Gas aus Gras und es geht doch!

Transkript

1 Gas aus Gras und es geht doch! An der Grassilage hat sich bisher manche Biogasanlage die Zähne ausgebissen. Doch wenn die Technik angepasst wird, lassen sich auch hohe Grasanteile vergären. Die schwankenden Einkommen aus der Milchproduktion mit Hilfe der Biogaserzeugung abfedern: Das ist der Wunsch vieler Milchviehhalter in den Grünlandregionen Deutschlands. Bislang gab es allerdings zwei gute Gründe, warum es allzu oft beim Wunsch blieb und die Biogasbranche um die grasreichen Standorte einen weiten Bogen machte: Mais, die Energiepflanze schlechthin, ist dort Mangelware. Und Gras, das zwar in einigen Landstrichen reichlich vorhanden ist, lässt sich mit herkömmlicher Biogastechnik nur in begrenzten Mengen verarbeiten. Denn das Substrat ist langfaserig und zäh, weshalb große Mengen davon in den Anlagen schnell zu Verstopfungen, Bruch und/ oder vorzeitigem Verschleiß führen. Mittlerweile haben die ersten Praktiker und Berater aber den Dreh raus, wie sich auch hohe Grasanteile von mehr als 50 % am gesamten Substratmix ohne Schwierigkeiten vergären lassen. Worauf es bei der Ernte und Fütterung von Energiegras ankommt, lesen Sie auf den folgenden Seiten. Außerdem geben Ihnen Praktiker und Berater Tipps, mit welcher Technik Sie das Grün am besten vergären können. Ernte: So kurz wie möglich häckseln Das Gras sollte möglichst kurz gehäckselt werden. Ideal ist eine Schnittlänge von 5 bis 7 mm. Die Ernte von Biogas-Gras unterscheidet sich kaum von der für die Milchviehhaltung. Das Grün sollte zu einem Zeitpunkt mit hoher Verdaulichkeit gemäht werden und man muss darauf achten, dass möglichst wenig Sand ins Siliergut gelangt, rät Jens Geveke. Der Agraringenieur aus dem Ammerland in Niedersachsen ist einer der ersten überhaupt, der sich an die Grasvergärung gewagt hat. So konzipierte er bereits vor rund fünf Jahren eine 500-Kilowatt-Anlage, die bis zu 60 % Gras vergärt (35 % Rindergülle, 8 % Maissilage und 57 % Gras). Aus Grassilage Biogas erzeugen das trauten sich bislang erst wenige Praktiker zu. Dabei ist in einigen Regionen Gras im Überfluss vorhanden. Es gibt aus Gevekes Sicht allerdings eine Besonderheit bei der Energie-Gras- Ernte: Die Halme sollten möglichst kurz sein. Denn so lassen sie sich leichter dosieren, pumpen und rühren. Außerdem ist bei kurzer Silage die Angriffsfläche für Weil Gras selbst im Endlager noch aufschwimmen kann, separieren einige Praktiker die Gärreste in eine flüssige und feste Phase. die Bakterien größer, was den Abbau der Pflanzen in der Anlage beschleunigt. Mit sinkender Halmlänge steigt aber auch der Kraftaufwand für den Häcksler stark an, sagt Dr. Arne Dahlhoff aus Bad Sassendorf, Biogasberater der Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen. Idealer Kompromiss zwischen dem Kraftaufwand und den Bedürfnissen der Anlage ist aus Sicht unserer Experten eine Länge von 5 bis 7 mm. Sie können das Gras im Übrigen auch mit einem Ladewagen bergen, aber der schneidet es nicht so gleichmäßig wie ein Häcksler; die Gefahr, dass die Halme zu lang werden für die Biogasanlage, ist bei diesem Verfahren wesentlich größer. Tipp: Um den Sandanteil in der Silage und damit auch im Fermenter zu minimieren, mäht Geveke das Gras auf einer Höhe von 7 cm ab. Danach wird es mit dem Kreiselwender gezettet und kommt auf den Stoppeln zum Liegen. Der Schwader kann dann so eingestellt werden, dass er nicht mit den Zinken über den Boden kratzt und Sand aufwühlt. Ertrag: Geringer als bei Mais Der Gasertrag