FachbereichAgrarwirtschaftund
Lebensmittelwissenschaften
FachgebietErneuerbareEnergien
VergleichendeUntersuchungenzurMethanausbeute
verschiedenerArtenSorghumhirseundMaisals
SubstrateinBiogasanlagen
Bachelorarbeit
Vorgelegtvon:
FranziskaKrüger
1.Gutachter:Prof.Dr.agr.LudwigPopp
2.Gutachter:Dr.CarstenHerbes
URN: urn:nbn:de:gbv:519thesis200902327
Schwennenz,imJuni2009
Inhaltsverzeichnis:
1. EinleitungundProblemstellung...7 2. Literaturteil...10 2.1. Biogas...10 2.1.1. GrundlagenderanaerobenFermentation...11 2.1.2. VerwendungsmöglichkeitenundAufbereitung...13 2.1.3. BiogasgewinnungNAWAROAG...14 2.2. Substrate...15 2.2.1. NachwachsendeRohstoffe...15 2.2.2. Substratbehandlung...17 2.2.3. Substratbereitstellungskosten...18 2.3. Mais...20 2.3.1. Herkunft,VerbreitungundProduktion...21 2.3.2. Standortansprüche...21 2.3.3. Entwicklung...22 2.3.4. Verwendungsmöglichkeiten...23 2.3.5. Bestandesführung...23 2.4. SorghumHirse...26 2.4.1. Herkunft,VerbreitungundProduktion...26 2.4.2. SorghumArten...27 2.4.3. Standortansprüche...28 2.4.4. Entwicklung...29 2.4.5. Verwendungsmöglichkeiten...30 2.4.6. Bestandesführung...30 3. MaterialundMethoden...33 3.1. Standortbeschreibung...33 3.2. Bestandesführung...34 3.3. Aussaat...35 3.4. SortenundVersuchsaufbau...36 3.5. Methanpotenzial...37 3.5.1. MethanpotenzialnachWeißbach...37 3.5.2. HohenheimerBiogasertragstest...38 4. Ergebnisse...40 4.1. Wachstum...404.1.1. Bestandesdichte...40 4.1.2. Bestandeshöhe...41 4.1.3. BBCH–Stadien...44 Boniturtermin2...44 4.2. Trockensubstanzgehalte...46 4.3. Erträge...49 4.3.1. ErträgeTrockensubstanz...49 4.3.2. Methanerträge...50 4.4. ElektrischeLeistung...52 5. VergleichErtragspotentialeMaisundSorghumhirsen...54 5.1. Methanertrag...54 5.2. Energieertrag...55 6. GegenüberstellungProduktionskostenMaisundSorghumhirse...56 6.1. ProduktionskostenSorghumhirse...56 6.2. ProduktionskostenMais...57 7. Auswertung...58 7.1. VergleichmitanderenVersuchsergebnissen...59 7.2. FehlerbeiderVersuchsdurchführung...60 8. Diskussion&Ausblick...62 9. Zusammenfassung...63 Literaturverzeichnis...65 Anhang...69
Abkürzungsverzeichnis:
Abb. Abbildung awWert activewater BGA Biogasanlage(n) BHKW Blockheizkraftwerk BSK Bereitstellungskosten C Kohlenstoff CCM CornCrobMix CH4 Methan Chem. chemische DAP Diammoniumphosphat EEG ErneuerbareEnergienGesetz EU EuropäischeUnion FM Frischmasse FNR FachagenturNachwachsendeRohstoffee.V. FoTS FermentierbareorganischeTrockensubstanz GRS Gärreste HBT HohenheimerBiogasertragstest KH Kohlenhydrate LFA LandesforschungsanstaltfürLandwirtschaftundFischereiMV LfL LandesanstaltfürLandwirtschaft MO Mikroorganismen N Stickstoff NawaRo NachwachsendeRohstoffe NL NeueLandwirtschaft oTS organischeTrockensubstanz P Phosphor Pfl. Pflanzen pH potentiahydrogeni S Schwefel STABW Standardabweichung Tab. Tabelle TFZ TechnologieundFörderzentrum TM Trockenmasse TS Trockensubstanz UF Unterfuß Vgl. VergleicheAbbildungsverzeichnis:
Abbildung1:EntwicklungderBiogasanlagenzahl 7 Abbildung2:EndedesBooms 7 Abbildung3:Mais 9 Abbildung4:Sorghumhirse 9 Abbildung5:Methangärungschematisch 11 Abbildung6:NutzungsvariantenundAufbereitungsschrittevonBiogas 13 Abbildung7:NAWAROProzess 14 Abbildung8:BiogaserträgeundMethanausbeuten 16 Abbildung9:BerechnungsbeispielSubstratbereitstellungskosten 20 Abbildung10:EntwicklungsstadienMais,Teil1/2 22 Abbildung11:EntwicklungsstadienMais,Teil2/2 23 Abbildung12:Sorghumhirsen:UrsprungsundAnbaugebiete 26 Abbildung13:SudangrasundZuckerhirse 29 Abbildung14:NiederschlagsmengeGülzow2008 33 Abbildung15:TemperaturenGülzow2008 34 Abbildung16:Kolbenprober 39 Abbildung17:BestandesdichteStaffelde 40 Abbildung18:Feldaufgang 41 Abbildung19:BestandeshöheStaffelde27.08.2008 42 Abbildung20:UnterschiedeBestandeshöhegraphisch 42 Abbildung21:BestandeshöheStaffelde15.09.2008 43 Abbildung22:BestandeshöheStaffelde30.09.2008 43 Abbildung23:MittlereBBCHStadien27.08.2008Staffelde 44 Abbildung24:MittlereBBCHStadien15.09.2008Staffelde 45 Abbildung25:MittlereBBCHStadien30.09.2008Staffelde 45 Abbildung26:TSGehalte27.08.2008Staffelde 46 Abbildung27:MittlereTSGehalte15.09.2008Staffelde 47 Abbildung28:TSGehalte30.09.2008Staffelde 47 Abbildung29:MethanertraginStaffeldenachHohenheim 51 Abbildung30:MethanertragStaffeldenachWeißbach 52 Abbildung31:EnergiegehaltjehainStaffelde 53 Abbildung32:VergleichMethanerträgejehazwischenSorghumhirsenundMais 55 Abbildung33:VergleichEnergieerträgejehazwischenSorghumhirsenundMais 55 Abbildung34:VergleichErträgeSorghumhirsenzuMais2004 59 Abbildung35:VergleichderTMErträgevonMais,Sorghumhirsenvon2004bis2006 60Tabellenverzeichnis:
Tabelle1:ZusammensetzungBiogas 12 Tabelle2:Erträge 19 Tabelle3:Silomais 24 Tabelle4:Sorghumartenundsorten 28 Tabelle5:chem.ZusammensetzungSudangras 31 Tabelle6:chem.ZusammensetzungZuckerhirse 31 Tabelle7:Aussaatmengeundstärke 35 Tabelle8:Versuchsaufbau 36 Tabelle9:Probenahmeplan 36 Tabelle10:TrockensubstanzzurErnte,10/2008 48 Tabelle11:AdjustierteTSErträgeindt/ha 49 Tabelle12:ÜbersichtErtragspotentialeStaffeldenachHohenheim 50 Tabelle13:ÜbersichtErtragspotentialeStaffeldenachWeißbach 51 Tabelle14:ÜbersichtEnergiegehaltejehainStaffelde 52 Tabelle15:ProduktionskostenSorghumhirseMalchow 56 Tabelle16:ProduktionskostenMais 57Anlagenverzeichnis:
BestandesdichteinPfl./m²27.08.2008 BestandeshöheinMetern27.08.2008 BestandeshöheinMetern15.09.2008 BestandeshöheinMetern30.09.2008 Trockensubstanzgehalte EntwicklungsstadiennachBBCH27.08.2009 EntwicklungsstadiennachBBCH15.09.2008 EntwicklungsstadiennachBBCH30.09.2008 MethanpotentialnachHohenheimerBiogasertragstest MethanpotentialnachWeißbach ProduktionskostendatenStaffelde ProduktionskostenMalchow1. EinleitungundProblemstellung
Die Bedeutung der Energiegewinnung auf der Grundlage nachwachsender Rohstoffe nimmt durch die EndlichkeitfossilerEnergieträger,sowiedenhohenEnergiepreisenundderanhaltendenDiskussionum denKlimawandelstetigzu.DiePolitikhatdiesenTrenderkanntunddurchdieNovelledesErneuerbare EnergienGesetzvon2004günstigeRahmenbedingungen,wieeinefestgelegteVergütungundInvestiti onszulagen,geschaffen.VordiesemHintergrundstiegenauchdielandwirtschaftlicheunddieindustriel leBiogasnutzungrapidean.DieAnzahlderBiogasanlagenbundesweitin2006betruginetwa2700,was einem Wachstum zum Vorjahr um 70% entspricht. (Fachverband Biogas e.V., 2006) Folgende Tabelle stelltdenrasantenAnstiegderAnlagenvon1999bis2007graphischdar:
Abbildung1:EntwicklungderBiogasanlagenzahl
(Quellen:Bundesumweltministerium(2007),FachverbandBiogase.V.(2008);erstelltdurchFNR)
WährendimJahr2006dieAnzahlneugebauterBGAnochca.800betrug,warenes2007nurnoch211 neue Anlagen bundesweit. Das Ende des BiogasBooms scheint erreicht, wie folgende Grafik verdeut licht:(FinancialTimes,2008)
(Quelle:FinancialTimes,2008)
IndustriellproduziertesBiogas,daszumgrößtenTeilausMethanundKohlenstoffdioxidbesteht,wirdin einem biotechnologischen Prozess, der anaeroben Fermentation, gewonnen. Hierzu werden unter an derem Energiepflanzen benötigt, die als Kohlenstoffquelle für die Mikroorganismen dienen und somit GrundlagefürdieGärungunddasdarausentstehendeGassind.DurchdieZunahmederProduktionska pazitäten und die immer noch sehr große Anzahl an BGA (im Jahr 2008 ca. 4000 in Deutschland laut jouleonline.de) ist auch der Bedarf an Substraten sehr hoch. Dieser Bedarf wird größtenteils durch Energiepflanzengedeckt,woraussichdaswachsendeInteressederLandwirtschaftamEnergiepflanzen anbauerklärt.AlsSpitzenreiterhatsichbeihofeigenen,sowienichthofeigenenAnlagenMaisalsEner giepflanze hervorgetan. Dies beruht auf den guten Eigenschaften, wie hohe Trockensubstanzen und Energieerträge,sowiedengeringenStandortansprüchenunddergrundsätzlichenSelbstverträglichkeitin derFruchtfolgederPflanze.[2] WegendererhöhtenAnbaukonzentrationvonMaisunddendamiteinhergehendenNachteilen,müssen langfristigaberauchAlternativenbzw.ErgänzungenzumMaisgefundenwerden,umz.B.dieFruchtfolge zuerweiternunddenSchädlingsdruckzumindern.AuchEinsparungenbeidenProduktionsmittelnste henfürBiogasUnternehmenimVordergrund.EineweitereEnergiepflanzekönntehierAbhilfeschaffen: die Sorghumhirse. Durch ein ebenfalls sehr hohes Ertragspotential und fast identische Anbau, Ernte, undKonservierungsverfahrenerscheintdieSorghumhirsealsvielversprechendesSubstratfürdieVergä runginBGA.ZusätzlichsindSorghumhirsentrockentolerant,wassereffizientundspätsaatverträglich.[4] ObdieErwartungenanSorghumhirsenerfülltwerdenkönnenundwelcheSortensichbesonderseignen, wirdseitmehrerenJahreninLandessortenversuchengetestet.AuchderweltweitgrößteBiogasparkbe treiber,dieNAWAROAGinLeipzig,beteiligtesichimletztenJahranderSuchenachgeeignetenSorg humSortenfürihreBGA.
Im Jahr 2008 wurden in Zusammenarbeit mit der Landesforschungsanstalt für Landwirtschaft und Fi scherei MecklenburgVorpommern 3 Versuchsstandorte bestimmt, auf denen je ein Sorghum Sortenversuchmit32Versuchsparzellenangelegtwurde.
Ziel des Versuches sollte es im Rahmen der vorliegenden Bachelorarbeit sein, sorten und standortab hängig aussagekräftige Ergebnisse hinsichtlich der Erträge, der Siliereigenschaften und Methanausbeu tenaufzuzeigen.SosolltenVorundNachteilederSorghumhirsenzumaltbewährtenSubstratMaissilage ersichtlich werden. Auch auf die Kosten zur Substratbereitstellung von Sorghumhirse und Mais soll in dieserBachelorarbeiteingegangenwerden.ZieldesVersuchesunddieserwissenschaftlichenArbeitist es,alldieseAspektezubeleuchtenunddieAnbauwürdigkeitvonSorghumhirsenalsBiogassubstratezu beurteilen.
(Quelle:nawaro.ag)
(Quelle:wildbolz.at)
Abbildung 3: Mais
2.
Literaturteil
2.1. Biogas
ÜberalldortwoorganischesMaterialanaerobinAnwesenheitvongenügendFeuchtigkeitundgeeigne tenTemperaturundLichtverhältnissenabgebautwird,entstehtdassogenannteBiogas.WiederName schon vermuten lässt, liegt diesem Phänomen ein biologischer Prozess zugrunde. Das Biogas lässt sich lautFachagenturNachwachsendeRohstoffee.V.in4Kategorieneinteilen: 1. FauloderSumpfgas(unkontrollierteEntstehungbeiWiederkäuern,inGewässernoder ausMist) 2. Klärgas(ausKläranlagen) 3. Deponiegas(ausDeponien) 4. „Biogas“(inspeziellenAnlagenaushauptsächlichpflanzlichemMaterial)
Wenn es im Folgenden nun um Biogas geht, so ist hiermit industrielles und kontrolliert produziertes, energiereiches Gas nach Punkt 4. gemeint. Neben Wind und Solarenergie ist Biomasse (aus der u.a. auchBiogasentsteht)schonseitlängeremeinerderbedeutendstenEnergieträgerinDeutschland. JehöherderLebensstandardeinesLandes,destohöheristauchseinEnergiebedarf.Seitdem19.Jahr hundertwirddieserimmernochstetig steigendeBedarfvonden3fossilenEnergieträgern schlechthin gedeckt:Erdöl,KohleundErdgas.DajedochdieEndlichkeitdieseEnergienabzusehenistunddieBedro hung des Klimas und der Umwelt immer stärkere Ausmaße annimmt, müssen letztendlich alternative Energiequellen geschaffen werden. Zu diesen gehört auch die Gewinnung von Strom und Wärme aus Biomasse.
DerdeutscheBundesstagstellteschon1990fest,dass„dieBedrohungderUmweltunddesWeltklimas es notwendig machten, die Entwicklung, Erprobung und Anwendung von umweltfreundlichen Energie technologien(…)voranzutreiben“undsetztebereits1991denerstenGrundsteinmitderEinführungdes Stromeinspeisungsgesetzes.[14] Esregelt dieVergütungundgesicherteAbnahmevonStrom,deraus erneuerbaren Energien stammt. Seit dem hat es immer wieder neue Regelungen gegeben um die Er zeugungvonregenerativenEnergienattraktivzumachen.DaswichtigsteInstrumentbeidiesemVorha benistdasErneuerbareEnergienGesetz,dasserstmalsimApril2000inKrafttratundimJuli2004no velliertwurde.MitdieserNovellewurdenu.a.dieBedingungenfürdenAbsatzdesStroms,derausEr neuerbaren Energien (z.B. aus Biogas) gewonnen wird, verbessert, wodurch sich der bereits erwähnte Boomerklärt.
Die Bundesregierung machte somit die Errichtung und den Betreib einer BGA ökonomisch interessant undverfolgtegleichzeitigIhrZieleinesnachhaltigerenEnergiesektorsinDeutschland.Bis2010sollder AnteilanregenerativenEnergienamGesamtenergiesektor12,5%betragen,bis2020sogarmindestens 20%.HierzuhatsichdiedeutscheBundesregierungbeiderEuropäischenUnionverpflichtet.[20]
Die Energieerzeugung aus Biomasse kann hierbei, neben Wind und Solarenergie, einen wesentlichen Beitragleisten.
2.1.1. GrundlagenderanaerobenFermentation
DieanaerobeFermentationisteinbiotechnologischerProzess,dersichaus4Teilprozessenzusammen setzt: Hydrolyse, Acidogenese (Versäuerung), Acetogenese (Essigsäurebildung) und Methanogenese (Methanbildung).
Abbildung5:Methangärungschematisch
(Quelle:FachagenturNachwachsendeRohstoffee.V.,Biogas–eineEinführung)
IndererstenPhase,derHydrolyse,werdenkomplexePolymerewieKohlenhydrate,ProteineundLipide in einfache organische Bausteine, wie Zucker, Aminosäuren und Fettsäuren gespalten. Diese Spaltung erfolgtdurchdieEnzymederanderGärungbeteiligtenMikroorganismen(imFolgendenMO).Voraus setzungenfürdiesen,alsauchfürdieanderenTeilprozessesindSauerstoffabschlussundfreieWasser verfügbarkeit,sowieeinefürdieMikroorganismenoptimaleTemperaturundeinoptimalerpHWert. Die bei der Hydrolyse entstandenen Zwischenprodukte werden dann in der Acidogenese „versäuert“, alsozuEssigsäure,anderenniederenFettsäuren,wiePropionundButtersäure,sowiezuKohlendioxid,
Wasserstoff und Alkohol abgebaut. Dies geschieht durch säurebildende Bakterien, deshalb wird diese PhaseumgangssprachlichauchalsVersäuerungsphasebezeichnet.InderAcetogenesewerdendiePro dukte der Acidogenese weiter abgebaut, so dass nur noch Essigsäure und Kohlendioxid vorliegen, in geringenMengenauchWasserstoff.Diese3ProduktekannmanalsVorproduktedesBiogasesbezeich nen.DiePhasewirdauchalsEssigsäurebildungbeschrieben.In derMethanogeneseentstehtdannaus demKohlendioxidunddemWasserstoffMethanundWasser,dieEssigsäurewirdinMethanundKoh lendioxidumgewandelt.(Vgl.[1]S.25)
DasentstandeneBiogasbestehtabernichtnurausMethan,KohlendioxidundWasser,sondernweiter hin aus folgenden Komponenten: Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Ammoniak und Schwefelwassers toff. Tabelle1:ZusammensetzungBiogas Komponente Schwankungsbreite Durchschnitt Methan 45– 70% 60% Kohlendioxid 25– 55% 35% Wasserdampf 0– 10% 3,1% Stickstoff 0,01– 5% 1% Sauerstoff 0,01– 2% 0,3% Wasserstoff 0– 1% <1% Ammoniak 0,01– 2,5mg/m³ 0,7mg/m³ Schwefelwasserstoff 10– 30.000mg/m³ 500mg/m³ (Quelle:[15])
Eine wichtige Milieubedingung des Prozesses ist der Sauerstoffabschluss, da die Methanbakterien nur ohne Sauerstoff ihren Stoffwechsel optimal betreiben können. Geringe Sauerstoffeinträge (die z.T. un vermeidbar sind, zum Beispiel um Schwefelwasserstoff zu neutralisieren) führen jedoch nicht zwang släufigzuSchäden,dadieMethanbakterieninSymbiosemitanderenfakultativanaerobenMOdesPro zessesleben,diedenSauerstoffverbrauchen,eheerdieMethanbakterienhemmt.DeroptimaleTem peraturbereichliegtfürdiemeistenMethanbakterienzwischen32und42°C.
EbenfallsbeimpHWertgibtesUnterschiedeinnerhalbdesProzesses.DieBakterienderHydrolyseund Acidogenese haben ihr pHOptimum bei pH 4,56,3.Dagegen brauchen die Bakterien der Acetogenese undMethanogeneseoptimalepHWertezwischen6,87,5.Diehydrolysierendenundessigsäurebilden denBakteriensindallerdingstoleranter,undarbeitenauchnochbeineutralenMilieubedingungen.Des
halb sollte der pHWert in einem einstufigen Prozess den Anforderungen der Methanbildenden ange passtwerden.DurchsaureundalkalischeStoffwechselproduktestelltsichderpHWertjedochimLaufe desProzessesselbsteinundistsomitaucheinguterKontrollParameterfürdieFermenterStabilität. BeiderNährstoffversorgungderMikroorganismensolltemöglichsteinKohlenstoff/StickstoffVerhältnis (im Folgenden C/N – Verhältnis) von 10 bis 30 und ein C:N:P:S – Verhältnis (Verhältnis Kohlens toff/Stickstoff/Phosphor/Schwefel)von600:15:5:1eingehaltenwerden.ZudemmussimProzessausrei chend freies Wasser für die MO vorhanden sein, da diese nur in flüssigen Medien überleben können (optimalerawWert:0,61)undessolltenkeineHemmstoffe,wieSchwermetalle,SchwefeloderAmmo niak(abgewissenKonzentrationen)imProzessentstehenoderenthaltensein(Vgl.[1]S.2628).
2.1.2. VerwendungsmöglichkeitenundAufbereitung
GrundsätzlichgibteszweiWegemitdemgewonnenenBiogaszuverfahren:dieAufbereitungmitoder ohne COAbtrennung. Zur Erzeugung von Strom und Wärme ist diese Abtrennung nicht erforderlich, dasGaswirdverbranntoderineinemBHKWodereinerBrennstoffzelleinStromundWärmeumgewan delt.ZurErzeugungvonTreibstoffundHeizgasistvorhereineAbtrennungdesCOnotwendig,umdas Gaskomprimierenzukönnen.FolgendeAbb.verdeutlichtdiegrundlegendentheoretischenZusammen hänge.(Vgl.[11]S.78) Abbildung6:NutzungsvariantenundAufbereitungsschrittevonBiogas (Quelle:[11],verändert)
2.1.3. BiogasgewinnungNAWAROAG
BeiderAnlagentechnikvonBiogasanlagenistgrundsätzlichzwischenTrockenundNassfermentationzu unterscheiden. Die Trockenfermentation ist ein Verfahren zur Vergärung bei dem der Fermenterinhalt einen Trockenmassegehalt von 2040 % aufweist. Das zu vergärende Material ist also von stichfester Konsistenzundwederpumpnochfließfähig(Vgl.[1]S.26).BeiNassvergärungsverfahrenkommenaus schließlichpumpfähigeSubstratezumEinsatz,diemeisteineMischungausEnergiepflanzen,Flüssigdün ger,GärrestoderProzesswassersind.DerTrockensubstanzgehaltdesMischsubstrateskannbiszu15% betragen. Bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen, wie auch bei industriellen BGA kommt meist das Nassvergärungsverfahren mit stehenden, volldurchmischten Fermentern zum Einsatz, während es sich in der Praxis bei Anlagen zur Trockenvergärung oft noch um Pilotanlagen handelt (Vgl. [1] S. 39). Seit Anfang2009hatauchdieNAWAROAGihrenerstenBioEnergiePark„Klarsee“aufTrockenfermentation umgestellt. Es werden nun ausschließlich Maissilage und Getreideganzpflanzensilage in die Fermenter gefüttert.AusdensiliertenRohstoffenentstehtdasBiogas,welchesimBHKWverbranntwird,umStrom zu erzeugen. Die anfallende Wärme wird genutzt um im hofeigenen Düngemittelwerk die Gärreste zu trocknenundinPelletszupressen.FolgendeAbbildungzeigtdenProzess:
Abbildung7:NAWAROProzess
(Quelle:nawaro.ag)
Im Energiepark Güstrow sollen es ab Inbetriebnahme im Frühjahr 2009 jährlich 380.000 t Maissilage, 1000tGetreide,60.000tGetreideGanzpflanzensilageund8000tGrassilagesein.Dashierentstehende
Biogaswird,andersalsinderPilotanlage„Klarsee“,aufErdgasqualitätaufbereitetundalsBiomethanins ErdgasnetzeingespeistoderalsKraftstoffeingesetzt.
2.2. Substrate
Grundsätzlich lassen sich zur Biogaserzeugung alle organischen Substrate verwenden, mit dem Unter schied dass Lipide, Proteine und Kohlenhydrate unterschiedliche Energieerträge liefern. Den höchsten Methangehalt im Biogas erzielt die Stoffgruppe der Proteine mit ca. 7075 %. Ebenfalls Lipide liefern BiogasvonhoherQualitätmiteinemMethangehaltvonca.6873%.Kohlenhydratelieferndagegennur 5055%MethanimGas(Vgl.[1]S.30).BeidenStoffgruppenhandeltessichhierallerdingsumdiever daulichenAnteile(Rohprotein,RohfettundRohfaser)–inhölzernenMaterialenenthaltenesLigninzum Beispiel ist durch die meisten MO nicht oder nur schwer verwertbar. Im Hinblick auf die Eignung von Substratenistdaraufzuachten,dassnurausderTrockenmasseunddortwiederumnurausdemorgani schenAnteil(oTS)BiogasundletztendlichMethanentstehenkann.DeshalbistderAnteilanoTSbezo genaufdieMasseeinerstesKriteriumfürdieSubstratauswahlvonBGA. 2.2.1. NachwachsendeRohstoffe LautdesGesetzeszurNeuregelungdesRechtsderErneuerbarenEnergienimStrombereich2008(EEG) sindnachwachsendeRohstoffeimSinnedes§27Absatz4Nr.2PflanzenoderPflanzenbestandteile,die inlandwirtschaftlichen,forstwirtschaftlichenodergartenbaulichenBetriebenoderimRahmenderLand schaftspflegeanfallenunddiekeinerweiterenalsderzurErnte,KonservierungoderNutzunginBiomas seanlagenerfolgtenAufbereitungoderVeränderungunterzogenwurden.AlsnachwachsendeRohstoffe gelten also u.a. der Auswuchs von Wiesen und Weiden, Ackerfutterpflanzen, Knollen und Rüben, aber auchKotundHarneinschließlichEinstreuvonNutztierenundPferden(Vgl.[20],Positivliste).Demzufol gefälltderNawaRoBonusfürWirtschaftsdüngerebensowiefürspeziellangebautepflanzlicheRohstof fean. 2.2.1.1. Wirtschaftsdünger InlandwirtschaftlichenBGAdienenhäufigüberwiegendtierischeExkrementealsGrundsubstrat.Flüssi geWirtschaftsdüngerlassensichaufgrundihrerrelativniedrigenTSGehalte(Gülle:711%laut[1]S.86) gutmitanderenSubstratenkombinieren.Güllegiltoftals„BasisSubstrat“umeinestabileFermentation zugewährleisten,dasiedieMOmitNährstoffenundSpurenelementenversorgt.ZusätzlichwirktGülle durch einen pH Wert von 78 als Puffer beim Absinken des pHWertes (z.B. durch Versäuerung bei zu viel eingesetztem Getreideschrot) im Fermenter. Da fester Wirtschaftsdünger einen relativ hohen TS Gehalt(2032%laut[1]S.86)aufweist,mussdiesermeistmitpumpfähigenSubstraten,z.B.Schlempen,
verdünntwerden.DieBiogaserträgeprotSubstratsindbeiFestmistdeutlichhöheralsbeiGülle;bezieht mandenErtragjedochaufdenoTS,soergebensichkeinegroßenAbweichungenmehr.Ebensounter scheidet sich der Methangehalt des Biogases aus verschiedenen Wirtschaftsdüngern nicht wesentlich voneinanderundliegtlaut[1]beidurchschnittlich60Vol.%.
WährendfrüherfastausschließlichGülleundMistvonRindern,SchweinenoderHühnerninhofeigenen Anlagen verwendet wurden, werden heutzutage zunehmend andere Biomassen beigemischt, zum Bei spieleigensangebauteEnergiepflanzen.
2.2.1.2. Energiepflanzen
Besonders große, industrielle BGA haben, anders als hofeigene BGA, keine Nutztiere, deren Kot und HarnohneKostenanfallen.HierherrschtalsoeinBedarfnachandererBiomasse,diedengewünschten Energieertrag bringt. Die für den energetischen Einsatz angebauten Pflanzen, werden auch Energie pflanzen genannt. Als besonders geeignet hat sich Maissilage als Biogassubstrat hervorgetan. Andere Energiepflanzen,dieebenfallshoheTSundoTSSubstanzenproMasse,undsomithochwertigesBiogas liefern,sindz.B.:Grassilage,GetreideGanzpflanzensilage,Sudangras,FutterrübenundZuckerhirse. DieBiogasundMethanausbeutensindsubstratspezifisch,wiefolgendeAbbildungverdeutlicht: Abbildung8:BiogaserträgeundMethanausbeuten (Quelle:[16]) AnbauzieleallerEnergiepflanzensindvorrangighoheBiogaserträgeundguteMethanausbeuten.Maissi lage liefert laut der Grafik durchschnittlich 202 m³ Biogas pro Tonne Frischmasse, während es bei Su
dangras128m³undbeiZuckerhirsenurnoch102m³Biogassind.AndersverhältessichinderTheorie bei den Methanausbeuten – Zuckerhirse liefert 54 % und Sudangras sogar 55 % Methan im Gas, wäh rend es bei Maissilage 52 % sind. Wie und ob sich diese Werte im praktischen Versuch widerspiegeln, sollspäterimVersuchsteilausführlichbeschriebenwerden.WeitereZiele,diebeimEnergiepflanzenan bauangestrebtwerdensindeineguteSilierbarkeitundeineschnelleundweitestgehendeVergärungder PflanzenimFermenter. 2.2.2. Substratbehandlung DasHandlingvonWirtschaftsdüngernistrelativunproblematisch,dadiesebeikleinenHofanlagendirekt derBGAzugeführtwerdenkönnen.AufwändefürAnbau,Ernte,KonservierungundLagerungentfallen. Eine Hygienisierung ist nur bei Gemeinschaftsanlagen und großen Industrieanlagen, wie der NAWARO AG, notwendig. Bei Energiepflanzen dagegen sind Hygienisierungen nicht erforderlich, jedoch fallen KostenundAufwändeu.a.fürdieLagerungundKonservierungan.DieLagerungerfolgtrelativunprob lematisch in abgedeckten Silos und nach Abschluss der Silierphase kann die Silage direkt in der BGA verwendet werden. Die Silierung von zum Beispiel Mais oder Sorghumhirsen beginnt meist schon bei derErnte:währenddieEnergiepflanzengehäckseltwerden,wirdSiliermitteluntergemischt.Eshandelt sich meist um Ameisensäure, die den pHWert zur Schaffung eines MOunfreundlichen Klimas absenkt und somit deren unkontrollierte Vermehrung verhindert. Dadurch wird die Silage nicht schon im Silo weitgehenddurchMOumgesetztunddiemeisteEnergiebleibterhalten.
2.2.2.1. Siliertechnik
DieAnforderungenandieSiliertechniksindimLaufederZeitstarkgestiegen.ZielderSilierungistes,auf demWegvomFeldbisindieBGAmöglichstwenigEnergiezuverlieren,dadiesEinflussaufdieGesamt wirtschaftlichkeit der Anlage haben kann. Die verfahrenstechnisch unvermeidbaren Verluste liegen bei 617%,wohingegendievermeidbarenVerlustedurchFehlerbeimSiliermanagementbis37%betragen können. Die Hauptziele bei der Lagerung und Konservierung sind es, eine möglichst große Oberfläche (durchHäckseln)zuschaffen,umeinehoheAbbaubarkeitzugewährleisten.FernersolltedieBiomasse gutverdichtetsein,zumeinenumTransportkostenzusparen,zumanderenumeineNacherwärmungim Silozuverhindern.EinweiteresZielderVerdichtungistes,dasEindringenvonSauerstoffzuverhindern (z.B. beim Anschnitt), da sonst mikrobiologische Prozesse ablaufen würden, die Energie zehren. Der StoffwechselvonGärschädlingen(Fäulnisbakterien,Schimmelpilze,Hefen)sollalsounterdrücktwerden, um so viel Energie wie möglich in der Biomasse zu halten, bis sie im Fermenter kontrolliert vergären kann.NichtzuletztwillmandieBildungvonHemmstoffen(StoffwechselproduktederMO)verhindern, umdieempfindlicheBiologieimFermenternichtnegativzubeeinflussen.WeiterhinkannesbeiSilagen mindererQualitätzuSchaumproblemenimFermenterkommen.Untersuchungenzeigten,dasssichdie
GasausbeutenbeiverdorbenenSilagenum3050%verringernkönnen.Ursachenhierfürsindvorallem dieschonerwähntenEnergieverlustedurchvorzeitiges„Veratmen“derBiomasseundzumanderendie HemmungdesProzessesdurchunerwünschteingebrachteMykotoxine.DesWeiterensindverdorbene SilagenaufDaueraucheingesundheitlichesProblemfürdenAnlagenbetreiber.Abschließendlässtsich sagen,dasssichalldieseParameterzurVerbesserungderSiliertechnikundsomitderWirtschaftlichkeit untereinanderbeeinflussen,sodassEinzelmaßnahmenalleinmeistnichtausreichen(Vgl.[12]). 2.2.2.2. Siliermittel
Siliermittel sind Hilfsmittel, um unerwünschte Gärprozesse im Silo zu verhindern. Für Biogaspflanzen gibt es, anders als für Pflanzen zur Nutztierfütterung, erst wenige dieser Mittel auf dem Markt. Unter günstigen Bedingungen reichen eine luftdichte Abdeckung und eine gute Verdichtung aus, um den ae robenAbbauderBiomassezuverhindern.DurchdiedanneinsetzendeMilchsäuregärung wirdderpH Wertsoweitgesenkt,dassVerderbniserregergehemmtwerden.ReichtdienatürlicheSäurejedochnicht aus,soistderEinsatzvonSiliermittelnerforderlich,umeineguteSilagequalitätzuerzielen.Luzernezum Beispielistrelativschwersilierbar,dasiewenigleichtverdaulicheZuckerundzusätzlichnochProteine alspufferndeSubstanzenenthält,diediepHAbsenkungerschweren.Grassilagedagegenweistgünstige Zucker und Proteingehalte auf, verfügt aber über wenig Nitrat, was der Fermenterbiologie zuträglich wäre,aberbeiderSilierungnichtunbedingtvonVorteilist,daNitratinKombinationmiteinemsauren pHWert hilft Clostridien (BiogasBakterien) zu hemmen. Mais und Sorghumhirsen haben viele leicht vergärbare Zucker und wenig Proteine, wodurch sie ausgezeichnete Voraussetzungen zur Silierung lie fern. Nach Anbruch des Silos kann es jedoch zu aeroben Nachvergärungen und zur Nacherwärmung kommen.BeiderNachvergärungwerdengenaudieStoffeverbraucht,diefürdenBiogasprozessbenö tigtwerden,nämlichleichtverfügbareKHundorganischeSäuren.DeshalbistderEinsatzeinesSiliermit telsauchbeiMaisundSorghumhirsenzuempfehlen,besonderswenndieBGAunddasSilonichtanein unddemselbenOrtsind(Vgl.[12]). 2.2.3. Substratbereitstellungskosten InBGAdiemitEnergiepflanzenbetriebenwerden,stellendieSubstratkosteneinenwesentlichenAnteil an den Gesamtkosten dar. Aufgrund des hohen Wassergehaltes vieler Substrate, ist der Bedarf nach ebendiesensehrhoch.UmdiesenhohenBedarfzudecken,abergleichzeitignochökonomischzuwirt schaften,istdieBetrachtungderBereitstellungskostenvonausgewähltenSubstratenvongroßerBedeu tung [32]. Die Bereitstellungskosten, die maximal aufgewendet werden dürfen, lassen sich auf folgen demWegeerrechnen:manziehtvondenErträgenausderVerwertungeinesSubstratesinderBiogasan lage die Kosten der Biogaserzeugung, der Verstromung und der Ausbringung des Gärrestes ab und es bleibt der Betrag über, den man für die Bereitstellung des Substrates maximal aufwenden kann. Aus
diesemBetragmüssensichnundieKostenderBeschaffung(bzw.ProduktionbeieigenerBereitstellung), derErnte,LagerungundKonservierung,sowiederEntnahmeunddesTransporteszurBGAdeckenlas sen.DerSubstrateinsatzistdannsinnvoll,wenndieErträgeausderVerwertungdieKostenderVerwer tungundBereitstellungübersteigen[33].
Will man nun die Bereitstellungskosten (im Folgenden BSK) eines Substrates berechnen, benötigt man diegesamtenKostenfürAnbau,Ernte,Transport,Einlagerung,Lagerung,AuslagerungundVorlageder Silage an der BGA, sowie die Flächenkosten und Gemeinkosten. Einfach ausgedrückt sind die BSK laut [11] = variable + fixe Kosten in €/ha. Die spezifischen Bereitstellungskosten setzen sich ebenfalls aus variablen und fixen Kosten zusammen, beziehen sich aber auf den Eurobetrag pro Tonne Frischmasse. FürMaisgibt[11]einenWertvon42€/tFMundfürHirseeinenWertvon32€/tFMan.DieUnterschie delassensichaufdieverschiedenenErträgezurückführen,wiefolgendeTabellezeigt:
Tabelle2:Erträge
SubstratintFM/ha Ertragniedrig Ertragmittel Ertraghoch
Mais 40 50 60
Zuckerhirse 50 68 86
(Quelle:[11],verändert)
Wie jedoch schon in Kapitel 2.2.1.2. erwähnt, lässt sich aus Zuckerhirse insgesamt weniger Gas gewin nenalsausMais,dieMethanerträgesindaberfastidentisch.
DieSubstratbereitstellungskostensindalsoimWesentlichenvonvielenverschiedenenFaktorenabhän gig. Eine theoretische Zusammenstellung dieser Faktoren zeigt folgendes Berechnungsbeispiel der LFA Gülzow:
Abbildung9:BerechnungsbeispielSubstratbereitstellungskosten (Quelle:[9])
2.3. Mais
Mais (Zea mays L.) ist ein einjähriges Getreide der Familie der Gräser (Poaceae/Gramnieae). Mais hat einenmarkigen,bis4cmdickenund14mhohenStängel,andemzweizeiligdieüber4cmbreitenlan genBlättersitzen.DietiefindieErdereichendenWurzelnbildenzusätzlichStelzwurzelnausdenersten oberirdischenHalmknoten.MaisisteineeinhäusigeKulturpflanzemitendständigenmännlichenRispen undweiblichenKolbenandenBlattachseln.NachderFremdbefruchtungentwickelnsichindenKolben sortenabhängig818Kornreihenmitje2550Körnern(Vgl.[21],S.16).
2.3.1. Herkunft,VerbreitungundProduktion
Mais zählt zu den ältesten Kulturpflanzen der Erde und wurde schon von den Indios kultiviert. Im 16. Jahrhundert wurde er durch die Spanier nach Europa gebracht und wird heute weltweit angebaut. Er steht weltweit an 3.Stelle aller angebauten Getreidearten, ist in vielen Ländern Grundnahrungsmittel undinEuropaundNordamerikaeinwichtigesViehfutter,daesdurchSilierungaufVorrathaltbarist.Es gibtca.50.000SortenderC4Pflanze.Maisenthält71%StärkeimKorn,davon28%Amyloseund72% AmylopektinundallgemeinwenigerProteinealsdiemeistenanderenGetreide(Vgl.[21],S.16).Wäh rend in den Entwicklungsländern Mais noch größtenteils als Nahrungsmittel verwendet wird, liegt die BedeutungindenIndustrieländernaufderVerwendungalsNutztierfutterundseitjüngererZeitauchals Biomasse für BGA. Laut FAO (Ernährungs und Landwirtschaftsorganisation) wurden 2007 weltweit 784,8 Mio. t Mais geerntet. Die größten Maisproduzenten sind u.a. die USA, China und Brasilien. Da Mais ein Sommergetreide ist, erfolgt die Aussaat Mitte April bis Anfang Mai, die Keimtemperatur be trägt79°C.GeerntetwirdderMaisinDeutschlandjenachArtundVerwendungszweckEndeSeptember bisAnfangNovember.ZudenMaiskrankheitengehörenu.a.Keimlings,Wurzel,Stängel,undKolben fäule, sowie Maisbeulenbrand und Maisrost. Als Schädlinge gelten u.a. Ackerschnecken, Maiszünsler undMaiswurzelbohrer(Vgl.[2],S.99).
GrundsätzlichsolltenbeimAnbauvonEnergiemaisSortengewähltwerden,dieweniganfälligsind(z.B. gegen Maisbeulenbrand, Stängelfäule usw.) und eine gute Standfestigkeit haben. Die Sorten sollten weiterhineherspätereundhöherwüchsigeseinundeineguteMasseleistunghaben,sowieeineTSvon 30%sichererreichen(Vgl.[11],S.46).
2.3.2. Standortansprüche
Boden
Mais hat grundsätzlich geringe Bodenansprüche – bevorzugt sind mittlere bis schwere Böden. Die Bo denstrukturistvongrößererBedeutungalsdieBodenart,sosolltendieBödennichtverkrustenundsich imFrühjahrleichterwärmen(Vgl.[2],S.95).
Temperatur
LautKTBLbrauchtMaiszurKeimungeineTemperaturvon810°C.ZumAuflaufenwerdentemperatur abhängig635TagebenötigtundeineWassersättigungdesBodensvon4080%.DieFrostverträglichkeit in der Jugendentwicklung beträgt bis zu 4°C. Dagegen ist im Herbst die Frostempfindlichkeit vom TS Gehaltabhängig–jehöherdieTS,destohöheristauchdieToleranzgegenFrost(Vgl.[2],S.95).
Niederschlag
DasMindestmaßanNiederschlagzwischenMaiundSeptemberliegtbei250mminsgesamt.Eskommt jedochaufdieVerteilungan:5080mmsindimMai/Juninötigund100150mmvomRispenschiebenbis ca.2WochennachderBlüteimJuli/August.HerrschtbeiderBlüteTrockenheit,sovermindertdasdie Kornbildung. Nach der Blüte ist der Niederschlag von geringerer Bedeutung und muss nur noch 6080 mmbetragen.DagegengewinnenSonnenscheindauerundrelativeLuftfeuchteanBedeutung,dadiese ParameterausschlaggebendfürdieAssimilationsind(Vgl.[2],S.95).
2.3.3. Entwicklung
Zur einheitlichen Codierung der phänologischen Entwicklungsstadien von Pflanzen wurde der BBCH Codeeingeführt.DieAbkürzungBBCHstehtoffiziellfürdieBiologischeBundesanstalt,Bundessortenamt undChemischeIndustrie.DieBBCHCodeslautenwiefolgt: 0009Keimung 1019Blattentwicklung 2029Bestockung 3039Schossen 4049Ährenschwellen 5059Ährenschieben 6069Blüte 7079Fruchtentwicklung 8089Samenreife 9099Absterben Abbildung10:EntwicklungsstadienMais,Teil1/2
Abbildung11:EntwicklungsstadienMais,Teil2/2
(Quelle:[35])
2.3.4. Verwendungsmöglichkeiten
Eslassensich4ProduktionsrichtungenvonMaisunterscheiden:Körnermais,CCM,SilomaisundBiogas mais.DiesewerdenzuLebensmittelnbzw.Lebensmittelzutaten,alsFuttermittel,oderalsEnergiepflanze verwendet. Als Lebensmittelzutat wird aus dem Körnermais unter anderem das wertvolle Maiskeimöl gewonnen. Weiterhin werden aus dem Maismehl Backwaren und Knabber Produkte (Erdnussflipps) undausdenMaiskörneru.a.CornflakesundandereCerealienhergestellt.AusdemKörnermaislässtsich auch die Maisstärke gewinnen, sowie modifizierte Stärke und unzählige Produkte der Stärkeverzucke rung.
AlsFuttermittelfürdieNutztierhaltungdientderSilomais.HierbeiwirddiegesamtePflanzegehäckselt undeingelagert.DieserVerwendungszweignimmtmomentanmehrals2/3derWeltmaisernteein[34]. DieNutzung vonMaisals Energiepflanzeundnachwachsenden RohstoffenumfasstdieVerwertungin BGAzurStromundWärmeerzeugungaberauchdieVerarbeitungzuBiokraftstoffen(Bioethanol).Wei terhin lässt sich aus Maisstärke „essbares Geschirr“ herstellen, welches jedoch hitzeempfindlich ist. MaisspindelgranulatfindetAnwendungalsÖlbindemittelundKleintierstreuunddiegesamteMaispflan zewirdalskompostierbaresFüllmaterialverwendet[34].
2.3.5. Bestandesführung
Für die Verwendung von Mais in BGA bieten sich allgemein höher wüchsige, spätere Sorten mit guter Standfestigkeit,hoherMasseleistungundeinemsicherenErreichenderTSvon30%an(Vgl.[2]S.96).
BodenbearbeitungundAussaat
Eine gleichmäßige und günstige Bodenstruktur ist für Mais von großer Bedeutung. Zum einen für eine gute Durchwurzelbarkeit und zum anderen eine dadurch bedingte gute Wasser und Nährstoffversor gung.BeischwerenBödensollteimHerbstgefurchtwerden,beileichten,sandigenBödenistdieFrüh jahrsfurchesinnvoll.SowerdenorganischeRestederVorfruchtbesserindenBodeneingearbeitetund die Gehaltsstufe des Bodens wird besser. Wird der Boden konservierend bearbeitet, so sollte eine 68 cmtiefeDurchmischungerfolgen,dadieverbleibendeMulchschichtWindundWassererosiongutvor beugt.AbBodentemperaturenvon10°Ckann dieAussaaterfolgen,derZeitraumvariiert vonStandort zuStandortzwischenMitteAprilundMitteMai.DieoptimaleTiefederKornablageistin46cmunter demBodenerreicht.FürSilomaissinddiemaximalenBestandesdichten711Pflanzen/m².
Düngung
Der Düngebedarf von Energiepflanzen wie Mais ist grundsätzlich abhängig von der Gehaltsstufe des Bodens(GehaltsstufenA–E,wobeiBödenmitderGehaltsklasseEdiemeistenNährstoffebesitzen).Der Hauptnährstoffbedarf von Mais liegt in dem Zeitraum Ende Juni bis Mitte August. Es müssen bei der NährstoffbilanzjedochimmerabtransportierteundaufdemFeldverbliebeneNährstoffemiteinbezogen werden.SobleibenbeiSilomais22,5tTS/haaufdemFeldzurück.BeiKörnermais/CCMsindessogar5 7tTS/ha(Vgl.[2]S.96).DiedurchschnittlichenNährstoffentzügefürSilomaisstelltfolgendeTabelledar: Tabelle3:Silomais Phosphor Kalium Stickstoff Entzuginkg/t 0,71,1 2,94,2 34 (Quelle:[2]S.97verändert)
Die Düngung mit organischen Stoffen (Gülle, Gärrest) sollte 24 Wochen vor der Saat erfolgen, wobei derAnteilannichtverrottetemStrohmöglichstgeringausfallensollte.Esistwichtig,dassbeiunzurei chender Gehaltsstufe des Bodens der organischen Düngung eine Grunddüngung mit Kalium, Phosphor undMagnesiumvorausgeht.AlsStartmengeanStickstoffbenötigendieMaisJungpflanzeneineMenge von30kg/ha.ZwischenzeitlichsolltederBodenaufseinenNGehaltuntersuchtundbeiUnterschreiten derNMinWertenachgedüngtwerden.DerHauptbedarfanStickstoffwirderforderlich,wenndasMas sewachstum beginnt. Deshalb ist eine Splittung der NGabe (z.B. zur Aussaat und zu Bestandsschluss) sinnvoll.DieGabevonPhosphorverbessertdieKältetoleranzderJungpflanzen,währendeinMangelzu dunkelgrünen Blättern mit violetten Spitzen führt. Eine Grunddüngung mit Kalium ist wichtig für die BildungvonZuckerundStärkeimMaisundträgtauchzueinergutenStandfestigkeitbei.Maishatgene
relleinenhohenKaliumBedarf.EinMangelführtzuvergilbtenundabsterbendenBlätternundzugerin ger Standfestigkeit. Die Gabe von Magnesium ist wichtig, da Magnesium Teil des für die Fotosynthese wichtigen Chlorophylls ist. Der Bedarf ist aber nur gering und kann mit Gülle oder Gärresten gedeckt werden. Bei einem akuten Mangel kann zu Bittersalzen (Magnesiumsulfate MgSo4) gegriffen werden, diebeiBedarfaufdasFeldgebrachtwerden(Vgl.[2]S.9698).
Pflanzenschutz
VorzugsweisewirddiechemischeUnkrautbekämpfungeingesetzt,wobeisichdiebesteLangzeitwirkung auseinerKombinationvonBodenundBlattherbizidenerreichenlässt.ZurökologischenSchädlingsbe kämpfung eignen sich vorbeugende Maßnahmen z.B. eine weite Fruchtfolge, ausreichende Pflanzab ständeundauchHäckselnundUnterpflügendesStrohs.
ErnteundAufbereitung
DieErnteerfolgtmiteinemFeldhäckslerwennderMaiseineTSvon28–35%aufweist,sichalsoinder Teigreife befindet. Eine Unterschreitung der optimalen TS führt zu erhöhter Sickersaftbildung im Silo undsomitzuEnergieverlusten.EineÜberschreitungderTSdagegenbewirkt,dassMasseverlusteauftre tenunddieGasausbeuteebensodurchzunehmendeVerholzungnegativbeeinflusstwird.Dieoptimale HäcksellängefüreineguteSilierungsindca.46mm[2].DieErträgevonMaissindabhängigvonWitte rung,SorteundStandortundwerdenstarkdurchNiederschlagbeeinflusst: ErtragsniveauSilomais(TS35%) Niedrig: 3545tFM/ha Mittel: 4555tFM/ha Hoch: 5565tFM/ha
2.4. SorghumHirse
LautSeibel,Steller,1993werdenunterdemSammelnamenHirse(echteHirse)verschiedeneGetreidear tenzusammengefasst,diekleine,rundeKaryopsenohneLängsfurche(Millet)ausbilden.
