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11
Robert Kaufmann
Biogas in der
schweizerischen Landwirtschaft - Möglichkeiten und Grenzen
• Systemstudie über den möglichen Umfang und die Bedeutung der Biogas-Erzeugung und -Verwertung aus biogenen Roh- und Abfall- stoffen in der Landwirtschaft
Schriftenreihe der Eidg.forächungsanstalt für Betriebswirtschaft und Landtechnik FAT CH-8355 Tänikon TG Comptes-rendus de la station födörale de recherches d'öconomie d'entreprise et de g&lie rural
CH-8355 Tänikon TG Reports of the Swiss Federal Research Station for Farm Management and Agricultural Engineering CH-8355 Tänikon TO
1980.
Biogas in der
schweizerischen Landwirtschaft - Möglichkeiten und Grenzen
Systemstudie überden möglichen Umfang und die .Bedeutung der Biogas-Erzeugung und -Verwertung
aus biogenen Roh-und Abfallstoffen in der Land- wirtschaft
Ermöglicht durch,.den SCHWEIZERISCHEN
• NATIONALFONDS im Rahmen des Nationalen Forschungsprogrammes VIII B
Projekt No.4.267.0.78:07
Herausgegeben von der
Eidg. Forschungsanstalt für Betriebswirtschaft und Landtechnik, CH-8355 Tänikon TG
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Durch die zunehmende Intensivierung und den weitgehenden Uebergang zur Vollmotorisierung hat sich der Bedarf an technischer Energie in der Land- wirtschaft innerhalb von vier Jahrzehnten nahezu versechsfacht. Die Land-' wirtschaft ist dadurch in eine gefährliche Abhängigkeit von weit im Aus- land liegenden Erdölquellen geraten.
Da an eine Rückkehr zu extensiver Landwirtschaft, hohem Arbeitskräftebe- satz und tierischem Zug aus verschiedenen Gründen nicht zu denken ist, kommt der Gewinnung von betriebseigener Energie aus erneuerbaren Ressour- cen, insbesondere aus Biomasse, eine grosse Bedeutung zu. In unserem dicht besiedelten Land, wo sich nur knapp ein Viertel, des Territoriums im engeren Sinn landwirtschaftlich nutzen lässt, muss ,sich die Energie 7:
gewinnung aus Biomasse vor allem auf "bisher nicht genutzte Abfälle be- schränken, um nicht die Nahrungsmittelversorgung ernsthaft zu gefährden.
Die Biogasgewinnung' aus Gülle entspricht diesen Gegebenheiten. Es war.
deshalb sehr zu begrüssen, dass das nationale Forschungsprogramm des Nationalfonds die nun vorliegende Studie unterstützte. Diese gibt einen sehr guten Uebertilick über Umfang und mögliche zukünftige Bedeutung der Biogaserzeugung und-verwertung auf unseren Landwirtschaftsbetrieben.
Bevor die Biogastechnik jedoch generell empfohlen werden kann, bedarf es weiterer intensiver Forschungsarbeiten; entsprechende Hinweise sind im Bericht enthalten.
R. Studer
Leiter der Sektion landw. Maschinenwesen, FAT Tänikon ,
500 2.81 10511
- 1 -
Inhaltsverzeichnis
Seite
Einleitung und Problemstellung -
4-5
1. Zusammenfassung
6
1.1 Aufgabe und Stellung innerhalb der Bioenergieforschung
6
1.2 Das Biomassenpotential
7
1.3 Der Verbrauch als Beschränkung
7
1.4 Der Einfluss der Landwirtschaftsstruktur 8
1.5 Die Frage des Erntefaktors
9
1.6 Die Wirtschaftlichkeitsberechnung_
10
1.7 Schluss 11
2. Struktur des schweizerischen Biogaspotentials 12
2.1 Uebersicht 12
2.2 Berechnungsgrundlagen 13
2.2.1 Tierische Exkremente 14
2.2.2 Einstreu 15
2.2.3 Erntereste 15
2.2.4 Umwandlungsverluste 16
2.3 Struktur des Biomasseanfalls 16
2.3.1 Uebersicht nach Ausgangsmaterialien 16 2.3.2 Betriebe und Tiere in den verschiedenen Grössen- 17
klassen
2.3.3 Regionale Verteilung der Energieproduktion
17
2.3.4 Tierhaltung
17
2.4 Tendenzen
23
3. Einschränkungen bei der Ausnützung des Biogaspotentials 24
3.1 Uebersicht 24
3.2 Betriebsgrösse 26
3.3
Einschränkungen seitens des betrieblichen Ehergie- 27 bedarfs3.3.1 Variante I: Gasverwendung für Reizzwecke
27 3.3.2
Variante II: Gasverwendung über Wärme-Kraft-32
koppelung
3.3.3
Variante III: Biogas als Treibstoffersatz34 3.3.4
Ueberblick über die Einschränkungen seitens37
des Biogasbedarfs
3.4 Strukturelle Beschränkungen 39 3.4.1 Anzahl der Gebäude pro Betrieb 39
3.4.2 Alter der Gebäude 40
3.4.3 Entmistungsformen 41
3.5 Konkurrenzierende Energieträger 43
3.5.1 Holz 43
3.5.2 "Alternative" Energiequellen 44
4. Ehergiebilanzen - Exergiefluss 45
4.1 Uebersicht 45
4.2. Energiefluss im Biogasbetrieb 45
4.5 Energiebilanz - Erntefaktor 48
4.5.1 Berechnungsgrundlagen Erntefaktor 48'
4.5.2 Ergebnisse 51
• 4.4 ecergieflüsse verschiedener Verwertungsmöglichkeiten 53 5. Wirtschaftlichkeit
5.1 Uebersicht
5.2 Prinzipien der Wirtschaftlichkeitsberechnungen 5.3 Quantitativ erfassbare Einflussgrössen "
5.3.1 Massenflüsse
5.3.2 AnlagetYp und -system 5.3.3 Betrieblicher Energiäflubs 5.3.4Thergievergleichspreie 5.3.5 Kosten fer* den Anlegebetrieb 5.3.6 Gebäudekosten
5.4 Unberechenbare Einflüsse 5.4.1 Betriebsleitereinfluss 5.4.2 Gäruchsvermindärung 5.4.3 Düngermehrwert
5.4.4 Fragen der Komfortverbesserung 5.4.5 Zukünftige Energiepreisentwicklung 5.4.6 Abschliessende Bemerkungen 5.5 Tatsächlich notwendige Investitionen
5.5.1 Allgemeines 5.5.2 Praxisbeispiele
5.5.3 Möglichkeit von Einsparungen
56 56 56 59 59 59 59 60 61 61 62 62 62 63 63 6,4 66 66 66 69' 10
Seite
3 5.6
Modellrechnungen5.6.1 Modellfall I: GasnUtzung zu Wärmezwecken 5.6.2 Modellfall II: Elektrizitätsproduktion mittels
Wärme-Kraftkoppelung
5.6.3 Wirtschaftliche Beurteilung anderer Nutzungen 6. Schlussfolgerungen
Rhsum6 7. Anhang
7.1 Abkürzungsverzeichnis 7.2 Ermittlung der Biogas-GVE
7.3
Ermittlung des WeideabZuges7.4
Auswertung der Betriebszählung1975 7.5
Ausgewählte Tabellen7.6 Literaturverzeichnis ( )
71 71 74
78 80 83
83 85 86
88 90
93
106
Einleitungund Problemstellung
Aufgeschreckt durch die Oeikrisen machten sich initiative Landwirte auf die Suche nach neuen Energiequellen. Sie erweckten dabei eine Technologie mit langer Tradition (10) zu neuem Leben, nämlich die Biogasgewinnung aus Gülle.
Sprunghaft wuchs die Zahl derartiger Installationen Ende der 70er Jahre an (72). Aufgebaut war der ganze Boom aber auf einem Wissensstand, der sich seit der frühen Nachkriegsepoche kaum verbessert hat. Viele welt- weit anlaufende oder bereits abgeschlossene Forschungsvorhaben neueren Datums beginnen das Informationsdefizit jetzt langsam abzubauen. Noch aber bleiben viele Fragen unbeantwortet, welche letzlich auch für den praktischen Einsatz und die Planung von Bedeutung sind.
Trotzdek wurden verschiedentlich schon Vermutungen angestellt, in welcher Höhe der Beitrag von Biogas an die Energieversorgung zu veranschlagen sei.
Eine Grobstüdie der SEDE (Sociäte d'etude de l'environnement, Vevey), kam zum Schluss, dass mit Biogas aus der Gülle aller Nutztiere leicht 2,1 % des schweizerischen Endenergiebedarfes abzudecken wären. Dieser Minimal- wert sei zudem mit vermehrten Forschungsanstrengungen durchaus auf 4 bis
5 %
zu erweitern.Diese Werte wurden aber von verschiedener Seite in Frage gestellt. Es be- stand zudem ein Bedürfnis, die Struktur der schweizerischen Landwirtschaft im Einblick auf eine allfällige Biogasprodüktion zu analysieren und in diesem Zusammenhang Probleme auf einzelbetrieblicher Ebene abzuklären.
