Kriterien für f r einen nachhaltigen Maisanbau zur Biogaserzeugung

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1 Agrar- und Ernährungswissenschaftliche Fakultät Kriterien für f r einen nachhaltigen Maisanbau zur Biogaserzeugung Friedhelm Taube und Antje Herrmann Institut für f r Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung Christian-Albrechts Albrechts-Universität t Kiel

2 Einleitung Biomassenutzung Reduktion des klimawirksamen CO 2 -Ausstosses Nachhaltige Produktion und Schonung sich verknappender fossiler Ressourcen Biogasproduktion ermöglicht weitgehend geschlossene Nährstoffkreisläufe Produktion in räumlicher Nähe zur Nutzung Beitrag zur Entwicklung ländlicher Räume Aber: Zunehmend kritische Stimmen über Umweltverträglichkeit eines ausgedehnten Energiepflanzenanbaus (z. B. SRU, Sondergutachten, 2007)

3 1. Einleitung Energieerträge verschiedener Biokraftstoffpfade

4 Boom of biogas plants in german agriculture september

5 Entwicklung Maisanbaufläche in Deutschland (in 1000 ha) (DMK, 2007) Silomais Körnermais Energiemais CCM Gesamt Veränderung Ausweitung Anbaufläche um ~ 6%, entspricht mehr als 60% des Energiepflanzenanbaus in D!

6 2. Kriterien für einen nachhaltigen Energiemaisanbau 1. Nachhaltigkeitskriterium Energieeffizienz! Relative Vorzüglichkeit Energiepflanzen? Bewirtschaftungsintensität? Kraft-Wärme-Kopplung? Feld Fermenter Entfernungen?

7 Agrar- und Ernährungswissenschaftliche Fakultät Energieeffizienz Biogaserzeugung (Taube, 2007) Gras- vs. Maissilage, mit/ohne Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Abh. der Transportentfernung zur Biogasanlage ohne KWK mit KWK Energieeffizienz [kwh [kwh Einspeisung/kWh / fossil] Maissilage Grassilage Gras 0 kg N/ha Gras 100 kg N/ha Gras 200 kg N/ha Gras 300 kg N/ha Mais 0 kg N/ha Mais 50 kg N/ha Mais 100 kg N/ha Mais 150 kg N/ha Transportentfernung [km] Maissilage Grassilage Transportentfernung [km] [km] Datenbasis: N-Projekt Karkendamm, sandige Böden, 4-Schnitte Dauergrünland vs. Mais-Monokultur

8 Agrar- und Ernährungswissenschaftliche Fakultät Energieeffizienz Biogaserzeugung Gras- vs. Maissilage, mit/ohne Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Abh. der Transportentfernung zur Biogasanlage Grassilage kaum konkurrenzfähig Relative Vorzüglichkeit von Grünland für Milchproduktion steigt Ohne Kraft-Wärme-Kopplung starke Reduktion der Energieeffizienz Hohe Feld-Fermenter-Entfernungen reduzieren Effizienz erheblich

9 Agrar- und Ernährungswissenschaftliche Fakultät 2. Nachhaltigkeitskriterum: Vermeidung negativer Umwelt - Effekte Konfliktpotentiale Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) und Nitratrichtlinie (DVO) NEC Richtlinie Emissionshöchstmengen (Zieljahr 2010) Ammoniak-, N 2 O - Ausgasung Gärrest Problem Humusbilanz Bodenfruchtbarkeit (Cross Compliance) Problem Kulturartendiversität Biodiversität

10 N-Haushalt N-Verlustpotential während Lagerung vergorener Gülle Höherer NH 4 -Anteil im Gärrest und erhöhter ph Ammoniakemissionspotential steigt Reduzierter TS-Gehalt verhindert emissionsmindernde Schwimmdeckenbildung > Verluste Methan und Lachgas (Amon, 2007) Düngewirkung Gärrest Verbesserte Fließfähigkeit und Infiltration Geringere N-Festlegung im Boden durch reduziertes C/N-Verhältnis (ca. 5-6:1) Erhöhte, kurzfristige Düngewirkung Effekt der Vergärung von Kosubstraten auf N-Flüsse und Produktivität auf Systemebene nicht untersucht

11 N-Verlustpotentiale Energiepflanzenanbau: CAU-Projekt BIOGAS EXPERT Analyse der Stoff-Flüsse im System Boden-Pflanze-Fermenter Prozessoptimierung & Qualitäts ts- parameter Gärrückstände (AG Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik) Modellierung Stoffflüsse; Beratungstools (2. Projektphase) Qualitätsparameter tsparameter & Methanertrag Erntegut (AG Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik) NH 3 -Emissionen Gärrückstände (AG Acker- und Pflanzenbau) Ertragsbildung & N-Effizienz Energiepflanzen (AG Acker- und Pflanzenbau) Treibhausgas-Emissionen Gärrückstände & Bodenfruchtbarkeit (AG Pflanzenernährung) N-Dynamik im Boden (AG Acker- und Pflanzenbau) N-Frachten und -konzentrationen im Sickerwasser (AG Grünland und Futterbau / Ökologischer Landbau)

12 Konfliktpotentiale mit WRRL/ Nitratrichtlinie Grundwasserkörper mit Gefährdungsabschätzung in Schleswig-Holstein Problem: Energiemaisanbau häufig auf Grundwasser gefährdeten Standorten

13 Agrar- und Ernährungswissenschaftliche Fakultät Mögliche Konsequenzen der WRRL für die landwirtschaftliche Praxis Konkrete Auflagen im Rahmen von Maßnahmenprogrammen WRRL- gerechte Ausgestaltung von Agrar- und Umweltprogrammen (2. Säule)

14 Konfliktpotentiale mit WRRL/Nitratrichtlinie NO 3 -N-Auswaschung im Silomaisanbau NO 3 -N Fracht (kg N ha -1 ) o ohne Untersaat mit Untersaat Trinkwasser-Grenzwert NO 3 Konzentration (mg L -1 ) Konfliktpotential: Gärrest-N unterliegt nicht der Ausbringungsobergrenze von 170 kg N/ha (DVO) Modulationsmaßnahme Förderung Untersaaten sinnvoll! DVO-Vorgabe (60 kg N/ha) y N-Bilanz (kg ha -1 ) (Wachendorf et al., 2006)

15 Kriterien für einen nachhaltigen Energiemaisanbau Kontrolle der optimalen N-Versorgung: Kritischer N-Gehalt zur Ernte Kritischer N-Gehalt (Plenet & Lemaire): Die Mindest N-Konzentration in der Pflanze um maximalen Ertrag zu sichern Kritische N-Gehalte für Norddeutschland verifiziert -Auswertung von 9 mehrjährigen N-Steigerungsversuchen -Verschiedenste Sorten, N-Düngungsformen etc. (Herrmann und Taube, 2004)

16 Kriterium: Einhaltung kritischer N-Gehalte Verifizierung des kritischen N-Gehaltes bis zur Siloreife 40 N concentration [g kg -1 ] Kritischer N-Gehalt biomass [t ha -1 ] % Nc = W % Nc (Plénet & Lemaire, 1999) = W (Herrmann & Taube, 2004)

17 Kriterium: Einhaltung kritischer N-Gehalte Beziehung zwischen Relativertrag und N-Gehalt zur Siloreife N-Gehalt [g N kg -1 TM] CNC = 10.5 g N kg -1 DM y = *exp(0.0086*x) Relativertrag [%] Rohprotein-Gehalt [%] Fazit: RP-Gehalte von 6,5 % in der Maissilage reichen für Maximalertrag aus! Verlässlicher Indikator der guten fachlichen Praxis der Düngung von Mais Krit. N-Gehalt Siloreife (CNC): 10.5 g N kg -1 DM (Herrmann & Taube, 2005)

18 Kriterium: Einhaltung kritischer N Gehalte NO 3 -leaching (kg N ha -1 ) EU limit - ohne Untersaat y = e x r² = 0.55 *** + Untersaat y = e x r² = 0.90 *** CP-content (%) RP-Gehalt Maissilage (%) Beziehung zwischen dem RP-Gehalt zur Silomaisernte und der Nitratauswaschung = krit. RP-Gehalt Sorte: Naxos Mittelwert von 2 Jahren Karkendamm, Sandiger Boden Wachendorf and Taube, 2002