pro Hektar und Jahr fällt bei Gras um bis zu 20 % geringer aus als bei Energie-Mais. Kalkulieren Sie beim 1. und 2. Schnitt im Mittel mit etwa 200 Kubikmeter Gas je Tonne Frischmasse (m 3 /t FM), beim 3. und 4. mit rund 150 m 3 /t FM. Wenn Sie in Ihrer Region fünf Schnitte realisieren können, setzen Sie für die letzte Ernte im Jahr etwa 120 m 3 /t FM an. Die Werte können aber davon abweichen, warnt Dr. Udo Hölker von Bioreact aus Bonn. Er hat verschiedene Welche Grassorten sind für die Biogasproduktion die besten und wie rechnet sich der Einsatz von Gras? Diese Fragen beantworten wir für Sie im Leserservice auf unserern Internetseiten. Grasproben untersucht und starke Schwankungen je nach Trockensubstanz- Gehalt (TS-Gehalt) ermittelt. Für Silagen mit 25 bis 40 % TS kam er auf Werte zwischen 120 und rund 200 m 3 /t FM. Die Methangehalte pendelten zwischen rund 53 % und 59 %. Im Endeffekt bleibt Ihnen daher eine Untersuchung einer Grasprobe in einem Labor nicht erspart, um verlässliche Werte zu erhalten. Fütterung: Mehr als 70 % sind nicht drin Wie viel Gras kann eine Biogasanlage überhaupt verdauen? Diese Frage wird in der Branche heiß diskutiert. Eine einhellige Lehrmeinung gibt es nicht. Als unstrittig gilt: Gemessen am gesamten Substratmix sind in herkömmlichen Anlagen Grasanteile von bis zu 20 % kein Problem, so Peter Schünemann-Plag, Biogasberater der Landwirtschaftskammer Niedersachen aus Bremervörde. Wer hingegen mehr vergären will, muss die Tech- 112 top agrar 5/2010 top agrar 5/

2 nik an das faserhaltige Substrat anpassen, fügt Dr. Mathias Effenberger von der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft in Freising hinzu. Mehr als 70 % sind nach Ansicht der meisten Experten allerdings auch mit optimaler Grastechnologie kaum zu bewältigen. Wenn Sie den Güllebonus in Anspruch nehmen, sollten Sie den Grasanteil sogar noch etwas weiter nach unten schrauben. Ideal ist in diesem Fall ein Grenzwert von 65 %. Denn um die Zusatzvergütung kassieren zu können, müssen Sie mind. 30 % Gülle oder Mist einsetzen. Wenn Sie diese Grenze auch nur einmal unterschreiten, haben Sie keinen Anspruch mehr auf den Bonus und zwar für immer. Damit es erst gar nicht soweit kommt, raten Experten: Setzen Sie den Gülleanteil besser auf 35 % anstatt auf 30 % hoch. Achten Sie beim Füttern auch darauf, dass der Trockensubstanzgehalt des Substratmixes im Fermenter nicht mehr als 12 % beträgt. Sonst stoßen die Rührwerke und Pumpen erst recht an ihre Grenzen. Die Ration langsam steigern Aus Sicht von Effenberger gibt es noch einen weiteren Grenzwert, dem Sie Ihre Aufmerksamkeit schenken sollten: Der sogenannten Raumbelastung. Diese wird in Kilogramm organsicher Trockensubstanz pro Kubikmeter Fermentervolumen und Tag (kg ots/m 3 und Tag) gemessen. Die meisten Biogaserzeuger schicken maximal 4 kg ots/m 3 und Tag in ihre Fermenter. Manch ein Praktiker schafft aber auch Spitzenrationen, die sich oberhalb der 10-kg-Grenze bewegen. Nehmen Sie Jens Geveke gilt als Pionier der Grasvergärung. In seiner 500-Kilowatt- Anlage setzt er bis zu 60 % Gras ein. Ideal für die Grasvergärung: langsam laufende Paddelrührwerke. als Grasvergärer aber erst einmal von solchen Werten (mehr als 4 kg) Abstand. Dafür sprechen gleich zwei Aspekte: 1. Hohe Raumbelastungen erreichen Sie mit Gras in der Regel nur bei einer geringen Verweilzeit des Substrates im Fermenter. Denn je mehr Sie in den Fermenter stopfen, desto schneller wird das Substrat auch wieder auf der anderen Seite des Reaktors herausgedrückt. Bei der Grasvergärung sollten Sie aber den Bakterien mind. 90 Tage Zeit für deren Arbeit geben. Denn das Grün wird beispielsweise im Vergleich mit Mais nur langsam abgebaut. 