Forschungs- und Innovationsprojekt
Bestimmung von Emissionsfaktoren aus Laufhöfen und freigelüfteten Ställen

Laufhof für Milchkühe zwischen Liegeboxen und Futtertisch
Frei gelüftete Ställe haben sich in der Rinderhaltung mittlerweile als Standardsystem durchgesetzt. Auch außerhalb der ökologischen Landwirtschaft werden sie zunehmend mit Ausläufen oder Laufhöfen im Freien ergänzt. Leider weiß man aber noch zu wenig darüber, wie viel und zu welchen Tageszeiten besonders viel umweltschädliches Ammoniakgas aus diesen Stallanlagen entweicht.
In diesem Forschungsvorhaben wird einerseits eine geeignete Methode entwickelt, um entsprechende Daten zu gewinnen, und andererseits getestet, wie man die frei werdende Ammoniakmenge aus solchen Ställen mit Ausläufen verringert.
Eine kleine Einführung in die Thematik kann dem Infoblatt zur EuroTier 2018 entnommen werden.

Ausgangslage und Problemstellung

Eine der gültigen Rechtslage entsprechende und tierfreundliche Haltung mit ausreichend Bewegungsflächen, Licht und Frischluft lässt sich nur schwer mit der Forderung vereinbaren, die Umwelt mit möglichst wenig Luftschadstoffen zu belasten. Sogenannte frei gelüftete, also weitgehend offene Ställe werden den Ansprüchen der Tiere zwar am ehesten gerecht, entlassen aber v.a. in die nähere Umgebung mehr Ammoniak als Ställe mit Abluftkaminen.
Zu viel Ammoniak in Gewässern und Vegetation kann gesundheitsgefährdend sein und zum Verschwinden empfindlicher Tier- und Pflanzenarten im Einflussbereich des Stalles führen. Der größte Teil des Ammoniaks in Deutschland stammt aus der Landwirtschaft und v.a. der Tierhaltung, während Energieerzeugung und Verkehr einen vergleichsweise geringen Beitrag liefern.
Seit einigen Jahren wird der Bau von Ausläufen und Laufhöfen staatlich gefördert, was zu ihrer Verbreitung gerade in der Milchkuhhaltung beigetragen hat. Ob nur zu bestimmten Tageszeiten z.B. während des Melkens oder ob grundsätzlich mehr Ammoniak daraus freigesetzt wird, wird in diesem Forschungsprojekt näher untersucht.

Ziel und Stand des Projektes

Es wurden folgende Arbeitsschwerpunkte festgelegt:

  • Methodenerarbeitung für die Messung der vom Stall und den Auslaufflächen ausgehenden Ammoniakfreisetzung
  • ­Errechnung von Orientierungswerten für die Ammoniakbelastung der Umgebung anhand von v.a. rinderhaltenden, bayerischen Betrieben
  • ­Erarbeitung und Erprobung geeigneter Minderungsansätze insbesondere in den Bereichen Entmistung und Fütterung
  • ­Bewertung der Ergebnisse im Hinblick auf die Genehmigung von Ställen
Von Herbst 2017 bis Sommer 2018 wurde zunächst die erarbeitete Methodik für die Ammoniakbestimmung (laserbasierte Offenpfadmessung) in verschiedenen frei gelüfteten Rinderställen getestet und mit den Ergebnissen aus anderen Messverfahren verglichen. Außerdem wurden verschiedene Varianten von Gerätesteuerung, Datenerfassung und Fernzugriffsmöglichkeiten erprobt.
Seit Herbst 2018 wird auch die Messmethode für die Auslaufflächen, bei dem u.a. ein eigens gebauter Messtunnel zum Einsatz kommt, ersten Praxistests unterzogen.
Im letzten Quartal 2018 sollen auch zwei weitere Lasermessgeräte eintreffen, so dass das mit der Luft transportierte Ammoniak sowohl im Stallinneren als auch in der Stallumgebung parallel gemessen werden kann.

Untersuchungsmethodik

Transceiver (rechts) und Reflektor (links) für das Diodenlaseradsorptionsspektrometer. Das Sende- und Empfangsteil des Lasermessgerätes befindet sich am anderen Ende der offenen Erhebungstrasse im Stall.Zoombild vorhanden

Reflektor- (links) und kombinierte Sende-Empfangseinheit (rechts) des Diodenlaser-Absorptionsspektrometers

Die Ammoniakkonzentration in der Luft wird mit einem bisher in der Landwirtschaft kaum eingesetzten optischen Messgerät („Diodenlaser-Absorptionsspektrometer“) erhoben, das im sog. „Nahinfrarotspektrum“ arbeitet. Hierbei wird die Abschwächung der ausgesandten Strahlung auf einer bestimmten Messstrecke (z.B. gesamte Stalllänge) durch die vorhandenen Ammoniakteilchen erfasst.
Der Vorteil dieses Messverfahrens liegt u.a. darin, dass mit geringem Installationsaufwand eine sehr genaue, nahezu kontinuierliche Messung über einen beliebigen Zeitraum möglich ist. Darüber hinaus zeichnet sich dieses Messprinzip durch erheblich niedrigere Betriebskosten im Vergleich zu vielen anderen Verfahren aus, z.B. hinsichtlich der Gerätekalibration.
Testaufbau Laser im Messtunnel - Gerätekomponenten vor Einschieben in den TunnelZoombild vorhanden

Gerätekomponenten vor Einschieben in den Tunnel zur Testmessung

Der für die Erhebungen im Freien eingesetzte, mobile Messtunnel besteht aus einzelnen, innen schwarz lackierten Teilstücken aus verzinktem Stahlblech. Dies ermöglicht einen raschen Auf- und Abbau und flexible Anpassung an die Länge der Auslauffläche. Die schwarze Lackierung soll eine ungerichtete Reflexion des Laserlichtes im Tunnel verhindern. Laser und Reflektor (s. Abb. oben) werden hierfür auf speziell gefertigten Halterungen an Tunnelanfang und -ende montiert.

Bisherige Ergebnisse

In allen bisherigen Praxiserhebungen erwies sich der Lasergasmonitor für Ammoniak als rasch einsatzfähig und zuverlässig auch bei sehr niedrigen und stark schwankenden Ammoniakkonzentrationen (unter 1ppm). Die Übereinstimmung der Ergebnisse mit denen anderer Konzentrationsmessverfahren (bspw. der Fourier-Transform-Infrarotspektrometrie, FTIR) war außer bei sehr niedrigen Windgeschwindigkeiten (unter 1 m/s) mit häufigen Windrichtungsänderungen gut.

Ammoniakkonzentrationen im Außenklimamilchviehstall für 120 Tiere. Zwei Boxplotgraphiken zeigen die Höhe der Ammoniakkonzentrationen, rechts während 6 Tagen in der zweiten Julihälfte 2018 (Sommer), links während 6 Tagen Anfang Februar 2018 (Winterende)

Die beiden Darstellungen zeigen die Ammoniakkonzentrationen in einem frei belüfteten Liegeboxenlaufstall für 120 Milchkühe an jeweils sechs Februar- und Julitagen im Vergleich (erhoben mit dem Lasergasmonitor). Dabei wurde im Februar trotz niedriger Temperaturen um den Gefrierpunkt deutlich mehr Ammoniak gemessen (durchschnittlich 1,5 ppm) als unter den sommerlichen Temperaturen im Juli (im Mittel etwa 0,5 ppm). Dies lässt darauf schließen, dass der fördernde Einfluss der Temperatur auf die Ammoniakausgasung durch eine Veränderung der Luftströmung im Stall überlagert wurde: Parallele Windströmungsmessungen weisen darauf hin, dass der Luftaustausch zwischen innen und außen während der Sommermessung deutlich besser funktioniert hat als im Winter. Zusätzlich verringerte der häufige Einsatz von Windschutznetzen an den Stalllängsseiten im Winter den Luftwechsel.
Nachdem die Messausstattung im letzten Quartal 2018 vervollständigt ist, kann auch der Luftwechsel zwischen Stallraum und Außenluft erhoben werden. Dies ist erforderlich, um die von der gesamten Stallanlage ausgehende Ammoniakbelastung der Umgebung ermitteln zu können.
Projektinformation
Projektleitung: Dr. Stefan Neser
Projektbearbeitung: Katja Bonkoß, Wolfram Bonkoß
Laufzeit: 2016-2020
Finanzierung: Bayerisches Staatministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten
Förderkennzeichen: A/16/07