Bachelorarbeit. Vorgelegt von: Malte Grohall. Matrikelnummer: Erstgutachter: Herr Prof. Dr. Latacz Lohmann. Institut für Agrarökonomie

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1 Bachelorarbeit im Studiengang Agrarwissenschaften CO 2 -Vermeidungskosten im Ackerbau Vorgelegt von: Malte Grohall Matrikelnummer: Erstgutachter: Herr Prof. Dr. Latacz Lohmann Zweitgutachter: Herr Dr. agr. Volker Saggau Institut für Agrarökonomie Agrar- und ernährungswissenschaftliche Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Kiel, im Mai 2014

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis...I Tabellenverzeichnis...IV Abbildungsverzeichnis... V Abkürzungsverzeichnis... V Anhangverzeichnis...VII Literaturverzeichnis...i 1 Einleitung Problemstellung Zielsetzung und Vorgehen Treibhausgasemissionsquellen in der landwirtschaftlichen Produktion Quelle der enterischen Fermentation Quelle der Düngerwirtschaft Treibhausgasemissionen aus landwirtschaftlichen Böden Direkte Emissionen Indirekte Emissionen Klimaschutzvereinbarungen des deutschen Agrarsektors Kyoto-Protokoll Göteborg-Protokoll Die Nitratrichtlinie der EU Die Düngeverordnung (DüV) Cross-Compliance Material und Methoden Breitflächige Ausbringung des flüssigen Wirtschaftsdüngers Selbstfahrender Güllegrubber Das Schleppschlauchverfahren I

3 4.4 Treibhausgasemissionen bei der Ausbringung fl. Wirtschaftdüngers Erfassung der indirekten Treibhausgasemissionen THG-Emissionen aus der Bereitstellung von N-Mineraldünger Verfahrensabhängige direkte Treibhausgasemissionen Summe der CO 2 Äq bei der Ausbringung fl. Wirtschaftsdüngers Ausbringung von mineralischem Stickstoff im Wintergetreide Der Einsatz eines Stickstoffsensors Einsparung von CO2 Äq-Emissionen des N-Sensors Methoden der Kostenvergleichsrechnung Die approximative Durchschnittskostenkalkulation Die Bedeutung der Abschreibungsschwelle Die appr. Durchschnittskostenkalk. der emissionsmindernden Verfahren Ermittlungen aller Kosten der flüssigen Wirtschaftsdüngerausbringung Ermittlungen aller Kosten des Verfahrens Güllegrubber Ermittlungen aller Kosten des Verfahrens breitfl. Ausbringung mit anschl. Einarbeitung Ermittlungen aller Kosten des Verfahrens Schleppschlauch mit anschl. Einarbeitung Ermittlungen der Kosten der N-Mineraldüngung Ermittlungen aller Kosten der orts- und betriebsüblichen N- Mineraldüngung Ermittlung aller Kosten des N-Sensoreinsatzes Ergebnisse der approximativen Durchschnittskostenkalkulation Ergebnisse der fl. Wirtschaftsdüngerausbringung bei Vollauslastung Ergebnisse der fl. Wirt. Düngerausbr. bei vergl. Kubikmeterleistung CO 2 Äq -Vermeidungskosten bei Vollauslastung und N-Gutschrift Gülleausbringung II

4 5.3.4 Ergebnisse der approximativen Durchschnittskostenkalkulation der Verfahren zur N-Mineraldüngerausbringung CO2 Äq-Vermeidungskosten beim Einsatz eines N-Sensors Schlussbetrachtung Anhang III

5 Tabellenverzeichnis Tab. 1: Global Warming Potential (GWP) der Treibhausgase... 2 Tab. 2: THG-Emissionen der Quellbereiche... 5 Tab. 3: Wirtschaftsdüngerausbringung in Deutschland Tab. 4: Angaben zu NH 3 -Verlusten nach Ausbringung von Wirtschaftsdünger Tab. 5: Zusammensetzung Rindergülle Tab. 6: Indirekte Lachgasemissionen der Applikationstechniken Tab. 7: THG-Emissionen aus der N-Mineraldüngerbereitstellung Tab. 8: THG-Emissionen aus Nachdüngung der Verluste Tab. 9: Direkte CO 2 Äq -Emissionen aus Rindergülle Tab. 10: Summe der CO 2 Äq -Emissionen bei der Ausbringung von Rindergülle.. 25 Tab. 11: Einsparung von direkten THG-Emissionen des N-Sensors Tab. 12: Einsparung von indirekten THG-Emissionen des N-Sensors Tab. 13: Durchschnittliche jährliche Fixkosten SF Güllegrubber Tab. 14: Durchschnittliche jährliche Fixkosten Verteilerkopf Tab. 15: Durchschnittliche jährliche Fixkosten Scheibenegge Tab. 16: Diesel- und Lohnkosten SF Güllegrubber Tab. 17: Anteilige Fixkosten Schlepper zur breitflächigen Gülleausbringung Tab. 18: Diesel- und Lohnkosten Verfahren Prallteller und Schleppschlauch Tab. 19: Durchschnittliche jährliche Fixkosten Güllefass Tab. 20: Diesel- und Lohnkosten Einarbeitung 800 ha Tab. 21: Durchschnittliche jährliche Fixkosten Scheibenegge Tab. 22: Durchschnittliche jährliche Fixkosten Schleppschlauchverteiler Tab. 23: Diesel- und Lohnkosten Schleppschlauchverfahren 800 ha Tab. 24: Durchschnittliche jährliche Fixkosten Schlepper zum Düngerstreuen Tab. 25: Durchschnittliche jährliche Fixkosten Düngerstreuer Tab. 26: Durchschnittliche jährliche Fixkosten N-Sensor Tab. 27: Ergebnisse der appr. Durchschnittskostenkalk. zur Gülleausbringung Tab. 28: Approximative Durchschnittskosten in Abhängigkeit der Auslastung Tab. 29: Summe der CO 2 Äq -Emissionen der Verfahren zur Gülleausbringung Tab. 30: CO 2 Äq -VMK emissionsmindernde Verfahren zur Gülleausbringung Tab. 31: Appr. Durchschnittskosten der N-Mineraldüngerausbringung ha 59 Tab. 32: Appr. Durchschnittskosten der N-Mineraldüngerausbringung 850 ha IV

6 Tab. 33: Appr. Durchschnittskosten der N-Mineraldüngerausbringung 400 ha Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Übersicht über die THG-Emissionen des Sektors Landwirtschaft... 4 Abb. 2: Stickstoffumsetzungen im Boden... 7 Abb. 3: Der Hundegang eines Systemtraktors Abb. 4: Zusammensetzung der CO 2 Äq -Emissionen aus Rindergülle Abb. 5: Verlauf der appr. Durchschnittskosten Prallteller und Schleppschlauch.. 55 Abb. 6: CO 2 Äq -VMK emissionsmindernder Verfahren zur Gülleausbringung Abb. 7: Verlauf der appr. Durchschnittskosten N-Sensor Abb. 8: Verlauf der korrigierten Kosten bei der N-Mineraldüngerausbringung Abb. 9: CO 2 Äq -VMK des N-Sensors in Abhängigkeit des N-Einsparpotentials Abb. 10: CO 2 Äq -VMK des N-Sensoreinsatzes zur N-Mineraldüngung Abkürzungsverzeichnis % Prozent Euro Appr. AW BK t Approximative Anschaffungswert Betriebskosten CO 2 Äq CRF DüV Dt Etc F ikalk; N Gg H Ha Ha/h CO 2 Äquivalent Common Reporting Format Düngeverordnung Dezitonne et cetera Durchschnittlich zu verzinsender Anlagewert Gigagramm Stunde Hektar Hektar pro Stunde V

