Projekt-94: Optimierung der Biogaserzeugung aus Energiepflanzen Mais und Kleegras

Das neue Ökostromgesetz schafft in der österreichischen Energiepolitik erstmals den rechtlichen Rahmen für eine zukunftsweisende Biogaserzeugung aus Energiepflanzen. 180 bis 240 landwirtschaftliche Biogasanlagen stehen zur Errichtung an. Diese Anlagen müssen bis zum 31.12.2004 genehmigt sein und bis zum 30.06.2006 in Betrieb gehen, um als Ökostromanlagen zu gelten. Mais und Kleegras haben als Gärrohstoffe für die Biogaserzeugung eine zentrale Bedeutung. Die Wirtschaftlichkeit der Biogasproduktion wird von mehreren Faktoren bestimmt: Methanausbeute aus den Gärrohstoffen, Methanertrag pro Hektar, vollwertige und rationelle Nährstoffversorgung der Mikroorganismen im Fermenter und richtige Fermentergröße. Die genaue Kenntnis über den spezifischen Methanertrag und den Methanhektarertrag von Kleegrasmischungen und Mais sind daher für Investitionsentscheidungen und für die Leistungsauslegung von Biogasanlagen vordringlich wichtig. Das Methanbildungsvermögen – der Methanenergiewert (MEW) – der Gärrohstoffe Mais und Kleegras muss genau berechnet werden können. Der Stoff- und Energieumsatz bei der anaeroben Vergärung von Kleegrasmischungen und Mais wurde im Eudiometer-Batch-Experiment bei 40 °C untersucht. Die verwendeten Gärrohstoffe wurden aus Sortenversuchen verschiedener Standorte gewonnen. Zum Einsatz kamen früh bis spätreife Silomaissorten vom Trockenstandort Groß-Enzersdorf (PR 39 G12, Sandrina, Clarica, Monalisa, Ribera) und vom Standort Ludersdorf/Steiermark, einem Gunststandort für den Maisanbau (Benicia, Ribera, Phönix, Atalante, Saxxo). Bei Kleegras wurden die Mischungen Feldfutter-Intensivmischung (IM), Dauerwiesenmischung (DM) und Kleegrasmischung (KM) vom Standort Gumpenstein/Ennstal verwendet. Ernte und Ertragsermittlung der Gärrohstoffe erfolgten im Verlauf der Vegetation jeweils zu drei verschiedenen Zeitpunkten. Der Einfluss der Silage- und Heubereitung auf das Methanbildungvermögen der Gährrohstoffe wurde ebenfalls untersucht. Dazu wurde die Methanbildung von grünen, nicht silierten Gärrohstoffen und von Silage und Heu des selben Erntezeitpunktes verglichen. Zur praktischen Kalkulation des Methanbildungsvermögens und des Energiestoffwechsels der Gährrohstoffe wurde ein neues System – das Methanenergiewertsystem (MEWS) – entwickelt. Es basiert auf der Kenntnis des Methanbildungsvermögens von Biomasse bei bekannten Gehalten der Inhaltsstoffe Rohprotein (XP), Rohfett (XF), Rohfaser (XL) und N-freie Extraktstoffe (XX). Mit dieser, für die Biogaserzeugung neuen Methode wird die Bewertung des Methanbildungsvermögens von Gärrohstoffen anhand der Konzentration ihrer Inhaltsstoffe möglich. Der Methanenergiewert (MEW) von Gärrohstoffen zeigt das Methanbildungsvermögen einzelner Rohnährstoffe, wenn diese in Form eines natürlichen Gärrohstoffes den Mikroorganismen im Fermenter verabreicht werden. Das neue Methanenergiewertsystem (MEWS) kann als Instrument für die optimale Biogaserzeugung in folgenden wichtigen Bereichen eingesetzt werden: - zur Kalkulation des spezifischen Methanbildungsvermögens von Gärrohstoffen anhand ihrer Rohnährstoffe; - zur Nährstoffbedarfskalkulation für die Biogaserzeugung; - zur Berechnung der energetischen Leistung von Biogasanlagen abhängig von Art, Menge und Zusammensetzung von Gärrohstoffen; - für Sortenempfehlungen und für die Bestimmung des optimalen Erntezeitpunktes für Energiepflanzen; - für die Kalkulation von Methanhektarerträgen von Energiepflanzenarten,-sorten und Fruchtfolgen. Die Maissorten zeigten ein charakteristisches spezifisches Methanbildungsvermögen, welches wesentlich vom Gehalt und dem Verhältnis der Nährstoffkomponenten zueinander abhängig war. Nährstoffmuster und- gehalt werden am stärksten vom Stadium der Vegetationsentwicklung der Pflanzen beeinflusst. Darüber hinaus besteht eine Standort- und Sortenabhängigkeit. Besonders gut eignen sind Sorten mit hohem Eiweiss- und Fettgehalt und hohem standortspezifischem Biomassebildungsvermögen. Die Rohfaser ist für die Methanbildung von geringem Wert. Die N-freien Extraktstoffe mindern das Methanbildungsvermögen von Silomaissilage leicht. Die Silomaissorten des Standortes Ludersdorf zeigten in Bezug auf die Ertragsfaktoren Biomasseertrag, spezifisches Methanbildungsvermögen und Methanhektarertrag zum optimalen Erntezeitpunkt folgende Kennwerte: Benicia 34,57 t oTS/ha; 247,45 Nl CH4/kg oTS; 8.529 Nm3 CH4/ha; Ribera: 24,71 t oTS/ha; 261,05 Nl CH4/kg oTS; 6.451 Nm3 CH4/ha; Phönix: 20,76 t oTS/ha; 286,49 Nl CH4/kg oTS; 5.946 Nm3 CH4/ha; Atalante: 25,69 t oTS/ha; 205,83 Nl CH4/kg oTS; 5.288 Nm3 CH4/ha; Saxxo: 34,20 t oTS/ha; 231,80 Nl CH4/kg oTS; 7.927 Nm3 CH4/ha. Der optimale Erntetermin war für die Sorten Benicia, Saxxo und Atalante im Vegetationsstadium „Teigreife der Körner“ erreicht. Für die Sorten Ribera und Phönix lag der optimale Erntetermin schon im Vegetationsstadium der „Milchreife der Körner“. Die Sorten des Standortes Groß-Enzersdorf (PR 39 G12, Sandrina, Clarica, Monalisa und Ribera) erreichten alle den optimalen Erntezeitpunkt im Vegetationsstadium „Teigreife der Körner“. Auf guten bis sehr guten Standorten eignen sich späte Sorten besser als frühe, da auf guten Standorten spätreife Sorten ihr Biomassebildungsvermögen besser ausnutzen können als frühreife Sorten. Bis zum Vegetationsstadium „Vollreife der Pflanzen“ nahm der Methanhektarertrag im Vergleich zum Optimum durch Bruchverluste und Rückgang der spezifischen Methanbildung um bis zu 40 % ab. Bei Mais bewirkte die Silagebereitung im Vergleich zur Nutzung frischer, nicht konservierter Biomasse einen Mehrertrag an Methan von 15 %. Nach 39 – 42 Gärtagen waren 95 % der maximal erreichbaren Methanmenge aus den Silomaissilagen gebildet worden. Daraus ergibt sich für die Praxis unter Berücksichtigung eines Sicherheitszuschlages von 10 % eine erforderliche hydraulische Verweilzeit von 41 – 44 Gärtagen, bei einer Gärtemperatur von 40°C. Bei Kleegras zeigten die untersuchten Mischungen zum jeweiligen Erntezeitpunkt ein ähnlich spezifisches Methanbildungsvermögen. Die Rohnährstoffgehalte und das Nährstoffmuster der Kleegrasmischungen waren zum jeweiligen Vegetationsstadium der Bestände ebenfalls ähnlich. Das spezifische Methanbildungsvermögen der Kleegrasmischungen wurde am stärksten von der Vegetationsentwicklung der Pflanzenbestände zum Zeitpunkt der Ernte bestimmt. Besonders gut geeignet sind Sortenmischungen, die einen hohen Rohprotein- und Rohfettgehalt in der Silage aufweisen. Rohfaser und N-freie Extraktstoffe trugen wenig zur Methanbildung der Kleegrassilagen bei. Die Kleegrasmischungen des Standortes Gumpenstein zeigten bei einer Dreischnittnutzung einen Biomasseertrag von 5,5 bis 6,4 t oTS pro Hektar. In Bezug auf die Ertragsfaktoren spezifisches Methanbildungsvermögen und Methanhektarertrag wurden im optimalen Erntezeitpunkt folgende Kennwerte erreicht: Feldfutter-Intensivmischung (IM): 369,67 Nl CH4/kg oTS; 2.033 – 2.366 bis Nm3 CH4/ha; Kleegrasmischung (KM): 390,40 Nl CH4/kg oTS; 2.147 – 2.499 bis Nm3 CH4/ha. Für die Silagebereitung war unter den Wachstumsbedingungen und Standortverhältnissen des Ennstals bei allen Sortenmischungen das Vegetationsstadium „im Ähren-/Rispenschieben“ optimal. Abweichungen vom optimalen Erntetermin durch zu späte Ernte verursachten Ertragsminderungen der Methanmenge pro Hektar um bis zu 25 %. Die Heubereitung bewirkte im Vergleich zu grüner, nicht konservierter Biomasse einen Mehrertrag an Methan von 12 %. Durch die Silagebereitung wurde ein Mehrertrag vom 26 % erreicht. Nach 41 – 44 Gärtagen waren 95 % der möglichen Methanmenge aus den Kleegrassilagen und dem Heu gebildet worden. Für die Praxis ergibt sich daraus bei einem Sicherheitszuschlag von 10 % für Kleegras eine erforderliche hydraulische Verweilzeit von 45 – 47 Gärtagen bei einer Gärtemperatur von 40°C.