Forschungs- und Innovationsprojekt
Leguminosen in der Fruchtfolge von Öko-Flächen und deren Verwertung in Biogasanlagen

Grünlandfläche mit Baum bei Sonnenschein und wolkenlosem Himmel

Verbesserung der Nährstoffversorgung von ökologisch bewirtschafteten Flächen durch Aufbereitung des Leguminosenaufwuchses (z. B. Kleegras) in Biogasanlagen.

In Bayern bewirtschafteten rund 10.600 Öko-Betriebe eine Fläche von ca. 369.000 Hektar, das entspricht ca. 12 % der gesamten Landwirtschaftliche Nutzfläche. Es ist davon auszugehen, dass sich der Anteil der ökologisch bewirtschafteten Fläche weiter erhöht.
Ertragsbegrenzend stellt sich im Öko-Landbau vor allem die limitierte Nährstoffversorgung, insbesondere Stickstoff, der Nutzpflanzen v.a. für viehlose Betriebe dar. Weil für diese kein Wirtschaftsdünger verfügbar ist und mineralische Dünger nicht eingesetzt werden dürfen, werden Leguminosen in die Fruchtfolge integriert, um die Stickstoffversorgung für die Folgekulturen sicher zu stellen. Bisher wird dies in der Regel durch das Mulchen bzw. Einarbeiten der Leguminosen realisiert. Der Stickstoff ist jedoch auf diese Weise nicht immer dann verfügbar, wenn er von den Pflanzen gebraucht wird, was neben Ertragseinbußen auch zu erhöhten Stickstoffausträgen führen kann.
Durch eine Vergärung des Leguminosenaufwuchses in Biogasanlagen kann der Stickstoff in eine größtenteils schnell pflanzenverfügbare Form umgewandelt und bedarfsnah eingesetzt werden. Im Öko-Landbau bieten Biogasanlagen positive Synergieeffekte (Energieproduktion, Treibhausgasreduktion, direkte und langfristige Düngewirkung) ohne zu einer Konkurrenzsituation zu führen. Jedoch ist ein stabiler Biogasbildungsprozess bei hohen Anteilen an stickstoffreichem Substrat schwierig zu gewährleisten, da erhöhte Stickstoffgehalte toxisch auf Mikroorganismen in Gärbehältern wirken.

Zielsetzung

Ziel dieser Studie ist es, Fütterungskonzepte mit schnell verfügbaren, stickstoffarmen und wasserreichen Einsatzstoffen für kleegrasbasierte Biogasanlagen zu entwickeln, so dass ein langfristig stabiler Prozess gewährleistet werden kann. Daher gilt es zu prüfen, inwieweit eine Biogasanlage mit einem Kleegrasanteil zwischen 70 und 100 % bezogen auf Frischmasse ohne biologische Probleme betrieben werden kann. Dabei müssen die Fütterungskonzepte entworfen und präventiv oder kurativ angepasst werden, so dass Hemmwirkungen vermieden oder behoben werden können.

Methode

Die am Institut für Landtechnik und Tierhaltung vorhandenen Fermenter werden entsprechend modifiziert, um eine verbesserte Durchmischung des Fermenterinhalts bei einem sehr hohen Trockensubstanzgehalt zu ermöglichen. Vier liegenden Fermenter mit einem Arbeitsvolumen von 40 L stehen zur Verfügung um die Biogasprozessstabilität bei täglicher Beschickung zu untersuchen.
Um die Ziele des Projektes zu erreichen, wird die Durchführung der Versuche in drei Arbeitspakete gegliedert.
  • Auswahl der Einsatzstoffe, Definition der Prozessparameter, technische Voraussetzungen und Maßnahmen.
  • Überschreitung der Grenzwerte der wichtigsten Prozessparameter (Hemmung) und Optimierungsmaßnahmen.
  • Etablierung und Bewertung eines stabilen Biogasbildungsbetriebs durch eine regelmäßige Zusatzfütterung.

Ergebnisse

In Arbeitspaket 1 wurden die Einsatzstoffe, die Prozessparameter und die technische Voraussetzungen und Maßnahmen definiert. Darüber hinaus wurden die Daten von fünf biologisch betriebenen bayerischen Pilot-Biogasanlagen herangezogen, um praxisnahe Verhältnisse herzustellen. Zwei Labor-Fermenter wurden für das Arbeitspaket 1 betrieben. Zur Raumbelastungssteigerung wurden beide Labor-Fermenter nur mit Kleegrassilage beschickt. Rindergülle und Maiskolbenschrot wurden nach Bedarf eingesetzt, um die Biogasproduktion zu erhöhen und stabilisieren.
Bei der Raumbelastungssteigerung des ersten Fermenters, der mit stickstoffhaltigem Impfmaterial gestartet wurde, stellte sich nach rund 100 Tage ein stabiler Betrieb ein (der Variationskoeffizient der Methanproduktivität von fünf Tagen lag unter 5 %), der für ca. 60 Tage bei einer Raumbelastung von 6 kgoTM/(m³ d) aufrechterhalten werden konnte. In Versuchstag 150 war eine Prozesshemmung, anhand einer deutlichen Abnahme der Methanausbeute und –Produktivität, erkennbar. Während des Versuchs wurde beobachtet, dass der Fermenterinhalt kontinuierlich durchgemischt werden muss und Stoßbelastungen unbedingt vermieden werden müssen, um eine stabile tägliche Gasproduktion zu sichern. Entsprechend wurden die Rührpaddel im Fermenter modifiziert und die Eintragstechnik so gestaltet, dass die Fütterung auf zweimal pro Tag verteilt werden kann.
Tabelle 1 stellt elf Parameter dar, die zur Beurteilung der Biogasprozessstabilität herangezogen wurden. Die ersten fünf Parameter beziehen sich direkt auf die Biogasproduktion und wurden täglich erfasst. Die letzten sechs Parameter wurden wöchentlich oder alle zwei Wochen analysiert und dienen zur Feststellung bzw. Prognostizierung von Prozesshemmungen.
ProzessparameterEinheit
Variationskoeffizient der Methanproduktivität%
Relative Methanproduktivität%
Abbaugrad%
CH4-Gehaltppm
H2-Gehaltg/L
NH4-Ng/L
NH3-Ng/L
Essigsäure (ES)g/L
Propionsäure (PS)g/L
PS:ES-
FOS:TAC-

Ausblick

Bezogen auf die Ergebnisse des Arbeitspaketes 1 und die Pilotbetriebsdaten wurden für die weiteren Gärversuche die Raumbelastung und die Betriebstemperaturen bei 4 kgoTM/(m³ d) und 45 °C festgelegt. Seit November 2019 werden zwei Labor-Fermenter mit Kleegrassilage und Rindergülle und zwei ausschließlich mit Kleegrassilage beschickt. Bei Störungen im Biogasbildungsprozess wird stickstoffhaltiges Kleegras durch Rindergülle und Maiskornsilage ersetzt (Kurativmaßnahmen). Derzeit wird die Prozessstabilität beider Varianten anhand der vorgenannten Prozessparameter überprüft.
Projektinformation
Projektbearbeitung: Rainer Kissel, Michael Hanrieder, Dr. Vasilis Dandikas
Projektleitung: Dr. Fabian Lichti
Laufzeit: 2019 bis 2021
Finanzierung: Bayerisches Staatministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten
Fördernummer: G2/N/18/07