Stroh statt Feldfrüchte In Deutschland fallen jährlich rund 30 Millionen Tonnen Getreidestroh an, von denen je nach gewählter Evaluationsmethode 8 bis 13 Millionen Tonnen für unterschiedliche energetische Nutzungspfade, aber auch für die stoffliche Verwendung nachhaltig genutzt werden können. Stroh gehört damit zu den landwirtschaftlichen Reststoffen mit dem größten bislang nur teilweise genutzten Potenzial. Zu diesem Ergebnis kam das zweijährige Forschungsvorhaben Basisinformationen für eine nachhaltige Nutzung von landwirtschaftlichen Reststoffen zur Bioenergieerzeugung, das im Rahmen des BMU-Förderprogramms Energetische Biomassenutzung gefördert wurde (FKZ: 03KB021). Die energetische Nutzung von Stroh basierte bislang auf der thermischen Verwertung in Verbrennungsanlagen. Zukünftig soll Stroh auch zu Kraftstofferzeugung, insbesondere für die Bioethanolerzeugung der 2. Generation, zum Einsatz kommen. Wobei sich entsprechende Verfahren aktuell noch im Demonstrationsstadium befinden und die Wirtschaftlichkeit aber auch die ökologische Sinnfälligkeit als eher kritisch einzuschätzen sind. Als nachteilig bei der thermischen Verwertung von Stroh sind zum einen die extrem großen Lagerkapazitäten, die hohen CO 2 -Emissionen durch Transport und Aufbereitung und nicht zuletzt die Immobilisierung von Nährstoffen in den produzierten Aschen zu nennen. Weiterhin wird durch die vollständige Verbrennung der organischen Substanz der Beitrag zur Humusreproduktion durch sonst eingearbeitetes Reststroh auf dem Feld sehr stark eingeschränkt. Im Gegensatz dazu scheint der Einsatz von Stroh bei der anaeroben Vergärung zur Produktion von energetisch nutzbarem Biogas sinnvoller. Die Nährstoffe sowie die organische Substanz, die im Fermentationsprozess nicht in Biogas konvertiert wurde, stehen als hochwertiger Gärrest nach der Fermentation zur Düngung wieder zur Verfügung. Der aus dem Stroh in Biogas umgesetzte Kohlenstoff ist nach [Schütz, G. (1977); Ackerbauliche Varianten der Kombination von Gülle- und Strohdüngung zu Zuckerrüben und Sommergerste bei industriemäßiger Produktion in der LPG Pflanzenproduktion Vereinte Kraft Vippachedelhausen; Disssertation, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg] der produzierten Menge CO 2 beim Abbau durch Bodenmikroorganismen auf dem Feld gleich zu setzen. Damit können potentielle Gärreste aus einer Strohfermentation nachwievor einen wesentlichen Beitrag zur Humusreproduktion auf landwirtschaftlich genutzten Flächen leisten. Aus ackerbaulicher Sicht ist dieser Umstand ein grundlegendes Argument für die energetische Nutzung von Stroh in Biogasanlagen. Warum wird Stroh trotz des hohen Potentials nicht in größerem Maße in Biogasanlagen eingesetzt? Zunächst einmal erfolgte nach Einführung des EEG (2002) und dessen Novellierungen in 2004 und 2009 ein rasanter Ausbau des Anlagenbestandes in Deutschland. Im Zuge dessen wurden in den zurückliegenden Jahren größenordnungsmäßig sehr leicht abbaubare Substrate mit einem relativ geringen Anteil an Lignozellulose in den Biogasanlagen eingesetzt. Dieser Umstand führte in manchen Gegenden in Deutschland zu einem inflationären Anbau von hauptsächlich Mais und damit zu den hinlänglich bekannten Vorwürfen gegenüber der Biogasbranche generell. Mit der Novelle des EEG in 2012 wurde diesem Missstand Rechnung getragen und die Förderung von agrarischen Reststoffen wie Stroh intensiviert. Sodass aktuell dem Einsatz von Stroh in Biogasanlagen von Seiten der Gesetzgebung her der Weg geebnet wurde. Seite 1 von 5
Aus verfahrenstechnischer Sicht zeichnet sich Stroh im Allgemeinen durch einen sehr hohen Gehalt an Lignozellulose und eher geringen Anteilen an leicht vergärbaren Inhaltsstoffen aus. Dies resultiert im Vergärungsprozess folglich in sehr langen Faulzeiten bei relativ geringen Biogasausbeuten. Weiterhin neigt Stroh auch nach erfolgter Vorzerkleinerung zum Aufschwimmen in den Fermentern und führt somit zur verstärkten Ausbildung von Schwimmschichten. In dessen Folge wird die Biogasfreisetzung im Prozess massiv behindert und die Funktionalität des Gesamtprozesses maßgeblich eingeschränkt. Ferner sind die energetischen Aufwendungen für die Durchmischung des Gärsubstrates erheblich und reduzieren die Wirtschaftlichkeit derartiger Anlagen