Auswirkungen der Biogaserzeugung auf die Eigenschaften der Gärsubstrate

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1 Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft Auswirkungen der Biogaserzeugung auf die Eigenschaften der Gärsubstrate G. REINHOLD, V. KÖNIG, L. HEROLD 116. VDLUFA-Kongress September 2004 Rostock Thüringer Ministerium für Landwirtschaft, Naturschutz und Umwelt

2 Auswirkungen der Biogaserzeugung auf die Eigenschaften der Gärsubstrate Reinhold, Gerd (Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft, Jena); König, Volkmar; Herold, Lothar 1 Problemstellung Mit der Verabschiedung des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes (EEG) am 2. April 2004 vom Bundestag und dessen Inkrafttreten am 1. August 2004 sind Rahmenbedingungen geschaffen worden, die eine breite und flächendeckende Einführung der Biogastechnologie ermöglichen. Durch die Einführung eines Zuschlages bei ausschließlichem Einsatz nachwachsender Rohstoffe, Wirtschaftsdünger und Schlempen aus landwirtschaftlichen Brennereien schafft das EEG Voraussetzungen für einen wirtschaftlichen Einsatz von Na- WaRo in den landwirtschaftlichen Biogasanlagen. In Thüringen werden zurzeit ca. 15 % der anfallenden flüssigen Wirtschaftsdünger in 38 landwirtschaftlichen Biogasanlagen ( m³ Reaktorraum, kw installierter elektrischer Leistung) anaerob behandelt. Pflanzliche Ko-Substrate machen in Thüringen zurzeit einen Anteil von 12,5 % an der zugeführten organischen Trockensubstanz aus. So werden schon ca. 20 % des Thüringer Biogases auf Basis von pflanzlichen Ko-Substraten erzeugt. Die Biogaserzeugung verändert die Nährstoffgehalte und Eigenschaften der Wirtschaftsdünger, die vom Landwirt zu beachten sind. Auch aufgrund des sich deutlich ausweitenden Umfangs der Biogaserzeugung sind für einen sachgerechten Einsatz der Biogasgülle auf landwirtschaftlichen Flächen Änderungen im Düngemanagement erforderlich. Unter Biogasgülle werden die Gärprodukte verstanden, die bei der anaeroben Behandlung von Gülle (nach EG-Verordnung 1774/2002) und/oder Pflanzen und Pflanzenbestandteilen sowie Schlempen nach EEG 8 (2) entstehen. 2 Material und Methoden Im Jahre 2003 erfolgte in Thüringen eine Erhebung an landwirtschaftlichen Biogasanlagen mit dem Ziel der Ermittlung verfahrenstechnischer und ökonomischer Parameter der landwirtschaftlichen Biogasanlagen Thüringens. Im Rahmen dieses Untersuchungsprogramms wurden auch Substratproben in den einzelnen Anlagen gezogen. Zur Charakterisierung der Ausgangssubstrate und der Biogasgülle wurde eine Untersuchung auf TS, ots, C t, N t, NH 4 -N, P, K, Mg als zielführend angesehen. Zusätzlich wurden in allen Proben noch der hygienische Status (Gesamtcoliforme Keime, E. Coli und Fäkalstreptokokken) und in den Biogasgüllen die Schwermetallgehalte bestimmt. Je Anlage wurde eine Probe des Ausgangssubstrates bzw. der Substrate und der Biogasgülle entnommen. Die Probemenge betrug jeweils 2,5 l. Bei z.t. notwendiger Beprobung der Einzelsubstrate erfolgte die Berechnung der mittleren Gehalte als gewichtetes Mittel über die Einsatzmenge. Um den Einfluss der Anlagengröße auf den Mittelwert für die untersuchten Anlagen auszugleichen, wurden alle Gehaltswerte als gewichtete Mittelwerte über die Substrateinsatzmengen berechnet.