7 i kalk Inkl. IPCC JA * Kalkulationszinsfuß inklusive Intergovernmental Panel on Climate Change Abschreibungsschwelle Kohlenstoffdioxid CO 2 KTBL Lachgas Landwirtschaftl. Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft N 2 O Landwirtschaftlich Methan CH 4 N N NH 3 -N NH + 4 -N NIR N min K o.ä. PS RW SF sog. THG u.a. UNFCCC vgl. VMK z.b. Nutzungsdauer Gesamtleistungsvorrat Ammoniakstickstoff Ammoniumstickstoff Nationaler Emissionsbericht Mineralisierter Stickstoff im Boden Leistungseinheit oder ähnlichem Pferdestärke Restwert Selbstfahrenden sogenannte Treibhausgas unter anderem United Nations Framework Convention on Climate Change vergleiche Vermeidungskosten zum Beispiel VI

8 Anhangverzeichnis Tab.-A. 1: Ermittlung der appr. Durchschnittskosten zur Gülleausbringung Tab.-A. 2: Ermittlung der appr. Durchschnittskosten Mineraldüngung ha. 69 Tab.-A. 3: Ermittlung der appr. Durchschnittskosten Mineraldüngung 850 ha Tab.-A. 4 Ermittlung der appr. Durchschnittskosten Mineraldüngung 400 ha VII

9 1 Einleitung Die Erträge der landwirtschaftlichen Produktion sind von einer Reihe von Faktoren abhängig. Maßgeblich wird jedoch das Pflanzenwachstum von den vorherrschenden klimatischen Bedingungen geprägt. Seit den siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts wird eine kontinuierliche Erwärmung unseres Lebensraumes festgestellt: So war einer Studie der Wetter- und Ozeanografie-Behörde der Vereinigten Staaten (vgl. NOAA/NASA 2013) zufolge das letzte Jahrzehnt das wärmste seit Beginn der Wetterdatenaufzeichnung. Die Ursachen dieser Erwärmung werden erforscht. Natürliche Ereignisse, wie z.b. Vulkanismus, aber vor allen Dingen menschliche Aktivitäten tragen zu einer veränderten Gaszusammensetzung in der Atmosphäre bei. Durch das Emittieren von sogenannten Treibhausgasen, wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid, u.a. durch das Verbrennen von fossilen Energieträgern, entsteht der anthropogene Treibhauseffekt. Dieser verstärkt den natürlichen Treibhauseffekt, welcher dafür verantwortlich ist, dass die Erdoberfläche eine Temperatur von 15 C statt -18 C aufweist. Die Wärmestrahlung der Sonne kann weiterhin zur Erde gelangen, jedoch wird gleichzeitig die ursprüngliche Wärmeabstrahlung von der Erde durch die vom Menschen emittierten Treibhausgase behindert (vgl. BPB 2014). Die für uns bereits feststellbare Temperaturerhöhung auf der Erdoberfläche verändert und gefährdet massiv das gesamte Weltklima, da die Zunahme von Witterungsextremen, das Ausbleiben von Frühjahrsniederschlägen und eine allgemein größer werdenden Klimavariabilität unsere relative Ertragsstabilität in der Tier- und Pflanzenproduktion hierzulande gefährden (vgl. BMELV 2014). So besteht allgemein, aber gerade für den Agrarsektor, großer Handlungsbedarf, den Prozess der globalen Erwärmung als Folge des anthropogenen Klimawandels durch das Emittieren von Treibhausgasen einzudämmen, um so auch zukünftig ausreichende Erträge aus der Landwirtschaft sicherzustellen. 1.1 Problemstellung Die Landwirtschaft beteiligt sich mit einem erheblichen Anteil an den deutschen Emissionen klimarelevanter Treibhausgase. Auf Grundlage der Zahlen der nationalen Klimaberichterstattung des Bundes, welche in ihrem Bericht von

10 die Werte für das Jahr 2010 ausgibt, hatte der Sektor Landwirtschaft einen Anteil von 7,1 % an den gesamten bundesdeutschen Treibhausgasemissionen (vgl. UBA 2013a). Die deutsche Bundesregierung möchte im Klimaschutz weltweit eine Vorreiterrolle übernehmen; so lautet ihr im Jahre 2007 formuliertes Ziel, die Treibhausgasemissionen bis zum Jahre 2020 um 40 % und bis zum Jahre 2050 um 80 % bis 95 % gegenüber dem Niveau von 1990 zu reduzieren (vgl. BUMB 2013). Bei der Analyse der Treibhausgasemissionen, welche dem landwirtschaftlichen Sektor zugeschrieben werden, fällt auf, dass die sehr potenten Treibhausgase Methan (CH 4 ) und Lachgas (N 2 O) stark emittiert werden und Anteile von 54,2 % bzw. 75,7 % der gesamten deutschen Emission dieser Gase ausmachen (vgl. UBA 2013b). Die Treibhausgasschädlichkeit der einzelnen Gase wird in Bezug auf die Wirksamkeit von CO 2 umgerechnet. So erhält man für jedes Treibhausgas ein CO 2 -Äquivalent, sodass eine Vergleichbarkeit der jeweiligen Wirksamkeiten, wie in Tabelle 1 ersichtlich, gegeben ist. Tab. 1:Global Warming Potential (GWP) der Treibhausgase. Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) Methan (CH 4 ) Lachgas (N 2 O) Klimawirksamkeit Quelle: NIR Die genannten Emissionen aus der Landwirtschaft von Methan und Lachgas stellen Bestandteile der deutschen Verpflichtung zur Reduktion der Treibhausgasemissionen dar. Konkrete Minderungsziele gibt es für den Agrarsektor bisher nicht. Jedoch ist aufgrund von derzeit bereits bestehenden Akzeptanzproblemen des Agrarsektors in der Öffentlichkeit eine umweltschonende Produktion wünschenswert, um diesen entgegenwirken zu können. So ließ der DEUTSCHE BAUERNVERBAND verlauten, dass der Agrarsektor seine Reduktion von Methan- und Lachgasemissionen bis 2020 um insgesamt 25% und bis 2030 um insgesamt 30% im Vergleich zum Bezugsjahr 1990 senken müsse (vgl. DBV 2010:14). 2

11 Aufgrund dieser ehrgeizigen gesetzten Ziele im Klimaschutz werden zukünftig enorme Anstrengungen in allen Wirtschaftssektoren erforderlich sein, um diese zu realisieren. Ein besonderer Beitrag wird von der Landwirtschaft erwartet, sie beteiligt sich an den schädlichen Treibhausgasemissionen, ist jedoch wie kaum ein anderer Wirtschaftssektor von einem stabilen Klima abhängig, da viele ihrer Erträge, die unter freiem Himmel erwirtschaftet werden, in vollem Umfang von klimatischen Bedrohungen und Veränderungen betroffen sind. 1.2 Zielsetzung und Vorgehen In dieser Arbeit sollen verschiedene technische Möglichkeiten zur Reduzierung der Emissionen von Treibhausgasen und der damit verbundenen Kosten in der Umsetzung für landwirtschaftliche Betriebe erarbeitet werden. Effektive Maßnahmen der Treibhausgasreduktion werden durch ein hohes Minderungspotential mit geringen oder gar negativen Kosten pro vermiedene Einheit CO 2 - Äq -Emission sein. Die Maßnahmen müssen praktisch relativ leicht umsetzbar sein und dürfen möglichst keine wirtschaftliche Benachteiligung der Betriebe verursachen, denn nur Maßnahmen, die effizient sind und verschiedene wirtschaftliche, ökologische und gesellschaftliche Ziele miteinander verknüpfen, werden dauerhaft umsetzbar sein. Die Reduktionsmaßnahmen richten sich nach den spezifischen Treibhausgasquellen in der landwirtschaftlichen Produktion, welche im weiteren Verlauf noch auf einzelbetrieblicher Ebene dargestellt werden. Bestehende Regeln und Verordnungen, welche die landwirtschaftliche Prod uktion einrahmen und auf die Vermeidung umweltgefährdenden Praktiken abzielen, werden beschrieben, um aktuelle und umweltpolitisch gesteuerte Maßnahmen in Sachen Treibhausgasreduktion zu finden, an die eventuell angeknüpft werden könnte, um die o.g. Attribute zu erfüllen. Ein Kostenvergleich der verschiedenen technischen Minderungsmaßnahmen soll einen Überblick über die jeweiligen Vermeidungskosten pro CO 2-Äq -Emission liefern, um über die verschiedenen Minderungsmöglichkeiten urteilen zu können. Hierzu werden genaue Recherchen über die anfallenden Kosten betrieben. 3

