Erzeugung von Energieholz in Energiewäldern und Agroforstsystemen

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1 Erzeugung von Energieholz in Energiewäldern und Agroforstsystemen Christian Böhm Lehrstuhl für Bodenschutz und Rekultivierung, BTU Cottbus

2 Einleitung Kurzumtriebsplantagen Zuwachsentwicklung und Erträge (Versuchsflächen Südbrandenburg) Agroforstsysteme Alley Cropping Ökologische Vorteilswirkungen von Energieholzanbau Zusammenfassung und Ausblick

3 Ziele der Bundesregierung für 2020: Der Beitrag der erneuerbaren Energien zur Strombereitstellung soll auf mindestens 30 % und der Anteil an der Wärmebereitstellung auf 14 % ansteigen. (BMU, 2008)

4 Anteile erneuerbarer Energien (EE) an der Energiebereitstellung in Deutschland % Anteil EE an Stromerzeugung Anteil EE an Wärmebereitstellung Jahr Quelle: BMU, 2008

5 Anteil erneuerbarer Energien (EE) am gesamten Endenergieverbrauch in Deutschland 2007 Geothermie 0,1 % Photovoltaik 0,1 % Wasserkraft 0,8 % Solarthermie 0,2 % Nicht regenerative Energieträger wie Kohle, Erdgas, Mineralöl, Uran8 Anteil an EE: 8,6 % Windenergie 1,5 % Biokraftstoffe 1,8 % biogene Brennstoffe (Strom und Wärme) 4,1 %!!! Quelle: BMU, 2008

6 Strukturen der erneuerbaren Energien in Deutschland 2007 bezüglich Wärmebereitstellung Strombereitstellung Wasserkraft 0,8 % 64,1 % 79,1 % 12,5 % 2,5 % biogene Festbrennstoffe (Haushalte) biogene Festbrennstoffe (Industrie) biogene Festbrennstoffe (HKW/HK) biogene flüssige Brennstoffe biogene gasförmige Brennstoffe biogener Anteil des Abfalls Solarthermie tiefe Geothermie 8,5 % Wasserkraft Windenergie Photovoltaik biogene Festbrennstoffe biogene flüssige Brennstoffe Biogas Klärgas Deponiegas biogener Anteil des Abfalls oberflächennahe Geothermie Quelle: BMU, 2008

7 Holz ist und bleibt der wichtigste feste Biobrennstoff Potential des zur energetischen Verwertung zur Verfügung stehenden Waldholzes bzw. Waldrestholzes ist vielerorts bereits erschöpft (Murach et al., 2007; 2008) Anbau holzartiger Biomasse auf landwirtschaftlich genutzten Flächen gewinnt zunehmend an Bedeutung unter Berücksichtigung von Flächenkonkurrenz und Naturschutz erscheint bis zum Jahr 2030 eine Ausweitung der landwirtschaftlichen Flächen zum Anbau von Biomasse von 1,6 Mio. ha (2007) auf 3 bis 4 Mio. ha möglich (SRU, 2007)

8 Mögliche Anbauformen von Agrarholz zur energetischen Verwertung: Kurzumtriebsplantagen (Energiewälder) Agroforstsysteme

9 Kurzumtriebsplantagen Kurzumtriebsplantagen sind Anpflanzungen von schnell wachsenden Baumarten bzw. Sorten, die innerhalb kurzer Umtriebszeiten hohe Erträge holzartiger Biomasse liefern. (bei ausschließl. energetischer Verwertung = Energiewald)

10 Kurzumtriebsplantagen Vor- und Nachteile Pro Klimaschutzziele (Substitution fossiler Brennstoffe, CO 2 -Bindung [oberirdisch und unterirdisch, Humus]) Erweiterung des Holzangebotes Extensive Landnutzung ( low input system ) Erosionsschutz langfristige Kapitalanlage Diversifizierung der landwirtschaftlichen Produktion Erhöhung der Wertschöpfung, insb. bei Grenzertragsstandorten Erhöhung der Strukturvielfalt in strukturarmen Agrarlandschaften (ästhetische u. ökologische Aufwertung) Kontra langfristige Flächenbindung geringe Flexibilität bezüglich marktwirtschaftlicher Entwicklungen und agrarpolitischer Vorgaben unregelmäßige Einkünfte hohe Anlagekosten / hohe Kosten bei Rückführung in konventionellen Agrarstandort unsichere Ertragsentwicklung (Standorts- und Witterungsbedingungen) evtl. Begünstigung von Unkräutern und Schädlingen

11 Kurzumtriebsplantagen Anlage: i. d. R. Steckhölzer im zeitigen Frühjahr (bei Robinie bewurzelte Pfl.) sorgfältige Pflanzbettvorbereitung (Unkrautbekämpfung und Unkrautkontrolle im Pflanzjahr) Pflanzverband: abhängig von Erntetechnik und Umtriebszeit einreihig, doppelreihig

12 Beispiel: doppelreihiger Pflanzverband = Pflanzen je ha Fahrgasse 1,80 m 0,75 m 0,60 m

13 Erzeugung von Energieholz Häcksler (Fa. Claas) (WHD < 8 cm)

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16 Kurzumtriebsplantagen Anlage: i. d. R. Steckhölzer im zeitigen Frühjahr (bei Robinie bewurzelte Pfl.) sorgfältige Pflanzbettvorbereitung (Unkrautbekämpfung und Unkrautkontrolle im Pflanzjahr) Pflanzverband: abhängig von Erntetechnik und Umtriebszeit einreihig, doppelreihig Umtriebszeiten: i. d. R. 3-6 Jahre; Energiewaldanlage Jahre Erträge: 6-12 (20) t atro ha -1 a -1 nehmen nach erster Ernte zu abhängig von: Standort, Pflanzverband und damit Pflanzenanzahl, Umtriebszeit bzw. Rotationszyklus, Witterungsbedingungen (insb. Pflanzjahr), Baumart/Sorte

17 Schnellwachsende Baumarten allg. Ansprüche: vegetative Vermehrbarkeit (Steckhölzer); (Sämlinge b. Robinie) sicheres Anwuchsverhalten (Äcker) hohes Jugendwachstum hohes Stockausschlagvermögen Mindestproduktivität: 5 (Röhrig, 1979) bis 10 t ha -1 a -1 (Dimitri, 1989) Pappel gute bis sehr gute Wasserversorgung bei gleichen Pflanzdichten i. d. R. Weide überlegen große Ertragsschwankungen Trockenheit nachhaltige Wachstumsdepression Anfälligkeit für Schädlinge mit zunehmender Rotation Weide sehr gute Wasserversorgung Grundwasseranschluß) dann geringere Ertragsschwankungen als bei Pappel Anfälligkeit für Schädlinge mit zunehmender Rotation Robinie gutes Wachstum auf trockenheitsexponierten Extremstandorten, dort Pappel und Weide überlegen wenig Erfahrungen auf besseren Standorten

18 Versuchsflächen BTU Cottbus Rekultivierungsbereich des Lausitzer Braunkohlereviers bei Cottbus ca. 7 ha Jänschwalde Welzow-Süd ca. 50 ha

19 Versuchsflächen BTU Cottbus Rekultivierungsbereich des Lausitzer Braunkohlereviers bei Cottbus Jahresniederschlag: 570 mm; Jahresdurchschnittstemperatur: 9,4 C grundwasserferne Standorte im Initialstadium der Bodenentwicklung sorptionsschwache, vornehmlich ziemlich arme bis mittlere, quartäre Kipp-Lehmsande und -tone sowie arme, tertiäre, kohleführende Kipp- Reinsande Grundmelioration: ca. 100 kg N, P, K ha -1, 150 dt Kalkmergel ha cm: ph-wert 7,5; N t 0,12 g kg-1; P t 0,17 g kg-1

20 Zuwachsentwicklung Robinie Versuchsfläche Welzow Wurzelhalsdurchmesser [cm] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 1,3 1,1 Höhe [cm] Vegetationsperioden Vegetationsperioden Ertrag 3 Jahre nach Pflanzung ca. 12 t atro ha -1 3a -1 ca. 4 t atro ha -1 a -1

21 Erträge verschiedener Baumarten Versuchsfläche Jänschwalde Umtriebszeiten: 3, 6+3, 9 Jahre Weide (9) Weide (6;9) Weide (3;6;9) Robinie (9) Robinie (6;9) Robinie (3;6;9) Hybride 275 (9) Hybride 275 (6;9) Hybride 275 (3;6;9) Andoscoggin (9) Andoscoggin (6;9) Andoscoggin (3;6;9) Ernte nach 3 Vegetationsperioden Ernte nach 6 Vegetationsperioden Ernte nach 9 Vegetationsperioden [t TM ha -1 ]

22 Erträge verschiedener Baumarten Versuchsfläche Jänschwalde Mittlere Erträge pro Jahr Umtriebszeiten: 3, 6+3, 9 Jahre Baumart/Klon nach 3 nach 6 nach 9 Vegetationsperioden Weide (3;6;9) 0,6 0,7 1,5 0,9 Weide (6;9) 0,8 4,7 2,1 Weide (9) 0,7 0,7 Robinie (3;6;9) 3,5 5,7 9,5 6,2 Robinie (6;9) 4,6 9,1 6,1 bei Kippensubstraten nur Robinie zu empfehlen höchste Erträge nach 6+3 (Weide) bzw. 9 Jahren (Pappel, Robinie) Robinie (9) 8,9 8,9 Hybride 275 (3;6;9) 0,2 1,7 4,1 2,0 Hybride 275 (6;9) 1,5 5,7 2,9 Hybride 275 (6;9) 3,7 3,7 Androscoggin (3;6;9) 0,2 2,0 4,9 2,4 Androscoggin (6;9) 1,2 3,0 1,8 erste Beerntung erst nach 6-9 Jahren!!! Versorgungssicherheit, höherer Aufwand bei Beerntung Androscoggin (9) 4,5 4,5

23 Anwuchsraten Versuchsfläche Jänschwalde Mindestanforderungen bei Aufforstungen von Kippenstandorten: Anwuchssicherheiten nach 3 Jahren zwischen % (Vattenfall, LMBV, 2007) 100 Anwuchsrate [%] Androscoggin Hybride 275 Robinie Weide Jahre nach Etablierung

24 Erträge verschiedener Baumarten Versuchsfläche Jänschwalde Mittlere Erträge pro Jahr Umtriebszeiten: 3, 6+3, 9 Jahre Baumart/Klon nach 3 nach 6 nach 9 Vegetationsperioden voll real Weide (3;6;9) 0,6 0,7 1,5 0,9 0,6 Weide (6;9) 0,8 4,7 2,1 1,0 Weide (9) 0,7 0,7 0,3 Robinie (3;6;9) 3,5 5,7 9,5 6,2 3,9 Robinie (6;9) 4,6 9,1 6,1 4,2 Robinie (9) 8,9 8,9 5,8 Hybride 275 (3;6;9) 0,2 1,7 4,1 2,0 1,6 Hybride 275 (6;9) 1,5 5,7 2,9 2,3 Auf besseren Kippenböden (Feldkapazität, Nährstoffgehalte) zeigen Pappeln und Weide geringere Mortalitätsraten Bsp.: Schnellwuchsplantage Welzow-Süd Anwuchsraten nach 9 Jahren zwischen 73 (Weide) und 93 % (Hybride 275) Hybride 275 (6;9) 3,7 3,7 3,1 Androscoggin (3;6;9) 0,2 2,0 4,9 2,4 1,4 Androscoggin (6;9) 1,2 3,0 1,8 1,3 Androscoggin (9) 4,5 4,5 2,7

25 Energetische Eigenschaften des Holzes Heizwert: Wärmemenge, die bei vollständiger Oxidation eines Brennstoffs ohne Berücksichtigung der Kondensationswärme des im Abgas befindlichen Wasserdampfes freigesetzt wird (DIN 5499/8-8) Baumart/ Klon Heizwert [MJ kg -1 ] Heizwert [MJ ha -1 a -1 ] Umtriebszeit 3 Jahre, 1. Rotation 2. Rotation 3. Rotation Weide 17, Robinie 16, Hybride , Androscoggin 17, Baumart bzw. Klon hat geringen Einfluß auf Heizwert Heizwert Heizöl (schwer) = 39,5 MJ kg -1 = 38,3 MJ l -1 mittl. entscheidend Jahresertrag ist Biomasseakkumulation Robinie = 5,7 t ha -1 a -1 = MJ = 2456 l Heizöl

26 Agroforstsysteme Bei einem Agroforstsystem handelt es sich um ein Landnutzungssystem, daß sowohl Elemente der Forstwirtschaft (mehrjährige, verholzte Pflanzen) als auch der Landwirtschaft (einjährige landwirtschaftliche Nutzpflanzen, Grünland) auf einer Bewirtschaftungsfläche integriert. Quelle: BUND Lemgo, 2008 Quelle: wikipedia, 2008 Beispiele: Hutewälder/ Dehesas, Streuobstwiesen, Alley-Cropping Quelle: wikipedia, 2008 Quelle: Dupraz, 2005

27 Agroforstsystem Alley-Cropping Alley-Cropping ist ein Agroforstsystem, bei dem holzartige Pflanzen in Heckenstrukturen angepflanzt und die dazwischen befindlichen Ackerstreifen mit landwirtschaftlichen Kulturen bestellt oder als Grünland genutzt werden

28 Alley-Cropping Versuchsfläche Welzow-Süd Norden Ackerstreifen Ackerstreifen 24 m 24 m 1,80 m 0,75 m Süden 1,30 m

29 Agroforstsystem Alley-Cropping Durch die Integration von Heckenstrukturen können Vorteilswirkungen für die dazwischen befindlichen Ackerkulturen entstehen Humusgehalt (C-Senke) Mikroklima Nährstoff- und Wasserkreislauf des Bodens

30 Alley-Cropping Versuchsfläche Jänschwalde Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte und Vorräte des Bodens in verschiedenen Bereichen eines 8 Jahre alten Alley-Cropping-Systems Bodentiefe [cm] Ausgangswerte (Rohboden) Gehalt [g kg -1 ] Vorrat [t ha -1 ] Gehölzstreifen Gehalt [g kg -1 ] Vorrat [t ha -1 ] Ackerstreifen Gehalt [g kg -1 ] C ,5 22,5 38, N ,7 0,3 0,1 0,5 2, ,3 0,3 Vorrat [t ha -1 ] 35,1 1,5

31 Alley-Cropping Versuchsfläche Welzow-Süd Nährstoffentzug durch Beerntung der Gehölzstreifen Gegenüberstellung des Nährstoffexportes eines 3-jähr. Energieholzbestandes (Robinie) mit einer durchschnittl. Ackerfläche Brandenburgs und eines 70-jährigen Kiefernwaldes Elemententzug [kg ha -1 ] Durchschnittliche Ackerfläche in Brandenburg a (LVL, 2002) 3-jährige Robinie (Alley-Cropping), Rekultivierungsfläche Südbrandenburg 70-jähriger Kiefernforst in Nordostbrandenburg (Steiner, 2006) Entzug nach 1 Jahr Entzug nach 3 Jahren Entzug nach 70 Jahren Stickstoff b 350 Phosphor Kalium Entzug nach Entzug nach 70 x 1 = 70 Jahren c 23 x 3 = 69 Jahren c Entzug nach 70 Jahren Stickstoff Phosphor Kalium a Annahme: Nebenprodukte wie Stroh verbleiben auf Fläche, b enthält auch Anteile des von Robinie zuvor gebundenen Luftstickstoffs c Annahme: über den betrachteten Zeitraum gleichbleibender Nährstoffexport

32 Alley-Cropping Versuchsfläche Welzow-Süd Nährstoffentzug durch Beerntung der Gehölzstreifen Gegenüberstellung des Nährstoffexportes eines 3-jähr. Energieholzbestandes (Robinie) mit einer durchschnittl. Ackerfläche Brandenburgs und eines 70-jährigen Kiefernwaldes Waldbäume geringeres Verhältnis von nährstoffreicher Rinde zu nährstoffarmem Holz KUP kürzere Umtriebszeiten, produzierte Erntemassen haben daher aufgrund ihrer Zusammensetzung und ihres Alters höhere Nährelementgehalte Ernte im Winter gesamte Laubstreu und damit der Großteil der Nährstoffe verbleibt auf Fläche Effizienz der Nährelementnutzung (Verhältnis oberirdische Biomasse zu in Biomasse gebundenen Elementgehalten) nimmt mit zunehmendem Bestandesalter zu geringere Nährstoffentzüge bei längeren Rotationszeiten

33 Alley-Cropping Beeinflussung mikroklimatischer Kenngrößen Auswirkungen von Gehölzstreifen auf Mikroklima sind vielfältig, bezüglich angebauter Ackerkultur größtenteils positiv