Die vorliegende Studie hat sich deshalb zum Ziel gesetzt, das Potential an Biogas unter Berücksichtigung der Einschränkungen seitens der land- wirtschaftlichen Praxis neu abzuschätzen, die vielfältigen Auswirkungen eines vermehrten Einsatzes darzustellen und die Grenzen einer weiteren Verbreitung aufzuzeigen. Damit sollen der Biogasforschung weitere Ent- scheidungshilfen für die Formulierung zukünftiger Forschungs- und Ent- wicklungsvorhaben in die Hand gegeben werden.
Man stützt sich dabei auf aktuelle vorhandene Daten ab, die natürlich heute einer raschen Entwicklung unterworfen sind. Dadurch sollen gleich- zeitig die Lücken in den vorhandenen Kenntnisäen sichtbar werden.
Dank
Die"Fertigstellung,des Berichts-würe,wohl4aumin.dipser Forwdenkbär gewesen ohne die intensiye Mitarbeit der verschiedensten Fachleute der Egäund der 2211 Zürich,. Ihnen, ebenso wie den stillen "Schaffern" in Hintergrund (Zeichner, äekretärinnen usw,), die ebenfalls vie], zük Ge- lingen beigetragen haben, sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
1. Zusammenfassung
1.1 Aufgabe und Stellung innerhalb der Bioenergieforschung
Die vorliegende Studie stellt die hohen Erwartungen in die neue Energie- quelle Biogas den Realitäten der schweizerischen Landwirtschaft gegen - über. Welchen Beitrag an die Energieversorgung kann die Landwirtechaft wirklich leisten und welche Prognosen liegen noch für lange Zeit im Bereich der Wunschvorstellung? Das sind die zentralen Fragen. Es inter- essiert im weiteren auch, was unternommen werden muss, um das vorhandene Biomassenpotential sinnvoll und umfassend mittels Biogas zur Energiege- winnung beizuziehen.
Im Zeichen der vermehrten Forschungsanstrengungen auf diesem Gebiet ge- winnt die Arbeit eine besondere Bedeutung. Die Studie ordnet sich als Vorhaben 1 in den Kreis diverser laufender Biogas-Forschungsvorhaben ein, die sich mit Praxiserhebungen (Vhb. 2 NEFF, FAT), Verbesserung von An- lagen (Vhb. 3 NEFF, /72H), Erhebungen über den Düngewert des Eduktes (Vhb.
4 FAO)
und der Planung einer energieautarken Käserei (4TI) befassen.Weitere Projekte befinden sich in Planung oder werden aufgrund der Er- fahrungen der laufenden Arbeiten neu konzipiert.
Die vorliegende Studie bildet ausserdem eine thematische Einheit mit den beiden allgemeiner gefassten Systemstudien der AGBA (NF?) über Abfall- stoffe und Energie in landwirtschaftlichen Betrieben sowie der EAWAG (NFP) über die Probleme der Bewirtschaftung biogener Roh- und Abfall-
stoffe auf gesamtschweizerischer Ebene (Publikation in Vorbereitung).
Die Arbeit ist in folgende vier Hauptthemen gegliedert: Erfassung der potentiell möglichen Biogasproduktion, Beschreibung der Beschränkungen bei der Nutzung dieses Potentials, Fragen der Energiebilanzen und der Energiewertigkeit sowie Betrachtungen über die Wirtschaftlichkeit. In den Schlussfolgerungen wird eine Strategie für weiterführende Forschungs- vorhaben entworfen.
-7-
1.2 Das Biomassenpotentia1
Die folgenden landwirtsöhaftlichen Abfälle sind für die.biogasgewinnund von Bedäutungt
- Kot und Hdin aus der Stallhaltung Von Nutztieren,
- grntereste in vernünftiger Menge und mit. praktischen Bergemöglich- keiten, ohne wertvolle Alternativverwertüng.
Zur Hauptsache auf der Basis tierischerEpdcremente mit einer aktuellen, eher bescheidenen Abbaurate der OS von ?6 % könnten netto lö Pj Biogas pro Jahr produziert werden oder rund 1,6 % des gesamten schweizerischen .ündenergieverbrauches.
Zum Vergleich: Holz deckt 1,3 % des Verbrauches ab.
Schwerpunkt des. Potentials bildet der Rinderkot (80 A. Neben Einstreu könnten die • speziell geernteten Pflanzenreste (Maisstroh, Kartoffelkraut) nur in bescheidenem Umfang in den Prozess kommen.Khapp60 % dieses nutz- baren Potentials liegen im Talgebiet '(ein Grossteil im Mittelland und in der Ostschweiz). Den Rest liefert das .Berggebiet.
Hauptsächlich durch die Verbesserung der Prozesse liesse sich das Gesamt- potential in 'Zukunft um rund 30 % steigern.
1.3 Der Verbrauch als Beschränkung
Bei. der geringen Energiedichte von Biogas gewinnt der direkte Verbrauch möglichst nähe beim Ort der Produktion besondere Bedeutung.
Beim Einsatz des Biogases. zur reinen Wärmeproduktion (Heizen, kochen, Warmwasser), der technisch einfachsten und gleichzeitig billigsten Ver- wertungsmethode, kann gesamtschweizerisch noch gut die Hälfte (53A des gesamten Potentials nutzbringend verwendet werden. Der Sommerüberschuss entzieht sich einer Verwertung und geht so verloren. Mit zunehmenderlde- triebsgrösse steigt auf diese Weise der Anteil an nicht verwertbarem Gas.
Ein Einsatz der Wärmekraftkoppelung mix Elektrizitätserzeugung bringt .deshalb besonders für grössere 'Betriebe (ab 30 GVE) eine deutlich bessere
Energieausnutzung, woraus gesamthaft eine verbesserte Ausnutzung des 'Potentials resultiert (61 A.
Der Einsatz des Sommerüberschusses als Ersatztreibstoff für Traktoren zeigt eine, wenn auch nicht die näheliegendste Möglichkeit, um et einer kombinierten Verwertung das Biogaspotential vermehrt auszuschöpfen.
7,2 PJ oder knapp drei Viertel des Potentials könnten jährlich auf diese Weise genutzt werden.
Jeder weitere Versuch, einer vollständigen Gasausnützung näher zu kommen, erfordert technisch immer kompliziertere und organisatorisch aufwendigere Systeme, die auch mit entsprechenden Kosten verbunden sind.
1.4 Der Einfluss der Landwirtschaftsstruktur
Die relativ bescheideneh Betriebsgrössen stellen eine der wichtigsten strukturellen Beschränkungen für die Biogasproduktion dar. Im Berggebiet finden sich Kleinbetriebe weit häufiger als im Talgebiet. Alle Betriebe über 20 GVI, könnten gut die Hälfte des möglichen Biogases, die Betriebe über 30 avp lediglich noch 20 % liefern.
Der auf längere Sicht durchauswährscheinliche Fall, dass die meisten Betriebe über go GVE (das sind 20,000 Betriebe) das eigene Bioges für die Wohnhausbeheizung usw. verwenden, setzt 25 % oder 2,5 PJ des anfäng- lich ermittelten Potentials frei.
Der enge betriebliche Spielraum zeigt sich auch in den Gebäuden. Meist ist der Rindviehbestand innerhalb eines Betriebes auf verschiedene Stall- gebäude aufgeteilt, Der bauliche Zuständ erlaubt vielfach keine grossen Eingriffe, sei e weil gerade kürzlich bedeutende Investitionen getätigt wurden oder weil flüssige Mittel sogar für die notwendigsten Unterhalts- arbeiten fehlen. Der Durchschnittsbetrieb ist auf eine Integration der Anlage in die bestehende Bausubstanz angewiesen, was meist mit höheren Anlagekosten einhergeht. Bundesmittel für Gebäuderationalisierungen wer- den in naher Zukunft eher sanierungsbedürftigen Bergbetrieben zufliessen.
Die traditionell verankerte, vorherrschende Methode der Hefdöngerbehand- lung, die Festmistbereitung, ist für eine kontinuierlich geführte Biogas- anlage nicht besonders geeignet. Die Umstellung auf die arbeitswirtschaft- lich interessante Flüssigentmistung geht langsam vor sich und ist im grösr seren Massstab nicht problemlos. Neben dem Aspekt der Umweltbelastung durch flüssige Hofdünger werden durch die Ansprüche der Kulturen Grenzen gesetzt.
- 9
41s yorteiihaft für, ,die Sammlung der tierischen',:Ebzkrementererweig-Usich- die weitgehende-Htalihältung: Nur 111A der_Biomagge%geht durch-Weiegang, und.Sömmerung für die Bioggagärung verloren..
Eine Fälle eigner, erneuerberer- Ehergien treten gerade auf degBauern- hof intenkürreng mit Biogas. Dazu gehören in ersterlinie dasäblzi die.
ßonne(Sonnenkollektoren)i. die StailabwärmeusW.
Mit diesem Eckurs sollte de Charakter unserer Landwirtschaft.ausschnitts- weiseargestellt und aufigindernisae für die-Einführeig von Biogasanlagen aufmerksam gemacht werden' i die über Verfahrenstechnisch4i6lOgische Fro"- bleme hinausreichen.
