Vorstellung alternativer Substrate für die Biogasproduktion Romann Glowacki, Innovationskoordinator DBFZ www.exportinitiative.bmwi.de
Kurzvorstellung DBFZ - Bundeseigene gemeinnützige GmbH, BMELV - Zentrale Forschungseinrichtung für alle Fragen der Bioenergie - ca. 200 Mitarbeiter, Umsatz 2011 ca. 11 Mio. EUR - Vernetzung der Ergebnisse der sehr vielschichtigen Forschungslandschaft - Integration von Bioenergie in das Energie- und Wirtschaftssystem - Ganzheitlicher Ansatz - Erarbeitung wissenschaftlich fundierter Entscheidungshilfen für die Politik
Forschungsbereiche am DBFZ UFZ = Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)
Inhalt 1. Biogasanlagen in Deutschland 2. Substrateinsatz in Deutschland 3. Überblick zu Substratalternativen
Entwicklung der Biogaserzeugung in Deutschland Entwicklung der Biogasanalagenanzahl in Deutschland nach Leistungsklassen und installierter elektrischer Leistung ohne Abbildung von Biogasaufbereitungsanlagen, Deponie- und Klärgasanlagen. Quelle: DBFZ Report Nr. 12
Standorte in Deutschland Standorte der im Betrieb befindlichen Biogasanlagen in Deutschland, vereinzelt im Bau- und Planung. Bezugsebene: Postleitzahlen. Quelle: DBFZ Report Nr. 12
Befragung von Biogasanlagenbetreibern 2011/2012 Ausgewählte Aspekte der Befragung - Installierte elektrische Leistung - Eingespeiste Strommenge, Eigenstrombedarf - Betriebsstunden und Ausfallzeiten - Elektrischer / thermischer Wirkungsgrad - Verfahren - Gärrestaufbereitung und -verwertung - Substrateinsatz (Art, Menge, Kosten, durchschnittliche Transportentfernung) - Flächenumfang für den Anbau landwirtschaftlicher Rohstoffe zur Biogasproduktion
Substrateinsatz Nachwachsende Rohstoffe = NawaRo (= Energiepflanzen) Exkremente = Gülle und Einstreu Masse- und energiebezogener Substrateinsatz in Biogasanlagen (Betreiberbefragung DBFZ 2011/2012). Quelle: DBFZ Report Nr. 12
Bioabfälle, Substrattypen - kommunale Bioabfälle - Grünabfälle - gewerbliche organische Abfälle, z.b. Lebensmittel, Kantinen- oder Küchenabfälle Durchschn. Substratmix (massebezogen) in BGA bezogen auf die installierte Elektr. Leistung. (Betreiberbefragung DBFZ 2011/2012). Quelle: DBFZ Report Nr. 12
Einsatz nachwachsender Rohstoffe (NawaRo) GPS = Ganzpflanzensilage Masse- und energiebezogener Substrateinsatz nachwachsender Rohstoffe in Biogasanlagen (Betreiberbefragung DBFZ 2011/2012). Quelle: DBFZ Report Nr. 12
Mais-Problematik Akzeptanzprobleme: - Landschaftsbild (Sichtachsen) - Konkurrenz zur Futtermittelproduktion - Teller-Tank-Diskussion - Kritik am intensiven Maisanbau (Öffentlichkeit) - Biodiversität, Verdrängungseffekte, Grünlandumbruch - Erosion
Suche nach Substratalternativen Ersatz für einen Teil des Maisanbaus Änderungen der Anreizsetzung (EEG ab 2012) Suche nach alternativen Substraten Nachvollziehbare Bewertungskriterien für alternative Substrate sind notwendig!
Substratalternativen: Biogaspflanzen Ergebnisvorstellung der Studie: Perspektive der Biogasgewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen Bewertung von Substratalternativen zu Silomais. Dr. Walter Stinner, Nadja Rensberg. DBFZ April 2011.