19 N-Verlustpotentiale Energiepflanzenanbau: CAU-Projekt BIOGAS EXPERT Analyse der Stoff-Flüsse im System Boden-Pflanze-Fermenter Prozessoptimierung & Qualitäts ts- parameter Gärrückstände (AG Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik) Modellierung Stoffflüsse; Beratungstools (2. Projektphase) Qualitätsparameter tsparameter & Methanertrag Erntegut (AG Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik) NH 3 -Emissionen Gärrückstände (AG Acker- und Pflanzenbau) Ertragsbildung & N-Effizienz Energiepflanzen (AG Acker- und Pflanzenbau) Treibhausgas-Emissionen Gärrückstände & Bodenfruchtbarkeit (AG Pflanzenernährung) N-Dynamik im Boden (AG Acker- und Pflanzenbau) N-Frachten und -konzentrationen im Sickerwasser (AG Grünland und Futterbau / Ökologischer Landbau)

20 Problembereich klimarelevante Gase N 2 O Einfluss der Bodenfeuchte auf die N 2 O- Emissionen bei einem Dünge-Niveau von 360 kg N ha -1 (kumulative Emission 1-37 Tage nach Düngung) 6 kg N 2 O N ha % WG 26 % WG 0 Kontrolle Mineral- N Control Nmin Biogas Waste Biogas- Abfall Control Nmin Biogas Waste Kontrolle Mineral- N Biogas- Abfall Gefäßversuch, BSc.-Arbeit A.-C. von Mülmann 2007; Institut Pflanzenernährung und Bodenkunde, CAU Kiel

21 Problembereich klimarelevante Gase N 2 O Einfluss der Bodenfeuchte auf die N 2 O- Emissionen bei einem Dünge-Niveau von 360 kg N ha -1 (kumulative Emission 1-37 Tage nach Düngung) 6 kg N 2 O N ha % WG 26 % WG 0 Kontrolle Mineral- N Control Nmin Biogas Waste Biogas- Abfall Control Nmin Biogas Waste Kontrolle Mineral- N Biogas- Abfall Erstes Fazit der laufenden Untersuchungen: Mit steigender Bodenfeuchte steigen Denitrifikationsverluste! Gefäßversuch, BSc.-Arbeit A.-C. von Mülmann 2007; Institut Pflanzenernährung und Bodenkunde, CAU Kiel Konsequenz: Bodennahe Gärrestapplikation auf trockenen Boden

22 Problembereich klimarelevante Gase N 2 O N 2 O-Emissionen bei steigender N-Düngung (kumulative Emission 1-37 Tage nach Düngung) Gefäßversuch, BSc.-Arbeit A.-C. von Mülmann 2007, Institut Pflanzenernährung und Bodenkunde, CAU Kiel kg N 2 O N ha Biogas-Abfall Mineral-N y = 0,0164x - 0,1597 R 2 = 0,9778 y = 0,0028x + 0,0651 R 2 = 0, N-Gabe kg N ha -1 Erstes Fazit: Mit zunehmenden Gärrestapplikationsmengen steigen N 2 O-Verluste im Vergleich zu Mineraldünger überproportional

23 Vergleich N 2 O-Emissionen Gras : Mais Kumulative N 2 O-Emissionen von März bis August 2007 Karkendamm (Ackerzahl ~ 25) N 2 O-N [kg N ha -1 ] Mais Grünland 0 Kontrolle Mineral-N Rinder- Gülle N1 Mineral-N Rinder- Gülle N3 Biogas- Gülle Maize received 120 and 360 kg N ha -1 ; grassland received 160 kg N ha -1 and 480 kg N ha -1 for N1 and N3. (Senbayram & Dittert, unveröff.) Erstes Fazit auf Sandböden: Geringe gasförmige Verluste; aber höhere Lachgasemissionen unter Mais als unter Gras

