Biogaserzeugung aus Energiepflanzen von nachhaltigen Fruchtfolgesystemen in der Steiermark und Ermittlung der Wirtschaftlichkeit
Abstract
Das Ziel des Projektes war es, optimale Gärrohstoffmischungen aus Energiepflanzen von typischen Standort- und Erzeugungsbedingungen der Steiermark für die Biogasproduktion zu ermitteln. Dazu wurden fünf verschiedene Energiepflanzenarten eingesetzt: (1) Zuckerrüben, (2) Mais (Silo- und Körnermais), (3) Sonnenblumen, (4) Ackerfutter (Kleegras) und (5) Getreide (Grünroggen). Alle Energiepflanzenarten wurden in Landessortenversuchen der Landeskammer für Land- und Forstwirtschaft Steiermark angebaut, geerntet und der Biomasseertrag ermittelt. Für die nachfolgenden Untersuchungen im Labor wurden alle Energiepflanzen als Silagen konserviert. Eine Ausnahme bildete der Körnermais, er wurde als CCM (Corn-Cob-Mix) eingesetzt. Neben den Energiepflanzen wurden als weitere Gärrohstoffe Schweinegülle und Rohglyzerin (Nebenprodukt der Bioethanolerzeugung) verwendet. Alle Gärrohstoffe wurden alleine und in Mischungen untersucht. Die eingesetzten Mischungen unterschieden sich in ihrem Eiweiß-Energie-Verhältnis. Es gab drei Blöcke: Block 1 = energie-betonte Mischungen (Mischungen 2 bis 5), Block 2 = eiweißbetonte Mischungen (Mischungen 6 bis 9) und Block 3 = Varianten mit ausgeglichenem Eiweiß-Energie-Verhältnis (Mischungen 10 bis 13). Der Mischung 1 (eine Mischung aus Maissilage, CCM und Schweinegülle) wurde zusätzlich 4% Rohglyzerin als ertragssteigernder Zusatzstoff beigemischt. In allen Gärrohstoffen wurden Inhaltstoffanalysen durchgeführt, um eine genaue Charakterisierung der Gärsubstrate zu haben. Basierend auf DIN 38414 und VDI 4630 (2006) wurden Stoff- und Energiewechsel der Gärrohstoffe und Mischungen während einer Vergärung von mindestens 40 Tagen bei 38°C gemessen. In den Fermentern wurde die Zusammensetzung an flüchtigen Fettsäuren bestimmt, der pH-Wert gemessen sowie der Gehalt an Methan, Schwefelwasserstoff und Ammoniak im Biogas. Inhaltsstoffanalysen wurden auch in allen Gärrückständen durchgeführt, um den Düngewert feststellen zu können. Der Abbaugrad der TS und oTS sowie der energetische Wirkungsgrad der Methanbildung wurden berechnet, die hydraulische Verweilzeit aus der zeitlichen Entwicklung des gebildeten Biogases abgeleitet. Der spezifische Biogas- und Methanertrag wurde bestimmt. Bei Monofermentation der Gärrohstoffkomponenten zeigte CCM mit 344 lN/kg oTS den höchsten spezifischen Methanertrag. Durch Kofermentation wurde dieser Wert noch übertroffen. Mit vier Mischungen wurde ein spezifischer Methanertrag der über 380 lN/kg oTS lag erzielt (Mi-schung 13: 427 lN/kg oTS, Mischung mit dem höchsten Anteil an Maissilage; Mischung 8 und 9: 395 bzw. 386 lN/kg oTS, Mischungen mit hohem Anteil an Kleegras- und Grünroggensilage; Mischung 1: 383 lN/kg oTS, Mischung mit Rohglyzerinzulage). Für diese vier Mischungen konnten auch die höchsten Kofermentationseffekte von +39 bis +49% bestimmt werden. Bis auf Mischung 12 besaßen alle Mischungen einen positiven Kofermentationseffekt. Dies bedeutet, dass durch die Fermentation von Gärrohstoffen in Mischungen fast immer mehr Methan produziert wird als durch eine alleinige Fermentation der gleichen Gärrohstoffe. Aus dem spezifischen Methanertrag und dem Biomasseertrag wurde der Methanhektarertrag berechnet. Für die Energiepflanzenmischungen wurden Regressionsgleichungen zur Schätzung des spezifischen Methanertrages erstellt (Methanenergiewertmodelle). Empfehlungen zu optimalen Gärrohstoffmischungen und ein Leitfaden zu ökologisch ausgewogenen und nachhaltigen Fruchtfolgen (inklusive Wirtschaftlichkeitsberechnungen) für die Biogaserzeugung bei typischen Standort- und Erzeugungsbedingungen der Steiermark wurden aus den Untersuchungsergebnissen abgeleitet. Möglichkeiten zur Verwendung von Zuckerrübenganzpflanzensilagen als Gärsubstrat in der Biogasproduktion wurden diskutiert und ein Biorefinery-Konzept (Kaskadennutzung) favorisiert.
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