Substratalternativen: Biogaspflanzen - Bewertungskriterien - Klimaeffekte - Biodiversität - Bodenschutz - Einsatz von Pestiziden - spezifische Flächenkonkurrenz - Einfluss auf Ernährungssicherheit und internat. Agrarmärkte - Pflanzenbau - Kosteneffekte auf die Biogaserzeugung - technologischer Aufwand der Vergärung, Stand der Technik - Potenzial - Energiewendeaspekte
Substratgruppen - Annuelle Hauptfrüchte - Perennierende Hauptfrüchte - Zwischenfrüchte - pflanzenbauliche Reststoffe - Wirtschaftsdünger - Reststoffe mit Nutzungskonkurrenz (z.b. Rübenschnitzel) - Bioabfälle
Substratalternativen: Annuelle Hauptfrüchte Vorstellung und Bewertung - Silomais - Kolbenmaisprodukte (Körnermais, Corn-Cob-Mix, CCM), Lieschkolbenschrot (LSK) - Getreide Ganzpflanzensilage (GPS) - Getreidekörner - Hirsen - Sonnenblume - Zuckerrübe bzw. Futterrüben
Silomais Kriterium Bewertung Methanertrag: Ganzpflanze ca. 106 m³/t Frischmasse* Klimaeffekte O N-Düngung notwendig (Lachgas), ertragsbezogen niedriger N-Bedarf, Humusabbau Biodiversität - eher artenarme Frucht, abhängig von der regionalen Agrobiodiversität Pflanzenbau 0 sehr abhängig von Fruchtfolgen am Standort (in Marktfruchtregionen positiv, in Futterbauregionen sehr problematisch) Bodenschutz -- Prinzipiell sehr erosionsanfällig, starker Humuszehrer, Bodenschadverdichtung bei feuchten Erntebedingungen im Herbst Pestizide - Herbizideinsatz üblich, im Vgl. zu anderen annuellen Früchten eher gering, Flächenkonkurrenz O Hauptfruchtfläche, aber hohe Erträge Kosteneffekte BGErz. ++ sehr effiziente und kostengünstige Erzeugung Techn. Aufwand Verg. ++ relativ leicht mit etablierten Verfahren vergärbar Potenzial O weitere Flächenausdehnung in vielen Regionen kritisch Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April 2011. * Angaben gem. deutscher Biomasse-Verordnung 2012 (BiomasseV)
Getreide Ganzpflanzensilage (GPS) Kriterium Bewertung Methanertrag: ca. 108 m³/t Frischmasse* Klimaeffekte O geringerer Flächenertrag, spez. höherer N-Bedarf Biodiversität - abhängig von angebauter Art, Pflanzenschutz, Erntezeitpunkt evtl. negativ für Bodenbrüter Bodenschutz + Ernte meist bei trockenem Bodenzustand, Verbesserung durch Untersaaten (US)möglich Pflanzenbau - meist Verstärkung einseitiger Fruchtfolgen (Auflockerung durch US möglich) Pestizide 0 Managementabhängig, kann prinzipiell gegenüber Körnergetreide minimiert werden Flächenkonkurrenz - Hauptfruchtfläche Kosteneffekte BGErz. ++ effiziente und kostengünstige Erzeugung Techn. Aufwand Verg. ++ relativ leicht mit etablierten Verfahren vergärbar (Technik und Biologie) Potenzial - weniger negatives Image als Mais bei Flächenausdehnung Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April 2011. * Angaben gem. deutscher Biomasse-Verordnung 2012 (BiomasseV)
Hirsen Kriterium Bewertung Methanertrag: Zuckerhirse ca. 58 m³/t Frischmasse* Klimaeffekte O häufig geringe Flächenerträge, Züchtung läuft Biodiversität O selten angebaut, Habitatfunktion vergleichbar Mais Bodenschutz - vergleichbar Mais Pflanzenbau + selten angebaut, Einschränkung durch Bodenschutz Pestizide - vergleichbar Mais Flächenkonkurrenz - derzeit noch geringere Erträge als Mais (rasanter Zuchtfortschritt, Standort- und Sortenwahl) Kosteneffekte BGErz. O s.o. Techn. Aufwand Verg. ++ vergleichbar Mais Potenzial O Akzeptanz vergleichbar Mais (Sichtachsen) Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April 2011. * Angaben gem. Leitfaden Biogas, FNR 2010.
Zuckerrüben Kriterium Bewertung Methanertrag: Zuckerrübe ca. 72 m³/t Frischmasse* Klimaeffekte - sehr hohe Flächenproduktivität, trotz intensiven Anbaus pos. Klimawirkung mögl., hohe Lachgasemissionen bei Verzicht auf Blattbergung Bodenschutz -- gehören zu den am stärksten humuszehrenden Früchten, späte Ernte bei feuchtem Boden mit schweren Maschinen, hohes Erosionsrisiko Pflanzenbau - außerhalb Rübenanbaubieten nur bedingt anbauwürdig, als Blattfrucht wertvoll nur bei Anbau in Regionen mit geringem Rübenanteil Pestizide -- sehr intensiv geführte Kultur Flächenkonkurrenz O gute Vorfruchtwirkung bei entsprechender Einbindung in die Fruchtfolge Kosteneffekte BGErz. + schnelle Abbaubarkeit kompensiert evtl. höhere Bereitstellungskosten Techn. Aufwand Verg. ++ + gute Vergärbarkeit, sehr wichtige Frucht für Flexible Gasproduktion und zur Verbesserung der Prozesskinetik Potenzial O enges Potential zur umweltgerechten Ausweitung des Anbaus vorhanden Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April 2011. * Angaben gem. Leitfaden Biogas, FNR 2010.
Substratalternativen: Perennierende Hauptfrüchte Vorstellung und Bewertung - Mehrjähriges Feldgras - Mehrjährige leguminosenbasierte Futterbaugemenge (Kleeoder Luzernegras) - Durchwachsene Silphie - Topinambur (jährliche Ernte von Kraut und Knollen) - Topinambur (mehrjähriger Anbau, nur Krauternte) - Wildpflanzenmischungen - Weitere (Malve, Ampfer, Steinklee, Dauerlupine, )
Mehrjähriges Feldgras Kriterium Bewertung Methanertrag: Weidelgras ca. 79 m³/t Frischmasse* Klimaeffekte O geringer Ertrag, ertragsbezogen hoher N-Bedarf Biodiversität + vielseitiges Bodenleben Bodenschutz ++ Humus, Erosionsschutz, Strukturverbesserung Pflanzenbau ++ Vorfruchtwert, Unkrautunterdrückung, Brechen von Infektionsketten, Bodengare Flächenkonkurrenz - hoher Vorfruchtwert Kosteneffekte BGErz. - Höhere Bereitstellungskosten (Mehrfachernte) Techn. Aufwand Verg. - Vergärung aufwändiger (Rühr- und Pumptechnik) Potenzial O Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April 2011. * Angaben gem. Leitfaden Biogas, FNR 2010.
Durchwachsene Silphie Kriterium Bewertung Methanertrag: ca. 67 m³/t Frischmasse* Klimaeffekte O Nichtleguminose N-Bedarf (Düngung und Gärrest) Biodiversität + Möglich als Dauerkultur mit Nutzungszeit > 10 J. Humusreproduktion + Vermutlich hohe Humusreproduktionswirkung Bodenschutz ++ s. Feldgras Pestizide + Nur im Ansaat- und Anpflanzjahr Flächenkonkurrenz - Hauptfruchtplätze Kosteneffekte BGErz. O Einmalige Etablierung, hohe Erträge Techn. Aufwand Verg. - Vergärung aufwändiger (Rühr- und Pumptechnik) Potenzial O Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April 2011. * Angaben gem. deutscher Biomasse-Verordnung 2012 (BiomasseV)
Topinambur (jährliche Ernte von Kraut und Knollen) Kriterium Bewertung Methanertrag: Knolle sil. ca. 50 m³/t Frischmasse* Klimaeffekte O Nichtleguminose N-Bedarf (Düngung und Gärrest) Biodiversität? Bereicherung für ackerbauliche Standorte. Invasiv in Auennähe. Bodenschutz -- bei Knollenernte stark humuszehrend, dann auch Risiko der Bodenschadverdichtung Flächenkonkurrenz O Hauptfruchtfläche, hohe Erträge bei Kompletternte Kosteneffekte BGErz. O mit Knolle höherer Ernteaufwand, Schmutzanhang, teure Spezialsilierung Techn. Aufwand Verg. -- kurze Verweilzeiten und gute Vergärbarkeit der Knollen Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April 2011. * Angaben gem. www.lfl.bayern.de Biogasausbeuten, 2013
Dauergrünland Kriterium Bewertung Methanertrag: Grassilage ca. 93 109 m³/t Frischmasse* Klimaeffekte + Erhaltung von DGL positiv. Landschaftliche und ökosystemische Vorteile Biodiversität + positiv Humusreproduktion + Humusakkumulation Bodenverdichtung ++ Erosionsrisiko + spät schließende Reihenkultur Pestizide ++ Flächenkonkurrenz O geringer Flächenertrag, oft jedoch auf nicht ackerfähigen Grenzstandorten Kosteneffekte BGErz. - Vollkosten meist teurer als Mais, meist schlecht erreichbare Standorte Techn. Aufwand Verg. - aufwändiger und schwieriger als bei Mais Potenzial + leicht abbaubare Ergänzung zu faserreichen Substraten, mit Kraut hohe Flächenpr. Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April 2011. * Angaben gem. Leitfaden Biogas, FNR 2010.