1.5 Die Frage des Erntefektors
Produziert ein System wirklich Energie oder formt, es im besten Fall einfach Energie um? Das sind:Fragenf die mit:der.Einfiihrung neuer- Tech—
nologien (Kernenergie, AlternatiVenergie),,aktup11 wurden.
Biogaganlagen erbringen ein vielfaches der für Bau und Betrieb' benötigten Energie und reinen sich somitlintereie, echten.Energieprodnzenten ein, Diesen Nachweis erbringen.Epargiebilanzen'verschiedener'Behältersysteme„
wobei in einem Fall bei vollständiger Gasausnutzung beinahe die 'Werte von Flusskraftwerken (Erntefaktor 40 erreicht werden. Für den häufigsten Fall, mit einer Teilnutzung 'des Gases, resultiert immerhin noch das Siebenfache der eingesetzten Energie.
Biogas, als hochwertiger'Energieträger, soll auch seiner Quaiitäten,ge- mass zum Einsatz kommen. Die reine VerbrennungeesGases ste11t,exerge tisch gegehen einepielerwertigeMutpungdar. Der ‚Einsatz. in, derlerme- Kraftkoppelung als Ersatztreibstoff und anderen Verwertungen liegt in dieser Hinsicht günstiger.
1.6 Die Wirtachaftlichkeitgbereehnun
Es wäre im jetzigenEeitpünkt sicher voreilig, Mittels ökonomischer Heberlägungenden ätabgber,dieseneue Technoiogie zu brechen. ZuVige Einflussfaktoren spielen hinein, die teilweise noch nicht erfasst, wurden.
Produktionsbestimmende Faktoren wie Betriebsgrösse, Tierarten und Anlage- typen treten in Wechselwirkling mit verbrauchsbeeinflussenden Grössen (Klima, Komfort, Wohnhausgrösse usw.). Ehergievergleichspreis und Be- triebskosten,, berechnet mit den üblichen Amortisations- und Zinssätzen, bilden die streng rationale Seite der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung.
Die tatsächlich notwendigen Kosten werden stark von den individuell bau- lichen Voraussetzungen bestimmt.
Es spielen aber auch zahlenmässig kaum bewertbare Grössen hinein, zum Beispiel Geruchsverminderung, Düngermehrwert, Komfortbedürfnis der Be- wohner und nicht zuletzt das Geschick des Betriebsleiters.
Mittels Modellrechnungen kann lediglich festgestellt werden, dass die heutigen Anlagen für die meisten Betriebe zu teuer sind.
Des weiteren lässt sich voraussagen, wie sich ein zukünftigerEnergie- preisanstieg auf die heutige Investitionshöhe auswirkt. Anlagen dürfen danach bis zu 50 % überzahlt werden; sofern der angenommene reale Ener- giepreisanstieg von 5 % pro Jähr eintritt.
Alle weiteren Verwertungen via Wärme-Kraftkoppelung, Kompression zwecks Treibstoffersatz usw. bringen trotz der besseren Gasausnützung ein we- sentlich ungünstigeres Kosten-Nutzen-Verhältnis.
1.7 Schluss
Der Beitrag von Biogas an die schweizerische Energieversorgung ist aus verschiedenen Gründen bescheidener als in früheren Studien angenommen
(tiefere Gasausbeute bei Praxisanlagen, höhere Prozessenergie usw:).
Dazu kommen diverse strukturbedingte Hindernisse und das teilweise Fehlen geeigneter Verbraucher.
Ein Grossteil des landwirtschaftlichen Energiebedarfes (Diesel, Elektrizi- tät) lässt sich nur beschränkt durch Biogas ersetzen. Auch auf weitere Sicht verbessert sich daher die Energieunabhängigkeit der Landwirtschaft nicht wesentlich.
Dennoch bleibt Biogas eine der idealsten derzeit bekannten Methoden zur Nutzung des Energiepotentials aus Biomasse mit hohem Wassergehalt. Der Rohstoff Gülle ist ohnehin vorhanden, liegt überdies bereits in gesammel- ter Form vor und verändert seine ursprüngliche Düngerwirkung durch die Behandlung nicht grundlegend. Die dezentrale Struktur des Gülleanfalls
-11-
stellt für die Biogasproduktion kein wesentliches Hindernis dar und bringt überdies den Vorteil, dass der überwiegende Teil der Energie gleichenorts verbraucht werden kann.
Die Verbreitung der Biogastechnik kann aber nicht sprunghaft lor sidh gehen, da für den Einzelbetrieb vorderhand keine offensichtlichen Spar- und Rationalisierungseffekte vorliegen.. Für technisch noch nicht ausge- reifte Installationen muss man mit hohen Investitionen rechnen, obwohl das Gas nicht vollständig auf dem eigenen Betrieb nutzbar ist und eigene erneuerbare EüergienuellenzueBeispiel Holz). konkurrenziert werden.
Auf den offensichtlich vorhandenen Schwächen heutiger Anlegen aufbauend gilt es, für die weitere Anlagenentwicklungfolgende Zielvorstellungen im Auge zu behalten:
- Gewährleistung eines störungsfreien, kontrollierbaren Prozessverlaufs bei minimalem.techniachem Betriebsaufwand,
- Senkung der Investitionskosten bei gleichbleibender oder verbesserter Lebensdauer,
- optimale Abstimmung auf die Verwertungsmöglichkeiten,
- zinnvolle Integration der Anlagen in bestehende Landwirtschaftsbetriebe, vor allem auch in Kleinbetriebe (unter 20 (WE).
Um eine Anlage optimal den individuellen betrieblichen Verhältnissen an- zupassen,, fehlen noch entsprechende Planungsgrundlagen (Energie- und Massenflüsse). Viele Einflusägrössen (vor allein Rühren und Heizen) sind in ihrer Wirkung bekannt. Es gilt jetzt aber, die verfahrenstechnisch einfachste Lösung zu finden. ZurbesserenBeherrschung der Gärprozesse (Steuerungen, Reaktionen auf Störungen) müssten die Erkenntnisse bezüg- lich Vorgänge bei der Methangärung erweitert werden. In verschiedenen Bereichen der anaeroben Vergärung organischer Substanzen sind wenig Grundlagen vorhanden. Ungenügend bekennt sind zum Beispiel die Vergärung von Festmist und Rindergülle, die Reaktionen auf die Zugabe von pflanz- lichen Stoffen sowie das Gärverhalten im pechrophilen Temperaturbereich.
Einige Unbekannte bestehen schliesslich im weiten Bereich der Gasverwer- tung.
In diesem Sinne ist in Zukunft noch einige Forschungs- und Entwicklungs- arbeit zu leisten.
2. Struktur des schweizerischen Biogaspotentials
2.1 Uebersicht
Der Ueberblick über den Anfall und die Verteilung der organischen Sub- stanz aus der Tierhaltung beruht auf einer speziellen Auswertung der Betriebszählung 1975 (18). Berücksichtigt wurden dabei Rinder- und
'Schweine-Exkremente unter Verwendung von Ubrechnungsfäktoren (Anhang 6.1).
Die Einteilung, der Schweiz in Regionen (Anhang 6.2) erlaubte eine verfei- nerte Analyse der Ergebnisse.
Die Bestimmung des Beitrage seitens der Einstreu (Stroh). erfolgte sehr approximativ.
Das SelektiohsVerfahren für andere 0S aus. Ernteresten„ welche siäh allen- falls für die Methangärung eignen könnten, schloss söhliesslich Stroh von Körnermais und Kartoffelkraut zur weiteren Betrachtung ein.
Diese drei Biomassequellen liefern die Ausgangsprodukte zur Biogasberei- tung. Unter Verwendung durchschnittlicher und (teilweise) bekannter Technologie errechnet sich daraus die ärzeugbare Gas- bzw. Energiemenge.
Dieses maximale Biogaspotential aus landwirtschaftlichen Ausgangsproduk- tan. zeigt Darstellung 1 im Deberblick. Vorderhand nicht berücksichtigt sind dabei Art und Bedeutung von wichtigen praktischen Einschränkungen, die im Kapitel 2 ausführliCh behandelt werden.
Die maximal verwendbare Biogasmenge von 10 153 Energieinhalt pro Jahr macht 1,6 % des Gesämtenergieverbrauchs›der Schweiz aus (1975: 610 PJ technischer Endenergiebedarf (15) Zum Vergleich: das Holz liefert beispielsweise 1,3 % des Energieverbrauchs;
Dieser Wert liegt tiefer als von einer vorausgegangenen Studie (6?) ge- schätzt wurde. Danach sollten im Minimum 2,1 % des schweizerischen Ener- giebedarfs durch Biogas abzudecken sein, bei Verbesserung der Prozesse sogar 4 bis 5%, Diese optimistische Prognose ist auf die Annahme höherer Gasausbeuten, die geringere Einstufung der notwendigen Prozesswärme, die' Ubberschätzung des mexfügbarän Biomassepotentials und andere Gründe zu- rückzuführen.
Biomasse gesamt 106
Verwendbar zur Biogasprodukfion
"Verlorene" Bionnassenenergie
96 Biogas
-13r
Abbildung 1: Uebersicht überümfang'und Herkunft des schweizerischen Biogaspotentials (Zahlen = PJ/Jahr)
Die Gülle aus der Nutztierhaltung stellt den Hauptteil des Potentials.
Speziell geerntete Pflanzenreste (Körnermais, Kartoffelkraut) sind von untergeordneter Bedeutung. Getreidestroh gelangt automatisch über die Einstreu in den Prozess und darf nicht vernachlässigt werden.
Der Abbaugrad der organischen Substanz sollte zu verbessern und der Pro- zesswärmeanteil verkleinerbar sein. Dadurch sollte sich die vorausge- sagte Netto-Biogasmenge von 10 PJ auf ca. 13 PJ anheben lassen.
2.2 Berechnungsgrundlagen
2.2.1 Tierische EXkremente
Das Gaspotential an Biogas aus tierischen Rückständen errechnet sich auf folgender Basis:
a) Anzahl Tiere in BGVE laut BZ 1975 (Bz 75 = Betriebszählung 1975) Nach einer speziell durchgeführten Auswertung befinden sich in der Schweiz umgerechnet 1,4 Mio BGVE, lediglich Rindvieh und Schweine betrachtet. Die Schweine machen nur einen Anteil von 7 % aus.
b) Abzug resultierend aus Sömmerung und Weideführung
Diese Werte gehen teilweise ebenfalls aus der BZ 195 hervor (Sömme-.
rung) und wurden durch eigene Berechnungen ergänzt (Anhang 6.3). 1m Durchschnitt verbleiben 11 % des Kots und Harns diffus verteilt auf Weideland.
c) Anfall an organischer Substanz in Kot und Harn pro Tier
Nach eigenen Berechnungen (Anhang 6.1) und allgemeinen landwirtschaft- lichen Faustzahlen (32) stellt eine OS-Produktion bei Rindvieh von 4,8 kg/BGVE und Tag oder 1,75 t pro Jahr einen vernünftigen Wert dar.
Für Schweine liegt dieser Wert pro BGVE tiefer.
d) Gasausbeute und -zusammensetzung
Hier liegt ein weites Spektrum von Daten aus der Literatur vor (7, 8, 34, 39, 49, 54, 74), die aber kaum miteinander verglichen werden können. Denn es handelt sich teils um Ergebnisse aus Laborversuchen mit meist sehr. verschiedenartigen Fragestellungen, und teils sind sie aus Erhebungen an Grossbehältern hergeleitet. Die ermittelten Werte liegen zwischen 240 und 600 1 Biogas pro kg zugeführte OS, wobei sich als Schwerpunkt der Bereich: von 300 bis 400 l_berauskristallisiert.
.Rindergülle ergibt tiefere Ausbeuten als Schweinegülle.
Erfahrungen aus der Praxis deuten nun "vermehrt daraufhin, dass im Normalbetrieb hohe Gasausbeuten nur im Einzelfällen erreicht werden.
Für die Rechnung wurde deshalb folgender eher konservative Wert ver- wendet: spezifische Gasausbeute = 270 1/kg zugeführte organische Sub- stanz bei einemMethanäebelt von 66 % (Brennwert: 21,5 Moder 5000 kcal pro m3).
-15- 2.2.2 Einstreu
Laut Erhebungen des Bauernverbandes (58) betrug die schweizerische Stroh- produktion 1978 600'000 Tonnen. Bei 14 % Wassergehalt (42) und 90 % OS in der TS (6) verbleiben 470'000 t OS im Stroh: Ueber den im Stall ein- gestreuten Anteil bestehen relativ wenig Angaben. Laut ausländischen Angaben (67, 61) werden in einzelnen Gebietenbiszu drei Viertel der Strohmenge als Einstreu verwendet, weshalb im schweizerischen Mittel der eingestreute Anteil auf zwei Drittel angesetzt wurde. Damit gelangen rund 320 ,000 t OS in Form von Stroh zusätzlich in den Stall. Die Gasaus- beute bei der Strohvergärung wird wiederum von verschiedenen Quellen recht unterschiedlich beurteilt (38, 47, 48). Sie reicht von hohen Aus- beuten (Bereich 400 1 Gas/kg zugefügte Os) bis hin zum Befund "nicht-..
vergärbar wegen dem hohen Digningehaltu. Ein wesentlicher Zusammenhang besteht zwischen Zerkleinerungsgrad und Gasausbeute. Bei Praxisverhält- nissen wird nur in Ausnahmefällen mit gemahlenem oder gehäckseltem Stroh zu rechnen seih, weshalb eine Gasausbeute von 200 1/kg zugefügte OS an- genommen wurde.
2.2.3 Erntereste
Die in Betracht kommenden Erntereste wurden darauf geprüft, ob sie in einigermassen relevanten Mengen anfallen, Erntemöglichkeiten bestehen öder voraussehbar erscheinen und diese Pflanzenreste nicht bereits eine wichtige Bedeutung in der Tierernährung haben (wie zum Beispiel Zucker- rübenblatt). Unter diesen Einschränkungen kamen einzig Kartoffelkraut und Körnermaisstroh in die weiteren Betrachtungen. Im Einzelfall können, selbstverständlich noch andere pflanzliche Reststoffe Bedeutung erlangen, so zum Beispiel in Gemüsebaubetrieben Rüstabfälle oder verschiedene Rückstände in lebensmittelverarbeitenden Betrieben.
Dank einer weiteren Auswertung der BZ 1975 konnte die Fläche der zwei ausgewählten Kulturen ermittelt und so der mögliche Beitrag zur Gaspro- duktion geschätzt werden.
Die Angaben über mögliche Erntemengen dieser Abfallstoffe (20, 67) und Berechnungsversuche nach landwirtschaftlichen Grunddaten (6, 42, 58) ergaben ein eher widersprüchliches Bild. Die Angaben über TS -Erträge schwanken für Kartoffelkraut zwischen 7 und 30 dt/ha, für Maisstroh zwischen 40 und 100 dt/ha. Das gleiche Bild boten die Angaben über die
Gasausbeute, wo in Laborversuchen Ausbeuten zwischen 300 und 620 1 Biogas pro kg zugeführte OS ausgewiesen wurden (34, 38, 54).
Die verwendeten Rechnungsgrundlagen sehen folgendermassen aus:
Erträge : 12 dt OS Kärtoffeikraut/ha 45 dt OS Maisstroh/ha Gasausbeute: 350 1/kg zugeführte OS
Dieser letzte Wert scheint hoch, erklärt sich aber aus der relativ schnellen Zersetzung und damit dem höhen Abbau- grad der organischen Substanz. Maisstroh verfügt übrigens über bedeutend weniger LighinanteiIe als'Getreidestroh.
2.2.4 Umwandlungsverluste
Hier handelt es sich unter andrem um den noWendigen Energieeinsatz zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Prozesstemperatur.
Allgemein hat man immer überschlagsmässig mit 30 % Prozesswärmebedarf gerechnet, bezogen auf die gesamthaft gelieferte Gasmenge. Neuere Unter- suchungen (25, 29, 35, 53) weisen rechnerisch oder mittels Messungen in verschiedenen Beispielen wesentlich höhere Prozessanteile nach. Insbe- sondere konnte auf die Bedeutung hoher TS-Gehalte (10), der Isolations- dicke (65) und des Einsatzes von Wärmetauschern hingewiesen werden.
Eigene Berechnungen zeigen, dass beim gezielten Einsatz bekannter Technik und der nötigen Vorsicht beim Betrieb der Anlage die 30 %-Grenze erreich- bar ist. Deshalb fand dieser Prozesswärme-Anteil Eingang in die weiteren Berechnungen.
2.3 Struktur des Biomasseanfalls
2.3.1 Uebersicht nach Ausgangsmaterialien
Von zentraler Bedeutung ist nach wie vor die Vergärung von tierischen Ekramentan(Tab. 1). Das 'Stroh kommt über die Einstreu dazu. Die übrigen organisöhen äübstanzen liefern eher einen bescheidenen Anteil.
2.3.2 Betriebe und Tiere in den verschiedenen Grössenklassen Der Anteil von Betrieben mit kleinen Tierbeständen ist sehr hoch (Abb. 2). Nur noch 16 % aller Betriebe besitzen mehr als 20 Tiere. Hin- gegen verfügen diese wenigen Betriebe über ein Potential von rund 50 % des Tierbestandes.
Ein Hauptangebot der Biomasse aus tierischen Exkrementen kommt von Be- trieben zwischen 10 und 20 GVE.
Der Vergleich der verschiedenen Regionen ergibt das bekannte Bild, dass Berggebiete gegenüber dem Tal ihren Schwerpunkt bei kleineren Betrieben haben.
2.3.3 Regionale Verteilung der Energieproduktion
Am meisten Biogas, nämlich 60 % des Potentials, kann erwartungsgemäss das Talgebiet liefern (Tab. 1). Analog zur Dichte der Tierbestände (75) liegt der Schwerpunkt im Mittelland und in der Ostschweiz. In der West- schweiz wirkt sich bereits der Einfluss des verbreiteten Askerbaus in Form einer geringeren potentiellen Gasproduktion ans (Abb.. 3).
