Fachbereich Agrarwirtschaft und Lebensmittelwissenschaften Fachgebiet: Futtermittelanalytik

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1 Fachbereich Agrarwirtschaft und Lebensmittelwissenschaften Fachgebiet: Futtermittelanalytik Studienarbeit zur Erlangung des akademischen Grades Master of Science Untersuchungen zum Einsatz verschiedener Kulturen als Substrat zur Gewinnung von Energie in Biogasanlagen unter dem Aspekt der verlustarmen Konservierung, insbesondere von: Stephan Wendt urn:nbn:de:gbv:519-thesis Gutachter: Professorin Dr. Anke Schuldt 2.Gutachter: Dr. Regina Dinse

2 2 Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis... 5 Abbildungsverzeichnis... 6 Tabellenverzeichnis... 7 Formelverzeichnis Einleitung Problemstellung und Zielsetzung Literaturteil Biogas Substrate Zucker- und Futterrüben Gasbildungspotenzial der Zucker- und Futterrüben Ganzpflanzensilage (GPS) aus Weizen, Roggen, Gerste und Triticale Weizen Roggen Gerste Triticale Gasbildungspotenzial der Ganzpflanzensilagen Grassilage 1./3. Schnitt Gasbildungspotenzial der Grassilagen Prozesse während der Silierung Besonderheit bei der Vergärung von Rüben im Silo Ethanolbildung bei der Vergärung von Rüben Lagerung der Rüben und deren Silagen Lagerung in der Feldmiete Lagerung im Fahrsilo Schlauchsilierung Lagerung im Hochsilo...30

3 Lagerung im Folienerdbecken bzw. in der Lagune Material und Methoden Methode zur Bewertung von Substraten hinsichtlich Biogas-/ Methanbildungspotenzial nach WEISSBACH Grundzüge der Methode Ermittlung der Fermentierbaren organischen Trockensubstanz (FoTS) von Substraten zur Gewinnung von Biogas Korrektur des Trockensubstanzgehaltes von nachwachsenden Rohstoffen als Substrat zur Energieerzeugung in Biogasanalgen Berechnung des Gasbildungsvermögens von Substraten für Biogasanlagen Laborsilierung Probenvorbereitung der Silagen Bestimmung der Inhaltsstoffe silagen Trockensubstanz (TS) Rohasche (XA) Rohfaser (XF) Ethanol, Milchsäure und Essigsäure Ergebnisse Gasbildungspotenzial ausgewählter Substrate Fahrsilolagerung Vergleich der Verluste der Korrigierten Trockensubstanz Vergleich der Verluste der fermentierbaren organischen Trockensubstanz Vergleich der Verluste des Methanbildungsvermögens Vergleich der Verluste des Methanbildungsvermögens in Prozent Lagunenlagerung Vergleich der Verluste der Korrigierten Trockensubstanz Vergleich der Verluste der fermentierbaren organischen Trockensubstanz Vergleich der Verluste des Methanbildungsvermögens in Prozent Feldmietenlagerung...53

4 Vergleich der Verluste der Korrigierten Trockensubstanz Vergleich der fermentierbaren organischen Trockensubstanz Vergleich der Verluste des Methanbildungsvermögens Vergleich der Verluste des Methanbildungsvermögens in Prozent Vergleich der Verluste des Methanbildungsvermögens bei verschiedenen Lagerungsarten Diskussion Gasbildungspotenzial ausgewählter Substrate Lagerung und Konservierung von Rüben Schlussfolgerung und Ausblick Zusammenfassung...62 Literaturverzeichnis...64 Anhang...67 Selbstständigkeitserklärung...72

5 5 Abkürzungsverzeichnis bzw. beziehungsweise C Konzentration ca. circa DLG Deutsche Landwirtschaftsgesellschaft e.v. d. h. das heißt EEG Erneuerbare Energien Gesetz FM Frischmasse FoTS Fermentierbare organische Trockensubstanz FXC Fermentierbare Rohkohlenhydrate GPS Ganzpflanzensilage g Gramm ha Hektar H 2 SO 4 Schwefelsäure i. d. R. in der Regel kg Kilogramm l Liter m 3 MSB NADP NaOH nm Kubikmeter Milchsäurebakterien Nicotinsäureamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat Natronlauge Nanometer T/ TS Trockenmasse-/ substanz TSk Trockensubstanz korrigiert TSn Trockensubstanz normal XA Rohasche XC Rohkohlenhydrate XF Rohfaser XL Rohfett XP Rohprotein XX Stickstoff-freie Extraktstoffe z. B. zum Beispiel z.t. zum Teil

6 6 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Struktur der Strombereitstellung aus erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr Abbildung 2: Biogasanlagen und die installierte elektrische Leistung in Deutschland... 9 Abbildung 3: Schematische Darstellung des anaeroben Abbaus...13 Abbildung 4: Ganze Rüben im befestigten Fahrsilo...28 Abbildung 5: Einsatz einer Siloschlauchpresse mit Rotor...29 Abbildung 6: Funktionsshema einer Siloschlauchpresse mit Rotor...29 Abbildung 7: Folienerdbecken zur Einlagerung Rübenmus...31 Abbildung 8: Rübenzerkleinerung und Lagunenbefüllung...32 Abbildung 9: Gasaustrittsstellen auf der Deckschicht des Zuckerrübenmus...32 Abbildung 10: Gehalt an Zucker und flüchtigen Gärprodukten in silierten Zuckerrüben...37 Abbildung 11: Rübenschnitzler.38 Abbildung 12: zerkleinerte Rüben 39 Abbildung 13: Verdichten des Siliergutes...39 Abbildung 14: Verschließen und wiegen der Gläser.39 Abbildung 15: Gasbildungspotenzial ausgewählter Substrate 45 Abbildung 16: Korrigierte Trockensubstanz bei Laborsilierung und Fahrsilolagerung im Vergleich...46 Abbildung 17: Fermentierbare organische Substanz bei Laborsilierung und Fahrsilolagerung im Vergleich...47 Abbildung 18: Methanbildungsvermögen bei Laborsilierung und Fahrsilolagerung im Vergleich...48 Abbildung 19: Verluste des Methanbildungsvermögens bei Fahrsilolagerung in %...49 Abbildung 20: Korrigierte Trockensubstanz bei Laborsilierung und Lagunenlagerung im Vergleich...50 Abbildung 21: Fermentierbare organische Trockensubstanz bei Laborsilierung und Lagunenlagerung im Vergleich...51 Abbildung 22: Methanbildungsvermögen bei Laborsilierung und Lagunenlagerung im Vergleich...52 Abbildung 23: Verluste des Methanbildungsvermögens bei Lagunenlagerung in %...52 Abbildung 24: Korrigierte Trockensubstanz der frischen Rüben und bei Mietenlagerung im Vergleich...53 Abbildung 25: Fermentierbare organische Trockensubstanz der frischen Rüben, und bei Mietenlagerung im Vergleich...54

7 7 Abbildung 26: Methanbildungsvermögen von frischen Rüben, bei Laborsilierung und Mietenlagerung im Vergleich...55 Abbildung 27: Verluste bei der Feldmietenlagerung in %...56 Abbildung 28: Vergleich der Verluste des Methanbildungsvermögens...57 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Durchschnittliche Zusammensetzung von Biogas...11 Tabelle 2: durchschnittliche Erträge und Gasbildungspotenziale von Mais-, Zuckerrüben- und Futterrübensilagen...16 Tabelle 3: Optimale Häcksellängen für Biogasanlagen...17 Tabelle 4: Raumbedarf ohne Doppelbefüllung in Kubikmeter Siloraum je kwel bzw. je Hektar bei unterschiedlichem Ertragsniveau...27 Tabelle 5: Laborergebnisse der Schichten von Rübenmus bei offener Silierung...33 Formelverzeichnis Formel 1: Summenformel alkoholische Gärung...25

8 8 1. Einleitung 1.1 Problemstellung und Zielsetzung Die Energiewende nimmt in Deutschland zunehmend Fahrt auf. Spätestens nach der Nuklearkatastrophe von Fukushima im Jahr 2011 ist klar, dass eine Versorgung auf Basis erneuerbarer Energien unumgänglich ist, da die Risiken für Menschen, Tiere und die Natur, die mit dem Betreiben von Atomkraftwerken in Verbindung stehen, zu groß sind. Aber auch die Endlichkeit der fossilen Energieträger, wie z.b. Erdöl und Erdgas, tragen dazu bei, die zukünftige Energieversorgung zu überdenken. Bereits jetzt schon steht eine Reihe von Technologien zur Verfügung, die dazu dienen, die Unabhängigkeit gegenüber fossilen und atomaren Energieträgern zu fördern. Die Bundesregierung hat deshalb das Ziel, den Anteil erneuerbarer Energien insbesondere am Gesamtstromverbrauch in Deutschland von bislang 20 Prozent auf mindestens 35 Prozent im Jahr 2020 und mindestens 80 Prozent im Jahr 2050 zu erhöhen. Den größten Anteil an der Strombereitstellung aus erneuerbaren Energien leistet bislang die Windenergie mit annähernd 40 Prozent aber auch die Biogasanlagen dieses Landes tragen mit etwa 14 Prozent dazu bei, dass der Anteil an der Strombereitstellung aus regenerativen Quellen wächst. Die aufgeführte Abbildung 1 verdeutlicht die Struktur in Deutschland im Jahr 2011 (BMU, 2012). Struktur der Strombereitstellung aus erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2011 Gesamt: 123,2 TWh Windenergie: 39,7 % Wasserkraft: 14,7 % biogener Anteil des Abfalls: 4,0 % Deponiegas: 0,5 % Klärgas: 0,9 % Biogas: 14,2 % biogene flüssige Brennstoffe 1) : 1,1 % biogene Festbrennstoffe: 9,2 % Photovoltaik: 15,7 % Biomasseanteil 2) : 30 % 1) Inklusive Pflanzenöl; 2) Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Deponie- und Klärgas, biogener Anteil des Abfalls; aufgrund geringer Strommengen ist die Tiefengeothermie nicht dargestellt; 1 TWh = 1 Mrd. kwh; Abweichungen in den Summen durch Rundungen; Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Stand: Juli 2012; Angaben vorläufig Abbildung 1: Struktur der Strombereitstellung aus erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2011 (Quelle: BMU, 2012)

