Regenerative Energie
Bioabfall-Ist- und Potentialkarten für das Land Mecklenburg-Vorpommern
© Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät Universität Rostock (6/2015)
Die im Auftrag des Ministeriums für Wirtschaft, Bau und Tourismus Mecklenburg-Vorpommern durchgeführte Studie 'Bioabfallbewirtschaftung in Mecklenburg-Vorpommern' stellt den Stand der Bioabfallbewirtschaftung in Mecklenburg- Vorpommern im Jahr 2010 zusammen. Dargestellt werden Bioabfallarten wie Garten- und Parkabfälle, Landschaftspflegeabfälle, Nahrungs- und Küchenabfälle aus Haushaltungen und aus dem Gaststätten- und Cateringgewerbe sowie darüber hinausgehend organischer Abfall im Gewerbe. Die Ergebnisse der Studie sind Mengenangaben für das gesamte Bundesland Mecklenburg-Vorpommern bzw. in einzelnen Teilen auch Bioabfallmassen auf die alten Landkreise bezogen. Die Ergebnisse der Studie wurden für alle Landkreise mit Geo-Informationssystemen (GIS) aufbereitet, ausgewertet und visualisiert.
Stickstoffausnutzung von Mais und Sorghum im Mischfruchtanbau mit Leguminosen
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Der Verlust von großen Nährstoffmengen aus landwirtschaftlichen Systemen hat erhöhte N- und P-Einträge in Gewässer zur Folge. Besonders Reihenkulturen wie Mais begünstigen Nährstoffverluste durch Auswaschung und Erosion. Eine Alternative stellt der Mischfruchtanbau dar. Die Kombination verschiedener Kulturpflanzen mit unterschiedlicher Anpassungsfähigkeit an suboptimale Wachstumsbedingungen kann zur effizienten komplementären Nutzung von Wachstumsfaktoren und somit zur Steigerung von Nährstoff- (Gosh et al. 2006) und Wassernutzungseffizienz (Woldeamlak et al. 2006) beitragen. Wegen der zusätzlichen N-Fixierung aus der Luft ist der Mischfruchtanbau mit Leguminosen besonders interessant.
Optimierter Gärresteinsatz in Energiepflanzenfruchtfolgen - Ergebnisse aus dem Verbundvorhaben EVA
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Im Rahmen des vom BMEL über die FNR geförderten Verbundvorhabens EVA wird der Einsatz von Biogasgärresten in zwei Versuchen untersucht. Diese Versuche werden bundesweit an sechs Standorten in Niedersachsen, Mecklenburg-Vorpommern, Sachsen (nur Kleiner Gärrest), Thüringen, Baden- Württemberg und Bayern durchgeführt. Im Kleinen Gärrest werden drei Varianten (mineralische Düngung, reine Gärrestdüngung und gemischte 50/50-Düngung) verglichen. Die Varianten werden über eine insgesamt vierjährige Energiepflanzen- Fruchtfolge (Mais - Winterroggen - Sorghum - Wintertriticale - einjähriges Weidelgras) ausgewertet. Im Abschlussjahr wird Winterweizen als Marktfrucht angebaut. Im Großen Gärrest ist die Bestimmung des optimalen Düngezeitpunktes einer Hauptfrucht (Mais, Sorghum und Triticale) das Ziel. Neben der Ertragsauswertung wird die angestrebte Risikominimierung von Nitratauswaschung über den Winter anhand einer Winterzwischenfrucht untersucht. Die Versuche zeigten, dass alle angebauten Pflanzen Gärreste gut verwerten können. Auch die gemischte Düngung wurde gut verwertet und wies Einsparpotenziale in der Energiebilanz aus. Das angesetzte Mineraldüngeräquivalent von 70 % des Gesamtstickstoffs ohne Anrechnung von Verlusten erwies sich für die Düngung einer Fruchtfolge als gut geeignet. Allerdings zeigte sich die Gärrestdüngung stärker witterungsabhängig als mineralische Düngung, bei widrigen Witterungsbedingungen besteht eine größere Wahrscheinlichkeit von Emissionen und Auswaschungen.