Ein etwas undifferenziertes Bild bietet die Verteilung nach Energie- dichte. Darunter versteht man die Menge Biogas, die bezogen auf die be- wohnbare Fläche jährlich lieferbar wäre, wobei mit "bewohnbar" das Kulturland (Wiesen und Aecker) und die bereits überbauten Gebiete (wohn-, Industrie-, Gewerbezonen und Strassen) gemäss Arealstatistik (17) ge- meint sind (Abb.4)-
Es ergibt sich damit ein Bild über die Häufigkeit von möglichen Biogas- anlagen im intensiver durch den Mensch genutzten Raum. Berggebiete lie- gen hier infolge ihrer intensiven Tierhaltung teilweise recht günstig.
2.3.4 Tierhaltung
Die meisten tierischen Rückstände stammen aus der Rindviehhaltung.
Schweine liefern mengenmässig nur unbedeutende Beiträge (Abb. 5). Erst mit zunehmender Betriebsgrösse verschiebt sich das Verhältnis stärker zu Gunsten der Schweine, wohl infolge des verstärkten Auftretens von Grossmästereiän.
In den meisten Betriebsgrössen sind mehr als die Hälfte reine Rindvieh- haltungsbetriebe,eer Rest ist zum Grossteil gemischt (Schweine-Rinder).
Spezialisierte Schweinehaltungsbetriebe sind selten. Lediglich in der obersten Grössenklasse nimmt der Anteil dieser Betriebe deutlich zu (Abb. 6).
Tabelle 1: Zusammenstellung des Biogaspotentials
Gebiet Kot und Harn (abzüglich Heide)
Einstreu Erntereste Total
Anteile
% OS
. 10 t 3 ' Bio- gas 10 m 6 3
OS 10 t 3
Bio- gas 10 m 6 3
OS 10 t 3
Bio- gas 10 m 6 3
Brutto- gas 10 m 6 3
gas 10 0 6 3 Hetto4letto-
energie TJ .k.9.'
1 *) 72.4 „ 19.6 10.9 2.2 21.8 15.3 329.0 3.2
2 120.5 32.6 17.9 3.6 36.2 25.3 544.0 5.3
3 161.8 43.8 24.3 4.9 48.7 34.1 733.2 7.1
4 166.0 45.0 25.0 5.0 50.0 35.0 752.5 7.3
5 68.3 18.5 10.2 2.0 20.5 14.4 309.6 3.0
617 45.5 12.3 6.7 1.3 13.6 9.5 204.3 2.0
27.9 Tal
8 482.6 130.7 72.6 14.5 34.5 12.1 157.3 110.1 2367.2 22.8 9 531:3 143.9 79.4 16.0 34.4 12.0 171.8 120.3 2586.5 25.1 10 186.9 50:6 28.2 5.6 36.9 12.9 69.1 48.4 1040.6 10.1
aus übrigen Gebietet 18.3 6.0 6.4 4.5 96.8 0.9
58.9 Jura
11 122.4 33.2 18.2 3.6 36.8 25.8 557.7 5.4
12 176.7 47.9 26.6 5.3 53.2 37.2 799.8 7.8
13.2 Total
100.0 OS (103
0) 2134.0 320.0 124.0
Energieinhalt (PJ) 48.0 6.7 2.6
Gas (106 m3
) 578.0 64.0 43.0 685.0 480.0
Energieinhalt der potentiellen Biogas- produktion (PJ)
12.4 . 1.4 0.9 14.7 10.3 10.3
*) Zahlen = einzelne Regionen gemäss Tabelle 18 und Abbildung 19 im An- hang.
Ein Hauptteil der Biomasse und damit des Biogaspotentials liefert die Tierhaltung in Form von Kot und Harn. Einstreue und andere pflanzliche Substanzen sind von untergeordneter Bedeutung.
Aus dem Talgebiet kommt am meisten Rohstoff für die Biogasproduktion und zwar mit Schwerpunkt in der Ostschweiz (Region 8) und Mittelland (Region 9).
-19-
Abbildung 2: Verteilung von Betrieben .und Tieren nach Betriebsgrössen
60
M. Ia. 1.111 «11
50
Betriebe 40
30
••••
Bestände 20
10
<10 10 - 20 20-30
--
30-50 I 50
Betriebsgrösse in B-GVE
57 % aller Betriebe weisen nur eine bescheidene Tierhaltung auf
(<10 B-GVE). Anteilsmässig am meisten Tiere halten die 17 % der Betriebe in der Gruppe 10 - 20 B-GVE.
Die Betriebe mit 20 Tieren und mehr besitzen zusammen 47 % aller Tiere (und damit des Biogaspotentials), obwohl sie anzahlmässig nur 16 % aus- machen.
20 -
Abbildung 3: Verteilung des Biogaspotentials
>20 % lö 20 % 5 - 10-%
< 5
des gesamten Biogaspotentials des gesamten Biogaspotentials des gesamten Biogaspotentials des gesamten Biogaspotentials A
Die ostschweizerischen undmittelländichen'Talgebiete'könnten am meisten Biogas lieferh. Die angrenzenden Jura- und Berggebiete fallen hingegen in ihrem Beitrag an eine mögliche Gasproduktion deutlich ab. Verschwin- dend üering,ist der Anteil des Kantons Graubünden, vorallem aber auch der Kantone Tessin und Wallis.
-21-
Abbildung 4: Energiedichte
Bezogen auf bewohnbare Flächen bei vollständiger Ausnutzung des Biogas- potentials; "bewohnbar" = Gesamtfläche ohne Wald, Alpweiden und unpro- duktives Areal.
GJ/ha und Jahr
> 10'
11111111 7 10 4 - 7 2 - 4
[1] 2
Die jährlich produzierbare Biogasenergie je bewohnbare Fläche ist im östlichen Talgebiet (Kantone TG, SH, ZH etc.) am höchsten. Hit zunehmen- der Bedeutung des ACkerbaus geht in Richtung Westschweiz die Tierdichte und damit auch die mögliche Biogasmengg pro Flächeneinheit zurück. Selbst Berggebiete können mit ihrer relativ intensiven Tierhaltung im beschränk- ten Siedlungsraum auf sehr hohe Energiedichten kommen.
Abbildung 5: Aufteilung der Bestände nach Art der Tierhaltung 9.
100
-23-
67
-22-
8
- 21-
8 20
2 12
44
Aufzucht
Kühe
Rindermast 30
20 90- 80 70- 60- 50-
Schweine 10
›,
10-15 15-20 20-30 30-50 >50 Betriebsgrcisie in B-GVE
Die meisten tierischen Rückstände Stammen aus der Rindviehhaltung. Erst in grösseren Beständen nimmt die Bedeutung der Schweine zu.
Abbildung
6:
Aufteilung der Bestände nach Kombinationen von Rindern und -Schweinen0/0
100 80
a. 59
Ei ••
1.11.1 MI an60-
are e 40-
VI.PV
e
e
>i >r•
•••••e •
4,120-
>•••7•4
0.
4Nee2ON
1i/ te•..t.e4
2A> 44
nur Rindviehhattung
iiEii
M•ILI11111.1111 11.11111111.1-1.1
ewv,w ,
1OW' AN
" 424.11
Rinder und Schweine:•»*
C 444 kombiniert
>4pYi
C
•4
4L.C.g
nur Schweine 10 -T5 15-20 • 20-30 30-50 >50
Betriebsgrösse in B-GVE
Betriebe mit reiner Rindviehhaltung und solchen mit einer Kombination von Rindern und Schweinen halten sich ungefähr die Waage. Tendenziell kommen ausschliessliche Rindviehbestände mit abnehmender Betriebsgrösse häufiger. vor.
-23-
2.4 Tendenzen Kot und Barn
Der Mengenanfall wird sich kaum stark verändern, denn die Tierproduktion stagniert langfristig infolge Ueberprodnktian. Die Konzentrationsprozesse in der Tierhaltung halten in gemässigter Form weiter an. Entscheidend.
dürften aber die Fortschritte auf dem Gebiet der Gärtechnik mit verbes- serter Gasausbeute ins Gewicht fallen.
Einstreu
Der Abbau von Stroh in Biogasanlagen soll zukünftig besser beherrscht werden. Das bringt eine Verbesserung der Gasausbeute und den vermehrten Einsatz von Stroh mit sich.
Erntereste
Beim Kartoffelkraut wird keine starke Erweiterung des Biomasseanfalls zu erwarten sein. Grössere Forschungsvorhaben bezüglich Verbesserung der Gärung dieses Stoffes lohnen sich wohl kaum, da es sich doch um ein sehr bescheidenes Potential handelt. Ausserdem würden sich teilweise unge- löste Ernte- und Lagerprobleme stellen.
Die Körnermaisfläche hingegen dürfte in nächster Zeit noch beträchtlich ausgedehnt (5) und die Erntetechnik des Strohs verbessert werden. Auch das Gärverhalten wird man besser kennenlernen und optimieren können.
Zuäammenfassend ist damit zu rechnen, dass vereinigte Forschungsanstreng- ungen und technischer Fortschritt in den nächsten 10 - 20 Jähren zumin- dest die theoretischen Grundlagen liefern, die eine Erweiterung dieses errechneten Potentials um ca. 30 % erlauben. Die allgemeine Verbreitung von Biogasanlagen in der Landwirtschaft hängt dann noch stark damit zusammen, wie die Anlagenentwicklung sich an den Erfordernissen der Praxis orientiert.
3.