9 9 Derzeit werden deutschlandweit etwa Biogasanlagen mit einer installierten Leistung von rund MW betrieben. Mit dem erzeugten Biogas-Strom werden derzeit 6,2 Mio. Haushalte versorgt (FACHVERBAND BIOGAS e.v., 2012). Während das Erneuerbare- Energien-Gesetz (EEG) mit der Novelle im Jahr 2009 zu einem starken Anstieg bei der Errichtung von Neuanlagen führte, ist die Novellierung, die im Jahr 2012 in Kraft trat, scheinbar dafür verantwortlich, dass der Neubau von Biogasanlagen im Jahr 2012 mit etwa 300 Anlagen stark zurückging, während in den vergangenen drei Jahren ein Zuwachs von jeweils 1000 Biogasanlagen zu verzeichnen war. Die Abbildung 2 stellt die Anzahl der Biogasanlagen sowie die derzeit installierte elektrische Leistung in Megawatt (MW) grafisch dar. Abbildung 2: Biogasanlagen und die installierte elektrische Leistung in Deutschland (Quelle. FACHVERBAND BIOGAS e.v. 2012) Als hauptsächlich eingesetztes Substrat in Biogasanlagen kommt bislang Silomais zum Einsatz. Die Einsatzhöhe liegt bei 90 Prozent (DEUTSCHES MAISKOMITEE, 2012). Um den großen Bedarf zu decken, war es im Jahr 2012 notwendig, Mais auf einer Fläche von rund Hektar anzubauen. Dies entspricht etwa 32 Prozent der gesamten Maisanbaufläche und 4,7 Prozent der Landwirtschaftlichen Nutzfläche in Deutschland. Nun ist der Maisanbau nicht generell negativ zu bewerten, jedoch führt er bei Nichteinhaltung der guten fachlichen

10 10 Praxis zu Problemen in einigen Regionen Deutschlands. Insbesondere im westlichen Niedersachsen, im südlichen Bayern aber auch punktuell dort, wo große Biogasanlagen betrieben werden, führt der enorm hohe Bedarf an Silomais, u.a. auch für den Betrieb von Biogasanlagen, zu einer Anbauhäufigkeit, die teilweise 70 Prozent der Fruchtfolge ausmacht (DEUTSCHES MAISKOMITEE, 2012). Die Folgen können die Ausbreitung von Pflanzenkrankheiten, zunehmende Erosion aber auch die sinkende Akzeptanz in der Bevölkerung sein. Aus den genannten Gründen aber auch aufgrund der Novellierung des EEG, das eine Obergrenze von 60 Prozent für Mais als Ausgangssubstrat in Biogasanlagen vorsieht, die ab 2012 an das Energieversorgungsnetz gehen, wird es notwendig sein, geeignete Co-Substrate einzusetzen. Es gibt bereits verschiedene Kulturen, die sehr gut geeignet sind. Eine ist die Zuckerrübe. Diese erlangt aufgrund ihrer hohen Flächenerträge und dem relativ hohen Zuckergehalt zunehmend an Bedeutung für den Einsatz als Biogassubstrat. Sie ist hervorragend fermentierbar und das dabei entstehende Ethanol ermöglicht eine hohe Gasausbeute. In ähnlicher Form stellt sich die Futterrübe dar. Zwar ist ihr Zuckergehalt bezogen auf die Frischmasse geringer als der einer Zuckerrübe, jedoch übertrifft ihr Flächenertrag den der Zuckerrübe deutlich. Auch wenn Rüben bis spät in das Jahr hinein geerntet werden können, sind sie nicht ganzjährig in Mieten lagerfähig. Somit ist es notwendig Zucker- aber auch Futterrüben zu konservieren, um die Verfügbarkeit über das Jahr bis hin zur nächsten Ernte gewährleisten zu können. Die Wirtschaftlichkeit dieses Substrates beim Einsatz zur Energiegewinnung in Biogasanlagen ist demnach u.a. abhängig von den Konservierungsverlusten während der Lagerung. In der vorliegenden Arbeit sollen verschiedene Formen der Rübenlagerung hinsichtlich ihrer Konservierungsverluste untersucht werden. Die ermittelten Verluste geben einen Rückschluss auf das verminderte Gasbildungsvermögen der Rüben, das aus den verschiedenen Möglichkeiten der Lagerung resultiert. Hierzu werden Untersuchungen an Proben aus dem Labor und der Praxis verschiedener Lagerungsarten durchgeführt, um einen Vergleich herstellen zu können.

11 11 2. Literaturteil 2.1 Biogas Biogas ist ein brennbares Gas, das sich in der Natur dann bildet, wenn organische Substanzen unter Sauerstoffabschluss vergären oder verfaulen (Abbau unter anaeroben Bedingungen). Verantwortlich dafür sind Bakterien, die ohne Sauerstoff leben können. Diese Prozesse finden z.b. in Mooren und Sümpfen, auf Mülldeponien und vor allem im Pansen der Wiederkäuer statt. Die Entstehung von Biogas unter Zusatz von Sauerstoff erfolgt u.a. bei Verbrennungs- oder Verrottungsvorgängen. Hierbei handelt es sich um Abbauvorgänge unter aeroben Bedingungen. Auch das in der Biogasanlage hergestellte Biogas ist das Produkt eines Vergärungsprozesses, der unter anaeroben Bedingungen abläuft. Das gebildete Gasgemisch besteht zu ca. zwei Dritteln aus Methan und ca. einem Drittel aus Kohlendioxid. Daneben befinden sich im Biogas noch geringe Mengen an Wasserstoff, Schwefelwasserstoff, Ammoniak und andere Spurengase. Jedoch ist der Anteil an Begleitbestandteilen in der Regel eher gering (FACHAGENTUR NACHWACHSENDE ROHSTOFFE e.v., 2009). In Tabelle 1 ist die Zusammensetzung von Biogas dargestellt. Tabelle 1: Durchschnittliche Zusammensetzung von Biogas (FACHARGENTUR NACHWACHSENE ROHSTOFFE e.v., 2009) Bestandteil Konzentration Methan (CH 4 ) Kohlendioxid (CO 2 ) Wasser (H 2 O) Schwefelwasserstoff (H 2 S) Stickstoff (N 2 ) Sauerstoff (O 2 ) Wasserstoff (H 2 ) Vol.% Vol.% 2-7 Vol.% (20-40 C) ppm < 2 Vol.% < 2 Vol.% < 1 Vol.% Der biotechnologische Prozess der anaeroben Fermentation läuft nach heutigem Kenntnisstand in vier Teilschritten ab und benötigt dafür spezielle Bakterienstämme und Milieubedingungen.

12 12 1. Hydrolysephase: In der ersten Phase, der Hydrolyse, werden die langkettigen organischen Verbindungen des Ausgangssubstrates wie Kohlenhydrate, Proteine und Lipide durch bakterielle Enzyme in kurzkettige Bestandteile, wie Glucose, Aminosäuren und Fettsäuren gespalten. Die Hydrolysephase bestimmt in der Regel die Geschwindigkeit des Abbaus gärstoffhaltiger Substrate. 2. Acidogenese: Die in der Hydrolysephase gelösten Stoffe werden in der Versäuerungsphase, der Acidogenese, durch säurebildende Bakterien weiter zu niederen Fettsäuren wie Essig-, Propion- und Buttersäure, niederen Alkoholen, Aldehyden, Wasserstoff, Kohlendioxid, Ammoniak und Schwefelwasserstoff abgebaut. Bei diesem Prozess sinkt der ph-wert aufgrund der entstehenden Abbauprodukte, sodass der Vorgang nur so lange ablaufen kann, wie die Bakterien nicht durch den niedrigen ph- Wert gehemmt werden. 3. Acetogenese: In einer weiteren Phase, der Acetogenese erfolgt die Essigsäurebildung aus den Stoffwechselprodukten der Acidogenese. Diese Phase gilt auch als das Bindeglied zwischen der Versäuerung und der Methanisierung, da hierbei die Abbauprodukte aus der Versäuerungsphase durch acetogene Bakterien in Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid, den Vorläufersubstanzen des Biogases, umgewandelt werden. Zu bemerken ist hierbei, dass ein zu hoher Gehalt an Wasserstoff negative Auswirkungen für die Bakterien der Essigsäurebildung haben kann. Daher findet dieser Abbauprozess in enger Symbiose zwischen den Bakterien der Essigsäurebildung und den Bakterien der Methanbildung statt, da diese während der Methanbildung den Wasserstoff verbrauchen und somit für angemessene Lebensbedingungen für die acetogenen Bakterien sorgen. 4. Methanogenese: Abschließend erfolgt die Methanbildungsphase Methanogenese. Es werden dabei Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid von methanogenen Bakterien zu Methan umgesetzt (KARPENSTEIN-MACHAN, 2005). Das unten aufgeführte Schema verdeutlicht den anaeroben Abbauprozess von organischem Ausgangssubstrat.

13 13 Abbildung 3: Schematische Darstellung des anaeroben Abbaus (FACHARGENTUR NACHWACHSENE ROHSTOFFE e.v.,2009) 2.2 Substrate Als Substrat zur Vergärung in Biogasanlagen ist eine Vielzahl von organischen Rohstoffen geeignet. Dies gilt besonders für Stoffe, die über einen hohen Gehalt an organischer Trockensubstanz verfügen, da nur diese fermentierbar ist und einen Beitrag zur Methanbildung leistet. Innerhalb der einzelnen Nährstofffraktionen verfügen hierbei die Fette mit 71 % Methan im Biogas über ein hohes Gasbildungspotential. Das Biogas aus den Fraktionen der Kohlenhydrate und Proteine enthält hingegen nur etwa 51 % Methan (WEISSBACH, 2009). Als Substrat ungeeignet sind organische Rohstoffe, die über einen hohen Gehalt an Lignin verfügen. Dieser ist von den am Gasbildungsprozess beteiligten Bakterien nicht oder nur sehr unzureichend zu verwerten und würde somit keinen Beitrag zur Methangewinnung leisten Zucker- und Futterrüben Die Zucker- und Futterrüben (Beta vulgaris L. ssp. Vulgaris var. Altisima DÖLL und var. rabacea K. Koch) gehören zur Familie der Gänsefußgewächse. Die Herkunft der Früchte ist bislang noch nicht geklärt, was u.a. damit zusammen hängt, dass keine Kreuzungsbarrieren

14 14 zwischen wilden und kultivierten Rüben bestehen. Die erste systematische Einteilung der Gattung geht auf LINNÉ (1753) zurück. Aus morphologischer Sicht werden Rüben im ersten Vegetationsjahr in Kopf (Epikotyl), Hals (Hypokotyl) und Wurzelkörper unterteilt. Die Wurzel dient der Pflanze hierbei als Speicher für gebildete Kohlenhydrate, den Saccharosen. Zucker- und Futterrüben besitzen mit bis zu 90 t bzw. 150 t Frischmasse je Hektar ein hohes Ertragsniveau. Weiterhin sind sie mit etwa % Stickstoff-freien Extraktstoffen (NfE), die hauptsächlich aus Zucker und wenig N-haltigen Stoffen (Stickstoff-haltigen Stoffen, z.b. Proteinen) bestehen, ein optimales Gärsubstrat, das schnell abgebaut werden kann. Für die Zuckergewinnung sonst relevante Kriterien, wie z.b. der Standardmelasseverlust, sind insbesondere bei der Zuckerrübe, als Substrat zur Energiegewinnung, zu vernachlässigen, sodass bei der Ernte der Rübenkopf lediglich entblättert und nicht, wie generell üblich, entfernt wird. Auf diese Weise kann der gesamte Ertrag geerntet werden, der lediglich durch stark fallende Temperaturen zum Vegetationsende hin limitiert wird. Das bedeutet, dass Rüben spät zu räumende Früchte sind und bei optimalen Bedingungen erst sehr spät im Jahr geerntet werden können, sodass sie in der Lage sind, den Zeitraum der Verfügbarkeit von frischem Erntegut u.u. stark auszudehnen. Insbesondere die Zuckerrübe stellt hohe Ansprüche an den Boden als Standort, Nährstoffund Wasserlieferant. Als Tiefwurzler benötigt sie daher tiefgründige, humusreiche und steinarme Böden, die ausreichend mit Nährstoffen und Wasser versorgt sein müssen. Dazu zählen z.b. Schwarzerdeböden mit Lössunterlage sowie sandige und milde Lehmböden. Derartige Böden sollten nicht unter Verschlämmung, Verkrustung und stauender Nässe leiden und damit die Frühjahrs- und Herbstarbeiten sowie den Aufgang und das Wachstum der Rüben behindern. Aber auch mittlere und leichtere Böden sind in den letzten Jahrzehnten vermehrt in den Zuckerrübenanbau einbezogen worden. Optimale Wachstumsbedingungen können hierbei durch acker- und pflanzenbauliche Maßnahmen, wie die Zufuhr von Humus, Kalk und Nährstoffen, geschaffen werden. Als Langtagspflanze bevorzugt die Zuckerrübe eine lange Sonnenscheindauer. Hierbei erreicht sie hohe Trockenmasse- und Zuckererträge. Insbesondere die Zuckerbildung ist abhängig von der Sonnenscheindauer in den Monaten von August bis Oktober, in Verbindung mit ausreichend Niederschlägen. Niedrige Temperaturen im Herbst übersteht die Zuckerrübe bis -5 C. Erst bei Temperaturen unter -9 C werden die Zellen zerstört und die Rüben erfrieren. Niedrige Temperaturen von etwa 1 10 C im Frühjahr führen bei der noch jungen Pflanze zu Vernalisation und tragen somit zur Schossbildung bei. Folgen darauf Temperaturen von mehr als 25 C, devernalisiert die Pflanze wieder. Der Wasserbedarf steht in enger Wechselwirkung zum Temperaturverlauf und ist von großer Bedeutung für die Ertrags- und

15 15 Qualitätsbildung. Der Evatranspirationskoeffizient der Zuckerrübe liegt zwischen l/Kg TM. Das bedeutet, dass in Mitteleuropa für die die Bildung von 200 dt/ha Trockenmasse etwa 500 mm gut verteilte Niederschläge notwendig sind. Im Vergleich zur Zuckerrübe hat die Futterrübe ähnliche Ansprüche an ihren Standort und das Klima. Der Boden kann jedoch umso leichter sein, je reichlicher die Niederschläge, je günstiger sie verteilt sind und je größer der Humusanteil des Bodens ist. Generell kann gesagt werden, dass insbesondere der Anspruch an den Boden abnimmt, umso mehr der Trockensubstanzgehalt sinkt und die Futterrübe über dem Boden wächst. Aus pflanzenbaulicher Sicht gibt es keine wesentlichen Unterschiede zwischen dem Anbau und der Bestandspflege von Energierüben und Rüben für die Zucker- oder Futtermittelproduktion (KELLER et al., 1999) Gasbildungspotenzial der Zucker- und Futterrüben Insbesondere die Silagen der Zuckerrüben verfügen aufgrund des relativ hohen Anteils an Ethanol über ein Gasbildungspotenzial, das bei Varianten, die ohne das Blatt siliert werden, im Durchschnitt bei etwa 655 l/kg TSk (Trockensubstanz korrigiert) bzw. 152 m³/t eingesetzte Silage liegt. Werden die Zuckerrüben mit Blatt einsiliert, verringert sich das Gasbildungspotenzial auf etwa 630 l/kg TSk bzw. 127 m³/t Zuckerrübensilage. Auch die Futterrüben verfügen über ein Gasbildungspotenzial, das die Kultur als Substrat zur Gewinnung von Energie in Biogasanlagen interessant erscheinen lässt. Demnach verfügen die Futterrüben und ihre Silagen über ein Gasbildungspotenzial von etwa 620 l/kg TSk bzw. 105 m³/t Silage, wenn sie ohne Blatt einsiliert werden. Erfolgt der zusätzliche Einsatz des Blattes, verringert sich das Potenzial der Biogasbildung auf 96 l/kg TSk bzw. 96 m³/t Silage. Der Vorteil der Futterrübe gegenüber der Zuckerrübe liegt hierbei in ihrem deutlich höheren Frischmasseertrag je Hektar. Demnach verfügt die Futterrübe und ihre Silagen über ein Gasbildungspotenzial von durchschnittlich m³/ha und liegt damit m³/ha über dem Gasbildungspotenzial der Zuckerrübensilagen. Der Methangehalt des ermittelten Biogases liegt bei 50 Prozent (WENDT, 2011)

16 16 Tabelle 2: durchschnittliche Erträge und Gasbildungspotenziale von Mais-, Zuckerrüben- und Futterrübensilagen Proben Ø Ertrag FM in t/ha Biogas in l/kg TSk Methan in l/kg TSk Biogas m 3 /t Silage Methan m 3 /t Silage Biogas /ha m 3 /ha Methan /ha m 3 /ha Maissilagen Zuckerrübensilagen ohne Blatt Zuckerrübensilagen mit Blatt Futterrübensilagen ohne Blatt Futterrübensilagen ohne Blatt Ganzpflanzensilage (GPS) aus Weizen, Roggen, Gerste und Triticale Die durch die Ernte der gesamten oberirdischen Biomasse von Getreidearten und anschließender Vergärung bzw. Silierung entstehende Ganzpflanzensilage, dient neben der Rinderfütterung auch vermehrt als Substrat zur Gewinnung von Energie in Biogasanlagen. Die Getreide werden hierbei bevorzugt wegen ihrer stärkehaltigen Karyopse eingesetzt. Aufgrund ihres relativ hohen Gesamtpflanzenertrages eignen sich insbesondere Weizen, Roggen, Gerste und Triticale für die Biomasseproduktion. Die Entscheidung für den Anbau einer bestimmten Getreideart bzw. Sorte ist abhängig von der Standorteignung und der Ertragserwartung. Weiterhin sind auf die Aspekte der Pflanzengesundheit besonderen Wert zu legen. Die Bestandsführung der Getreide, die zur Gewinnung von GPS dienen, unterscheidet sich nicht wesentlich von denen, die zur Korngewinnung genutzt werden. D.h. der angewandte Pflanzenschutz und die Düngung orientieren sich an der guten fachlichen Praxis. Lediglich die dritte Stickstoffgabe, i.d.r. die Qualitätsgabe, ist bei der Nutzung als Ganzpflanzensilage nicht notwendig, da sonst die Vergärung durch höhere Rohproteingehalte negativ beeinflusst werden kann. Bei der Ernte der Getreide und anschließender Nutzung als Substrat zur Gewinnung von Energie in Biogasanlagen ist ein hoher Trockenmasseertrag das primäre Ziel. Als Erntespanne wird hierbei die Phase von Mitte der Milchreife bis Beginn der Teigreife empfohlen (BBCH 75 83). Der Korninhalt ist zu Beginn der Milchreife noch dünnflüssig und milchig-weiß, zu Ende breiig und teigig. Werden die Körner mit dem Fingernagel eingedrückt, so soll der Korninhalt noch leicht spritzen. Ende der Milchreife soll die Ernte erfolgen und mit der Teigreife (BBCH 85) abgeschlossen sein. Dieser Zeitpunkt der Nutzungsreife liegt etwa drei bis zwei Wochen vor der Körnernutzung. Jedoch stellt der optimale Zeitpunkt der Ernte eine besondere Herausforderung dar. Denn es

17 17 gilt, einen Trockenmassegehalt von 30% möglichst nicht zu unterschreiten, da sich bei Gehalten darunter Gärsaft bilden kann, der aufgrund seines leichtlöslichen Kohlenhydratanteils eine große Verlustquelle darstellt. Demnach ist eine genügende Abreife notwendig, um der Gärsaftbildung vorzubeugen. Andernfalls ist der Gärsaft zu binden bzw. aufzufangen und der Biogasanlage zuzuführen. Maßgeblich für das Gelingen einer Ganzpflanzensilage ist das gute Aufbereiten der Pflanzen. Hierbei sollten die gesamten Körner aufgeschlagen sein, um eine optimale Verdichtung im Silo zu erzielen. Eine große Bedeutung ist der Häcksellänge beizumessen. Die Substrate werden umso leichter und schneller in Methan umgesetzt, je größer die spezifische Oberfläche der Partikel ist. auch lassen sich bei kürzerer theoretischer Schnittlänge die Silagen besser verdichten, was wiederum Vorteile bezüglich Raumbedarf und Nacherwärmung mit sich bringt. Jedoch führen zu geringe Schnittlängen, insbesondere bei Trockenmassegehalten unter 30 % zum vermehrten Risiko der Gärsaftbildung. NUSSBAUM (2011) empfiehlt daher daher, die in Tabelle 3 aufgeführten Häcksellängen nach THAYSEN (2011) in Bezug auf die Stapelhöhe für die Herstellung von Ganzpflanzensilagen und Verwendung als Substrat in Biogasanlagen (DLG, 2008). Tabelle 3: Optimale Häcksellängen für Biogasanlagen (THAYSEN 2011) Stapelhöhe Einheit Ganzpflanzensilage bis 3 m % TM mm ab m % TM mm Im weiteren Verlauf wird im Überblick auf die Getreidearten eingegangen, die überwiegend zur Herstellung von Ganzpflanzensilagen genutzt werden Weizen Weizen gehört in der Familie der Poaceae (Süßgräser) zur Gattung Triticum. Die Evolution führte vom diploiden Einkorn (Triticum urartu) über tetraploide Emmer (Triticum dicoccoides) zu unserem heutigen hexaploiden Weichweizen (Triticum aestivum). Das primäre Genzentrum ist das Gebiet des fruchtbaren Halbmondes im vorderen Asien. Bereits vor mehr als 8000 Jahren wurden domestizierte Formen von Emmer angebaut. Die intensive züchterische Bearbeitung zu Beginn des 20. Jahrhunderts führte zu Sommer- und Winterformen des Weizens. Dieser ist heute, gemessen an der Anbaufläche von

18 Hektar im Jahr 2010, die weltweit bedeutendste Nutzpflanze neben Reis und Mais (FAO 2012). Weizen ist die Getreideart mit den höchsten Ansprüchen an den Boden. Aufgrund des hohen Ertragspotenzials benötigt er zu dessen Realisierung ein entsprechendes Wasser- und Nährstoffangebot, das über eine relativ lange Zeitspanne zur Verfügung stehen muss. Dieses Angebot kann durch Niederschläge und ausreichende Nährstoffzufuhr während der Vegetationszeit erfüllt werden, jedoch sichern erst entsprechende Vorräte im Boden eine kontinuierliche Versorgung der Pflanzen. Die klassischen Standorte für den Weizenanbau sind daher tiefgründige Löss- und entsprechende lehmige Verwitterungsböden sowie die tonigen Substrate der Flussauen und Marschen. Jedoch wird der Weizen aufgrund seiner hohen Bedeutung flächendeckend angebaut (HANUS et al. 2008) Roggen Innerhalb des Unterstammes Triticinae wird die Gattung Secale gegenwärtig in vier Arten gegliedert, bei der die Art Secale cereale L. mit der Subspezies cereale als Kulturroggen die größte praktische Bedeutung besitzt. Das primäre Genzentrum wird in der Region um den Kaukasus und Ostanatolien vermutet. Von dort aus wanderte der Roggen als Wildpflanze oder Ackerungras in den asiatischen und europäischen Raum ein. Roggen ist unter den Getreiden der einzige Fremdbefruchter. Nahm der Roggen in der Vergangenheit eine bedeutende Anbaustellung ein, musste er in diesem Jahrhundert dem Weizen und der Gerste weichen. Die Gründe dafür sind in der Intensivierung des Ackerbaus zu finden. Erst mit dem Aufkommen der Hybridsorten in den letzten Jahren, die eine gesteigerte Ertragsleistung aufweisen, steigt die Wettbewerbsfähigkeit wieder an. Roggen ist die Getreideart mit den geringsten Ansprüchen an den Boden. Daher resultiert auch der überwiegende Anbau auf schwachen Standorten. Mit seinem leistungsfähigen Wurzelsystem und der raschen Entwicklung zu Vegetationsbeginn kann die gespeicherte Winterfeuchtigkeit gut ausgenutzt werden. Sein Hauptwasserbedarf zur Zeit der Blüte liegt zeitlich deutlich früher als bei Weizen. Da noch kühlere Temperaturen herrschen, sind die Transpiration und damit der Wasserverbrauch des Roggens geringer. Obwohl das Leistungspotenzial von Roggen hoch ist, kann dies aufgrund seiner geringen Standfestigkeit und der daraus resultierenden Lagergefahr nicht in dem Maße realisiert werden wie bei Winterweizen oder Wintergerste. Die Ursache dafür ist der lange Halm, den der Roggen ausbildet. Besonders dichte Bestände und wüchsige, feucht warme Witterung während der Schossphase führen aufgrund der geringen Belichtung zu längeren Halmen und beeinträchtigen die Standfestigkeit durch großvolumigere Zellen und geringere Einlagerung von

19 19 Gerüstsubstanzen. Der Einsatz von Wachstumsregulatoren ist hierbei unumgänglich. Der Anbau auf eher schwachen Standorten täuscht ein geringeres Ertragsniveau gegenüber anderen Getreidearten vor, als es tatsächlich ist, würde dieser auf gleichen Böden angebaut. Die klassischen Roggenstandorte sind die leichten Sandböden Nord- und Ostdeutschlands. Problematisch stellt sich aber deren geringes Wasserspeichervermögen dar, sodass es hierbei zu ausgeprägten Trockenphasen kommen kann, bei denen eine vermehrte Triebreduktion einsetzt. Für den Roggenanbau wenig geeignete Standorte sind sehr bindige, tonige sowie zu Staunässe neigende Böden, sowie moorige oder Moorböden. Eine Eigenschaft, die den Roggen auszeichnet, ist die besondere Frosthärte, sodass dieser auch sehr niedrige Temperaturen ohne größere Verluste während der Wintermonate überstehen kann (HANUS et al. 2008) Gerste Gerste (Hordeum vulgare L.) ist die älteste bekannte Kulturpflanze. So wurden zweizeilige Formen im Niltal schon vor Jahren angebaut. Das Hauptdomestikationszentrum der Kulturgersten ist das Gebiet des fruchtbaren Halbmondes. Bezogen auf die Kornnutzung ist Gerste nach Weizen die zweitwichtigste Getreideart. Die Ertragsleistungen der Gerste sind deutlich niedriger als die des Weizens. Auch bestehen teilweise erhebliche Diskrepanzen zwischen den Erträgen von Winter- und Sommergerste. Jedoch sind diese stark abhängig vom Standort und Witterungsverlauf. Die Ansprüche der Gerste an den Boden differieren deutlich zwischen der Winter- und Sommerform. Im Gegensatz zum Weizen sind die Bodenansprüche der Sommergersten deutlich geringer als die Ansprüche der Wintergerste. Während die Sommergerste mit Böden auskommt, auf denen auch Roggen angebaut werden kann, stellt die Wintergerste Ansprüche an den Boden, die denen für den Weizenanbau ähneln. Generell ist festzustellen, dass mehrzeilige Gerstenformen höhere Ansprüche an den Boden stellen als zweizeilige Formen. Gerste ist empfindlich gegenüber niedrigen ph-werten und Sauerstoffmangel im Boden. Insbesondere dichtlagernde Böden und/ oder gleichzeitig stauende Nässe im Krumenbereich sind die Ursachen für das Vergilben der Bestände im Herbst und Winter, vor allem wenn durch ungleiche Strohverteilung der Vorfrucht ein erhöhter Sauerstoffverbrauch durch die Strohumsetzung induziert wird. Generell wirken sich Verdichtungen im Unterboden rasch nachteilig aus, da die Gerste nur ein wenig leistungsfähiges Wurzelsystem besitzt. Während die Wintergerste überwiegend auf mittleren bis guten Böden angebaut wird, ist die Sommergerste aufgrund des geringeren Ertragspotenzials auf marginale Standorte abgedrängt worden. Ähnlich wie bei den Bodenansprüchen differiert die Gerste hinsichtlich der Klimaansprüche. Während die

20 20 Wintergerste diejenige Getreideart ist, die zuerst im Anbau begrenzt wird, wenn die Temperaturen im Winter zu stark sinken, kann Sommergerste noch in rauesten Klimalagen angebaut werden, in denen Ackerbau überhaupt möglich ist. Hierbei ist der Temperaturverlauf vor Wintereinbruch entscheidend für den Abhärtungsprozess der Wintergerste. Im Gegensatz dazu, können Wärmeperioden die Frosthärte wieder deutlich herabsetzten, vor allem wenn vorher Vernalisationseffekte eingetreten sind und die Bestände noch vor Winter in die generative Phase umsteuern. Hohe Auswinterungsverluste können die Folge sein. Hinsichtlich des Wasserhaushaltes und der Niederschlagsversorgung ist Gerste weniger anspruchsvoll als Weizen und Hafer. Aufgrund des höheren Ertragspotenzials und der geringeren Leistungsfähigkeit des Wurzelsystems ist sie jedoch anspruchsvoller als Roggen. Akuter Wassermangel tritt bei Gerste nur auf schwächeren Standorten und erst in der späteren Vegetationszeit in Erscheinung und auch nur in langanhaltenden Trockenperioden. Dies betrifft insbesondere die Sommergerste, da Wintergerste meist auf besseren Böden steht und in der Entwicklung weiter fortgeschritten ist (HANUS et al. 2008) Triticale Die bedeutendste Kreuzung zwischen den Arten der verschiedenen Gattungen der Triticinae ist die, zwischen Weizen und Roggen, die zur Entstehung der neuen Getreideart Triticale (Triticosecale Wittmark) führte. Über erste Weizen-Roggen-Bastarde, die auf natürlichem Wege entstanden, berichtete WILSON (1876) Jedoch waren diese steril, sodass sie nicht reproduziert werden konnten. WILHELM RIMPAU gelang es 1888 erstmals, fertile Bastarde aus der Kreuzung von Triticum aestivum und Secale cerale herzustellen. Der Erfolg, bei einer derartigen Kreuzung, die positiven Eigenschaften beider Eltern zu kombinieren, nämlich die Anspruchslosigkeit und Winterhärte des Roggens mit dem Ertrag und der Qualität des Weizens, blieb zunächst aus. Erst in den folgenden Jahrzehnten konnten umfangreiche Erkenntnisse über Genetik, Züchtung, Anbau und Produktqualität gewonnen werden. Zu Beginn der 80er Jahre entwickelten die polnischen Züchter um WOLSKI und MACKOWIAK neue Sorten, die in der pflanzenbaulichen Praxis ein so hohes Leistungsniveau erreichten, dass sich Triticale damit als betriebswirtschaftlich konkurrenzfähige Getreideart stabil etablieren konnte. Obwohl beide Ausgangsformen von Triticale als Brotgetreidearten genutzt werden, besitzt das Kreuzungsprodukt hierfür nur eine geringe Bedeutung. Aufgrund der qualitativen Vorzüge gegenüber Roggen, liegt die hauptsächliche Verwendung in der Schweine- und Mastgeflügelfütterung. Als Kreuzungsprodukt zwischen Weizen und Roggen liegen die Ansprüche an den Boden ebenfalls zwischen denen der beiden Ausgangsarten. Bei den gegenwärtigen gängigen

21 21 Sorten dominiert aufgrund des Zuchtverfahrens im Habitus der Triticalesorten der Roggentyp. Daher ähneln die Standortansprüche stärker denen des Roggens, liegen aber doch deutlich darüber und noch über den erhöhten Ansprüchen der Hybridsorten. Der Anbau von Triticale gerät nicht selten in die Konkurrenz zu Roggen bzw. Weizen, da er auf Grenzböden für den Roggenanbau nicht mehr geeignet ist, auf besseren Böden der Weizenanbau aufgrund der höheren Naturalerträge bevorzugt wird. Die Ansprüche an das Klima und die Witterung ergeben sich aus den Ansprüchen der Ausgangsformen. D.h. da fast ausschließlich Wintertriticale angebaut wird, liegen die Ansprüche an die Temperaturen auf der Ebene des Weizens. Die geringere Frosthärte von etwa -20 C kann wie beim Weizen zu Auswinterungen führen. Bezüglich des Wasserhaushaltes ähneln die Ansprüche eher denen des Roggens. Auch bei der Standfestigkeit und dem Auswuchsverhalten dominieren die Roggeneigenschaften, sodass sich überhöhte Niederschläge negativ auswirken können (HANUS et al. 2008) Gasbildungspotenzial der Ganzpflanzensilagen Die Nutzung der Ganzpflanzensilagen aus verschiedenen Getreidearten ist längst nicht mehr nur für die Rinderfütterung von Bedeutung. Auch für den Einsatz in Biogasanlagen zur Gewinnung von Energie sind sie sehr gut geeignet. Die im weiteren Verlauf aufgeführten Gasbildungspotenziale der Halm- und Körnerfrüchte beruhen auf Untersuchungen von WEISSBACH (2009). Als Grundlage diente hierbei eine Schätzformel zur Ermittlung der Fermentierbaren organischen Trockensubstanz (FoTS) und des Biogas- bzw. Methanbildungsvermögen. Demnach verfügen die Silagen der Getreideganzpflanzen über ein Gasbildungspotenzial, das bei etwa 794 l Biogas/kg FoTS und dementsprechend 405 l Methan/kg FoTS liegt. Bei der Betrachtung der einzelnen Nährstoffe, sind es die Kohlenhydrate, insbesondere die Hexosen, die mit etwa 591 l Biogas/kg FXC (fermentierbare Kohlenhydrate des Substrates), sowie das Reinprotein aus den Körnern, das mit etwa 541 l Biogas/kg FXP (fermentierbares Rohprotein des Substrates) zu dem Ergebnis beitragen Grassilage 1./3. Schnitt Grassilage ist eine Silage aus Wiesen- oder Ackergras. Sie werden meist für die Wiederkäuerernährung angebaut. Dabei werden hohe Massenerträge bei gleichzeitigen hohem Futterwert angestrebt. Weiterhin kommen Grassilagen als Gärsubstrat in Biogasanlagen zur Anwendung. Im Gegensatz zur Rinderfütterung, liegt bei der Grassilage als Ausgangssubstrat zur Energiegewinnung, der Fokus auf den möglichst geringen

22 22 Stickstoff- und hohen Rohfasergehalten, sodass für die Energiegrasproduktion eine Verringerung der Stickstoffgaben sowie eine Reduzierung auf einen späten Schnitt erfolgen kann (KALTSCHMIDT et al. 2001). Zur Erzeugung von Grassilage wird zum einen der Aufwuchs intensiv bewirtschafteter Wiesen genutzt, zum anderen wird der Schnitt eigens zu diesem Zweck kultivierten Ackergrases verwendet. Dabei wird grundsätzlich empfohlen, einen hohen Bestand an Deutschem Weidelgras (Lolium perenne L.) bzw. Welsches Weidelgras (Lolium multiflorum Lam.) zu schaffen und zu erhalten. Diese verfügen im Gegensatz zu anderen Gräsern über ein höheres Niveau im Zuckergehalt. Beide Gräser bilden einen dichten Horst, sind besonders massenwüchsig und dauerhaft. Die Ernte der Gräser erfolgt grundsätzlich vor Eintritt ihrer physiologischen Reife, d.h. wenn sich ca. ein Drittel des Bestandes im Ähren- und Rispenschieben (BBCH 50 59) befindet. Der Trockenmassegehalt liegt dann nach einer kurzen Anwelkphase zwischen 35 und 40 %, der Rohfasergehalt bei etwa 24 % in der Trockenmasse. Insbesondere der Rohfasergehalt ist abhängig von der Reife des Grasbestandes. Dieser Erntezeitpunkt ist ein Kompromiss zwischen Nährstoffertrag, und hier insbesondere dem Zuckergehalt, sowie dem Masseertrag. Mit zunehmender Ernteverzögerung steigt zwar der Masseertrag, der Nährstoffertrag hingegen sinkt. Weiterhin lässt sich das Substrat besser verdichten, wenn es zu einem früheren Zeitpunkt geerntet wird. Ist die Bergung zu einem optimalen Zeitpunkt nicht möglich, können Siliermittel den Gärvorgang unterstützen. Die optimale Häcksellänge beträgt etwa 2,5 bis 5 cm. Dadurch lässt sich das Siliergut besser verdichten und die Restluft kann herausgepresst werden (DLG, 2008) Gasbildungspotenzial der Grassilagen Das Gasbildungspotenzial der Grassilagen ist stark abhängig von der Qualität des Substrates. Berechnungen von WEISSBACH (2009) ergeben ein Gasbildungsvermögen von etwa 785 l Biogas/kg FoTS bzw. 430 l Methan/kg FoTS bei den Silagen aus Intensiv- und Extensivgras. Über den Schnittzeitpunkt werden keine Angaben gemacht. Eigene Untersuchungen ergaben ein durchschnittliches Gasbildungspotenzial von 602 l Biogas bzw. 316 l Methan/kg FoTS im ersten und zweiten Schnitt. Der dritte Schnitt, der von schlechter Qualität war, verfügte über ein durchschnittliches Gasbildungsvermögen von 526 l Biogas bzw. 276 l Methan/kg FoTS.

23 Prozesse während der Silierung Die Silierung von Futterpflanzen vollzieht sich in vier Phasen. Nachdem das Pflanzenmaterial luftdicht verdichtet und abgedeckt ist, wird zunächst in der aeroben Phase der im Silostock vorhandene Sauerstoff durch eine Vielzahl an Bakterien und Pilzen abgebaut. Dieser ist in den ersten Stunden der Silierung in noch ausreichender Menge vorhanden, sodass ein Atmungsstoffwechsel möglich ist. Wird kein Sauerstoff von außen in das Silo nachgeliefert, führt der Sauerstoffverbrauch dazu, dass zunächst die unerwünschten Bakterien und Pilze absterben und nur noch die Milchsäurebildner sowie die Bakterien am Leben bleiben, die ohne Sauerstoff bestehen können (PAHLOW, 2006). Der zweite Schritt, die Hauptgärphase, ist geprägt von der Milchsäuregärung unter anaeroben Verhältnissen. Die ausreichende Bildung von Milchsäure ist der entscheidende Faktor beim Gelingen von Silagen. Hierbei werden zunächst heterofermentative Milchsäurebakterien gebildet, die als Endprodukt neben der Milchsäure auch Ethanol und Kohlendioxid bilden, wenn es sich um den Abbau von Hexosen handelt, sowie Essigsäure, wenn Pentosen abgebaut werden. Insbesondere die Umwandlung des Disaccharids Saccharose aus den Zuckerrüben stellt sich hierbei als sehr vorteilhaft heraus, da dieses u.a. aus einer Hexose, der Glucose, besteht. Das daraus entstandene Ethanol trägt maßgeblich zum Methanertrag bei. Weiterhin werden in der Hauptgärphase homofermentative Milchsäurebakterien aus den Kohlenhydraten, daneben je nach Gärsubstrat und Stoffwechseltyp Essigsäure gebildet. Diese unterdrücken wirksam alle bakterielle Konkurrenz, wie z.b. Enterobakterien und Listerien. Nur Hefen überstehen einen noch tieferen ph-wert als die Milchsäurebakterien (PAHLOW, 2003). Dieser Prozess findet solange statt, bis die Milchsäurebakterien selbst, aufgrund des niedrigen ph-wertes von etwa 4 4,5, absterben. Zu diesem Zeitpunkt ist die Silage stabil (BRIEMLE et al., 1996). Der größte Teil der Milchsäurebakterien stirbt während der dritten Phase, der Lagerphase, ab. Während dieser Zeit sinkt die Zahl der Bakterien auf etwa 0,1 % der Maximalpopulation von einer Billion MSB/ g Silage, die sich während der ersten Tage der Hauptgärphase entwickelt hatte. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich außer den wenigen verbleibenden Milchsäurebakterien nur noch besonders säuretolerante Enzyme in der Silage, die dafür sorgen, dass weiterhin leicht vergärbare Kohlenhydrate als Nachschub für die unvermeidbaren Zuckerverluste abgebaut werden (PAHLOW, 2006). An die Phase der Lagerung der Silage schließt sich die Entnahme an. Zu diesem Zeitpunkt gerät das Siliergut wieder unter Sauerstoffeinfluss. Nach PAHLOW (2006) kann dieser, begrenzt durch das Porenvolumen der Silage, bis zu einem Meter in den Futterstock eindringen und somit die Aktivitäten der ruhenden Mikroorganismen anregen. Dies betrifft

24 24 insbesondere Hefen aber auch Schimmelpilze, die die Qualität des Siliergutes negativ beeinflussen. Im Gegensatz zum Einsatz in der Rinderfütterung kann bei der Silierung von Substraten zur Energiegewinnung in Biogasanlagen der Essigsäureanteil höher ausfallen, da diese eine zentrale Bedeutung im Abbauprozess der organischen Masse hin zur Methanbildung einnimmt. Wie im 2.1 (Biogas) bereits beschrieben, werden in der Phase der Methanogenese etwa 70 % des Biogases durch Spaltung von Essigsäure in Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) und Methan (CH 4 ) gebildet. Ist es möglich, den Essigsäureanteil in der Silage durch den Einsatz von Silierzusätzen zu erhöhen, wird gleichzeitig die aerobe Stabilität sowie hygienische Qualität, d.h. Schimmelfreiheit und Nacherwärmung, verbessert, die die Entnahmequalität der Silagen positiv beeinflussen. Demgegenüber steht jedoch der erhöhte Gärverlust, der aus steigenden Essigsäurebildungen in der Silage entsteht (DLG 2008). 2.4 Besonderheit bei der Vergärung von Rüben im Silo Wie bereits zuvor beschrieben, werden die in Zucker- und Futterrüben enthaltenen Kohlenhydrate durch Bakterien und Mikroorganismen zu Ethanol vergoren. Dieser Vorgang wird durch ein starkes Auftreten von Sickersaft begleitet, der aus dem Absterben von Zellgewebe resultiert. Demnach treten etwa 150 Liter Saft aus 1 Tonne Zuckerrüben aus. Dieser Sickersaft besitzt aufgrund der Vergärung zu Ethanol ein hohes Gasbildungspotenzial. So enthält eine Tonne Sickersaft so viel Energie wie eine Tonne Maissilage (BENSMANN, 2010). Das heißt, es ist zwingend notwendig, die austretenden Sickersäfte aufzufangen, und der Biogasanlage zuzuführen. 2.5 Ethanolbildung bei der Vergärung von Rüben Werden Rüben durch die Silierung konserviert, nimmt das dabei aus dem Zucker entstehende Ethanol eine besondere Rolle bei der Bildung von Biogas ein. Eigene Untersuchungen zeigen, dass der Gehalt an Ethanol in Zuckerrübensilagen bei durchschnittlich 15,8 g/kg FM und bei Futterrübensilagen bei 12,8 g/kg FM liegt. Der gebildete Alkohol weist gegenüber der Saccharose, aus dem er entstanden ist, ein erhöhtes Gasbildungspotenzial auf. Nach WEISSBACH (2009) liefert Ethanol stöchiometrisch 24% mehr Biogas sowie 86% mehr Methan als die gleiche Masseeinheit Saccharose. Im weiteren Verlauf wird auf die biochemischen Grundlagen zur alkoholischen Gärung eingegangen.

