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Co-digestion of animal manures and Sudan grass in agricultural biogas plants: optimisation of fermentation substrate and biogas yield

Project Leader
Amon Thomas, Project Leader
Duration:
08.01.2001-31.07.2002
Type of Research
Applied Research

Further information: http://www.boku.ac.at/iluet/lt/th_ut/page/forschung.htm

Staff
Wagentristl Helmut, Project Staff
Refenner Karl, Project Staff (bis 30.09.2021)
Amon Barbara, Project Staff
Moitzi Gerhard, Project Staff
Kryvoruchko Vitaliy, Project Staff (bis 29.02.2008)
BOKU Research Units
Division of Agricultural Engineering
Experimental Farm Großenzersdorf
Funded by
Vienna Chamber of Commerce and Industry, Stubenring 8-10, A-1010 Wien, Austria
Abstract
Co-digestion of energy crops and animal manures in agricultural biogas plants offers considerable potentials for production of renewable energy and for improving economic efficiency of agricultural biogas production. Anaerobic digestion of Sudan grass (Sorghum sudanense) has so far not been investigated. Sudan grass yields much biomass and is thus a promising option for biogas production from energy crops.
The research project aimed at investigating biogas and methane yield from anaerobic digestion of Sudan grass and at developing recommendations on choice of variety, optimum harvesting time and conservation. Methane yield of co-digestion of Sudan grass and cattle farmyard manure was to be determined.
Experiments were carried out at lab scale with the eudiometer technology according to the German DIN standard No. 38414. Parameters of the anaerobic digestion process such as temperature or hydraulic residence time can exactly be controlled with this technology and were kept constant throughout all experiments. CO2 and CH4 concentrations in the biogas were analysed by gaschromatography. Substrate composition (Nt, NH4, Ct, cellulose, hemicellulose, crude fibre, protein, fat, dry matter, ash) was analysed before and after the digestion process. Substrate pH was monitored throughout the digestion process. Effectiveness of biogas production was assessed by the following criteria: biogas yield, methane yield, biogas quality, and decomposition of organic substance.
Experiments comprised the following trials: fresh Sudan grass varieties Susu and Piper at three different harvesting times (early, medium, late), Sudan grass silage (Piper; early and late harvesting) and mixtures of Sudan grass (Piper; early and late harvesting) and cattle farmyard manure at 30:70, and 60:40 % VS. Co-digestion with cattle farmyard manure resulted in lower energy transfer rates from biomass to methane. However, animal manures stabilise methane fermentation. The fermentation substrate stays more homogeneous than without co-digestion of sudan grass and animal manures.
After fructification, a growing lignification of sudan grass can be observed. This reduces methane yield. Thus, sudan grass should be harvested before fructification to achieve high methane yields per hectare.

Anaerobic digestion lasted for 67 days (fresh plants) and 55 days (Sudan grass silage). Biogas yield varied between 331 and 385 Nl biogas (kg VS)-1 (fresh plants) and 201 and 368 Nl biogas (kg VS)-1 (silage). Biogas contained 62 to 64 % methane. This results in methane yields between 143 and 239 Nl CH4 (kg VS)-1. Methane yield per hectare ranged from 2740 to 6248 Nm3 CH4.
Neither variety nor time of harvesting influenced the methane yield. This is due to the fact that there was no significant difference in composition of Sudan grass from different varieties and harvesting times. However, variety Susu yielded more biomass per hectare than variety Piper and thus had a higher methane yield per hectare, which is important for economic efficiency.
Biogas and methane yields decreased when Sudan grass was co-digested with cattle farmyard manure. During anaerobic digestion of Sudan grass alone, 55 to 66 % of gross energy were broken down. 31 to 47 % of gross energy were transferred to methane energy. Co-digestion with cattle farmyard manure resulted in lower energy transfer rates from biomass to methane.
Keywords
agronomy; crop husbandry; agricultural ecology; renewable energy; environmental protection;
biogas; energy grass; greenhouse gas emissions;
Publications

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In: Bundesanstalt für Alpenländische Landwirtschaft: 10. Alpenländische Expertenforum zum Thema Biogasproduktion –Alternative Biomassenutzung und Energiegewinnung in der Landwirtschaft , 18./19. März 2004, Irdning, 21- 26 ; ISBN ISBN 3-901980-72-5

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[Wintertagung 2003 für Grünland- und Viehwirtschaft, Aigen im Ennstal, Austria, 13.02.2003 - 14.02.2003]

In: Ökosoziales Forum Österreich, BAL Gumpenstein (Hrsg.): Wintertagung 2003 für Grünland- und Viehwirtschaft, 13. ¿ 14.02.03, Aigen/Ennstal, 10 - 11, Irdning

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Auftraggeber: Wiener Wirtschaftskammer

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Amon, Th. (2002): Österreich: Ökostromgesetz könnte Bauboom auslösen.

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Amon, Th., Amon, B., Hopfner-Sixt, K., Hackl, E., Jeremic, D., Boxberger J. (2001): Potentiale für kostendeckende Brennstoffpreise aus landwirtschaftlichen Biogasanlagen.
[Biogas-Brennstoffzellensysteme, Symposium über den Stand der Entwicklung und die Perspektiven, Steyr, Austria, 15.05.2001]

In: PROFACTOR Produktionsforschungs GmbH (Hrsg.): Biogas-Brennstoffzellensysteme, Symposium über den Stand der Entwicklung und die Perspektiven, 15 Mai 2001, Steyr, Beitrag 8, Steyr

Amon, Th., Hackl, E., Hopfner-Sixt. K., Amon, B., Jeremic, D., Boxberger J. (2001): Neue Entwicklungen der landwirtschaftlichen Biogaserzeugung in Österreich.
[7th international Conference for Renewable Resources, Magdeburg, Germany, 11th -12th June ]

In: NAROSA (Ed.): 7th international Conference for Renewable Resources, 11th -12th June , Magdeburg/Germany , Beitrag 12, Magdeburg/Germany

Amon Th., Hackl, E., Jeremic, D., Amon, B., Boxberger, J. (2001): Biogas production from animal wastes, energy plants and organic wastes.
[9th World Congress Anaerobic Digestion; Proceedings Part 1 Anaerobic Conversion for Sustainability, Antwerp, Belgium, 03.09.2001 - 06.09.2001]

In: van Velsen, A.F.M., Verstraete, W.H. (Eds.): 9th World Congress Anaerobic Digestion; Proceedings Part 1 Anaerobic Conversion for Sustainability, 3-6. Sept. 2001, Antwerp/Belgium, 381-387, Antwerp/Belgium

Vorträge

Amon, B. (2006): Research for climate protection-technological options for mitigation (Reclip:tom).. [Poster]

12th Ramiran International conference Technology for Recycling of Manure and Organic Residues in a Whole-Farm Perspective., 11 – 14 September, Aarhus FullText

Amon, T. (2006): Strategien zur nachhaltigen Erzeugung, Bereitstellung und Nutzung agrarischer Biomasse für die Biogaserzeugung.

biogas 06 II, 30.11.-01.12., Linz

Amon, T., Amon B., Kryvoruchko V., Hopfner-Sixt K., Moser, A., Zollitsch, W. (2006): Biogas Forum Austria-Network of research, extension service, and commercial farms.. [Poster]

12th Ramiran International conference Technology for Recycling of Manure and Organic Residues in a Whole-Farm Perspective., 11 – 14 September 2006, Aarhus FullText

Hopfner-Sixt, K., Amon, T., Milovanovic, D., Amon, B. (2006): Monitoring of energy crop digestion in Austria.. [Poster]

12th Ramiran International conference Technology for Recycling of Manure and Organic Residues in a Whole-Farm Perspective., 11 – 14 September, Aarhus FullText

Amon, Th. (2003): Methanbildungsvermögen von Energiepflanzen.

ÖKL Biogas-Spezialberater-Tagung, 11. Juni 2002, Landeslandwirtschaftskammer Linz

Amon, Th. (2003): Biogasanlagen.

Fernsehsendung Modern Times (ORF 2), 25.04.2003, Wien

Amon, Th. (2003): Biogaserzeugung in der Landwirtschaft - Potentiale, Anlagentechnik, Anlagendimensionierung aus wissenschaftlicher Sicht.

Spezialkurs für Biogasanlagenbetreiber; LFI Vorarlberg, 16. Jänner 2003, Hohenems

Amon, Th. (2003): Biogaserzeugung - Potentiale der Landwirtschaft, Anlagentechnik und Dimensionierung aus wissenschaftlicher Sicht.

Spezialkurs für Biogasinteressenten und -betreiber; Bioenergie und LFI Tirol, 21. März 2003, Volders/Innsbruck

Amon, Th. (2003): Praxisrelevante Neuigkeiten aus der Forschung.

2. Österreichische Biogastagung des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie, 05. Mai 2003, Bruck/Mur

Amon, Th. (2003): Verfahrenstechnische Eckpunkte bei der Biogaserzeugung, Einbringung und Aufbereitung der Inputmaterialien, messtechnische Erfassung der Abbauvorgänge, Parameter für die Betriebsüberwachung.

Biogasanlagenbetreiberkurs der NÖ Landes-Landwirtschaftskammer, 07. Mai 2003, Mold

Amon, Th. (2003): Biogaserzeugung aus NAWAROS - Unterschiede durch Standort, Art, Sorte und Ertrag beim Methanertrag von nachwachsenden Rohstoffen.

Biogasanlagenbetreiberkurs der NÖ Landes-Landwirtschaftskammer;, 07. Mai 2003 , Mold

Amon, Th. (2003): Landwirtschaftliche Biogasanlagen - Grundlagen, Verfahrensfragen, Energieerträge landwirtschaftlicher Nutzpflanzen.

Biogastagung für Beratungskräfte und Bezirkskammern, 05. März 2003, Landeskammer für Land- und Forstwirtschaft Graz; Landwirtschaftliche Fachschule Wetzawinkel; Gleisdorf

Amon, Th. (2003): Landwirtschaftliche Biogasanlagen - Konzeption - Nutzung von Energiepflanzen für die Biogaserzeugung.

Biogasseminar, 30. Jänner 2003, Zurndorf

Amon, Th. (2002): Methanenergiewert von Energiepflanzen.

ÖKL Biogas-Spezialberater-Tagung, 06. November 2002, Gloggnitz

Amon, Th. (2002): Mit Biogas zum Energiewirt.

Biogasspezialberatung, 01. März 2002, Bezirksbauernkammer für Land- und Forstwirtschaft Fürstenfeld

Amon, Th. (2002): Qualität vom Stall bis zum Teller: eine ganzheitliche Bewertung der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung.

Berufungsverfahrens "Nutztierökologie", 24. Juni 2002, Universität für Bodenkultur Wien

Amon, Th., Hackl, E., Jeremic, D., Amon, B., Boxberger, J. (2001): Biogas production from animal wastes, energy plants and organic wastes..

9th World Congress Anaerobic Digestion Antwerpen - Belgium, 3-6. Sept. 2001. Proceedings Part 1 Anaerobic Conversion for Sustainability, 381-387

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