THG- Emissionen und Energiebilanzen von Energiepflanzenfruchtfolgen am Standort Dornburg Jens Eckner; TLL Christiane Peter; ZALF Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. 1
Schlechte Presse des Energiepflanzenanbaus 2 Mio. ha Anbaufläche in Dt. (2013) Politische Fehlsteuerung, ökonomische Fehlentwicklung, ökologisches Risiko Vermaisung von Deutschland Risikoreiche und umweltgefährdende Kultur Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v.
Ist der Maisanbau wirklich die Wurzel des Problems? Getreideanbaufläche Maisanbaufläche Anteil an der Ackerfläche in % Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. > 10-20% > 30-40% > 50-60% > 60-70%
Wie sollten nachhaltige Energiepflanzenanbausystem aussehen? Monokulturen in Selbstfolge? Vielfältige Fruchtfolge? Mais Mais Mais Mais Nein Ja Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. 4
EVA Standardfruchtfolgen FF 2009 2010 2011 2012 Mix 1 (C4/C3 Pflanzen) Mix 2 (C4/C3 Pflanzen) Mix 3 (C4/C3 Pflanzen) Ackerfutter Markt-u. Energiepflanzen W. Gerste (Hf, Gp) Sorghum b. x s. (Sts, Gp) Sorghum b. x s. Mais (Hf, Gp) S. Gerste (Hf, Gp) Luzernegras (Us, Gp) Hafersortenmischung (Hf, Gp) Mais (Hf, Gp) (Hf, Gp) W. Roggen (Wzf, Gp) Mais (Zf, Gp) W. Roggen (Wzf, Gp) Sorghum b. x s. (Zf, Gp) W. Triticale (Hf, Gp) Phacelia (Sts, Gd) W. Weizen (Hf, Ko) W. Triticale (Hf, Ko) W. Weizen (Hf, Ko) W. Triticale (Hf, Gp) Einj. Weidelgras (Sts, Gd) W. Weizen (Hf, Ko) Luzernegras (Hf, Gp) Luzernegras (Hf, Gp) W. Weizen (Hf, Ko) W. Triticale (Hf, Gp) W. Raps (Hf, Ko) W. Weizen (Hf, Ko) Mais Mono Mais Mais Mais W. Weizen (Hf, Ko) Tab.1: Übersicht der angebauten Fruchtfolgen in EVA II am Standort Dornburg (Gd Gründüngung; Gp Ganzpflanze; Hf - Hauptfrucht, Ko Korn, Sts Stoppelsaat, Us Untersaat, Wzf - Winterzwischenfrucht, Zf Zweitfrucht) Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v.
Probleme bei der Modellierung Systemgrenzen der meisten LCA Studien von Nahrungsmittel- oder Bioenergieherstellung umfassen nur die Anbauperiode einer Frucht (eine Vegetationsperiode). Viele landwirtschaftliche THG-Berechnungstools bilanzieren nur eine Vegetationsperiode. Fruchtfolgeeffekte (Einfluss der Vorfrucht auf das Anbaumanagement der zu bewertenden Frucht) wird vernachlässigt. Einfluss der regionalen Standortbedingungen auf das Management und THG-Emissionen. Globale Faktoren (IPCC 2006) Regionale Faktoren (Bouwman et al. 2002) Gemessen (ZALF, FNR Projekt) Ascha Dornburg Ascha Dornburg Abb. 1: Vergleich von modellierten (globaler und regionaler Modellansatz) und gemessenen N 2 O-N und NH 3 -N Feldemissionen nach der Düngemittelapplikation im Winter Weizen am Standort Ascha (Site 1) und Dornburg (Site 2) gemittelt über 2 Jahre (2012 und 2013) aus Peter et al. 2016, Int J LCA. Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. 6
Ziel der Modellierung Vergleich von: Anbausystemen Anbauregionen Anbaumanagement Fruchtfolgen Fruchtarten Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. 7
MiLA Model for integrated LCA in Agriculture Systemgrenzen LCA Ansatz nach ISO 14040/44 und VDI 4600 Indikatoren: THG-Emissionen (GWP 100; IPCC 2013) Kumulierter Energieaufwand (+Energieeffizienz) Abb. 1: Im MiLA Tool verwendete Systemgrenzen und integrierte Einflussfaktoren auf die THG-Emissionen und KEA des Energiepflanzenanbaus. Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. 6
Methoden Feldemissionen Kalk + Urea (Tier 1; IPCC, Globaler Faktor) N-Dünger (Tier 2, regionale Faktoren, Bouwman et al. 2002) NH 3 : organisch N-Dünger (Tier 2, regionale Faktoren, KTBL 2009) N- Auswaschung (Tier 1; IPCC, Globaler Faktor) Erntereste (Tier 1; IPCC, Globaler Faktor) Weitere Berechnungsfaktoren Herstellung von Maschinen, Dünger, PSM, Saatgut, Diesel (Ecoinvent Datenbank v. 3.1, attributionale Allokation) Dieselverbrauch (KTBL Feldarbeitsrechner) Dieselverbrennung (IPCC 2006) Methanausbeuten (ATB Potsdam Herrmann et al. 2016) N Aufnahme durch die Pflanze N ins Grundwasser (Auswaschung) Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. 9
Versuch Erfolgt nach regionalen Düngeempfehlungen und nach Stickstoffbedarfsanalyse P/K- Düngung standortangepasst und Bodenproben Standortabhängig Düngung PSM Modellierung Tatsächliche N-Düngung der gedüngten Frucht zugeordnet P/K auf die folgenden Fruchtfolgeglieder aufgeteilt (nach Wirkungsgrad und Empfehlung der Versuchsansteller) Tatsächliche PSM-Menge der Frucht zugeordnet Maschineneinsatz Praxisorientierte Bewirtschaftung mit Pflug Nach der Ernte alle Bewirtschaftungsschritte der Folgefrucht zugeordnet Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. 10
THG-Emissionen verschiedener Fruchtfolgen Standardabweichung Abb. 1: Vergleich der flächenbezogenen THG-Emissionen (4 Anbaujahre aufsummiert) von unterschiedlichen Fruchtfolgen am Standort Dornburg (gemittelt über 4 Anlagen, EVA I+II) Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. 11
THG-Emissionskategorien Mix 1 (C4/C3) Düngerherstellung Mix 2 (C4/C3) Mix 3 (C4/C3) Feldemission Feldemissionen (Ernterückstände) Saatgutherstellung Ackerfutter Markt- u. Energiepflanzen PSM-Herstellung Stromverbrauch Dieselverbrauch Mais Mono Maschinenherstellung 0% 20% 40% 60% 80% 100% % THG-Emissionen ha -1 Abb. 1: Vergleich der flächenbezogenen THG-Emissionen der unterschiedlichen Fruchtfolgen am Standort Dornburg unterteilt nach THG-Emissionskategorien (gemittelt über 4 Anlagen, EVA I+II) Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. 12
Einfluss der Fruchtfolgegestaltung Mix 1 (C4/C3) 2,41 Mix 2 (C4/C3) 1,57 Mix 3 (C4/C3) Ackerfutter arkt- u. Energiepflanzen Mais Mono 2,38 2,35 2,25 2,48 Einj. Weidelgras Hafersortenmischung Luzernegras Mais Phacelia S. Gerste Sorghum b. x s. W. Gerste W. Raps W. Roggen W. Triticale W. Weizen 0 2 4 6 8 10 12 t CO 2 -Äq ha -1 Abb. 1: Vergleich der flächenbezogenen THG-Emissionen der unterschiedlichen Fruchtfolgen am Standort Dornburg, unterteilt nach Fruchtarten (gemittelt über 4 Anlagen, EVA I+II) Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. 13
Einfluss der Fruchtfolgegestaltung Mix 1 (C4/C3) 18,28 Mix 2 (C4/C3) 11,34 Mix 3 (C4/C3) Ackerfutter Markt- u. Energiepflanzen Mais Mono 15,06 14,94 19,11 19,03 0 10 20 30 40 50 60 70 t DM ha -1 Einj. Weidelgras Hafersortenmischung Luzernegras Mais Phacelia S. Gerste Sorghum b. x s. W. Gerste W. Raps W. Roggen W. Triticale W. Weizen Abb. 1: Vergleich des kumulierten Trockenmasseertrags der verschiedenen Fruchtfolgen am Standort Dornburg, unterteilt nach Fruchtarten (gemittelt über 4 Anlagen, EVA I+II) Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. 14
