Vorstellung alternativer Substrate für die Biogasproduktion

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1 Vorstellung alternativer Substrate für die Biogasproduktion Romann Glowacki, Innovationskoordinator DBFZ

2 Kurzvorstellung DBFZ - Bundeseigene gemeinnützige GmbH, BMELV - Zentrale Forschungseinrichtung für alle Fragen der Bioenergie - ca. 200 Mitarbeiter, Umsatz 2011 ca. 11 Mio. EUR - Vernetzung der Ergebnisse der sehr vielschichtigen Forschungslandschaft - Integration von Bioenergie in das Energie- und Wirtschaftssystem - Ganzheitlicher Ansatz - Erarbeitung wissenschaftlich fundierter Entscheidungshilfen für die Politik

3 Forschungsbereiche am DBFZ UFZ = Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)

4 Inhalt 1. Biogasanlagen in Deutschland 2. Substrateinsatz in Deutschland 3. Überblick zu Substratalternativen

5 Entwicklung der Biogaserzeugung in Deutschland Entwicklung der Biogasanalagenanzahl in Deutschland nach Leistungsklassen und installierter elektrischer Leistung ohne Abbildung von Biogasaufbereitungsanlagen, Deponie- und Klärgasanlagen. Quelle: DBFZ Report Nr. 12

6 Standorte in Deutschland Standorte der im Betrieb befindlichen Biogasanlagen in Deutschland, vereinzelt im Bau- und Planung. Bezugsebene: Postleitzahlen. Quelle: DBFZ Report Nr. 12

7 Befragung von Biogasanlagenbetreibern 2011/2012 Ausgewählte Aspekte der Befragung - Installierte elektrische Leistung - Eingespeiste Strommenge, Eigenstrombedarf - Betriebsstunden und Ausfallzeiten - Elektrischer / thermischer Wirkungsgrad - Verfahren - Gärrestaufbereitung und -verwertung - Substrateinsatz (Art, Menge, Kosten, durchschnittliche Transportentfernung) - Flächenumfang für den Anbau landwirtschaftlicher Rohstoffe zur Biogasproduktion

8 Substrateinsatz Nachwachsende Rohstoffe = NawaRo (= Energiepflanzen) Exkremente = Gülle und Einstreu Masse- und energiebezogener Substrateinsatz in Biogasanlagen (Betreiberbefragung DBFZ 2011/2012). Quelle: DBFZ Report Nr. 12

9 Bioabfälle, Substrattypen - kommunale Bioabfälle - Grünabfälle - gewerbliche organische Abfälle, z.b. Lebensmittel, Kantinen- oder Küchenabfälle Durchschn. Substratmix (massebezogen) in BGA bezogen auf die installierte Elektr. Leistung. (Betreiberbefragung DBFZ 2011/2012). Quelle: DBFZ Report Nr. 12

10 Einsatz nachwachsender Rohstoffe (NawaRo) GPS = Ganzpflanzensilage Masse- und energiebezogener Substrateinsatz nachwachsender Rohstoffe in Biogasanlagen (Betreiberbefragung DBFZ 2011/2012). Quelle: DBFZ Report Nr. 12

11 Mais-Problematik Akzeptanzprobleme: - Landschaftsbild (Sichtachsen) - Konkurrenz zur Futtermittelproduktion - Teller-Tank-Diskussion - Kritik am intensiven Maisanbau (Öffentlichkeit) - Biodiversität, Verdrängungseffekte, Grünlandumbruch - Erosion

12 Suche nach Substratalternativen Ersatz für einen Teil des Maisanbaus Änderungen der Anreizsetzung (EEG ab 2012) Suche nach alternativen Substraten Nachvollziehbare Bewertungskriterien für alternative Substrate sind notwendig!

13 Substratalternativen: Biogaspflanzen Ergebnisvorstellung der Studie: Perspektive der Biogasgewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen Bewertung von Substratalternativen zu Silomais. Dr. Walter Stinner, Nadja Rensberg. DBFZ April 2011.

14 Substratalternativen: Biogaspflanzen - Bewertungskriterien - Klimaeffekte - Biodiversität - Bodenschutz - Einsatz von Pestiziden - spezifische Flächenkonkurrenz - Einfluss auf Ernährungssicherheit und internat. Agrarmärkte - Pflanzenbau - Kosteneffekte auf die Biogaserzeugung - technologischer Aufwand der Vergärung, Stand der Technik - Potenzial - Energiewendeaspekte

15 Substratgruppen - Annuelle Hauptfrüchte - Perennierende Hauptfrüchte - Zwischenfrüchte - pflanzenbauliche Reststoffe - Wirtschaftsdünger - Reststoffe mit Nutzungskonkurrenz (z.b. Rübenschnitzel) - Bioabfälle

16 Substratalternativen: Annuelle Hauptfrüchte Vorstellung und Bewertung - Silomais - Kolbenmaisprodukte (Körnermais, Corn-Cob-Mix, CCM), Lieschkolbenschrot (LSK) - Getreide Ganzpflanzensilage (GPS) - Getreidekörner - Hirsen - Sonnenblume - Zuckerrübe bzw. Futterrüben

17 Silomais Kriterium Bewertung Methanertrag: Ganzpflanze ca. 106 m³/t Frischmasse* Klimaeffekte O N-Düngung notwendig (Lachgas), ertragsbezogen niedriger N-Bedarf, Humusabbau Biodiversität - eher artenarme Frucht, abhängig von der regionalen Agrobiodiversität Pflanzenbau 0 sehr abhängig von Fruchtfolgen am Standort (in Marktfruchtregionen positiv, in Futterbauregionen sehr problematisch) Bodenschutz -- Prinzipiell sehr erosionsanfällig, starker Humuszehrer, Bodenschadverdichtung bei feuchten Erntebedingungen im Herbst Pestizide - Herbizideinsatz üblich, im Vgl. zu anderen annuellen Früchten eher gering, Flächenkonkurrenz O Hauptfruchtfläche, aber hohe Erträge Kosteneffekte BGErz. ++ sehr effiziente und kostengünstige Erzeugung Techn. Aufwand Verg. ++ relativ leicht mit etablierten Verfahren vergärbar Potenzial O weitere Flächenausdehnung in vielen Regionen kritisch Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April * Angaben gem. deutscher Biomasse-Verordnung 2012 (BiomasseV)

18 Getreide Ganzpflanzensilage (GPS) Kriterium Bewertung Methanertrag: ca. 108 m³/t Frischmasse* Klimaeffekte O geringerer Flächenertrag, spez. höherer N-Bedarf Biodiversität - abhängig von angebauter Art, Pflanzenschutz, Erntezeitpunkt evtl. negativ für Bodenbrüter Bodenschutz + Ernte meist bei trockenem Bodenzustand, Verbesserung durch Untersaaten (US)möglich Pflanzenbau - meist Verstärkung einseitiger Fruchtfolgen (Auflockerung durch US möglich) Pestizide 0 Managementabhängig, kann prinzipiell gegenüber Körnergetreide minimiert werden Flächenkonkurrenz - Hauptfruchtfläche Kosteneffekte BGErz. ++ effiziente und kostengünstige Erzeugung Techn. Aufwand Verg. ++ relativ leicht mit etablierten Verfahren vergärbar (Technik und Biologie) Potenzial - weniger negatives Image als Mais bei Flächenausdehnung Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April * Angaben gem. deutscher Biomasse-Verordnung 2012 (BiomasseV)

19 Hirsen Kriterium Bewertung Methanertrag: Zuckerhirse ca. 58 m³/t Frischmasse* Klimaeffekte O häufig geringe Flächenerträge, Züchtung läuft Biodiversität O selten angebaut, Habitatfunktion vergleichbar Mais Bodenschutz - vergleichbar Mais Pflanzenbau + selten angebaut, Einschränkung durch Bodenschutz Pestizide - vergleichbar Mais Flächenkonkurrenz - derzeit noch geringere Erträge als Mais (rasanter Zuchtfortschritt, Standort- und Sortenwahl) Kosteneffekte BGErz. O s.o. Techn. Aufwand Verg. ++ vergleichbar Mais Potenzial O Akzeptanz vergleichbar Mais (Sichtachsen) Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April * Angaben gem. Leitfaden Biogas, FNR 2010.

20 Zuckerrüben Kriterium Bewertung Methanertrag: Zuckerrübe ca. 72 m³/t Frischmasse* Klimaeffekte - sehr hohe Flächenproduktivität, trotz intensiven Anbaus pos. Klimawirkung mögl., hohe Lachgasemissionen bei Verzicht auf Blattbergung Bodenschutz -- gehören zu den am stärksten humuszehrenden Früchten, späte Ernte bei feuchtem Boden mit schweren Maschinen, hohes Erosionsrisiko Pflanzenbau - außerhalb Rübenanbaubieten nur bedingt anbauwürdig, als Blattfrucht wertvoll nur bei Anbau in Regionen mit geringem Rübenanteil Pestizide -- sehr intensiv geführte Kultur Flächenkonkurrenz O gute Vorfruchtwirkung bei entsprechender Einbindung in die Fruchtfolge Kosteneffekte BGErz. + schnelle Abbaubarkeit kompensiert evtl. höhere Bereitstellungskosten Techn. Aufwand Verg gute Vergärbarkeit, sehr wichtige Frucht für Flexible Gasproduktion und zur Verbesserung der Prozesskinetik Potenzial O enges Potential zur umweltgerechten Ausweitung des Anbaus vorhanden Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April * Angaben gem. Leitfaden Biogas, FNR 2010.

21 Substratalternativen: Perennierende Hauptfrüchte Vorstellung und Bewertung - Mehrjähriges Feldgras - Mehrjährige leguminosenbasierte Futterbaugemenge (Kleeoder Luzernegras) - Durchwachsene Silphie - Topinambur (jährliche Ernte von Kraut und Knollen) - Topinambur (mehrjähriger Anbau, nur Krauternte) - Wildpflanzenmischungen - Weitere (Malve, Ampfer, Steinklee, Dauerlupine, )

22 Mehrjähriges Feldgras Kriterium Bewertung Methanertrag: Weidelgras ca. 79 m³/t Frischmasse* Klimaeffekte O geringer Ertrag, ertragsbezogen hoher N-Bedarf Biodiversität + vielseitiges Bodenleben Bodenschutz ++ Humus, Erosionsschutz, Strukturverbesserung Pflanzenbau ++ Vorfruchtwert, Unkrautunterdrückung, Brechen von Infektionsketten, Bodengare Flächenkonkurrenz - hoher Vorfruchtwert Kosteneffekte BGErz. - Höhere Bereitstellungskosten (Mehrfachernte) Techn. Aufwand Verg. - Vergärung aufwändiger (Rühr- und Pumptechnik) Potenzial O Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April * Angaben gem. Leitfaden Biogas, FNR 2010.

23 Durchwachsene Silphie Kriterium Bewertung Methanertrag: ca. 67 m³/t Frischmasse* Klimaeffekte O Nichtleguminose N-Bedarf (Düngung und Gärrest) Biodiversität + Möglich als Dauerkultur mit Nutzungszeit > 10 J. Humusreproduktion + Vermutlich hohe Humusreproduktionswirkung Bodenschutz ++ s. Feldgras Pestizide + Nur im Ansaat- und Anpflanzjahr Flächenkonkurrenz - Hauptfruchtplätze Kosteneffekte BGErz. O Einmalige Etablierung, hohe Erträge Techn. Aufwand Verg. - Vergärung aufwändiger (Rühr- und Pumptechnik) Potenzial O Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April * Angaben gem. deutscher Biomasse-Verordnung 2012 (BiomasseV)

24 Topinambur (jährliche Ernte von Kraut und Knollen) Kriterium Bewertung Methanertrag: Knolle sil. ca. 50 m³/t Frischmasse* Klimaeffekte O Nichtleguminose N-Bedarf (Düngung und Gärrest) Biodiversität? Bereicherung für ackerbauliche Standorte. Invasiv in Auennähe. Bodenschutz -- bei Knollenernte stark humuszehrend, dann auch Risiko der Bodenschadverdichtung Flächenkonkurrenz O Hauptfruchtfläche, hohe Erträge bei Kompletternte Kosteneffekte BGErz. O mit Knolle höherer Ernteaufwand, Schmutzanhang, teure Spezialsilierung Techn. Aufwand Verg. -- kurze Verweilzeiten und gute Vergärbarkeit der Knollen Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April * Angaben gem. Biogasausbeuten, 2013

25 Dauergrünland Kriterium Bewertung Methanertrag: Grassilage ca m³/t Frischmasse* Klimaeffekte + Erhaltung von DGL positiv. Landschaftliche und ökosystemische Vorteile Biodiversität + positiv Humusreproduktion + Humusakkumulation Bodenverdichtung ++ Erosionsrisiko + spät schließende Reihenkultur Pestizide ++ Flächenkonkurrenz O geringer Flächenertrag, oft jedoch auf nicht ackerfähigen Grenzstandorten Kosteneffekte BGErz. - Vollkosten meist teurer als Mais, meist schlecht erreichbare Standorte Techn. Aufwand Verg. - aufwändiger und schwieriger als bei Mais Potenzial + leicht abbaubare Ergänzung zu faserreichen Substraten, mit Kraut hohe Flächenpr. Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April * Angaben gem. Leitfaden Biogas, FNR 2010.

26 Zwischenfrüchte (ohne N-Düngung, Leguminosen) Kriterium Bewertung Methanertrag: Lupine, Leguminosengemenge ca. 80 m³/t FM* Klimaeffekte + Biodiversität + Humusreproduktion ++ Bodenverdichtung O Risiko bei feuchten Böden Erosionsrisiko ++ Pestizide ++ nicht notwendig Flächenkonkurrenz + keine Konkurrenz um Anbauzeit oder Wasser, oftmals pos. Vorfruchtwirkung Kosteneffekte BGErz. -- rel. hohe Erntekosten, da geringe Trockenmasseerträge, schlechte Silierbarkeit Techn. Aufwand Verg. - Herausforderungen bei der Vergärung Potenzial ++ Auf günstigen Standorten erheblich, abh. von Anbauzeiträumen Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April * Angaben gem. deutscher Biomasse-Verordnung 2012 (BiomasseV)

27 Pflanzenbauliche Koppelprodukte (N-arm, v.a. Stroh) Kriterium Bewertung Methanertrag: Getreidestroh 161 m³/t FM Klimaeffekte + Koppelpr. fallen zusätzlich an, Klimagasemissionen liegen auf den Hauptfrüchten Biodiversität O Humusreproduktion O über Rückführung des Gärrestes Bodenverdichtung Erosionsrisiko O O Pestizide ++ keine zus. Anwendung, über Ernte Mitnahme von Erregern, Unkrautsamen Flächenkonkurrenz + keine direkte Kosteneffekte BGErz. - noch erhebl. Entwicklungsbedarf: Lagerung, Silierung, Aufbereitung, Vergärung Techn. Aufwand Verg. - Potenzial ++ Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April * Angaben gem. deutscher Biomasse-Verordnung 2012 (BiomasseV)

28 Wirtschaftsdünger / Gülle Kriterium Bewertung Methanertrag: Schweinefestmist 45 m³/t FM, Gülle 17 m³/t FM Klimaeffekte ++ Vermeidung der Klimagasemissionen CH4 und N2O Biodiversität Humusreproduktion Bodenverdichtung Erosionsrisiko Pestizide O O O O O Flächenkonkurrenz + Kosteneffekte BGErz. O Transportwürdigkeit gering, dezentrale Konzepte sinnvoll, Kleinanlagen Techn. Aufwand Verg. ++ oft sehr einfach vergärbar Potenzial ++ Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April * Angaben gem. deutscher Biomasse-Verordnung 2012 (BiomasseV)

29 Substratalternativen: Exkremente / Gülle = Wirtschaftsdünger - Deutlich weniger Klimagasemissionen als NawaRo (Lachgas, Ammoniak) - Einsparung von Emissionen aus der Güllelagerung - in D: Förderanreiz für Kleinanlagen <75 kwel mit Gülleeinsatz > 80% - Herausforderung: Güllevergärung benötigt hohes Volumen möglichst geringe Fermenterkosten - schwierige Markteinführung, Entwicklung läuft

30 Zusammenfassung - Potential für alternative Substrate ist groß - oft technisch aufwändigere Anlagen - problematisch: geringe ha-erträge, Ernteaufwand - Optimierungs- und Forschungsbedarf besteht - Gesamtbetrachtung der Anbausysteme notwendig

31 Quellen und weitere Informationen Literatur: DBFZ Report Nr. 12: Monitoring zur wirkung des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) auf die Entwicklung der Stromerzeugung aus Biomasse. Hrsg. DBFZ Perspektive der Biogasgewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen Bewertung von substratalternativen zu Silomais (Studie). Dr. Walter Stinner, Nadja Rendsberg, April Biogaserträge: Biomasse Verordnung 2012 (BiomasseV) Leitfaden Biogas, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. FNR. Kontaktpersonen: