Biogaserzeugung aus landwirtschaftlichen Rohstoffen - Monitoring des Substratanbaus und der Gärrestverwertung

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1 Agrar- und Ernährungswissenschaftliche Fakultät Biogaserzeugung aus landwirtschaftlichen Rohstoffen - Monitoring des Substratanbaus und der Gärrestverwertung A. Herrmann, A.K. Miehe, F. Taube Inst. für Pflanzenbau und -züchtung Grünland u. Futterbau/Ökologischer Landbau Christian-Albrechts Universität Kiel

2 Agrar- und Ernährungswissenschaftliche Fakultät Gliederung Einleitung Monitoring der Biogasproduktion in SH Anlagen: räumliche Verteilung, Betriebsformen Substratanbau und -einsatz Gärrestmengen und -verwertung Nachhaltigkeit der Biogasproduktion Fazit

3 Status quo Starke Flächenausdehnung des NaWaRo-Anbaus : ca Mio ha 2% der Ackerfläche : ca. 2 Mio ha 17% der Ackerfläche 15% stoffliche Nutzung 85% energet. Nutzung In 2007 ca. 4.9% des Primärenergieverbrauches aus Biomasse (incl. Holz, Abfälle, Deponie- u. Klärgas, )

4 Status quo Produktivität und Effizienz: Kraftstofferträge je Hektar

5 Einleitung Nachhaltigkeit der Bioenergieproduktion Zunehmend kritische Stimmen über Umweltverträglichkeit eines ausgedehnten Energiepflanzenanbaus (z.b. SRU, Sondergutachten, 2007) Klimaschutz Wasserschutz Bodenschutz (Humus) Luftreinhaltung Biodiversität

6 Einleitung Entwicklung der Biogasproduktion Anzahl Anlagen Anlagenzahl Anlagenzahl Inst. el. Leistung [MW] Inst. el. Leistung [MW]

7 Einleitung Biogasproduktion in Schleswig-Holstein Nordfriesland 33 Anlagen Schleswig-Fl. 43 Anlagen April 2008: ~ 140 Biogasanlagen Dithmarschen 10 Anlagen Kreise Naturraum N Hohe Geest Hügelland Marsch Vorgeest Kilometers Steinburg 1 Anlage Rendsbg- Eck. 6 Anlagen Pinneberg 1 Anlage Segeberg 2 Anlagen Plön 6 Anlagen Stormarn 2 Anlagen Ostholstein 4 Anlagen Lübeck 2 Anlagen Hzgt. Lauenbg 8 Anlagen Na 70% der Biogasanlagen stehen auf den nicht weizenfähigen Standorten der Geest Kulturarten zur Biogaserzeugung: Mais - Dauergrünland Ökologische Effekte? LWK Schleswig-Holstein (2006, 2007)

8 Monitoring: Anlagen Monitoring der Biogasproduktion: Anlagenbefragung Nordfriesland 16 Anlagen (608 kwel.) Schleswig-Fl. 22 Anlagen (522 kwel.) Kreise N Naturraum Hohe Geest Hügelland Marsch Vorgeest Dithmarschen 3 Anlagen (332 kwel.) Kilometers Steinburg 1 Anlage (500 kwel.) Rendsbg- Eck. 7 Anlagen (343 kwel.) Segeberg 6 Anlagen (317 kwel.) Plön 3 Anlagen (465 kwel.) Hzgt. Lauenbg 1 Anlage (1500 kwel.) Na 59 Anlagen Anbaujahr 2006 Betriebsstruktur Techn. Anlagendaten Substratanbau Gärrestmengen u. - verwertung

9 Monitoring: Anlagen Monitoring der Biogasproduktion: Anlagenbefragung 1800 Nordfriesland 16 Anlagen (608 kwel.) Schleswig-Fl. 22 Anlagen (522 kwel.) Dithmarschen 3 Anlagen (332 kwel.) Rendsbg- Eck. 7 Anlagen (343 kwel.) Plön 3 Anlagen (465 kwel.) Konventionelle landw. Betriebe Ökol. landw. Betriebe Gemeinschaftsanlagen Anlagenleistung (kw el ) Kreise 1000 Naturraum N Hohe Geest 800 Hügelland 600 Marsch 400 Vorgeest Kilometers Steinburg 1 Anlage (500 kwel.) Segeberg 6 Anlagen (317 kwel.) Hzgt. Lauenbg 1 Anlage (1500 kwel.) Na Sonstige Anlagen ohne NaWaRo-Einsatz Gesamt

10 Monitoring: Anlagen Anlagen auf konv. landw. Betrieben Betriebsform Gesamt mit Tierhaltung ohne Tierhaltung Betriebsschwerpunkt Futterbau Betriebsschwerpunkt Ackerbau ohne Tierhaltung Schweinehaltung Betriebsschwerpunkt Biogas ohne Tierhaltung mit Tierhaltung Anzahl Anlagen % der befragten Futterbaubetriebe und 49% der Ackerbaubetriebe in NF und SL zumeist tierhaltende Betriebe Kofermentierung Gülle/pflanzliche Substrate Reduktion der Treibhausgasemissionen aus Gülle

11 Monitoring: Substratanbau u. -einsatz Substrateinsatz zur Biogasproduktion % der Anlagen n = 56 Gülle Mais Gras Druschgetreide Mais dominiert Substrateinsatz aufgrund hoher Methan- Hektarerträge Gülleeinsatz in 77% der Anlagen Eingesetzte Güllemenge: 2 bis 60 t (kw, a) -1 GPS-Getreide

12 Monitoring: Substratanbau u. -einsatz 12 Tierhaltung und Anlagengröße Großvieheinheiten kwel y = * e R ² = 0.79, n = 36 ( * x ) Anlagengröße (kwel.) Geplante Novelle des EEG (2009) - Güllebonus (2 Ct/kW) für Anlagen < 150 kwel. (>30%) - Wegfall Bonus für Trockenfermentation

13 Monitoring: Substratanbau u. -einsatz Gülleeinsatz zur Biogasproduktion Gülleeinsatz (t/kwel., a) Anlagengröße (kwel.) n = 56 Keine enge Beziehung zwischen Anlagengröße und Menge eingesetzter Gülle In 29% der Anlagen übersteigt eingesetzte Güllemenge den NaWaRo-Einsatz 4 tierhaltende Betriebe mit Trockenfermentation (Bonus)

14 Monitoring: Substratanbau u. -einsatz Flächenbedarf Substratanbau Mais Gras Getreide Anlagen < 200 kw: 0.48 ha kwel. -1 Anlagen kw: 0.45 ha kwel. -1 Anlagen > 500 KW: 0.42 ha kwel ha Gesamt-Substratanbaufläche (incl ha Stilllegungsflächen) Zusätzlich 6000 t Getreide (Zukauf) Hochrechnung (2007) ca ha Substratanbaufläche landesweit Schätzungen des DMK: ha Maisanbau in SH für Biogasproduktion ( 4.3% der Ackerfläche in SH) Maisanbau gesamt in SH (2007): ha ( 19% der Ackerfläche in SH)

15 Anbaufläche (ha) Entwicklung Silomaisanbau Schleswig-Holstein (Statist. Bundesamt, Statistikamt Nord) Mais für Biogaserzeugung bundesweit ha } ha ha Schleswig-Holstein ha ha ha } 3.4x 6.7x Anbaufläche (ha) Marsch Hohe Geest Vorgeest Hügelland

16 Monitoring: Substratanbau u. -einsatz Verdrängte Kulturarten durch Ausdehnung des Maisanbaus Raps Weizen Roggen Gerste Grünland Angaben zur flächenmäßigen Verdrängung von Kulturen durch Mais nicht möglich Verstärkte Nutzung von Stilllegungsflächen Zuckerrübe

17 Monitoring: Substratanbau u. -einsatz Monokultur - Fruchtfolge Steigender Anteil an Maismonokultur auf Futterbaubetrieben ohne Marktfruchtanbau Von 45 konventionell wirtschaft. landw. Betrieben - 14 Betriebe: Mais nur in Monokultur - 9 Betriebe: zu geringer Getreideanteil für vollständige Fruchtfolge - 20 Betriebe: gewisser Fruchtwechsel in Abh. des Maisanteils Auf ca. 50% der Betriebe ausreichend Kulturarten für Fruchtfolge im Anbau, jedoch eher Fruchtwechsel statt Fruchtfolge Negative Effekte auf Biodiversität

18 Monitoring: Substratanbau u. -einsatz Veränderung der org. Bodensubstanz über 27 Jahre (!) in Abh. des Gras-Mais Verhältnisses in der Fruchtfolge: Maismonokultur (rot) jährlich m³ Gülle/ha Bodenart: sl Bretagne, Frankreich Soil organic matter evolution ( ) Initial N% = 0.24 g kg -1 Enge Beziehung zwischen dem Maisanteil in der FF und der Abnahme der organischen Bodensubstanz Vertes et al. (2005)

19 Monitoring: Substratanbau u. -einsatz Energieeffizienz Biogaserzeugung (Taube, 2007) Gras- vs. Maissilage, mit/ohne Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in Abh. der Transportentfernung zur Biogasanlage Grassilage kaum konkurrenzfähig Ohne Kraft-Wärme-Kopplung starke Reduktion der Energieeffizienz Hohe Feld-Fermenter-Entfernungen reduzieren Effizienz erheblich

20 Monitoring: Substratanbau u. -einsatz Energieeffizienz: Substrattransport Feld - Fermenter Transportwege (km) Anlagengröße (kw) n = 55 Hohe Transportwege steigern Kosten u. mindern Energieeffizienz Durchschnittlicher Fahrtweg von 4.8 km (Betriebseigene Schläge: 2.4 km, Zukauf: 7.3 km) Annahme, dass mit Anlagengröße auch Transportwege zunehmen, wurde nicht bestätigt

21 Monitoring: Substratanbau u. -einsatz Betriebsform Konventionelle landw. Betriebe (45) Ökol. landw. Betriebe (2) Gemeinschaftsanlagen (4) Sonstige (6) Wärmenutzung (%) 45 20/ Wärmenutzungskonzepte Anlagen ohne NaWaRo-Einsatz (2) 80 Heizung von Wohn- u. Gewächshäusern, Ställen, komm. Einrichtungen Holz- und Getreidetrocknung Futtermittelwerk

22 Monitoring: Gärrestmengen u. -verwendung Anfallende Gärrestmengen Gärrestmenge (m³/kwel.) y = x R 2 = 0.183*** n = Anlagengröße (kwel.) Oft ungenaue Kenntnisse über anfallende Gärrestmengen und Abbaugrad im Fermenter (für 18 von 57 Anlagen sind Werte errechnet) Im Mittel: 20 m³ Gärrest pro kwel 37 m³ pro ha Betriebsfläche (ohne Zukauf) 56 m³ pro ha Substratanbaufläche

23 Monitoring: Gärrestmengen u. -verwendung Gärrestausbringung Mais 100 % der Betriebe m³/ha ( 36 m³) Getreide 54 % der Betriebe m³/ha ( 39 m³) Komplette Rückführung auf Substratanbauflächen: 12% der Anlagen Grünland 44 % der Betriebe m³/ha ( 26 m³) Abgabe an Substratlieferanten 30% der Betriebe

24 Monitoring: Gärrestmengen u. -verwendung Gärrestausbringung Keine bzw. keine aktuellen Analysenergebnisse zu Nährstoffgehalten der Gärreste: 14% der Anlagen Analysenergebnisse zur Zeit der Befragung noch nicht verfügbar: 28% der Anlagen Transportweg der Gärreste 0.9 km geringer als Transportweg der Substrate Konzentration der Nährstoffe um Anlage Ausbringung mit Pralltellern (ausschließlich bzw. teilweise) in 40% der Anlagen Gefahr erhöhter Ammoniakverluste

25 Monitoring: Gärrestmengen u. -verwendung Gärreste: Nährstoffaufkommen (N) Anzahl der Betriebe kg N/ha ohne Zukaufsfläche n = 25 kg N/ha Gesamtfläche < bis bis bis 200 > 200 N-Aufkommen (kg N/ha) Betriebe < 50 kg N ha -1 : Ackerbaubetriebe ohne Tierhaltung Betriebe > 200 kg N ha -1 : Futterbaubetriebe

26 Monitoring: Gärrestmengen u. -verwendung Gärreste: Nährstoffaufkommen (P 2 O 5 ) Anzahl der Betriebe < bis bis bis 200 P-Aufkommen (kg/ha) kg P2O5/ha ohne Zukaufsfläche kg P2O5/ha Gesamtfläche Betriebe mit kg P 2 O 5 ha -1 Gesamtfläche: Futterbaubetriebe P-Aufkommen über Bedarf vieler Kulturen