Zwischenfrüchte (ohne N-Düngung, Leguminosen) Kriterium Bewertung Methanertrag: Lupine, Leguminosengemenge ca. 80 m³/t FM* Klimaeffekte + Biodiversität + Humusreproduktion ++ Bodenverdichtung O Risiko bei feuchten Böden Erosionsrisiko ++ Pestizide ++ nicht notwendig Flächenkonkurrenz + keine Konkurrenz um Anbauzeit oder Wasser, oftmals pos. Vorfruchtwirkung Kosteneffekte BGErz. -- rel. hohe Erntekosten, da geringe Trockenmasseerträge, schlechte Silierbarkeit Techn. Aufwand Verg. - Herausforderungen bei der Vergärung Potenzial ++ Auf günstigen Standorten erheblich, abh. von Anbauzeiträumen Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April 2011. * Angaben gem. deutscher Biomasse-Verordnung 2012 (BiomasseV)
Pflanzenbauliche Koppelprodukte (N-arm, v.a. Stroh) Kriterium Bewertung Methanertrag: Getreidestroh 161 m³/t FM Klimaeffekte + Koppelpr. fallen zusätzlich an, Klimagasemissionen liegen auf den Hauptfrüchten Biodiversität O Humusreproduktion O über Rückführung des Gärrestes Bodenverdichtung Erosionsrisiko O O Pestizide ++ keine zus. Anwendung, über Ernte Mitnahme von Erregern, Unkrautsamen Flächenkonkurrenz + keine direkte Kosteneffekte BGErz. - noch erhebl. Entwicklungsbedarf: Lagerung, Silierung, Aufbereitung, Vergärung Techn. Aufwand Verg. - Potenzial ++ Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April 2011. * Angaben gem. deutscher Biomasse-Verordnung 2012 (BiomasseV)
Wirtschaftsdünger / Gülle Kriterium Bewertung Methanertrag: Schweinefestmist 45 m³/t FM, Gülle 17 m³/t FM Klimaeffekte ++ Vermeidung der Klimagasemissionen CH4 und N2O Biodiversität Humusreproduktion Bodenverdichtung Erosionsrisiko Pestizide O O O O O Flächenkonkurrenz + Kosteneffekte BGErz. O Transportwürdigkeit gering, dezentrale Konzepte sinnvoll, Kleinanlagen Techn. Aufwand Verg. ++ oft sehr einfach vergärbar Potenzial ++ Quelle: W. Stinner, N. Rensberg, DBFZ April 2011. * Angaben gem. deutscher Biomasse-Verordnung 2012 (BiomasseV)
Substratalternativen: Exkremente / Gülle = Wirtschaftsdünger - Deutlich weniger Klimagasemissionen als NawaRo (Lachgas, Ammoniak) - Einsparung von Emissionen aus der Güllelagerung - in D: Förderanreiz für Kleinanlagen <75 kwel mit Gülleeinsatz > 80% - Herausforderung: Güllevergärung benötigt hohes Volumen möglichst geringe Fermenterkosten - schwierige Markteinführung, Entwicklung läuft
Zusammenfassung - Potential für alternative Substrate ist groß - oft technisch aufwändigere Anlagen - problematisch: geringe ha-erträge, Ernteaufwand - Optimierungs- und Forschungsbedarf besteht - Gesamtbetrachtung der Anbausysteme notwendig
Quellen und weitere Informationen Literatur: DBFZ Report Nr. 12: Monitoring zur wirkung des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) auf die Entwicklung der Stromerzeugung aus Biomasse. Hrsg. DBFZ 2012. http://www.dbfz.de/web/referenzen-publikationen/dbfz-reports.html Perspektive der Biogasgewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen Bewertung von substratalternativen zu Silomais (Studie). Dr. Walter Stinner, Nadja Rendsberg, April 2012. Biogaserträge: Biomasse Verordnung 2012 (BiomasseV) http://www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/biomassev/gesamt.pdf Leitfaden Biogas, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. FNR. http://mediathek.fnr.de/broschuren/bioenergie/biogas.html http://www.lfl.bayern.de/ilb/technik/10225 Kontaktpersonen: Walter.Stinner@dbfz.de Romann.Glowacki@dbfz.de