Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem: ein Projektbericht im Rahmen der Programmlinie Energiesysteme der Zukunft, Impulsprogramm Nachhaltig Wirtschaften
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| Format: | Book |
|---|---|
| Language: | German |
| Published: |
Wien
BMVIT
2006
|
| Series: | Berichte aus Energie- und Umweltforschung
2006,80 |
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Item Description: | Literaturverz. S. 171 - 181 |
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| adam_text | Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung.........................................................................................................................................1
Abstract.................................................................................................................................................2
Zusammenfassung..............................................................................................................................3
Summary...............................................................................................................................................8
1 Einleitung............................................................................................................................13
1.1 Relevanz des Projekts im Rahmen der Programmlinie „Energiesysteme der Zukunft ..15
2 Stand des Wissens.............................................................................................................18
2.1 Literatur.....................................................................................................................................18
2.2 Eigene Vorarbeiten zum Thema..............................................................................................25
3 Ziele und Arbeitsschwerpunkte des Projekts..................................................................28
4 Vorgehensweise, Methoden und Datenbearbeitung.......................................................32
4.1 Arbeitsablauf und -durchführung der Laborversuche.........................................................32
4.1.1 Erzeugung und Aufbereitung der Energiepflanzen.................................................................32
4.1.2 Methanenergiewertbestimmung und Analyseverfahren.........................................................34
4.2 Berechnungsgrundlagen, Methanenergiewertmodell und Statistik...................................37
4.2.1 Berechnungsgrundlagen.........................................................................................................37
4.2.2 Qualitätsbewertung von Energiepflanzen mittels Methanenergiewertmodell.........................39
4.2.3 Statistik....................................................................................................................................43
4.3 Grundlagen zur Ermittlung nachhaltiger Fruchtfolgesysteme............................................43
4.3.1 Untersuchungsregionen..........................................................................................................43
4.3.2 Datengrundlagen.....................................................................................................................45
4.3.3 Betriebstypen..........................................................................................................................48
4.3.4 Fruchtfolgen und Kulturartenauswahl.....................................................................................51
4.3.5 Weiterentwicklung der Fruchtfolgen für den Energiepflanzenanbau......................................58
5 Ergebnisse..........................................................................................................................63
5.1 Biomasseertrag, Qualität, Methanhektarertrag und optimaler Erntezeitpunkt von
Energiepflanzen (Arbeitsschwerpunkt 1.1. und 1.2.)............................................................63
5.1.1 Getreide (Weizen, Roggen, Triticale)......................................................................................63
5.1.2 Sonnenblumen........................................................................................................................74
5.1.3 Wiesengras.............................................................................................................................85
5.1.4 Mais.........................................................................................................................................93
5.1.5 Trockengebiet - Region Weinviertel.....................................................................................100
5.1.6 Übergangsregion Mostviertel-Eisenwurzen NORD..............................................................103
5.1.7 Nördliche Randalpen Mostviertel-Eisenwurzen SÜD...........................................................107
5.1.8 Methanhektarerträge vollständiger Fruchtfolgen..................................................................108
5.1.9 Düngerverwertung.................................................................................................................111
5.1.10 Fazit......................................................................................................................................114
5.2 Vorbehandlung der Energiepflanzen vor dem Einbringen in den Fermenter
(Arbeitsschwerpunkt 1.4)......................................................................................................114
5.3 Substratspezifische optimale hydraulische Verweilzeit der Energiepflanzen im
Fermenter (Arbeitsschwerpunkt 1.5)....................................................................................117
5.4 Sicherer Gärverlauf und hoher Gasertrag durch das Methanenergiewertmodell
(Arbeitsschwerpunkt 2.1)......................................................................................................119
5.5 Hohe Biogasqualität (Arbeitsschwerpunkt 2.2)..................................................................121
Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem
5.6 Leitfäden für eine optimierte Biogaserzeugung aus Energiepflanzen
(Arbeitsschwerpunkt 2.3)......................................................................................................126
5.7 Leitfäden für eine effiziente Düngung mit dem Gärrückstand vergorener
Energiepflanzen (Arbeitsschwerpunkt 2.4).........................................................................137
5.8 Gasreinigung, Gasaufbereitung und Gasnutzung (Arbeitsschwerpunkt 3.1, 3.2 und
3.3)...........................................................................................................................................141
5.8.1 Anforderungen an die Gasreinigung bzw. -aufbereitung entsprechend den einzelnen
Nutzungswegen....................................................................................................................142
5.8.2 Techniken zur Gasaufbereitung............................................................................................145
5.8.3 Lettfaden zur energetischen Nutzung von Biogas................................................................156
6 Ausblick und Empfehlungen...........................................................................................167
7 Verzeichnisse...................................................................................................................171
7.1 Literaturverzeichnis...............................................................................................................171
7.2 Abbildungsverzeichnis..........................................................................................................182
7.3 Tabellenverzeichnis...............................................................................................................184
7.4 Abkürzungsverzeichnis.........................................................................................................189
8 Anhang..............................................................................................................................192
_____Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem_____
7.2 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1. Einflüsse auf die Qualität der Pflanzenbiomasse, den Gärrohstoff und das Gärgut
bei Nutzung von Energiepflanzen in der Biogaserzeugungskette.......................................14
Abbildung 2: Standorte des Energiepflanzenanbaues zur Optimierung der Gärrohstoffqualität
zur Methanerzeugung.........................................................................................................32
Abbildung 3. Grob- (a) und Feinzerkleinerung (b) der Energiepflanzen....................................33
Abbildung 4. Zerkleinerungsgrad von Silomaissilage von Pflanzen verschiedener
Vegetationsstadien.............................................................................................................33
Abbildung 5. Eudiometer-Messapparatur nach DIN 38414........................................................35
Abbildung 6. Eudiometer-Messapparatur nach DIN 38414........................................................35
Abbildung 7. Einsetzen des Probenmaterials und des Impfsubstrates in die Gärbehälter im
anaeroben Schrank.............................................................................................................36
Abbildung 8. Schema des Energiestoffwechsels.......................................................................41
Abbildung 9. Weizenbestand der Sorte Capo zu allen fünf Ernteterminen (Standort:
Loimersdorf, Niederösterreich)...........................................................................................66
Abbildung 10. Roggenbestand der Sorte Beskud zum ersten, dritten und fünften Erntetermin
(Standort: Schörfling am Attersee, Oberösterreich)............................................................66
Abbildung 11. Triticalebestand der Sorte Talentro zum ersten, dritten und fünften Erntetermin
(Standort: Lenzing, Oberösterreich)....................................................................................67
Abbildung 12. Entwicklung des Biomasseertrages der verschiedenen Getreidesorten.............70
Abbildung 13. Spezifischer Methanertrag verschiedener Getreidesorten..................................73
Abbildung 14. Methanhektarertrag verschiedener Getreidesorten............................................74
Abbildung 15. Sonnenblumenbestand der Sorte PR 63A82 zu den ersten fünf Ernteterminen
(Standort: Groß-Enzersdorf, Niederösterreich)...................................................................77
Abbildung 16. Entwicklung des Biomasseertrages der Sonnenblumensorten...........................79
Abbildung 17: Biomasseerträge von Sonnenblumensorten im Vergleich (132. Wachstumstag)
............................................................................................................................................80
Abbildung 18. Spezifischer Methanertrag der Sonnenblumensorten.........................................83
Abbildung 19. Methanhektarertrag der Sonnenblumensorten...................................................84
Abbildung 20: Biomasseerträge der unterschiedlich genutzten Wiesengrasbestände..............89
Abbildung 21: Spezifischer Methanertrag der Wiesengrasbestände im Verlauf der einzelnen
Aufwüchse..........................................................................................................................91
Abbildung 22: Methanhektarerträge der Wiesengrasbestände in den einzelnen Aufwüchsen .92
Abbildung 23. Maisbestand im Vegetationsverlauf zu verschiedenen Erntezeitpunkten...........94
Abbildung 24: Entwicklung des Biomasseertrages der verschiedenen Maissorten...................96
182
_____Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem
Abbildung 25: Spezifischer Methanertrag der verschiedenen Maissorten.................................98
Abbildung 26: Methanhektarertrag der untersuchten Maissorten zum 3. Erntetermin...............99
Abbildung 27. Einfluss verschiedener Vorbehandlungsmaßnahmen auf die spezifische
Methanausbeute...............................................................................................................116
Abbildung 28. Schwefelwasserstoffgehalt im Biogas von Gärgutmischungen im Verlauf der
Vergärung.........................................................................................................................124
Abbildung 29. Ammoniakgehalt im Biogas von Gärgutmischungen im Verlauf der Vergärung 125
Abbildung 30: Methanhektarertrag von Mais in Abhängigkeit zum Trockenmassegehalt der
Gesamtpfianze..................................................................................................................130
Abbildung 31. Erforderliche Aufbereitungsschritte für die einzelnen Nutzungswege (verändert
nach Weiland 2003a)........................................................................................................142
183
Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem
7.3 Tabellenverzeichnis
Tabelle 1. Spezifischer Biogas- und Methanertrag von Energiepflanzen nach
Literaturangaben.................................................................................................................19
Tabelle 2. Parameter der Regressionsgleichung zur Berechnung der Methanenergiewerte
von Kleegras und Mais.......................................................................................................26
Tabelle 3. Projektziele und Darstellung der Arbeitsschwerpunkte mit Beschreibung der
Frage- und Problemstellungen............................................................................................28
Tabelle 4: Klimadaten der Untersuchungsregionen...................................................................44
Tabelle 5: Standorträume und deren Betriebstypen..................................................................45
Tabelle 6: Methanhektarerträge im biologischen Landbau je Kulturart und Ertragsniveau........46
Tabelle 7: Methanhektarerträge im konventionellen Landbau je Kulturart und Ertragsniveau. .47
Tabelle 8: Konventionelle und biologische Betriebstypen in Untersuchungsregion I:
Weinviertel..........................................................................................................................49
Tabelle 9: Ausgewählte konventionelle Betriebstypen im Weinviertel.......................................49
Tabelle 10: Konventionelle und biologische Betriebstypen über die gesamte Region
Mostviertel-Eisenwurzen.....................................................................................................50
Tabelle 11: Ausgewählte biologische Betriebsmodelle in der Region Mostviertel-
Eisenwurzen (II. und III.).....................................................................................................51
Tabelle 12: Ausgewählte konventionelle Betriebsmodelle in der Region Mostviertel-
Eisenwurzen (II. und III.).....................................................................................................51
Tabelle 13: Vorgaben für Kulturanteile biologischer Fruchtfolgen.............................................52
Tabelle 14: Mittlerer Kulturartenanteil und Deckungsbeiträge biologischer Betriebe im
Weinviertel..........................................................................................................................53
Tabelle 15: Mittlerer Kulturartenanteil und Deckungsbeiträge konventioneller Betriebe im
Weinviertel..........................................................................................................................54
Tabelle 16: Mittlerer Kulturartenanteil und Deckungsbeiträge biologischer Betriebe in der
Region Mostviertel-Eisenwurzen NORD.............................................................................55
Tabelle 17: Mittlerer Kulturartenanteil und Deckungsbeiträge konventioneller Betriebe in der
Region Mostviertel-Eisenwurzen NORD.............................................................................56
Tabelle 18: Mittlerer Kulturartenanteil und Deckungsbeiträge biologischer Betriebe in der
Region Mostviertel-Eisenwurzen SÜD................................................................................57
Tabelle 19: Mittlerer Kulturartenanteil und Deckungsbeiträge konventioneller Betriebe in der
Region Mostviertel-Eisenwurzen SÜD................................................................................58
Tabelle 20: Mittlere Trockenmasse- und Stickstoffgehalte wichtiger Kulturpflanzen im
biologischen und konventionellen Landbau........................................................................61
Tabelle 21: Höchstwerte für die N-Düngung im Ackerbau bei mittlerer Ertragserwartung (laut
ÖPUL-Richtlinien 2000)......................................................................................................62
184
Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem
Tabelle 22: N-Gehalte in Frisch- und Biogasgülle unterteilt in Schweine- und Rindergülle.......62
Tabelle 23. Übersicht über wichtige Daten zu den Getreidestandorten und der Kulturführung
in den Feldsortenversuchen......................................................................................... 64
Tabelle 24. Erntezeitpunkte, Vegetationsentwicklungen und Alter der Getreidebestände zum
Emtezeitpunkti...................................................................................................................65
Tabelle 25. Frischmasseertrag, Trockenmassegehalt, Rohaschegehalt und
Trockenmasseertrag der verschiedenen Getreidearten und -sorten zum jeweiligen
Emtezeitpunkt bzw. Stadium der Vegetationsentwicklung der Bestände...........................68
Tabelle 26. Inhaltsstoffe, Energiegehalte und CH4-Ausbeute der Weizenssorten Capo und
Levendis und der Triticalesorten Talentro und Tremplin zu je 5 Emteterminen.................71
Tabelle 27. Übersicht über wichtige Daten zum Sonnenblumenstandort und der
Kulturführung in den Feldsortenversuchen.........................................................................75
Tabelle 28. Erntezeitpunkte, Vegetationsentwicklungen und Alter der
Sonnenblumenbestände zum Erntezeitpunkti...................................................................76
Tabelle 29. Frischmasseertrag, Trockenmassegehalt, Rohaschegehalt und
Trockenmasseertrag der Sonnenblumensorten zum jeweiligen Erntezeitpunkt bzw.
Stadium der Vegetationsentwicklung der Bestände...........................................................77
Tabelle 30. Inhaltsstoffe, Energiegehalte und CH4-Ausbeute der Sonnenblumensorten PR
63A82 und PR 64H41 im Vegetationsverlauf.....................................................................82
Tabelle 31. Übersicht über wichtige Daten zu den Wiesengrasstandorten und die
Kulturführung im Feldversuch.............................................................................................85
Tabelle 32. Variantenbezeichnung, Bewirtschaftungsirrtensität, Aufwuchs, Schnittzeitpunkt,
Vegetationsstadium und Wüchshöhe der Wiesengrasbestände am extensiven Standort
Buchau-Admont.................................................................................................................86
Tabelle 33. Variantenbezeichnung, Bewirtschaftungsintensität, Aufwuchs, Schnittzeitpunkt,
Vegetationsstadium und Wuchshöhe der Wiesengrasbestände am intensiver genutzten
Standort Gumpenstein-Irdning............................................................................................87
Tabelle 34. Frischmasseertrag, Trockenmassegehalt, Rohaschegehalt und
Trockenmasseertrag der verschiedenen Wiesengrasaufwüchse am extensiven Standort
Buchau-Admont..................................................................................................................87
Tabelle 35. Frischmasseertrag, Trockenmassegehalt, Rohaschegehalt und
Trockenmasseertrag der verschiedenen Wiesengrasaufwüchse am intensiveren
Standort Gumpenstein-Irdning............................................................................................88
Tabelle 36. Inhaltsstoffe, Energiegehalte und CH4-Ausbeute der extensiv genutzten Wiesen
bei Verwendung von frischen und silierten Proben (Standort Buchau-Admont).................90
Tabelle 37. Inhaltsstoffe, Energiegehalte und CH4-Ausbeute der intensiver genutzten
Wiesen bei Verwendung von frischen und silierten Proben (Standort Gumpenstein-
Irdning)................................................................................................................................91
185
Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem
Tabelle 38. Übersicht über wichtige Daten zum Maisstandort und der Kulturführung in den
Feldsortenversuchen..........................................................................................................93
Tabelle 39. Erntezeitpunkte, Vegetationsentwicklungen und Alter der Maissorten zum
Emtezeitpunkt.....................................................................................................................94
Tabelle 40. Frischmasseertrag, Trockenmassegehalt und Trockenmasseertrag der
Maissorten zum jeweiligen Erntezeitpunkt bzw. dem Stadium der
Vegetationsentwicklung der Bestände................................................................................95
Tabelle 41. Inhaltsstoffe, Energiegehalte und CH4-Ausbeute der Maissorten zum 3.
Emtetermin.........................................................................................................................97
Tabelle 42: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen biologischen Markfruchtbetrieb in
der Region Weinviertel mit Hack- und Ölfrüchten.............................................................100
Tabelle 43: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen biologischen Marktfruchtbetrieb in
der Region Weinviertel ohne Hack- und Ölfrüchte............................................................101
Tabelle 44: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen konventionellen Marktfruchtbetrieb
in der Region Weinviertel mit hohem Hackfruchtanteil.....................................................102
Tabelle 45: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen konventionellen Marktfruchtbetrieb
in der Region Wetnviertel mit hohem Ölsaatenanteil........................................................102
Tabelle 46: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen biologischen Marktfruchtbetrieb in
der Region Mostviertel-Eisenwurzen NORD.....................................................................103
Tabelle 47: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen biologischen Betrieb mit
Schweinehaltung (Zuchtsauen) in der Region Mostviertel-Eisenwurzen NORD..............104
Tabelle 48: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen biologischen Betrieb mit
Rinderhaltung (Milchkuh) in der Region Mostviertel-Eisenwurzen NORD........................105
Tabelle 49: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen konventionellen Marktfruchtbetrieb
in der Region Mostviertel-Eisenwurzen NORD.................................................................105
Tabelle 50: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen konventionellen Betrieb mit
Schweinehaltung (Mastschweine) in der Region Mostviertel-Eisenwurzen NORD..........106
Tabelle 51: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen konventionellen Betrieb mit
Rinderhaltung (Milchkuh) in der Region Mostviertel-Eisenwurzen NORD........................106
Tabelle 52: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen biologischen Betrieb mit
Rinderhaltung (Milch- Mutterkuh) in der Region Mostviertel-Eisenwurzen SÜD...............107
Tabelle 53: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen konventionellen Betrieb mit
Rinderhaltung (Milchkuh) in der Region Mostviertel-Eisenwurzen SÜD...........................108
Tabelle 54: Methanhektarerträge (Nm3 (ha a)-1) biologischer Fruchtfolgen...........................109
Tabelle 55: Methanhektarerträge (Nm3 (ha a)-1) konventioneller Fruchtfolgen......................109
Tabelle 56. Gas- und Methanhektarertrag Grünroggen - Zweitfrucht Mais.............................110
Tabelle 57: Methanhektarerträge (Nm3 (ha a)-1) der Rinder- bzw. Schweinegülle aus
biologischen und konventionellen Betrieben.....................................................................110
186
Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem
Tabelle 58: Stickstoffüberschüsse biologischer Fruchtfolgesysteme bezogen auf die
Gesamtbetriebsfläche in kg N (haa)-1.............................................................................112
Tabelle 59: Stickstoffüberschüsse konventioneller Fruchtfolgesysteme bezogen auf die
Gesamtbetriebsfläche in kg N (ha a)-1.............................................................................113
Tabelle 60. Spezifische Biogas- und Methanausbeute unterschiedlich behandelter
Energiepflanzen................................................................................................................115
Tabelle 61. Substratspezifische optimale hydraulische Verweilzeit unterschiedlich
behandelter Energiepflanzen............................................................................................118
Tabelle 62. Parameter der Regressionsgleichung zur Berechnung des Methanenergiewertes
von Mais anhand der Rohnährstoffe.................................................................................119
Tabelle 63. Parameter der Regressionsgleichung zur Berechnung des Methanenergiewertes
von Getreide anhand der Rohnährstoffe...........................................................................120
Tabelle 64. Parameter der Regressionsgleichung zur Berechnung des Methanenergiewertes
von Sonnenblumen anhand der Rohnährstoffe................................................................120
Tabelle 65. Parameter der Regressionsgleichung zur Berechnung des Methanenergiewertes
von Wiesengras anhand der Rohnährstoffe.....................................................................121
Tabelle 66. Inhaltsstoffzusammensetzung der eingesetzten Gärgüter....................................121
Tabelle 67. Zusammensetzung der Mischungen aus Mais- und Kleegrassilage, sowie
Einwaagemengen im Stoffwechselversuch und oTS-Zusammensetzung der
Mischungen.......................................................................................................................122
Tabelle 68. Spezifischer Methanertrag von Gärgutmischungen..............................................123
Tabelle 69. Methan-, Schwefelwasserstoff- und Ammoniakgehalt im Biogas von
Gärgutmischungen............................................................................................................124
Tabelle 70. Spezifischer Methanertrag von Energiepflanzen mit und ohne Zugabe eines
Biokatalysators..................................................................................................................125
Tabelle 71. Methan-, Schwefelwasserstoff- und Ammoniakgehalt im Biogas von
Energiepflanzen mit und ohne Zugabe eines Biokatalysators..........................................126
Tabelle 72. Biomasseerträge der verschiedenen untersuchten Energiepflanzen im Vergleich 127
Tabelle 73. Biogas- und Methanbildungsrate sowie Methangehalt verdaulicher Inhaltsstoffe
von Futtermitteln (nach Karpenstein-Machan 2005).........................................................131
Tabelle 74. Spezifische Methanausbeute der verschiedenen untersuchten Energiepflanzen
im Vergleich......................................................................................................................1^1
Tabelle 75. Methanhektarerträge der verschiedenen untersuchten Energiepflanzen im
Vergleich...........................................................................................................................132
Tabelle 76. Energiekennzahlen der Biogaserzeugung in spezialisierten und integrierten
Erzeugungssystemen.....................................................................................................
Tabelle 77. Volkswirtschaftliche Kennzahlen in spezialisierten und integrierten
Biogaserzeugungssystemen...........................................................................................
187
Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem
Tabelle 78 Beschäftigungswirkung spezialisierter und integrierter Biogaserzeugungssysteme136
Tabelle 79: Nährstoffabfuhr (Stickstoff, Phosphor und Kalium) verschiedener
Energiepflanzen in Abhängigkeit vom Ertragsniveau (nach KARPENSTEIN-MACHAN,
2005).................................................................................................................................140
Tabelle 80. Anforderungen an das Biogas bei der Nutzung in Mikrogasturbinen (nach
Krautkremer 2003a)..........................................................................................................143
Tabelle 81. Qualitätsanforderungen für Biogasnetzeinspeisung in Österreich (nach
Hombachner et al. 2005)1................................................................................................143
Tabelle 82. Qualitätsanforderungen an Greengas im Vergleich zu Rohbiogas (nach Schulte-
Schulze Bemdt 2003).......................................................................................................144
Tabelle 83. Verfahren zur Entwässerung von Biogas (nach Weiland 2003a)..........................146
Tabelle 84. Verfahren zur Entschwefelung von Biogas (nach Weiland 2003a).......................147
Tabelle 85. Vor- und Nachteile der biologischen Entschwefelung im Fermenter (nach
Scholwin et al. 2004a, Helms 2002).................................................................................148
Tabelle 86. Vor- und Nachteile der biologischen Entschwefelung außerhalb des Fermenters
(nach Scholwin et al. 2004a, Helms 2002).......................................................................148
Tabelle 87. Vor- und Nachteile der chemischen Entschwefelung im Fermenter (nach
Scholwin et al. 2004a).......................................................................................................149
Tabelle 88. Vor- und Nachteile der chemischen Entschwefelung außerhalb des Fermenters
(nach Scholwin et al. 2004a).............................................................................................151
Tabelle 89. Charakteristische Stoffeigenschaften von Adsorptionsmitteln (Schuttes 1996).... 151
Tabelle 90. Vor- und Nachteile der Entschwefelung durch Adsorption (nach Krill 1993).........152
Tabelle 91. Verfahren zur Methananreicherung aus Biogas (nach Schulte-Schulze Bemdt
2003 und Weiland 2003a).................................................................................................153
Tabelle 92. NOx-Grenzwerte entsprechend der TA-Luft für Gas- und Zündstrahlmotoren
(nach Simon Schwanhäußler 2004)..............................................................................158
Tabelle 93. Vor- und Nachteile von Gas-Ottomotoren mit Biogasbetrieb (nach Scholwin et al.
2004a, Mitterleitner 2002).................................................................................................158
Tabelle 94. Vor- und Nachteile von Zündstrahl-Motoren mit Biogasbetrieb (nach Scholwin et
al. 2004a, Mitterleitner 2002, Simon Schwanhäußler 2004)..........................................159
Tabelle 95. Vor- und Nachteile von Mikrogasturbinen mit Biogasbetrieb (Dielmann 2001, Arlt
2000, Willenbrink 2002)....................................................................................................160
188
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| adam_txt |
Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung.1
Abstract.2
Zusammenfassung.3
Summary.8
1 Einleitung.13
1.1 Relevanz des Projekts im Rahmen der Programmlinie „Energiesysteme der Zukunft" .15
2 Stand des Wissens.18
2.1 Literatur.18
2.2 Eigene Vorarbeiten zum Thema.25
3 Ziele und Arbeitsschwerpunkte des Projekts.28
4 Vorgehensweise, Methoden und Datenbearbeitung.32
4.1 Arbeitsablauf und -durchführung der Laborversuche.32
4.1.1 Erzeugung und Aufbereitung der Energiepflanzen.32
4.1.2 Methanenergiewertbestimmung und Analyseverfahren.34
4.2 Berechnungsgrundlagen, Methanenergiewertmodell und Statistik.37
4.2.1 Berechnungsgrundlagen.37
4.2.2 Qualitätsbewertung von Energiepflanzen mittels Methanenergiewertmodell.39
4.2.3 Statistik.43
4.3 Grundlagen zur Ermittlung nachhaltiger Fruchtfolgesysteme.43
4.3.1 Untersuchungsregionen.43
4.3.2 Datengrundlagen.45
4.3.3 Betriebstypen.48
4.3.4 Fruchtfolgen und Kulturartenauswahl.51
4.3.5 Weiterentwicklung der Fruchtfolgen für den Energiepflanzenanbau.58
5 Ergebnisse.63
5.1 Biomasseertrag, Qualität, Methanhektarertrag und optimaler Erntezeitpunkt von
Energiepflanzen (Arbeitsschwerpunkt 1.1. und 1.2.).63
5.1.1 Getreide (Weizen, Roggen, Triticale).63
5.1.2 Sonnenblumen.74
5.1.3 Wiesengras.85
5.1.4 Mais.93
5.1.5 Trockengebiet - Region Weinviertel.100
5.1.6 Übergangsregion Mostviertel-Eisenwurzen NORD.103
5.1.7 Nördliche Randalpen Mostviertel-Eisenwurzen SÜD.107
5.1.8 Methanhektarerträge vollständiger Fruchtfolgen.108
5.1.9 Düngerverwertung.111
5.1.10 Fazit.114
5.2 Vorbehandlung der Energiepflanzen vor dem Einbringen in den Fermenter
(Arbeitsschwerpunkt 1.4).114
5.3 Substratspezifische optimale hydraulische Verweilzeit der Energiepflanzen im
Fermenter (Arbeitsschwerpunkt 1.5).117
5.4 Sicherer Gärverlauf und hoher Gasertrag durch das Methanenergiewertmodell
(Arbeitsschwerpunkt 2.1).119
5.5 Hohe Biogasqualität (Arbeitsschwerpunkt 2.2).121
Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem
5.6 Leitfäden für eine optimierte Biogaserzeugung aus Energiepflanzen
(Arbeitsschwerpunkt 2.3).126
5.7 Leitfäden für eine effiziente Düngung mit dem Gärrückstand vergorener
Energiepflanzen (Arbeitsschwerpunkt 2.4).137
5.8 Gasreinigung, Gasaufbereitung und Gasnutzung (Arbeitsschwerpunkt 3.1, 3.2 und
3.3).141
5.8.1 Anforderungen an die Gasreinigung bzw. -aufbereitung entsprechend den einzelnen
Nutzungswegen.142
5.8.2 Techniken zur Gasaufbereitung.145
5.8.3 Lettfaden zur energetischen Nutzung von Biogas.156
6 Ausblick und Empfehlungen.167
7 Verzeichnisse.171
7.1 Literaturverzeichnis.171
7.2 Abbildungsverzeichnis.182
7.3 Tabellenverzeichnis.184
7.4 Abkürzungsverzeichnis.189
8 Anhang.192
_Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem_
7.2 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1. Einflüsse auf die Qualität der Pflanzenbiomasse, den Gärrohstoff und das Gärgut
bei Nutzung von Energiepflanzen in der Biogaserzeugungskette.14
Abbildung 2: Standorte des Energiepflanzenanbaues zur Optimierung der Gärrohstoffqualität
zur Methanerzeugung.32
Abbildung 3. Grob- (a) und Feinzerkleinerung (b) der Energiepflanzen.33
Abbildung 4. Zerkleinerungsgrad von Silomaissilage von Pflanzen verschiedener
Vegetationsstadien.33
Abbildung 5. Eudiometer-Messapparatur nach DIN 38414.35
Abbildung 6. Eudiometer-Messapparatur nach DIN 38414.35
Abbildung 7. Einsetzen des Probenmaterials und des Impfsubstrates in die Gärbehälter im
anaeroben Schrank.36
Abbildung 8. Schema des Energiestoffwechsels.41
Abbildung 9. Weizenbestand der Sorte Capo zu allen fünf Ernteterminen (Standort:
Loimersdorf, Niederösterreich).66
Abbildung 10. Roggenbestand der Sorte Beskud zum ersten, dritten und fünften Erntetermin
(Standort: Schörfling am Attersee, Oberösterreich).66
Abbildung 11. Triticalebestand der Sorte Talentro zum ersten, dritten und fünften Erntetermin
(Standort: Lenzing, Oberösterreich).67
Abbildung 12. Entwicklung des Biomasseertrages der verschiedenen Getreidesorten.70
Abbildung 13. Spezifischer Methanertrag verschiedener Getreidesorten.73
Abbildung 14. Methanhektarertrag verschiedener Getreidesorten.74
Abbildung 15. Sonnenblumenbestand der Sorte PR 63A82 zu den ersten fünf Ernteterminen
(Standort: Groß-Enzersdorf, Niederösterreich).77
Abbildung 16. Entwicklung des Biomasseertrages der Sonnenblumensorten.79
Abbildung 17: Biomasseerträge von Sonnenblumensorten im Vergleich (132. Wachstumstag)
.80
Abbildung 18. Spezifischer Methanertrag der Sonnenblumensorten.83
Abbildung 19. Methanhektarertrag der Sonnenblumensorten.84
Abbildung 20: Biomasseerträge der unterschiedlich genutzten Wiesengrasbestände.89
Abbildung 21: Spezifischer Methanertrag der Wiesengrasbestände im Verlauf der einzelnen
Aufwüchse.91
Abbildung 22: Methanhektarerträge der Wiesengrasbestände in den einzelnen Aufwüchsen .92
Abbildung 23. Maisbestand im Vegetationsverlauf zu verschiedenen Erntezeitpunkten.94
Abbildung 24: Entwicklung des Biomasseertrages der verschiedenen Maissorten.96
182
_Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem
Abbildung 25: Spezifischer Methanertrag der verschiedenen Maissorten.98
Abbildung 26: Methanhektarertrag der untersuchten Maissorten zum 3. Erntetermin.99
Abbildung 27. Einfluss verschiedener Vorbehandlungsmaßnahmen auf die spezifische
Methanausbeute.116
Abbildung 28. Schwefelwasserstoffgehalt im Biogas von Gärgutmischungen im Verlauf der
Vergärung.124
Abbildung 29. Ammoniakgehalt im Biogas von Gärgutmischungen im Verlauf der Vergärung 125
Abbildung 30: Methanhektarertrag von Mais in Abhängigkeit zum Trockenmassegehalt der
Gesamtpfianze.130
Abbildung 31. Erforderliche Aufbereitungsschritte für die einzelnen Nutzungswege (verändert
nach Weiland 2003a).142
183
Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem
7.3 Tabellenverzeichnis
Tabelle 1. Spezifischer Biogas- und Methanertrag von Energiepflanzen nach
Literaturangaben.19
Tabelle 2. Parameter der Regressionsgleichung zur Berechnung der Methanenergiewerte
von Kleegras und Mais.26
Tabelle 3. Projektziele und Darstellung der Arbeitsschwerpunkte mit Beschreibung der
Frage- und Problemstellungen.28
Tabelle 4: Klimadaten der Untersuchungsregionen.44
Tabelle 5: Standorträume und deren Betriebstypen.45
Tabelle 6: Methanhektarerträge im biologischen Landbau je Kulturart und Ertragsniveau.46
Tabelle 7: Methanhektarerträge im konventionellen Landbau je Kulturart und Ertragsniveau. .47
Tabelle 8: Konventionelle und biologische Betriebstypen in Untersuchungsregion I:
Weinviertel.49
Tabelle 9: Ausgewählte konventionelle Betriebstypen im Weinviertel.49
Tabelle 10: Konventionelle und biologische Betriebstypen über die gesamte Region
Mostviertel-Eisenwurzen.50
Tabelle 11: Ausgewählte biologische Betriebsmodelle in der Region Mostviertel-
Eisenwurzen (II. und III.).51
Tabelle 12: Ausgewählte konventionelle Betriebsmodelle in der Region Mostviertel-
Eisenwurzen (II. und III.).51
Tabelle 13: Vorgaben für Kulturanteile biologischer Fruchtfolgen.52
Tabelle 14: Mittlerer Kulturartenanteil und Deckungsbeiträge biologischer Betriebe im
Weinviertel.53
Tabelle 15: Mittlerer Kulturartenanteil und Deckungsbeiträge konventioneller Betriebe im
Weinviertel.54
Tabelle 16: Mittlerer Kulturartenanteil und Deckungsbeiträge biologischer Betriebe in der
Region Mostviertel-Eisenwurzen NORD.55
Tabelle 17: Mittlerer Kulturartenanteil und Deckungsbeiträge konventioneller Betriebe in der
Region Mostviertel-Eisenwurzen NORD.56
Tabelle 18: Mittlerer Kulturartenanteil und Deckungsbeiträge biologischer Betriebe in der
Region Mostviertel-Eisenwurzen SÜD.57
Tabelle 19: Mittlerer Kulturartenanteil und Deckungsbeiträge konventioneller Betriebe in der
Region Mostviertel-Eisenwurzen SÜD.58
Tabelle 20: Mittlere Trockenmasse- und Stickstoffgehalte wichtiger Kulturpflanzen im
biologischen und konventionellen Landbau.61
Tabelle 21: Höchstwerte für die N-Düngung im Ackerbau bei mittlerer Ertragserwartung (laut
ÖPUL-Richtlinien 2000).62
184
Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem
Tabelle 22: N-Gehalte in Frisch- und Biogasgülle unterteilt in Schweine- und Rindergülle.62
Tabelle 23. Übersicht über wichtige Daten zu den Getreidestandorten und der Kulturführung
in den Feldsortenversuchen. 64
Tabelle 24. Erntezeitpunkte, Vegetationsentwicklungen und Alter der Getreidebestände zum
Emtezeitpunkti.65
Tabelle 25. Frischmasseertrag, Trockenmassegehalt, Rohaschegehalt und
Trockenmasseertrag der verschiedenen Getreidearten und -sorten zum jeweiligen
Emtezeitpunkt bzw. Stadium der Vegetationsentwicklung der Bestände.68
Tabelle 26. Inhaltsstoffe, Energiegehalte und CH4-Ausbeute der Weizenssorten Capo und
Levendis und der Triticalesorten Talentro und Tremplin zu je 5 Emteterminen.71
Tabelle 27. Übersicht über wichtige Daten zum Sonnenblumenstandort und der
Kulturführung in den Feldsortenversuchen.75
Tabelle 28. Erntezeitpunkte, Vegetationsentwicklungen und Alter der
Sonnenblumenbestände zum Erntezeitpunkti.76
Tabelle 29. Frischmasseertrag, Trockenmassegehalt, Rohaschegehalt und
Trockenmasseertrag der Sonnenblumensorten zum jeweiligen Erntezeitpunkt bzw.
Stadium der Vegetationsentwicklung der Bestände.77
Tabelle 30. Inhaltsstoffe, Energiegehalte und CH4-Ausbeute der Sonnenblumensorten PR
63A82 und PR 64H41 im Vegetationsverlauf.82
Tabelle 31. Übersicht über wichtige Daten zu den Wiesengrasstandorten und die
Kulturführung im Feldversuch.85
Tabelle 32. Variantenbezeichnung, Bewirtschaftungsirrtensität, Aufwuchs, Schnittzeitpunkt,
Vegetationsstadium und Wüchshöhe der Wiesengrasbestände am extensiven Standort
Buchau-Admont.86
Tabelle 33. Variantenbezeichnung, Bewirtschaftungsintensität, Aufwuchs, Schnittzeitpunkt,
Vegetationsstadium und Wuchshöhe der Wiesengrasbestände am intensiver genutzten
Standort Gumpenstein-Irdning.87
Tabelle 34. Frischmasseertrag, Trockenmassegehalt, Rohaschegehalt und
Trockenmasseertrag der verschiedenen Wiesengrasaufwüchse am extensiven Standort
Buchau-Admont.87
Tabelle 35. Frischmasseertrag, Trockenmassegehalt, Rohaschegehalt und
Trockenmasseertrag der verschiedenen Wiesengrasaufwüchse am intensiveren
Standort Gumpenstein-Irdning.88
Tabelle 36. Inhaltsstoffe, Energiegehalte und CH4-Ausbeute der extensiv genutzten Wiesen
bei Verwendung von frischen und silierten Proben (Standort Buchau-Admont).90
Tabelle 37. Inhaltsstoffe, Energiegehalte und CH4-Ausbeute der intensiver genutzten
Wiesen bei Verwendung von frischen und silierten Proben (Standort Gumpenstein-
Irdning).91
185
Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem
Tabelle 38. Übersicht über wichtige Daten zum Maisstandort und der Kulturführung in den
Feldsortenversuchen.93
Tabelle 39. Erntezeitpunkte, Vegetationsentwicklungen und Alter der Maissorten zum
Emtezeitpunkt.94
Tabelle 40. Frischmasseertrag, Trockenmassegehalt und Trockenmasseertrag der
Maissorten zum jeweiligen Erntezeitpunkt bzw. dem Stadium der
Vegetationsentwicklung der Bestände.95
Tabelle 41. Inhaltsstoffe, Energiegehalte und CH4-Ausbeute der Maissorten zum 3.
Emtetermin.97
Tabelle 42: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen biologischen Markfruchtbetrieb in
der Region Weinviertel mit Hack- und Ölfrüchten.100
Tabelle 43: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen biologischen Marktfruchtbetrieb in
der Region Weinviertel ohne Hack- und Ölfrüchte.101
Tabelle 44: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen konventionellen Marktfruchtbetrieb
in der Region Weinviertel mit hohem Hackfruchtanteil.102
Tabelle 45: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen konventionellen Marktfruchtbetrieb
in der Region Wetnviertel mit hohem Ölsaatenanteil.102
Tabelle 46: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen biologischen Marktfruchtbetrieb in
der Region Mostviertel-Eisenwurzen NORD.103
Tabelle 47: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen biologischen Betrieb mit
Schweinehaltung (Zuchtsauen) in der Region Mostviertel-Eisenwurzen NORD.104
Tabelle 48: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen biologischen Betrieb mit
Rinderhaltung (Milchkuh) in der Region Mostviertel-Eisenwurzen NORD.105
Tabelle 49: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen konventionellen Marktfruchtbetrieb
in der Region Mostviertel-Eisenwurzen NORD.105
Tabelle 50: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen konventionellen Betrieb mit
Schweinehaltung (Mastschweine) in der Region Mostviertel-Eisenwurzen NORD.106
Tabelle 51: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen konventionellen Betrieb mit
Rinderhaltung (Milchkuh) in der Region Mostviertel-Eisenwurzen NORD.106
Tabelle 52: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen biologischen Betrieb mit
Rinderhaltung (Milch- Mutterkuh) in der Region Mostviertel-Eisenwurzen SÜD.107
Tabelle 53: Regionstypische Modellfruchtfolge für einen konventionellen Betrieb mit
Rinderhaltung (Milchkuh) in der Region Mostviertel-Eisenwurzen SÜD.108
Tabelle 54: Methanhektarerträge (Nm3 (ha a)-1) biologischer Fruchtfolgen.109
Tabelle 55: Methanhektarerträge (Nm3 (ha a)-1) konventioneller Fruchtfolgen.109
Tabelle 56. Gas- und Methanhektarertrag Grünroggen - Zweitfrucht Mais.110
Tabelle 57: Methanhektarerträge (Nm3 (ha a)-1) der Rinder- bzw. Schweinegülle aus
biologischen und konventionellen Betrieben.110
186
Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem
Tabelle 58: Stickstoffüberschüsse biologischer Fruchtfolgesysteme bezogen auf die
Gesamtbetriebsfläche in kg N (haa)-1.112
Tabelle 59: Stickstoffüberschüsse konventioneller Fruchtfolgesysteme bezogen auf die
Gesamtbetriebsfläche in kg N (ha a)-1.113
Tabelle 60. Spezifische Biogas- und Methanausbeute unterschiedlich behandelter
Energiepflanzen.115
Tabelle 61. Substratspezifische optimale hydraulische Verweilzeit unterschiedlich
behandelter Energiepflanzen.118
Tabelle 62. Parameter der Regressionsgleichung zur Berechnung des Methanenergiewertes
von Mais anhand der Rohnährstoffe.119
Tabelle 63. Parameter der Regressionsgleichung zur Berechnung des Methanenergiewertes
von Getreide anhand der Rohnährstoffe.120
Tabelle 64. Parameter der Regressionsgleichung zur Berechnung des Methanenergiewertes
von Sonnenblumen anhand der Rohnährstoffe.120
Tabelle 65. Parameter der Regressionsgleichung zur Berechnung des Methanenergiewertes
von Wiesengras anhand der Rohnährstoffe.121
Tabelle 66. Inhaltsstoffzusammensetzung der eingesetzten Gärgüter.121
Tabelle 67. Zusammensetzung der Mischungen aus Mais- und Kleegrassilage, sowie
Einwaagemengen im Stoffwechselversuch und oTS-Zusammensetzung der
Mischungen.122
Tabelle 68. Spezifischer Methanertrag von Gärgutmischungen.123
Tabelle 69. Methan-, Schwefelwasserstoff- und Ammoniakgehalt im Biogas von
Gärgutmischungen.124
Tabelle 70. Spezifischer Methanertrag von Energiepflanzen mit und ohne Zugabe eines
Biokatalysators.125
Tabelle 71. Methan-, Schwefelwasserstoff- und Ammoniakgehalt im Biogas von
Energiepflanzen mit und ohne Zugabe eines Biokatalysators.126
Tabelle 72. Biomasseerträge der verschiedenen untersuchten Energiepflanzen im Vergleich 127
Tabelle 73. Biogas- und Methanbildungsrate sowie Methangehalt verdaulicher Inhaltsstoffe
von Futtermitteln (nach Karpenstein-Machan 2005).131
Tabelle 74. Spezifische Methanausbeute der verschiedenen untersuchten Energiepflanzen
im Vergleich.1^1
Tabelle 75. Methanhektarerträge der verschiedenen untersuchten Energiepflanzen im
Vergleich.132
Tabelle 76. Energiekennzahlen der Biogaserzeugung in spezialisierten und integrierten
Erzeugungssystemen.
Tabelle 77. Volkswirtschaftliche Kennzahlen in spezialisierten und integrierten
Biogaserzeugungssystemen.
187
Optimierung der Methanerzeugung aus Energiepflanzen mit dem Methanenergiewertsystem
Tabelle 78 Beschäftigungswirkung spezialisierter und integrierter Biogaserzeugungssysteme136
Tabelle 79: Nährstoffabfuhr (Stickstoff, Phosphor und Kalium) verschiedener
Energiepflanzen in Abhängigkeit vom Ertragsniveau (nach KARPENSTEIN-MACHAN,
2005).140
Tabelle 80. Anforderungen an das Biogas bei der Nutzung in Mikrogasturbinen (nach
Krautkremer 2003a).143
Tabelle 81. Qualitätsanforderungen für Biogasnetzeinspeisung in Österreich (nach
Hombachner et al. 2005)1.143
Tabelle 82. Qualitätsanforderungen an Greengas im Vergleich zu Rohbiogas (nach Schulte-
Schulze Bemdt 2003).144
Tabelle 83. Verfahren zur Entwässerung von Biogas (nach Weiland 2003a).146
Tabelle 84. Verfahren zur Entschwefelung von Biogas (nach Weiland 2003a).147
Tabelle 85. Vor- und Nachteile der biologischen Entschwefelung im Fermenter (nach
Scholwin et al. 2004a, Helms 2002).148
Tabelle 86. Vor- und Nachteile der biologischen Entschwefelung außerhalb des Fermenters
(nach Scholwin et al. 2004a, Helms 2002).148
Tabelle 87. Vor- und Nachteile der chemischen Entschwefelung im Fermenter (nach
Scholwin et al. 2004a).149
Tabelle 88. Vor- und Nachteile der chemischen Entschwefelung außerhalb des Fermenters
(nach Scholwin et al. 2004a).151
Tabelle 89. Charakteristische Stoffeigenschaften von Adsorptionsmitteln (Schuttes 1996). 151
Tabelle 90. Vor- und Nachteile der Entschwefelung durch Adsorption (nach Krill 1993).152
Tabelle 91. Verfahren zur Methananreicherung aus Biogas (nach Schulte-Schulze Bemdt
2003 und Weiland 2003a).153
Tabelle 92. NOx-Grenzwerte entsprechend der TA-Luft für Gas- und Zündstrahlmotoren
(nach Simon Schwanhäußler 2004).158
Tabelle 93. Vor- und Nachteile von Gas-Ottomotoren mit Biogasbetrieb (nach Scholwin et al.
2004a, Mitterleitner 2002).158
Tabelle 94. Vor- und Nachteile von Zündstrahl-Motoren mit Biogasbetrieb (nach Scholwin et
al. 2004a, Mitterleitner 2002, Simon Schwanhäußler 2004).159
Tabelle 95. Vor- und Nachteile von Mikrogasturbinen mit Biogasbetrieb (Dielmann 2001, Arlt
2000, Willenbrink 2002).160
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