12 2 Treibhausgasemissionsquellen in der landwirtschaftlichen Produktion In diesem Abschnitt der vorliegenden Arbeit werden die spezifischen Quellen von Treibhausgasemissionen aus der landwirtschaftlichen Produktion analysiert und mengenmäßig eingeordnet. Mögliche technische Minderungsmaßnahmen werden aus diesen Quellen der Treibhausgase abgeleitet. Als Vertragsstaat des Kyoto-Protokolls ist Deutschland dazu verpflichtet, jährlich Auskunft über seine Treibhausgasinventare zu geben. Dies geschieht in Form der Berichterstattung durch Erstellung eines jährlichen nationalen Inventarberichtes, welcher vom Umweltbundesamt erstellt und veröffentlicht wird. Die Angaben in diesem Bericht sind international genormt, sie entsprechen dem sogenannten Common Reporting Format (CRF). Der NIR muss im Sekretariat der UNFCCC mit Sitz in Bonn eingereicht werden. Diese Institution überwacht die im Rahmen des Kyoto-Protokolls vereinbarten Klimaziele. Wie bereits erwähnt, machen die Treibhausgasemissionen des Sektors Landwirtschaft dem NIR zufolge 2012 rund 7,1 % der deutschen Emissionen aus. Treibhausgasemissionen durch Kraftstoffverbrauch, das Heizen von Ställen oder Emissionen, die bei der Herstellung von mineralischen Stickstoffdüngern entstehen, werden laut CRF zwar in anderen Quellgruppen (u.a. Industrie) erfasst, sollten jedoch bei der Betrachtung möglicher treibhausgasmindernder Maßnahmen berücksichtigt werden. Wie in der folgenden Abbildung ersichtlich, sind landwirtschaftliche Böden die größte Emissionsquelle von CO 2. Quelle: NIR 2012:385. Abb. 1: Übersicht über die Treibhausgasemissionen des Sektors Landwirtschaft. 4

13 Im NIR 2012 werden die landwirtschaftlichen Treibhausgasemissionen in drei Quellbereiche, bestehend aus der enterischen Fermentation, der Düngerwirtschaft und den landwirtschaftlichen Böden, wie der Abbildung 1 zu entnehmen ist, eingeteilt (vgl. UBA 2012:385). 2.1 Quelle der enterischen Fermentation So resultiert die Emission von CH 4 aus der Nutztierhaltung hauptsächlich aus der Verdauung der Wiederkäuer. Hier wird während des Verdauungsvorgangs der Wiederkäuer durch mikrobielle Vorgänge CH 4 freigesetzt. Milchvieh- und übrige Rinderhaltung haben hier den größten Anteil an der Emission in dieser Quellgruppe. In Abbildung 1 werden diese Emissionen als enterische Fermentation dargestellt. Die Höhe der CH 4 Emission ist u.a. abhängig von der Tierleistung und der Zusammensetzung der Futterration (vgl. UBA 2012:405). Aus Tabelle 2 ist der abnehmende Trend an absoluten Treibhausgasemissionen aus dem landwirtschaftlichen Sektor abzulesen, der relative Anteil an den gesamten deutschen Treibhausgasemissionen stagniert jedoch. Laut NIR ist der Rückgang der Emissionen aus der Nutztierhaltung durch stetig abnehmende Tierbestände und bessere Verdaulichkeit der Futterrationen sowie steigender individueller Tierleistung in Deutschland zu erklären (vgl. UBA 2012:406). Tab. 2: THG-Emissionen der Quellbereiche: Gg CO 2 Äq Verdauung Nutztiere Wirtschaftsdünger tierischer Herkunft Landwirtschaftl. Böden inkl. Mineralischer Düngung Gesamt Anteil an den Gesamt-THG-Emissionen (%) 6,83 6,71 7,30 6,90 7, Quelle der Düngerwirtschaft Quelle: Eigene Darstellung nach UBA 2013a:3. Treibhausgasemissionen der Düngerwirtschaft, bestehend aus CH 4 und N 2 O, resultieren aus der Lagerung von Wirtschaftsdüngern tierrischer Herkunft. So wird CH 4 unter anaeroben Bedingungen im Wirtschaftsdüngerlager durch 5

14 methanogene Bakterien, welche die organische Substanz zersetzen, gebildet und emittiert. Durch Nitrifikations- und Denitrifikationsprozesse während der Lagerung wird Lachgas emittiert. Der in Tabelle 2 ersichtliche abnehmende Trend der Emissionen aus dem Wirtschaftsdünger tierischer Herkunft ist ebenfalls mit sinkenden Tierbeständen in Deutschland zu erklären (vgl. UBA 2012:406). 2.3 Treibhausgasemissionen aus landwirtschaftlichen Böden Dieser Quellbereich verursacht die mengenmäßig größten Treibhausgasemissionen des Sektors Landwirtschaft und verdient daher eine genauere Betrachtung. Für die Emissionen von Treibhausgasemissionen aus landwirtschaftlichen Böden sind mikrobielle Stickstoffumsetzungen im Boden verantwortlich (vgl. UBA 2012:441). Nach der Anwendung von Düngemitteln, die Stickstoff in Form von Nitrat (NO - 3 ), Ammonium (NH + 4 ) oder Harnstoff enthalten, muss der Stickstoff in eine für die Pflanzen verfügbare Form umgewandelt werden. Nitrifikation und Denitrifikation sind hierbei die bestimmenden Prozesse bei der Umwandlung des zugeführten Stickstoffs in pflanzenverfügbare Formen. Während dieser beiden Prozesse werden Lachgas und Stickoxide an die Atmosphäre abgegeben. Die Höhe der Stickstoffverluste bei der Umwandlung des ausgebrachten Stickstoffes in pflanzenverfügbare Formen und damit auch der schädlichen Treibhausgasemissionen werden im hohen Maße durch die Stickstoffformen des Düngers und die Eigenschaften des Bodens beeinflusst. Nitrat ist sehr mobil und kann somit schnell von den Pflanzen als Nährstoff aufgenommen werden, auf diese Weise treten bei seiner Anwendung relativ geringe Verluste durch Umwandlungsprozesse auf (vgl. YARA 2012a). Organische Düngemittel, beispielsweise Gülle, enthalten meist Stickstoff in organischer Form sowie Ammonium. Abhängig von der Bodenart kann Ammonium immobilisiert werden, so wird die Aufnahme durch die Pflanze verlangsamt, da die Pflanzenwurzeln erst zum Dünger wachsen müssen, um diesen zu erreichen. Aus diesem Grund wird Ammonium häufig vor seiner Aufnahme nitrifiziert. Bei diesem temperaturabhängigen Prozess wird Ammonium durch Bodenbakterien in einen bis zu mehrere Wochen andauernden 6

15 Prozess in Nitrat umgewandelt. Lachgas und Stickoxide werden als Umwandlungsverluste bei diesem Prozess an die Umgebung abgegeben. Bei der Denitrifikation wandeln die Bodenbakterien Nitrat zu elementaren Stickstoff und Stickoxiden um. Lachgas entweicht bei diesem Prozess, der durch Sauerstoffmangel, beispielsweise in staunassen oder verdichteten Böden, stark begünstigt wird, als klimaschädliches Nebenprodukt in die Atmosphäre. Abb. 2: Stickstoffumsetzungen im Boden. Quelle: YARA 2012a. Abbildung 2 zeigt die beschriebenen Prozesse beim Einsatz der verschiedenen Stickstoffformen. Harnstoff wird nach seiner Anwendung durch Enzyme im Boden durch eine Hydrolyse in Ammonium und CO 2 umgewandelt, wobei gasförmige Ammoniakverluste (NH 3 ) entstehen. Besonders groß ist die Ammoniakemission, wenn der Umbau von Ammonium zu Ammoniak an der Oberfläche geschieht, beispielsweise bei ausbleibender Einarbeitung von Harnstoff in den Boden. Im Winter kann es zu Nitratauswaschungen durch Niederschläge kommen. Umgewandelter und im Herbst noch mineralisierter Stickstoff liegt in Form von Nitrat vor, jedoch fehlen die Pflanzen, um diesen aufzunehmen. Auswaschungen von Nitrat resultieren meist aus zu hohen und nicht bedarfsgerechten Stickstoffgaben (vgl. YARA 2012a). 7

16 Mit Hilfe dieses Einblicks in die Prozesse der Stickstoffumwandlungen im Boden lassen sich die treibhausgasrelevanten Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden in direkte und indirekte Formen unterteilen Direkte Emissionen Die direkten Treibhausgasemissionen resultieren aus Stickstoffeinträgen in den Boden, zum Beispiel durch Ausbringung von Wirtschafts- oder Mineraldüngern, Stickstofffixierungen durch Leguminosen oder aus mineralisiertem Stickstoff aus Ernterückständen. Die Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden hängen laut NIR in erheblichem Maße von den ausgebrachten Stickstoffdüngermengen ab (vgl. UBA 2012:441). In der international gültigen IPCC Richtlinie von 2006 zur Erstellung von Treibhausgasinventaren wird davon ausgegangen, dass es einen proportionalen Zusammenhang zwischen der Stickstoffzufuhr und den direkten Emissionen in Form von Lachgas gibt und diese mit einem Emissionsfaktor zu berechnen sind (vgl UBA 2012:441) Indirekte Emissionen Diese indirekten Emissionen werden durch Auswaschung und Oberflächenabfluss von Stickstoff in Form von Nitrat und der atmosphärischen Deposition von Ammoniak und Stickstoffmonoxid verursacht. Dort, wo diese Verbindungen an anderer Stelle in ein System eingetragen werden, entstehen dann erneut die oben beschriebenen Nitrifikations- und Denitrifikationsvorgänge (vgl. UBA 2013c). Die indirekten Emissionen werden ebenfalls durch bestimmte Faktoren nach IPCC-Richtlinien aus dem Stickstoffeinsatz berechnet. Aus dieser Betrachtung der Emissionsquellen von Treibhausgasen in der Landwirtschaft wird deutlich, dass der Fokus auf das Management des Stickstoffeinsatzes gerichtet werden sollte, da mit ihm hohe Treibhausgasemissionen verbunden sind. So richtet sich zunächst der Blick darauf, herauszufinden, welche Art der Reglementierung in Form von Gesetzen, Verordnungen o.ä. deutsche Landwirte zu Zeit in ihren Aktivitäten, rund um den Stickstoffeinsatz beschränken. Aus den bekannt gewordenen Quellbereichen und den geltenden Vorgaben könnten treibhausgasreduzierende Maßnahmen im Bereich der Stickstoffdüngung im Ackerbau abgeleitet werden. Konkret könnten diese Maßnahmen eine präzise Abstimmung der Düngermenge auf den 8

17 Nährstoffbedarf der Pflanzen sowie verlustärmere Ausbringtechniken für Wirtschaftsdünger bedeuten. 3 Klimaschutzvereinbarungen des deutschen Agrarsektors Aus dem einleitenden Teil ist bekannt, dass Klimaschutzziele weltweit zusehends in den Fokus der öffentlichen Wahrnehmung rücken und die Rolle der Landwirtschaft im Klimawandel in den Blickpunkt der Öffentlichkeit und der Politik gerät. Dieses Kapitel stellt internationale, EU-weite und nationale gesetzliche Vorschriften vor, welche den landwirtschaftlichen Sektor hierzulande hinsichtlich seiner Treibhausgasemissionen einrahmen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf rechtlichen Vorgaben, welche den Stickstoffeinsatz auf dem Acker betreffen. 3.1 Kyoto-Protokoll Das bedeutsamste internationale Abkommen zur Reduktion von Treibhausgasen zum Schutz des Klimas ist das Kyoto-Protokoll. Mit diesem 1997 im japanischen Kyoto geschlossenem Abkommen wurde erstmals eine von vielen internationalen Staaten rechtlich bindende Begrenzung des Ausstoßes von Treibhausgasen beschlossen. Die Teilnehmer des Abkommens verpflichteten sich dazu, die Emissionen der sechs klimaschädlichsten Treibhausgase (u.a. Kohlendioxid, Methan und Fluorchlorkohlenwasserstoff) im Zeitraum von 2008 bis 2012 um fünf Prozent gegenüber dem Basisjahr 1990 zu reduzieren. Die damalige EU-15 verpflichtete sich darüber hinaus zu einer achtprozentigen Reduzierung ihrer Treibhausgasemissionen, Deutschland wurde hiervon ein Anteil von 21 % EUintern zur Zielerreichung vorgeben. Ziel dieser Reduktion der Treibhausgasemissionen soll es sein, die globale Erwärmung auf maximal 2 C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen (vgl. BMUB 2013). Aus der Motivation des unterzeichneten Kyoto-Protokolls heraus wurde Ende 2012 auf der UN-Klimakonferenz in Doha eine zweite Verpflichtungsperiode für den Zeitraum der Jahre 2013 bis 2020 von den EU-27 und weiteren Staaten zur weiteren Drosselung des Treibhausgasausstoßes beschlossen (vgl. SZ 2012). 9

18 Die Emissionen von Lachgas und Methan des Agrarsektors sind relevante Bestandteile der gesamtdeutschen THG-Emissionen, die durch dieses Abkommen reglementiert werden, jedoch sind keine konkreten Minderungsziele für den Sektor Landwirtschaft aus dem Kyoto-Protokoll abzuleiten. Ein konkreter auf die Landwirtschaft abzielendes, international verankertes Abkommen zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen ist das Göteborg- Protokoll. 3.2 Göteborg-Protokoll Dieses Protokoll wurde 1999 verabschiedet, trat im Mai 2005 in Kraft und soll den Ausstoß bestimmter Schadstoffe reduzieren. Vertragsparteien dieses Protokolls sind nahezu alle EU-Staaten, die USA und Kanada. Jeder Vertragspartner erhielt, abhängig von seiner Ausgangslage, bestimmte Minderungsziele, um die Versauerung von Gewässern und Böden und die Bildung von bodennahem Ozon zu reduzieren. Für Deutschland leitet sich aus diesem Protokoll u.a. ab, den Ausstoß von Stickoxiden und Ammoniak bis zum Jahre 2020 um 5 % im Vergleich zum Jahr 2005 zu senken. Ebenso gilt für Deutschland, die Emissionen de indirekt wirksamen Treibhausgases Ammoniak auf jährlich 550 Kilotonnen ab dem Jahr 2010 zu begrenzen (vgl. LANU NRW 2007). Das Göteborg-Protokoll ist für den landwirtschaftlichen Sektor besonders relevant, da die Landwirtschaft mit einem Anteil von 95 % der mit Abstand größte Emittent von Ammoniak in Deutschland ist (vgl. UBA 2013d). Für die Praxis gehen aus diesem Protokoll verpflichtende Einführungen von bestimmten Minderungsmaßnahmen hervor, wie beispielsweise der Einsatz von emissionsmindernden Techniken bei der Güllelagerung und -ausbringung. Für die Umsetzung der Ziele des Göteborg-Protokoll haben das Europäische Parlament und der Europäische Rat 2001 die Richtlinie 2001/81/EG verabschiedet. Diese erlaubt den Vertragspartnern des Göteborg-Protokolls, Rechts- und Verwaltungsvorschriften zur Erreichung der Emissionsminderungen zu erlassen und Verstöße zu ahnden. Die Bundesregierung hat unter der Berufung auf diese Richtlinie ein Programm zur Senkung der Ammoniakemissionen aus der 10

