German Agriculteres Nitrogen Budget - Facts and Trends - Helmut Döhler

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1 German Agriculteres Nitrogen Budget - Facts and Trends - Helmut Döhler AQUA Project; Milano,

2 N flow in Germany

3 Animal number [% of 1990] Number of animals emissions +13% +10% % - 27% - 35% - 28% 50 dairy cows other cattle pigs poultry

4 Animal number (total x 1000) Farm sizes / number of animals in Dairy cows Pigs > 20 kg < > 500 < > 5000 Installation size Installation size

5 Feedstuff in german agriculture

6 Non food crop cultivation in Germany

7 In country purchased mineral fertilizers

8 N Surplus in German Agriculture (kg/ha)

9 NH 3 -emissions [kt/a] Trend of ammonia emissions energy industry solvent etc. mineral fertilizer cattle grazing pigs poultry horses other NEC (2010) 550 kt - 28% - 27% +10%

10 Ammonia Emissions

11 Emissions in the production chain Dairy cows % reduction grazing application storage housing - 38% - 22% - 0,5%

12 Share of housing systems dairy cattle 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% loose, slurry loose, solid tied, slurry tied, solid EF tied: 6,6 % loose: 19,7 %

13 emissions in the production chain pigs % reduction application storage housing - 43% - 41% - 18%

14 application systems share of technologies used 100% cattle pigs th veg/grass 90% 80% 70% bc veg/grass other 60% 50% 40% < 1 h < 4 h 30% 20% 10% < 8 h < 24 h 0% without incorporation

15 Nitrate contents in german groundwater bodies (german monitoring network)

16 Nitrate concentration of Ground water in federal state Hessen

17 Change of NO3 concentrations in surface water courses

18 Change of concentrations in P, NO3, and NH4 in surface water courses (monitoring network)

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20 Gärreste lästiges Übel oder wertvolles Endprodukt? Helmut Döhler, Sebastian Wulf, KTBL; Hannes Döhler, Stud.Univ.Hohenh. Digestates from Biogas Plants Necessary Evil or valuable Endproduct? Energiereich Internationales CLAAS Symposium Biogas 2011 Harsewinkel, 18. und 19. Januar 2011

21 Properties of Slurry vs. Digested Slurry Rindergülle Biogasgülle Trockenmasse % FM 8,9 6,0 ph - 7,3 7,9 C/N Verhältnis N total kg/t FM 4,0 = 4,1 NH 4 -N kg/t FM 2,2 2,5 Anteil NH 4 -N am Gesamt-N % P 2 O 5 kg/t FM 1,7 = 1,8 K 2 O kg/t FM 5,0 = 5,3 Bei der Vergärung von Gülle gehen keine Nährstoffe verloren. Der ph- Wert sowie der Anteil an löslichen (verfügbaren) Nährstoffen steigt. During digestion the nutrients are conserved. The ph value and the proportion of soluble (Döhler (plant 1989, available) Döhler and nutrients Haring increases. 1989; Meßner 1988)

22 Properties of Digestates vs Animal Manures Wirtschaftsdünger Gärreste Einheit überwiegend Rindergülle Rindergülle und NawaRo Schweinegülle und NawaRo Gärrest und NawaRo Trockenmasse % FM 9,1 7,3 5,6 7,0 Säuregrad ph 7,3 8,3 8,3 8,3 Verhältnis Kohlenstoff/ Stickstoff C/N 10,8 6,8 5,1 6,4 Stickstoff (N t ) kg/t FM 4,1 4,6 4,6 4,7 Güllen Ammonium-N und Gärreste kg/t FM sind das 1,8 Verdauungs-Produkt 2,6 von 3,1 Acker- und 2,7 (NH4-N) Grünlandpflanzen. Daher unterscheiden sie sich in ihren Eigenschaften nur geringfügig. kg/t FM Phosphor (P 2 O 5 ) 1,9 2,5 3,5 1,8 Slurries Organische and digestates kg/t FM are either the digestion product from field grassland Masse crops. Therefore, their properties do not differ a lot. 74,3 53,3 41,4 51,0 (LTZ, 2008)

23 Ammonia losses from Slurry and digested Slurry after Application Gülle Biogasgülle Zeit (h) (Döhler 1989, verändert)

24 Ammoniakverluste in (% des appl NH4-N) Ammonia losses from Slurry and digested Slurry after Application Gülle Biogasgülle Die Ammoniakverluste 5 von Gülle und Biogasgülle sind sehr ähnlich. Temperatur und Viskosität sind die wichtigsten Einflussfaktoren 0 Amounts of Milchviehgülle and viscosity gülle are the most relevant influencing gülle ammonia losses Milchvieh- from slurries Bullengülle and digestated Schweine- slurries are similar. Temperature factors (Döhler 1989, Messner 1988)

25 Ammoniakverluste [% NH 4 -N] Ammonia losses from Energy Crop Digestates and Slurry Rinder-gülle Schwein e-gülle Gärrest (Gülle und Energiepflanze n) Gärrest (nur Energie pflanzen) Die Ammoniakverluste von Gülle und Energiepflanzengärresten sind sehr ähnlich. Temperatur und Viskosität sind die wichtigsten Einflussfaktoren DM [% FM] 4,1 5,8 5,6 3,8 Amounts ph of ammonia losses 7 from 7,2 slurries and 7,6 digestates 7,6 are similar. Temperature NH 4 -N [kg/t and FM] viscosity 1,8 are the 2,6 most relevant 2,0 influencing 1,9 factors (Pacholski, 2010)

26 N-Ausnutzung Basis NH4N [%] N appl. = 100 % N-Recovery of Slurry vs digested Slurry (reference : mineral fertilizer N) Sofortige 0 Einarbeitung von Gülle und Gärresten führt zu ähnlich hoher Rohgülle nicht Rohgülle, flach Rohgülle 5cm Biogasgülle 5 Nitratdünger Effizienz des NH4-N wie von Mineraldünger eingearbeitet eingearbeitet tief cm tief Immediate incorporation of slurry and digestates will enable NH4-N efficiencies similar to mineral fertilizers (Döhler, 1988, verändert)

27 N-Verwertung durch Hafer (Mineraldünger = 100) C/N-Verhältnis N-Effect of Slurry, digested slurry and manure concentrates (Avena; 0,5gNH4-N) Die Stickstoffwirkung ist bei Gärresten höher wegen geringerer biologischer N- Immobilisierung The N-efficiency of digestates is higher since the biological (KTBL/BMBF/ N Immobilisation is lower Gutser, 1997) Mineraldünger übliche Gülle Biogasgülle Feingülle Konzentrat 0

28 MDÄ [%] Mineral fertilizer-equivalents of digestates (Fertilizing energy crops) 120 Wintergerste,wachsender Bestand Silomais,Vorsaat,eingearbeitet Schw-gü Gärrest 1 64% NH4-N 4,5% TM Gärrest 2 37% NH4-N 8,1% TM Gärrest 3 46% NH4-N 5% DM Gärrest 4 NH4-N 7,8% TM Gärreste mit hohen Trockenmassegehalten sollten unverzüglich eingearbeitet werden. Digestates with high dry matter contents should be incorporated right after spreading (LWK Niedersachsen, 2010)

29 Jährliche N-Ausnutzung in % Mid term N Efficiency of slurry/ digestate kg N t /ha aus Gärrest 80 gutes Management schlechtes Management Nur wenn Ammoniakverluste schon bei der Ausbringung vermieden werden, ist eine N-Ausnutzung von 60 bis 75 % möglich Jahr Annahmen: jährliche Applikation von 93 kg N/ha NH 4 -N + 48 kg N/ha org. geb. N mit 10 % Mineralisation im 1. Jahr, 5 % Mineralisation im 2. Jahr und 3 % Mineralisation ab dem 3. Jahr rote Linie: 90 % NH 3 -Verlust bei Ausbringung blaue Linie: 10 % NH 3 -Verlust bei Ausbringung Only, if ammonia is prevented from volatilisation short after spreading, N efficiencies of 60 up to 75 % are possible (nach Döhler 1996)

30 CO2 äq.-emissionen [kg/ha] CO 2 äq. -Emissions of an Slurry/ digestate-feritilizing strategie (in a crop rotation) 8000 Düngerlagerung Mineraldüngerherstellung Transport - Ind. CO2 äq.- Emissionen Ausbringung - Ind. CO2 äq.-emissionen Transport - Dir. CO2 äq.- Emissionen 1000 Die Düngung mit Gärresten reduziert die Klimagasemissionen um ein Drittel im Vergleich zu Mineraldünger. 0 rest/gülle raldünger Ausbringung - Dir.CO2 äq.- Emissionen Fertilizing with Gärrest/Gülle digestates reduces Green-house-gas-Emissions Mineraldünger by one third compared to mineral fertilizers.

31 Kosten [ /ha] Kosten einer Gärrest-Düngungsstrategie im Vergleich (4- gliedrige Fruchtfolge) Org. Dünger Lagern Min. Dünger Lagern Mineraldünger Zins Afa Reparaturkosten Arbeitskosten Gärrest/Gülle Mineraldünger Sc hmierölverbrauc h Trotz der hohen Ausbringkosten ist die Düngung mit Gärresten kostengünstiger als mit Mineraldünger. Diesel Despite of the higher application costs the fertilization with digestates is less costly than with mineral fertilizer alone.