Institut für Pflanzenproduktion und Betriebswirtschaft

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1 Institut für Pflanzenproduktion und Betriebswirtschaft 01. Juli 2016 Optimierung der Anbau-THG-Bilanz ausgewählter Biokraftstoffe Mareike Weirauch, Dr. Andreas Gurgel, Dr. Katja Schiemenz, Dr. Jana Peters Zusammenfassung: Biokraftstoffe sollen seit der Einführung der Erneuerbare-Energien-Richtlinie (EU-RED, 2009/28/EG) im Jahr 2009 nachhaltiger produziert werden. Mit der EU-RED werden u. a. Grenzwerte für die Treibhausgas (THG)- Emissionen bei der Biokraftstoffproduktion gesetzt (derzeit 35 %, ab %). In einem Forschungsprojekt an der (MV) wurden anhand von Schlagkarteidaten THG-Emissionen für den Raps- und Weizenanbau für die Erntejahre 2011 bis 2015 kalkuliert. Die Berechnungen zeigen, dass das derzeitige THG-Minderungspotenzial nur bei 26 % der untersuchten Raps- bzw. 75 % der Weizenerntemenge (bei betriebsinterner Berechnung) eingehalten werden könnte. Das verdeutlicht, dass bei den gegenwärtigen Produktionsverfahren sowohl die Standardwerte der EU-RED als auch die NUTS2-Werte nicht eingehalten werden könnten. Berechnungstechnische sowie pflanzenbauliche Optimierungsmöglichkeiten zur THG- Minderung (u. a. Einbeziehung des Ölgehalts sowie der Stickstoffform und reduzierte Stickstoffdüngergaben) müssen erarbeitet und umgesetzt werden. Ziel ist es, das geforderte 50 %-THG-Minderungspotenzial der EU-RED ab 2018 einzuhalten und somit den Raps- und Weizenanbau für die Bio-kraftstoffherstellung nachhaltiger zu gestalten und regional zu festigen. Abstract: Biofuels should be produced more sustainable since the inception of the Renewable Energy Directive (EU-RED, 2009/28/EG) in In comparison to fossil fuels biofuels have to achieve now a GHG reduction potential of 35 % (50 % from 2018). In a project at the State Research Center of Agriculture and Fisheries Mecklenburg-Vorpommern the current practical values of GHG emissions during the cultivation of rapeseed and wheat have been calculated. Bases of the calculation are operating agriculture data (harvesting Landesforschungsanstalt für Autor: Mareike Weirauch Landwirtschaft und Fischerei Telefon: Institut für Pflanzenproduktion Telefax: und Betriebswirtschaft m.weirauch@lfa.mvnet.de Dorfplatz 1 / OT Gülzow Internet: Gülzow-Prüzen

2 2011 until 2015). The results show that the current GHG reduction potential can only be maintained at 26 % of the studied rapeseed harvest quantity or at 75 % of the wheat harvest (own calculation). The default values of the EU-RED and the NUTS2 values cannot be achieved with the current agricultural production. Some calculating and agronomic optimization options for GHG reduction are available and must be implemented (for example: incorporating the oil content and the type of nitrogen fertilizer and reduced nitrogen fertilizer level). The aim is to keep the 50% GHG reduction potential of the EU- RED until 2018 to have a sure sustainble rapeseed and wheat cultivation for biofuel production. 1 Rahmenbedingungen Mit der Änderung der Erneuerbare-Energien-Richtlinie (EU-RED, 2009/28/EG, Stand September 2015) wurde die Problematik der Erfüllung der Nachhaltigkeitskriterien hinsichtlich der THG-Minderung von Biokraftstoffen um ein Jahr auf den verschoben. Die Debatte um den Beitrag der erneuerbaren Energien zur Vermeidung von Treibhausgasemissionen ist weiterhin aktuell. Festzustellen ist, dass die THG- Einsparungen stark davon abhängig sind, welche Rohstoffe (und deren Anbauverfahren), fossilen Brennstoffe und Technologien zur Herstellung der Biokraftstoffe verwendet wurden. 2 Projektziel Ausgehend von schlagspezifischen Praxisdaten wurden auf der Stufe Rohstoffbereitstellung bei Raps bzw. Winterweizen (B- und C-Qualität) für die Biokraftstoffherstellung THG-Bilanzen errechnet und mit den Standardwerten der EU-RED sowie den NUTS2-Werten verglichen. In der zweiten Phase gilt es, geeignete Maßnahmen/Pflanzenproduktionsverfahren für eine THG-Emissionsreduzierung zu entwickeln, um die steigenden Nachhaltigkeitsanforderungen gemäß der EU-RED ab 2018 einzuhalten. 3 Berechnungsgrundlage Für die THG-Emissionsberechnung wurden die Daten zum Raps- und Weizenanbau aus dem Erntejahr 2011 bis 2015 (Tab. 1) der LFA-Referenzbetriebe MV (Ziesemer, LFA intern) ausgewertet. Seite 2

