Forschungs- und Innovationsprojekt
Biogas aus Körnermaisstroh

Haufen Körnermais

Körnermaisstroh als Biogassubstrat – Silierverhalten, Arbeitswirtschaft und Vergärbarkeit in der Biogasanlage

Die weiterhin sinkenden Vergütungssätze im Erneuerbaren Energien Gesetz (EEG) 2017 verlangen eine steigende Verwertung landwirtschaftlicher Koppelprodukte und Reststoffe in der Biogasproduktion. Das Koppelprodukt Körnermaisstroh bietet zahlreiche ökonomische und pflanzenbauliche Vorteile.
In den Bereichen Silierverhalten, Arbeitswirtschaft und Vergärbarkeit in der Biogasanlage bestehen nach Abschluss des vorangegangenen Forschungsprojekts "Verwertung von Körnermaisstroh für die Biogaserzeugung" noch offene Fragen. Das Ziel des Verbundvorhabens an der LfL besteht deshalb darin, die verschiedenen Herausforderungen und wichtigen Aspekte der Körnermaisstrohnutzung ab dem Einbringen in das Silo bis hin zum Verhalten in der Biogasanlage zu untersuchen. Dies soll in Zusammenarbeit mit mehreren Praxisanlagen erfolgen, die dieses Substrat bereits verwerten. Im Folgenden werden die Arbeitsschwerpunkte erläutert sowie aktuelle Ergebnisse aufgeführt.

Zielsetzung, Methodik und Ergebnisse

Das Projekt Biogas aus Körnermais wird als Verbundprojekt an der LfL durch mehrere Institute bearbeitet.
Zielsetzungen
Zum einen sollen die abgefahrenen Korn- und Stroherträge und TS-Gehalte des Maisstrohs an Praxisbetrieben erfasst werden. Zudem werden arbeitswirtschaftliche Kennzahlen erhoben, um unter anderem die Flächenleistung, den Arbeitszeitbedarf, den Dieselverbrauch und die Transportkapazitäten des Substrates zu beurteilen. Aus den ermittelten Daten werden für ausgewählte Verfahren Kalkulationsmodelle zur Berechnung des Arbeitszeitaufwands erstellt. Weiterhin werden neue Erntetechniken erfasst und getestet.

Methoden

  • Erfassung aller Rahmenbedingungen, technischer Ausstattungen 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 Ist-Situation wird mit Hilfe von Arbeitstagebüchern auf Praxisbetrieben durch den Anlagenbetreiber eigenständig erhoben
    • Die Arbeitszeiten werden während der gesamten Erntekette durch den Betreiber selbständig erfasst
    • Weiterhin werden bei der Fütterung der Biogasanlage (Innenwirtschaft) alle Tätigkeiten und damit verbundenen Tätigkeiten durch den Betreiber dokumentiert
  • Erstellung von Kalkulationsmodellen zur Ermittlung des Arbeitszeitbedarfs bei der Maisstrohproduktion
    • Dafür werden exakte Zeiten auf dem Niveau einzelner Arbeitselemente gemessen und die dazugehörigen Einflussgrößen an Praxisbetrieben erfasst
    • Die erfassten Daten dienen zur Erstellung der Planzeiten für die einzelnen Arbeitselemente und bilden die Grundlage der Kalkulationsmodelle zur Ermittlung des Arbeitszeitbedarfs
Ergebnisse
Aktuell laufen die Auswertungen der erfassten Daten 2017 und 2018. Erste Aussagen werden diesbezüglich im Februar 2019 getroffen. Jedoch können als limitierende Faktoren bei der Ernte bzw. dem Transport zum Silo derzeit die geringe Schüttdichte und somit niedrige Transportmengen genannt werden.
Für die Erhebung von arbeitswirtschaftlichen Daten suchen wir laufend Praxisbetriebe, die bereits Körnermaisstroh verwerten oder an einer Körnermaisstrohnutzung interessiert sind (Kontakt: stefan.thurner@lfl.bayern.de).
Zielsetzung
Zur Optimierung von Siliererfolg und Vergärbarkeit werden Vorbehandlungs- bzw. Aufbereitungsmaßnahmen (z. B. verschiedene Zerkleinerungsvarianten, Siliermittelzusätze, Mischungspartner für eine Co-Silierung) erprobt. Die Auswahl erfolgsversprechender Aufbereitungsvarianten erfolgt mithilfe von systematischen Laborsiloversuchen. Zudem wird die Silierbarkeit von Maisstroh in der Praxis erfasst. Dabei wird die Verdichtung 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.

Methoden

  • Systematische Laborsiloversuche
  • Anlage von Laborsilos mit anschließenden Laboranalysen auf Silierparameter (u. a. Gärsäuremuster und -menge, Weender-Analyse, makro- und mikroskopischer Faseraufschluss)
  • Silierversuche im Fahrsilo mit 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
Ergebnisse
Laborergebnisse
Am Institut für Tierernährung wurden in Grub Untersuchungen zur Silierbarkeit und der aeroben Stabilität bei Maisstroh durchgeführt. Im Jahr 2017 wurde ein Versuch mit fünf Varianten (Kontrolle, Co-Silierung Zuckerrübe, Zugabe anaerober Pilze (aktiv/inaktiv), biolog. Siliermittel (Wirkungsrichtung 2 und 6b)) nach den Vorgaben der aktuellen Prüfrichtlinie (2017) der DLG zur Siliermittelprüfung angelegt. Dabei konnte Folgendes festgestellt werden:
  • bei allen Varianten wurden optimale pH-Wert Absenkungen und gute Gärqualitäten nach 90 Tagen anaerober Lagerung erzielt
  • Das Maisstroh verfügte daher über ausreichende Inhaltsstoffe zur Milchsäuregärung
  • Die Silagen zeichneten sich besonders positiv durch die hohe aerobe Stabilität (> 8 Tage) aus
  • Bei Maisstrohsilage ohne Silierpartner liegen die Trockenmasseverluste durch den Silierprozess im Bereich von Silomais (zwischen 3,4 und 6,8 %)
  • Bei der Co-Silierung mit Zuckerrüben entstehen nicht zu vernachlässigende Trockenmasseverluste durch alkoholische Gärung (6,8 %)
  • Die aktuellen Ergebnisse bestätigen die Erkenntnisse aus den vorangegangenen Versuchen aus den Erntejahren 2012-2015 (Ostertag und Fleschhut, 2016)
Untersuchung der Praxissilagen
Auf fünf bayerischen Betrieben wurden mittels Silocontrolling (Temperatur-, Dichtemessung und Futtermittelanalytik) sechs Körnermaisstrohsilagen beprobt. Neben Körnermaisstroh Monosilagen, wurde auf den Betrieben auch Körnermaisstroh mit anderen Substraten, wie Zuckerrüben und Ackergras co-siliert.
  • Kerntemperaturen lagen um den Zielwert von 20 °C (in 1 m Tiefe)
  • Im Durchschnitt 10 °C höhere Temperaturen bei Silagen ohne Abdeckung oder mit Silofolienbeschädigung, eine Abdeckung der Silage ist daher zwingend erforderlich

  • Mäßige Lagerungsdichten von durchschnittlich 121 kg TM/m3 (± 49 kg TM/m3)
  • Nach ersten Erkenntnissen positive Auswirkung auf die Verdichtung durch höhere Radlasten und Pistenraupen

  • Gute bis sehr gute Silagequalitäten (Ø 85 – 100 DLG-Punkte)
  • Milch- und Essigsäure waren im erwarteten Umfang vorhanden tendenziell mehr Essigsäurebildung), pH-Wert Ø bei 4,5
  • Gute aerobe Stabilität der Praxissilagen, 2 m Vorschub pro Woche unter Stressbedingungen im Sommer ausreichend

  • Geringe Silierverluste aus dem Labor wurden in der Praxis bestätigt (rund 6 %)


Zielsetzung
Ziel der Durchflussversuche ist es unter anderem, bisherige Ergebnisse aus Batchversuchen zu verifizieren. In Durchfluss-Gärversuchen werden verschiedene Anlagetypen mit praxis-relevanten Substratmischungen mit Körnermaisstroh nachgestellt, um die langfristige Prozessstabilität sowie die prozessbiologischen Grenzen bei Steigerung der organischen Belastung zu ermitteln.

Methoden

  • Semi-kontinuierliche Durchflussversuche unter mesophilen (38° C) Bedingungen
  • Überprüfung des Einflusses von ausgewählten Silierverfahren für Maisstroh (Mono-, Co-Silierung) auf die Biogasproduktion
  • Untersuchung des Effekts des Maisstrohanteils als Ersatz von Maissilage in der Substratmischung auf die Biogasbildung
  • Molekularbiologische Untersuchungen zur Prozessdiagnose mit Frühwarnung vor Prozessstörungen
In drei Versuchsreihen werden NawaRo- sowie güllebasierte Anlagetypen simuliert, die relevante Praxismodelle in Bayern repräsentieren. Seit Mai 2018 werden kleine Biogasanlagen nach aktuellem EEG mit 80 % Rindergülle und 20 % Maissilage (jeweils bezogen auf Frischmasse) in der Substratmischung nachgestellt und der Maissilageanteil durch Körnermaisstrohsilage (Mono- und Co-Silage mit Zuckerrüben) ersetzt (Versuchsreihe 1).
Von Herbst 2018 bis Juli 2019 werden typische regionale Biogasanlagen mit 30 % Rindergülle und 70 % Mais- und Grassilage (jeweils bezogen auf Frischmasse) (Versuchsreihe 2) sowie typische NawaRo-Biogasanlagen (Versuchsreihe 3) nachgestellt.
Ergebnisse
Aktuell läuft die Versuchsreihe 1. Die Versuchsvarianten laufen stabil bei einer Raumbelastung von 4,0 kg oTS*m-3*d-1 ohne Zeichen einer Prozessstörung. Die Untersuchungen sind noch nicht abgeschlossen.
Zielsetzung
Durch die wissenschaftliche Begleitung diverser Praxisanlagen sollen Erfahrungen bei der Körnermaisstrohvergärung gesammelt und daraus Empfehlungen für die Praxis abgeleitet werden. Die kontinuierliche Begleitung der Pilotbetriebe vor und während des Maisstroheinsatzes dient auch dazu, die Daten aus den Durchflussversuchen zu evaluieren.
Methoden
Es erfolgt ein Monitoring der Praxisanlagen. Die Daten werden auf den Betrieben im Wesentlichen mit zwei Maßnahmen erfasst:
  • Betriebstagebuch: Erfassung und Dokumentation aller Einsatzstoffmengen, ablesbarer Zählerstände und Störungen im Anlagenbetrieb
  • Probenahme: Monatliche Beprobung aller Einsatzstoffe und Gärbehälterinhalte
Ergebnisse
Der Anteil der Körnermaisstrohsilage beläuft sich bei den verschiedenen Betrieben auf ca. 7 – 20 %. Spezifische Auswirkungen der Körnermaisstrohsilage auf die Fermenterbiologie konnten bisher in den Praxisanlagen nicht nachgewiesen werden. Die mit molekularbiologischen Methoden bestimmte Anzahl und Aktivität der Bakterien und methanogenen Archaeen (s. unten) lag im Normalbereich. Bei einigen Anlagen konnten allerdings negative Einflüsse auf die Einbringtechnik oder bei der Unterrührung im Fermenter beobachtet werden.

Zielsetzung

  • Entwicklung einer Siliermethode mit anaeroben Pilzen (AP) 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.
Methoden
Anaerobe Pilze wurden 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 Siloballen siliert und im Anschluss in Versuchsfermentern vergoren werden.
Aus den mit Maisstrohsilage betriebenen Laborfermentern und Praxisanlagen werden Proben (stabiler und gestörter Prozess) konventionell nasschemisch und hinsichtlich folgender Parameter untersucht:
  • Ermittlung der mikrobiellen Gesellschaftszusammensetzung mithilfe molekularbiologischer Methoden (Nukleinsäureextraktion, 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; RT-(q)PCR)
  • Erfassung des Stresslevels der methanogenen Archaeen im Prozess anhand des Metabolischen Quotienten (MQ) und Evaluierung der bisherigen Definitionen („Benchmarks“) für die Vergärung von Maisstroh-Silage

Ergebnisse

Untersuchungen zur Silierbarkeit im Labor
Die Entwicklung einer Siliermethode mit anaeroben Pilzen in der Praxis befindet sich derzeit noch in der Entwicklung. Es liegen derzeit noch keine aussagekräftigen Ergebnis vor.
Vergärbarkeit von Körnermaisstroh
Die Anzahl und Aktivität der Bakterien und der methanogenen Archaeen lag sowohl in den Durchflussversuchen als auch in den Praxisanlagen im Normalbereich. Somit waren bislang keine negativen Auswirkungen auf die Fermenterbiologie zu beobachten.
Schwaden von Körnermaisstroh auf einer Versuchsfläche

Schwaden von Körnermaisstroh auf einer Versuchsfläche

Körnermaisstrohbergung mit einem Feldhäcksler

Körnermaisstroh-bergung mit einem Feldhäcksler

Maisstroh einsiliert in Laborsilos nach drei Tagen

Maisstroh einsiliert in Laborsilos nach drei Tagen

Maisstrohsilage mit einer Deckschicht Ackergras mit Temperatur (pink)- und Dichtemessstellen (lila)

Maisstrohsilage mit einer Deckschicht Ackergras mit Temperatur (pink)- und Dichtemessstellen (lila)

Stehende 36 Liter Durchflussfermenter im Laborcontainer

Stehende 36 Liter Durchfluss-fermenter im Labor-container

Probenahme Gärbehälterinhalt auf einem Pilotbetrieb

Probenahme Gärbehälterinhalt auf einem Pilotbetrieb

Ein anaerober Pilz auf Weizenstroh unter dem Mikroskop

Ein anaerober Pilz auf Weizenstroh unter dem Mikroskop

Ausblick

Während der noch verbleibenden Projektlaufzeit bis November 2020 werden im Arbeitspaket Arbeitswirtschaft in der Saison 2019 weitere Daten auf Praxisbetrieben und am Versuchsbetrieb Grub erhoben und ausgewertet. Ziel ist es, bis Projektabschluss erste Kalkulationsmodelle für die Ernte von Körnermaisstroh zu erstellen. Im Arbeitspaket Silierung liegt der Fokus in der verbleibenden Projektlaufzeit auf dem Monitoring von Praxissilos. Im Arbeitspaket semikontinuierliche Durchflussversuche werden die Versuche für die noch vorgesehenen Fermentertypen durchführt und abgeschlossen.
Parallel werden auf Praxisbetrieben bis Mitte 2020 Proben aus Gärbehältern mit Maisstrohvergärung gezogen und beurteilt. Im Bereich Mikro- und Molekularbiologie wird die Untersuchung der Fermenterbiologie fortgeführt um abschließende Aussagen zu Einflüssen des Maisstroheinsatzes auf die Biologie im Gärbehälter treffen zu können. Basierend auf den Ergebnissen des Projekts soll der Körnermaisstroheinsatz in die Biogasanlage abschließend ökonomisch bewertet werden.
Am 14. März 2019 findet in Grub ein Informationsveranstaltung zum Einsatz von Körnermaisstroh in der Biogasanlage statt. Weiter ist zu Projektabschluss im Oktober 2020 ein Feldtag mit praktischer Vorführung der Erntetechnik geplant.
Projektinformation
Verbundvorhaben an der LfL zwischen dem Institut für Landtechnik und Tierhaltung, dem Institut für Tierernährung und Futterwirtschaft, der Abteilung für Qualitätssicherung und Untersuchungswesen
Projektbearbeiter: Theresa Burger, Diana Andrade, Vasilis Dandikas, Veronika Dollhofer, Barbara Misthilger,
Projektleiter: Stefan Thurner, Fabian Lichti, Michael Lebuhn, Mariana Schneider, Katrin Harms
Laufzeit: 01.07.2017-30.11.2020
Finanzierung: Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten (StMELF)
Förderkennzeichen: KS/17/04

Mehr zum Thema

Abgeschlossenes Forschungsprojekt
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

Silierung von Körnermaisstroh im Labor und der Praxis

Die Verwertunge des Koppelprodukts Körnermaisstroh bietet zahlreiche ökonomische und pflanzenbauliche Vorteile. Die Ergebnisse eines Laborvesuches sollen Erkenntnisse über die Konservierungseigenschaften und aerobe Stabilität des Substrats aufzeigen, um daraus weitere Empfehlungen für die Praxis ableiten zu können. Mehr

Rückblick Info-Tag "Körnermaisstroh" 2019

Das Institut für Landtechnik und Tierhaltung veranstaltete gemeinsam mit C.A.R.M.E.N. e.V. und dem Fachverband Biogas am 14. März 2019 einen Informationstag zum Thema "Körnermaisstroh als Biogassubstrat". Experten und Praktiker hielten Fachvorträge und schilderten ihre Erfahrungen. Interessierte Landwirte und Biogasanlagenbetreiber erhielten so einen Überblick über die verschiedenen Ernteverfahren, die Silierbarkeit im Labor- und im Praxissilo bis hin zum Einsatz in der Biogasanlage. Abschließend fand eine Firmen- und Maschinenausstellung sowie die Besichtigung der Biogasanlage Grub und verschiedener Maisstrohsilagen statt. Mehr