3 3 Darstellung und Diskussion der Eigenschaftsänderungen von Biogasgülle im Vergleich zum Ausgangssubstrat Landwirtschaftliche Biogasanlagen werden meist als vollständig durchmischte Rührkesselfermentoren ausgelegt, die im mesophilen Temperaturbereich (30 40 C) bei Verweilzeiten zwischen 20 und bis zu 100 Tagen betrieben werden. Die untersuchten Anlagen sind aus verfahrenstechnischer Sicht durch eine mesophile Betriebsweise (Reaktortemperatur von 35 bis 44 C, Mittel: 38,8 C) bei Reaktorbelastung von 0,67 bis 5,49 (Mittel: 2,5 kg ots/m³ d) und Verweilzeiten zwischen 21,5 und 135 Tagen (Mittel 50,4 d) zu charakterisieren (Abb. 1). 6 Reaktorbelastung (kg/m³ d) Abbildung 1: Reaktorbelastung der Thüringer Biogasanlagen (kg organische Trockensubstanz pro m³ Reaktorvolumen und Tag) Die 2003 durchgeführte Erhebung in den Thüringer Biogasanlagen zeigt, dass 48 % der Anlagen ausschließlich auf Basis von Wirtschaftsdüngern betrieben werden. Hierbei handelt es sich vorrangig um Anlagen, die erst seit einem oder zwei Jahren in Betrieb sind. In 41 % der Anlagen werden zusätzlich zum Wirtschaftsdünger betriebliche Reststoffe und nachwachsende Rohstoffe eingesetzt. Der Einsatz von Abfällen nach Bioabfallverordnung erfolgt nur in 11 % der Anlagen (Abb. 2). Zirka 12,5 % der für die Biogaserzeugung eingesetzten organischen Trockensubstanz (ots) stammen aus dem Anbau von Feldfrüchten. Dies bildet somit schon heute die Grundlage für 20 % der Thüringer Biogasproduktion. WD, NAWARO + Material n. BioAbfV WD + Reststoffe+ NAWARO WD (Wirtschaftsdünger) Abbildung 2: Substrateinsatz in den Thüringer Biogasanlagen (NAWARO = nachwachsende Rohstoffe)

4 Im Einzelnen sind folgende für den Landwirt wesentliche Eigenschaftsänderungen festgestellt worden: - Trockensubstanzverringerung durch Abbau von organischer Substanz Die Konvertierung von organisch gebundenem Kohlenstoff zu Methan führt in den Substraten zu einer deutlichen Reduktion des Trockensubstanzgehaltes. Der Anteil der organischen Trockensubstanz an der Gesamttrockensubstanz sinkt. Im Einzelnen ist bei einem Trockensubstanzgehalt im Ausgangssubstrat von 11,3 g/l und in der Biogasgülle von 5,58 g/l ein mittlerer Abbau von 50 % festzustellen. Da Wirtschaftsdünger verweilzeitabhängig von 30 bis 50 % und die landwirtschaftlichen Ko-Substrate in der Größenordnung von 50 bis 80 % abgebaut werden, ist dieses Ergebnis für die zur Anwendung kommende mittlere hydraulische Verweilzeit von 51 Tagen (ohne Nachgärbehälter 38,3 Tage) plausibel. Die mittlere Reaktorbelastung betrug in den untersuchten Anlagen 2,48 kg/m³ d. Der TS-Abbau führt zur deutlichen Reduktion des organischen Anteils an der Trockensubstanz (Abbau im Mittel von 80,9 % auf 70,4 %). Durch den Kohlenstoffabbau von 48,3 g/l auf 20,4 g/l ergibt sich eine deutliche Verengung des C : N-Verhältnisses. Infolge des geringeren Trockensubstanzgehaltes und der besseren Fließfähigkeit