Biogas aus Körnermaisstroh

Durch die Nutzung von Körnermaisstroh, das als Koppelprodukt bei der Körnermaisernte anfällt, als Substrat für Biogasanlagen wird die Flächenkonkurrenz zur Nahrungs- und Futtermittelproduktion entschärft. Ebenfalls kann ein Teil der Silomaisflächen dadurch ersetzt und somit andere Marktfrüchte bestellt werden. Ergebnisse aus dem vorangegangenen dreijährigen Forschungsprojekt „Verwertbarkeit von Körnermaisstroh als Biogassubstrat“ geben Aufschluss über mögliche Erntetechniken und Erntemengen sowie das Methanertragspotenzial pro ha von Körnermaisstroh. Eine erste wirtschaftliche Betrachtung zeigt eine hohe Wettbewerbsfähigkeit des Körnermaisstrohs gegenüber dem Silomais.

Hintergrund

Vor dem Hintergrund der weiterhin sinkenden Vergütungssätze im EEG 2017 und des schlechten Images von Silomais in der Bevölkerung gewinnt der Einsatz von kostengünstigen Reststoffen wie z. B. Körnermaisstroh zunehmend an Bedeutung. Körnermaisstroh fällt außerdem nicht unter den sogenannten „Maiskorndeckel“ (§ 39h EEG 2017), welcher den Einsatz von Mais (als Ganzpflanze, Maiskorn-Spindel-Gemisch, Körnermais oder Lieschkolbenschrot) und Getreidekörnern als Substrat in Biogasanlagen auf bis zu 44 Masseprozent ab dem Jahr 2021 begrenzt. In den Bereichen Silierverhalten, Arbeitswirtschaft und Vergärbarkeit in der Biogasanlage bestehen nach Abschluss des vorangegangenen Forschungsprojekts noch offene Fragen, welche vor einer breiteren Einführung in die Praxis beantwortet werden müssen.

Verwertung von Körnermaisstroh für die Biogaserzeugung

Problemstellungen

  • Können bei der Silierung von Körnermaisstroh im Fahrsilo ausreichende Lagerungsdichten und eine zufriedenstellende aerobe Stabilität erzielt werden?
  • Welche Optionen gibt es, um gegebenenfalls die Verdichtung und die Stabilität der Körnermaisstrohsilage zu erhöhen und nach Möglichkeit auch den Biogasprozess zu verbessern? Wie sind die einzelnen Maßnahmen (z. B. mikrobiologische Zerfaserung durch anaerobe Pilze, Co-Silierung mit anderen Substraten) zu bewerten?
  • Wie groß sind die gesamten Silierverluste und unterscheidet sich die Entnahme (Technik, Vorschub) von Körnermaisstroh aus dem Silo von anderen gängigen Substraten?
  • In welchem Umfang ist die Körnermaisstrohnutzung in der Biogasanlage in der Praxis bereits verbreitet?
  • Wie stellt sich die arbeitswirtschaftliche und prozesstechnische Umsetzung der Verwertung von Körnermaisstroh in der Praxis dar?
  • Können die in Batch-Untersuchungen erreichten Methanausbeuten auch bei kontinuierlicher Fütterung im Durchflussfermenter erzielt werden?

Zielsetzung und Methodik

Das Projekt Biogas aus Körnermais wird als Verbundprojekt an der LfL durch mehrere Institute bearbeitet.

Silierung und Silocontrolling (ILT 1b, ITE 1b)

Silierversuche im LabormaßstabZoombild vorhanden

Silierversuche

Zielsetzung
Ziel ist die Bewertung des Siliererfolges mithilfe von Silierversuchen im Fahrsilo. Dabei wird die Verdichtbarkeit von Körnermaisstroh bewertet und dessen Siliereignung (pH-Wert Absenkung, Gärsäuremuster) untersucht. Weiterhin werden die aerobe Stabilität, eine ggf. auftretende Nacherwärmung, das Entnahmeverhalten bei der Auslagerung sowie die Silierverluste erfasst.
Zur Optimierung von Siliererfolg und Vergärbarkeit werden weitere Vorbehandlungs- bzw. Aufbereitungsmaßnahmen (z. B. verschiedene Zerkleinerungsvarianten, Siliermittelzusätze, Mischungspartner für eine Co-Silierung) erprobt. Die Auswahl erfolgsversprechender Aufbereitungsvarianten erfolgt mithilfe von systematischen Laborsiloversuchen. Dazu zählt die Anreicherung anaerober Pilze zum effizienten mikrobiologischen Faseraufschluss von Körnermaisstroh als Vorbehandlungsmöglichkeit von Körnermaisstroh. Die ausgewählten Aufbereitungsvarianten sollen im Durchflussversuch getestet werden.

Methoden

  • Silierversuche im Fahrsilo
  • All-in und All-out Methode zur Bestimmung der Silierverluste im Fahrsilo
  • Silo-Controlling: Probenahme und Laboruntersuchungen auf Silierparameter, Verdichtung und Thermographie zur Messung möglicher Nacherwärmung
  • Systematische Laborsiloversuche
  • Anlage von Laborsilos mit anschließenden Laboranalysen auf Silierparameter (u. a. Gärsäuremuster und -menge, Weender-Analyse, makro- und mikroskopischer Faseraufschluss)
  • Inokulationsversuche unterschiedlich getrockneten Körnermaisstrohs mit Kulturen bzw. Anreicherungen anaerober Pilze (AP), Bewertung der Siliereignung der AP

Arbeitswirtschaft (ILT 1b)

Bandschwader im FeldeinsatzZoombild vorhanden

Bandschwader im Feldeinsatz

Zielsetzung
Ziel ist es die abgefahrenen Korn- und Stroherträge und TS-Gehalte des Maisstrohs an Praxisbetrieben zu erfassen. Zudem werden arbeitswirtschaftliche Kennzahlen erhoben, um unter anderem die Flächenleistung, den Arbeitszeitbedarf, den Dieselverbrauch und die Transportkapazitäten des Substrates zu erfassen. Aus den ermittelten Daten werden für ausgewählte Verfahren Kalkulationsmodelle zur Berechnung des Arbeitszeitaufwands erstellt.

Methoden

  • Erfassung aller Rahmenbedingungen, technischer Ausstattung und der Verfahrensabläufe der gesamten Prozesskette (vom Feld bis zum Einbringen des Substrates in den Fermenter) durch eine Umfrage
  • Untersuchung der arbeitswirtschaftlichen Ist-Situation:
    • Die Erhebung der Ist-Situation wird mit Hilfe von Arbeitstagebüchern auf Praxisbetrieben durch den Anlagenbetreiber eigenständig durchgeführt
    • Die Erfassung der Arbeitszeiten wird während der gesamten Erntekette durch den Betreiber selbstständig durchgeführt
    • Weiterhin werden bei der Fütterung der Biogasanlage (Innenwirtschaft) alle Tätigkeiten und damit verbundenen Tätigkeiten durch den Betreiber erfasst
  • Erstellung von Kalkulationsmodellen zur Ermittlung des Arbeitszeitbedarfs bei der Maisstrohproduktion
    • Dafür werden exakte Zeitmessungen auf dem Niveau einzelner Arbeitselemente mit der Erfassung der dazugehörigen Einflussgrößen an Praxisbetrieben durchgeführt
    • Die erfassten Daten dienen zur Erstellung der Planzeiten für die einzelnen Arbeitselemente und bilden die Grundlage der Kalkulationsmodelle zur Ermittlung des Arbeitszeitbedarfs

Technikevaluierung (ILT 1b)

Bergung von Maisstroh durch den HäckslerZoombild vorhanden

Bergung von Maisstroh

Zielsetzung
In diesem Teilvorhaben werden neue Innovationen und Erntetechniken für die Körnermaisstrohernte geprüft. Zudem werden verschiedene Vorbehandlungs- und Aufbereitungstechniken hinsichtlich der Verbesserung des Siliererfolgs (Verdichtungsprozess) und der Verwertbarkeit in der Biogasanlage untersucht.

Methoden

  • Einsatz neuer Erntemaschinen in der Praxis und auf dem Versuchsbetrieb in Grub
  • Silierversuche im Fahrsilo
  • All-in und All-out Methode zur Bestimmung der Silierverluste
  • Silo-Controlling

Praxisanlagenmonitoring (ILT 1b)

Temperatursonde im SiloZoombild vorhanden

Temperatursonde im Silo

Zielsetzung
Im Anlagenmonitoring wird das realisierbare Potenzial von Maisstroh in der Praxis durch die Begleitung, Dokumentation und Bewertung von Pilotbetrieben erfasst, wodurch eine Abschätzung zur derzeitigen Verbreitung von Körnermaisstroh getroffen werden kann.

Methoden

  • Silo-Controlling an Praxissilos
  • Ertragserfassungen und Erhebung arbeitswirtschaftlicher Kennzahlen auf Praxisbetrieben
  • Arbeitszeittagebücher und Umfragen zur Datenerfassung
  • Begleitende Dokumentation von Praxisanlagen mit Körnermaisstroheinsatz

Durchflussfermenterversuche (ILT 2a)

Stehende DurchflussfermenterZoombild vorhanden

Durchflussfermenter

Zielsetzung
Ziel ist es die bisherigen Ergebnisse aus den Batchversuchen zu verifizieren. In Durchfluss-Gärversuchen soll die langfristige Prozessstabilität bei unterschiedlichen Körnermaisstrohanteilen analysiert werden. In den Versuchsreihen werden prozesstypische Parameter zur anaeroben Vergärung erfasst und mikrobiologische und konventionelle nasschemische/physikalische Parameter bestimmt. Ebenfalls werden Fermenterproben auf molekularbiologische Parameter (molekularbiologische Prozessdiagnose) untersucht.

Methoden

  • Überprüfung des Einflusses von ausgewählten Silierverfahren für Maisstroh auf die Biogasproduktion.
  • Untersuchung des Effektes des Maisstrohanteils in der Substratmischung auf die Biogasbildung.
  • Untersuchung des Einsatzes verschiedener Anteile an Körnermaisstrohsilage als Ersatz von Silomaissilage im Rahmen typischer Substratmischungen von NawaRo- sowie güllebasierten Biogasanlagen.
  • Durchführung von kontinuierlichen einphasigen Gärversuchen unter mesophilen (38 °C) Bedingungen zur Ermittlung der langfristigen Prozessstabilität und der prozessbiologischen Grenzen bei Steigerung der organischen Belastung.
  • Molekularbiologische Prozessdiagnose mit Frühwarnung vor Prozessstörungen (Parameter auf DNA sowie mRNA-Ebene: u. a. cDNA/DNA-Verhältnisse; MQ; Prozess-Bioindikatoren).

Mikro- und Molekularbiologie (AQU 1c)

Zielsetzung

  • Entwicklung einer Siliermethode mit anaeroben Pilzen für die Praxis der Maisstrohvergärung.
  • Ermittlung gärbiologischer Limitationen und Risiken beim Einsatz von Körnermaisstrohsilage in Biogasanlagen.
  • Ermittlung gärbiologischer Prozessindikatoren und Richtwerte zur Vergärung von Körnermaisstrohsilage in der Praxis.
WeizenstrohZoombild vorhanden

Weizenstroh

Methode
Anaerobe Pilze werden aus Tierkot auf einem flüssigen, maisstrohbasierten Minimalmedium angereichert. Die Siliereigenschaften des Maisstrohs unter Zusatz der anaeroben Pilze werden in Weckglasversuchen erfasst. Bei positiven Ergebnissen der Versuche im Labormaßstab soll der Schritt in die Praxis erfolgen. Maisstroh soll dann mit anaeroben Pilzen in Silobällen siliert und im Anschluss in Versuchsfermentern vergoren werden.
Aus den mit Maisstrohsilage betriebenen Laborfermentern werden Proben (stabiler und gestörter Prozess) konventionell nasschemisch und hinsichtlich folgender Parameter untersucht:
  • Ermittlung der mikrobiellen Gesellschaftszusammensetzung mithilfe molekularbiologischer Methoden (Nukleinsäuresequenz-Analysen und bioinformatische Klassifizierung der Mikroorganismen)
  • Definition von Bioindikator-Mikroorganismen für stabilen und gestörten Betrieb
  • Überwachung der Aktivität von Bioindikator-Organismen (cDNA/DNA-Verhältnisse)
  • Erfassung des Stresslevels der methanogenen Archaen im Prozess anhand des Metabolischen Quotienten (MQ) und Evaluierung der bisherigen Definition für die Vergärung von Maisstroh-Silage (Nukleinsäureextraktion und RT-(q)PCR)

Ergebnisse/Auswertung

Erste vertretbare Ergebnisse werden im Laufe des Kalenderjahres 2018 erwartet.
Praxisbetriebe gesucht!
Für die Erhebung von arbeitswirtschaftlichen Daten suchen wir Praxisbetriebe, die bereits Körnermaisstroh verwerten oder an einer Körnermaisstrohnutzung interessiert sind. Die Arbeitszeitermittlungen während der Ernte werden an den Betrieben ab dem Jahr 2017 bis zum Jahr 2019 erfasst. Bei Interesse bitten wir Sie, sich bei Theresa Burger zu melden.

Ansprechpartner:

Theresa Burger
Tel.: +49 (0)8161-71 3304
E-Mail: Theresa.Burger@LfL.Bayern.de

Projektinformation
Verbundvorhaben an der LfL zwischen ILT 1b (Verfahrenstechnik Grünland- und Futterkonservierung), ILT 2a (Biogastechnologie und Reststoffmanagement), AQU 1c (Mikro- und Molekularbiologie), ITE 1b (Grobfutter- und Substratkonservierung, Futterhygiene) und AVB Grub

Projektbearbeiter: Burger, Theresa (ILT 1b); Andrade, Diana (ILT 2a); Dollhofer, Veronika (AQU 1c); Schneider, Mariana (ITE 1b)
Projektleiter: Thurner, Stefan (ILT 1b), Lichti, Fabian (ILT 2b), Lebuhn, Michael (AQU 1c), Schneider, Mariana (ITE 1b)
Laufzeit: 01.07.2017-30.11.2020
Finanzierung: Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten (StMELF)
Förderkennzeichen: KS/17/04

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