3 Parameter Tab. 1: Umfang der ausgewerteten Winterraps- und Winterweizenanbaufläche Erntejahr Winterraps Winterweizen (B- und C-Qualität) Schläge Erntemenge (t) Erntefläche (ha) Ackerzahl Minimum Maximum Betriebe Berechnungsmethodik Die vorliegenden Berechnungen schließen lediglich die Rohstoffproduktion zur Biokraftstoffherstellung, d.h. den Anbau von Raps und Winterweizen (B- und C-Qualität) ein. Transport und Verarbeitung der Biomasse zum Biokraftstoff werden nicht berücksichtigt. Es wurde die Treibhausgas (THG)- Berechnungsmethodik nach der EU-RED (Biogracesowie ENZO 2 -Tool) verwendet. Dazu wurden der Ertrag, die verwendeten Mengen an Düngemitteln (N, P, K, Wirtschaftsdünger), Kalk, Saatgut, Pflanzenschutzmitteln (PSM) sowie der Dieselverbrauch, die benötigte Trocknungsenergie (Strom und Diesel) und die entstehenden Lachgas (N 2 O)- Feldemission einbezogen (Tab. 2). Die Ergebnisse der THG-Berechnung wurden anschließend nach dem gewichtsspezifischen Energiegehalt alloziert. Tab. 2: Parameter in der THG-Berechnungsmethodik im Projekt berücksichtigt Ertrag Betriebe: tatsächliche Werte, LFA-Versuche: um 20 % reduzierte Werte Feuchte 9 % bei Raps, 14 % bei Weizen N-, K 2O-, P 2O 5-Dünger N nach Einsatz; K und P nach Entzug durch das Erntegut Wirtschaftsdünger nach Einsatz Kalk nach Standort Saatgut nach Einsatz PSM Pauschal je ha Diesel KTBL-Dieselverbrauchsrechner Trocknungsenergie Pauschal nach Ertrag N 2O-Feldemissionen direkte: 1 % von N-Düngemenge; indirekte: NH 3-/NO x-verflüchtigungen, NO - 3 -Auswaschung laut IPCC 2006 Allokation auf Basis des gewichtsspezifischen Energiegehaltes des Haupt- und der Nebenprodukte unberücksichtigt MgO-, Mikronährstoff-Dünger CaO-Gaben im Weizenanbau Vor- sowie Nachfruchteffekte Seite 3

4 5 THG-Emissionen für Winterraps und Winterweizen (B- und C-Qualität) Die THG-Emissionen für den Winterrapsanbau (Abb. 1) betragen im 5-Jahresmittel 40 g CO 2eq /MJ RME (Schlaganzahl (n) = 1389) für eine Anbaufläche von jährlich ha. Dabei wurden im Rapsproduktionsverfahren im Mittel 197 kg/ha N aus Mineraldüngern sowie 26 kg/ha N aus organischen Düngern ausgebracht und ein durchschnittlicher Ertrag von 39 Dezitonnen (dt) Raps pro Hektar erzielt. Festzustellen ist in der ausgewerteten Datenmenge eine große Schwankungsbreite der verwendeten Betriebsmittel (u. a. Düngungshöhe 130 bis 290 kg/ha N) und der erzielten Erträge (6 bis 60 dt/ha). Die anhand der Betriebsdaten errechnete THG-Emission übersteigt für den Winterrapsanbau den Standardwert der EU-RED um 11 bzw. den NUTS2-Wert MV um 16,4 g CO 2eq /MJ RME. Abb. 1: THG-Emissionen (basierend auf Betriebsdaten) und Grenzwerte im Winterraps- sowie Winterweizenanverfahren (B- und C-Qualität) Im der Winterweizenproduktion (B- und C-Qualität) wurden im Erntezeitraum 2011 bis 2015 durchschnittlich 212 kg/ha N aus Mineraldüngern verwendet. Es konnte ein Ertrag von 84 dt/ha erzielt werden. Die gemittelte THG-Emission für den Winterweizenanbau (Abb. 1) über die 5 Auswertungsjahre beträgt 35 g CO 2eq /MJ Bioethanol (EtOH) (Schlaganzahl (n) = 316) für eine jährliche Anbaufläche von ha. Im Vergleich zum Seite 4

5 Standardwert der EU-RED bzw. zum NUTS2-Wert MV übersteigt dies die Werte um 12 bzw. 13,6 g CO 2eq /MJ EtOH. 6 Ansätze zur THG-Minderung 6.1 THG-Emission in Abhängigkeit vom Ölgehalt Der Ölgehalt des Rapses wird derzeit nicht in der THG-Berechnung berücksichtigt, sondern stützt sich bisher lediglich auf den Kornertrag (bei einem unbekannten Ölgehalt). Der Züchtungsfortschritt (d.h. ein höherer Ölgehalt) wird folglich nicht mit einbezogen. Doch unter der Tatsache, dass höhere Ölgehalte mehr Biodiesel aus der gleichen Raps-Erntemenge bringen, ist eine THG-Minderung möglich (Abb. 2). Abb. 2: THG-Emission im Winterrapsanbau in Abhängigkeit von dem Ölgehalt 6.2 THG-Emission in Abhängigkeit von der Stickstoffdüngerform Das Grundprinzip der Herstellung von stickstoffhaltigen Düngemitteln ist seit Erfindung des Haber-Bosch Verfahrens nahezu gleich geblieben. Allerdings unterscheidet sich der Energieverbrauch bei den einzelnen Stickstoffformen deutlich. Dies wird in den THG- Berechnungstools (ENZO 2 -Tool) berücksichtigt. Die mittlere THG-Emission der LFA-Referenzbetriebe beträgt im Jahr ,5 g CO 2eq /MJ RME. Dieser Wert wurde mit dem Biograce-Tool kalkuliert. Es handelt sich folglich um den Einbezug einer gemittelten N-Herstellungsemission. Wird die THG- Emission mit dem ENZO 2 -Tool (entwickelt durch das Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH und von Bundesministerium für Landwirtschaft Seite 5

6 zertifiziert) berechnet, so ist die Berücksichtigung der düngerartspezifischen N- Herstellungsemission darstellbar (Abb. 3). Festzustellen ist, dass die N-Form unbedingt bei der THG-Berechnung berücksichtigt werden sollte und so eine kalkulierte THG- Minderung von ca. 3 g CO 2eq /MJ RME erreichbar ist. Abb. 3: THG-Emission im Winterrapsanbau in Abhängigkeit von der verwendeten Stickstoffform 6.3 Reduzierte Stickstoffdüngung Neben dem Nachweis des THG-Minderungspotenzials ist nach derzeitigem Stand der neuen Düngeverordnung auch der N-Saldo von 50 kg/ha N einzuhalten. Im Winterrapsanbau wird dies bei einem Gesamt-N-Niveau von 162 kg/ha N erreicht (Peters, 2016) und führt zu einer THG-Minderung um 5 g CO 2eq /MJ RME. Eine Option das Gesamt-N-Niveau abzusenken wäre das Unterlassen der Herbstdüngung. In nur zwei von 16 Versuchen war ein signifikanter Mehrertrag mit einer Herbstdüngung (40 kg/ha N) nachweisbar (Peters, 2016). Bei dieser Art von N-Reduktion ist eine um 3 g CO 2eq /MJ RME geminderte THG-Bilanz zu erwarten (Abb. 4). In Ausnahmefällen kann durch extreme Anbaubedingungen diese Reduktion negiert werden (Erntejahr 2011). Seite 6

7 Abb. 4: THG-Emission im Winterrapsanbau in Abhängigkeit von der Herbstdüngung 6.4 Substitution von Mineraldünger durch Wirtschaftsdünger Mineraldünger sind energieintensiv in ihrer Herstellung. Wirtschaftsdüngern (WD) wird keine Herstellungsemission in der THG-Bilanz angelastet. Voraussetzung für eine fachgerechte THG-Berechnung ist, dass die tatsächlich ausgebrachte WD-Menge und nicht nur die pflanzenbaulich verfügbare WD-Menge einbezogen wird. Des Weiteren ist für die WD-Ausbringung ein erhöhter Dieselbedarf zu kalkulieren. In der Praxis muss ein N- Ersatz durch Wirtschaftsdünger erfolgen, um zum einen Treibhausgase zu mindern und zum anderen den N-Saldo einzuhalten. Abb. 5: THG-Emission im Winterrapsanbau in Abhängigkeit von der Verwendung von Mineral- (MD) und Wirtschaftsdüngern (WD)(LFA RB Winterrapsanbauverfahren im Jahr 2014/2015 der LFA Referenzbetriebe) Seite 7

8 Aus der Berechnung (Abb. 5) leitet sich als optimale Substitutionsmenge der Einsatz von 20% Gülle (d.h. 49 kg /ha N) bei einem N-Gesamt-Niveau von 185 kg/ha N ab. Dadurch ist eine Minderung der THG-Bilanz im Rapsanbauverfahren von 2,4 g CO 2eq / MJ RME möglich bei gleichzeitigem Einhalten der Obergrenze der N-Salden. 6.5 THG-Emissionsminderung durch N-fixierende Vorfrüchte Zu Körnerleguminosen ist aufgrund der N-Fixierung keine Stickstoffdüngung notwendig (Lütke Entrup und Schäfer, 2011). Durch die Hinterlassenschaften des gebundenen Luftstickstoffs in Wurzeln und Ernterückständen im Boden kann theoretisch auch in der Folgekultur Stickstoff eingespart werden. Die Höhe der jährlichen N-Fixierung und des Stickstoffeinsparpotenzials in der Folgefrucht ist stark standort- und witterungsabhängig (Böhm, 2009). In dem Forschungsprojekt Senkung der THG-Emissionen in landwirtschaftlichen Produktionsverfahren zur Erzeugung von Biokraftstoffen durch Leguminosenanbau und produktionstechnische Maßnahmen (gefördert vom BMEL über die Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe) wurde u.a. die Vorfruchtwirkung von Leguminosen auf die Winterrapserträge untersucht. Abb. 6: THG-Emission im Winterrapsanbau in Abhängigkeit von Stickstoffdüngung und Vorfrucht Seite 8

9 Es konnte festgestellt werden, dass im Winterrapsanbau bei Lupinenvorfrucht die N- Transferleistung aus der Vorfrucht bei 4 bis 34 kg/ha N liegt. Des Weiteren ist feststellbar, dass die THG-Bilanz um 7,9 g CO 2eq /MJ RME vermindert ist (Abb. 6). Die THG-Minderung setzt sich zum einen aus der N-Reduktion um 80 kg/ha N und zum anderen aus der N- Fixierungsleistung der Leguminosen und deren Nutzung in der Nachfrucht Raps zusammen. 7 Fazit Ein wirklicher Klimaschutz (d.h. die Minderung von Treibhausgasen durch effizienteren/verminderten Einsatz u.a. von Düngemitteln) ist anhand der kalkulierten THG- Emissionen bei eigener schlag-/betriebsspezifischer Berechnung nicht nachweisbar. Es müssen dringend berechnungstechnische sowie pflanzenbauliche THG- Minderungsmaßnahmen umgesetzt werden, um einen Anreiz zu schaffen entsprechende THG-Minderungsmöglichkeiten sowohl in der Verfahrensgestaltung als auch bei der THG- Bilanzierung zu nutzen. Literatur/Quellen Böhm, H. (2009): Körnerleguminosen - Stand des Wissens sowie zukünftiger Forschungsbedarf aus Sicht des Ökologischen Landbaus. Journal für Kulturpflanzen 61(9). EU-RED, 2009/28/EG: Renewable Energy Directive 2009/28/EC (23. April 2009): Directive of the Parliament and of the Council on the promotion of the use of energy from renewable sources and amending and subsequently repealing Directives 2001/77/EC and 2003/30/EC. Brüssel sowie Änderung vom 15. September 2015 Lütke Entrup, N.; Schäfer B. C. (2011): Lehrbuch des Pflanzenbaues Peters, J. (2016): Düngung von Winterraps Ergebnisse aus Versuchen, mv.de/cms2/lfa_prod/lfa/content/de/fachinformationen/acker- _und_pflanzenbau/winterraps/produktionstechnik/duengung_von_winterraps Er gebnisse_aus_versuchen/20._brandenburger_dngetag.pdf (Zugriff: ) Ziesemer, A. ( ): Schlagkarteidaten der Referenzbetriebe der Erntejahre 2011, 2012, 2013, 2014 und 2015 (LFA intern) Seite 9

10 Kontakt Mareike Weirauch, wissenschaftliche Mitarbeiterin Dr. Andreas Gurgel, Sachgebietsleiter Nachwachsende Rohstoffe Sachgebiet Nachwachsende Rohstoffe Dorfplatz 1 / OT Gülzow Gülzow-Prüzen Tel.-Nr.: 03843/ oder m.weirauch@lfa.mvnet.de oder a.gurgel@lfa.mvnet.de Seite 10