Einschränkungen bei der Ausnützung des Biogaspotentials3.1 Uebersicht
Der uneingeschränkten Nutzung des im Vorkapitel berechneten Potentials stehen einige Hindernisse entgegen. Diese sind einerseits durch die be- sondere landwirtschaftliche Struktur gegeben (Betriebsgrössen, Entmistungs- formen, Gebäudezustand usw.), andererseits durch die charakteristischen Eigenschaften des Energieträgers Biogas (geringe Energiedichte) und der Nutzungsmöglichkeiten seitens des Landwirtschaftsbetriebes.
Unter diesen verschiedenen Einschränkungen schrumpft der ursprünglich er- rechnete Energiebeitrag des Biogases beträchtlich zusammen. Die Analyse dieser Einschränkungen zeigt uns aber auch die Richtung der Forschung und Entwicklung an, welche für die maximale Ausnützung dieser Energiequelle einzuschlagen ist, ohne daes gleichzeitig schädliche Nebeneffekte in Kauf genommen werden Müssen.
Bevor im Einzelnen auf die verschiedenartigsten beschränkenden Faktoren eingegangen wird, seien in einem Ueberblick die Auswirkungen der beiden wichtigsten Einschränkungen für die Ausnützung des Biogaspotentials dar- gestellt, nämlich der Beschränkung durch den einzelbetrieblichen Energie- verbrauch und die Betriebsgrösse (Abb. 7).
Das anfänglich um 10 PJ veranschlagte Gesamtpotential schrumpft dabei je nach Nutzungsart und Betriebsgrösse beträchtlich zusammen.
Mittelfristig wird sich die Nutzungsvariante I (Verwendung des Biogases zum Heizen) am stärksten durchsetzen. Wenn alle Betriebe zwischen 20 und 50 GVE davon Gebrauch machen, könnte rund ein Viertel des errechneten Potentials realisiert werden. Diese einfachste Form der Biogasverwertung kommt vor allem dem Haushalt zugute. Von den 9 PJ direkten Energiever- brauches in der Landwirtschaft lässt sich dagegen kaum etwas einsparen (69). Bei rund der Hälfte handelt es sich um Treibstoffe und bei weiteren
rund 40 % davon um schwer ersetzbare Energien wie Elektrizität, Aufwen- dungen für die Grastrocknung und die Beheizung von Gewächshäusern. Die anvisierte Energieautarkie der Landwirtsch2ft ist folglich mit der Pro- duktion von Biogas nur in bescheidenem Umfang erreichbar.
-25-
Abbildung 7: Ausnützung des Biogaspotentials durch untersohiedliohe Gas- nutzungsverfahren und Betriebsgrössen
Varianten. der Gasverwendung I. Heizen /Warmwasser/
Kochen
11 Elektrizitäts- produktion
(Wi: Heizen etc.
So: Traktorantrieb)
(100•/. - 10P-1)
. 72°/.
53./.
35%
25•/.
13°I.
Betriebe >10 >20 >30 GVE
31%
12%
>10 >20 >30 GVE >10 >20 >30 GVE
(Vgl. Tab. 7, S.38. Betriebe grösser als 50 GVE wurden nicht berücksich- tigt).
Setzt man die ausschliessliche Verwendung des Biogases für Heizzwecke voraus (geMäss Variante I) und berücksichtigt man nur die Betriebe über 10 GVE, so können vom urspründlich ermittelten Biogaspotential 53 a reali- siert werden. Nimmt man nur die Betriebe über 20 GVE, dann sind unter diesen Verbrauchsbedingungen 25 a oder 2,5 PJ des Gesamtpotentials nutz- bar.
Die Verbreitung anderer Verwendungsarten (Varianten II und III) ergäbe jeweils eine gewisse Verbesserung in der allgemeinen Biogasausnutzung.
Wobei bereits an dieser Stelle einschränkend festzuhalten ist, dass diese beiden Varianten heute wirtschaftlich uninteressant sind und Variante
"Treibstoffersatz" (Traktorantrieb) noch vollständig ungeklärte technische Fragen aufwirft.
3.2 Betriebsgrösse
Ohne genaue Grenzen angeben zu wollen, ist doch anzunehmen, dass bei den heutigen Preisrelationen eine Anlage erst ab einer bestimmten Betriebs- grösse sinnvoll ist. Je nachdem, wo wir diese Schwelle ansetzen, wird das ursprüngliche Potential bedeutend geschmälert (Tab. 2).
Tabelle 2: Abhängigkeit des Biogaspotentials von der Betriebsgrösse Betriebsgrössen
in BGVE
Betriebe Tiere in BGVE
Potential in Anzahl
.103
% % PJ
alle Betriebe 130 100 1'400 100 10,3
>10 56 43 1'100 79 8
>15 37 28 900 67 7
>20 21 16 630 47 5
>30 6,7 5 290 21 2
>50 1,1 0,8 85 6 0,6
Dabei ist zulerücksichtigen, dass nur rund 80'000 der gesamthaft 130'000 Betriebe vollamtlich geführt werden. In der Betriebsgrösse kleiner als 10 GVE sind ausserdem Klein- und Nebenerwerbsbetriebe eben- so erfasst wie Betriebe mit Intensivkulturen oder reine Ackerbaubetriebe.
Aus dieser Tatsache müssen folgende Konsequenzen gezogen werden:
- Auch für kleinere Betriebe mubs man sinnvolle Lösungen finden. Mit Blick auf eine beschränkte Anwendung des Gases (zum Beispiel nur für das Kochen oder das Warmwasser) könnte eine minimal ausgestattete An- lage schon ab wenigen Tieren eingesetzt werden. Vorbilder gibt es in Form der chinesischen und indischen Anlagen (22, 27). Eine Erfassung vieler kleiner Tierbestände könnte überdies für die Ausnützung eines möglichst hohen Anteils des Biogaspotentials durchaus sinnvoller sein als die Entwicklung komplizierter Verwertungsverfahren.
- Dem Problem gemeinSchaftlicher PrOduktion und/oder Verwertung des Gases sollte man weiter nachgehen.
- Der Markt, bezogen auf die grossen und heute bereits interessanten Be- triebe, ist relativ weit - es gibt immerhin 7'000 Betriebe mit über 30 GVE. Der Impuls zum Kleinanlagenbau dürfte deshalb in nächster Zeit von Herstellerseite nicht besonders stark sein. Die öffentliche For- schung sollte darum in diesem Bereich vermehrt die Initiative ergreifen.
-27-
3.3
Einschränkungen seitens des betrieblichen Energiebedarfs Eine Besonderheit des Energieträgers Biogas liegt in seiner geringen Energiedichte. Man benötigt 1,6 m3 Biogas bei Normaldruck, um den Energie- inhalt eines Liters Benzin zu erreichen. Eine über den Zeitraum von ein bis zwei Tagen hinausgehende Gasspeicherung ist kaum sinnvoll. Alles was während dieser Zeit nicht genutzt wird, muss als verloren betrachtet werden. Der gesamte Energiebedarf auf dem einzelnen Landwirtschaftsbe- trieb (zusammen mit dem Haushalt) und die Verteilung dieses Verbrauches über das Jahr bestimmen die Ausnutzung des produzierten Gases.3.5.1
Variante I: Gasverwendung für Heizzwecke (Heizen, Kochen, Warm- wasserbereitung)Es handelt sich dabei um die einfachsten Nutzungsarten, denn die Technik ist von der Erdgas- und Stadtgasverwendung her hekannt, und die vorhande- nen Apparate lassen sich relativ leicht auf Biogas umstellen.
Die Beschaffung von Bedarfswerten erwies sich als nicht sehr einfach.
Es wurde deshalb in den weiteren Betrachtungen von folgenden Annehmen ausgegangen:
Annahmen für das Kochen
Für die durchschnittliche Anzahl von '5,3 Verpflegungseinheiten pro land- wirtschaftlichen Haushalt
(66)
kann mit einem überschlagsmässigen Gasver- brauch von 1 m3 Biogas pro Tag zu Kochzwecken gerechnet werden(6).
Höhere Werte ergeben sich durch das Futterkochen: in Schweinemastbetrieben.Annahmen für die Warmwasserbereitung (j0)
Der tägliche Warmwassexbedarf der Durchschnittsfamilie
liegt
im Bereich von 250 Litern:Wasser ä 60° C (37). Dazu kommt ein Bedarf im Stall für Reinigungs- und Fütterungszwecke von zirka 100 bis 150 Litemalfaamwasser.Unter diesen Annahmen und der Berücksichtigung eines Wirkungsgrades der Warmwasserbereitung von 0-,75 errechnet sich .ein täglicher Gabbedarf von 5 m3.
Dieser Wert hängt vom Komfortbedürfnis der Bewohner, der Grösse des Haushaltes, der technischen Ausstattung des Betriebes (Melkahlage usw.) ab und kann deshalb in weiten Grenzen schwanken (500 - 1500. kg Heizöl!
Jahr), ohne jedoch in direktem Zusammenhang zur Betriebsgrösse zu stehen.
Annähmen für das Heizen der Wohnräume
Zwei Merkmale zeichnen den Heizbedarf aus: Es handelt sich um den grössten Energieverbrauch auf dem Betrieb, und er weist irosse saisonale Schwankungen auf.