34 Alley-Cropping Beeinflussung mikroklimatischer Kenngrößen Gehölzstreifen reduzieren als halbdurchlässige Windschutzstreifen signifikant die Windgeschwindigkeit Verringerung von Erosion Minderung direkter Windschäden Reduzierung der Evaporation

35 Alley-Cropping Beeinflussung mikroklimatischer Kenngrößen Gehölzstreifen sind Schattenspender Abschwächung Temperaturmaxima Verringerung direkter Hitzeschäden Reduzierung der Transpiration

36 Alley-Cropping Beeinflussung mikroklimatischer Kenngrößen gleichmäßigere Verteilung von Schnee; im Frühjahr verzögertes Abtauen längere Wasserverfügbarkeit

37 Alley-Cropping Beeinflussung mikroklimatischer Kenngrößen Gehölzstreifen können zur Erhöhung der Wasserverfügbarkeit und damit zur Ertragsstabilität beitragen!!!

38 Alley-Cropping Versuchsfläche Jänschwalde Bodenwassergehalt Wassergehalt [Vol%] Ackerfläche ohne Gehölzstreifen Mitte eines 18m breiten Feldstreifens bei Alley-Cropping Datum Wassergehalt in Alley-Cropping-Feldstreifen höher und später absinkend als auf freier Ackerfläche

39 Alley-Cropping Beeinflussung mikroklimatischer Kenngrößen Einfluß und Intensität der mikroklimatischen Veränderungen hängen in entscheidendem Maße von der Ausrichtung, Struktur und Höhe der Heckenstreifen ab größte windreduzierende Effekte bei Ausrichtung in Nord-Süd-Richtung höchster Beschattungsgrad bei Ausrichtung in Ost-West-Richtung Höhe der Gehölzstreifen ist wesentliche Bestimmungsgröße für den Wirkungsbereich der Heckenstrukturen (höchste windbremsende Wirkung zwischen 4-12-fachem der Heckenhöhe (Nuberg, 1998)

40 Agroforstsystem Alley-Cropping teilweise Beerntung der Gehölzstreifen gewährleistet dauerhafte Windschutzwirkung

41 Alley-Cropping Interspezifische Konkurrenz vorwiegend im Bereich von 1 bis 2 Heckenhöhen (Nuberg, 1998) Effekt relativ höher je schmaler die Feldstreifen Konkurrenz

42 Zusammenfassung Energieholzanbau fördert Kohlenstoffsequestrierung im Ackerboden und wirkt Treibhauseffekt somit entgegen Energieholzanbau (KUP und Agroforst) trägt zur Diversifizierung der landwirtschaftlichen Produktion und zu einer potentiellen Erhöhung der Wertschöpfung im ländlichen Raum bei (Grenzertragsstandorte) bei entsprechender Baumartenwahl selbst auf Kippensubstraten beachtliche Biomasseerträge; Robinie ist hier Weide und Pappel deutlich überlegen KUP und Alley-Cropping-Systeme können als low-input-systeme bewirtschaftet werden Extensivierung der Landwirtschaft Alley-Cropping-Systeme können gut an lokale Gegebenheiten (z.b. Standorteigenschaften, techn. Ausstattung) angepaßt werden Alley-Cropping kann mikroklimatische Bedingungen (Wassernutzungseffizienz) am Ackerstandort verbessern und so zur Ertragsstabilität der Ackerkulturen beitragen

43 Ausblick Energieholzproduktion in Kurzumtriebsplantagen (und Agroforstsystemen) wird in Deutschland mittelfristig zunehmen Energieholzproduktion in Alley-Cropping-Systemen, aber auch in Kurzumtriebsplantagen ist in Mitteleuropa eine vergleichbar junge Landnutzungsoption wissenschaftliche Datengrundlage relativ dünn (insb. bezüglich langer Umtriebszeiten) weitere Forschungsarbeiten sind nötig Aufbauend auf Ergebnissen bisheriger Forschungsprojekte werden daher am Lehrstuhl für Bodenschutz und Rekultivierung diese Fragestellungen weiter wissenschaftlich untersucht. (Bsp.: im Rahmen des laufenden Verbundprojektes Anlage neuer Alley-Cropping-Systeme in Zusammenarbeit mit der Vattenfall New Energy GmbH; Ziel: ökologische und ökonomische Bewertung derartiger Systeme

44 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit