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Enzymvorstufe verbessert Biogasproduktion

Bei Energiepflanzen der zweiten Generation nutzt man zunehmend nicht nur Teile sondern die gesamte Pflanze. Dies bedeutet jedoch auch, dass zunehmend cellulosehaltige Substrate in die Biogasanlagen gelangen. Cellulose ist Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände und besteht aus Kohlenhydraten, welche die Mikroorganismen nur schlecht oder schwer abbauen können. Die Forschung konzentriert sich deshalb darauf, diese Kohlenhydrate durch Hydrolyse – d.h. eine chemische Spaltung mit Wasser - besser zu zersetzen. Dafür kann man das Substrat beispielsweise mechanisch besser zerkleinern oder Druck und Temperatur in den Gärbehältern verändern. Die Hochschule Offenburg verfolgt einen dritten Weg: Sie setzt hydrolytisch wirkende Enzyme ein – ein Ansatz, der andernorts bereits erfolgreich erprobt wurde.

Anstatt ständig neue Enzyme zuzusetzen, zielte man in Offenburg darauf, sie im Gärprozess selbst fortlaufend herzustellen. Dazu trennten die Forscher einen Nebenfermenter ab und füllten ihn mit einem Kultivierungsmedium aus einem Teil Gärrest sowie einem cellulosehaltigem Teilstrom. Der mineralstoffreiche Gärrest versorgt die enzymproduzierenden Pilze und Bakterien mit Nährstoffen, die Cellulose sorgt für die notwendige Stärke. Die Wärme aus dem Hauptfermenter sichert die notwendige Temperatur. Das nun enzymhaltige Gemisch fließt dann später wieder dem Hauptfermenter zu. Ziel des Projektes war es, Pilze und Bakterien zu identifizieren, die thermophil wachsen und besonders gut die gewünschten Enzyme produzieren. Anschließend entwickelten die Forscher Analyseparameter und optimieren die Zusammensetzung von Substrat und Kultivierungsmedium. Nach der Wirtschaftlichkeitsberechnung entwickelten sie dann ein Model um die Fermentationsstufe mit Enzymeinsatz vom Labor auf größere Anlagen zu übertragen.

Das Offenburger Model bietet mehrere Vorteile für viele ähnliche Biogasanlagen in Deutschland: Die Ausbeute an Biogas steigt während gleichzeitig bisher ungenutzte cellulosehaltige Substrate zum Einsatz kommen können. Durch die Enzyme verbleibt das Substrat außerdem kürzer im Hauptfermenter. Weil der Gärrest als Kultivierungsmedium dient, können die Anlagenbesitzer außerdem ihre Lager verkleinern.

Projektdaten

Projektnummer 2011-11
Projektart Forschung und Studien
Projektträger Hochschule Offenburg
Laufzeit Januar 2011 bis März 2014
Zuschuss 116.334

Ihre Ansprechpartner

Richard Tuth

Richard Tuth

Innovationsfonds Klima- & Wasserschutz

T: 0761-279-29 84

E-Mail: richard.tuth@badenova.de

Michael  Artmann

Michael Artmann

Innovationsfonds Klima- & Wasserschutz

T: 0761-279-22 53

E-Mail: michael.artmann@badenova.de

Einblicke in weitere Förderprojekte:

Energetische Nutzung von Maisstroh als landwirtschaftlicher Reststoff
Oberrheinebene

Maisstroh für die Biogasproduktion

Auf bis zu 50 Prozent der Felder am Oberrhein wächst Mais. Dabei handelt es sich überwiegend um Körnermais, also Mais, der vor allem zu Stärke für die Nahrungs- und Pharmaindustrie weiterverarbeitet wird. Anders als beim Silomais, wo die ganze Pflanze verwertet wird, bleibt hierbei das Maisstroh übrig, als ein großer Teil der Pflanze. Es verbleibt gewöhnlich auf dem Feld, wo es die Landwirte häckseln und in den Boden einarbeiten. Trotzdem zersetzt sich das grobe Stroh nur langsam. Gemeinsam mit Landwirten aus der Region erprobte die badenovaWÄRMEPLUS nun, inwiefern sich das Stroh als Substrat für Biogasanlagen eignet und ob es überhaupt wirtschaftlich eingesetzt werden kann. Das Projekt untersuchte dafür, wie man die Maisstrohernte möglichst effizient in den bisherigen Ablauf integrieren kann. Das ist besonders wichtig in der Rheinebene, wo viele Landwirte relativ kleine Felder bewirtschaften und oft nicht über eigene Erntemaschinen verfügen. Auch die sehr unterschiedliche Bodenbeschaffenheit stellt große Ansprüche. Dafür erprobte das Projektteam verschiedene Erntetechniken und Abläufe, alle mit dem Ziel, Boden und Landwirte möglichst wenig durch zusätzliche Fahrten und Ernteeinsätze zu belasten, und das Maisstroh zu bergen, bevor es kompostiert. Für eine Reihe von Maissorten analysierten die Mitarbeiter außerdem, welcher Zerkleinerungsgrad und welche Form der Silierung die höchsten Gaserträge ergeben. In den Erntejahren 2015 bis 2017 wurde das Verfahren angewandt und optimiert. Ziel war es, für die badenova-Biogasanlagen in Neuried und im Gewerbepark Breisgau aus den umliegenden Maisfeldern genug Stroh zu gewinnen, um 20 Prozent des Substratbedarfs zu decken. Die Ergebnisse der dreijährigen Untersuchungen im Rahmen des Projektes ‚Energetische Nutzung von Maisstroh‘ konnten zeigen, dass Körnermaisstroh als Reststoff ein qualitativ gut geeignetes und mit verfügbarer Bergetechnik nutzbares Biogassubstrat darstellt, das den Substratmix einer Biogasanlage kostengünstig ergänzen und dazu beit ragen kann, speziell angebauten Silomais zu substituieren. Alle Ergebnisse aus dem Projekt entnehmen Sie dem beigefügten Abschlussbericht. Darstellung drei wesentlicher Erkenntnisse aus dem Projekt: Maisstroh hat Potential für Biogassubstrat: Dies ergaben die Untersuchungen der Beprobungen, wobei die Methanhektarerträge durch Maisstroh etwa 20 bis 25 Prozent Silomais substituieren können, ohne dadurch zusätzlichen Flächenbedarf entstehen zu lassen. Maisstrohnutzung abhängig von Bodenbeschaffenheit und Organisation der landwirtschaftlichen Strukturen: Hier liegen die Vorteile bei großflächigen, zusammenhängenden und zusammengehörenden Flächen, die den Aufwand der Maisstrohernte gering halten. Zudem erhöht ein zu hoher Kiesbesatz auf den Ackerflächen den Verschleiß der eingesetzten Erntetechnik, welches ggf. ebenfalls zur Unwirtschaftlichkeit führen kann. Maisstrohnutzung abhängig von Materialaufbereitung: Neben der Bergung ist auch die Beschaffenheit des Materials entscheidend für die energetische Verwertung. Nur durch die Vorlagerung eines Zerkleinerungsvorgangs kann ein zur Maistrohnutzung geeignetes Material gewonnen werden.

Dialog mit der Landwirtschaft in Kombination mit einem praxisorientierten Bewirtschaftungsversuch zum Thema Flachlandmähwiesen im Wasserschutzgebiet Ebnet
Freiburg - Ebnet

Nachhaltige Bewirtschaftung von geschützten Flachlandmähwiesen

Mähwiesen sind aus verschiedenen Gründen wichtig. Für Landwirte stellen sie Futter für Weidevieh zur Verfügung und sollen möglichst hohe Erträge bieten. Oft liegen die Wiesen jedoch in Wasserschutzgebieten, wo die Landwirte nur begrenzt düngen können. Schließlich sind Mähwiesen ein wichtiger Lebensraum, der die Vielfalt in der Tier- und Pflanzenwelt aufrechterhält. Darauf zielt beispielsweise die EU-Richtlinien Natura 2000, die Flachlandmähwiesen europaweit als geschütztes Flora-Fauna-Habitat ausweist. Um diese verschiedenen Interessen zu vereinen, erstellt das Umweltschutzamt Freiburg zusammen mit Partnern und Landwirten aus der Region ein nachhaltiges Bewirtschaftungskonzept. Versuchsgebiet sind Mähwiesen im Wasserschutzgebiet Ebnet, die durch die EU-Richtlinien als Flora-Fauna-Habitat geschützt sind. Dort haben badenova und Stadt Freiburg schon Versuche zur grundwasserschonenden Düngung durchgeführt. Aufbauend auf diesen Erfahrungen erprobten die Projektpartner nun in einem dreijährigen Versuch zwei verschiedene Düngeverfahren. Ein Versuchsgerät injiziert Flüssigdünger in vorgesetzten Abständen unter die Grasnarbe. Beim zweiten Verfahren bringen die Mitarbeiter einen gekörnten Dünger auf der Grasnarbe aus. Für beide Methoden kartieren sie das Gebiet und bestimmten für fünf Versuchsflächen Artenvielfalt und Ertrag über drei Jahre hinweg. Am Ende steht ein Model, dass mit möglichst wenig und preiswertem Dünger hohe Erträge garantiert, das Grundwasser nicht gefährdet und zum Erhalt der Mähwiesen beiträgt. Die ausführliche Kartierung erlaubt es, die Ergebnisse auf ähnliche Flächen andernorts zu übertragen. Für die Information und Schulung anderer Landwirte fanden mehrere Feldtage und Abendveranstaltungen statt. Wesentliche Erkenntnisse: Es ist wichtig, miteinanderin Kontakt zu kommen, miteinander zu Kommunizieren und sich in die Belange aller Beteiligten hineinzudenken. Mit den Feldtagen und den Abendveranstaltungen boten wir hierfür einen passenden Rahmen. Praktische Demonstrationen sind oft anschaulicher als theoretische Vorträge. Es konnten praktikable und finanziell interessante Düngeverfahren vorgesellt werden, die bereits in anderen Betrieben und auf anderen Flächen eingesetzt werden. Durch die praktizierten Verfahren konnten die FFH-Mähwiesen erhalten werden. Äußere Einflüsse (Wetter) überlagern die einzelnen Varianten stark. Versuchsdauer sollte optimaler Weise länger sein. Durch die Zusammenstellung eines interdisziplinärenTeamskonnte sowohl auf viel Fachwissen, Unterstützung und auch auf historische Daten (Düngung in den letzten 25 Jahren, Wetterdaten, praktisch Erfahrungen vor Ort) zugegriffen werden.