Rückblick: Info-Tag "Körnermaisstroh als Biogassubstrat"

Zwei landwirtschaftliche Maschinen fahren nebeneinader über ein abgeerntetes Maisfeld mit einem Maisstroh-Schwad
Körnermaisstroh ist ein interessantes Biogassubstrat mit sehr hohem Potenzial. Bislang ist das Substrat aber wenig bekannt und wird demzufolge kaum in der Praxis verwendet.
Aus diesem Grund veranstaltete das Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung sowie das Institut für Landtechnik und Tierhaltung der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL) in Kooperation mit C.A.R.M.E.N. e.V. und dem Fachverband Biogas e.V. am 20. Oktober 2016 in Grub einen Informationstag zum Thema „Körnermaisstroh als Biogassubstrat“.
Auf der Basis fundierter Forschungsergebnisse wie auch dem Erfahrungsschatz eines Praktikers konnten sich Interessierte grundlegend über die Eignung von Körnermaisstroh als Biogassubstrat informieren. Anhand von Vorträgen wurde ein breites Themenspektrum – vom Ertragspotenzial über die Siliereignung und Vergärbarkeit in der Biogasanlage bis hin zur Wirtschaftlichkeit der Maisstrohnutzung – erörtert. Zudem wurden verschiedene Erntetechniken ausgestellt und im praktischen Einsatz vorgeführt.

Zusammenfassungen der Vorträge

Körnermaisstroh - ein Substrat mit überraschendem Potenzial: Erträge und Methanausbeuten
Hintergrund
Pro Jahr fallen in Deutschland beim Körnermaisanbau etwa 3,8 Mio. t Trockenmasse (TM) Maisstroh an, die bislang ungenutzt auf dem Feld verbleiben. Demgegenüber stehen schätzungsweise 12–14 Mio. t TM Silomais, die eigens für die Verwertung in der Biogasanlage angebaut werden (FNR, 2015). Durch die Nutzung von Maisstroh als Biogassubstrat könnten folglich nennenswerte Anteile an Silomais bzw. anderen Substraten substituiert werden und zwar ohne zusätzlichen Flächenbedarf und – mit Ausnahme der Ernte – ohne weiteren Produktionsaufwand. Für die künftige Nutzung von Maisstroh in der Biogasproduktion ist jedoch eine umfangreiche Prüfung der Substrateignung notwendig. Dazu sind grundsätzliche Fragen zum Ertragspotenzial, der Maisstrohqualität und der spezifischen Methanausbeute zu klären.
Versuchsdurchführung
Seit 2013 werden am Standort Freising pflanzenbauliche Exaktversuche mit Körnermais durchgeführt. Um die Einflüsse von Sortenwahl und Erntezeitpunkt zu prüfen, werden vier bzw. (seit 2015) fünf Sorten mit unterschiedlichen Restpflanzeneigenschaften angebaut und zu drei zeitlich versetzten Terminen (im Abstand von ca. zwei Wochen, beginnend mit dem Zeitpunkt der frühen Druschreife) geerntet. Alle Varianten werden in dreifacher Wiederholung in einer Blockanlange getestet. Zur Ermittlung der Ertragsstruktur (verlustfreie Erträge und Trockensubstanz (TS) -gehalte) werden Korn und Restpflanze (= Maisstroh) bei der Ernte separat erfasst. Dazu werden die Kolben von Hand ausgebrochen und mithilfe eines stationären Dreschers in Korn und Spindel separiert. Anschließend werden die Restpflanzen jeder Parzelle mit dem Parzellenhäcksler geerntet und die gehäckselten Spindeln wieder zugemischt. Für das Maisstroh wird zudem mittels nasschemischer Analysen (Weender) die stoffliche Zusammensetzung untersucht und mithilfe von Batchversuchen die spezifische Methanausbeute im Labormaßstab gemäß VDI 4630 (2006) ermittelt.
Ergebnisse
In den bisherigen Versuchen lagen die Maisstroherträge im Gesamtmittel über alle Ver-suchsjahre bei 105 dt TM ha-1. Die Kornerträge betrugen durchschnittlich 114 dt TM ha-1. Daraus ergibt sich ein mittleres Korn:Stroh-Verhältnis von 1:0,9, das eine grobe Abschätzung des Strohanfalls erlaubt. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass der Strohertrag starken jahresbedingten Schwankungen unterliegt und auch innerhalb eines Jahres in Abhängigkeit vom Erntetermin variieren kann. So sanken im Versuchsjahr 2014 die Stroherträge signifikant von 122 dt TM ha-1 (Ernte am 13.10.2014) auf 106 dt TM ha-1 (Ernte am 4.11.2014) ab, während sich die Kornerträge nicht veränderten (130 - 134 dt TM ha-1). Dieser Trend bestätigte sich auch in den anderen Versuchsjahren. In Bezug auf die TS-Gehalte wurden 2013 und 2014 durchschnittliche Werte von jeweils 30 %, im Trockenjahr 2015 von 40 % ermittelt, wobei zumeist ein signifikanter Anstieg der TS-Gehalte im Verlauf der Abreife beobachtet werden konnte. Im labortechnischen Maßstab erweist sich Körnermaisstroh als gut vergärbar und liefert vergleichsweise hohe Methanausbeuten. Im mehrjährigen Gesamtdurchschnitt (n = 123) wurde für Maisstroh eine spezifische Methanausbeute von durchschnittlich 324 Normliter je kg organischer TM (Nl (kg oTM)-1) ermittelt, wobei sich die Werte zwischen einem Minimum von 281 Nl CH4 (kg oTM)-1 und einem Maximum von 379 Nl CH4 (kg oTM)-1 bewegten. Damit erreicht Maisstroh ca. 80 - 95 % der Methanausbeute von Silomais, die im Labormaßstab unter den gleichen Bedingungen bei rund 360 Nl CH4 (kg oTM)-1 liegt. Demnach ist anzunehmen, dass die Restpflanze auch bei einer Ernte ab der Körnerreife noch einen hohen Anteil an gut verdaulichen Bestandteilen aufweist und die fehlende Stärke vermutlich weitestgehend durch vergärbare Faserbestandteile kompensiert wird. Ein späterer Erntetermin führte in allen Versuchsjahren zu geringeren Methanausbeuten. 2013 und 2015 sanken diese signifikant (2013: 339 auf 306 Nl (kg oTM)-1; 2015: 348 auf 317 Nl (kg oTM)-1), 2014 nur tendenziell von 323 auf 313 Nl (kg oTM)-1. Einflüsse der Sortenwahl waren hingegen nur von untergeordneter Bedeutung bzw. variierten stark in Abhängigkeit vom Jahreseffekt, sodass der Sorteneffekt noch nicht endgültig geklärt werden konnte. Der Methanhektarertrag, der sich aus dem Strohertrag je ha und der spezifischen Methanausbeute unter Berücksichtigung des Rohaschegehaltes errechnet, lag für Maisstroh in den einzelnen Versuchsjahren zwischen 3100 Nm3 CH4 ha-1 und 3500 Nm3 CH4 ha-1 und erreichte damit unter den Bedingungen einer weitestgehend verlustfreien Ernte rund 45 - 50 % von Silomais. Da die Stroherträge wie auch die Methanausbeuten im Verlauf der Abreife mehrheitlich sinken, fallen die Methanhektarerträge bei später Ernte z. T. drastisch ab. Unter Versuchsbedingungen ergaben sich Einbußen von bis zu 800 Nm3 CH4 ha-1 zwischen dem ersten und dritten Erntetermin, weshalb eine frühzeitige Ernte des Maisstrohs angestrebt werden sollte.
Fazit und Ausblick
Beim Anbau von Körnermais fallen große Mengen an Maisstroh an, die bislang ungenutzt auf dem Feld verbleiben. Der Strohanfall kann dabei überschlägig über ein Korn:Stroh-Verhältnis von rund 1:0,9 abgeschätzt werden. Bei Methanausbeuten von rund 80 - 95% im Vergleich zu Silomais ergeben sich Methanhektarerträge von bis zu 45 - 50 % von Silomais. Damit ist Maisstroh ein Substrat mit vergleichsweise hohem Biogaspotenzial, insbesondere bei frühzeitiger Ernte. Ohne Berücksichtigung von Ernteverlusten kann als Faustzahl angenommen werden, dass Maisstroh von 1 ha Körnermais hinsichtlich des Methanhektarertrages etwa 0,45 ha Silomais ersetzen kann.
Referentin: Monika Fleschhut, Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der LfL
Literatur
FNR (2015): Basisdaten Bioenergie Deutschland 2015. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., Zugriff am 07.05.2016

https://mediathek.fnr.de/broschuren/bioenergie/biogas/basisdaten-bioenergie.html Externer Link

VDI 4630 (2006): Richtlinie VDI 4630 - Vergärung organischer Stoffe Substratcharakterisierung, Probenahme, Stoffdatenerhebung, Gärversuche. Ver. Dtsch. Ingenieure.
Ernte von Körnermaisstroh: Vergleich verschiedener Ernteverfahren
Hintergrund
Mit einem theoretischen Strohanfall von 3,8 Mt Trockenmasse (TM) ha-1 (in Deutschland) und hohen Methanausbeuten von 80 % bis 95 % im Vergleich zu Silomais, ist Körnermaisstroh ein interessantes Biogassubstrat. Eine wesentliche Herausforderung für die künftige Nutzung von Maisstroh liegt jedoch in einer möglichst verlust- und verschmutzungsarmen Ernte von Maisstroh. Welche Stroherträge bei der Ernte von Körnermaisstroh grundsätzlich erzielt werden und wie hoch die Verschmutzung und die Trockensubstanz (TS) -gehalte nach der Bergung sind, wird in einem dreijährigen praxisnahen Großversuch für verschiedene Ernteverfahren unter variierenden Erntebedingungen untersucht.
Versuchsdurchführung
In den Jahren 2014 und 2015 wurden an der LfL-Versuchsstation Grub acht Ernteverfahren (vier Schwadtechniken und zwei Bergungstechniken) unter Praxisbedingungen auf insgesamt 64 Großparzellen in vierfacher Wiederholung getestet. Als Schwadtechniken wurden der BioChipper (BioG GmbH, Österreich), der Schwadhäcksler UP-6400 (Uidl Biogas GmbH/Agrinz Technologies GmbH, Österreich), der Mais Star* Collect (Carl Geringhoff Vertriebsgesellschaft mbH & Co.KG, Deutschland) und der Merge Maxx 900 bzw. 902 (Kuhn S.A., Frankreich) eingesetzt. Die Bergung erfolgte mit dem Feldhäcksler (Claas Jaguar 960) und dem Kurzschnittladewagen (Krone ZX 400 GL bzw. Claas Cargos 8400). Um den Effekt unterschiedlicher Erntebedingungen testen zu können, wurden für alle Ernteverfahren zwei Feldliegezeiten (Schwaden und Bergung direkt nach dem Drusch sowie vier Tage nach dem Drusch) und verschiedene Strohverhältnisse (drei Sorten mit unterschiedlichen TS-Gehalten und Strohmengen) simuliert. Zur Ermittlung des theoretischen Maisstrohpotenzials, wurde für jede Parzelle eine Handernte durchgeführt und der Strohertrag (= Gesamtpflanze abzüglich der Körner; Schnitthöhe direkt über dem Boden) erhoben. Durch Aufsammeln und Verwiegen der Schwadmenge eines laufenden Meters wurde der auf Schwad gelegte Strohertrag erfasst. Zielgröße des Versuches war der abgefahrene Strohertrag. Hierfür wurden die Schwade der jeweiligen Parzelle mit dem Häcksler bzw. Ladewagen geborgen und anschließend verwogen. Um zusätzlich auch die Maisstrohqualität in Abhängigkeit des Ernteverfahrens beurteilen zu können, wurde das geschwadete wie auch das geborgene Maisstroh beprobt und der TS- und Rohaschegehalt (als Maß für die Verschmutzung) bestimmt.
Ergebnisse
Die verlustfreien TM-Kornerträge betrugen 2014 115,9 dt ha-1 und 2015 122,2 dt ha-1, während sich das theoretische Maisstrohpotenzial auf einen TM-Ertrag von 97,6 dt ha-1 (2014) und 115,8 dt ha-1 (2015) belief. Im Mittel über alle Ernteverfahren und Erntebedingungen wurden davon in den beiden Versuchsjahren 53,1 dt ha-1 bzw. 57,2 dt ha-1 auf Schwad gelegt und 45,6 dt ha-1 bzw. 49,5 dt ha-1 mit dem Feldhäcksler bzw. Ladewagen geborgen. Damit beliefen sich die Bergungsraten auf 47 % (2014) bzw. 43 % (2015). Im zweijährigen Vergleich wurden mit den Schwadtechniken BioChipper, Schwadhäcksler UP-6400 und Merge Maxx 900/902 vergleichbare Stroherträge geschwadet (51,7 dt ha-1 bis 53,8 dt ha-1), während die auf Schwad gelegten Stroherträge beim Mais Star* Collect mit 64,8 dt ha-1 tendenziell (p = 0,0712) höher waren. Die abgefahrenen Stroherträge bewegten sich zwischen 42,7 dt ha-1 (Schwadhäcksler UP-6400) und 50,7 dt ha-1 (Mais Star* Collect), wobei die Schwadtechniken BioChipper und Merge Maxx 900/902 mit 46,4 dt ha-1 und 47,4 dt ha-1 dazwischen lagen. In beiden Versuchsjahren erwiesen sich Feldhäcksler und Ladewagen völlig gleichwertig hinsichtlich der Ernteleistung. Die Feldliegezeit hatte einen deutlichen Effekt auf die abgefahrenen Stroherträge. Eine verzögerte Ernte führte dabei mit Ausnahme des Merge Maxx 900/902 bei allen Schwadtechniken zu größeren Ernteverlusten, wobei der Effekt bei den Schwadtechniken Bio-Chipper und Schwadhäcksler UP-6400, bei denen die Aufnahme des Maisstrohs über eine Sogwirkung erfolgt, stärker ausgeprägt war. Der gesamtdurchschnittliche Strohertrag reduzierte sich unter den Bedingungen der längeren Feldliegezeit signifikant von 47,4 auf 43,9 dt ha-1. Der Anbau verschiedener Sorten (= verschiedene Strohverhältnisse, bedingt durch unterschiedliche Stroh-TS-Gehalte und Strohpotenziale) führte nicht zu eindeutigen Effekten auf die Abfuhrraten. Tendenziell wurden jedoch höhere Erntemengen bei Sorten mit höherem Strohpotenzial erzielt und zudem scheint der TS-Gehalt des Maisstrohs in Abhängigkeit von der Funktionsweise der Schwadtechnik ebenfalls eine Rolle zu spielen. BioChipper und Schwadhäcksler UP-6400 erzielten dabei tendenziell höhere Erntemengen bei höheren TS-Gehalten des Maisstrohs, wohingegen die Ernteleistung beim Mais Star* Collect eher bei geringen TS-Gehalten des Maisstrohs besser war. Die TS-Gehalte des geborgenen Maisstrohs lagen unmittelbar vor der Ernte bei 35% (2014) bzw. 33% (2015), nach der Strohernte bei 41,6 % (2014) bzw. 59,5 % (2015), weshalb eine starke Nachtrocknung während der Strohernte bzw. –liegezeit angenommen werden kann. Mit einem gesamtdurchschnittlichen Rohaschegehalt von 7,0 % war die Verschmutzung des Maisstrohs unproblematisch. Bei allen Schwadtechniken lagen die Rohaschegehalte unter dem Zielwert von 10 %. Bezüglich der Qualitätsparameter TS-Gehalt und Rohaschegehalt unterschied sich lediglich der Mais Star* Collect von den anderen Schwadtechniken. Eine Ernte mit dem Mais Star* Collect führte zu signifikant geringeren TS-Gehalten (46,5 %) und auch Rohaschegehalten (5,7 %) im Erntegut während die übrigen Schwadtechniken auf einem vergleichbaren Niveau lagen (TS-Gehalte von 51,1 % bis 52,5 %; Rohaschegehalte von 7,1 % bis 7,6 %). Allerdings ist der Einfluss der Erntetechnik auf den TS-Gehalt dem Effekt der Witterungsbedingungen zur Ernte deutlich untergeordnet. Für eine umfassende Bewertung der Erntetechniken müssen jedoch neben den hier untersuchten Parametern (Strohertrag, TS- und Rohaschegehalt) weitere Merkmale (z. B. Flächenleistung, Zerkleinerungsgrad, Verschleiß,…) verglichen werden.
Fazit und Ausblick
Die derzeit zur Verfügung stehenden Erntetechniken sind grundsätzlich zur Maisstrohernte geeignet und ermöglichten zusätzlich zum Kornertrag einen Maisstrohertrag von durchschnittlich 46 - 50 dt TM ha-1 – abhängig von der Wahl der Schwadtechnik und insbesondere den vorherrschenden Erntebedingungen. Mit Bergungsraten von unter 50 % sind die Ernteverluste aktuell noch sehr hoch. Derzeit findet man am Markt weitere Erntetechniken, die im Projektjahr 2016 ebenfalls getestet werden. Als Faustzahl kann aufgrund der bisher realisierten Bergungsraten und Methanerträge angenommen werden, dass Maisstroh von 1 ha Körnermais hinsichtlich des möglichen Methanhektarertrages etwa 0,2 - 0,25 ha Silomais ersetzen kann.
Referent: Stefan Thurner, Institut für Landtechnik und Tierhaltung der LfL
Stroh silieren? Untersuchungen zur Siliereignung von Körnermaisstroh
Der Begriff „Stroh“ kann zu einer falschen Vorstellung über die Silierbarkeit der Körnermais-Restpflanze verleiten. In den Jahren 2012 bis 2015 wurden daher standardisierte Silierversuche nach Vorgaben der DLG zur Prüfung von Siliermitteln durchgeführt. Ziel war es, die Silierbarkeit von Körnermais-Restpflanzen durch mehrjährige Versuche einschätzen zu können. Das Erntegut hierzu stammte aus pflanzenbaulichen Exaktversuchen, von Praxisbeprobungen und aus praxisnahen Erntetechnikversuchen der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft.
Silierbarkeit von Körnermaisstroh
Grundsätzlich sind für eine erfolgreiche Silierung ausreichende Gehalte an Feuchtigkeit für die mikrobielle Aktivität sowie an vergärbaren Zuckern (Wasserlösliche Kohlenhydra-te, WLK) zur Überwindung der Pufferkapazität und ausreichenden Absenkung des pH-Werts erforderlich. Diese Eigenschaften werden durch den sogenannten Vergärbarkeitskoeffizienten (VK) nach Weißbach et al. (1974) beschrieben, welcher nach folgender Formel berechnet wird:
VK = TM (%) + 8 x WLK (% TM) : Pufferkapazität g/100g
Liegt der VK oberhalb der Marke von 45 Punkten, gilt das Material grundsätzlich als leicht silierbar. Für alle in dieser Untersuchung verwendeten Erntegüter wurden mindestens 45 Punkte berechnet. Körnermaisstroh kann somit allgemein als leicht silierbar eingestuft werden.
Silagequalitäten aus pflanzenbaulichen Exaktversuchen
In den Jahren 2013 und 2014 wurden Körnermais-Restpflanzen aus pflanzenbaulichen Exaktversuchen (vier Sorten, drei zeitlich versetzte Erntetermine) für standardisierte Silierversuche nach den Vorgaben der DLG zur Prüfung von Siliermitteln in Laborsilos einsiliert. Nach 90 Tagen Silierdauer bei 25 °C wurden die üblichen Gärparameter bestimmt. Insgesamt wurden gute bis sehr gute Silagequalitäten erzielt, allerdings kann bei frühzeitig geernteten Restpflanzen mit Trockenmasse-Gehalten von ca. 25 % (in der Praxis werden 35 % TM meist übertroffen) auch Buttersäure vorkommen. Dies ist möglicherweise aus energetischer bzw. emissionstechnischer Sicht interessant, stellt jedoch für den Betrieb der Biogasanlage nach dem derzeitigen Wissensstand kein Problem dar. Sekundäre Stoffwechselprodukte von Schimmelpilzen, wie sie bei Nacherwärmungsgeschehen auftreten, könnten hier schon eher von Relevanz sein. Diesbezüglich fiel auf, dass das vergleichsweise sauber und schnell einsilierte Erntegut aus Exaktversuchen stärker zu Nacherwärmung und aerobem Verderb neigte als Praxismaterial.
Silagequalitäten aus Praxis-Erntegut
In den Jahren 2012 bis 2015 konnte unter Praxisbedingungen erzeugtes Erntegut für standardisierte Silierversuche gewonnen werden. Die erzielten Silagequalitäten mit Trockenmasse-Gehalten von 34 % bis 71 % waren über den gesamten Versuchszeitraum hinweg gut bis sehr gut. Bei vergleichsweise geringen TM-Verlusten während der luftdichten Lagerung wurden dennoch ausreichend niedrige pH-Werte erreicht. Darüber hinaus erwiesen sich die erzeugten Laborsilagen nach dem Auslagern als aerob sehr stabil. Nahezu ausnahmslos war bis 9 Tage nach Auslagerung kein Anstieg der Silagetemperatur zu verzeichnen. Diese gesteigerte aerobe Stabilität (im Vergleich zum Erntegut aus den pflanzenbaulichen Exaktversuchen) könnte allerdings auf Umsetzungsprozesse während der Feldliegezeit zurückzuführen sein. Zumindest die stark reduzierten Nitratgehalte nach verlängerter Feldliegezeit deuten darauf hin. Umsetzungsprozesse gehen grundsätzlich nicht verlustfrei von statten, die Quantifizierung der Verluste war bislang jedoch nicht möglich.
Verdichtbarkeit von Körnermaisstroh
Grundsätzlich zeigte der Versuch, Körnermaisstroh in einem Silotunnel einzusilieren, deutlich das Hauptproblem bei der Maisstrohsilierung im Praxismaßstab auf. Zum einen lässt es sich nur schwer verdichten und erfordert daher viel Transport- und Silovolumen, zum anderen findet eindringender Sauerstoff (z. B. bei Folienverletzungen) relativ locker gepacktes Siliergut mit einem großen Gasanteil und wenig Barrierewirkung vor. Die Eindringtiefe für Sauerstoff ist daher hoch, direkt abhängig davon auch das mögliche Ausmaß an aerobem Verderb des ansonsten gut silierbaren Körnermaisstrohs. Die eingesetzte Siliertechnik war im Versuch nur bedingt in der Lage hohe Raumgewichte zu erzeugen, was gerade dann problematisch ist, wenn die Fixierung der Silofolie auf dem Eigengewicht der Silage beruht. Grundsätzlich können mit dem Silotunnel sehr hohe Verdichtungen erreicht werden, das haben ältere Untersuchungen an der LfL Grub mit unterschiedlichen Siliergütern gezeigt, allerdings konnten die ermittelten Dichten (im Mittel der Bohrungen ca. 100 kg TM/m3, berechnet nach Erntemasse und Tunnelvolumen ca. 140 kg TM/m3) beim Maisstroh nicht zufriedenstellen. Ein zur Einordnung dieser Ergebnisse erforderlicher Vergleichsversuch zu Fahrsiloanlagen liegt noch nicht vor. Es kann aus diesen ersten Ergebnissen aber abgeleitet werden, dass für die Maisstrohlagerung deutlich mehr Siloraum im Vergleich zur Maissilage (Basis TM) vorgehalten werden muss.
Fazit
Körnermaisstroh wurde über einen Zeitraum von 4 Jahren hinsichtlich der Silierbarkeit im Labor- und Praxismaßstab untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Maisstroh (auch bei höheren Trockenmasse-Gehalten) grundsätzlich sicher siliert, wenn Sauerstoffabschluss gewährleistet ist. Die aerobe Stabilität ist vergleichsweise hoch und leidet nicht unter einer verlängerten Feldliegezeit. Dennoch sollte für die Silierung eine möglichst schnelle Ernte mit geringen Feldliegezeiten angestrebt werden, um Feldverluste zu vermeiden. Eine schmutzarme Bergung ist auch unter Praxisbedingungen möglich und ist hinsichtlich Silagequalität, Materialverschleiß und Fermenterfunktion dringend anzustreben. Die Verdichtbarkeit im Silo ist sowohl beim Transport als auch im Lager sehr eingeschränkt und erfordert im Vergleich zum Silomais zusätzlichen Siloraum sowie idealerweise eine „Beschwerung“ (z. B. Grassilage) der obersten Schichten im Fahrsilo.
Referent: Dr. Johannes Ostertag, Landwirtschaftliches Technologiezentrum Augustenberg, Referat Futtermittel
Auswirkungen von Vorbehandlungstechnologien auf die Nutzbarkeit von Maisstroh zur Biogasproduktion
Biogas kann aus verschiedenen Rohstoffen gewonnen werden. Ein großes Potential liegt in der Nutzung von lignozellulosehaltiger Biomasse wie zum Beispiel Stroh, welches beim Anbau von Getreide, Mais, Ölsaaten sowie verschiedenen anderen Kulturen anfällt.
Die in der Biomasse enthaltenen Inhaltsstoffe, insbesondere die Kohlehydrate müssen zu einem möglichst hohen Anteil abgebaut werden können, damit daraus ein optimaler Biogas- bzw. Methanertrag erzielt werden kann. In der Substrataufbereitung liegt ein großes Potential zur Optimierung der Gesamtanlage, wobei es nicht nur um die Steigerung der Methanerträge aus dem Substrat geht, sondern auch um eine erhöhte Abbaukinetik, eine geringere Viskosität des Substrates in Rohrleitungen, eine geringere Verstopfungsanfälligkeit von Pumpen und nicht zuletzt auch Aspekte der Hygienisierung. Durch eine Aufbereitung soll erreicht werden, dass hydrolytische und methanbildende Mikroorganismen günstige Bedingungen für die Biogasbildung vorfinden. Zudem erfordert der Einsatz von agrarischen Reststoffen in einer Biogasanlage eine entsprechende Adaptierung der eingesetzten Technologien. Veränderte Eigenschaften der Einsatzstoffe stellen veränderte Ansprüche vor allem an die Einbringung der Einsatzstoffe in den/die Fermenter, an das Durchmischen des Fermenterinhaltes oder an die Temperaturregelung.
Für die Vorbehandlung von Biomasse können chemische, enzymatische/biologische und physikalische Verfahren für die Vorbehandlung verwendet werden. Zu den in der Praxis eingesetzten Technologien zählen vor allem physikalischen Verfahren wie z.B. die mechanische Zerkleinerung, aber auch biologische Verfahren und Kombinationen. Eine mechanische Zerkleinerung wirkt sich positiv auf die Abbaubarkeit der Substrate aus. Je stärker ein Substrat zerkleinert wird, umso größer wird dessen Oberfläche und somit die Angriffsfläche für den mikrobiellen Abbau. Je weitgehender das Substrat zerkleinert wurde, desto unproblematischer verhalten sich Substratmischungen beispielsweise aus Flüssigmist und Maisstroh. Seit ein paar Jahren werden erste Praxisanlagen mit der thermisch-physikalischen Kombination der sogenannten „Steam explosion“ im landwirtschaftlichen Bereich eingesetzt. Bei der Steam explosion wird sowohl auf der morphologischen als auch auf der molekularen Ebene eine mehr oder weniger starke Zerstörung der Struktur erreicht. Dabei spielen einerseits verschiedene chemische Prozesse die entscheidende Rolle, die bei hohen Temperaturen (140 bis 200°C) und korrespondierendem Druck in der Biomasse ablaufen, andererseits aber auch mechanische Belastungen, die durch die plötzliche Entspannung der Biomasse entstehen.
Konsequenzen für die Umsetzung in der Praxis
Ob und welche Vorbehandlungstechnologie gewählt wird, richtet sich maßgeblich nach den betriebsindividuellen Rahmenbedingungen. Dabei muss geklärt werden inwieweit die verschiedenen Optimierungspotenziale (siehe oben) ausgeschöpft werden können und die installierte Technik (Einbringsysteme, Pumpen, Rührwerke) angepasst werden muss. Die Wirtschaftlichkeit einer Vorbehandlung wird maßgeblich u.a. vom Durchsatz und der Leistungsaufnahme beeinflusst. Eine Anpassung und Optimierung der Technologien an den speziellen Bedarf der Aufbereitung von Einsatzstoffen für die Biogasherstellung ist teilweise noch ausständig. Gerade im Hinblick auf bestehende Einbringsysteme und die Rührtechnik fordert der Einsatz von agrarischen Reststoffen, wie strohartiger Biomasse, eine konsequente und effektive Vorbehandlung um Probleme im Betrieb zu vermeiden.
Referent: Dr. Alexander Bauer, Institut für Landtechnik der Universität für Bodenkultur, Wien, Österreich
Verwertung von Körnermaisstroh-Silage in Biogasanlagen - Eine erste ökonomische Einschätzung
Hintergrund
In den Jahren 2014 und 2015 testeten Fleschhut und Thurner an der LfL-Versuchsstation Grub acht Maisstroh-Ernteverfahren (vier Schwadtechniken und zwei Bergungstechniken) unter Praxisbedingungen auf insgesamt 64 Großparzellen in vierfacher Wiederholung. Durch die Erhebung verfahrenstechnischer Parameter liegen nun verlässliche Zahlen zu den anfallenden Strohmengen und den Massenverlusten in der Verfahrenskette (vom Mähdrescher bis zum Fahrsilo) vor. In weiteren Untersuchungen wurden die Qualitäten und Methanerträge von Maisstroh untersucht. Dem folgenden Kostenvergleich liegen damit ausschließlich die an der LfL erfassten Praxiszahlen zugrunde, mit zwei Ausnahmen: Die Lagerverluste wurden im Rahmen einer Experteneinschätzung bestimmt (siehe auch Tab. 1) und die im Praxisversuch fehlenden Kostenpositionen wurden durch Zahlen des Internet-Deckungsbeitragsrechners der LfL (siehe Link) ergänzt. Auch versteht sich der Kostenvergleich lediglich als eine erste ökonomische Einschätzung. Die Wirkung der Maisnutzung (Ganzpflanze, Körner und Stroh) auf Humusbilanz, Fruchtfolge, Nährstoffbilanz und Erosion ist stets im Kontext des Einzelbetriebs zu betrachten und ökonomisch zu bewerten. Durch diese Nebeneffekte im einzelbetrieblichen Anbausystem können zusätzliche Vorteile (Gutschriften) oder Nachteile (Kosten) auftreten.

LfL Deckungsbeiträge und Kalkulationsdaten Externer Link

Tab. 1: Der Bewertung zugrundeliegende Versuchsdaten sowie weitere praxisnahe Annahmen (Auswahl)
Mais-Ganzpflanze Mais-Stroh
Ernte
Hektarertrag (Trockenmasse) Tonne Trockenmasse je Hektar 17,28
Korn-Stroh-Verhältnis 1,00 0,92
Ernteverluste Prozent Trockenmasse 0 58,7
Lagerung im Fahrsilo
Lagerverluste Prozent Trockenmasse 6 8
Verwertung in Biogasanlage (nach Lagerung/Lagerverluste)
Hektarertrag (Trockenmasse) Tonne Trockenmasse je Hektar 16,24 3,72
Organischer Trockenmasseanteil Prozent oTM 95 93
Methanertrag Normliter Methan je kg oTM 337 295
„Hektar-Methanertrag“ Nm3 Methan je Hektar 5.200 1.020
Elektrischer Nutzungsgrad der Methanverwertung durch KWK Prozent 40 40
„Hektar-Stromertrag“ Kilowattstunden je Hektar 20.759 4.072
Verfahrenskosten „Mais-Ganzpflanze“, „Mais-Körner“ und „Mais-Stroh“
Für die folgenden drei Verfahren wurden die Kosten bestimmt:
  • Mais-Ganzpflanze: Ernte des siloreifen Maisbestands als Ganzpflanze mit dem Feldhäcksler, Lagerung im Fahrsilo als Monosilage und Verwertung der Silage in der Biogasanlage. Die Maissilage trägt alle anfallenden Kosten.
  • Mais-Körner: Ernte des druschreifen Maisbestands zur Körnernutzung mit dem Mähdrescher und Verkauf der „feuchten“ Körner an ein Erfassungslager. Der Körnermais trägt alle anfallenden Kosten.
  • Mais-Stroh: Bergung des Maistrohs mit einer Variante der vier untersuchten Schwadtechniken und einem Feldhäcksler, Lagerung im Fahrsilo als Monosilage und Verwertung der Silage in der Biogasanlage. Das Maisstroh selbst steht kostenfrei zur Verfügung, die Maisstrohsilage trägt lediglich die Kosten, die nach dem Mähdrescher anfallen.
Die Kosten der Ganzpflanzen- und Strohnutzung sowie der Gewinnbeitrag der Körnernutzung finden sich in Tab. 2 und verstehen sich ohne Pachtzins. Der Pachtzins würde die Kosten erhöhen und ggf. den Gewinnbeitrag verringern.
Tab. 2: Verfahrenskosten „Mais-Ganzpflanze“, „Mais-Körner“ und „Mais-Stroh“
Hektarertrag (Trockenmasse, nach Abzug der Lagerverluste) „Hektar-Stromertrag“ Vollkosten (ohne Pachtzins) Gewinnbeitrag (ohne Pachtzins)
t TM/Hektar kWhel/Hektar Euro/Hektar Cent/kWhel. Euro/Hektar
Mais-Ganzpflanze 16,24 20.759 1.823,54 8,78
Mais-Körner3 8,63 - - - 236,60
Mais-Stroh 3,72 4.072 311,93 7,66
Mais als Ganzpflanze häckseln oder alternativ die Körner- und das Maisstroh nutzen?
Zur Beantwortung dieser Frage muss klar sein, in welcher Situation sich der Landwirt oder Biogasanlagenbetreiber befindet. Dazu drei als Szenarien bezeichnete Beispiele:
  • Szenario 1: Der Maisbestand soll als Ganzpflanze gehäckselt, im Fahrsilo gelagert und danach in der Biogasanlage verwertet werden. Ohne Pachtzins ergeben sich Kosten „frei Eintrag“ in Höhe von 8,78 Cent je erzeugter Kilowattstunde. Bei einem Pachtzins von rund 300 Euro je Hektar übersteigen die Kosten 10 Cent, ab etwa 700 Euro je Hektar übersteigen die Kosten 12 Cent je Kilowattstunde.
  • Szenario 2: Das Maisstroh wird geschwadet, gehäckselt, im Fahrsilo gelagert und in der Biogasanlage verwertet. Da alle Kosten bis einschließlich dem Mähdrescher vom Körnermais getragen werden, steht das Maisstroh als kostenfreier Reststoff zur Verfügung. Es fallen lediglich die Kosten der Strohbergung und -lagerung an. Die Kosten „frei Eintrag“ belaufen sich auf 7,66 Cent je erzeugter Kilowattstunde. Die Kosten sind unabhängig vom Pachtzins und bleiben auch bei steigendem Pachtpreisniveau konstant bei 7,66 Cent, obwohl die Körnermaiserzeugung ab einem Pachtpreisniveau von rund 240 Euro je Hektar einen negativen Gewinnbeitrag aufweisen würde.
  • Szenario 3: Wie Szenario 2, jedoch wird der Gewinnbeitrag der Körnermaisnutzung an die Maisstrohnutzung weitergegeben. Gleiches gilt auch, falls die Körnermaisnutzung ab Pachtpreisen von rund 240 Euro je Hektar einen negativen Gewinnbeitrag (=Verlust) beisteuern würde. Damit wird die Maisstrohverwertung bis zu einem Pachtzins von rund 240 Euro je Hektar günstiger. Jedoch ab einem Pachtzins größer 240 Euro verteuert sich die Maisstrohsilage. Bei einem Pachtpreisniveau von gut 300 Euro je Hektar belaufen sich die Kosten der Maisstrohsilage „frei Eintrag“ auf rund 10 Cent je erzeugter Kilowattstunde, ab gut 400 Euro je Hektar auf rund 12 Cent je erzeugter Kilowattstunde. Aufgrund des deutlich niedrigeren Methanhektarertrags der Maisstrohsilage gegenüber der Ganzpflanzensilage steigen die Kosten des Maisstrohs bei steigendem Pachtzins auch deutlich schneller an als bei der Ganzpflanze.
Bei Verwertung der Ganzpflanze in der Biogasanlage reagieren die Kosten am geringsten auf ein steigendes Pachtpreisniveau. Sie bietet darüber hinaus den höchsten Hektar-Methanertrag. Aus beiden Gründen ist diese Ganzpflanzennutzung zu bevorzugen, insofern die Kosten im Vordergrund stehen und keine größeren Ausgleichsmaßnahmen (z.B. Kosten für Humuszufuhr oder Humusaufbau) notwendig sind. Wird jedoch Körnermais zur Tierfütterung oder aus anderen Gründen angebaut, und steht das Maisstroh kostenfrei als Reststoff zur Verfügung, ist die Maisstroh-Verwertung in Biogasanlagen zum klassischen Silomais (aus der Ganzpflanze) konkurrenzfähig oder sogar günstiger. Allerdings wird hier unterstellt, dass die Biogasanlage ohne größere technische Veränderungen und Zusatzkosten die Maistrohsilage einsetzen kann. Dies könnte besonders bei kleineren Massenanteilen der Maisstrohsilage im Substratmix der Fall sein. Aus Sicht des reinen Biomasse-Erzeugers, welcher anhand des maximalen Gewinnbeitrags entscheidet, ob der Mais als Ganzpflanze vom Biogasanlagenbetreiber abgeholt oder zum Körner- und Maisstrohverkauf gedroschen wird, wird der Mais meist als Ganzpflanze verkauft werden. Denn nur bei überdurchschnittlichen Kornerträgen, bei überdurchschnittlichen Marktpreisen für Körnermais und einem niedrigen Pachtpreisniveau wird der Gewinnbeitrag aus Körnermais mit Maisstroh größer sein als bei Verkauf des Maises als Ganzpflanze. Allerdings muss der reine Biomasseerzeuger berücksichtigen, dass die Körner- und Maisstrohnutzung positive Effekte auf seine Humus- und Nährstoffbilanz im Betrieb haben, und die Abfuhr als Ganzpflanze Kosten für entsprechende Ausgleichsmaß-nahmen nach sich ziehen könnte.
Fazit und Ausblick
Besonders bei höheren Pachtpreisniveaus ist die Nutzung der Ganzpflanze aus betriebswirtschaftlicher Sicht zu bevorzugen. Die Effekte auf Humus, Nährstoffe, Fruchtfolge und Erosion wurden in diesem Beitrag nicht bewertet. In Fällen, bei denen das Maisstroh als klassischer Reststoff und eine zur Verwertung geeignete Biogasanlage zur Verfügung steht, ist das Maisstroh konkurrenzfähig und könnte dessen Nutzung an Bedeutung gewinnen. Obwohl knapp 60 Prozent der Stroh-Trockenmasse bei der Ernte auf dem Feld verbleiben, könnte ein Hektar Maisstroh den Anbau von gut 0,2 Hektar Ganzpflanzen-Maissilage ersetzen. Aber auch gerade weil knapp 60 Prozent der Stroh-Trockenmasse bei der Ernte auf dem Feld verbleiben, könnte die Maisstrohnutzung als Alternativ zum Häckseln der Ganzpflanze aus einzelbetrieblicher Sicht interessant sein, um beispielsweise die betriebliche Humusbilanz zu verbessern. Auch das Saftbindevermögen des Maisstrohs könnte in Zukunft eine Rolle spielen. Diese besonders bei Mischsilagen gewünschte Eigenschaft könnte die Lagerung von saftreichen Mischpartnern (beispielsweise der Zuckerrübe) im Fahrsilo erleichtern und deren Sickersaftanfall verringern. Jedoch besteht diesbezüglich noch Forschungsbedarf.
Referent: Martin Strobl, Institut für Betriebswirtschaft und Agrarstruktur der LfL
Bericht aus der Praxis: Nutzung von Körnermaisstroh in der Biogasanlage
Die Biogasanlage Margarethen am Moos wurde im Jahr 2005/2006 von Landwirten errichtet und in Betrieb genommen. 2011 übernahm die MethaPOWER Biogas GmbH - unter Beteiligung der Landwirte – die Anlage und gründete die „EVM - Energie Versorgung Margarethen am Moos GmbH“. Durch umfangreiche Modernisierungs- und Erweiterungsmaßnahmen der Anlage, konnte die Kapazität der Bestandsanlage auf rund drei MWel erweitert werden. Die Anlage verarbeitet rund 1.100m3 Rohbiogas pro Stunde, davon werden 800 m3 zu hochwertigem Biomethan aufbereitet und ca. 400 m3/h Biomethan in das öffentliche EVN- Erdgasnetz eingespeist. Bereits 2007 wurde zudem Österreichs erste Biomethan-Tankstelle mit Membran-Technologie errichtet und in Betrieb genommen. Neben der Erzeugung von Strom und Kraftstoff werden ca. 150 Haushalte über ein Fernnetz mit Wärme versorgt.
Substratmanagement und Aufbereitung
Bereits seit 2009 wurde intensiv nach Alternativen zu Mais und dem Ersatz von lebensmittelnahen und teuren Rohstoffen gesucht. Heute werden in der Biogasanlage Margarethen ausschließlich Agrarnebenprodukte und tierische Abfälle (Pferdemist, Maisstroh, Getreideausputz, Gemüsereste) verwendet. Voraussetzung einer effektiven Gasausbeute bei diesen Materialien ist allerdings eine geeignete Aufschlusstechnik. Diese soll nicht nur zerkleinern, sondern durch den Aufpralleffekt einen tatsächlichen Zellaufschluss bewirken, um damit eine optimierte Fermentation zu ermöglichen. Zur Aufbereitung wird ein Power-Converter verwendet. Die Einsatzstoffe werden durch rotierende Schlagplatten und die Eigendynamik des Materials aufgeschlossen, womit ein niederer Verschleiß und Energieverbrauch erreicht und trotzdem eine hohe Gasausbeute wirtschaftlich erzielt werden kann.
Einsatz von Maisstroh
In der Biogasanlage wird Maisstroh von ca. 500 ha verwertet. Der Strohertrag je ha liegt bei ca. 7-8 t Trockenmasse. Der Anteil am Substratmix beläuft sich auf etwa 15-20 %. Die Ernte erfolgte bisher mit einem 8-reihigen Geringhoff-Pflücker (mit Strohsammler). Damit konnte das Maisstroh sehr sauber geerntet werden (wenig Erdanhang), allerdings war damit die Erntefläche begrenzt (es konnte nur ein Mähdrescher fahren). Aus arbeitswirtschaftlichen Gründen wird deshalb künftig mit einem BioChipper geerntet. Für die Strohbergung wird ein Ladewagen eingesetzt. Nach der Ernte wird das Maisstroh ähnlich wie Silomais im Silo verdichtet und später entnommen. Die TS-Gehalte liegen bei ca. 70 - 85 % nach der Ernte, weshalb das Maisstroh nicht vergärt, sondern lediglich durch Verdichten konserviert wird. 2016 wird das Maisstroh schichtweise im Silo eingebracht. Vorsicht, Maisstroh ist sehr trocken – Brandgefahr! (Endzündung am Auspuff).
Referent: Fritz Schwarz, Biogasanlagenbetreiber, Margarethen, Österreich

Bilder vom Info-Tag

Referenten am Info-Tag

Referenten

Vortragssaal

Vortragssaal

Versuchsfeld

Versuchsfeld

Maschinenvorführung auf dem Versuchsfeld

Maschinenvorführung

Maschinenvorführung auf dem Versuchsfeld

Maschinenvorführung

Maschinenvorführung auf dem Versuchsfeld

Maschinenvorführung

Maschinenvorführung auf dem Versuchsfeld

Maschinenvorführung

Maschinenvorführung auf dem Versuchsfeld

Maschinenvorführung

Maschinenvorführung auf dem Versuchsfeld

Maschinenvorführung

Eine Veranstaltung der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft in Kooperation mit:

Mehr zum Thema


Verwertung von Körnermaisstroh für die Biogaserzeugung

Landwirtschaftliche Koppelprodukte wie Körnermaisstroh sind interessante Substrate für die Biogasproduktion. Aber eignet sich Körnermaisstroh überhaupt für die Verwertung in der Biogasproduktion? Wesentliche Voraussetzungen hierfür sind eine verlust- und verschmutzungsarme Bergung des Maisstrohs, eine grundsätzliche Siliereignung und eine gute Vergärbarkeit in der Biogasanlage. Mehrjährige Versuche sollen Aufschluss über die Verwertbarkeit von Maisstroh zur Biogasproduktion liefern. Mehr