24 CAU-Projekt BIOGAS EXPERT Analyse der Stoff-Flüsse im System Boden-Pflanze-Fermenter Prozessoptimierung & Qualitäts ts- parameter Gärrückstände (AG Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik) Modellierung Stoffflüsse; Beratungstools (2. Projektphase) Qualitätsparameter tsparameter & Methanertrag Erntegut (AG Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik) NH 3 -Emissionen Gärrückstände (AG Acker- und Pflanzenbau) Ertragsbildung & N-Effizienz Energiepflanzen (AG Acker- und Pflanzenbau) Treibhausgas-Emissionen Gärrückstände & Bodenfruchtbarkeit (AG Pflanzenernährung) N-Dynamik im Boden (AG Acker- und Pflanzenbau) N-Frachten und -konzentrationen im Sickerwasser (AG Grünland und Futterbau / Ökologischer Landbau)

25 Ammoniakverluste Teilprojekt 3: Ammoniak-Verluste Erste Ergebnisse BIOGAS - EXPERT Erster Vergleich der NH 3 -Verluste: Tendenziell höhere h here Werte aus Gärresten G als aus Schweinegülle kg N/ha Frucht: Mais SCM & Dräger Methode Karkendamm Schleppschlauch Gericke et al., 2007, Abt. Acker- und Pflanzenbau, CAU Kiel

26 Humushaushalt - Agrobiodiversität Cross Compliance Konformität des Energiemaisanbaus? Erhaltung landwirtschaftlicher Flächen in gutem landwirtschaftlichen und ökologischen Zustand 3-gliedrige Fruchtfolge mit mind. 15% Flächenanteil je Frucht, alternativ jährliche Humusbilanz (Grenzwert: -75 kg Humus-C/ha), alternativ Analyse Bodenhumusgehalt alle 6 Jahre (Grenzwert: 1 bzw. 1.5% Humus) 19 bestehende EU-Regelungen u.a. EU-Nitratrichtlinie, umgesetzt durch Düngeverordnung max. 170 kg N/ha aus Wirtschaftsdüngern tier. Herkunft o. Mischungen Obergrenzen für betriebliche N-Überschüsse ( : 90 kg N/ha) Erhalt Dauergrünland

27 Agrar- und Ernährungswissenschaftliche Fakultät Cross compliance I: Humusbilanz Silomais Veränderung Humusvorrat im Boden (kg Humus-C C je ha und Jahr) Hauptfrucht Silomais m³ m Rindergülle (7%TS) Saldo Untersaat Saldo - 90 (Quelle: BMVEL 2004) Fazit: Mais in Monokultur ohne U-Saaten verstößt gegen CC -Regeln

28 Agrar- und Ernährungswissenschaftliche Fakultät Management Untersaaten Silomais Drillsaat 3-4 Blattstadium Mais Abstand zur Maisreihe min. 15 cm 3-5 kg/ha DW Fixierung kg N und ~ 4 t/ha organische T-Masse über Winter Humuszufuhr: 350 kg C/ha (Volkers, 2006) Fazit: Maisuntersaaten Kriterium der guten fachlichen Praxis bei hohen Maisanteilen in der FF bzw. Monokultur

29 Langzeiteffekte Maismonokultur auf organische Bodensubstanz (Vertes, 2007) Veränderung der org. Bodensubstanz über 28 Jahre (!) in Abhängigkeit vom Gras- Mais Verhältnis in der Fruchtfolge: Maismonokultur (rot) jährlich m³ Gülle/ha Bodenart: sl Bretagne, Frankreich enge Beziehung zwischen dem Maisanteil in der FF und der Abnahme der organischen Bodensubstanz

30 Humusreproduktion in Abhängigkeit vom Ertrag des Energiemaises Humusreproduktionsleistung von Mais-Gärresten (kg Humus-C/ha) bei 80% Abbau der ots im Fermenter Humusreproduktion Gärrest (kg Humus-C/kg Gärrest-TM) 0,12 0,13 0,14 0, TM-Ertrag (t/ha) Konflikte auf Standorten/ 792 unter klimatischen Bedingungen, die 864 geringes Ertragspotential 936 bedingen Herrmann & Taube, 2006

31 Mais in FF auf Futterbaustandorten 1. Aktuelle Situation: Dauergrünland/ Monokultur Mais (Dauer) Grünland N-Flüsse Silomais 2. Fruchtfolgen Kleegras (überjährig) N-Flüsse Getreide (Triticale) Silomais Volkers et al., 2004

32 N und Humus-Problematik - Lösung? Futterbau-Fruchtfolgen Fruchtfolgen Ackergras/ Kleegras N-Flüsse Getreide Hypothese: Silomais Durch eine Futterbau-Fruchtfolge Fruchtfolge (Mähweide mit 2 Schnitten und Nachweide, Silomais, Wintergetreide) ist es auf fakultativen Grünlandstandorten möglich, niedrigere N-N Flächenbilanz chenbilanzüberschuss-salden bei gleichzeitig hoher Produktivität t und Futterqualität t zu erzielen.

33 Fruchtfolge: 1. Kleegras 2. Silomais 3. Triticale N-Intensitäten: 1. gering (75 kg org. N) 2. reduziert (75 kg org. und 75 kg min. N) 3. intensiv (75 kg org. und 150 kg min. N)

34 Ergebnisse Kleegras Triticale Silomais

35 Vergleich Silomais in FF zu Maismonokultur NEL-Ertrag [GJ ha -1 ] Energie-Ertrag Ertrag Höhere Erträge durch Maisanbau in FF! S.E.:1.4 S.E.:5.2 S.E.:4.7 N-Ertrag [kg ha -1 ] Fruchtfolge Monokultur o. Untersaat Monokultur m. Untersaat N-Ertrag N-Nachlieferung aus Vorfrucht > 100 kg N/ha! S.E.: 1.4 S.E.:14.5 S.E.:12.7 Fruchtfolge Monokultur o. Untersaat N-Saldo [kg ha -1 ] Monokultur m. Untersaat N-Saldo Reduktion des N-Saldos! Monokultur ( ) ohne Untersaat mit Untersaat S.E.:13.8 S.E.:14.0 Fruchtfolge ( ) N-Gesamt Düngung [kg ha -1 ] N-Gesamt Düngung [kg ha -1 ] N-Input [kg ha -1 ] [Mineral.+Gülle+Dep.] N-Input: Gülle-N Minerald.-N Deposition N-Output: N-Ertrag N-Saldo: N-Input - N-Output Volkers, 2004

36 Beziehung zwischen Gesamt-N-Zufuhr (kg ha -1 ) und Nitrat- Konzentration der Einzelkulturen und im Mittel der Fruchtfolge Mais Triticale Kleegras Fruchtfolge NO 3 -Konzentration (mg l -1 ) N-Zufuhr (kg ha -1 ) Fazit: N-Lieferung der Vorfrucht bei der Düngungsplanung berücksichtigen: Nach Gras/Kleegras keine zusätzliche N-Düngung, um N-Verluste zu vermeiden! (Bobe, 2005)

37 Kriterien eines nachhaltigen Energiemaisanbaus: Weitere Aspekte des nachhaltigen Energiemaisanbaus: Nutzung von Winterzwischenfrucht/- Zweitfruchtsystemen auf Standorten mit ausreichender Wasserversorgung Phytosanitäre Probleme verursacht durch zu hohe Maisanteile in der FF > Folgekosten Beschleunigung Ausdehnung Maiszünsler, Maiswurzelbohrer, Fusarien > durch Flächenausdehnung induzierte Problematik eines notwendigen GVO Einsatzes - Akzeptanzprobleme Flächenhafte Effekte auf Diversität Flora & Fauna nicht geklärt

38 Kriterien eines nachhaltigen Energiemaisanbaus: Zusammenfassung Energieeffizienz des gesamten Produktionssystems sicher stellen Untersaaten und kritischen RP-Gehalt nutzen, um gute fachliche Praxis der Düngung zu dokumentieren Weiterer Forschungsbedarf zur Minimierung der Emissionen klimarelevanter Gase Mais in Fruchtfolgen anbauen, Vorfruchtwirkung bei der Düngung berücksichtigen

39 Vielen Dank Weitere Informationen: bzw.