Die Sorghumhirsen sind C4Gräser und eine Pflanzengattung der Familie der Süßgräser (Poaceae). Sie ähneln im Pflanzenbau dem Mais und erreichen Wuchshöhen von bis zu 5 m. Ihre mit Mark gefüllten HalmekönnenandenKnotenSeitentriebebilden.DieRispensind10bis60cmlangundtragenÄstchen mitjeweils2Ährchen,wobeidasobereeinezwittrigeunddasunterezweimännlicheBlütenbildet.Die KörnerderHirsesindrund,vonweißer,gelblicherbisroterFarbeundkönnen45mmdicksein. 2.4.1. Herkunft,VerbreitungundProduktion DiekleinkörnigeGetreidearthatIhrenUrsprungintropischenbissubtropischenGebietennaheÄquato rialAfrikas.DortwerdendieSorghumhirsenauchheutenochangebaut,nebengroßenAnbaugebieten wie Südamerika, Indien und China. In den Entwicklungsländern ist es bis heute das wichtigste Brotge treideunddientweiterhinalsFuttermittelfürNutztiere.
Abbildung12:Sorghumhirsen:UrsprungsundAnbaugebiete
(Quelle:[40])
Die Bedeutung der meisten Hirsearten liegt in der Anspruchslosigkeit, der Toleranz gegen Trockenheit undderkurzenVegetationsdauer.HeutzutagenimmtSorghumhinterMaisden4.Platzderwichtigsten Körnerfrüchte weltweit ein. Die Getreideart gilt als anspruchslos, da sie selbst bei Dürre noch Körner ausbildet.
2.4.2. SorghumArten
Laut[22]gibtdergemeinsameSortenkatalogfürlandwirtschaftlichePflanzenartender EU einen Über blick über die Arten und Sortenvielfalt von Sorghumhirsen. Die zugelassenen Arten wurden in drei Gruppenunterteilt:
Sorghumbicolor(Zuckerhirse) Sorghumsudanese(Sudangras)
SorghumbicolorxSorghumSudaneseHybride
Insgesamt gibt es 20 – 30 Arten, von denen aber nur die 3 obengenannten landwirtschaftlich interes santerscheinen.DiebekanntenArtenlassensichauchinbestimmteTypenunterteilen:
ZuckerhirseTyp
Bei der Zuckerhirse (die zur Art Sorghum bicolor gehört) handelt es sich um einen Typ mit hohen Zu ckergehaltenimStängel,derjedocheherverringerteTSGehalteaufweist[4].Zuckerhirsewirdvorallem für die BiogasProduktion angebaut, deshalb sind die Anbauzielewie bei Mais hohe Erträge, ein hoher Energiegehalt in der Biomasse und eine gute Silierbarkeit [2]. Typische Sorten sind Super Sile 20 und Sucrosorgho.
FutterhirseTyp
FutterhirsekanneinodermehrschnittiggeerntetunddirektaufderWeideverfüttert,zuHeugetrock netoderimSilogelagertwerden.EinetypischeFutterhirseistdasSudangras(auch:Sorghumsudanese), das häufig aufgrund der guten Futtermitteleigenschaften zur Viehhaltung angebaut wird. Futterhirse kannsichunterschiedlichandieTageslängeanpassen(Langtag–Kurztag).WeiterhingibtesSortenmit reduziertemLigninAnteil,waseineguteVoraussetzungzurmikrobiellenVerwertunginz.B.BGAdar stellt[4].TypischebekannteSortenmitdenenschoneinigePraxiserfahrungenvorliegensindSusuund Lussi. FaserhirseTyp DieserHirseTypisthochwüchsigundhateinenhohenCelluloseAnteil.EinetypischeSorteistGoliath, dieeine enormeWuchshöhevon34merreicht[25].EineBesonderheitderFaserhirsenistes,dassie nachEndederTotreifenochalsBrennmaterialfürHolzverbrennungsanlagendienenkann[24].
Bei der Sortenwahl gibt es einige Kriterien, die für die Verwendung aller Sorghumhirsen in BGA zu be achten sind: es gilt, dass Sorten mit einer hohen Biomassewüchsigkeit, hohen Energie und Methaner trägensowieeinerschnellenundweitgehendenVergärunggewähltwerdensollten.
WeiterhinsindeineguteBlattgesundheitundeinehoheStandfestigkeitbeiderSortenwahlvonBedeu tung(Vgl.[2]S.141,131). EinenÜberblicküberdieindenVersuchenverwendetenSorghumartenundsortengibtfolgendeTabel le. Tabelle4:Sorghumartenundsorten Sorte ZuckerhirseTyp FutterhirseTyp FaserhirseTyp SuperSile20 x Goliath x Susu x Sucrosorgho506 x Lussi x Rona x (Quelle:eigeneErhebung) 2.4.3. Standortansprüche
Sorghum stellt keine besonderen Bodenansprüche, Staunässe ist allerdings zu vermeiden. Ebenso sind kalte Böden für den Anbau nicht geeignet und es sollte darauf geachtet werden, Böden zu wählen die gutdurchwurzelbarsind,sodasseingutesWurzelwachstumgewährleistetist.Optimalsindtiefgründige Lehmbzw.sandigeLehmbödeninmäßigfeuchtenLagen[26,27]. SorghumhatseinenUrsprunginAfrikaundistinvielentrockenen,warmenundgemäßigtenKlimagebie tenalsFutterundWeidepflanzenverbreitet.DemzufolgesindsiealsC4Pflanzenwärmeliebend.Fürdie KeimungsindBodentemperaturenvon1215°Cnötig.LautKTBLbeträgtdieMindestwärmesummezwi schenMaiundSeptember2500StdunddiemittlerebenötigteTagestemperatur16°C.Sorghumbestän desindwährenddergesamtenWachstumsphasetemperaturabhängig,daerstabTemperaturenvon15 16°CdieSubstanzproduktioneinsetzt.ExtremhoheTemperaturenvon35°Cführenzueinermaximalen Fotosyntheseleistung. Sorghum ist frostempfindlich – Temperaturen knapp über 0°C können junge Sorghumbeständeanhaltendschädigen[22].
Dagegen sind Sorghumhirsen wesentlich trockenresistenter als Mais. Die Pflanze kann bei Bedarf ihr WachstuminTrockenzeitenunterbrechenundbeiWasserverfügbarkeitdas Wachstumwiederaufneh men.EinAnbauinTrockenlagenistalsomöglich.
Sowohl Sorghum sudanese, als auch Sorghum bicolor haben ein langsames Jugendwachstum, deshalb sollten immer Standorte mit einer geringen Unkrautbelastung gewählt werden, um die Entwicklung nichtzugefährden.BeideArtensindmitsichselbstverträglichundstellenkeinebesonderenAnsprüche an die Vorfrucht. Allerdings ist durch die schon erwähnte zögerliche Jugendentwicklung der Unkraut druckhöher,sodasseineVorfruchtgewähltwerdensollte,diedasFeldmöglichstunkrautfreiräumt[2]. Die Vorfruchtwirkung von Sudangras und Zuckerhirse ist ähnlich wie bei Mais – sie eignen sich gut zur Auflockerung von getreidestarken Fruchtfolgen, da keine getreidetypischen Fußkrankheiten bekannt sind[2].
BeimAnbauvonSorghumspeziellfürdieBiogaserzeugungsinddieZieleundQualitätsansprücheimmer die Gewinnung von hohen Biomasseerträgen und hier wiederum gute TSErträge mit einem hohen or ganischenAnteilimErntegut,sowieeineguteSilierbarkeitdesMaterials. 2.4.4. Entwicklung ZureinheitlichenCodierungderphänologischenEntwicklungsstadienvonSorghumhirsenwirdz.T.eben fallsderBBCHCodeverwandt.ZurOrientierung,z.B.beidenBoniturendesSortenversuchswurdendie BBCHStadienvonMaisherangezogen(sieheKap.2.3.3.).DiegenaueEinstufungunterschiedlicherSorg humGenotypenineinReifeschemawieesdasFAOSystembeiMaisermöglicht,scheintjedochschwie rig.TendenziellbildetSorghumsudanesewenigerBiomassealsSorghumbicolor,daherauchdiehöhere Aussaatdichte (Vgl. Kap. 2.4.6. Bodenbearbeitung und Aussaat). Sorghum sudanese neigt eher dazu, BestockungstriebeauszubildenalsSorghumbicolor[22].
Abbildung13:SudangrasundZuckerhirse
2.4.5. Verwendungsmöglichkeiten
DieMöglichkeitenzurNutzungvonSorghumhirsensindsehrvielfältig.IndenJahren2007/2008wurden weltweitrund66Mio.tSorghumangebaut[28].EtwaswenigeralsdieHälftedavonzurVerwertungals Futtermittel,daSorghumähnlichwieMaisgutalsganzePflanzeverfüttertwerdenkann.Dazumussdie gehäckseltePflanzeabersiliertodergetrocknetbzw.frischverfüttertwerden[29].Dieweltweitgrößten Exporteure von Sorghum sind die USA (Produktion von 63,5 Mio. t in 1998 durch Hybridzüchtung und ideale Bewässerung/Düngung) und Argentinien, die Anbauflächen hingegen sind in Afrika und Asien ausgedehnter[28].
Für viele Menschen in den Steppengebieten Afrikas und Asiens ist Sorghum die wichtigste Nahrungs grundlage. Dafür werden dort hauptsächlich trockenstresstolerante, kleinwüchsige Genotypen ange baut,derenKörnerdannzuverschiedenenNahrungsmittelnverarbeitetwerden.DieKörnereignensich eherwenigerzumBacken,dafüraberfürBrei,GrützeoderFladen,oderauchzurtraditionellenBierhers tellung. Außerdem können sie zur Herstellung glutenfreier Lebensmittel für Menschen mit Zöliakie ge nutztwerden.
Aufgrund des zum Teil sehr hohen Cellulose und Ligningehalts in Sorghumhirsen können einige Arten zurFaserherstellungverwendetwerden.
SeitjüngererZeithatsichderBlickwinkelaufdieSorghumhirsenerweitert–besondersdieSortenSorg hum bicolor und Sorghum sudanese gelten als Energiepflanzen und somit als Biomasse für die Erzeu gung von Strom in BGA. Aus vielerlei Gründen werden an spezielle Hirsearten hohe Erwartungen ge stellt, um bald Mais als Biogassubstrat zu ergänzen. Laut einem Bericht der Fachzeitschrift Nature (06/07) will China bis zum Jahr 2020 rund 15 % des gesamten Treibstoffbedarfs aus nachwachsenden RohstoffengewinnenunddeshalbverstärktSorghumstattMaisanbauen[30].SowirdauchdieEthanol HerstellungausSorghumeinenzukünftigbedeutendenIndustriezweigdarstellen. 2.4.6. Bestandesführung BodenbearbeitungundAussaat FürZuckerhirseundSudangrasempfiehltessichimHerbst2530cmtiefzupflügenund/oderimFrüh jahr1015cmtiefzugrubbern.VorderAussaatsollteeineflacheBodenbearbeitungerfolgen.DieAus saatsolltebeiTemperaturenvonmindestens12°CerfolgenundkannabAnfang/MitteMaidurchgeführt werden.Sudangrasistfrostempfindlich.DieSaatstärkesolltefürZuckerhirsebei2530Pflanzenprom² undfürSudangrasbei3035kg/haliegen.Laut[22]könnenbeiSorghumBicolor25Körner/m²undbei Sorghum Sudanese in etwa 120150 Körner/m² ausgesät werden. Der Reihenabstand bei beiden Arten sollte0,25–0,75mbetragen(Vgl.[2]S.132,143).
Düngung
Für die Entwicklung von Zuckerhirse und Sudangras besteht kein Grunddüngungsbedarf, wenn der Bo den ausreichend mit Phosphor, Kalium und Magnesium versorgt ist (Gehaltsklasse C). Dabei können Nährstoffentzüge im Rahmen der Fruchtfolgedüngung ergänzt werden. Laut [26, 27] belaufen sich die Entzügedurchschnittlichauf:
Tabelle5:chem.ZusammensetzungSudangras
Phosphor Kalium Magnesium
Calcium Entzuginkg/ha 1520 110180 1530 3035 Tabelle6:chem.ZusammensetzungZuckerhirse
Phosphor Kalium Magnesium
Calcium
Entzuginkg/ha 1020 90160 2025 3050
(Quelle:[26,27])
Zur Bemessung der mineralischen Stickstoffgabe sollten die NminWerte des Bodens mit einbezogen werden. Der NSollwert beträgt bei einem Ertragsniveau von 140 dt TS/ha in etwa 170 kg/ha (Sudan gras)bzw.180kg/ha(Zuckerhirse)[26,27].Laut[2]liegtderNSollwertsowohlbeiZuckerhirsealsauch beiSudangrasbei200kg/ha(beimittleremErtragsniveauvon15tTS/ha).DieDüngungdesBestandes mit Stickstoff fördert stark das vegetative Wachstum und bringt somit hohe Biomasseerträge. Neben StickstoffistKaliumderwichtigsteNährstofffürZuckerhirseundSudangras–dementsprechendistauch derKaliumbedarfentsprechendhoch.
OrganischeDüngungenvertragenSudangrasundZuckerhirsegrundsätzlich gutundkönnendieseauch verwerten, da die Hauptwachstumsphase in die Sommermonate fällt. Wird aber ausschließlich orga nischgedüngtsoistessinnvollerdieAusbringungderGülleaufzweiTerminezuverteilen(z.B.zurAus saat und vor Bestandsschluss), da es sonst zu NVerlusten kommen kann. Als Orientierung kann allge mein die Düngeempfehlung von Mais herangezogen werden. Laut [22] benötigt Sorghum etwa zwei DrittelderNährstoffmenge,dieMaiserfordert.
Pflanzenschutz
DurchdaszögerlicheJugendwachstumbeiderArtensindeinEinsatzvonHerbizidenundeingutesPflan zenschutzmanagement zur Unkrautbekämpfung ratsam. Laut [22] ist der Einsatz verschiedener Mais Herbizideprinzipiellmöglich,mussjedochbeantragtwerden.Seit2007sind2MittelfürSorghumzuge lassen–GardoGold und MaisBanvel WG. Gardo Goldwirkt gegenSchadhirsen,Rispengräserund Un
kräuter; MaisBanvel WG hat ein Wirkungsspektrum gegen die Gemeine Zaunwicke, die AckerWinde, Gänsefußarten und den WindenKnöterich [22]. Ertragswirksame Schäden könnten weiterhin durch InsektenwieBlattläuse,Halmfliege,GallmückeundMaiszünslerverursachtwerden[26,27].
ErnteundAufbereitung
Für Zuckerhirse und Sudangras ist der Zeitpunkt der Ernte abhängig vom TSGehalt. Dieser sollte zwi schen 28 und 35 % liegen, was einem Reifestadium zwischen Milchreife und Teigreife der Körner ent spricht.DieserZeitpunktistabhängigvonStandort,SorteundWitterungundkannzwischenMitteSep temberundEndeOktoberliegen.DieErntekannmiteinemFeldhäckslerdurchgeführtwerden.Füreine optimale Silierung sollte die Häcksellänge 35 cm betragen. Die Zuckerhirse wird primär ein schnittig genutzt,bei bestimmten Sorten,sowiebeiSudangrasistaberaucheinezweischnittigeErntemöglich. DerersteSchnitterfolgtdannMitte/EndeJuli,derzweiteEndeOktober/AnfangNovember.DieNieder schlagsmenge beeinflusst in starkem Maße die Ertragszuwächse. Im Folgenden sind die Ertragsniveaus vonZuckerhirseundSudangrasdargestellt[2].
ErtragsniveauZuckerhirse(22%TS) ErtragsniveauSudangras(27%TS) Niedrig: 3555tFM/ha Niedrig: 3044tFM/ha Mittel: 5580tFM/ha Mittel: 4467tFM/ha
3. MaterialundMethoden
3.1. Standortbeschreibung
Rachow
In Rachow lag die Ackerzahl des Bodens bei 42. Die Skala möglicher Werte der Ackerzahl (auch Acker wertzahl,oderBodenpunktegenannt)reichtvon7(sehrschlecht)bis100(sehrgut).EineAckerzahlvon 50bedeutet,dassderBodeninderLageist,dieHälftedesErtrageseinesoptimalenBodenszubringen. DemzufolgeistderBodeninRachowmittlererGüte.
Malchow
InMalchowhandelteessichumeinensehrsandigenStandortmiteinerAckerzahlunter20.Flächenmit einer Ackerzahl unter 20 gelten allgemein als landwirtschaftlich kaum noch nutzbar. Durch die hohe TrockenstresstoleranzvonSorghumentwickeltesichderBestandjedochunerwartetgut,imGegensatz zuMaisbeständendieunterderTrockenheitimMaiundJunistarklitten. Staffelde DerStandortStaffeldekonntevonderBodengütehermitMalchowverglichenwerden.Auchhierhan delteessichumeinensehrsandigenBodenmiteinerAckerzahlunter20. Klima DasKlimaimJahr2008waranallenStandorten,auchaufGrundderNähezueinander,sehrähnlich. GrößereAuffälligkeitenbliebenaus.DieAbbildung14zeigtdieVerteilungderNiederschlägeüberdas JahramStandortGülzow.FürStaffeldemusserwähntwerden,dassdieNiederschlägehiermeistetwas geringerausfallen.AucheineVorsommertrockenheitAnfangMaiistbesondersinderRegionUecker Randownichtungewöhnlich.DiesbeeinflusstvorallemdieAussaatunddieAuflaufbedingungen. Abbildung14:NiederschlagsmengeGülzow2008 (Quelle:[23])
DerTemperaturverlaufimJahr2008warebenfallswenigauffällig.DieszeigtdieAbbildung15. BesondersdenwärmeliebendenSorghumhirsenwarendiehohenTemperaturensehrzuträglich. Abbildung15:TemperaturenGülzow2008 (Quelle:[23])
3.2. Bestandesführung
Die Bestandesführung erfolgte standortspezifisch und wurde durch die jeweiligen Betriebe selbst ge plant und durchgeführt. Somit müssen theoretisch nicht nur verschiedene Standortfaktoren für die Auswertungberücksichtigtwerden,sondernauchnochverschiedeneAnbauverfahren.
DabiszurFertigstellungderArbeitkeineInformationenausRachowgeliefertwurden,solldieserStand ortbeiderBestandesführungnichtberücksichtigtwerden.
Malchow
In Malchow wurde als Vorfrucht Winterroggen angebaut, der Ende April als Grünroggen gehäckselt wurde.ImAnschlusskameinTiefengrubbermitca.15cmArbeitstiefezumEinsatz.KurzvorderAussaat erfolgtedieSaatbettbereitungmiteinerArbeitstiefevon5cm.
DieSortenwurdenam30.05.2008miteinerEinzelkornsämaschinegelegt.DieSaattiefewurdeauf7cm festgelegt, da eine Ausnutzung der Restfeuchte des Bodens unbedingt nötig war um überhaupt einen Aufgangzuerzielen.AussagenzurAussaatstärkewerdenseparatbeschrieben.
Die Düngung der Bestände erfolgte zum einen vor der Saat mit 100 kg DAP je Hektar. Diese Menge enthält18kgreinenStickstoffinFormvonAmmoniumnitratund46kgPhosphorinFormvonP2O5. Am 10.06.2008 erfolgte eine weitere Gabe Stickstoff über 440 kg Kalkammonsalpeter. Dies entspricht ca.120kgreinenStickstoff.Davonlagenca.60kginFormvonAmmoniumund60kginFormvonNitrat vor.
UmdieBeständefreivonUnkräuternzuhalten,wurdevorderSaatbettbereitung3lGlyphosTotalher bizidaufdiebisdahingewachsenenUnkräuterausgebracht.Weiterhinwurdeam19.06.2008im3Blatt StadiumderBestandmit3LiterdesHerbizidsGardoGoldjehagespritzt.VorderErnteEndeSeptember erfolgtenlautAngabendesBetriebeskeineweiterenMaßnahmen.
Staffelde
Für den Betrieb in Staffelde liegen keine genauen Zeitangaben vor, daher soll nur die chronologische Abfolge der Bestandesführung wiedergegeben werden. Nach der Ernte der Vorfrucht erfolgten eine TiefenlockerungderFahrgassenunddieanschließendeBearbeitungmiteinerScheibenegge.
DasaufgelaufeneUnkrautwurdeuntergepflügt.ImFrühjahrerfolgtedieSaatbettbereitung. NachderAussaatam28.Mai2008wurdenaufdemFeldSteinegesammelt.
Zur mineralischen Düngung wird vom Betrieb nur angegeben, dass eine solche durchgeführt wurde. MengenundFormbleibenoffen.Eswurdefernerangegeben,dassdieFlächemitGärrestenundEnten mistgedüngtwurde.Mengenwerdenjedochauchhiernichtgenannt. LautAngabendesBetriebsleiterserfolgtederPflanzenschutzimVorauflauf.Dazuwurden3ljehaGardo Goldund0,8ljehaCurolBgespritzt.
3.3. Aussaat
DieAussaatendereinzelnenSortenerfolgteninunterschiedlicherMengeundStärke,welchedurchdie Züchterempfohlenwurden.DieAussaatmengenwarenaberanden3Standortenjeweilsgleich.Tabelle 7gibteinenÜberblick.DieAussaatterminelagenwiebereitsbeschriebeninStaffeldeundMalchowEn de Mai. Am Standort Rachow erfolgte aufgrund der späträumenden Vorfrucht die Aussaat erst am 16.06.2008.Tabelle7:Aussaatmengeundstärke
Prüfglied
Aussaatmenge Errechnete Aussaatstärke in kfK/m² Sucrosorgho 6,9 20 Goliath 7,5 18 Lussi 12 41 Rona1 6 20 SuperSile20 6 25 Susu 25 99 (Quelle:[23])
3.4. SortenundVersuchsaufbau
Die Versuche auf den Standorten Rachow, Malchow und Staffelde wurden je als Langparzellenanlage mitStandardausgleich(SorteSucrosorgho506)angelegt.4WiederholungeneinerSortestandenjeweils hintereinander(sieheTabelle8)–einRandomisierenerfolgtenicht.Die6verschiedenenSortenstamm tenu.a.vondenZüchterfirmenSyngenta,CaussadeundSaatenunion. Tabelle8:Versuchsaufbau Sucrosorgho 506
Goliath Lussi Sucrosorgho 506 Rona 1 Super Sile20 Susu Sucrosorgho 506 Whd.D 1S 2 3 4S 5 6 7 8S Whd.C 1S 2 3 4S 5 6 7 8S Whd.B 1S 2 3 4S 5 6 7 8S Whd.A 1S 2 3 4S 5 6 7 8S (Quelle:NAWAROAG,verändert) DieProbenahmenundBoniturenerfolgtenan4Terminen.DerPlanistausTabelle9zuentnehmen. Tabelle9:Probenahmeplan
Nr. Zweck Menge Versendung Analyse Bemerkung
1 Methanpotential Weißbach 500 g pro Parzel le, Mischprobe á 500g Verbringungin NAWARO BioEnergie Park Blgg Deutschland 2 Methanpotential Hohenheim 3000gproParzel le, Mischprobe á 3000g Verbringungin NAWARO BioEnergie Park 500gtrockenes MaterialanHo henheim Häckselnund Trocknenbei60°C 3 Silierversuche 60 kg (Sorte Lussi +eineandere) Firma addcon selbstabho lend addcon StandortStaffelde an2Terminen 4 Pflanzenentwick lung Bonitieren jeder Parzelle Monitoringve rantwortliche Überprüfen& Dokumentation BBCH 5 Ertragsentwicklung 1m²proParzelle Monitoringve rantwortliche WiegenFMErtrag sowieBestimmung TS (Quelle:NAWAROAG,verändert)
VordenerstenProbenahmenwurdendieParzellenetikettiert.BeiderDokumentationderPflanzenent wicklung wurden die Bestandeshöhe und die Bestandesdichte bestimmt. Zur Bestandesdichte wurden diePflanzenprom²bzw.auf1,11laufendeMetergezählt.HierbeiwurdeanallenStandortenjeweilsein Parzellenabschnittausgewähltdermöglichstrepräsentativerschien.BeidenerstenProbenahmenwur de an den 3 Standorten noch keine Ertragsbestimmung durchgeführt – es wurden jeweils nur 3,5 kg FrischmasseproSorte,nichtproParzelle,geerntet.
3.5. Methanpotenzial
InteressantfürBGABetreiberistinersterLiniederMethangehaltdesBiogases,daalleinausdemMe than die Energie gewonnen wird. Die erzielbare Ausbeute an Methan hängt im Wesentlichen von der ZusammensetzungderSubstrate,alsodenAnteilenanLipiden,ProteinenundKohlenhydraten(KH),ab. Schwer abbaubare Stoffe wie Lignin, Cellulose oder Faserstoffe behindern die Methanproduktion. Es muss im Allgemeinen die Biogasproduktion von der Methanproduktion unterschieden werden. Hohe BiogaserträgemüssennichtunbedingtauchhoheMethanerträgebringen(Vgl.Abb.8:Biogasausbeuten undMethanerträge,Kapitel2.2.1.2.Energiepflanzen).
Laut [16] korreliert der Energiegehalt von Biogas mit dem in ihm enthaltenen Methan. So liefert 1 m³ Biogas1,5–3kWhelektrischeLeistung,während1m³Methan9,97kWhbringt[17].DerMethanertrag ist also einer der wichtigsten Faktoren für den wirtschaftlichen Betrieb einer BGA. Deshalb muss beim Einsatz, besonders von neuen Substraten, im Vorfeld der theoretische Methanertrag in etwa bekannt sein.
3.5.1. MethanpotenzialnachWeißbach
Das Methanpotenzial von ausgewählten Substraten lässt sich anhand derer Trockensubstanz (im Fol gendenTS)bestimmen.WieProf.Dr.agr.Habil.FriedrichWeißbachherausfand,gehenbeiderüblichen TrocknungbiszurGewichtskonstanzbei105°CflüchtigeVerbindungenwieGärsäurenundAlkohol,aus denenBiogasgewonnenwerdenkönnte,bereitsverloren.Umdieszuverhindernwirddasgehäckselte Probematerial zunächst bei 60°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und dann vermahlen. Die ver mahleneProbewirddannbei105°CbiszurGewichtskonstanzgetrocknetundanschließenderneutaus gewogen.DerTrockenmassegehaltkanndannmitfolgenderFormelberechnetwerden:
TS%=
VondieserkorrigiertenTSkannnunwiederumabernurausderenorganischenAnteilBiogasentstehen. Seit längerem wird versucht den Einfluss von anorganischen Materialien (Rohasche) auszuschalten, in
demmandieRohasche(XA)vonderermitteltenTSabziehtunddieGasausbeutedannjekgorganischer TS (kg/oTS) angibt. Der anorganische Teil besteht aus Sand, Erde, Steinen, Metallabrieb (z.B. von Ma schinen)undähnlichenStoffen,dieindasErntegutgelangenkonnten.DerorganischeTeilbesteht,wie schon erwähnt, aus Proteinen, Fetten und leicht (Zucker), sowie schwer abbaubaren KH (Fasern). Der Rohfaseranteil(XF)bestehtausunlöslichenGerüstsubstanzenwieCellulose,dieimBiogasprozesseher unerwünschtsindundnichtzurGasbildungbeitragen.WeitereParametersindRohfett(XL)undRohpro tein (XP), welches sich aus dem Stickstoffgehaltergibt. Ein weiterer Untersuchungsparameter zur Bio gasertragsbestimmung ist der ADFWert. ADF bedeutet acid detergent fibre und bezeichnet die nach SäureaufschlussverbleibendenFaserbestandteile.AusdiesenParameternlässtsichnunderNFEWert (Nfreeextracts;StickstofffreieExtraktionsprodukte,zudenenZucker,Stärke,PektinundHemicellulosen zählen)unddieoTSberechnen,ausdenensichwiederumBiogasausbeuteundMethanausbeuteinl/kg oTSergeben[36].
Diese auf die oTS bezogene Gasausbeute ist aber laut [37] eine sehr variable Größe. Deshalb hat Prof. Dr.FriedrichWeißbachimJahr2008einenneuenParameterzurBewertungpflanzlicherBiogassubstrate entwickelt.DadiebislangaufdieoTSbezogeneAusbeuteauchbiologischnichtverwertbareKomponen tenderoTSmiteinschloss,wurdenundiezuerwartendeGasausbeutenuraufdenbiologischverwert baren (fermentierbaren) Teil bezogen. Dieser neue Parameter „FoTS“ (= Fermentierbare organische Trockensubstanz) kann durch wenige Laboranalysen schnell ermittelt, und von ihm direkt auf das Bio gaspotenzial geschlossen werden. Dr. Weißbach fand ebenfalls heraus, dass bei nahezu allen pflanzli chenSubstratenmitdemgleichenGasbildungspotenzialjekgFoTSzurechnenist.SomitlassensichQua litätsunterschiedeeinzelnerSubstrateschonanihremGehaltanFoTSfeststellen.[6]
DieaufdiesemWegeermitteltenGasundMethanausbeutenwerdenimErgebnisteildargestellt.
3.5.2. HohenheimerBiogasertragstest
Der Hohenheimer Biogasertragstest (Im Folgenden HBT) ist laut [31] ein Verfahren zur Ermittlung des MethanertragsausorganischerSubstanz.DieEntwicklungdiesesTestssolltedasherkömmlicheVerfah ren nach DIN 38 414 Teil 8, das nur für dünnflüssige Substrate mit geringem Gasbildungspotenzial ge eignetist,ablösenunddenVersuchsaufbauvereinfachenundverkleinern.Esgalt,einenTestzuentwi ckelnderauchmithandelsüblicherLaboreinrichtungdurchführbarwar.Laut[31]werdenMaterialund Methodefolgendermaßenbeschrieben:„AufbauendaufderVorgehensweisedesHohenheimerFutter werttests dienen Glasspritzen (Kolbenprober) mit einem Volumen von 100 ml und einer 1/1 Graduie rungsowieeinemKapillaransatzalsFermenter,wiefolgendesBildzeigt:
