Wirkung der Silagequalität auf den ökonomischen Erfolg der Biogasanlage

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1 Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft Wirkung der Silagequalität auf den ökonomischen Erfolg der Biogasanlage G. Reinhold, W. Peyker Vortrag auf der 6. Tagung des Fachverband Biogas am.. in Leipzig Thüringer Ministerium für Landwirtschaft, Naturschutz und Umwelt

2 Wirkung der Silagequalität auf den ökonomischen Erfolg der Biogasanlage G. Reinhold, W. Peykter Naumburger Straße 8 Jena Tel Fax g.reinhold@jena.tll.de. Problemstellung Die Biogaserzeugung auf Basis nachwachsender Rohstoffe gewinnt für die Landwirtschaft deutlich an Bedeutung. Während bis vorrangig Wirtschaftsdünger, organische Rest- und Abfallstoffe aus den Landwirtschaftsbetrieben und Bioabfälle zum Einsatz kamen, gewinnt seit der Novellierung des EEG der Einsatz von Feldfrüchten (Silage und Getreide) deutlich an Bedeutung. In der öffentlichen Diskussion wird jedoch fast nur über den Einsatz von Mais als Ko-Substrat gesprochen. In Thüringen ist aber nachweislich ein breiter Substratmix, der den Bedingungen der Landwirtschaftsbetriebe angepasst ist, im Einsatz. Maissilage und Getreide haben hier ähnliche Anteile an der Gasbildung. Die Monofermentation gewinnt - auch aufgrund der Auslegung des Innovationsbonus - deutlich an Bedeutung. Deshalb kommt in vielen dieser Anlagen die Ackerfutterpflanze Mais als Substrat zum Einsatz. Die Vorzüge von Mais liegen u.a. in seinem hohen Ertragspotential, der günstigen technologischen Eignung, der relativ leichten Konservierbarkeit und den verschiedenen Nutzungsmöglichkeiten als Silage und als Korn. Anwelksilage wird in deutlich geringerem Umfang eingesetzt und auch die Verwendung von Ganzpflanzensilage findet zur Zeit nur in einem begrenztem Umfang statt. Bei Orientierung der Biogasanlagen auf das Substrat Maissilage, gewinnt die Silagequalität deutlich an Bedeutung, da Silierverluste und Silierqualität den ökonomischen Erfolg der Biogasanlage beeinflussen. Da die Biogasanlagen erheblich auf Qualitätsschwankungen reagieren, sind nährstoffreiche, leicht verdauliche und schimmelfreie Silagen eine Grundvoraussetzung für einen hohen Gasertrag. Nacherwärmung und qualitätsgeminderte Silagen bedeuten hohen Verluste. Aber auch die reinen Mengenverluste sind nicht zu unterschätzen. Ziel dieses Beitrages ist es, die Einflussfaktoren auf die Silagequalität darzustellen und Ansatzpunkte zur Sicherung einer stabilen Qualität zu liefern. Des Weiteren werden die Auswirkungen von Mängeln bei der Silierung auf den ökonomischen Erfolg der Biogaserzeugung dargestellt.. Einflussfaktoren auf die Silagequalität.. Silagebedarf Der Substratbedarf einer Biogasanlage errechnet sich aus der installierten Leistung unter Beachtung der unterstellten Volllaststunden pro Jahr, der Gasausbeute der Substrate, dem erwarteten Methangehalt und dem realisierten elektrischen Wirkungsgrad der Blockheizkraftwerke. Für das erste Betriebsjahr werden diese Unterstellungen aus den oft optimistischen Planungsdaten der Biogasanlagen übernommen und dann jährlich dem Ist-Bedarf angepasst. Durch die Unkenntnis der Ertragshöhe und der Silierungsverluste entstehen zusätzliche Unsicherheiten. Bei der Festlegung des Silagebedarfes ist aufgrund witterungs- und sortenbedingter Ertragsschwankungen ein Sicherheitszuschlag von mindestens % zu unterstellen (Tabelle ).

3 Tab. : Ertrag der Landessortenversuche Ostdeutschlands auf unterschiedlichen Standorten 6 Mittel s % Anbaugebiet D-Süd Trockenmasseertrag (dt/ha), 8,8 88,8 8, 6, % Trockensubstanzgehalt (%) 6,,,,8,8,, % Anzahl Orte 8 6 Anbaugebiet Lö-Standorte Trockenmasseertrag (dt/ha) 8, 86, 6, 8, 8,, 8,6 % Trockensubstanzgehalt (%),,,,6,,, 8% Anzahl Orte 8 Auf ertragsschwachen Standorten ist die Ertragsvariabilität deutlich höher als auf ertragsstarken. Zusätzlich ist zu bedenken, dass für eine ordnungsgemäße Silierung ein Zeitraum von mindestens sechs Wochen erforderlich ist. Damit steht erst sechs Wochen nach Schließung des Silos eine qualitativ hochwertige Silage zur Verfügung. Hierausfolgend ist mit zusätzlicher Silierkapazität zu planen. Fehlberechnungen der Silierungskapazität führen dazu, dass z.b. Freigärhaufen angelegt werden müssen, die in der Qualität zu deutlichen Mängeln mit reduzierter Gasausbeute führen (Abb. ). Abb. : Freigärhaufen zu Sicherung der Silierkapazität.. Sortenwahl und Erntezeitpunkt Die Züchtung verfolgt zurzeit zwei Strategien. Es wird versucht, das Leistungspotential sehr spätreifer Sorten zu nutzen, die aber Probleme bei der Anpassung an unser deutlich kühleres Klima haben. Durch die Einkreuzung exotischer Herkünfte sollte ein deutlich höheres Ertragspotential erreicht werden. Bei dieser Züchtungsstrategie wurde ein sehr hoher Gehalt an leicht löslichen Kohlenhydraten im Erntegut angestrebt und weniger stark auf abgereifte Körner Wert gelegt. Andere Züchter gehen von der Ansicht aus, dass Anforderungen zwischen Rinderfütterung und Biogasanlage nicht wesentlich unterschiedlich sind. Bei diesen Nutzungsrichtungen steht die Verdaulichkeit der organischen Substanz im Vordergrund. Pflanzen mit hohem Kolbenanteil sind stärkehaltiger und verfügen damit über höhere Abbauraten im Biogasprozess. Insgesamt besteht das Ziel der Energiemaiszüchtung, Sorten mit hohem Ertrag je Hektar bei gleichzeitig hoher Gasausbeute pro kg organischer Masse zu entwickeln. Ziel der züchterischen Arbeit ist, dass mit steigendem Trockensubstanzgehalt, d.h. bei späterer Ernte, der Stärkegehalt, und die Verdaulichkeit steigen. Das Verholzen der Restpflanze ist durch höhere Assimilateinlagerung in das Korn zu kompensieren (Abb. ). Für die Sortenwahl aus Sicht des Landwirtes ist es wichtig, an den Standort angepasste Sorten auszuwählen, wie auch die Untersuchungen von KAISER () belegen.

4 Abb. : Zusammenhang zwischen TS-, Stärkegehalt und Verdaulichkeit (ELOS enzymlösliche organische Substanz) bei unterschiedlichen Maissorten Sortenguppe A Stärke% 6 TS% Sortengruppe B Abb. Stärke% 6 TS% ELOS% Stärke% Abb. ELOS% Stärke% Qualitativ hochwertige Silage lässt sich nur bei Ernte im Trockensubstanzgehalt zwischen 8 und % erzeugen. Unterhalb dieser Trockensubstanzgehalte sind Sickerwasserverluste zu erwarten und Ertragseinbußen möglich. Oberhalb von % Trockensubstanz besteht die Gefahr einer ungenügenden Verdichtung mit den Folgen der Nachgärung. Aufgrund des Kostendrucks und des hohen Bedarfes der einzelnen landwirtschaftlichen Biogasanlagen ist eine Ernte in diesem Optimalbereich oftmals nicht möglich, so dass hier schon erste Qualitätsmängel produziert werden. Neben der Kapazität der Häcksler stellt sich in der Praxis die Silierkapazität als Problem dar. Der Aufwand für das Festfahren der Silage von Minuten pro Tonne wird oftmals ungenügend beachtet. Für die Biogaserzeugung sind minimale Häcksellängen ( mm theoretische Häcksellänge) anzustreben, die z.t. zur Leistungsminderung bei der Ernte führen können. Im Gegensatz zur Tierfütterung, wo von mm Häcksellänge aufgrund der Futteraufnahme ausgegangen wird, bietet diese kurze Häcksellänge den Vorteil einer besseren Silierung, da eine leichtere Verdichtung möglich ist... Silierverfahren Während sich bei der Verwendung von Silage im Tierproduktionsbereich der Betriebsstruktur angepasste Silogrößen entwickelt haben, ist bei der Biogaserzeugung eine von der Betriebsfläche unabhängige Silogröße festzustellen. Landwirte bauen Biogasanlagen entsprechend technischen und rechtlichen Bedingungen, so dass sich die KW-Anlage als Standardmodell in vielen Regionen etabliert hat. Die Substratzulieferung wird über den Einkauf geregelt und die Siloanlage zusammen mit der Biogasanlage errichtet. Aufgrund des Kostendruckes bei der Investition werden oft Abstriche von optimalen Silogrößen und Silogestaltung hingenommen. In der Tierhaltung sind Siloanlagen mit zwei horizontalen Wänden Standard. Für die Biogasanlage wird oft nur eine einfache, im Einzelfall nicht einmal betonierte oder bitumierte Fläche angelegt und diese oftmals ohne eine Seitenwand. Abflussrinnen für Silosickersaft und anfallendes Oberflächenwasser werden ungenügend eingebaut. Oft wird auch nur eine einzige Siloanlage errichtet, so dass zum Zeitpunkt der Ernte z.t. an den vorhandenen Restsilostock ansiliert wird.

5 Aus Kostengründen wird oft der notwendige Siloraum für den Ausgleich von Ertragsunterschieden und für die Silierzeitüberbrückung nicht gebaut. Eine zu geringe Silogrundfläche wird über Erhöhung des Silagestockes versucht auszugleichen. Bei Maissilage mit % TS ist bei üblichen Stapelhöhen kein Sickerwasseranfall festzustellen. Gesteigerten Silagehöhen führen neben der Variabilität in der Lagerungsdichte der Silage auch zu beträchtlichen Sickerwassermengen und damit zu Verlusten (Abb. ). Auch wenn diese Silosickersaftmengen der Biogaserzeugung zugeführt werden, ist doch besonders bei nicht vorhandenen Seitenwänden mit einer Verstärkung der Rand- und Oberflächenverluste zu rechnen. Abb. : Sickerwasseranfall in Abhängigkeit von der Stapelhöhe (Peters und Weißbach, ) Sickerwasseranfall (l/m³) m 6 m m 8 m TS-Gehalt (%) Der Anfall von Silosickerwasser ist stark abhängig vom Trockensubstanzgehalt zum Erntezeitpunkt und der Stapelhöhe. Weiterhin ist zu beachten, dass ca. 6 % des Silosickersaftes in den ersten zwei bis vier Wochen anfallen. Entsprechende Dimensionierung der Sickerwassergruben sind hier Grundvoraussetzung, um Gefahren für die Umwelt zu minimieren. Bei der Dimensionierung der Sickergruben ist auch mit Starkniederschlägen zu kalkulieren, da diese Flächen auch zu hohen Wasseranfallsmengen führen. Ausgehend vom Silagebedarf der verfügbaren Häckselkapazität und besonders der Kapazität für das Verdichten der Silage ist mit einer längeren Befüllzeit des Silos zu rechnen. Hierbei ist täglich eine Teilabdeckung erforderlich, da eine ordnungsgemäße Silierung nur unter Luftabschluss erfolgen kann. Anhand der im Folgenden dargestellten unterschiedlichen chemischen Vorgänge bei Milchsäuregärung und Glukoseoxidation (Atmung): Milchsäuregärung: C 6 H O 6 CH -CHOH-COOH + kj Oxidation: C 6 H O O 6 CO + 6 H O + 8 kj ist zu erkennen, dass bei der Glukoseoxidation eine beträchtliche Menge an Energie frei wird. Die hier freiwerdende Wärmeenergie stellt sich als Trockenmasseverlust dar und führt zur Erwärmung der Silage. Erwärmung von Silage zeigt einerseits Oxidationsprozesse und andererseits ist sie ein deutlicher Indikator für den Verlust an organischer Substanz. Dies führt zur Wertminderung der Silage, da bei konstantem Kostenaufwand weniger vergärbare ots verfügbar ist. Die Abdeckung des Silostockes ist kosten- und zeitintensiv. Deshalb wurden besonders in den letzen Jahren Varianten zur Aufwandsminimierung getestet (Abb. ). Durch Einsaat von Roggen wurde versucht, den Aufwand für die Siloabdeckung zu vermeiden. Vielfältige Untersuchungen belegen, dass dies zu erheblichen Silierverlusten führt. Durch das Eindringen von Niederschlagswasser ist eine starke Auswaschung festzustellen und da kein sofortiger Luftabschluss realisiert wird, ist neben der Erwärmung oft auch eine starke Schimmelbildung in der oberen Schicht möglich. Die Störung der

6 Milchsäuregärung führt zu beschriebenen Qualitätsverlusten. Mindergaserträge von bis % sind in der oberen Schicht keine Seltenheit (Quelle: Karl Meyer, LK Steiermark). Zusätzlich können diese auch optisch an der Verfärbung erkennbaren Schichten zu Störungen der Gärbiologie, mit Verminderung der Methanerträge, Schaumbildung und ähnlichem führen. Das bei der Siloabdeckung eingesparte Geld wird hier oftmals doppelt und dreifach wieder verloren. Auch wenn im Einzelfall die Einsaat von Roggen als Abdeckung für Siloanlagen nicht zu gravierenden Qualitätsmängel geführt hat, so kann dieses Verfahren in der Breite auf keinen Fall empfohlen werden. Abb. : Abdeckungsvarianten bei unterschiedlichen Silos A - Freigärhaufen mit Begrünung, B - Freigärhaufen mit Folieabdeckung, C - gut bewirtschaftetes Horizontalsilo A B C.. Entnahme der Silage und Einbringung in die Biogasanlage Prinzipiell sind Anschnittsflächen zu minimieren. Ein Mindestvorschub im Winter von, und im Sommer von, m pro Woche bei glatten Anschnittflächen sind erforderlich, um die Verluste durch Nacherwärmung gering zu halten. Die Nacherwärmung erfolgt durch das Eindringen von Sauerstoff und den bereits dargestellten chemischen Vorgängen. Ein Temperaturanstieg um C z.b. führt zu % Trockenmasse und, % Energieverlust pro Tag (Quelle: AGRAVIS aktuell /6). Für Biogasanlagen ist die Siloanlage so zu dimensionieren, dass ein Vorschub von, m pro Woche mindestens erreicht wird, da ganzjährig gleichmäßiger Silagebedarf besteht. Dieses erfordert entsprechend der Anlagengröße die Begrenzung der Breite des Silostockes in Abhängigkeit von der Silobauform und der Stapelhöhe (Tab. ). Tab. : Maximale Breiten des Silostockes in Abhängigkeit von der Anlagengröße und der Stapelhöhe (Sommerbedingungen, m Vorschub pro Woche) Anlagenleistung kw kw kw kw kw m Stapelhöhe 8 m Stapelhöhe Silobauform: Maximale Silobreite Seitenwände,,8, 6,, Seitenwand 6, 8,,,, keine Seitenwand 8,,8,,,

7 Bei der Anlage des Silostocks ist schon auf Minimierung der Anschnittsfläche zu achten, was auch durch die Forderung eines ausreichenden Vorschubs ausgedrückt wird. Besonders bei großen Siloanlagen ohne Seitenwände ist eine deutliche Vergrößerung der Anschnittsfläche gegeben, wenn auf einer oft fast quadratischen Grundfläche nur ein Silostock angelegt wird. Aus Sicht der Biogasanlagen-Betreiber wird versucht, den Arbeitsaufwand für die Biogasanlage zu minimieren, indem die Silageentnahme nur alle ein bis zwei Tage erfolgt. Bei territorialem Abstand zwischen Silo und Biogasanlage sind auch Fälle bekannt bei denen das Substrat Silage nur alle bis Tage vom externen Silo zur Biogasanlage gebracht wird. Das Einbringen der Silage erfolgt meistens über Dosierer, deren Kapazität oftmals sehr groß gewählt wird. Mit der Zielrichtung, nur alle zwei Tage Silage zu transportieren, wird hier versucht, eine Minimierung des Arbeitsaufwandes zu erreichen. In der Tierfütterung ist bekannt, dass eine Futtervorlage länger als Stunden ebenfalls zu deutlichen Qualitätsmängeln führt. Nacherwärmung der Silage, Trockensubstanzverluste und Qualitätsverluste sind hier vorprogrammiert. Weiter ist bei der Entnahme zu beachten, dass nur der Teil des Silagestockes abgedeckt wird, der auch zum Einsatz kommt, um ein Lufteindringen zu reduzieren... Variabilität der Silagequalität Ausgehend von einer 6 durchgeführten Beprobung Thüringer Biogasanlagen, konnte die Beurteilung der Silagequalität erfolgen (Abb. und 6). Anhand der unterschiedlichen TS-Gehalte zeigt sich, dass eine Abrechnung über den Frischmassebezug bei unterschiedlichen Anlagen ungeeignet ist. Die Variabilität der ots-gehalte deutet auf Ernte- bzw. Siliermängel hin. Diese zeigen sich auch an den unterschiedlichen Gehalten an organischem Kohlenstoff. Während bei den Rohfaser- und den Rohproteingehalten nur eine geringe Variabilität festzustellen ist, bestehen hinsichtlich Asche- und Stärkegehalt große Unterschiede zwischen den untersuchten Silagen. Bei Anwelksilage, die auch in vielen Biogasanlagen zum Einsatz kommt ist die Variabilität noch deutlich höher. Abbildung : Variabilität von Maissilage (TS, ots, org. C und N ges ) in Thüringer Biogasanlagen 6 TS-Gehalt (%) org. Kohlenstoff (% d FM) N ges. ( % d. FM),,8,,6,,,,, ots (% der TS)

8 Abb. 6 : Variabilität der Maissilage (Rohprotein, Rohfaser, Rohasche und Stärke) in Thüringer Biogasanlagen 6 Rohprotein (% korr.tm) Rohfaser (% korr.tm) 8 6 Rohasche (% korr.tm) 8 6 Stärke (% korr.tm). Ökonomische Bewertung der Silagequalität Die Erlössituation in den Biogasanlage wird durch die vorhandenen betrieblichen Bedingungen (Anteil Wirtschaftsdünger), die Anlagengröße (Vergütungshöhe, Größendegression im investiven Bereich,...) und technologischen Bedingungen in der Biogasanlage (z.b. BHKW-Wirkungsgrad, Volllaststunden im Jahr,...) wesentlich beeinflusst. Damit ergeben sich unterschiedliche Grenzkosten für das Substrat. Unter den Grenzkosten sind die Kosten zu verstehen, für welche der Biogasanlagenbetreiber die Silage bei vollständiger Befriedigung aller anderen Ansprüche kaufen kann. Diese Grenzkosten bzw. Grenzpreise werden sehr stark durch die substratspezifische Methanausbeute bestimmt. Mängel bei der Ernte, der Silierung und bei der Anlagenfütterung führen in der Regel zur Verminderung der Gasausbeute. Somit lässt sich kalkulativ durch Variation der Methanausbeute gut am Grenzpreis die ökonomische Wirkung reduzierter Silagequalität darstellen. Folgende Unterstellungen fanden Anwendung: - Grundsubstrat. Rindergülle (8% TS), Ko-Substrat Maissilage, t/d - kw Anlage, mit. m³ Reaktorvolumen - Reaktorbelastung, kg ots/m³ d - Inbetriebnahme 6 - Elektrischer Wirkungsgrad % (Variation:..., %) - Wärmenutzung kw (Variation:... kw, ohne Wärmevergütung, nur KWK-Bonus) - Volllaststunden h/a (Variation 8 h/a). Schon eine relativ kleine Variation der Methanausbeute im Bereich von bis l Methan/kg ots zeigt am Silagegrenzpreis die Bedeutung von hoher Silagequalität. Während eine Anlage mit sehr guter Silagequalität ( l/kg ots) mit % Wirkungsgrad, ohne Wärmenutzung noch, /dt Maissilage zahlen kann, sinkt dieser Grenzpreis auf nur, /dt. Kommen weitere Verfahrensmängel wie geringer elektrischer Wirkungsgrad hinzu, bzw. sind hohe Investitionen (> /kw) getätigt worden, so sinken die Grenzkosten schnell unter die Herstellungskosten für Maissilage (Abb. ). Positive Standortfaktoren wie z.b. eine hohe Wärmenutzung erhöhen den Grenzpreis. Hierbei ist nur der KWK-Bonus in Ansatz gebracht, ohne dass eine Vergütung der Wärme erfolgt.

9 Abb. : Wirkung verminderter Silagequalität auf den Grenzpreis von Maissilage bei Variation des elektrischen Wirkungsgrades (A), der Wärmenutzung (B), der Volllaststundenanzahl (C) und der Belastung durch das Zinsniveau (D) A), Methanausbeute l/kg l/kg l/kg C), Methanausbeute l/kg l/kg l/kg Grenzpreis Mais /dt FM, Grenzpreis Mais /dt FM,,, Wirkungsgrad % % % % % % % % % % Volllaststunden h/a B), Methanausbeute l/kg l/kg l/kg D), Methanausbeute l/kg l/kg l/kg Grenzpreis Mais /dt FM, Grenzpreis Mais /dt FM,, Wärmenutzung kw, Zinssatz % % % % % % % % % % Die in der Anlage realisierten Volllaststunden beeinflussen den Grenzpreis nur unwesentlich, wenn durch Gasspeicherung und Teillastbetrieb erreicht wird, dass kein Gas abgefackelt wird. Eine Monovergärung von Silage führt zu einer noch stärkeren Bedeutung hoher Silagequalität. Dies gilt auch, wenn die Einstufung der Anlage als Trockenvergärung den möglichen Grenzpreis nach o- ben verschiebt. Hohe Silagequalität als Voraussetzung für hohe Gaserträge bei geringen Silierverlusten lässt sich nur erreichen, wenn alle Faktoren optimal gestaltet werden. Dies beginnt bei der Wahl einer standortangepassten Sorte (mit hoher Ertragsleistung), die zum optimalen Zeitpunkt (TS 8... %), mit minimaler Häcksellänge ( mm) geerntet wird. Durch optimale bauseitige Gestaltung der Siloanlagen (angepasste Breite bei Seitenwänden) zur Vermeidung von Rand- und Oberflächenverlusten und eines Vorschubs >, m pro Woche ist einen Minimierung der Trockenmasse- und Energieverluste möglich. Neben der zweimaligen Substratvorlage pro Tag sichern diese Faktoren den ökonomischen Erfolg der Biogasanlage.