29,5-0,076 x R² = 0, C-Sequestrierung [kg C ha -1 a -1 ]

13 Kohlenstoffkreislauf, Humusbilanz und C-Bindung Humus-Saldo = potenzielle Änderung des Humus- und C-Vorrates Böden als -Quelle und Senke, mengenmäßig und zeitlich begrenzt Humusversorgung abhängig von Anbaustruktur und Fruchtfolge, Organischer Düngung, Bodenbearbeitung Optimierungsansätze Ökologischer Landbau Kleegras-Management, Fruchtfolge, Betriebliche Stoffkreisläufe Optimierungsansätze Konventioneller Landbau Konservierende Bodenbearbeitung, Mulchsaaten, Zwischenfrüchte Ertragsverwendung (Strohdüngung, C-Harvestindex)

14 Technische Universität München Einsatz fossiler Energie und -Emissionen Energiebilanzierung und Energieeffizienz, Optimierungspotenziale

15 Einsatz fossiler Energie beim Anbau von Winterweizen Hülsbergen et al. (2001): Agric., Ecosyst. & Environ. 86, Sept Okt Nov Dez Jan Febr März April Mai Juni Juli Aug Seedbed Sowing 1st N-Appl 2nd N-Appl preparation Emergence 1st PA 2nd PA 3rd PA Harvest Transport Σ Diesel direct energy l/ha GJ/ha Machines indirect energy GJ/ha Other recources indirect energy kg/ha GJ/ha Seed N Herb Fung N Fung ΣΣ 10.86

16 Energieeffizienz beim Anbau von Winterweizen Hülsbergen et al. (2002): Field Crops Research 77, Netto-Energieoutput (GJ/ha) Energieintensität (MJ/GE) Netto-Energieoutput Energieintensität Output/Input-Relation Output/Input-Relation Mineral-N (kg/ha) Netto-Energieoutput: B = 0,88 + Energieintensität: B = 0,84 + Output/Input-Relation: B = 0,67 +

17 Beziehung zwischen Energieinput und -output im Pflanzenbau Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012) 250 Netto-Energieoutput [GJ ha -1 a -1 ] ökologisch konventionell Energieinput [GJ ha -1 a -1 ]

18 Beziehung zwischen Energieinput und THG-Emissionen Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012) 6000 THG-Emissionen [kg eq ha -1 a -1 ] Energieinput [GJ ha -1 a -1 ] ökologisch konventionell

19 Energieeffizienz und -Emissionen im Pflanzenbau Relation ökologisch : konventionell, Pilotbetriebe (Schmid, Braun, Hülsbergen 2012) Energieinput Energieoutput Energieeffizienz eq (Fläche) eq (Produkt) 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 Relation öko : kon flächenbezogen produktbezogen

20 Energieeffizienz im Pflanzenbau Ökologische Pilotbetriebe: Geringer Energieeinsatz: 5 bis 10 GJ ha -1 Low-Input-Systeme geringe flächenbezogene -Emissionen Konventionelle Pilotbetriebe: Hoher Energieeinsatz: 10 bis 20 GJ ha -1 High-Input-Systeme hohe flächenbezogene -Emissionen Aber: Unterschiedliche Erträge und Leistungen Energieeffizienz Ø Ökol. Pilotbetriebe: 20 % geringerer Energieeinsatz je Produkteinheit Große einzelbetriebliche Variabilität der Energieeffizienz Standort- und Managementeinflüsse Ansätze für die Beratung und Betriebsoptimierung Optimierung des Stickstoffeinsatzes, Ertragssteigerung,

21 Technische Universität München Stickstoffkreislauf und Lachgasemissionen Einflussfaktoren auf N 2 O-Flüsse und Minderungsstrategien

22 N 2 O-Messungen mit automatischem Meßsystem

23 N 2 O Emissionen im Energiepflanzen-Fruchtfolgeversuch Viehhausen (Peter, Schmid, Munch & Hülsbergen 2010) 600 Kleegras 500 Winterweizen mit Gülle Winterweizen ohne Gülle 400 µg N 2 O-N m -2 h Messzeitpunkt

24 N 2 O-Emissionen im Energiepflanzen-Fruchtfolgeversuch Viehhausen, Winterweizen mit Biogasgülle (Peter et al. 2012) µg N 2 O-N m -2 h -1

25 Räumliche Variabilität der N 2 O-Emissionen und Einflussfaktoren Microbial biomass, Soil basal respiration Soil moisture Bulk density mineralisation consumption NO 3-, NH 4 + Organic Carbon C org, DOC Water filled pore space nitrification, denitrification gas transport by diffusion N 2 O-emissions measured parameter process influenced direction of influence Nach ERNST et al.: Landbauforschung Völkenrode, SH 165,

26 Stickstoffkreislauf eines Pilotbetriebes (kg N ha -1 a -1 ) Region Süd: Ökologischer Marktfruchtbau N 2 O-Verluste 4,1

27 Stickstoffkreislauf eines Pilotbetriebes (kg N ha -1 a -1 ) Region Süd: Ökologischer Marktfruchtbau + Biogaserzeugung 5,0 5,0 Biogasanlage 30,6 28,5 N 2 O-Verluste 5,6

28 Stickstoffkreislauf eines Pilotbetriebes (kg N ha -1 a -1 ) Region West: Konventionelle Milchviehhaltung (2,0 GV ha -1 ) 10,0 N 2 O-Verluste 9,3

29 Beziehung zwischen N-Input und N-Saldo im Pflanzenbau Pilotbetriebe (Schmid, Braun & Hülsbergen 2012) N-Saldo [kg N ha -1 a -1 ] ökologisch konventionell N-Input [kg N ha -1 a -1 ]

30 Stickstoffbilanz und Stickstoffeffizienz N-Saldo = N-Input N-Output = potenzielle N-Verluste Ø Ökol. Pilotbetriebe: < 20 kg ha -1 Ø Konv. Pilotbetriebe: > 50 kg ha -1 N-Effizienz = N-Output / N-Input = N-Verwertung in den Produkten Einflussfaktoren: Betriebsstruktur, N-Intensität, Verfahrensgestaltung Optimierungsansätze Ökologischer Landbau Kleegras-Management, Stoffkreisläufe (z.b. Biogassysteme) Optimierungsansätze Konventioneller Landbau Technische Innovationen: Teilflächenspezifische N-Düngung Betriebsstrukturen: Re-Integration von Pflanzenbau und Tierhaltung

31 Treibhausgasbilanz der Milchviehhaltung Futter- Zukauf Importfuttermittel N 2 O Fossile Energie Tierhaltung CH 4 N 2 O Direkt Diesel Strom Ackerland N 2 O eq Indirekt Dünger PSM Maschinen Geräte Gebäude Grünland Biogasanlage N 2 O N 2 O CH 4

32 Treibhausgasbilanz der Milchviehhaltung Futter- Zukauf Importfuttermittel Einflussfaktoren (Milchproduktion) N 2 O Fossile Energie Direkt Diesel Strom Futterproduktion (Anbau, Konservierung) Futterzukauf (Anbau, Transport, Landnutzungsänderung) Tierhaltung Futterration (Grundfutter, Kraftfutter) Ackerland Tierzukauf (Bestandesreproduktion) CH 4 N 2 O N 2 O eq Indirekt Dünger PSM Maschinen Geräte Gebäude Leistung Grünland (Lebensleistung, Laktationen, Nebenprodukte) Haltungssystem (Weidegang, Emissionen im Stall) Biogasanlage Wirtschaftsdünger (Lagerung, Biogas, Applikation) N 2 O N 2 O CH 4 Standortfaktoren (Boden, Klima)

33 Beziehung zwischen der Milchleistung und den Treibhausgasemissionen (Frank, Schmid & Hülsbergen 2012)

34 Nutzen des Projektes Pilotbetriebe für die Landwirtschaft Einzelbetriebliche Auswertungen, regionales Bechmarking, Empfehlungen zur Betriebsoptimierung für die Betriebsberatung Entwicklung und Erprobung von Werkzeugen zur Klimaschutz- und Nachhaltigkeitsberatung für die Politikberatung Grundlagen für die Nationale Klimaberichterstattung, bessere Datenbasis für die Agrar-Umweltpolitik... für die Wissenschaft Aufbau eines einmaligen Monitoringsystems und Datensatzes, Methodenentwicklung