durch geringere Viskosität ist ein schnelleres Infiltrieren der flüssigen Wirtschaftsdünger in den Boden bei Applikation zu erwarten. Da Biogasgülle weniger an den Pflanzen haftet, sind gute Voraussetzungen zur Vermeidung von Stickstoffverlusten gegeben. Die Verringerung des TS-Gehaltes und das mehrfache Pumpen der Wirtschaftsdünger in der Biogasanlage führen zu einer verbesserten Homogenität und einer deutlichen Verminderung der Gefahr von technologischen Störungen (Verstopfungen) bei der Ausbringung. - Veränderung der Stickstoffgehalte und -bindungsformen Prinzipiell werden während der Biogaserzeugung keine Stickstoffverluste verursacht. Allerdings besteht die Gefahr, dass z.b. durch Durchmischungsvorgänge in der Vorgrube bzw. während des Zuflusses zum Lagerbehälter Verluste auftreten. Hieraus lässt sich wenigstens zum Teil der Unterschied im Stickstoffgehalt zwischen Ausgangssubstrat (0,495 %) und Biogasgülle (0,418 %) erklären. Bei Analyse der Einzelwerte zeigt sich zwischen den Anlagen ein sehr differenziertes Bild. Die Mehrzahl der Anlagen weist kein bzw. kaum N-Verluste aus. Dagegen sind bei einzelnen Anlagen hohe Verluste von bis zu 50 % feststellbar. Dies zeigt, dass durch geeignete Maßnahmen in den einzelnen Anlagen N-Verluste minimiert werden können (Abb. 3). Nt (% in der FM) Ausgangssubstrat Biogasgülle 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Abbildung 3: Stickstoffgehalte von Ausgangssubstrat und Biogasgülle Einzelanlage

5 Der Abbau von organischer Substanz bewirkt die Mineralisierung von organisch gebundenem Stickstoff. Somit ist mit einer Anreicherung des als Ammonium vorliegenden Stickstoffs in der Biogasgülle zu rechnen, welches durch die Untersuchungsergebnisse auch bestätigt wird. Der Anteil des NH 4 -N am N t erhöht sich von 42,9 % auf 63,5 % (Abb. 4). NH 4 -N / N Ausgangssubstrat Biogasgülle 100% 80% 60% 40% 20% 0% Einzelanlage Abbildung 4: Anteil des NH 4 -N am Gesamt N Somit ist eine höhere und kurzfristige Stickstoffdüngewirkung beim Einsatz von Biogasgülle im Vergleich zu Rohgülle zu erwarten. Der Gefahr erhöhter gasförmiger Stickstoffverluste ist durch Einsatz emissionsarmer Applikationstechnik und Beachtung des pflanzenbedarfsgerechten Düngezeitpunktes entgegenzuwirken. - Erhöhung des ph-wertes Durch die Biogaserzeugung steigt der ph-wert der Wirtschaftsdünger vom schwach sauren Niveau (6,6) in den alkalischen Bereich (7,9). Der Anstieg des ph-wertes führt infolge der geringeren Löslichkeit von Ammoniak zum Risiko gasförmiger Stickstoffverluste (Abb. 5). ph-wert Ausgangssubstrat Biogasgülle Einzelanlage Abbildung 5: Veränderungen des ph-wertes - Abbau von flüchtigen Fettsäuren Die Konvertierung von organisch gebundenem Kohlenstoff zu Biogas erfolgt zu hohen Anteilen über flüchtige Fettsäuren (C 2 - C 6 ). Der Grad des Abbaus der Fettsäuren ist als Indikator für die Stärke des Abbauprozesses in der Biogasanlage nutzbar.

6 Hohe Fettsäurewerte in der Biogasgülle zeigen Reserven in der Ausnutzung der organischen Substanz und Instabilitäten des Prozesses an. Im Mittel ist ein Abbau der flüchtigen Fettsäuren (C 2 - C 6 ) von 7470 mg/l auf 450 mg/l festzustellen. Daraus resultiert eine geringere Viskosität und ein schnelleres Abtropfen der Wirtschaftsdünger von den Pflanzen und dementsprechend eine Verringerung der Gefahr von Ätzschäden. - Erhöhung der Leitfähigkeit Die Leitfähigkeit als Indikator für den Salzgehalt wird deutlich von 0,92 auf 1,19 % KCl erhöht. - Schwefelgehalt Der Gehalt an Schwefel der Wirtschaftsdünger ist neben der Düngewirkung für die Biogasanlage aus technischer Sicht von hohem Interesse. Schwefelverbindungen treten im Biogas als Schwefelwasserstoff auf und werden bei der Biogasverwertung in Verbrennungsmotoren zu schwefliger Säure bzw. zu Schwefelsäure reduziert. Die festgestellte Verringerung des Schwefelgehaltes von 0,062 auf 0,049 % der Frischmasse zeigt, dass mit dem Biogas dem Wirtschaftsdünger Schwefel entzogen wurde und die meist eingesetzten biologischen Entschwefelungsanlagen keine vollständige Entschwefelung erreichen. - Hygienisierungswirkung Der hygienische Status der Biogasgülle ist deutlich besser als der von Rohgülle. Keimabbauraten bei Coliformen Keimen betragen bei einem Ausgangsniveau von 2,56 * 10 5 KBE (Kolonie bildende Einheiten) im Mittel 2,6 Zehnerpotenzen. Fäkalstreptokokken werden im Mittel um 1,88 Zehnerpotenzen reduziert (Ausgangswert 2,4 *10 6 ). - Schwermetallgehalte Die in den Ausgangsstoffen vorhandenen Schwermetalle verbleiben in der Biogasgülle. Der Abbau von organischer Trockensubstanz führt zu einer Erhöhung des auf Trockensubstanz bezogenen Schwermetallgehaltes (mg/kg TS). In Abhängigkeit vom Schwermetallgehalt der Ausgangssubstrate kann es unter Umständen zur Grenzwertüberschreitung bei einzelnen Schwermetallen kommen. Die Schwermetallfracht wird dabei nicht verändert. Alle beschriebenen Eigenschaftsänderungen der Biogasgülle verstärken sich mit zunehmender Verweilzeit des Substrates in der Biogasanlage. Steigende Reaktorbelastung in der Biogasanlage (gemessen in kg organische Trockensubstanz pro m³ Reaktorvolumen und Tag) schwächen die Eigenschaftsänderungen ab. Eine Zusammenfassung der gemessenen Eigenschaftsänderungen enthält Tabelle 1.

7 Tabelle 1: Substratinhaltsstoffe vor und nach der Biogaserzeugung (n = 24) Parameter Einheit Ausgangssubstrat Biogasgülle gewichtetes Mittel s % gewichtetes Mittel s % TS % 11,3 39,5 5,58 31,1 ots % 9,04 42,2 3,82 32,3 ots-anteil % der TS 80,9 6,4 70,4 10,3 C g/l 48,3 42,6 20,4 33,6 ph - 6,60 10,8 7,86 2,9 N t % in FM 0,495 28,7 0,418 17,1 NH 4 -N % in FM 0,239 44,2 0,267 25,8 NH 4 -Anteil % d. Nt 48,3 33,2 62,8 18,2 Leitfähigkeit % KCl 0,92 34,6 1,19 21,8 Schwefel % der FM 0,062 31,9 0,049 38,9 4 Empfehlungen für den Einsatz von Biogasgülle als Wirtschaftsdünger - Anforderungen an die Lagerung In ca. 50 % der Thüringer Biogasanlagen gelangt die Biogasgülle erst über einen Nachgärbehälter in die Lagerstätte. Im Nachgärbehälter findet ein Abkühlen der Gülle statt, so dass unter diesen Bedingungen temperaturbedingte Stickstoffverluste reduziert werden. Bei der Einleitung der Gülle in das Lagerbecken ist darauf zu achten, dass die Biogasgülle unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche eingebracht wird. Dadurch werden Stickstoffverluste und Geruchsemissionen vermindert. Auf Grund des erhöhten ph-wertes und der veränderten Stickstoffbindungsformen sind Maßnahmen zur Emissionsminderung bei der Lagerung (Abdeckung, Nutzung natürlicher Schwimmschichten, Vermeidung von Windangriffsflächen auf die Gülleoberfläche,...) empfehlenswert. Der Einsatz organischer Stoffe als Schwimmschichtersatz (z.b. Strohhäckselaufbringung) ist nicht von Vorteil, da dadurch eine erneute Methanbildung angeregt wird. Der Einsatz von Ko-Substraten führt mit der Zuführung zusätzlicher Substratmengen zu einer Reduzierung der Verweilzeiten in der Biogasanlage. Die sich ergebende Erhöhung des Lagerraumbedarfes für den Landwirt muss beachtet werden. - Nährstoffgehalte von Biogasgülle Die Ermittlung der Nährstoffgehalte der Biogasgülle ist auf Basis der vorhandenen Richtwerte für Wirtschaftsdünger sinnvoll. Beim Einsatz von zusätzlichen Substraten sind die in den Ko-Substraten enthaltenen Nährstoffe mit anzurechnen. Hierfür sollten die Entzugsrichtwerte der eingesetzten Fruchtarten Anwendung finden. Die Ermittlung der Nährstoffgehalte durch Analysen von Proben der Biogasgülle sollte die rechnerische Ermittlung nach Richtwerten ergänzen, ohne diese ersetzen zu können. Besonders beim Einsatz von Geflügelkot und bei umfangreichem Einsatz von Silage in der Biogaserzeugung ist mit deutlich gestiegenen Stickstoffgehalten in der Biogasgülle im Vergleich zu Rohgülle zu kalkulieren. Dementsprechend ist eine sachgerechte Nährstoffbewertung der Biogasgülle als Voraussetzung für die Festlegung der Gabenhöhe bei der Düngung eine wichtige Maßnahme.