Anbaueignung von Riesenstaudenknöterich als alternatives Substrat für Biogasanlagen
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Energiepflanzen bieten die Chance die Vielfalt von Agrarlandschaften und somit die Biodiversität zu erhöhen, indem nicht zur Nahrung und Fütterung verwertbare Kulturen neu in das Anbauportfolio aufgenommen werden. Dabei haben Dauerkulturen das Potential die Forderungen nach ökologisch vorteilhaften und ökonomisch lohnenswerten alternativen Substraten miteinander zu kombinieren. Der Riesenstaudenknöterich ist in der Nutzungsphase sowohl arbeitsextensiv als auch frei vom Einsatz von Pflanzenschutzmitteln und passt somit prinzipiell in das Konzept der neuen Energiepflanzen. In zwei Schnitten werden in Abhängigkeit von der Düngung nach übereinstimmenden Berichten bis zu 17 t TM/ha geerntet. Trotz guter Siliereigenschaften rangieren die spezifischen Methanausbeuten zwischen 135-180 l Methan/kg oTS. Der resultierende Methanhektarertrag beeinflusst die Wettbewerbsfähigkeit der Kultur und somit die Akzeptanz im praktischen Anbau negativ. Ohne Optimierung der spezifischen Gasausbeute ist in den kommenden Jahren von keiner nennenswerten Anbauausweitung des Riesenstaudenknöterichs auszugehen.
Klimaschutz und Energiepflanzenanbau - Potenziale zur Treibhausgasemissionsminderung durch Fruchtfolge- und Anbauplanung
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Das EVA-Projekt vergleicht bundesweit Energiepflanzenfruchtfolgen und Bewirtschaftungsregime auf standortbezogene Produktivität. Neben pflanzenbaulicher Anbaueignung werden ökonomische und ökologische Leistungen und Folgen analysiert und bewertet. Als Teil der Nachhaltigkeitsbewertung der geprüften Anbauoptionen werden Ökobilanzen aufgestellt. Das im Projekt entwickelte Modell MiLA verwendet empirische Versuchsdaten und Standortparameter zur Erstellung der Sachbilanzen. An ausgewählten Standorten werden vergleichend verschiedene Anbauregime, sowie Düngungsregime geprüft.
Wintertriticale-GPS - eine sinnvolle Ergänzung in Energiepflanzenfruchtfolgen
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Anhand mehrjähriger Feldversuche an der LFA MV konnte für Wintertriticale zur Ganzpflanzenernte (GPS) bei einer N-Düngung nach der Stickstoffdüngerbedarfsanalyse (SBA) ein hohes Ertragsniveau bei gleichzeitig hoher Ertragsstabilität nachgewiesen werden. Auswertungen von Produktionsfunktionen basierend auf Daten aus N-Steigerungsversuchen ergaben, dass das hohe Ertragspotential bei einer Düngung nach SBA jedoch noch nicht ausgeschöpft ist und höhere Erlöse auch noch bei höheren N-Gaben möglich sind. Negative Auswirkungen auf die Umwelt sind hierbei kaum zu erwarten, da sich WT-GPS durch niedrige Nmin-Werte nach der Ernte auszeichnet. WT-GPS kann mit geringem Pflanzenschutzaufwand geführt werden. Agrarvögel werden durch die im Vergleich zur Mähdruschfrucht frühere Ernte bei GPS-Nutzung nicht negativ beeinflusst. Ein weiterer positiver Beitrag zur Biodiversität ist die Fruchtfolgegestaltung, die die Integration von WT-GPS ermöglicht. So können nach der Ernte sowohl Zwischenfrüchten angebaut als auch Winterraps pünktlich ausgesät werden. WT-GPS stellt somit eine sinnvolle Möglichkeit dar, um Energiepflanzenfruchtfolgen aufzulockern.
Erweitertes Auswerteverfahren für Biogas-Batch- Versuche zur quantifizierbaren Darstellung zeitlicher Verläufe
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Derzeit ist eine erhebliche Ausweitung des Spektrums an Einsatzstoffen für Biogasanlagen zu verzeichnen. Für viele dieser Substrate ist der spezifische Biogasertrag als alleiniges Bewertungskriterium ohne quantitative Aussagen zum zeitlichen Verlauf der Biogas- und Methanbildung ungeeignet. Messmethoden, bei denen auch kinetische Parameter der Biogasbildung erfasst werden können, stehen bisher nur in kleinem Versuchsmaßstab zur Verfügung. Der experimentelle Ansatz für Batch-Versuche mit großen Gärgefäßen und Folienbeuteln hat den Vorteil großer Probeneinwaagen bei nur minimaler Probenaufbereitung, erlaubt jedoch durch vergleichsweise lange Messintervalle in der Regel keine Aussagen zum zeitlichen Verlauf. Durch das vorgestellte Versuchsdesign sowie die verbesserte Auswertungsmethode wird die Aussagefähigkeit dieser Versuche wesentlich erweitert. Das Verfahren wird am Beispiel zweier Partien Weizenstroh erläutert. Es konnten erhebliche Unterschiede sowohl im Biogasertrag als auch hinsichtlich der Abbaukinetik zwischen den beiden Strohpartien nachgewiesen werden.