Die saisonale Verteilung des Verbrauchs konnte über den durchschnittlichen Verlauf der Aussentemperatur (4) angenähert werden. Der Anfang und das Ende der Heizperiode sind im allgemeinen bei nicht übertriebenen Komfort- ansprüchen auf die längerdauärnde Unter- bzw. Ueberschreitung einer mittleren Aussentemperatur von 100
e
angesetzt (das heisst Mitte September bis Mitte April, Dauer:7
Monate) (26, 70).Für eine zentralbeheizte Wohneinheit wird im schweizerischen Durchschnitt 100 GJ (oder 2'400 kg Oel) unter Einbezug der Warmwasserbereitung (37) verbraucht. Das landwirtschaftliche Wohngebäude lässt sich im Charakter.
mit einem Einfamilienhaus vergleichen, weshalb der Heizverbrauch höher anzusetzen ist, nämlich auf 105 GJ oder 2'500 kg Oel ohne Warmwasser- bereitung. Man braucht nicht besonders zu betonen, dass es sich dabei um eine grobe Annäherung handelt, hängt doch der effektive Heizverbrauch von einer Unzahl verschiedenster Faktoren ab: Zentral- oder Einzelofen- heizung, Anzahl beheizter Zimmer, Komfortanspruch, Wirkungsgrad der Heizung, Isolation des Hauses, Mikroklima, Höhenlage usw. Der Einzelfall bedarf folglich jedesmal der genauen Abklärung.
Unter den vorstehend genannten Annahmen schwankt 'der tägliche Biogas- bedarf zum Heizen zwidchen 25 und
45 m3.
Annahmen Prozesswärme
Um den Inhalt des Gärbehälters auf der gewünschten Temperatur (30 bis
35 °'C)
zu halten, muss eine Energiemenge aufgewendet werden, die sich aus zwei Komponenten zusammensetzt:- Aufwärmen der Gülle auf die Zieltemperatur. Die Gülletemperatur in der Vorgrube schwankt gemäss der Aussentemperatur.
- Wärmeverluste durch die Wandung. Auch dieser Wert hängt lion den Aussen- temperaturen ab; er wird des, weiteren entscheidend durch die Wärme- dämmung des Behälters beeinflusst.
Insgesamt steigt der Prozesswärmebedarf mit sinkenden Aussentemperaturen und umgekehrt. Somit verbleibt in der kalten Jahreszeit ein geringerer Anteil an Nettogas als im Sommer.
Dem schwankenden Gasbedarf steht folglich eine saisonal gerade gegenläu- fige Gasproduktion gegenüber. Das Blockdiagramm (Abb. 8) fasst diese Situation am Beispiel eines 25 GVE-Betriebes zusammen.
Ein EDV-Programm von W. Göbel (FAT), basierend auf diesen Ueberlegungen und den beschriebenen Annahmen, ermittelte die Anteile genutzten Gases verschiedener Betriebsgrössen. Der Verbrauch für Kochen, Heizen usw.
wurde für alle Betriebsgrössen als konstant angenommen. Mit zunehmender Betriebsgrösse sinkt der Anteil des genutzten Gases (Abb. 9).
Zusammenfassung von Variante I: Beschränkung des Potentials durch Wärmenutzung (Heizen, Kochen, Warmwasserbereitung)
Durch die Uebertragung der ermittelten Ausnutzungsgrade auf die ver- schiedenenBetriebsgrössengruppen der Schweiz kann die Beschränkung des gesamtschweizerischen Biogaspotentihls bei der beschriebenen Gasverwen- dung geschätzt werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 wiedergegeben.
Tabelle 3: Variante "Heizen": gesamtschweizerisch ersetzbare Energie (pro Jahr)
Betriebsgrösse Bruttogas- mange
nutzbarer Anteil (s.Abb. 9)
nutzbare Gasmenge
nutzbare Energie Klasse 0
BGVE BGVE 106 m3
% 106
m3 TJ
< 10 (7,0) 109 57 62 1330
10 - 15 12,6 125 52 65 1400
15 - 20 17,5 , 143 48 68 1460
20 - 30 24,0 176 43 76 1630
30 - 50 3614 105 37 39 -840
> 50 ' 74 .44 22 10 220
TOTAL 320 6880
Gas.
(i10/ Tag -40 Energie
(MJ/Tag
Bruttogas
800-
Bedarf 700
30 600
500-
20 400-
300— ir
200-
lob-
Jan Febr. März
10
ei::::::•:::::Mmer:»N•yey•v •
. ....».,..x.:.•: • . .:..4,42:,•>"•:::::•<.•:::
Warmwasser «:::y4 •
• Kochen
effleMe:
e:fflffleme%
Juni Juh Aug. Sept. Okt. Nov. Dez.
Abbildung, 8: Energiebedarf und Biogasproduktion eines 25 GVE-Betriebes (ohne Weidegang und Alpung, Verbrauchsvariante I)
Diese Gegenüberstellung von Produktion und Bedarf basiert auf einem jährr.
lichen Oelverbrauch von 4'500 kg (3'500 kg für Heizen, 1'000 kg für Warm- wasser). Ausgehend vom produzierten Bruttogas lässt sich unter Abzug der erforderlichen Prozesswärme eine saisonal schwankende Nettogasmenge von durchschnittlich 75 % ermitteln. Der höchste Heizbedarf fällt in die zeit tiefster täglicher Gasproduktion (Januar). So entsteht ein Energiedefizit im Minter. Im Sommer verbleibt dagegen ein Deberschuss. Der genutzte An- teil (punktiert) macht in diesem Fall 45 % der ursprünglichen Brutto gas- menge aus.
•
"
. _ .
(Verbrauchäväriante I: Heizen, Warmwasserbereitüng,, Kochen) Abbildung 9: Mögliche Ausnir,bzung, des piCgäses in Abhängigkeit derBe-
triebsgrösse
loö ,E3rutiogas
MMMWDOMIII.M11.10. .M ' Nettogas 90
80 70.
60 50 40 30 20' 10
••••••• .m•Mo..111 Überichuss - antea, Genützter Gasantea
50 pVE
10 20 30
Unter der Voraussetzung einas, betriebsunabhängigan—Energiebedarfs van 3'590 kg OeläguiVälent (entspricht schweizerisCheM Durchschnitt 2'50ö, kg für das fieiZen, l'00015%kg für Warmwasser und Kochen) nimffit der genützte Gasanteil mit:ansteigender Betriebgrösse ab. Während ein 10:.GVE-Betrieb beispielsweise 55 % der Bruttogasmenge sinnvoll einsetzen kann, nutit ein 56 GVE-Betrieb nach einen Drittel des gewonnenen Gases.
3.3.2 Variante II: Gasverwendung über Wärme-Kraftkoppelung (Elektrizi- tätsproduktion2
Die Wärme-Kraftkoppelung nützt einerseits die mechanische Arbeit eines gasbetriebenen Motors aus, im vorliegenden Fall zum Antrieb eines Gene- rators, und anderseits die Abwärme im Kühlwasser (zum Beispiel zu Heiz- zwecken und Waxmwasserbereitung). Für das bekannteste System im der Pra- xis, das Totem (Total Energy Modul), liegen folgende Daten der Energie- ausnützung vor (23): 23 % gehen in die Elektrizitätsform über,
67 % können im Kühlwasser genutzt werden, 10 % verpuffen als unvermeidliche Verluste
(Auspuffgase usw.).
Diese Werte müssen nach Erfahrungen in der Praxis eher als "Wunschdaten"
betraChtet werden, entstehen doch unter anderem durch geringe Laufzeiten höhere Anteile unvermeidlicher Verluste (Stillstandverluste). Den weiter en Berechnungen liegen dieselben Wärmebedarfe und die saisonale Vertei-
lung wie im Vorkapitel zugrunde. Nur wird der Wärmebedarf diesmal mit der Totemabwärme soweit als möglich gedeckt. Im Winter wird es auch bei dieser Verwertungsart manchmal ein Defizit und im Sommer Ueberschüsse (in Form von Wärme) geben. Im weiteren setzt man die Einspeisung des Ubberschussstromes ins öffentliche' Netz voraus.
Zusammenfassung von Variante II: Beschränkung des Potentials durch Gasverwendung mit Wärme-Kraftkoppelung
Durch die Wärme-Kraftkoppelung können grössere Betriebe die Energie erheblich besser ausnutzen, als dies bei der reinen Heiznutzung der Fall ist. So kann beispielsweise ein 40 GVEBetrieb auf diese Weise die gewonnene Energie um 80 besser nutzen als bei der VeXwertungsvariante
"Heizen" (Abb. 18, S. 76 ). Damit wird gesamtschweizerisch rund ein Viertel mehr Biogas genutzt ele bei der vorher beschriebenen Variante (Tab. 4).