8 Die sachgerechte Nährstoffermittlung bildet auch die Grundlage für eine Deklaration der Stoffe nach Düngeverordnung (DüV) bei dem In-Verkehr-Bringen z.b. in benachbarten Betrieben bzw. im Rahmen von Gemeinschaftsbiogasanlagen. - Einsatzmengen Die Einsatzmengen sind entsprechend dem Bedarf der Pflanzen, unter Beachtung des N min -Gehaltes im Boden und einem möglichst nicht zu überschreitenden Anteil der Wirtschaftsdünger von 50 % an der Stickstoffzufuhr anzupassen. Die zulässigen Höchstmengen nach DüV sind zu beachten. Das betrifft insbesondere die Begrenzung des Wirtschaftsdüngereinsatzes im Mittel des Betriebes auf maximal 170 kg N/ha auf Ackerland sowie 210 kg N/ha auf Grünland, wobei Ausbringungsverluste hier nicht zu berücksichtigen sind. Weiterhin gilt die Begrenzung der Ausbringmenge nach der Ernte auf maximal 80 kg Gesamt-N/ha bzw. 40 kg NH 4 -N/ha auch für Biogasgülle. Infolge des gestiegenen Anteils an Ammonium ist bei Einsatz nach der Ernte der Hauptfrucht die deutliche Mengenreduzierung im Vergleich zum Einsatz von unbehandelter Gülle zu beachten. - Applikationsverfahren für Biogasgülle Bei der Ausbringung von Biogasgülle ist verstärkt auf den Einsatz emissionsmindernder und emissionsarmer Verfahren (Schleppschlauch und Gleitfuß) bzw. weitgehend emissionsfreier Verfahren (Grubber und Schlitzgeräte) zu orientieren. Beim Einsatz auf unbewachsenem Boden bzw. bei Breitverteilung ist eine unmittelbar folgende Einarbeitung zwingend. Die Gabenhöhen sind im Vergleich zur Rohgülle entsprechend der ermittelten Nährstoffgehalte und dem Bedarf der Pflanzen zu korrigieren. Hinsichtlich der Einsatzzeit der Wirtschaftsdünger werden die optimalen Zeitspannen kürzer. Der Einsatz in der Vegetationszeit ist einem Einsatz nach der Ernte der Hauptfrucht deutlich vorzuziehen. Die schnellere Wirkung des Stickstoffs und die reduzierte Gefahr von Ätzschäden wirken hierbei als weitere Vorteile. 5 Ausblick Mit der Verabschiedung des EEG werden die Voraussetzungen zum deutlich erweiterten Einsatz der Biogastechnologien in der Landwirtschaft geschaffen. Die sich aus der Veränderung der Substrateigenschaften ableitenden Anforderungen an den Einsatz der Biogasgüllen sind durch den Landwirt zu beachten und in der landwirtschaftlichen Düngepraxis umzusetzen. Prinzipiell bietet die Biogastechnologie Möglichkeiten zur Verbesserung der Düngewirkung der Wirtschaftsdünger. Dabei können allerdings auch Nährstoffverluste auftreten, die durch geeignete Maßnahmen zu reduzieren sind.