Regenerative Energie
Klimaschutz und Energiepflanzenanbau - Potenziale zur Treibhausgasemissionsminderung durch Fruchtfolge- und Anbauplanung
© Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät Universität Rostock (6/2015)
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.
Betriebsstrategien für Biogasanlagen - Zielkonflikt zwischen netzdienlichem und wirtschaftlich orientiertem Betrieb
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In einem intelligenten Energiesystem müssen 'Smart Grid' und 'Smart Market' Hand in Hand gehen (Aichele et. al, 2014). Änderungen am rechtlichen Rahmen, insbesondere im Erneuerbaren-Energien-Gesetz (EEG) haben zum Ziel, die Anforderungen zur Erhöhung der Erzeugung erneuerbarer Energien (EE) sowie zur Markt- und Systemintegration von EE in Einklang zu bringen (siehe hierzu Schwarz, 2014). Dies entscheidet, ob der Betrieb einer modernen EE-Anlage sowohl die Maximierung eigener Gewinne (Smart Market) als auch die Entlastung der übergeordneten Netze (Smart Grid) zum Ziel haben kann oder auf nur einen Aspekte ausgerichtet ist.
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.
Langzeitstudie zum Wirkungsgrad von Gärstrecken von 5 Biogasanlagen
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In der vorliegenden Studie wurden die Gärstrecken von 5 Biogasanlagen hinsichtlich ihres energetischen Umsatzgrades/Wirkungsgrades wöchentlich über eine Dauer von 52 Wochen untersucht. Dabei wurde die Methode der 'Theoretischen 100 %' verwendet, bei der die Eingangs- und Ausgangsstoffe aufgrund Ihrer Brennwertes bewertet werden. Die Messwerte wurden mittels Zeitreihenanalyse ausgewertet. Die errechneten energetischen Wirkungsgrade der 5 Anlagen liegen durchschnittlich zwischen 67,0 und 77,4 %. Im Jahresverlauf schwankten diese Werte bei einer Anlage bis ±11%. Daraus geht die Notwendigkeit einer regelmäßigen, wenigstens wiederholten Messung der Effizienz hervor, wenn solide ökonomische Entscheidungen getroffen werden sollen. Die Schwankungen im Wirkungsgrad waren vordergründig durch die schwankende Energiezufuhr mit den Substraten zu begründen. Die vor verdauten Reststoffe (tierische Exkremente) schwankten deutlich stärker in ihrem spezifischen Brennwert als die eingesetzten Energiepflanzen. Substratwechsel und erhöhte Futtermengen führten ebenfalls zu sichtbaren Schwankungen im Wirkungsgrad. Die Langzeituntersuchung des Wirkungsgrades von Biogasanlagen mittels Zeitreihenanalyse ermöglicht es, Veränderungen der Anlageneffizienz auf Ursachen in der Vergangenheit zurückzuführen.
Analytische Untersuchung der thermischen Optimierung von Biogasanlagen
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Eine Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen ist mit den neuen gesetzlichen Rahmenbedingungen schwieriger darstellbar als mit den Bonussystemen der vorangegangen Novellierungen des EEG. Um diese zu steigern ergeben sich mehrere Varianten, die oftmals mit weiteren Investitionen verbunden sind.
Direkte technische Verbesserungen, aus denen schnelle ökonomische Erfolge resultieren, bedürfen daher einer genaueren Analyse der Randbedingungen. Im Rahmen dieses Beitrages wird der Wärmebereich landwirtschaftlicher Biogasanlagen untersucht, insbesondere die Optimierung des Eigenwärmebedarfs, die in der Vergangenheit kaum berücksichtigt wurde und somit einiges an Potential erwarten lässt. Als Datengrundlage dienen 10-jährige Dokumentationen von Eigenwärmeverbräuchen, Fütterungsprotokolle sowie Temperaturmessungen verschiedener Wärmebilanzparameter wie Substrat, Biogas, Umgebung etc. Nach Auswertung der Messungen und erster Bilanzierungen wurde festgestellt, dass die Aufrechterhaltung der Fermentertemperatur die meiste Wärmeenergie verbraucht und gleichzeitig auch das größte Optimierungspotenzial aufweist. Erste Optimierungsmöglichkeiten im Substratbereich wurden identifiziert, wie passive und aktive Dämmung der Substrat-Einbringsysteme und Wärmerückgewinnung aus dem Nachgärablauf. Dabei wurden Einsparpotenziale von mehreren hundert Megawattstunden im Jahr kalkuliert, je
nach Menge und Temperaturanhebung der eingesetzten Substrate.
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.
Mykotoxine in Biogasanlagen
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In der letzten Zeit werden Mykotoxine als eine mögliche Ursache für Hemmungen im Biogasprozess besprochen. Neben den möglichen Hemmungen im Prozess führen Mykotoxine auch zu Lagerungsverlusten und bewirken somit in zweierlei Hinsicht wirtschaftliche Verluste. Als eines der wichtigsten Substrate kommt Maissilage eine besondere Bedeutung zu. Daher werden Mykotoxine, die in Maissilage vorkommen können besprochen und die derzeitigen Kenntnisse über die Mykotoxine in Biogasanlagen kurz vorgestellt. Zum Schluss wird auf den Forschungsbedarf in dem Gebiet hingewiesen.
Technisch-ökonomisch-ökologische Analyse der hydrothermalen Carbonisierung (HTC) von Grünschnitt und sich anschließender Nutzungsoptionen
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Die ökonomische Analyse der Konversion von biogenen Restsoffen zu hochwertigen Energieträgern zeigt, dass die daraus erzielte Erweiterung des Nutzungsspektrums auch mit einer deutlichen Steigerung der Brennstoffkosten einhergeht - besonders bei Aufbereitungsverfahren mit hohem Neuigkeitscharakter und entsprechend hohem Investitionsbedarf und geringerer Verfügbarkeit. Zudem erhöht eine Kompaktierung der HTC-Kohle für einen besseren Transport die Brennstoffkosten signifikant, weshalb eine Nutzung vor Ort mit wesentlichem Kostensenkungspotenzial verbunden ist.