19 Landwirtschaft vorgesehen, was vor allen Dingen Stickstoffverluste bei der Düngung vermeiden soll (vgl. LANU 2007). Im direkt die Stickstoffdüngung auf landwirtschaftlichen Betrieben in Deutschland betreffenden Bereich geht es auch in weiteren Vorschriften. 3.3 Die Nitratrichtlinie der EU In der EU wurde 1991 mit der Nitratrichtlinie eine Richtlinie zum Schutz der Gewässerqualitäten beschlossen. Die EU-Nitratrichtlinie soll die Gewässer und die Umwelt vor Nitrat-Verunreinigungen aus der Landwirtschaft schützen und eine gute fachliche Praxis im Umgang mit Stickstoffdüngern fördern (vgl. EUROPÄISCHE KOMMISSION 2010). In Deutschland wird die Nitratrichtlinie der EU in der landwirtschaftlichen Praxis im Wesentlichen durch die sog. Düngeverordnung umgesetzt und kontrolliert. 3.4 Die Düngeverordnung (DüV) Durch die DüV sind konkrete Vorschriften und Regelungen für eine gute fachliche Praxis im Umgang mit Wirtschafts- und Mineraldüngern vorgeschrieben. Düngemittel sind diesem Gesetz zufolge diejenigen Stoffe, die zum Zwecke der Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit und Ertragssteigerung den Nutzpflanzen zugeführt werden, um qualitativ hochwertige und preiswerte Erzeugnisse zu produzieren. Wirtschaftsdünger sind demnach Stoffe und Nebenerzeugnisse der landwirtschaftlichen Produktion, wie zum Beispiel tierische Ausscheidungen oder Stallmist. Aufgrund der im Jahr 2006 novellierten Form der DüV geht es vorrangig um die Begrenzung des Einsatzes von Stickstoffdüngern. So liegt die jährliche Obergrenze für organische Dünger im Betriebsdurchschnitt bei 170 kg N/ha, wobei auf intensiv bewirtschaftetem Grünland dieser Grenzwert 230 kg N/ha betragen kann. Des Weiteren werden Regeln zur Ausbringung und zur Lagerung von Wirtschaftsdüngern vorgeschrieben. Ebenso wird der maximale Stickstoffbedarf der Kulturen festgelegt. Die Festlegung von Sperrfristen für die Ausbringung von Stickstoffdüngern hat zum Ziel, dass sich die Düngung verstärkt am Pflanzenbedarf orientiert, sodass weniger Nitrat ausgewaschen wird. Auf 11

20 Grünland dürfen im Zeitraum vom 15. November bis 31. Januar und auf Ackerland vom 1. November bis 31. Januar keine Düngemittel mit wesentlichem Gehalt an Stickstoff ausgebracht werden. Die DüV schreibt vor, dass vor der Düngung mit Stickstoff und Phosphat der aktuelle Nährstoffbedarf der Kulturen analysiert werden muss. Hierzu können Empfehlungen der jeweiligen Landwirtschaftskammern aus dem Feldversuchswesen herangezogen werden. Das Ausbringen von stickstoffhaltigem Dünger auf wassergesättigte, schneebedeckte oder gefrorene Böden ist durch die DüV untersagt. Bei Ausbringung auf unbestelltem Ackerland muss der Wirtschaftsdünger unverzüglich (spätestens vier Stunden nach Beginn der Ausbringung) eingearbeitet werden. Auf Ackerland dürfen nach der Ernte der letzten Hauptfrucht vor dem Winter nur noch flüssig-organische oder organischmineralische Dünger mit wesentlichen Mengen an verfügbarem Stickstoff in einem maximalen Umfang von 40 kg Ammoniumstickstoff und 80 kg Gesamtstickstoff je Hektar ausgebracht werden. In Anlage vier der DüV wird der technische Standard der Geräte zur Ausbringung von flüssigen Wirtschaftsdüngern festgelegt. So dürfen Geräte, die nicht mehr einer sachgemäßen Nutzung für die Düngerausbringung entsprechen, wie beispielsweise Prallteller an Güllewagen, welche den Wirtschaftsdünger nach oben ableiten und nicht bodennah applizieren, nicht mehr angeschafft werden. Je nach Ausbringungsverfahren ergeben sich Stickstoffverluste, diese Verluste sind je nach Verfahren in Anlage sechs der DüV aufgeführt und dürfen maximal vom Betriebsleiter zur Kalkulation der Düngergaben einkalkuliert werden. Auf Anforderung sind Nährstoffvergleiche der Betriebsflächen vom Betriebsleiter bei der zuständigen Landesstelle vorzulegen. Beispielsweise wird von guter fachlicher Praxis ausgegangen, wenn für Stickstoff der betriebliche Nährstoffüberschuss der Jahre 2009, 2010 und 2011 von 60 kg N/ha nicht überschritten wird (vgl. BMJV 2006). Das Düngemittelgesetz sollte nicht als einschränkendes Regularium aus Sicht des Landwirtes wahrgenommen werden, sondern vielmehr als Hilfe und Leitfaden für die fachliche Praxis, um einen ökonomisch und ökologisch sinnvollen Einsatz von Düngemitteln zu gewährleisten. Werden diese Regeln eingehalten, wird dieses 12

21 korrekte Verhalten des Landwirts in der Cross Compliance Regelung der EU- Direktzahlungen honoriert. 3.5 Cross-Compliance Die jährlichen Direktzahlungen, die ein landwirtschaftlicher Betrieb aus der EU- Agrarförderung beziehen kann, sind an die Einhaltung bestimmter Auflagen in den Bereichen des Tier-, Umwelt- und Verbraucherschutzes gebunden. Auf diese Weise entstehende höhere Produktionskosten sollen durch diese Zahlungen ausgeglichen werden. Es entsteht ein sogenanntes Cross-Compliance- Instrument, eine Überkreuzverpflichtung. Werden bestimmte Auflagen in den o.g. Bereichen verletzt, wird die Höhe der Direktzahlungen gekürzt. Die gesetzliche Grundlage für die Cross-Compliance Regelung bilden verschiedene Regelungen, u.a. die EU-Nitrat-Richtlinie, die auf Bundesebene in Deutschland mit der oben erläuterten DüV umgesetzt wird (vgl. BMEL 2014). Es lässt sich aus der Untersuchung der Klimaschutzvereinbarungen des Agrarsektors schließen, dass der theoretische Rahmen zur Senkung der Treibhausgasemissionen aus dem Quellbereich des Stickstoffeinsatzes durchaus gesetzt ist in Deutschland. So wird es Aufgabe des folgenden Kapitel sein, herauszufinden, wie hoch die Einsparungen von Treibhausgasemissionen von emissionsmindernder Düngetechnik tatsächlich im praktischen Einsatz sein können. Im weiteren Verlauf gilt es zu klären, ob beim Einsatz derartiger Techniken Mehrkosten, also Emissionsvermeidungskosten entstehen. 4 Material und Methoden In diesem Kapitel werden verschiedene technische Lösungen zum Ausbringen von flüssigem Wirtschaftsdünger auf unbewachsener Fläche und beim Ausbringen von mineralischem Stickstoffdünger in den wachsenden Bestand vorgestellt sowie deren mögliche treibhausgasmindernde Wirkungen quantifiziert. Die Quantifizierung der Treibhausgasemissionen der jeweiligen technischen Verfahren entscheidet über einen sinnvollen Einsatz dieser in der Praxis. Anschließend müssen die Verfahren auf den Anfall ihrer gesamten Kosten im 13