dramatisch. Um diesen substratspezifischen Nachteilen entgegen zu wirken, zeichnet sich das Vorbehandlungsverfahren der Bioextrusion als sehr vorteilhaft aus. Einerseits führt die Behandlung (Extrusion) von Stroh zu einer Reduzierung der Partikelgröße (Faserlänge) und andererseits zu einem Aufschluss des Lignozelluloseverbundes. Dabei wird die Lignozellulose-Struktur teilweise zerstört und gleichzeitig das Wasseraufnahmevermögen des Strohs erhöht. Abbildung 1 und 2 zeigen Rasterelektronenmikroskopaufnahmen von nahezu unbehandeltem gegenüber extrudiertem Weizenstroh. Deutlich sind die strukturellen Änderungen durch die Behandlung mittels Bioextrusion zu erkennen. Abb. 1 REM-Aufnahme Weizenstroh unbehandelt, geschnittene (gehäckselte) Struktur Abb. 2 REM-Aufnahme von extrudiertem Weizenstroh Durch diese Art der Vorbehandlung schwimmen die Strohfasern im Fermenter weniger auf. Das Gärsubstrat lässt sich insgesamt leichter rühren und verteilt sich nahezu ideal im Arbeitsvolumen des Fermenters. Das Wohlverhalten des durch Bioextrusion modifizierten Substrates ist im Fermenter eine wesentliche Voraussetzung für einen effektiven Biogasbildungsprozess nach dem Nassvergärungsverfahren. Durch den hydro-thermalen Aufschluss wird die spezifische Oberfläche im Stroh maßgeblich erhöht. Dies führt zu einer Beschleunigung der Hydrolyse und damit zu einer Steigung der Biogasbildungsgeschwindigkeit. Durch den weitergehenden Aufschluss der Lignozellulosestruktur wird die Schutzwirkung des Lignins auf abbaubare Hemi- und Zellulose Fraktionen partiell aufgehoben. Somit steht nach der Vorbehandlung durch Bioextrusion eine größere Menge verfügbaren organischen Materials für die am Biogasprozess beteiligten Mikroorganismen bereit. Dies ist gemessen an der Erhöhung des spezifischen Biogasertrags im Batchgärtest nach VDI 4630 eine Steigerung um 21% (Abbildung 3). Seite 2 von 5
zufuhrspez. Gassumme (ln/ kgotrzu) 700 600 500 400 300 200 100 0 588 Nl 535 Nl 441 Nl 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Versuchsdauer (d) Weizenstroh unbehandelt Weizenstroh extrudiert Weizenstroh NaOH-Vollaufschluss Abb. 3 Batch Fermentationskurven nach VDI 4630 von unbehandeltem und unterschiedlich behandeltem Weizenstroh In kontinuierlich durchgeführten Feldversuchen im Pilotmaßstab konnte unter Verwendung von extrudiertem Stroh eine spezifische Methanausbeute von 270 l N CH 4 /kgotr zugeführt bei einer mittleren Raumbelastung von 2,25 kgotr/m³ AV d stabil über einen Zeitraum von 200 d nachgewiesen werden. Damit eröffnet sich durch den Einsatz der Extrusion mit dem Aufschluss von lignozellulosehaltigen Substraten eine technisch und wirtschaftlich attraktive Alternative zu den bisher zur Biogasgewinnung eingesetzten NawaRo.(vgl. Sachbericht im F/ E Projekt Erhöhung der Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit der nachhaltigen Energieversorgung aus Biomasse Entwicklung der Biogaserzeugung als Zukunftstechnologie vom 30.06. 2011, gefördert mit EFRE- Mitteln und Mitteln des Freistaates Sachsen, FKZ 12641/2094) Die Biogaserträge aus den in vorbeschriebener Weise behandelten Substraten liegen in der gleichen Größenordnung wie die nach einer Vorbehandlung mittels Thermodruckhydrolyse (vgl. Abschlußbericht Forschungsprojekt Stoffliche und energetische Nutzung von Stroh, PFI Pirmasens vom 30.04.2010, GZ 8407-6536-08/1) Was steht also einer Monostrohvergärung noch im Wege? Stroh mit einem Trockensubstratgehalt zwischen 85 90% ist sehr leicht und voluminös und der Energiebedarf für den Aufschluss des trockenen Material ist vergleichsweise hoch. Die Bioextrusion sichert jedoch deutlich geringere erforderliche Energieeinträge (kwh/t FM) als beispielsweise Mühlen, bei denen die dämpfende Wirkung der Fasern zu überwinden ist. Außerdem gibt es keine Staubbildung und damit auch kein Potential für Verpuffungen und Brände. Das kontinuierlich arbeitende System des Bioextruders, der gleichzeitig auch selbstreinigend ist und nicht zu Verstopfungen neigt, ist eine wesentliche Voraussetzung um Strohmonovergärung gewinnbringend zu betreiben. Seite 3 von 5