2. Hinzu kommt, dass bei hohen Grasanteilen im Reaktor eine schleichende Hemmung der biologischen Prozesse durch Ammoniak (NH3) droht. Hintergrund: Gras enthält viel Protein, das von den Bakterien unter anderem in Ammoniak umgewandelt wird. Hierbei gilt: Mehr als 3 g NH3/l Gärsubstrat dürfen nicht überschritten werden! Bei hohen Raumbelastungen und stark eiweißhaltigen Substraten besteht aber genau diese Gefahr. Am besten halten Sie sich daher an den Rat von Effenberger: Um die Ammoniakbelastung nicht zu überreizen und um eine ausreichend lange Verweilzeit garantieren zu können, sollte die Raumbelastung die 2-kg-Grenze zu Beginn der Grasvergärung nicht überschritten werden. Mit der Zeit können sich die Bakterienstämme aber an die Ammoniak-Belastung anpassen. Für die Praxis bedeutet dies: Lassen Sie die biologischen Prozesse wöchentlich durch ein Labor überwachen. Wenn die Analysen keine Auffälligkeiten ergeben, können Sie nach und nach die Raumbelastung steigern. Vorausgesetzt Sie unterschreiten dabei nicht die Verweilzeit von 90 Tagen. Technik: Groß und robust sollte sie sein Wer mehr Gras in seiner Anlage einsetzen will, kommt mit gewöhnlicher Technik nicht weit. Achten Sie auf folgende Punkte: Dosierstationen: Für die Grasvergärung sind aus Sicht unserer Experten fast nur die Vertikalmischer geeignet. Man benötigt eine Technik, die das Substrat intensiv auflockern kann, sagt Geveke. Schubböden eignen sich zwar grundsätzlich auch. Aber nur solche, die mit Fräswalzen ausgerüstet sind. Herkömmliche Systeme haben hingegen mit Gras Schwierigkeiten. Schnecken und Steigrohre: Die Transportschnecke von der Dosierstation zum Fermenter sollte einen Durchmesser von mindestens 300 mm haben. Andernfalls kann es beim Einsatz von Gras zu Verstopfungen und vorzeitigem Verschleiß kommen. Verlegen Sie die Steigrohre außerdem so, dass das Gras möglichst auf kurzem Weg in den Reaktor gelangt. Die Leitungen sollten zudem möglichst auf direktem Wege in den Fermenter führen. Gras nimmt Ihnen jeden Umweg und Knick übel. Rührwerke: Bei den Mixern sind langsam laufende Paddelrührwerke optimal. Am besten in Kombination mit einem Tauchmotorrührwerk, um die Schwimmschichten an der Oberfläche im Fermenter aufzubrechen und eine kreisförmige Bewegung im Reaktor zu erreichen. 114 top agrar 5/2010

3

4 Wer allerdings nur auf Tauchmotorrührwerke setzt, wird vermutlich Probleme bekommen. Denn diese Typen laufen bei hohen Grasanteilen sprichwörtlich im eigenen Saft. Das liegt nicht nur daran, dass die Flügel relativ klein sind, sondern auch an der sehr hohen Umlauf-Geschwindigkeit. Dadurch zerschneiden sie das Gras an den äußersten Rändern der Flügel und mixen es nur in einem sehr engen Radius um sich herum auf. Von dem zähen Brei in weiterer Entfernung fließt hingegen kaum etwas zu den Rührwerken nach. Dafür ist dieser bei hohen Grasanteilen zu zäh. Dieses Problem haben langsam laufende, großflügelige Paddelrührwerke nicht. Denn sie ziehen förmlich das Substrat zu sich ran und drücken es wieder weg. So kommt Bewegung in den Fermenter. Gras schwimmt auf Paddelrührwerke sind auch deshalb ideal, da sie vor allem das schnell auftreibende Gras von oben wieder nach unten drücken. Praktiker berichten immer wieder von Problemen mit auftreibendem Gras, das schnell eine gasundurchlässige Schwimmschicht auf dem Flüssigkeitsspiegel im Fermenter bildet. Das kann zu einem echten Problem 116 top agrar 5/2010 werden, sagt Geveke. Denn wenn beispielsweise die Mixer ausfallen, durchdringt bei einem hohen Grasanteil das aufsteigende Gas in den Behältern die Grasschicht kaum noch und drückt sie deshalb sehr weit nach oben. Folge: Das Substrat läuft in die Überdrucksicherungen, in die Gasleitungen und kann im schlimmsten Fall das Fermenterdach sprengen. Im Nachgärer nicht mit Rührwerken geizen Weil Gras diese ungünstige Eigenschaft hat, dürfen Sie im Nachgärer auch nicht an den Rührwerken sparen. In herkömmlichen Anlagen ist das in der Regel anders: Während im Hauptfermenter oft gleich mehrere Mixer ihren Dienst verrichten, wird im Nachgärer mit einer reduzierten Anzahl gerührt. Wer hingegen mehr als 20 % Gras einsetzt, muss damit rechnen, dass diese Strategie nicht mehr aufgeht. Denn selbst wenn Sie eine hohe Abbaurate der organischen Substanz im Hauptfermenter erreichen, neigt das Gras im Nachgärer immer noch zum Wer Grassilage mit Kratzböden dosieren will, muss die Stationen mit Dosierwalzen ausrüsten. Grassilage lässt sich gut mit Vertikalmischern dosieren, weil diese das Substrat auflockern. Fotos: Küper (3), Werkbilder (3), Bröker, Einhoff, Heil Aufschwimmen. Unsere Experten raten daher: Je nach Größe des Fermenters müssen unter Umständen zwei Paddelrührwerke eins mehr als üblich installiert werden. Mehrkosten: rund Pumpen: Bei den Pumpen fällt Ihre Wahl am besten auf Exzenter-Schnecken- Pumpen. Drehkolbenpumpen haben laut unserer Fachleute mehr Schwierigkeiten mit Gras. Zum einen verschleißen sie offensichtlich schneller, zum anderen saugen sie das zu fördernde Substrat an, was mit Gras offensichtlich weniger gut funktioniert. Wenn Sie dennoch Drehkolbenpumpen einsetzen wollen, sollten Sie diese so platzieren, dass das Substrat von oben zum Eingang der Pumpe fließt. So nutzen Sie die Schwerkraft geschickt aus, um das Ansaugen des Grases zu unterstützen. Separator: Geveke hatte im Endlager immer wieder Probleme mit Schwimmschichten. Deshalb separiert er das Substrat aus dem Nachgärer in eine feste und flüssige Phase und rät auch seinen Kollegen zu diesem Schritt. Die festen Bestandteile können Sie zunächst wie Mist auf einer Betonplatte lagern und bei Zeiten dann wieder auf die Flächen ausbringen. Nur die flüssige Phase wird ins Endlager gepumpt. Eine Separation kostet aber bis zu inklusive aller Ausgaben für zusätzliche Pumpen, Bodenplatten, Steuerung usw. Zudem benötigen Sie zwei verschiedene Ausbringtechniken, wenn Sie separieren: Einen Miststreuer für die feste Phase, ein Güllefass für die flüssige. Daher rät Markus Auer, Biogasberater des Maschinenringes in Tuttlingen (Ba-

5 top agrar 5/

6 den-württemberg): Wer nicht separieren will, sollte sein Endlager mit einer Haube abdecken und mit einem Rührwerk ausrüsten. Positiver Nebeneffekt: So gewinnen Sie unter Umständen noch Restgas aus dem Substrat und können dieses verstromen. Fermenter: Grundsätzlich ist jeder Fermenter geeignet, wenn Sie das Substrat noch ausreichend rühren können. Christoph Gers-Grapperhaus von der Landwirtschaftskammer in Niedersachsen rät: Ideal sind herkömmliche Rundbzw. Güllebehälter mit einem Durchmesser von maximal 18 m und einer Höhe von 6 m. Biologie: Gras mag es warm Laut Geveke liegt die optimale Temperatur bei 48 C. Experten sprechen hierbei auch von der thermophilen Vergärung. Die meisten Biogaserzeuger arbeiten hingegen mit Temperaturen von 38 bis 43 C (mesophil). Offensichtlich lässt sich Gras aber schneller abbauen, desto wärmer es im Fermenter ist. Warum das so ist, können Geveke und andere Experten sich nicht erklären. Möglicherweise hat der Wissenschaftler Dr. Udo Hölker eine Antwort darauf: Bei hohen Temperaturen sinkt die Viskosität pektinhaltiger Susbtrate wie Gras. Daher lässt sich bei höheren Temperaturen der Mix im Fermenter besser aufrühren. Die thermophile Vergärung ist aber umstritten. Bei hohen Temperaturen steigt die Konzentration an freiem Ammoniak, warnt Effenberger. Der Umweltingenieur rät daher: Wer auf Nummer sicher gehen will, orientiert sich am oberen Ende der mesophilen Verfahrensweise mit 42 bis 43 C. Wenn Sie sich dennoch für die thermophile Vergärung entscheiden, müssen Sie noch sehr viel stärker auf den Ammoniak-Gehalt achten, als es ohnehin schon notwendig ist. Fazit Wer große Mengen Grassilage in seiner Biogasanlage einsetzen will, muss die Technik an das schwierige Substrat anpassen. Andernfalls gibt es Probleme beim Dosieren, Rühren und Pumpen. Auch die Fütterung und Ernte hat ihre Besonderheiten. So beträgt die ideale Schnittlänge des Grüns 5 bis 7 mm und die Raumbelastung sollte mit nur 2 kg ots/m 3 Fermentervolumen und Tag beginnen und erst langsam gesteigert werden. Sonst kann es zu einer Ammioniak-Hemmung der Bakterien kommen. Die Temperatur im Fermenter sollte sich am obersten Ende der mesophilen Vergärung orientieren. Diethard Rolink Der Brei muss flüssig bleiben Grassilage stellt hohe Ansprüche an die Dosiertechnik, die Pumpen und die Rührwerke. Diese Erfahrung haben auch drei Praktiker gemacht. Nur Grassilage und Gülle Michael Zäh und sein Vater Gerhard betreiben zusammen eine Biogasanlage, in der in etwa zu 50 % Grassilage eingesetzt werden. Dass die Grasvergärung mit Tücken verbunden ist, haben auch Michael und Gerhard Zäh aus Weißenburg in Bayern erfahren. Seit rund fünf Jahren vergären sie fast ausschließlich Grassilage und Gülle. Ohne Gülle lässt sich Gras nur schwer vergären Eine typische Tages-Ration für den Hauptfermenter sieht so aus: Neben 15 m 3 Grassilage werden 5 m 3 Schweine- und 10 m 3 Rindergülle gefüttert. Das Substrat für die 180-Kilowatt- Anlage bauen die Biogasprofis auf ihren eigenen Fläche an (130 ha Grünland). Der Aufwuchs wird fast zu 100 % in der Anlage vergoren. Theoretisch könnten wir auch wesentlich mehr Gras in der Anlage vergären, sagt Gerhard Zäh. Allerdings kassieren die beiden zum einen den Güllebonus. Daher müssen sie mindestens 30 % Gülle in ihren Fermentern einsetzen. Und zum anderen lässt sich das Substrat bei einem höheren Gülleanteil sehr viel besser rühren. Was passiert, wenn das Gras mit weniger Gülle verarbeitet wird, haben Zähs bereits teuer zu spüren bekommen: Da die Mixer den Brei kaum noch mischen konnten, kam es vor allem beim Anfahren der Rührwerke zu Bruch in den Getrieben. Außerdem flog beim Starten der Rührwerke immer wieder die Sicherung raus. Denn der örtliche Energieversorger hatte den Zähs einen Stromanschluss installiert, der für maximal 80 Ampere ausgelegt ist. Beim Anfahren der Rührwerke kam es 118 top agrar 5/2010

7 Matthias Brandner beschäftigt sich seit rund drei Jahren mit der Grasvergärung. Wenn er eines gelernt hat, dann das: Wer Gras vergären will, muss die Technik an das schwierige Substrat anpassen, sagt der Betriebsleiter vom Hof Oegens in Waddens (Niedersachsen). Der Milchviehbetrieb füttert seine 185 kw-hofanlage neben Rindergülle (50 %) fast komplett mit Gras. Je nach Verfügbarkeit ergänzt Mais die Mischung. Der Betrieb Oegens beschickt seinen Fermenter mit einem Schubboden. Entgegen aller Unkenrufe sind wir nach ein paar Optimierungen mit dem Gerät sehr zufrieden, zieht der Betriebsleiter Bilanz nach fast drei Jahren Betrieb. Entscheidend sind bei dieser Einbringung die diagonal angeordneten Fräswalzen am Dosierer, die das Gras aufgeloaber zu deutlich höheren Stromstärken. Daher achten die beiden Biogasprofis nun darauf, dass sie pro Tonne Gras etwa eine Tonnen Gülle hinzugeben. Im Nachhinein installierten sie zudem im zweiten Fermenter ein zweites Rührwerk. Das ist standardmäßig eigentlich nicht für diese Anlage vorgesehen. Mit der Zeit bildeten sich aber Schwimmschichten im Nachgärer, die wir nur mit einem weiteren Mixer in den Griff bekommen haben, so Michael Zäh. Probleme gab es auch mit dem Überlauf vom Nachgärer in das Endlager. Dieser war so konzipiert, das mit steigendem Flüssigkeitsspiegel im Fermenter auch mehr Substrat in das Endlager lief. Heute ist dafür eine Drehkolbenpumpe zuständig. Denn das ursprüngliche Überlauf-Prinzip war der Grasvergärung nicht gewachsen und verstopfte immer wieder. Diethard Rolink Große Rührwerke sind Pflicht Betriebsleiter Matthias Brandner hat das Gras fest im Griff. Auch wenn es steil hinauf geht: Das Förderband transportiert auf Hof Oegens das zähe Substrat seit nunmehr drei Jahren zuverlässig in den Fermenter. ckert in die Sammelschnecke befördern. Von der Sammelschnecke aus wird das Substrat per Förderband in die Stopfschnecke am Fermenter transportiert. Anfangs war ich sehr skeptisch, ob das Gras das Förderband überfordert, doch mittlerweile bin ich von dieser Lösung überzeugt. Brandner sieht den Vorteil des Förderbandes darin, dass es weniger verschleißanfällig ist als Edelstahlschnecken. Diese neigen bei hohen Grasanteilen in der Ration nämlich zum Verstopfen und verschleißen sehr schnell. Rindergülle ist am besten geeignet Im Fermenter trifft das Gras dann auf die Gülle. Rindergülle ist für das Substrat Gras definitiv der geeigneteste Part- ner, ist Brandner überzeugt. Die Gülle bindet das Gras sehr gut und hält es im Fermenter besser unten. Einige Grasvergärer setzen statt Gülle auch auf Gärreste (Rezirkulat), um den Mix im Hauptfermenter flüssig zu halten. Dazu wird ein Teil des dünnflüssigen und ausgegorenem Substrates aus dem Endlager in den Hauptfermenter gepumpt. Rezirkulat ist zwar liquider als Gülle, hat aber den Nachteil, dass das Gras dann wie Cornflakes in Milch aufschwimmt, sagt Brandner. Bei der Rührtechnik setzt der Betrieb auf langsam laufende Paddelrührwerke. Wichtig sind Rührwerke mit großen Oberflächen. Sonst wickelt das Gras an allen Ecken und Kanten, lautet die Erfahrung von Brandner. Der Betriebsleiter hat nach viel Probieren die für die Anlage passenden Laufzeiten und Geschwindigkeiten der Rührwerke gefunden. Die beiden Rührwerke laufen permanent mit 30 bzw. 50 % ihrer Nenngeschwindigkeit und wechseln stündlich die Geschwindigkeiten. Langsame Bewegungen lautet das Geheimnis bei dem zähen Substratmix. Die Rührwerke müssen das Gras nur herunterdrücken hoch kommt es von alleine. Fragt man Brandner, was er bei seiner Anlage anders gelöst hätte, muss er nicht lange überlegen: Wir haben Probleme mit massiven Schwimmschichten im Endlager. Im Moment lassen wir das Lager vor jedem Güllefahren aufwendig rühren. Um das zu umgehen, sollte man gerade bei der Grasvergärung nicht auf den Einsatz von Separatoren verzichten. Wir planen gerade die Nachrüstung eines solchen Systems. Jan-Martin Küper top agrar 5/