22 Betrieb geprüft und verglichen werden, um sich ein Urteil über die Höhe der Vermeidungskosten von Treibhausgasemissionen bilden zu können. Das nötige theoretische Vorgehen bei einer Kostenvergleichsrechnung von verschiedenen Verfahren wird am Ende dieses Kapitels erläutert. Aus der Vorstellung der Quellgruppen der Treibhausgase ist bekannt, dass Wirtschaftsdüngermanagement und landwirtschaftlich genutzte Böden großen Anteil an den Treibhausgasemissionen des Sektors Landwirtschaft ausmachen. So erscheint es sinnvoll, in solch wichtigen Quellgruppen nach technisch umsetzbaren Minderungsmaßnahmen hinsichtlich der Emission treibhausrelevanter Gase zu suchen. Bei einer stetig wachsenden Weltbevölkerung und damit verbundener zunehmender Nachfrage nach Erzeugnissen aus der Landwirtschaft soll es das Ziel sein, Maßnahmen zur Treibhausgasreduktion zu identifizieren, welche ertragsbezogene Emissionen mindern, also zu einer Minderung der Treibhausgasemission pro erzeugter Produkteinheit führen. Einsparungen zu Ungunsten des Ertrages der landwirtschaftlichen Produktion würden vermutlich nur zur Verlagerung der Produktion und somit auch der Treibhausgasemissionen führen (vgl. vti 2012:iii). Im Ackerbau darf laut DüV flüssiger Wirtschaftsdünger nach der Ernte der Hauptfrucht auf deren Stoppel eingesetzt werden. Maximal 80 kg/ha Gesamtstickstoff dürfen nach der Ernte der Hauptfrucht vor dem Winter auf einer Fläche ausgebracht werden. Dieser muss von der im gleichen Jahr angebauten Folgefrucht aufgenommen werden und somit dem aktuellen Nährstoffbedarf der Kultur entsprechen. Dieses Kriterium erfüllen Winterraps und Wintergerste. Diese Kulturen können bis zu 80 beziehungsweise 50 kg N/ha bis zur Vegetationsruhe aufnehmen. Zur Sicherung der stickstoffzehrenden Strohrotte kann ebenfalls die maximale Menge von 80 kg/ha N auf Getreidestoppeln ausgebracht werden, ohne dass eine Folgefrucht noch im gleichen Jahr angebaut wird (vgl. SMUL SACHSEN 2007). Die vorherrschende Technik zum Ausbringen von Wirtschaftsdüngern ist in Deutschland die Breitverteilung. Folgende Tabelle gibt Informationen über die Ausbringung von flüssigem Wirtschaftsdünger in Deutschland. 14

23 Tab. 3: Wirtschaftsdüngerausbringung in Deutschland. Auf unbestellter Fläche oder Stoppeln werden demnach über 60% des flüssigen Wirtschaftsdüngers breitverteilt ausgebracht, gefolgt von der Ausbringung mittels Schleppschläuchen mit einem Anteil von ca. 22%. Mit einem Güllegrubber werden rund 12 % des flüssigen Wirtschaftsdüngers auf unbestellter Fläche ausgebracht. Applikationstechniken mit Schlitzverfahren und Schleppschuhen haben zu vernachlässigende Anteile an der Ausbringung von Gülle auf unbestellter Fläche. Aufgrund der hohen Verbreitung in der Praxis werden diese drei Applikationsverfahren genauer betrachtet und hinsichtlich ihres THG- Emissionsverhaltens untersucht. Die Applikationstechniken unterscheiden sich in ihrer technischen Ausstattung und in ihrer Arbeitsweise. Aus diesen Unterschieden sind unterschiedlich hohe Stickstoffverluste und damit CO 2 Äq -Emissionen zu erwarten. Die genauen Emissionswerte unter vergleichbaren Bedingungen sollen nun im Folgenden festgestellt werden. Eine technische Vorstellung der verschiedenen Applikationsverfahren ist hierfür der erste Schritt. Applikationstechnik Ausgebrachte Mengen in m 3 In % der Gesamtmenge Ausgebrachte Gesamtmenge auf unbestellter Fläche oder Stoppeln in m 3 In % der Gesamtmenge auf unbestellter Fläche oder Stoppeln Gesamtmenge in m , ,00 Breitverteiler , ,00 Schleppschlauch , ,00 Schleppschuh , ,00 Schlitzverfahren , ,92 Güllegrubber , ,00 Quelle: DESTATIS Breitflächige Ausbringung des flüssigen Wirtschaftsdüngers Bei diesem Verfahren der Ausbringung von flüssigem Wirtschaftsdünger wird ein Güllefass von einem Schlepper gezogen. Mittels eines Pralltellers oder einer 15

24 Schwenkdüse wird der Wirtschaftsdünger auf die Arbeitsbreite von maximal 12 Metern verteilt. Bei der Breitverteilung wird der Luft eine relativ große Kontaktfläche mit der Gülle angeboten, da diese auf die Pflanzen- und Bodenoberfläche ausgebracht wird. So sind hier entsprechende Stickstoffverluste zu erwarten. Der Zugkraftbedarf ist für dieses Verfahren relativ gering (vgl. LFZ RAUMBERG-GUMPENSTEIN 2011). Wie bereits bei der Vorstellung der DüV erwähnt, dürfen nur noch solche Breitverteiler genutzt werden, welche die Gülle nach unten abstrahlen. Die DüV sieht für dieses Verfahren vor, dass die ausgebrachte Gülle unverzüglich, spätestens jedoch nach vier Stunden, in den Boden eingearbeitet werden muss. 4.2 Selbstfahrender Güllegrubber Ein vielversprechendes Verfahren für die Einsparung von CO 2Äq -Emissionen aus den direkten und indirekten Emissionsbereichen ist die Ausbringung von flüssigen Wirtschaftsdüngern und deren direkte Einarbeitung in den Boden in einem zusammengefassten Arbeitsschritt, wie es bei der Verwendung eines Güllegrubbers geschieht. Die Emissionsminderung von bis zu 90% der NH 3 - Emissionen kann durch die direkte Einarbeitung der Gülle in den Boden realisiert werden. Gleichzeitig steigt der Düngerwert der Gülle, welche direkt in den Boden gelangt und auf diese Weise besser von den Pflanzen verwertet werden kann. Durch geringere N-Verluste in Form von Ammoniak muss weniger Stickstoff nachgedüngt werden, um diese auszugleichen (vgl. REITZ, P. 2000:6). Der Einsatz solcher Güllegrubber muss auf unbewachsener Fläche erfolgen und erfordert eine höhere Zugkraft. Ein selbstfahrender Güllegrubber soll betrachtet werden. Dieses Verfahren setzt eine relativ hohe Investitionssumme voraus und sollte in einer überbetrieblichen Gemeinschaft genutzt und ausgelastet werden. Mengen von jährlich mindestens Kubikmetern Gülle sollten unter ökonomischen Gesichtspunkten in einem geteilten Transport- und Ausbringeverfahren ausgebracht werden (vgl. UBA 2011). Die selbstfahrenden Güllegrubber besitzen eine Arbeitsbreite von drei bis sechs Metern und haben einen eigenen Antrieb, der bis zu 600 PS leistet, um Arbeitsgeschwindigkeiten von bis zu 15 km/h zu erreichen (vgl. HOLMER 2013). 16