Die genannten Vorteile werden durch ein mehrstufiges Vorbehandlungs- und Fermentationsverfahren der Firma Lehmann unterstützt und ergänzt, für das Schutzrechte angemeldet wurden. Bei diesem mehrstufigen Verfahren werden in einem ersten Arbeitsgang die Strohballen voraufgelöst und zerkleinert. Alternativ kann auch in Strohfeimen gelagertes bereits gehäckseltes Stroh vorteilhaft eingesetzt werden. Das eingekürzte Substrat mit z.b. 4 cm Länge wird mittels Dosierer in eine temperierte Aufstromhydrolyse gefördert Dabei wird das vor der Extrusion noch überwiegende Aufströmverhalten von Stroh genutzt. Zur Einstellung des Feststoffgehaltes wird die Flüssigphase des Gärrestes oder Gülle zum Einsatz gebracht. Bei dem Aufströmvorgang werden Störstoffe auf Grund ihres Gewichtes nach unten abgeschieden und ausgeschleusst (Asche, Steine, Metalle u.a.). Bei kurzer Verweilzeit verdichtet sich das Stroh auf dem Weg nach oben und wird hydrolisiert und angelöst. Das gequollene Substrat erweicht unterstützt durch die Temperaturführung beschleunigt und wird über eine mechanische Austragsvorrichtung einem geschlossenen Bioextruder zum Aufschluss zugeführt Die Leistungsaufnahme des Bioextruders verringert sich gegenüber dem Trockenaufschluss auf ca. ein Drittel. Die Verschleißkosten liegen unter 0,60 Eur/t FM. Nach der Vorbehandlung durchläuft das Substrat die bekannten Stufen der Fermentation. Das Verfahren kann durch eine weitergehende Versäuerung und / oder durch eine Enzymzugabe ergänzt werden. Damit wird die Fermentation beschleunigt und der Ertrag ggf. weiter erhöht. Die mehrstufige Substratvorbehandlung ist als Voll- oder Teilstromvariante auf vorhandenen Biogasanlagen nachrüstbar bzw. bei Anlagenneuerrichtungen zu integrieren. Auch im Sinne der Monovergärung ist das Verfahren vorteilhaft einzusetzen. Im letzteren Fall sind die Nährstoffverhältnisse besonders zu beachten. Die Anlagen sind in verschiedenen Baugrößen gestaltbar. Die Fermenter sind überschaubar klein, da die Gasbildung in verkürzter Verweilzeit beschleunigt stattfindet. Bei Weizenstroh wäre mit einer Substratzuführung von 12 t/d eine 500 KW elektrisch Biogasanlage betreibbar. Damit stehen technisch und betriebswirtschaftlich alle Voraussetzungen zu einer Monostrohvergärung zur Verfügung. Die Nutzung von Getreidespreu ist ein weiteres bisher ungenutztes Potential mit dem Vorteil, dass auch Unkrautsamen vom Feld geschafft wird und Folgekosten der Feldpflege verringert werden. Geeignete Bergetechnik wird derzeit entwickelt. Mit Bioextrusion werden bereits Anlagen mit 70% und 90% Rinderfestmist mit hohem Strohanteil betrieben. Monovergärungsanlagen mit Pferdemist sind robust gestaltbar und lösen das Problem der Entsorgung ideal mit dem Zugewinn von Biogas / Strom und Wärme. In der eigenen 500kW Modell- und Demonstrationsanlage werden anteilig große Mengen an Rapsstroh (TS 65-90%) eingesetzt. Die Gaserträge der Rapssilage liegen leicht unter den Biogaserträgen der Maissilage. Auch für Gras- und Landschaftspflegematerial eignet sich das neue Verfahren, sowohl in silierter, frischer oder abgelagerter Form. Ein wesentlicher Vorteil ist die sichere Ausschleusung der Störstoffe. Dies schont die Technik, wie Aufschlussgerät oder Pumpen und verringert zusätzlich Ablagerungen im Fermenter oder Gärrestlager. Seite 4 von 5
Maisstroh, nach der Ernte von Körnern, eignet sich ebenfalls für das Verfahren und wird mit Erfolg in großen Mengen für die Fermentation eingesetzt. Potentiale liegen in Mehrjahrespflanzen mit hohem Trockengehalt. Miscanthus, im Frühjahr geerntet, erreicht Ergebnisse zwischen 5.000 7.500 m³ Methangasertrag pro Hektar (Ergebnisse aus verschiedenen Regionen und Bodenwerten). Miscanthusmonovergärungsanlagen sind eine gewinnbringende Möglichkeit, dieses interessante Substrat nachhaltig in Biogasanlagen einzusetzen. Das sind gute Aussichten für Reststoffe und die Verarbeitung von Energiepflanzen, die nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion stehen. Die Vielfalt an Substraten sichert eine gute bäuerliche Fruchtfolge und die Nutzung von Landschaftspflegematerial, Straßenbegleitgrün und bisher ungenutzten Substraten. Kontakt: LEHMANN Maschinenbau GmbH Fraunhofer-IKTS Jocketa-Bahnhofstraße 34 Winterbergstraße 28 08543 Pöhl 01277 Dresden GF Thilo Lehmann Dr. Eberhard Friedrich Tel. 037439 / 74410 Tel. 0351 2553-7826 www.lehmann-maschinenbau.de www.ikts.fraunhofer.de Stand: 21.03.2012 TL/AV Seite 5 von 5