THG-Emissionen Funktionale Einheit (Fläche vs. Produkt) Mix 1 (C4/C3) Mix 2 (C4/C3) Mix 3 (C4/C3) Ackerfutter Markt- u. Energiepflanzen Mais Mono Mix 1 (C4/C3) Mix 2 (C4/C3) Mix 3 (C4/C3) Ackerfutter Markt- u. Energiepflanzen Mais Mono 0 4 8 12 16 0 4 8 12 16 20 24 28 t CO 2 -Äq ha -1 kg CO 2 -Äq GJ -1 Standardabweichung Abb. 1: Vergleich der flächenbezogenen THG-Emissionen (4 Anbaujahre aufsummiert) von unterschiedlichen Fruchtfolgen am Standort Dornburg (gemittelt über 4 Anlagen, EVA I+II) Abb. 2: Vergleich der produktbezogenen THG-Emissionen (4 Anbaujahre aufsummiert) von unterschiedlichen Fruchtfolgen am Standort Dornburg (gemittelt über 4 Anlagen, EVA I+II) Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. 15
THG-Emissionen Funktionale Einheit (Fruchtartenwahl) Standardabweichung Abb. 1: Vergleich der flächenbezogenen THG-Emissionen ausgewählter Fruchtarten am Standort Dornburg (gemittelt über 4 Anlagen, EVA I+II) Abb. 2: Vergleich der produktbezogenen THG-Emissionen ausgewählter Frucht arten am Standort Dornburg (gemittelt über 4 Anlagen, EVA I+II) Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. 16
Energieaufwand Funktionale Einheit (Fläche vs. Produkt) Mix 1 (C4/C3) Mix 2 (C4/C3) Mix 3 (C4/C3) Ackerfutter Markt- u. Energiepflanzen Mais Mono Mix 1 (C4/C3) Mix 2 (C4/C3) Mix 3 (C4/C3) Ackerfutter Markt- u. Energiepflanzen Mais Mono 0 50 100 150 GJ ha -1 0 2 4 6 8 GJ GJ -1 Standardabweichung Abb. 1: Vergleich des kumulierten Energieaufwand (4 Anbaujahre aufsummiert) von unterschiedlichen Fruchtfolgen am Standort Dornburg (gemittelt über 4 Anlagen, EVA I+II) Abb. 2: Vergleich des EROI Faktors (Energy return on investment; 4 Anbaujahre aufsummiert) von unterschiedlichen Fruchtfolgen am Standort Dornburg (gemittelt über 4 Anlagen, EVA I+II) Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. 17
Zusammenfassung THG-Emissionen und Energieaufwand einzelner Früchte sollten immer mit Fruchtfolgestellung und Vorfrucht angegeben werden. Grunddüngung Gründüngungsfrüchte Ertrag und Nebenprodukte Reduzierung von THG-Emissionen durch: Minimierung des Stickstoffeinsatzes Geschlossene Nährstoffkreisläufe durch Gärrestrückführung (Ersatz von mineralischen Dünger) Einsatz von emissionsmindernden Düngemittelapplikationstechniken Fruchtfolgegestaltung (Fruchtarten, Fruchtfolgestellung, Extensivierungsansätze durch mehrjähriges Ackerfutter) Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v. 18
Zusammenfassung EROI: Energieeffizienz ist abhängig von der gewählten Fruchtfolge (Fruchtarten und Fruchtfolgestellung) sowie vom Bewirtschaftungsmanagement am Standort und dessen Ertragspotenzial. Bewirtschaftungsmanagement sollte nicht nur auf der Grundlage von einem Indikator (THG-Emissionen) gestaltet werden, sondern alle Säulen der Nachhaltigkeit sollten einbezogen werden. Dazu zählen agrotechnische Machbarkeit, Humushaushalt und Bodenfruchtbarkeit, ökonomische Leistungsfähigkeit sowie pflanzenbauliche und gesellschaftliche Restriktionen. Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Fragen? Vielen Dank dem EVA-Verbund und der FNR. www.eva-verbund.de Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v.
Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v.