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Einfluss der Biogaserzeugung aufRest-C im Gärrest und die Humusbilanz
Thüringer Landesanstalt für LandwirtschaftNaumburger Str. 98, 07743 Jena, Dr. G. Reinhold
DLG-Ausschusses AckerbauHumusreproduktion im Silomaisanbau für Biogasanlagen –
Frankfurt - 26.6.2007
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
100 120 139 159 186 274370 450
617
8501043
1760
2010
2690
3300
1608
1360
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06
Anzahl
0
250
500
750
1000
MW
Entwicklung Biogasanlagenbau in Deutschland
Stromein-speisegesetz
Erneuerbare-Energien-Gesetz
EEG Novelle
Inst. Leistung
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TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Schwerpunkte der EEG-Novelle 2004NAWARO-Bonus (6 bzw. 4 ct/kWh)
– Voraussetzung für NAWARO-Einsatz– Einsatzstoffe (WD, Getreide, Maissilage, ...)
Gestaffelte Einspeisevergütung (Grenzen: 150 kW, 500 kW, 5 MW)
– Kleinanlagenförderung wirkte bisher kaum
Preisabschlag nach dem Inbetriebnahmejahr (1,5 %/a)
– Anreiz zum sofortigen Bau
KWK-Bonus Wärmesenke Stadtrand wenig WD
Innovations-Bonus Trockenvergärung (??)
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Quelle: www.tll.de/ainfo
80 Anlagen240 Tm³ Reaktorraum41,6 MW (installiert)
Feb. 2007
Biogasanlagenbaus in ThüringenStand: 1.1.2007
0
20
40
60
80
100
Altanla
gen
1995
-200
0
2001
erric
htet
2002
erric
htet
2003
erric
htet
2004
erric
htet
2005
erric
htet
2007
errich
tet
Anz
ahl
-
200
400
600
800
1.000
Leis
tung
kW
Anlagen/Jahr
Anlagen gesamt
Mittlere LeistungkW/Anlage
82 Anlagen
Reaktorraum:240 Tm³
Leistung: 41,6 MW (installiert)
3
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Trends ab 2004• Anlagengröße steigt • NAWARO- Anteil steigt• Industrielle Anlagen außerhalb der Landwirtschaft• Biogas als Kraftstoff und Gaseinspeisung
große, landw. ferne Anlagen, Landwirt ist nur Rohstofflieferant
• Düngewert ist zu beachten (Nährstoffzufuhr) • Humus-Wirkung von Biogas ??
– C wird zu CH4 und damit dem Kreislauf entzogen
„Biogas = Raubbau am Boden“ (???)
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Entwicklung der Anlagengröße (90 Angebote für BGA im Raum Thüringen)
0
200
400
600
800
1000
1200
1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
kW/A
nlag
e
4
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Biogasanlagenbaus in ThüringenStand: 1.1.2007 (80 Anlagen)
0
20
40
60
80
100
Altanla
gen
1995
-200
0
2001
erric
htet
2002
erric
htet
2003
erric
htet
2004
erric
htet
2005
erric
htet
2006
erric
htet
Anza
hl
-
200
400
600
800
1.000
Leis
tung
kW
Anlagen/JahrAnlagen gesamtMittlere Leistung kW/Anlage
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
NAWARO-Anteil am Substrat Bezug: Substrat-oTS-Gehalt der Thüringer Biogasanlagen
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 1 2 3 4 5 6
Reaktorbelastung kg/m³/d
Ant
eil N
AW
AR
O o
TS
bis 20052006
5
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
oTS-Einsatz zur Biogaserzeugung (Thüringen, bis 2005 Erhebung Ist-Einsatzmengen, 2006 Planzahlen)
0100200300400500600700
oTS
- Ein
satz
(t/d
)
Juni2003
Juni2005
Jan2006
Jan2007
AbfallNAWAROWD
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Wirkungen der Biogaserzeugungauf das Substrat
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TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
SubstratveränderungenWirkung der Biogaserzeugung auf die Gülleeigenschaften
• Pflanzennährstoffe Phosphor und Kalium gehen im Gärprozess nicht verloren
• pH-Wert steigt von 6,5...7 auf 7,5...8• Ammoniumanteil am Gesamt-N steigt deutlich• Geringfügige Stickstoffverluste können als
Ammoniak auftreten• deutlicher TS-Abbau durch die C-Konvertierung
zu Methan und CO2• Volumenreduzzierung
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Erhebung an allen Thüringer Biogasanlagen
2004 und 2006
• technisch-technologische Parameter• Investition (€/m³ Faulraum; €/kW)
• Produktionsergebnisse (m³/d, kW)
• Probenahme aller Eingangssubstrate und der Biogasgülle (Ablauf des Nachgärbehälters)
– Nasschemische Nährstoffanalyse
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TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
K-Gehalt (% d. FM)
00,10,20,30,40,50,60,70,8
BGA Sub.
P-Gehalt (% d. FM)
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
BGASub.
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
N-Veränderungen 2006
Nt - Gehalte (% FM)
0
0,5
1
1,5
BGA 0,445 %Sub. 0,546 %
NH4-N - Gehalte (% vom Nt)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
BGA 67,2 %Sub. 40,0 %
Mehrertrag möglich
(N –Pflanzenverfügbarkeit steigt)
Sub 0,51 %
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TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Masseabbau70 % Konvertierung der organischen Trockenmasse
0
200
400
600
800
1000
vor nach vor nach
kg/m³
Trocken-masseWasser
der Vergärung
Getreide
86 % TM
70 % Konvertierung der oTS
Masse- und Volumen-reduzierung
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Substratveränderungen Masse- bzw. Volumenverluste
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Stallm
ist
Trocke
nkot
Mais-S
ilage
GPS CCM
Getreid
e
Ant
eil
Masseabbau
verbleibende TM
Wasser
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TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
TS - Gehalte in Thüringer BGA 2006(Sub. = errechnete Mischung der Einsatzstoffe,
BGA = Biogasgülle, n = 49)
TS-Gehalte (%)
0%
10%
20%
30%
40%
BGA 5,7 %Sub. 14,3 %
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
oTS (% der TS)
50
60
70
80
90
100BGA 72,1 %Sub. 82,4 %
Anteil der oTS an der TS in Thüringer BGA 2006(Sub. = errechnete Mischung der Einsatzstoffe, BGA = Biogasgülle,
n = 49)
C org-Gehalte (% der TS)
20
30
40
50
60
70BGA 48,5 %Sub. 45,6 %
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TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Ergebnisse aus der 2. Biogas-Welle1980 ... 1985
Bedingungen:• Reine Güllevergärung• Hohe Reaktorbelastung >5 kg • Kurze Verweilzeiten (8...15 d)
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Tägliche C-Freisetzung bei der Bebrütung von Gülle und Biogasgülle (REINHOLD 1988)
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TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
C-Abbau bei Gülle und Biogasgülle (REINHOLD 1988)
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
TS-Abbau bei unterschiedlichen Lagerungstemperaturen (REINHOLD 1988)
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TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Tägliche C-Freisetzung bei der Bebrütung von Gülle und Biogasgülle bei unterschiedlichen
Lagerungstemperaturen (REINHOLD 1988)
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Kohlenstoffumsatz bei der Biogaserzeugung und anschließender Bebrütung
020406080
100
- -
Lagerungstemperatur
Koh
lens
toff
(%) zu Biogas
fermentierter C
während der Be-brütung abgebauter C
Lagerungsverluste
zur Humusbildungverbleibender C
Mischgülle Faulschlanm
(REINHOLD 1988)
C-Bilanz (REINHOLD 1988)
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TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Temperatur bei der Kompostierung von Gülle und Biogasgüllefeststoff (REINHOLD 1988)
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Trockenmasseabbau bei Güllefeststofflagerung in Kompostierungsmieten (REINHOLD 1988)
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TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Kohlenstoffabbau durch BiogasZusammenfassung:
Biogaserzeugung führt zu ähnliche Stabilisierung wie die aeroben Rotte
37,8 %
62,2 %
C - Abbau im Biogasreaktor
C - Abbau bei der Bebrütung
C - Abbau bei der Bebrütung
Im Boden zur Reproduktion der Bodenfruchtbarkeit verbleibender Kohlenstoff
63,0 %
20,5 %
16,5 %ohne Biogas mit Biogas
Quelle Reinhold 1988
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
VDLUFA Standpunkt (2004)
Wirtschafts-dünger GärprodukteTS kg Humus C/t Einsatzstoff
Schwein 4% 4Schwein 8% 8Rind 4% 6Rind 7% 9Rind 10% 12Geflügel 15% 12Geflügel 25% 22Geflügel 35% 30Geflügel 45% 38Gärprodukte 4% 6Gärprodukte 7% 9Gärprodukte 10% 12Gärprodukte 25% 36Gärprodukte 35% 50Komposte 30% 40Komposte 60% 70
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TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
y = 141,79xR2 = 0,9959
y = 86,928xR2 = 0,9731
0
10
20
30
40
50
60
70
0% 20% 40% 60%
Wirtschafts-dünger
Gärprodukte
Linear(Gärprodukte)
Linear(Wirtschafts-dünger)
VDLUFA Standpunkt (2004)mit Komposten
y =127 x
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
C-Humusreproduktion
• Allgemein: 100 kg Humus-C / t TS
• Wirtschaftsdünger: 87 kg Humus-C / t TS
• Gärprodukte: 142 kg Humus-C / t TS
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Substrateinsatz * TS-Gehalt
abzüglich zu Biogas konvertierte Biomasse
(= Gasmenge * Biogasgewicht 1,25 kg/m³)
= Biomasse (TS) für Humusbildung
* C-Faktor Gärprodukte (142 kg/tTM ) = C-Zufuhr
oTS Pflanzen = 95 % oTS Gülle = 80 %oTS Biogasgülle = 70 %
Grundsätzlich gilt für Biogasgülle
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
R-Gülle S-Gülle Stallmist HTK Mais-Silage
GPS CCM Getreide
kg H
umus
C /
t Fris
chm
asse
kg C / t Ausgangs-Substrat
kg C / t Biogasgülle
Humusreproduktion bei Vergärung von NAWROS
(Bezug Frischmasse, Gaserträge nach KTBL, C-Faktor nach VDLUFA 2004,Gärprodukte)
TS (%) 8% 6% 25% 45% 32% 40% 65% 86%
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TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Unterstellung: Anbau im Ackerbaubetrieb Thüringen
(Personengesellschaft)Anbauumfang Ertrag
% dt/ha
Getreide 66% 70GPS 0% 250Ölfrüchte 18% 40Zuckerrüben 2% 500Silomais 0% 450Ackerfutter 0% 450Stillegung 10% 150sonstiges 4% 0Summe 100%
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Ackerbaubetrieb Thüringen (Humuswirkung nach VDLUFA Richtwerte - untere Werte)
Bilanz: -204 (Anbau) + 502,4 (NP) = 298,4 kg C/ha
VDLUFA Richtwerte - obere Werte
Bilanz: -315,6 (Anbau) + 502,4 (NP) = 186,8 kg C/ha
Anbauumfang Ertrag HP NP NP Ertrag NP% dt/ha kg C /ha kgC/t dt FM/ha kg C /ha
Getreide 66% 70 -280 100 56 560GPS 0% 250 -280Ölfrüchte 18% 40 -280 100 64 640Zuckerrüben 2% 500 -760 8 350 280Silomais 0% 450 -560Ackerfutter 0% 450 600Stillegung 10% 150 400 8 150 120sonstiges 4% 0 160gewichtetes Mittel 100% -204 502,4
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TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Wirkung von Biogasproduktion– Anbau von Mais (Starker Humuszehrer)
– Anbau von GPS (d.h. Stroh bleibt nicht auf dem Feld)
– Einsatz von Getreidekorn (Ähnlich dem Verkauf von Getreide)
• Verringerung des Getreideanteils
• Aber auch– Verringerung des Exports von Biomasse aus den
Betreib heraus – Rückführung von Kohlenstoff mit der Biogasgülle
TLL Jena 2007, Reinhold DLG AckerbauVDLUFA Richtwerte – untere Werte
C-Bilanz im Ackerbaubetrieb (Biogasfrüchte reduzieren den Getreideanbau)
050
100150200250300350400
Standard
10 % Mais
30 % Mais
10 % GPS
30 % GPS
10 % Getreide
30 % Getreide
kg C
/ha
Feldproduktion incl. NP Biogasgülle
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TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Milchviehbetrieb Thüringen 1 GV /ha
(Humuswirkung nach VDLUFA Richtwerte - untere Werte)
Gülleanfall (8000 l Kuh) 21,7 t/a mit 10 %
bei 12 kg C/m³ (VDLUFA) + 260 kg C
bei 8,7 kg C/m³ (Regression: 85 kg/tTS) + 189 kg C
Anbauumfang Ertrag HP NP NP Ertrag NP% dt/ha kg C /ha kgC/t dt FM/ha kg C /ha
Getreide 42% 70 -280 100 56 560GPS 0% 250 -280Ölfrüchte 8% 40 -280 100 64 640Zuckerrüben 0% 500 -760 8 350 280Silomais 22% 450 -560 0Ackerfutter 15% 450 600 0Stillegung 9% 150 400 8 150 120sonstiges 4% 0 160 0gewichtetes Mittel 100% -130,8 297,2
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
VDLUFA Richtwerte – untere Werte
C-Bilanz im Milchviehbetrieb 1 GV/ha, 8000 l BGA mit Gülle+Biogasfrüchte (reduzierter Getreideanbau)
-1000
100200300400500600700800900
Ackerb
au
10 %
Mais
20 %
Mais
10 %
GPS
20 %
GPS
10 %
Getr
eide
20 %
Getr
eide
kg C
/ha
Biogasgülle
Gülle
Feldpro-duktionincl. NP
20
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Futterverzehr Milchkuh (Bezug: Flächenbedarf einer 1 Milchkuh, DLG Band 119)
FutterverzehrTS oTS GL GL GL AL AL AL
6000 8000 10000 6000 8000 10000
Weidelgras dt/TM 100% 95% 19 16 13 10 10 10Grassilage dt/TM 100% 95% 19 22 25 11 13 15Maissilage dt/TM 100% 95% 4 7 10 20 22 24Stroh dt/TM 100% 95% 2 2 2 3 2 2Soja dt 86% 95% 0 1 2,5 2 3 4,5Weizen dt 86% 95% 2 2 2,5 1 2 2,5MLF 18/3 dt 86% 95% 7 17 22 12 15 19MLF 16/3 dt 86% 95% 6Mineral dt 100% 95% 0,1 0,15 0,2 0,2 0,25 0,3
Summe dt 59,1 67,15 77,2 59,2 67,25 77,3dtTM 57 64,35 73,42 57,1 64,45 73,66
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Der etwas höherer Abbau bei Biogas ist aus der längeren Verweilzeit erklärbar (Kuh = 24 ... 36 h , BGA 50 ... 100 d),
wird aber durch den höheren C-Faktor ausgeglichen
TM-Umsatz unterschiedlicher Flächennutzumgssysteme (Bezug: Flächenbedarf einer 1 Milchkuh, DLG Band 119)
0
20
40
60
80
100
6000
8000
1000
060
0080
0010
000
6000
8000
1000
0
Milchleistung
TM-U
msa
tz d
t/a
im Tierzu Biogaszur Humusbildung
Milchproduktion Milchproduktion Biogaserzeugung + Biogas
Unterstellungen:Gaserträge nach KTBLGülleanfall nach TLLoTS Pflanzen 95 %oTS Gülle 80%Fütterung: 6000 l 8000 l 10000 l
W eidelgras dt/TM 10 10 10Grassilage dt/TM 11 13 15Maissilage dt/TM 20 22 24Stroh dt/TM 3 2 2Soja dt 2 3 4,5W eizen dt 1 2 2,5MLF 18/3 dt 12 15 19
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TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Zusammenfassende Schlussfolgerungen• Biogasproduktion greift in den C-Kreislauf ein
– Änderung der Fruchtfolge, Erhöhung WD Anteil, Düngewirkung, CO2-Vermeidung, ...
• Problemdiskussion erfolgt kaum fachlich begründet• Biogasgüllerückführung wird oft vernachlässigt
(höhere Reproduktionsfaktoren beachten)
• GPS und Getreideeinsatz führen oft zur Steigerung der Humusreproduktion
• Gefahren für Humusreproduktion bestehen nur bei gravierender Steigerung des Maisanbaus (sofern die Humusfaktoren des VDLUFA auch für heutige Anbausysteme gelten)
TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
Zusammenfassende Schlussfolgerungen II• energetische Nutzung von Biomasse wird zunehmen, und
damit der Eingriff in die Humusbilanz• Allerdings sind die Produktionslinie sehr unterschiedlich zu
bewerten:- RME und Ethanol (Raps u. Getreide) ändert wenig am
Humusbilanz- Verbrennung bzw. Vergasung von Biomasse und BTL
führt zur Entnahme von Kohlenstoff (Bilanzver-schlechterung).
- Biogas (Basis Gülle und NAWARO) kann zu einer Verbesserung des Humussaldos beitragen.
- Bei übermäßigem Maisanbau kann die Bilanz aber auch verschlechtern werden
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TLL Jena 2007, Reinhold DLG Ackerbau
weitere Infos
www.tll.de/ainfo
Vielen Dank
für Ihre Aufmerksamkeit!