-33-
Tabelle 4: Variante "Elektrizitätsprodüktion": gesämtschweizerisch ersetzbare Energie (pro Jähr)
Betriebs- grösse BOVE
Brutto- energie- menge
TJ
nutZSare Energie Mehrnutzung gegenüber Variante
"Heizen"
% Elektrizität
TJ
Wärme TJ
Total TJ
< 10 2090 (480) (790) (1270) (8)
10 - 15 2430 560 840 1400 10
15 -, 20 2820 650 900 1550 15
20 - 30 3530 810 1050 1860 25
30 - 50 2110 490 750 1240 60
> 50 900 210 180 390 100
Total 3200 45I0 7710 23
War die Betrachtung von Betrieben unter 10 GVE schon bei der Variante
"Heizen" recht fragwürdig, so ist diese Betriebsgrösse im Fall "Totem"
vollends unrealistisch und nur noch der Vollständigkeit halber erwähnt (Laufzeit des Totems bei 10 GVE: täglich 1 1/2 Stunden!). Infolge der
Schwierigkeiten des Wärmetransportes über grössere Strecken bestehen voraussichtlich auch Hindernisse für Gemeinschafts-Biogasanlagen mit Gasverwertung über ein Totem. Als integrierter Bestanteil einer dörf- lichen Fernheizung, wie sie zum Beispiel für Sent (Kanton GR) (68) vor- geschlagen wird, wären allenfalls Einsatzmöglichkeiten auf gemeinschaft- licher Basis möglich.
3.3.3 Variante III: Biogas als Treibstoffersatz (Hypothese!) Die Verwendung von Biogas als Traktortreibstoff könnte eine denkbare Ueberschussverwertung im Sommer darstellen. Die Suche nach einemTreib- stoffersatz bewegt die. Gemüter ganz besonders, da hier die Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Energieträgern total ist.
Die Hochdruckverdichtung gasförmiger Energieträger bringt keine technisch neue Probleme. Handelsübliche Druckflaschen und Kompressoren sind er- hältlich. Auch der Betrieb von Fahrzeugen mit Biogas hat schon eine ge- wisse Tradition (10, 52). Einige Fragezeichen bestehen im Hinblick auf die notwendigen Detailanpassungen an den Fahrzeugen, die Umstellungen in der Arbeitsorganisation (Montage der Gasflaschen, beschränkte Treibstoff- reserve erfordert öftere Rückkehr zum Hof), den Einsatz von Biogas in Dieselfahrzeugen (die meisten landwirtschaftlichen Traktoren fahren mit Diesel), Sicherheitsbestimmungen usw.
Trotz Kompression des Gases auf 200 bar verbessert sich das langfristige.
Lagerproblem kaum wesentlich. Deshalb wird.man auch darauf angewiesen sein, das anfallende Gas umgehend zu verbrauchen. Mit anderen Worten: Alle während des Sommers auftretenden Arbeitsspitzen mit hohem Zugkraftbedarf ergeben einen Mangel an Biogas: In arbeitsärmeren Zeiten treten wiederum Ueberschüsse auf. Auch hier könnten gemeinschaftliche Lösungen dazu die- nen, den Spitzenbedarf auf einzelnen Betrieben zu befriedigen und Ueber- schüsse besser zu verteilen.
Für einen Modellbetrieb wurde versuchsweise mit Unterlagen der Arbeits- wirtschaft (FAT) der Verlauf des Zugkraftbedarfes über das ganze Jahr und daraus die ungefähre Vertöilung des Treibstoffbedarfes ermittelt. Zugrunde gelegt war ein grösserer kombinierter Betrieb (30 GVE, Rindviehhaltung und Ackerbau). Unklarheit herrscht besonders über die Auslastung der Fahrzeuge für die verschiedenen Arbeiten. Da liegt eine Fehlerquelle, worans ein relativ hoher Gesamtjahresverbrauch resultiert. Dasselbe Bild zeigt eine Semesterarbeit in dieser Richtung (1). Trotzdem lassen sich gut die Verbrauchsschwankungen im Vergleich zum Biogasangebot ausserhalb der Heizperiode zeigen (Abb. 10).
Bei der Abklärung des durchschnittlichen Benzin- und Dieselverbrauchs (11, 18) zeigte sich ein gewisser Zusammenhang zwischen der Betriebs- fläche und dem Verbrauch pro Hektare. Mit zunehmender Betriebsgrösse sinkt der spezifische Treibstoffverbrauch im allgemeinen infolge vermehr- ter ExtensiVieiung (Ackerbau). Eine kombinierte Auswertung 'der BZ
75
er-laubte die Einteilung der Betriebe nach Hestandesgrösse und landwirtschaft- licher Nutzfläche (Tab. 5). Jeder dieser Betriebsgruppen kann ein mittler- er Treibstoffbedarf, aber auch ein gewisser Gasüberschuss zur Verwendung als Treibstoffersatz zugeordnet werden.
Zugkrattbedart Zkh /Tag
Treibsto tbedart Diesel I ./tij in3 BiogaslTag
45-
Uberschussgas im Sommer
Streuung 30- -50 des Verbrauchs
:40 0 Verbrauch in der Feldarbeitspetiode
157 1249
9- 67.-10
-70
-35-
Abbildung10:, Treibätoffbedarf (kombinierter Betrieb,
50
GVE).9 1 2 3 4 • 5 6 7 8 9 Feldarbeitsperioden
Feb./März ' April Mai • Juni Juli Aug. '-Sept. Okt. Nov. Dez. /Jan. Monat
Bei einer Nutzung des Biogases gemäss Variante "Heizen" Verbläibt im Sommer eine gewisse enge Deberschussgas. (dick gestrichelte Linie). Der Treibstoffbedarf kann je Feldarbeitsperiode ,stark schwanken (ausgezogene Linie). In Periode 3 bis 5 beispielsweise liegt der ,Bedarf wesentlich tiefer als energiemässig in Form von Gas anfällt: Es sei allerdings auf die grossen Bedarfsschwankungbn innerhalb Aer Feldarbeitsperioden hinge- wiesen (zum Beispiel Periode 4),
Trotz der kombinierten Gasverwertung ergeben sich gewisse ungenutzte Gasmengen (definitive .Ueberschüsse, punktiert).
-Tabelle 5: Kompression: Annahmen auf Betriebsebene Bestandes-
grösse BGVE
Betriebs- grösse ha LN
Sommer- überschuss an Biogas m3/Betrieb
jährlicher ' Treibstoffbe- darf
definitive Ueber- schüsse
m3
Komp.
Teil 1 m3 m3
10 - 15 5 - 10 1380 1130 1900 270 1110 10 - 20 1380 1650 2780 --- 1380 15 - 20 5 - 10 2400 1130 1900 900 1500
- 10 - 20 2400 1650 2789 ' 600 1800 . 20 - 30 10 - 20 4000 1650 2780 1 1920 2080
20 - 30 4000 2500 4190 1 1070 2930 30 - 50 10 - 20 8500 1650 2780 6140 2360
-- 20 - 30 8500 2500 4190 1 5150
= 3350
Im Sinne der optimalen Auslastung der teuren Kompressoranlagen würde zu' allen Jahreszeiten möglichst viel Treibstoff ersetzt werden, was aber auf die endgültig genutzte Energiemenge keinen Einfluss hat. Nur bei einer Betriebskombination (10 bis 15 GVE, 10 bis 20 ha LN) verbleiben theore- tisch keine Ubberschüsse. Im allgemeinen steigen die Ueberschüsse mit zunehmender Betriebsgrösse.
Zusammenfassung von Variante, Beschränkung des Potentials bei kombi- nierter'Gasverwertung (Heizen im Winter, Treibstoffersatz im Sommer) Das beschriebene Verfahren bringt auch gegenüber der Elektrizitätsproduk- tion eine weitere Verbesserung der Gasausnutzung (Tab. 6).
Auch bei der Berücksichtigung des vorderhand vernachlässigten Energieein- satzes für die Komprimierung des Gases (rund 1/10 des Energieinhaltes im Gas) bleibt der Vorsprung in der Gasausnutzung für die Variante "Treib- stoffersatz" bestehen.
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labelle 6: Variante "Treibstoffersatz" : Gesamtschweizerisch ersetzbare Energie (lhero Jahr)
Bestandes- grösse
BGVE
Betriebs- grässe
ha LH Anzahl Betriebe
Kompri- mierung total 106
m3 Heizen usw.
106 m3
nutzbar mögliche Mehrnutzung
*)
% Biogas
106 m3
Energie
10 - 15 5 - 10 12,100 13 41 54 1160
. . 1890 35 •
10 - 20 7'100 10 24 34 730
'
15 - 20 5 - 10 5'300 8 23 31 670
- . • 2040 40 10 - 20 10'500 19 45 64 1370
20 - 30 10 - 20 4'900 10 26 36. 770
• 2430 50
20 - 30 9'300 27 50 77 1660
30 - 50 10 - 20 1'900 5 13 18 390
• 1210 45
20 - 30 3'700 12 26 38 820
*) Mehrnutzung gegenüber der Variante 'Heizen" 7570 42
3.3.4 Daberblick über die Einschränkungen seitens des Biogasbedarfs Der Vergleich zeigt, dass sich mit höherem technischem Aufwandganz klar klar mehr Biogas nutzen liesse (Tab. 7), wobei vorläufig noch nichts über die Wirtschaftlichkeit ausgesagt wurde. In allen Fällen besteht zudem ein enger Zusammenhang mit dem betriebseigenen Wärmebedarf, der im wesentlichen durch den Heiz— und Warmwasserbedarf gegeben ist und von dort auch beschränkt wird.