25 Das Trägerfahrzeug liefert den Antrieb, auf welchen ein Güllefass angebracht wird. Die Selbstfahrer können im speziellen Hundegang, siehe Abbildung 3, sehr bodenschonend arbeiten. Auf diese Weise laufen die vier Räder spurversetzt, sodass der Boden nur einmal bei der Überfahrt berührt wird, weshalb auch bei schwierigen Bodenverhältnissen oder im hügeligen Gelände mit diesem Verfahren gearbeitet wird. Abb. 3: Der Hundegang eines Systemtraktors. Quelle: HOLMER Das aufgebaute Güllefass kann mittels eines schwenkbaren Rohres mit zum Feld transportierter Gülle befüllt werden. Am Heck des Selbstfahrers ist ein hydraulischer Kraftheber angebracht, an diesem ist ein Grubber oder eine Scheibenegge angehängt. Der Flüssigmist wird durch eine Pumpe vom Fass zu einem am Heck des Fahrzeuges befindlichen Verteilerkopf gefördert. Dieser Verteilerkopf leitet die Gülle aus dem Fass über mehrere Schläuche zu den Auslässen, welche hinter den Scharen des Grubbers bzw. den Scheiben der Scheibenegge positioniert sind. Üblicherweise arbeiten Grubber und Scheibenegge 10 cm bis 15 cm tief. Auf diese Weise wird der Flüssigmist in dieser einzustellenden Arbeitstiefe abgelegt und direkt in den Erdstrom eingearbeitet. Während der Überfahrt wird der Boden bearbeitet und der Wirtschaftsdünger gezielt in den Boden appliziert, so können reduzierte N- Verluste und eine reduzierte Geruchsbelastung der Bevölkerung realisiert werden (vgl. BERNING, F. 2008). 4.3 Das Schleppschlauchverfahren Bei der Ausbringung des flüssigen Wirtschaftsdüngers mit Schleppschläuchen entfällt die Flugphase von einem Prallteller o.ä. zum Boden. Bei diesem Verfahren wird ein Traktor mit einem gezogenen Güllefass verwendet. Am Heck des Güllefasses befindet sich ein Schleppschlauchverteiler. Dieser kann Arbeitsbreiten von bis zu 36 Meter mit Gülle applizieren. Die Gülle gelangt mit einem geringen Druck durch parallel laufende Schläuche, welche an den Armen des Schleppschlauchverteilers befestigt sind, auf direktem Wege auf die Boden- 17

26 oder Pflanzenoberfläche. Eine Flugphase der Gülle durch die Luft entfällt hierbei. Der mit Gülle benetzte Bereich auf dem Boden oder der Pflanze ist durch die streifenförmige Ablage der Gülle ebenfalls verringert, sodass die emissionsaktive Oberfläche verkleinert ist. Demzufolge ist dieses Verfahren ebenfalls als emissionsmindernd zu betrachten (vgl. LFZ RAUMBERG-GUMPENSTEIN 2011). Bei diesem Verfahren muss die ausgebrachte Gülle der DüV zufolge ebenfalls nach spätestens vier Stunden in den Boden eingearbeitet werden. 4.4 Treibhausgasemissionen bei der Ausbringung flüssigen Wirtschaftdüngers Bei der Ausbringung von flüssigen Wirtschaftsdüngern sind besonders die indirekt klimawirksamen Emissionen des Gases Ammoniak von zentraler Bedeutung. Bei der Tierhaltung landet der vom Tier im Eiweißhaushalt nicht verwertbare Stickstoff hauptsächlich in Form von Harnstoff im Urin des Tieres. Der Teil des nicht verwertbaren Stickstoffs, welcher im Kot des Tieres landet, liegt vor allem in relativ schwer abbaubaren Verbindungen vor. So ist der Harnstoff d ieses Kot- Urin-Gemischs, auch Wirtschaftsdünger oder Gülle genannt, der Ausgangspunkt für klimaschädliche Emissionen von Ammoniak (vgl. REITZ, P. 2000:7). Ammoniak wird den indirekten Emissionen zugeordnet. Emittiertes Ammoniak wirkt als eingetragener Stickstoff an anderer Stelle eines Ökosystems, der dort wie eine Mineraldüngung wirkt, die Lachgasbildung und Eutrophierung fördert und zu Bodenversauerungen führen kann. Das IPCC legt bei der Quantifizierung dieser indirekten Emissionen 1% der Ammoniakverluste als Emissionen von Lachgas zu Grunde (vgl. vti 2012:66). Die NH 3 -N-Emissionen aus dem Wirtschaftsdünger werden stark durch die während und nach der Ausbringung herrschenden Wetterbedingungen, wie z.b. der Luftgeschwindigkeit, Temperatur, Luftfeuchte und Niederschlag beeinflusst. Untersuchungen zu diesen Einflussfaktoren haben ergeben, dass sich im Allgemeinen die NH 3 -Emissionen bei steigender Luftgeschwindigkeit und -temperatur erhöhen. Niederschläge während oder kurz nach der Ausbringung der Gülle reduzieren wiederum die NH 3 -Emissionen, da das Eindringen in den Boden unterstützt wird (vgl. REITZ, P. 2000:11). 18

27 Zielführend seien nach Expertenauffassungen technische Konzepte zur Ausbringung von flüssigem Wirtschaftsdünger, deren Minderungen der Ammoniakemissionen mindestens 30 % betragen (vgl. BMELV 2001). Bei der Quantifizierung der Treibhausgasminderungspotentiale bestimmter Applikationstechniken bei der Wirtschaftsdüngerausbringung werden drei bestimmte Emissionsbereiche betrachtet. Zum Einen gilt es, die vereitelten Ammoniakemissionen zu erfassen. Hieraus lassen sich nach den IPCC-Richtlinien indirekte Treibhausgasemissionen in Form von Lachgas berechnen. Zum Anderen gilt es, die direkten Lachgasemissionen der Ausbringungsverfahren nach IPCC- Richtlinien zu vergleichen. Des Weiteren reduzieren vor allem die genannten NH 3 -Emissionen den Düngerwert des Wirtschaftsdüngers, da pflanzenverfügbarer Stickstoff als umweltschädliche Emission entweicht und ungenutzt entwichener Stickstoff durch eine Mineraldüngergabe ergänzt werden müsste. Die entsprechenden Emissionen dieser Her- und Bereitstellung von Mineraldünger müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Zur Quantifizierbarkeit und Vergleichbarkeit werden die Emissionen aus den drei Quellbereichen in CO 2 Äq - Emissionen umgerechnet Erfassung der indirekten Treibhausgasemissionen Die Ermittlung dieser Emissionen beruht auf Angaben der Fachliteratur. Diese wurden in Tabelle 4 zusammengefasst und dienen zur weiteren Berechnung. Detaillierte Ergebnisse liefert die Dissertation Ammoniakemissionen von landwirtschaftlichen Nutzflächen: Quellen und Minderungsmaßnahmen von Thomas Mannheim. In dieser wurden die NH 3 -Emissionen verschiedener Applikationstechniken bei der Ausbringung von 30 m 3 /ha Rindergülle im Frühjahr auf unbestelltes Ackerland quantifiziert. Der Ammoniumgehalt des Wirtschaftsdüngers pro Kubikmeter, welcher die Höhe der NH 3 -Emissionen maßgeblich beeinflusst, war bekannt. Die gemessenen NH 3 -Emissionen stellen die Stickstoffverluste pro Hektar in Kilogramm dar und der emittierte NH + 4 -N wird prozentual als Versuchsergebnis angegeben (vgl. MANNHEIM, T. 1996). Die jeweiligen Angaben der N-Verluste aus der Fachliteratur haben eine relativ einheitliche Tendenz hinsichtlich der drei verschiedenen Applikationstechniken. Rindergülle hat einen geringeren Anteil von Ammonium als Schweinegülle. Für 19

28 eine möglichst fundierte und realistische Einschätzung der N-Verluste sollten somit Ergebnisse aus der Ausbringung von Rindergülle verwendet werden, da Versuchsergebnisse aus Schweinegülle aufgrund des höheren N-Gehaltes überschätzt werden könnten (vgl. REITZ, P. 2000:18). Tab. 4: Literaturangaben zu NH 3 -Verlusten nach der Ausbringung von Wirtschaftsdünger. Versuchsanlagen zur Messung von NH3-N Emissionen nach Ausbringung von Rinderflüssigmist auf Ackerland mit unterschiedlichen Ausbringungsverfahren (nach Thomas Mannheim 1996) Monat Gehalt an NH 4 + -N in kg/m 3 Applikationsverfahren Bodenverhältnis NH 3 -N- Verluste in kg/ha Es wird deutlich, dass die Applikationstechnik einen großen Einfluss auf die Höhe der Ammoniakemission hat. Die direkte Einarbeitung der Gülle mittels Güllegrubber verringert die Ammoniakemissionen erheblich. Verlust in % des appl. NH 4 + -N Einsparung in % ggü. Prallteller k.a. Schleppschlauch Schweine-/Rindergülle k.a. k.a. k.a. 30/20 k.a. Güllegrubber Schweine-/Rindergülle k.a. k.a. k.a. 90 k.a. UN ECE-Luftreinhaltekonvention, UBA 2011 Studie der FAL & KTBL & ATB, 2001 Schleppschlauch Schweine-/Rindergülle k.a. Güllegrubber Schweine-/Rindergülle März Prallteller 1,32 Weizen (vorm 16,2 40,9 - Schossen) März Schleppschlauch 1,32 Weizen (vorm 10, ,5 Schossen) April Prallteller 1,25 Abgefrorener Senf April Güllegrubber 1,25 Abgefrorener Senf Ammoniakemissionen bei der Düngung mit Gülle und Gärresten, KTBL Helmut Döhler 2012 (nach Dosch 1996) Frühjahr Prallteller Schweinegülle Maisstoppel 24 k.a. - Frühjahr Schleppschlauch Schweinegülle Maisstoppel 18 k.a. -25 Frühjahr Güllegrubber Schweinegülle Maisstoppel 3 k.a. -87,5 Unbewachsenes Ackerland Unbewachsenes Ackerland k.a. k.a. 30/10 k.a. k.a. >80 Quelle: Eigene Darstellung. 20

29 Durch den Vergleich der Literaturangaben aus Tabelle 4 werden im Folgenden die Größenordnungen der Versuchsergebnisse der Dissertation von Thomas Mannheim bestätigt und für die weiteren Berechnungen verwendet. Es kann von einer Einsparung von 90 % hinsichtlich der NH 3 -Emissionen des Verfahrens Güllegrubber gegenüber dem Verfahren Prallteller und von 33,5 % des Verfahrens Schleppschlauch gegenüber dem Verfahren der breitflächigen Ausbringung mittels Prallteller ausgegangen werden. Bei einem Blick auf die folgende Tabelle, welche Angaben über die Zusammensetzung von Rinderflüssigmist verschiedener Quellen zusammenfasst, wird deutlich, dass die Ergebnisse der Dissertation von Thomas Mannheim aus einem eher niedrigen NH + 4 -Gehalt der Rindergülle resultieren und somit einem gewissen Vorsichtsgedanken in dieser Arbeit folgen, da die Minderungspotentiale der Applikationstechniken dadurch eher unterschätzt werden. Tab. 5: Zusammensetzung Rindergülle. Durchschnittliche Zusammensetzung eines Kubikmeters Rindergülle TS-Gehalt Gesamt N NH + 4 -N in % in Kg in Kg Quelle 6 3,2 1,8 LWK NRW 8 3,9 2,1 LWK NRW 10 4,8 2,4 LWK NRW k.a. 4 k.a. Mittelwert Lufa Nordwest ,5 k.a. Dissertation T. Mannheim 5 2,7 1,3 xylemwatersolutuins.com 7,5 4 2 xylemwatersolutuins.com 10 5,3 2,7 xylemwatersolutuins.com 15 6,9 k.a. xylemwatersolutuins.com Quelle: Eigene Darstellung. Der IPCC Emissionsfaktor des NIR 2010 berechnet die emittierten indirekten N 2 O-Emissionen aus den NH 3 -N-Verlusten mit dem Faktor 0,01. Aus beispielsweise 12,5 g N 2 O-N resultieren in der Folge 19,6 g N 2 O (vgl. vti 2012:66). Dieser Faktor von 1,57 (44/28) hängt mit den Verhältnissen der Molgewichte von Stickstoff und Sauerstoff zusammen und findet in den folgenden Tabellen Berücksichtigung zur Berechnung der Emissionen (vgl. FLESSA, H 2014). Aus den N 2 O-Emissionen der Verfahren lassen sich schließlich die Emissionen in Form von CO 2 Äq aus dem Quellbereich der indirekten N 2 O-Emissionen ableiten. Lachgas hat einen GWP-Wert von 310 zur 21

30 Umrechnung in CO 2 Äq. Die folgende Tabelle zeigt die indirekten THG- Emissionen der untersuchten Verfahren zur Gülleausbringung. Tab. 6: Indirekte Lachgasemissionen der Applikationstechniken. Verfahrensabhängige NH 3 -Emissionen (indirekte N 2 O-Emissionen) NH 3 -N- Verluste in kg/ha aus 30 m 3 /ha Rindergülle Emissionsfaktor nach IPCC 1996 Kg/ha N 2 O-N Kg/ha N 2 O GWP- Faktor Kg/ha CO 2 Äq. Prallteller 16,20 0,010 0,162 0, ,92 Schleppschlauch 10,70 0,010 0,107 0, ,12 Güllegrubber 1,62 0,010 0,016 0, ,89 Quelle: vti 2012:66. Dem Verfahren Güllegrubber kann eine Einsparung von 71,03 kg/ha CO 2 Äq gegenüber dem Verfahren der breitflächigen Ausbringung mittels Prallteller und 44,23 kg/ha CO 2 Äq gegenüber dem Verfahren Ausbringung mit Schleppschläuchen gutgeschrieben werden. Das Verfahren der Ausbringung mittels Schleppschläuchen verringert die CO 2 Äq -Emissionen in diesem Quellbereich um 26,8 kg/ha, verglichen mit einer breitflächigen Ausbringung mittels Prallteller Treibhausgasemissionen aus der Bereitstellung von N-Mineraldünger Emissionen von Ammoniak und Lachgas, somit Verluste an Stickstoff, schmälern den Düngerwert des Wirtschaftsdüngers. Diese Verluste müssen in Form einer mineralischen Stickstoffdüngergabe nachgedüngt werden. Bei der Bereitstellung dieses N-Mineraldüngers fallen ebenfalls CO 2 Äq -THG-Emissionen an, die dem entsprechenden Applikationsverfahren zugerechnet werden. Aus den gemittelten Literaturangaben, welche die folgende Tabelle zeigt, wird bei der Her- und Bereitstellung eines Kilogramms Stickstoffmineraldünger von 7,5 kg entstehenden CO 2-Äq -Emissionen ausgegangen. 22