Biomass steam processing (BSP)
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Die langfristig gesetzten Ziele zur Minderung der CO2-Emission haben in den letzten Jahren dazu geführt, dass vermehrt erneuerbare Energieträger zur Deckung des Primärenergiebedarfs eingesetzt werden. Mit über 60 % stellt Biomasse den größten Anteil der regenerativen Energieträger dar, weswegen die effiziente und nachhaltige Nutzung vorhandener Biomassen hohe Priorität hat. Vermehrt in den Fokus rücken dabei auch Abfallbiomassen, wie zum Beispiel pflanzliche Haushaltsreststoffe ('Biotonne'), Rückstände aus Fermentationsverfahren oder Klärschlamm. Das BSP-Verfahren ist für diese Stoffströme einsetzbar ebenso wie auch für klassische Biomassen (Holz, Stroh etc.). Das BSP-Verfahren kombiniert vorteilhafte Elemente der langsamen Pyrolyse und der hydrothermalen Karbonisierung (HTC) bei moderateren und verfahrenstechnisch einfach zu realisierenden Prozessparametern. Die Biomasse wird in überhitzter Dampfatmosphäre drucklos bei Temperaturen von etwa 350 °C und kurzen Reaktionszeiten zwischen 30 und 150 min behandelt. Die daraus resultierenden trockenen Biokohlen haben im Vergleich zu durchschnittlichen HTC-Produkten ähnliche elementare Zusammensetzungen und Brennwerte. In der vorliegenden Arbeit wurden Experimente in einem Technikumsreaktor mit maximalen Durchsatz von 0,5 kg/h durchgeführt und diese Erkenntnisse zur Planung und Umsetzung einer vergrößerten Pilotanlage mit bis zu 50 kg/h Durchsatz verwendet.
Wirtschaftliche Bewertung von Anlagenkonzepten zur Bioabfallvergärung
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Gegenwärtig spielt der Einsatz von Bio- und Grünabfällen aus getrennter Sammlung, gewerblichen organischen Abfällen (Lebensmittel; Speisereste aus Kantinen, Großküchen und Gastronomie) sowie Abfällen aus der Nahrungsmittelindustrie bei der Biogaserzeugung in Deutschland nur eine untergeordnete Rolle. Die Zahl der Abfallvergärungsanlagen steigt jedoch kontinuierlich. Infolge der Novellierungen des Erneuerbaren-Energien-Gesetz (EEG) 2012 und 2014 rückt die Vergärung von Bioabfällen neben der Installation von landwirtschaftlichen Gülle- Kleinanlagen stärker in den Fokus. Zum Stand 31.12.2014 sind in Deutschland knapp 140 Abfallvergärungsanlagen in Betrieb, die ausschließlich oder überwiegend organische Abfälle vergären. Dabei werden in 83 Anlagen Bio- und Grünabfälle aus der getrennten Sammlung (Biotonne) eingesetzt - mit sehr unterschiedlichen Anteilen am Gesamtinput der Anlage. Insgesamt handelt es sich nach Datenlage des DBFZ bei 68 Anlagen um Bioabfallvergärungsanlagen, in denen ausschließlich oder überwiegend Bioabfälle gemäß § 27a EEG 2012 bzw. § 45 EEG 2014 Einsatz finden. Mit der im EEG 2012 eingeführten Direktvermarktung und der Flexibilitätsprämie wurden weitere Anreize geschaffen, die auf eine stärker systemorientierte Stromeinspeisung von Biogasanlagen abzielen. Inwieweit diese Erwartungshaltung umgesetzt wird, entscheidet die Wirtschaftlichkeit über die Gesamtbetriebslaufzeit. Eine Verdopplung der installierten elektrischen Leistung stellt für eine durchschnittliche Modellanlage gegenwärtig die wirtschaftlich sinnvollste Variante dar.
Optimierung von Halmgutpellets aus Paludikultur mit Beimischungen von Holz
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Paludikultur ('palus': lat. Sumpf) ist nasse Landwirtschaft auf Moorstandorten bei gleichzeitigem Erhalt des Torfkörpers als Kohlenstoffspeicher. Die aufwachsende Biomasse kann als regenerativer Energieträger genutzt werden. In der vorliegenden Studie wurde Biomasse aus Paludikultur im Technikumsmaßstab sowie im Praxisversuch pelletiert und prozessspezifische Kennwerte und Eigenschaften der Pellets analysiert. Die Bewertung erfolgt hinsichtlich der normativen Anforderungen nach DIN EN ISO 17225-6. Neben der Herstellung der Pellets war die brennstoffseitige Charakterisierung der Pellets zur bewertenden Einordnung der energetischen Verwertung Inhalt der Arbeit. Zur weiteren Optimierung wurde den einzelnen Paludikultur-Biomassen Kiefernholz zugemischt (Anteil von 50 und 80 %).