27 Monitoring: Gärrestmengen u. -verwendung Nährstoffversorgung der Maisbestände Nährstoffversorgung über Unterfußdüngung (20-60 kg N ha -1 mineralisch) und Gärrestausbringung ( 36 m³ ha -1 ) Ungenaue Düngeplanung: Diskrepanz zwischen tatsächlicher Düngung und Zielwerten N-Düngung von 185 kg N ha -1 übersteigt Bedarf erhöhtes N-Auswaschungsrisiko, Überschreiten der zulässigen N-Salden Trend zu Aufteilung der Gärrestapplikation in mehrere Gaben, aber auch Herbstausbringung wird praktiziert Menge ausgebrachter Nährstoffe (kg ha -1 ) N über Gärrest P 2 O 5 K 2 O N Gesamt P 2 O 5 K 2 O min max Mittel n = 28

28 Monitoring: Gärrestmengen u. -verwendung Grundwasserkörper mit Gefährdungsabschätzung in Schleswig-Holstein Verschlechterung der Gewässerqualität durch Maisanbau verhindern Einhaltung der tolerierbaren N/P-Bilanzsalden (Düngeverordnung)

29 Monitoring: Gärrestmengen u. -verwendung N-Auswaschungsrisiko im Silomaisanbau NO 3 -N Fracht (kg N ha -1 ) o ohne Untersaat mit Untersaat Trinkwasser-Grenzwert DVO-Vorgabe (60 kg N/ha) NO 3 Konzentration (mg L -1 ) Düngeverordnung: Jährliche Nährstoffvergleiche (N, P) als Flächenbilanzen oder aggreg. Schlagbilanzen N-Bilanz = Ninput - Noutput Pflanzenbaul. Maßnahmen Angepasste N-Düngung Einsatz von Untersaaten N-Bilanz (kg ha -1 ) (Wachendorf et al., 2006)

30 Monitoring: Gärrestmengen u. -verwendung N-Auswaschung: Bodendauerbeobachtungsfläche des LANU Maismonokulturfläche eines Biogas-Betriebes mit > 200 kg N ha -1 aus Gärresten in der Region Schuby Deutliche Überschreitung des Trinkwassergrenzwertes

31 Monitoring: Gärrestmengen u. -verwendung N 2 O-N [kg N ha -1 ] Hohenschulen März bis September 2007 Mais Weizen Kontrolle Mineral-N Schweine- Gülle 120 kg N ha -1 Mineral-N Schweine- Gülle 360 kg N ha -1 Biogas- Gülle N 2 O-N [kg N ha -1 ] BIOGAS-EXPERT: Lachgasemission 2007 (Senbayram, Dittert) Karkendamm März bis September 2007 Mais Grünland 0 Kontrolle Mineral-N Rinder- Mineral-N Rinder- Biogas- gülle gülle abfall Mais: 120 kg N ha kg N ha -1 Grünld: 160 kg N ha kg N ha -1

32 Fazit BIOGAS-EXPERT Versuchsgut Hohenschulen Konzentration der Biogaserzeugung in Wasserschutz-sensiblen Regionen Maisanbau dominiert - Ausdehnung auch auf ökologisch wertvolle Flächen Räumliche Nährstoffverlagerung durch Substratzukauf, unvollständige Gärrestrückführung, Nährstoffüberversorgung, mangelnde Düngeplanung, Maismonokultur Ökologische Effekte: N-Auswaschung, Humusabbau, Biodiversität, Treibhausgas-Emission? Entwicklung von Fruchtfolge-Alternativen zu Maismonokultur und angepasstes pflanzenbauliches Management erforderlich

33 Verbundprojekt BIOGAS EXPERT - Phase I Analyse der Stoff-Flüsse im System Boden-Pflanze-Fermenter Prozessoptimierung & Qualitäts- parameter Gärrückstände (AG Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik) Qualitätsparameter & Methanertrag Erntegut (AG Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik) NH 3 -Emissionen Gärrückstände (AG Acker- und Pflanzenbau) Ertragsbildung & N-Effizienz Energiepflanzen (AG Acker- und Pflanzenbau) (AG Grünland und Futterbau) Treibhausgas-Emissionen Gärrückstände & Bodenfruchtbarkeit (AG Pflanzenernährung) N-Dynamik im Boden (AG Acker- und Pflanzenbau AG Grünland und Futterbau) N-Frachten und -konzentrationen im Sickerwasser (AG Grünland und Futterbau)

34 Biogas-Expert Versuchsgut Hohenschulen Vielen Dank