25 25 Die alkoholische Gärung ist ein biochemischer Prozess, bei dem Kohlenhydrate, insbesondere Zucker, zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) umgewandelt werden. Mikrobielle Enzyme spalten hierbei die Kohlenhydrate unter Sauerstoffabschluss. Die alkoholische Gärung verläuft gemäß folgender Summenformel. Formel 1: Summenformel alkoholische Gärung Aus einem Mol Hexose (z.b. Glucose, Fructose) werden demnach je zwei Mol Ethanol und Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) sowie zwei Mol der energiereichen Verbindung Adenosin-Triphosphat (ATP) und Wärme gebildet. Die in Pflanzen enthaltenen Zucker (z.b. Glucose, Fructose, Saccharose) können damit von der Hefe (d.h. deren mikrobielle Enzymen) direkt vergoren werden. Für technische Prozesse heißt das, dass aus 1 kg Glucose rund 511 g Ethanol und 489 g CO 2 unter Freisetzung von 867 kj Wärme gebildet werden. Durch die Anlagerung von zwei Molen anorganischen Phosphates (P i ) an Adenosin- Diphosphat (ADP) werden zwei Mol der energiereichen Verbindung Adenosin-Triphoshat (ATP) gebildet. Damit stehen, bezogen auf 1 kg Glucose, der Hefe für den Stoffwechsel ca. 340 kj in Form von chemisch gebundener Energie zur Verfügung, die restliche Energie wird in Form von Wärmemenge (etwa 520 kj) frei. Das bei der Fermentation gebildete Kohlenstoffdioxid (CO2) entweicht gasförmig aus den Fermentationssubstraten; aus 1 kg Glucose werden dabei rund 250 l CO 2 gebildet. Für die größtmögliche Alkoholbildung und damit eine weitest gehende Umsetzung des im Substrat enthaltenen vergärbaren Materials ist es wichtig, dass für den jeweiligen Mikroorganismus (d.h. Hefen, Bakterien) die optimalen Kulturbedingungen eingestellt werden. Es müssen vergärbare Zucker, Nährsalze und eventuell auch Wuchsstoffe in ausreichender Konzentration vorliegen. Gärtemperatur und ph-wert sind so zu regulieren, dass sie dem Optimalbereich der Mikroorganismen entsprechen (KALTSCHMIDT et al. 2001). 2.6 Lagerung der Rüben und deren Silagen Insbesondere die Zuckerrübe erfährt zunehmende Bedeutung bei der Verwendung als Substrat zur Gewinnung von Energie in Biogasanlagen. Der relativ hohe Zucker- bzw. Ethanolanteil trägt dazu bei, dass das Gasbildungspotenzial z.t. höher ist als jenes anderer Substrate. Die Verfügbarkeit von Rüben und deren Silagen als Substrat setzt jedoch voraus, dass diese über das Jahr gelagert werden müssen, ohne dass dabei wesentliche Nährstoffverluste auftreten. Die Verluste resultieren häufig aus gasförmigen Veratmungen bei relativ hohen Temperaturen, während Gär- und Fäulnisprozessen, aber auch durch

26 26 Frosteinwirkungen und späterem Auftauen, wenn die Rüben offen ohne Abdeckung lagern. Ein wesentlicher Aspekt ist die Bildung von Sickersaft während der Lagerung. Der hohe Energiegehalt des Saftes macht ein Auffangen unumgänglich. Die Art der Lagerung entscheidet dabei auch über den ökonomischen Erfolg bei der Biogasgewinnung. Im weiteren Verlauf wird auf verschiedene Möglichkeiten der Lagerung der Rüben sowie deren Silagen eingegangen Lagerung in der Feldmiete Die Lagerung in der Feldmiete ist oftmals eine Lösung der Zwischenlagerung. Nach dem Roden verbleiben die Rüben am Feldrand bis zur weiteren Verarbeitung bzw. endgültigen Einlagerung. Um die Verluste hierbei möglichst gering zu halten, sind Temperaturen zwischen 0 und 10 C optimal. Hohe Atmungsverluste treten bei Temperaturen über 20 C, Probleme durch erfrorene Rüben bei Temperaturen unterhalb -5 C auf. Vor Wintereinbruch sollten zwischengelagerte Rüben durch Folien geschützt werden, da einmal gefrorene und wieder aufgetaute Rüben schnell in Fäulnis übergehen und die Nährstoffverluste rasch ansteigen (KELLER et al. 1999). Die Verluste können mit Abdeckung etwa 150 g Zucker je Tonne Rüben und Tag betragen, ohne Abdeckung erhöhen sich die Verluste (DLG, 2010). Beginnen die Rüben bei optimalen Lagerungsbedingungen nicht zu faulen bzw. zu gären, ist mit einem Auftreten von Gärsaft nicht zu rechnen. Das Anlegen einer Feldmiete zur Zwischenlagerung von ganzen Rüben stellt keinen hohen Kapitaleinsatz dar. Die Rüben werden i.d.r. ohnehin nach dem Roden am Feldrand entladen Lagerung im Fahrsilo Die Anforderungen an ein Fahrsilo für den Biogasbetrieb sind identisch mit denen für einen Rinderbetrieb. Es gelten die gleichen gesetzlichen Vorgaben hinsichtlich des Umwelt-, Gewässer- und Arbeitsschutzes, sowie des Baurechts. Die Größe des Siloraumes ist grundsätzlich von der Anlagengröße aber auch von weiteren verschiedenen Faktoren abhängig. Der Bedarf an Substraten für die Erzeugung von einer Kilowattstunde (kw el ) beläuft sich auf etwa 20 Tonnen Frischmasse (6-7 Tonnen Trockenmasse) bzw. rund 0,4 bis 0,5 ha und Jahr. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass das Raumgewicht in Abhängigkeit von Pflanzenart, Stapelhöhe, Verdichtung, Häcksellänge und Trockenmassegehalt stark schwanken kann. Für die Erzeugung von einer Kilowattstunde aus Substraten wie z.b. Mais- oder Grassilage werden daher etwa 25 bis 35 Kubikmeter Siloraum je Jahr benötigt. Der Raumbedarf für Rüben liegt aufgrund der z.t. relativ geringen

27 27 Schüttdichte deutlich darüber. In Tabelle 4 wird der Siloraumbedarf ohne Doppelbefüllung in Abhängigkeit von unterschiedlichen Ertragsniveaus verschiedener Substrate dargestellt. Tabelle 4: Raumbedarf ohne Doppelbefüllung in Kubikmeter Siloraum je kwel bzw. je Hektar bei unterschiedlichem Ertragsniveau (nach DLG, 2008) Kulturart Zuckerrübe unzerkleinert mittleres Raumgewicht* kg FM/m 3 Raumbedarf für 20 t FM je kw el. und Jahr m 3 /kw el Bedarf in m 3 /ha und Jahr bei Ertragsniveau niedrig mittel hoch Silomais Grassilage GPS Grünroggen Sudangras * Raumgewicht schwankt stark in Abhängigkeit von Verdichtung, TM-Gehalt, Stapelhöhe und Häcksellänge Bei der Neuplanung von Siloanlagen ist ein Zuschlag für einen Monat zusätzliche Lagerkapazität zu berücksichtigen. Dies ist notwendig, um ein vorzeitiges Ende des Substratvorrates zu vermeiden, aber auch, um der frischen Silage eine ausreichende Mindestgärdauer zu ermöglichen und somit die aerobe Stabilität zu gewährleisten. Eine Mehrfachbefüllung bis zu 25 % kann erfolgen, wenn das Silo mit Substraten befüllt wird, die bereits im Frühjahr oder Sommer siliert werden (DLG 2011). Rüben können sowohl zerkleinert in Mischsilierung mit anderen Substraten als auch alleinig in ganzer Frucht einsiliert werden. Die Besonderheit besteht darin, dass eine Rückverfestigung der ganzen Rübe im Fahrsilo nicht möglich ist. Bei der Mischsilierung werden die Rüben vor der Zerkleinerung einer Reinigung unterzogen, um den Erdanteil im Silo zu minimieren und anschließend in Schichten auf bzw. zwischen das weitere Siliergut aufgetragen. Die Mischsilierung soll den energiereichen Sickersaft, der bei der Silierung von zerkleinerten Rüben vermehrt auftritt, möglichst gering halten. Jedoch ist die Auswahl an Co- Siliersubstraten relativ gering, da zum Zeitpunkt der Rübenernte kaum noch andere Kulturen geerntet werden können. Lediglich der Mais käme hierbei in die nähere Betrachtung. Die Silierung von ganzen Rüben im Fahrsilo erfolgt in der Regel nach einer Grobreinigung durch den Rübenroder bzw. kurz vor der Einlagerung. Die Rüben werden im Anschluss mit geeigneter Fördertechnik in das Silo verbracht. Wie auch bei anderen Silagen üblich, wird

28 28 zum Abschluss, das Silo mit einer Unterziehfolie, einer Silofolie und bei Bedarf mit einem Vogelschutznetz überzogen. Gegebenenfalls kann auch eine Folie auf dem Siloboden ausgelegt werden. Die Abflüsse für den Sickersaft werden dann freigehalten. Abbildung 4: Ganze Rüben im befestigten Fahrsilo (WENDT, 2013) Schlauchsilierung Aus Sicht des Konservierungsprozesses bietet nach SCHIEL und WINTER (1996) das Folienschlauchverfahren durch den schnellen und nahezu vollständigen Luftabschluss gute Voraussetzungen für eine verlustarme Silierung unter anaeroben Bedingungen. Ein weiterer Vorteil liegt in den relativ geringen Silierverlusten während der Silierung. Diese betragen etwa 10 Prozent (DLG, 2010). Neben der Silierung von Gras und Mais können ebenso Rüben als ganze Frucht oder aber zerkleinert eingebracht werden. Die Standortwahl des Folienschlauchs ist frei wählbar, jedoch erleichtert ein befestigter Untergrund die spätere Entnahme. Ein großer Vorteil der Schlauchsilierung liegt darin, dass der auftretende Sickersaft bei der Rübensilierung nicht entweichen kann. Dieser sollte bei der Entnahme aufgefangen und der Biogasanlage zugeführt werden. Die Schlauchfolie ist bei der Befüllung und während der Lagerung einer erheblichen mechanischen Belastung ausgesetzt. Daher werden an sie hohe Anforderungen bezüglich Reißdehnung, Durchstoßfestigkeit und UV-Stabilität gestellt. Abbildung 4 zeigt den Einsatz einer Siloschlauchpresse mit Rotor. Beim eingebrachten Substrat handelt es sich hierbei um Mais, das gleiche Verfahren wird jedoch auch bei Rüben angewandt.

29 29 Abbildung 5: Einsatz einer Siloschlauchpresse mit Rotor (BAYERN BIOGASFORUM, 2010) Zur Befüllung wird das Siliergut in einem Stahltunnel durch drehende Presswerkzeuge verdichtet und im anschließenden Folienschlauch auf dem Untergrund abgelegt. Für die Einlagerung des Substrates werden Maschinen mit quer eingebauten Pressrotoren eingesetzt, wenn das Gut nicht rieselfähig ist. Um den Folienschlauch optimal zu füllen, ist es erforderlich, ein Anbremsen der Maschine gegen den gefüllten Schlauch durch den Aufbau eines Pressdruckes zu erwirken. Dies erfolgt durch ein manuell regelbares hydraulisches Bremssystem. Der Grad der Schlauchfüllung und damit auch die Gutverdichtung sind über die Beobachtung der Foliendehnung am aufgedruckten Messsteifen kontrollierbar. Eine akzeptable Foliendehnung sollte zwischen 10 bis 15 % liegen. Der einzustellende Hydraulikdruck für die Befüllung richtet sich nach der Fruchtart, TM-Gehalt und Untergrund, der für die notwendige Bremskraft gegenüber dem gefüllten Schlauch sorgt. Abbildung 5 stellt das Funktionsshema der Schlauchbefüllung dar. Abbildung 6: Funktionsshema einer Siloschlauchpresse mit Rotor (BAYERN BIOGASFORUM, 2010)

30 30 Zur Entnahme des Siliergutes kann die vom Flach- bzw. Fahrsilo bewährte Technik eingesetzt werden. Zu beachten ist hierbei, dass die Anschnittfläche rundum von Folie umgeben ist und sich somit der Aufwand für das Entfernen der Folie erhöht. Aufgrund des relativ geringen Schlauchdurchmessers von etwa zwei bis vier Meter und des erhöhten Entnahmefortschritts ergibt sich daraus eine kleinere Anschnittfläche, die einer möglichen Nacherwärmung am Anschnitt bzw. an der Entnahmestelle vorbeugt (MAACK, 2011) Lagerung im Hochsilo Die Silierung und Lagerung von zerkleinerten Zuckerrüben im Hochbehälter ist entweder in Edelstahltanks oder in beschichteten Betonbehältern möglich. Für eine gleichmäßige Entnahme von Mus zur Einspeisung in den Fermenter ist bei dieser Technik besonderes Augenmerk auf die homogene, ausreichend feine Zerkleinerung der Rübenkörper zu legen, um eine Entmischung des Substrates während der Lagerung und Verstopfungen im Rohrund Pumpsystem zu vermeiden. Auch hier ist auf eine vollständige Entsteinung zu achten. Da diese Lagertechnik i.d.r. auch nach oben verschlossen ist, sind Vorrichtungen notwendig, um die enorme Gasbildung (CO2) bei der Einlagerung und Silierung sicher aus dem Hochbehälter abzuführen. Grundsätzlich kommen von der Bauart auch Güllehochbehälter infrage. Da die ph-werte des Rübenmuses meist zwischen 3,3-3,9 liegen, ist höchstes Augenmerk auf eine säurebeständige Beschichtung aller korrosionsgefährdeten Teile zu richten. Diese dauerhafte, lückenlose Beschichtung verteuert einen Güllehochbehälter erheblich. Auch ist darauf zu achten, dass die Entnahme bei den hohen TS-Gehalten des Rübenmuses im Vergleich zu Gülle Probleme bereiten kann. Die Zumischung von Wasser ist zwar denkbar, geht aber zulasten der Gesamtrentabilität der Biogasanlage, erhöht den Gesamtlagerraumbedarf und kommt daher nur in Ausnahmefällen in Betracht. Insgesamt ist diese Technologie die kapitalintensivste und kommt aus wirtschaftlichen Gründen nur für mittlere und große Anlagen, vorzugsweise bei Monovergärung, infrage (HEILMANN, 2012) Lagerung im Folienerdbecken bzw. in der Lagune Die Lagerung von Rübenbrei in Folienerdbecken ( Lagunen ) ist derzeit eine viel diskutierte Variante zur Lagerung in der Praxis. Das Verfahren ist relativ kostengünstig in der Investition. Kaum bekannt war bislang allerdings, wie hoch die tatsächlichen Energieverluste und Emissionen durch die meist fehlende Abdeckung sind. HEILMANN und WEISSBACH (2012) leisteten hierzu umfangreiche Forschungsarbeit.

31 31 Sollen gemuste Rüben in der Lagune gelagert werden, sind an die Becken besondere bauliche Anforderungen zu stellen. Zunächst ist der Aushub eines Erdbeckens mit umliegendem Wall notwendig. Die Sohle muss hierbei über dem maximalen Grundwasserstand liegen, da sonst Aufschwemmungen während und auch nach der Bauphase drohen. Zur Auslegung des Erdbeckens kommen spezielle Kunststofffolien von mehreren Millimetern Stärke zum Einsatz. Weiterhin ist auf die Höhe des Sohlengefälles, die Anlage von einer oder mehreren Rinnen, Wallkronenbreite, Wallhöhe und Böschungswinkel zu achten. Da bei der Einlagerung des Rübenmuses schwere Technik zum Einsatz kommt, ist die Zuwegung diesen Gegebenheiten anzupassen. Um die Sicherheit für das Bedienpersonal zu gewährleisten, sind Lagunen mit ausreichenden Notausstiegshilfen sowie einem Schutzzaun zu versehen. Abbildung 7: Folienerdbecken zur Einlagerung Rübenmus (HEILMANN, 2012) Zur Einlagerung der Rüben sind diese vorher zu waschen, von Steinen zu befreien und zu zerkleinern bzw. zu musen. Es wird davon ausgegangen, dass die Anschaffung von geeigneter Entsteinungs- und Zerkleinerungstechnik nur bei großen Anlagen wirtschaftlich ist. Für landwirtschaftliche Betriebe kommen in erster Linie Lohnunternehmen und Maschinenringe in Frage. Die dafür anfallenden Kosten liegen derzeit bei etwa 5,60 bis 6,00 /t zuzüglich Mehrwertsteuer.

32 32 Abbildung 8: Rübenzerkleinerung und Lagunenbefüllung (HEILMANN, 2012; WENDT, 2010) Bei der Befüllung der Lagune mit dem Rübenmus verteilt sich dieses sehr gleichmäßig und selbstständig im Erdbecken. Mit beginnendem Silierungsprozess erhöht sich die Fließfähigkeit des Muses. Während der Befüllung bildet sich am Boden des Erdbeckens eine Sickersaftschicht aus, auf der die festeren Bestandteile nahezu mühelos über die Kunststofffolie gleiten. Dabei schiebt das jüngere Rübenmus das ältere ohne nennenswerte Vermischungen zur Entnahmestelle (Pumpe), wenn die Lagune nicht völlig entleert wurde. Setzt der Silierprozess ein, bilden sich an der Oberfläche kleine Schaumhügel, sogenannte Smoker. Diese sind Gasaustrittsventile, die einmal angelegt, trotz eines gewissen Alterungsprozesses sehr stabil erhalten bleiben (Abb. 9). Abbildung 9: Gasaustrittsstellen auf der Deckschicht des Zuckerrübenmus (HEILMANN, 2012)

33 33 Mit einem Modellversuch an handelsüblichen Kunststoffrohren (KG-Rohre, Ø 110 mm) unterschiedlicher Länge (1 und 2 m Länge), die mit frischen Rübenmus gefüllt und aufrecht gestellt waren, untersuchte HEILMANN (2012), ob eine vertikale Schichtung des Rübenmuses eintritt. Er kam dabei zu dem Ergebnis, dass in der oberen Schicht der Rohre relativ hohe Gehalte von Alkohol, größtenteils Ethanol, festzustellen waren. Auch die Essigund Milchsäuregehalte waren in dieser Schicht erhöht. Daraus ließ sich schlussfolgern, dass ein TS-Abbau in Form von Zucker stattgefunden hat. Der daraus resultierende Verlust an Methanbildungspotenzial belief sich auf über 60 Prozent gegenüber dem Ausgangsmaterial. Die Methanverluste der mittleren und unteren Schicht lagen in den KG-Rohrversuchen bei über 10 Prozent. Der Autor merkt jedoch an, dass diese Verlustraten deutlich über den gemessenen Werten aus den entsprechenden Schichten der Lagune und parallelen Untersuchungen aus größeren Silierbehältern liegen. In Tabelle 5 sind die Untersuchungsergebnisse zusammengefasst. Tabelle 5: Laborergebnisse der Schichten von Rübenmus bei offener Silierung (HEILMANN, 2012) (2 m Rohr, Befüllung am , Beprobung am ) Weiterhin wird festgestellt, dass in den mittleren und unteren Schichten der TS-Abbau aus der Vielzahl der Proben im Mittel 4 bis 5 Prozent beträgt. Da diese Schichten die Hauptmasse bilden, sind folglich Verlustraten von rund 5 Prozent für den Großteil der Substratmenge relevant. Somit hat die Lagunentiefe (bzw. Mächtigkeit des Rübenmuses) einen wichtigen Einfluss auf die Gesamtverlustrate. Da die Hauptverluste in der Deckschicht stattfinden, sinken diese mit zunehmender Lagunentiefe, wie aus der Tabelle 6 ersichtlich wird (HEILMANN, 2012).

34 34 Tabelle 6: Einfluss der Lagunentiefe auf die Gesamtverluste an Rübenmus im Erdbecken (HEILMANN, 2012) Untersuchungen von WEISSBACH (2012) zeigen ebenfalls, dass die Lagunentiefe einen maßgeblichen Einfluss auf die Verluste an organischer Trockensubstanz (ots) und somit auf das Methanbildungspotenzial des Rübenmuses hat. Demnach liegen die ots-verluste in der Deckschicht bei 56 Prozent während sie mit sinkender Schichthöhe auf 10 Prozent reduziert werden. Das gewogene Mittel bei einer Schichthöhe von drei, vier bzw. zehn Metern liegt bei 26,3 bzw. 23 und 14,3 Prozent, der Verlust des Methanbildungspotenzial bei 22,5 bzw. 18,8 und 9,2 Prozent. Auch hier sind die höchsten Verluste mit 56 Prozent in der Deckschicht zu verzeichnen. Die geringsten Verluste treten mit etwa 5 Prozent in der untersten Schicht auf. 3. Material und Methoden 3.1 Methode zur Bewertung von Substraten hinsichtlich Biogas-/ Methanbildungspotenzial nach WEISSBACH ( ) Grundzüge der Methode Die Bewertung der verschiedenen Lagerungsmöglichkeiten hinsichtlich der Biogasverluste von Substraten, und hier insbesondere bei Rüben, setzt voraus, dass das theoretische Gasbildungsvermögen möglichst exakt ermittelt wird. Bislang und in der Praxis auch weiterhin angewandte Verfahren sind die Methoden nach BASERGA (1998), bei der die verdaulichen Nährstoffe der Substrate nach der kompletten Weender Futtermittelanalyse untersucht und anschließend mit Verdaulichkeitsquotienten aus den DLG Futtermitteltabellen multipliziert werden. Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung des Gasbildungspotenzials bietet der Batchtest, eine Vergärung von Substraten in Mini-Fermentern unter Laborbedingungen. Nach WEISSBACH (2008) sind jedoch beide Verfahren zum Teil zeitaufwendig, teuer und ungenau, bzw. wird die tatsächliche Substratqualität nur ungenügend differenziert.

35 35 Die Methode nach WEISSBACH (2008) geht davon aus, dass die Biogasausbeute vom Gasbildungspotenzial der eingesetzten Substrate und vom Ausschöpfungsgrad dieses Potenzials im Fermentationsprozess abhängt. Somit ist bei der Bewertung von Substraten ausschließlich das von der Gestaltung und der Effizienz des Fermentationsprozesses unabhängige Gasbildungsvermögen maßgeblich. In diesem Zusammenhang ist ein neuer Parameter eingeführt worden, nämlich der Gehalt an Fermentierbarer organischer Trockensubstanz (FoTS). Bislang war es üblich, den Einfluss der variierenden Größe Rohasche (XA) auf den Gasertrag dadurch auszuschalten, dass dieser Wert von der Trockensubstanz abgezogen wurde. Auf diese Weise erhielt man die Gasausbeute, die auf die organische Trockensubstanz (ots) bezogen wurde. Um den möglichen Gasertrag jedoch mit einer größeren Genauigkeit zu schätzen, ist es notwendig, neben dem Gehalt an Rohasche zusätzlich den Anteil an nicht nutzbarer organischer Trockensubstanz von der Trockensubstanz (TS) zu subtrahieren. Demnach ist die FoTS als diejenige Menge definiert, die unter anaeroben Bedingungen potenziell durch Mikroorganismen abgebaut werden kann und die sich deshalb unter optimalen Prozessbedingungen und bei ausreichend langer Prozessdauer in Biogasanlagen biologisch nutzen lässt. Die FoTS ist identisch mit dem Gehalt an wahr verdaulicher organischer Substanz. 3.2 Ermittlung der Fermentierbaren organischen Trockensubstanz (FoTS) von Substraten zur Gewinnung von Biogas Ausgehend von der Weender Futtermittelanalyse wird die organische Substanz in die Fraktionen der Rohfette (XL), Rohproteine (XP), Rohfaser (XF) und N-freie Extraktstoffe (XX) unterteilt. Nach WEISSBACH (2009) ist es nicht sinnvoll zwischen Kohlenhydraten, die in der Rohfaser (bestimmte Zellwandsubstanzen) und denen die in den N-freien Extraktstoffen (überwiegend Zellinhaltsstoffe) erfasst werden, zu unterscheiden. Sie können deshalb in der Fraktion der Rohkohlehydrate (XC) zusammengefasst werden. Demnach ist die organische Trockensubstanz die Summe aus: ots = XP + XL + XC Bezieht man diese Aussage auf den fermentierbaren Anteil, ist die Fermentierbare Trockensubstanz die Summe aus: FoTS = FXP + FXL + FXC

36 36 Anhand von Verdauungsversuchen, die an Schafen durchgeführt wurden, konnte festgestellt werden, dass die Gehalte an biologisch nicht nutzbarem Rohprotein und Rohfett bei den jeweiligen Futterarten praktisch konstante Größen sind. Somit ist es möglich, für diese beiden Nährstoffe mit Mittelwerten der tierischen Ausscheidung bei der jeweiligen Futterart zu rechnen. Der Gehalt an nutzbaren Kohlenhydraten hingegen steht in enger Beziehung zum Gehalt an Rohfaser. Hierbei kann der Gehalt an nicht nutzbaren Kohlenhydraten über eine Regressionsgleichung anhand der Rohfaser geschätzt werden. Demnach ergeben sich für die Schätzung der FoTS folgende Formeln nach WEISSBACH ( ): Zucker- und Futterrüben und deren Silagen: FoTS [g je kg TS] = 991 (XA) 0,70 (XF) Maissilagen: FoTS [g je kg TS] = 984 (XA) 0,47 (XF) 0,00104 (XF) 2 Gras- und Getreideganzpflanzensilagen : FoTS Weizen, Triticale [g je kg TS] = 982 (XA) 0,53 (XF) 0,00102 (XF) 2 FoTS Roggen [g je kg TS] = 983 (XA) 0,82 (XF) 0,00022 (XF) 2 FoTS Gerste [g je kg TS] = 981 (XA) 0,81 (XF) 0,00006 (XF) 2 FoTS Gras (1. und 2. Aufwuchs) [g je kg TS] = 969 (XA) 0,26 (XF) 0,00300 (XF) 2 Voraussetzung für die Anwendung der o.g. Schätzformel bei Silagen ist jedoch die Korrektur der TS Gehalte auf flüchtige Stoffe. 3.3 Korrektur des Trockensubstanzgehaltes von nachwachsenden Rohstoffen als Substrat zur Energieerzeugung in Biogasanalgen (WEISSBACH, ) Um den Nährstoffgehalt und die substratspezifische Gasausbeute zu ermitteln, ist es notwendig, die Trockensubstanz der Silagen auf flüchtige organische Substanzen zu korrigieren. Die bei der Silierung entstehenden Gärsäuren und Alkohole können, insbesondere bei Zuckerrüben, etwa die Hälfte der organischen Trockensubstanz ausmachen. Da diese Stoffe über ein hohes Methanbildungspotenzial verfügen, sind sie zwingend zu analysieren und in der Berechnung des Gasbildungspotenzials zu berücksichtigen. Abbildung 6 veranschaulicht insbesondere die hervorgehobene Bedeutung des Ethanol, das bei der Silierung von Zuckerrüben entsteht und somit einen wesentlichen Beitrag zum Gasbildungsvermögen leistet.

37 37 Abbildung 10: Gehalt an Zucker und flüchtigen Gärprodukten in silierten Zuckerrüben (WEISSBACH, 2008) Die Anwendung der Korrekturformel macht es unerlässlich, dass definierte Bedingungen bei der Trocknung der Silagen eingehalten werden. Nach einer Vortrocknung bei 60 bis 65 C und einer anschließenden Endtrocknung bei 105 C über genau drei Stunden, ist folgende Schätzformel für die Korrektur des Trockensubstanzgehaltes nach WEISSBACH ( ) anzuwenden. Zucker- und Futterüben und deren Silagen: TS K [g je kg FM] = TS N + 0,95 NFS + 0,08 MS + 1,00 AL Maissilagen: TS K [g je kg FM] = 24,5 + 0,980 TS N Gras- und Getreideganzpflanzensilagen: TS K [g je kg FM] = 26,2 + 0,97 TS N TS K Trockensubstanz korrigiert TS N Trockensubstanz normal NFS Summe der Gehalte an niederen Fettsäuren (C 2 bis C 6 ) MS Gehalt an Milchsäure AL Summe der Gehalte aller Alkoholen (C 1 bis C 4, inklusive der Diole)

38 38 Der Gesamtgehalt an Alkoholen bei Zuckerrübensilagen kann bei der Korrektur der Trockensubstanz und der Berechnung des Gasbildungspotenzials auf den Ethanolgehalt beschränkt werden. Beim Einsatz der Schätzformel zur Bildung von Biogas, sind aufgrund der Korrektur der Trockensubstanz im weiteren Verlauf alle gemessenen Parameter wie z.b. XA und XF, die auf die normale Trockenmasse bezogen wurden, zu korrigieren. Dieses erfolgt durch die Multiplikation mit dem Quotienten aus TS K /TS N. Dieser ist in der Regel größer 1 und berücksichtigt damit die Trockensubstanzgehalte der entwichenen Gärprodukte. 3.4 Berechnung des Gasbildungsvermögens von Substraten für Biogasanlagen Der potenzielle Biogas- bzw. Methanertrag wird beim Einsatz von Silagen auf die korrigierte Trockensubstanz bezogen. Hierbei wird der Alkoholgehalt der Zuckerrübensilagen besonders berücksichtigt, sodass ein Zuschlag zur FoTS erfolgt. Nach WEISSBACH ( ) ergeben sich die Schätzgleichungen für: Zucker- und Futterrüben und deren Silagen: Biogas [Normliter/kg TS K ] = 0,750 FoTS + 0,18 AL [g/kg TS K ] Methan [Normliter/kg TS K ] = 0,375 FoTS + 0,32 AL [g/kg TS K ] Maissilagen: Biogas [Normliter/kg TS K ] = 0,800 FoTS [g/kg TS K ] Methan [Normliter/kg TS K ] = 0,420 FoTS [g/kg TS K ] Gras- und Getreideganzpflanzensilagen: Biogas [Normliter/kg TS K ] = 0,800 FoTS [g/kg TS K ] Methan [Normliter/kg TS K ] = 0,420 FoTS [g/kg TS K ] (AL = Summe der Alkohole in g/kg TS K ) 3.5 Laborsilierung Die Basis zur Ermittlung der Konservierungsverluste bildete die Silierung unter Laborbedingungen im Glas. Da davon auszugehen ist, dass außer den Co 2 -Verlusten keine weiteren Beeinträchtigen des Siliervorganges eintreten, diente diese als Vergleich zu den jeweiligen Lagerungsmöglichkeiten. Dazu wurden zu Beginn der Erntekampagne pro

39 39 Lagerungsart frische Zucker- und Futterrüben aus den Untersuchungsbetrieben entnommen, grob gereinigt und mit Hilfe eines Rübenschnitzlers zu einer relativ homogen Mischung grober Schnitzel verarbeitet und mit jeweils vier Wiederholungen in Gläser einsiliert. Abbildung 11: Rübenschnitzler Abbildung 12: zerkleinerte Rüben Zur Silierung sind die Rübenschnitzel in Gläsern mit einem Fassungsvermögen von einem Liter verbracht worden, die üblicherweise zum Einwecken genutzt werden. Zuvor wurde das Leergewicht der Gläser mit Deckel, Deckelgummi und Spannern ermittelt. Abbildung 13: Verdichten des Siliergutes Abbildung 14: Verschließen und wiegen der Gläser Der Inhalt ist nach der Befüllung, unter Zuhilfenahme einer Hebelvorrichtung, verdichtet worden, sodass die Luft in den Zwischenräumen entweichen konnte. Die Gläser wurden nur halb voll gefüllt, um bei der anschließenden Vergärung ein Entweichen des Siliergutes aus dem Glas durch Überschäumen zu vermeiden. Abschließend wurden die befüllten Gläser luftdicht mit einem Deckelgummi und Spannern verschlossen und zur Ermittlung des Bruttogewichtes gewogen. Durch Berechnung der Differenz von Brutto- und Leergewicht erhält man das Nettogewicht der Einwaage. Während des Prozesses der Silierung und Lagerung, der ca. 170 Tage dauerte und bei 24 C im abgedunkelten Raum stattfand, erfolgte eine regelmäßige Kontrolle der Gläser. Hierbei konnten keine Unregelmäßigkeiten, wie z.b. Saftaustritt festgestellt werden.