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Eignung verschiedener Herkünfte von Silphium perfoliatum als Biogassubstrat im Vergleich zu Mais

Prozesstechnische und ökologische Eigenschaften

Masterarbeit 2013 79 Seiten

Agrarwissenschaften

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Material und Methoden
2.1 Versuchsfläche
2.2 Bestimmung der Ernteparameter
2.3 Maisanbau im Versuchsjahr 2012
2.4 Fermentationsexperimente
2.4.1 Trockensubstanz
2.4.2 Biogasausbeute und -dynamik
2.4.3 Pralltechnik
2.4.4 Raumbelastung und Prozessstabilität
2.5 Faunistische Untersuchungen

3 Ergebnisse
3.1 Ertragsdaten der Silphium perfoliatum Herkünfte
3.2 Fermentationsexperimente
3.2.1 Trockensubstanz
3.2.2 Biogasausbeute und -dynamik
3.2.3 Pralltechnik
3.2.4 Raumbelastung und Prozessstabilität
3.3 Faunistische Untersuchungen
3.3.1 Monitoring
3.3.2 Gelbschalen

4 Diskussion

5 Zusammenfassung

6 Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abb.1: Silphium perfoliatum fünf Jahre nach Pflanzung auf der Versuchsfläche der Fachhochschule Bingen August 2012

Abb. 2: Versuchsplan des Silphium-Herkunftsvergleiches

Abb. 3: 6-Liter Biogas-Fermenter mit Rührwerken der Fachhochschule Bingen für die Durchführung der Batchversuche

Abb. 4: Anlage zur Anwendung der Pralltechnik der Firma Rüssinger

Abb. 5: Links feuchtes, ungepralltes Maissubstrat, rechts feuchtes gepralltes Maissubstrat für die Durchführung der Batchversuche

Abb. 6: Titrator TIM 840 der Firma Hach Lange mit Probe, Titrationslösung und pH-Messelektrode zur Bestimmung der FOS/TAC-Werte während der Fermentation (LOSSIE 2011)

Abb. 7: Frischmasseertragsleistung von vier Silphium perfoliatum Herkünften zum Erntezeitpunkt am Standort Bingen - 2008 bis 2012

Abb. 8: Trockensubstanzgehalt von vier Silphium perfoliatum Herkünften zum Erntezeitpunkt am Standort Bingen - 2008 bis 2012

Abb.9: Trockenmasseertragsleistung von vier Silphium perfoliatum Herkünften zum Erntezeitpunkt am Standort Bingen - 2008 bis 2012

Abb.10: Sproßlängenwachstum von vier Silphium perfoliatum Herkünften zum Erntezeitpunkt am Standort Bingen - 2008 bis 2012

Abb.11: Anzahl der Triebe je Pflanze von vier Silphium perfoliatum Herkünften zum Erntezeitpunkt am Standort Bingen - 2008 bis 2012

Abb.12: Anzahl der abgestorbenen Triebe je Pflanze von vier Silphium perfoliatum Herkünften zum Erntezeitpunkt am Standort Bingen - 2008 bis 2012

Abb.13: Durchmesser der gesunden Triebe von vier Silphium perfoliatum Herkünften zum Erntezeitpunkt am Standort Bingen - 2008 bis 2012

Abb.14: Durchmesser der abgestorbenen Triebe von vier Silphium perfoliatum Herkünften zum Erntezeitpunkt am Standort Bingen - 2008 bis 2012

Abb.15: Vergleich der Methanausbeute von vier Silphium perfoliatum Herkünften (Silage unaufbereitet - FM), Batchfermentation über 28 d bei 40° C

Abb.16: Zeitabhängige Methanbildung von vier Silphium perfoliatum Herkünften (Silage unaufbereitet - FM), Batchfermentation über 28 d bei 40° C

Abb.17: Vergleich der Methanausbeute von Silphium perfoliatum und Mais in Abhängigkeit der Substratvorbehandlung (Silage unaufbereitet - FM und Silage bei 60 °C getrocknet und gemahlen (Ø=1mm) - TM), Batchfermentation über 28 d bei 40 °C

Abb.18: Zeitabhängige Biogas- und Methanbildung der Silphium-Variante 4 bei unterschiedlichen Substratvorbehandlungen (Silage unaufbereitet - FM und Silage bei 60 °C getrocknet und gemahlen (Ø=1mm) - TM), Batchfermentationüber 28 d bei 40 °C

Abb.19: Zeitabhängige Biogas- und Methanbildung von Maissilage bei unterschiedlichen Substratvorbehandlungen (Silage unaufbereitet - FM und Silage bei 60 °C getrocknet und gemahlen (Ø=1mm) - TM), Batchfermentation über 28 d bei 40 °C

Abb.20: Vergleich der Methanausbeute von Silphium perfoliatum und Mais in Abhängigkeit der Substratvorbehandlung (Silage ungeprallt - FM und Silage geprallt - FM), Batchfermentation über 28 d bei 40 °C

Abb.21: Zeitabhängige Biogas- und Methanproduktion der Silphium-Variante 3 bei unterschiedlichen Substratvorbehandlungen (Silage ungeprallt - FM und Silage geprallt - FM), Batchfermentation über 28 d bei 40 °C

Abb.22: Zeitabhängige Biogas- und Methanproduktion von Maissilage bei unterschiedlichen Substratvorbehandlungen (Silage ungeprallt - FM und Silage geprallt - FM), Batchfermentation über 28 d bei 40 °C

Abb.23: Vergleich der Methanausbeute von vier Silphium perfoliatum Herkünften am Standort Bingen - 2008 bis 2012, Batchfermentation

Abb.24: Zusammenfassung der Methanausbeute von vier Silphium perfoliatum Herkünften am Standort Bingen - 2008 bis 2012, Batchfermentation

Abb.25: Vergleich der Methanerträge von vier Silphium perfoliatum Herkünften am Standort Bingen - 2008 bis 2012, Batchfermentation

Abb.26: Abhängigkeit der Methanerträge von Trockenmasseertrag zum Erntezeitpunkt von Silphiumsilage, Standort Bingen - 2008 bis 2012

Abb.27: Raumbelastung und Methanertrag der Silphiumsilage der Variante 1+2 in Abhängigkeit der zugeführten Substratmenge (400, 530, 600 und 800g, Silagen unaufbereitet - FM), Batchfermentation über sieben Tage bei 40 °C

Abb.28: FOS/TAC-Werte für Silphiumsilage der Variante 1+2 in Abhängigkeit der zugeführten Substratmenge (400, 530, 660 und 800g, Silagen unaufbereitet - FM), Batchfermentation über sieben Tage bei 40 °C

Abb.29: Raumbelastung und Methanertrag von Maissilage in Abhängigkeit der zugeführten Substratmenge (250, 333, 450 und 550g, Silagen unaufbereitet - FM), Batchfermentation über fünf Tage bei 40 °C

Abb.30: FOS/TAC-Werte für Maissilage in Abhängigkeit der zugeführten Substratmenge (250, 333, 450 und 550g, Silagen unaufbereitet - FM), Batchfermentation über fünf Tage bei 40 °C

Abb.31: Raumbelastung und Methanertrag von Silphiumsilage in Abhängigkeit der zugeführten Substratmenge und Vorbehandlungen (FM 280g geprallt, FM 280g, FM 560g und TM 98g (60°)), Batchfermentation über fünf Tage bei 40° C

Abb.32: FOS/TAC-Werte für Silphiumsilage in Abhängigkeit der zugeführten Substratmenge und Vorbehandlungen (FM 280g geprallt, FM 280g, FM 560g und TM 98g (60°)), Batchfermentation über fünf Tage bei 40° C

Abb.33: Temperatur- und Niederschlagsverlauf in Bingen am Silphium und Mais Versuchsfeld während der sechswöchigen Untersuchungen

Abb.34: Luftfeuchte und Windstärke in Bingen am Silphium und Mais Versuchsfeld während der sechswöchigen Untersuchungen

Abb.35: Häufigkeit von Honigbienen in Abhängigkeit der Blütenanzahl am Silphium- und Maisbestand über sechs Wochen

Abb.36: Blütenbesuche von Honigbienen an Silphium perfoliatum in Abhängigkeit der Temperatur

Abb.37: Häufigkeit von Wildbienen in Abhängigkeit der Blütenanzahl am Silphium- und Maisbestand über sechs Wochen

Abb.38: Blütenbesuche von Wildbienen an Silphium perfoliatum in Abhängigkeit der Temperatur

Abb.39: Häufigkeit von Schwebfliegen in Abhängigkeit der Blütenanzahl am Silphium- und Maisbestand über sechs Wochen

Abb.40: Blütenbesuche von Schwebfliegen an Silphium perfoliatum in Abhängigkeit der Temperatur

Abb.41: Häufigkeit von Hummeln in Abhängigkeit der Blütenanzahl am Silphium- und Maisbestand über sechs Wochen

Abb.42: Blütenbesuche von Hummeln an Silphium perfoliatum in Abhängigkeit der Temperatur

Abb.43: Anzahl der Rapsglanzkäfer pro Blüte am Silphium- und Maisbestand über sechs Wochen

Abb.44: Vorkommen der verschiedenen Insektenarten aus den Gelbschalen im Silphiumbestend während der Hauptblütezeit von Juli bis August

Abb.45: Vorkommen der verschiedenen Insektenarten aus den Gelbschalen im Maisbestend während der Hauptblütezeit von Juli bis August

Abb.46: Häufigkeit der Insekten in den Gelbschalen im Silphium- und Maisbestend während der Hauptblütezeit von Juli bis August

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Düngermenge und Erntetermin der vier Silphium perfoliatum Herkünfte am Standort Bingen in den Jahren 2008 bis 2012

Tab. 2: Versuchsansätze der Vergärungen

Tab. 3: Skala für die Bewertung von FOS/TAC-Werten der eingesetzten Substrate während der Fermentation (LOSSIE 2011)

Tab. 4: Niederschlagsmonatssummen und mittlere Monatstemperaturen von Februar bis September in den Jahren 2008 bis 2012 am Standort Bingen

Tab. 5: Trockenmasse- und organischer Trockenmassegehalt in Prozent der untersuchten Substrate

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die Verwendung von Mais für die Biogasgewinnung hat in den letzten Jahren enorm an Bedeutung gewonnen. Im Jahr 2012 wurden in Deutschland auf 962 000 ha Energiepflanzen für die Biogasgewinnung angebaut (FNR 2013) etwa 800 000 ha davon waren Silomais (FNR 2013). Laut CONRAD und BIERTÜMPFEL (2011) führt seitens der Landwirte die steigende Anzahl von Biogasanlagen und der in einigen Regionen Deutschlands stark ansteigende Maisanteil in der Fruchtfolge, zu einer intensiven Suche nach Alternativen für den Einsatz als Koferment. Auch die Einführung des aktuellen EEG, wodurch der Einsatz von Mais in Biogasanlagen mit über 60 Masseprozent nicht mehr gefördert wird (RAUH 2011) regt Landwirte und Biogasanlagenbetreiber an, alternative Energiepflanzen zu nutzen.

Eine mögliche Option für Biogasanlagen stellt Silphium perfoliatum L. dar. Durchwachsene Silphie oder Becherpflanze wie sie auch genannt wird ist ein mehrjähriger Korbblütler aus der Familie der Asteraceaen. Sie stammt ursprünglich aus den gemäßigten Regionen Nordamerikas und wurde als Futterpflanze nach Europa eingeführt und findet auch als Zierpflanze Verwendung. (PUDE et al. 2012) Durch die vermehrte Nutzung Nachwachsender Rohstoffe der letzten Jahre wird diese Pflanze hinsichtlich zur Nutzung als Koferment in Biogasanlagen untersucht. Mitarbeiter der Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft und der Fachhochschule Bingen forschen seit 2007 an dieser Pflanze. Versuche der letzten Jahre sollen gezeigt haben, dass die Biomasseerträge mit denen von Silomais vergleichbar sind. Die Substratversorgung auf Basis von Mais in trockenen und warmen Regionen ist bei unzureichenden Niederschlagsmengen unsicher. Um eine Biomasseversorgung sicherzustellen, werden Pflanzen benötigt, die eine ausreichende Trocken- und Hitzetoleranz aufweisen. S. perfoliatum hat laut der TLL (2011) geringe Bodenansprüche und kann aufgrund ihres großen Wurzelsystems auch auf trockenen Standorten angebaut werden. Am besten gedeiht sie aber auf humosen Flächen mit guter Wasserführung, staunasse Böden sind nicht geeignet (TLL 2011). Am trocken-warmen Standort Bingen soll die Trocken- und Hitzetoleranz von S. perfoliatum noch genauer untersucht werden. Durch die langjährige Nutzungsmöglichkeit von S. perfoliatum ergeben sich vielfältige ökologische und ökonomische Vorteile gegenüber Mais. Bisherige Ergebnisse bestätigen eine fünfjährige Nutzungsdauer ohne Ertragsabfall, von einer mindestens zehnjährigen Nutzungsdauer ist auszugehen (FNR 2010). Aufgrund der ganzjährigen Bodenbedeckung ist eine jährliche Bodenbearbeitung nicht notwendig, wodurch Kosten gespart und der Boden geschont wird. Außerdem wird die Gefahr der Erosion dadurch verringert. Die Kultivierung über Saatgut hat sich bislang noch nicht durchgesetzt, dies ist zum einen auf die benötigten Wechseltemperaturen zur Keimung des Saatgutes (TRÖLENBERG et al. 2012) zum anderen auf die beschränkte Saatgutverfügbarkeit und die fehlenden Herbizidzulassungen zurückzuführen (PUDE et al. 2012). Gepflanzt wird S. perfoliatum Mitte April bis Mitte Juli in einem Reihenabstand von 50 x 50 cm beziehungsweise 50 x 75 cm mit drei bis vier Pflanzen/m2 (TLL 2011). Sie bildet im Pflanzjahr nur wenig Biomasse und kann nicht beerntet werden. Ab dem 2. Standjahr bildet S. perfoliatum bis zu drei Meter hohe vierkantige Stängel. Ihre lanzettlich geformten Blätter welche an der Basis mit dem Stängel verwachsen sind, bieten der Pflanze die Möglichkeit Regen- oder Tauwasser zu sammeln, deshalb auch der Name Becherpflanze. Aufgrund ihrer strahlend gelben Blüten im Zeitraum von Juli bis August, bietet sie nicht nur vielen Insekten wie Bienen einen Lebensraum, sondern bereichert zusätzlich noch das Landschaftsbild (Abb. 1).

Für eine optimale Biogasproduktion spielt zudem die Menge und Qualität der Gase eine entscheidende Rolle. Gute agronomische Eigenschaften allein sind nicht ausreichend, gerade für Biogasanlagenbetreiber ist die Effizienz und Eignung der Substrate von großer Bedeutung. Silphium perfoliatum verspricht hier ähnlich hohe Methanerträge und eine gute Vergärbarkeit wie Mais. Zur Biogasbildung und prozesstechnischen Eignung als Koferment gibt es aber noch Forschungsbedarf. Bisherige Ergebnisse zeigen eine etwa 15 Prozent geringere Biogasausbeute gegenüber Mais (CONRAD und BIERTÜMPFEL 2011).

In der vorliegenden Arbeit wird die Wuchs- und Ertragsleistung vier verschiedener Silphium perfoliatum Herkünfte am Standort Bingen miteinander verglichen

sowie die Eignung von S. perfoliatum als Biogassubstrat im direkten Vergleich

zu Maissubstrat weiter untersucht. Unter Berücksichtigung verschiedener Aufbereitungsmaßnahmen werden die Biogasdynamik, der Gassertrag sowie die Qualität des Gases von Silphiumsilage der Maissilage gegenübergestellt. Hier werden die Raumbelastungen der Fermenter und die Prozessstabilität während der Fermentation von Silphium- und Maissilage gemessen. Außerdem wird der Anbau von Silphium perfoliatum aus ökologischer Sichtweise bewertet, neben dem erfassen von Pollen und Nektar besuchenden Insekten wird die Blühentwicklung und faunistische Artenvielfalt beobachtet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Silphium perfoliatum fünf Jahre nach Pflanzung auf der Versuchsfläche der Fachhochschule Bingen

2 Material und Methoden

2.1 Versuchsfläche

Die untersuchten Pflanzen befanden sich auf einer 0,5 Hektar großen Versuchsfläche der Fachhochschule Bingen, welche in zwei Teile aufgeteilt war. 0,25 Hektar Mais und 0,25 Hektar Silphium perfoliatum vier verschiedener Herkünfte Hier wurde auch das Substrat für die Gärversuche entnommen. Der Silphiumbestand wurde im Mai 2007 etabliert. Gepflanzt wurden vier Pflanzen/m2 (50 x 50 cm). Im Pflanzjahr bildetete S. perfoliatum nur eine bodenständige Rosette und wurde nicht beerntet. Es wurde lediglich die mechanische Unkrautbekämpfung durchgeführt. Zu Vegetationsbeginn in 2008 wurden 100 kg/ha Stickstoff sowie 100 kg/ha Kaliumsulfat auf Basis eines Nmin-Wertes von 34 kg/ha gedüngt. Die erste Ernte erfolgte am 28.09.2008. Die Düngermengen und Erntetermine der darauf folgenden Jahre sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tab. 1: Düngermenge und Erntetermin der vier Silphium perfoliatum Herkünfte am Standort Bingen in den Jahren 2008 bis 2012

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Austrieb von Silphium perfoliatum in 2012 erfolgte Ende März ohne nennenswerte Pflanzenausfälle durch die Winterwitterung. Die Hauptblütezeit war von Anfang Juli bis Mitte August. Sonstige pflanzenbauliche Maßnahmen wie Bodenbearbeitung oder der Einsatz von Pflanzenschutzmittel wurden nicht angewendet. Der Kleinparzellenfeldversuch mit den vier Herkünften wurde als lateinisches Quadrat in vier Wiederholungen angelegt (Abb.2).

Da von Silphium perfoliatum noch keine züchterischen Sorten existieren werden diese Herkünfte folgend Varianten genannt (1 = USA, 2 = Norddeutschland, 3 = Mitteldeutschland, 4 = Russland).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Versuchsplan des Silphium-Herkunftsvergleiches

2.2 Bestimmung der Ernteparameter

Vor der Ernte wurden aus jeder Parzelle im Silphiumbestand stichprobenartig zehn Pflanzen ausgewählt um die Pflanzenlänge der verschiedenen Herkünfte zu ermitteln. Gemessen wurde die Länge der Pflanze vom Austrieb am Boden bis zur Sprossspitze. Die einzelnen Parzellen wurden anschließend der Herkunft nach, mechanisch mit einer Sichel etwa 10 Zentimeter über dem Boden beerntet, um hinterher die Triebe zählen zu können und deren Durchmesser zu bestimmen. Für den optimalen Transport und zum besseren wiegen, wurden die Pflanzen während der Ernte zu Ballen zusammengeschnürt und anschließend das Gewicht addiert. Ein Drittel der geernteten Biomasse wurde für die Gärversuche und zur Bestimmung der Trockensubstanzgehalte mit einem herkömmlichen Gartenhäcksler zerkleinert, der Rest wurde am Feldrand zurückgelassen. Für den Siliervorgang wurde direkt nach der Ernte das frische Häckselgut in 5 Liter Plastikeimer eingefüllt, mit einer Spindelpresse verdichtet und Luftdicht verschlossen. Siliermittel wurden keine verwendet. Neun Wochen nach der Ernte waren die Substrate fertig für die Fermentationsexperimente.

2.3 Maisanbau im Versuchsjahr 2012

Um Silphium perfoliatum im Vergleich zu Mais besser untersuchen zu können, wurde im Frühjahr 2012 direkt neben dem Silphiumbestand ein ebenfalls 0,25 Hektar großer Maisbestand gegründet. Die Aussaat der Sorte "Torres" erfolgte Ende April. Die Nährstoffversorgung erfolgte durch das Ausbringen von Gülle Anfang und Mitte April vor dem Auflaufen der Pflanzen mit jeweils 40 m3. Zusätzlich erfolgte ein Unterfußdüngung mit 200 kg/ha Diamonphosphat (18 % N, 46 % P2O5). Zur Unkrautbekämfpung kamen nach dem Auflaufen der Pflanzen Mitte Mai zwei Herbizide zum Einsatz. 1 l/ha MaisTer flüssig sowie 1 l/ha Gardobuc. Die Ernte der Biomasse erfolgte mit einem herkömmlichen Maishäcksler Ende August, etwa zwei Wochen vor der Silphiumernte. Das Häckselgut wurde für die Gärversuche siliert und der Trockensubstanzgehalt bestimmt.

2.4 Fermentationsexperimente

Tabelle 2 zeigt die Versuchsansätze für die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen.

Tab. 2: Versuchsansätze der Vergärungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Vergärung der Substrate wurde im Batchverfahren mit einer Apparatur nach Abbildung 3 durchgeführt Es standen zehn Fermenter mit jeweils einem Fassungsvermögen von sechs Litern zur Verfügung. Es wurden sechs Gärversuche durchgeführt. Der erste, zweite und dritte Versuch dauerte 28 Tage. Der vierte Durchgang dauerte sieben Tage, der fünfte und sechste Durchgang dauerte jeweils fünf Tage. Die einzelnen Versuche werden folgend näher erläutert. Die Fermentertemperatur betrug jeweils 40 °C. Die Ausgangsfüllung war in jedem Laborfermenter zunächst gleich: 4 kg Fermentergülle (einer nahegelegenen Biogasanlage), 1,5 Liter Leitungswasser und 5 ml Silconsuspensionslösung um Schaumbildung zu vermeiden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: 6-Liter Biogas-Fermenter mit Rührwerken für die Durchführung der Batchversuche der Fachhochschule Bingen

In den Fermentern steckte jeweils ein Paddelrührwerk, welche 15 Minuten je Stunde bei einer Umdrehungszahl von 160 U/min aktiv waren. Nach einer Woche wurde die Umdrehungszahl bei den ersten drei Versuchen auf 80 U/min reduziert. Das während der Vergärungen gebildete Biogas wurde in einem 40 Liter Gasfolienspeicherbeutel (Firma Ritter) gespeichert und in unregelmäßigen

Abständen (je nach Bedarf) geleert. Bei jeder Entleerung wurde die Gasmenge in Liter und die Gaszusammensetzung mit Hilfe eines Biogasmonitors der Firma Ansynco gemessen. Zudem wurde die Raumtemperatur in °C und der Luftdruck in mbar erfasst, um anschließend das Normvolumen (Vn) des Gases nach DIN 1343 berechnen zu können. Das Normgasvolumen gibt das Volumen eines Gases im Normzustand (gleicher Druck, gleiche Temperatur) an und ist zum Vergleichen von Biogaserträgen erforderlich. Nach OHL (2011) ist es das Volumen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Vn = Normgasvolumen in Liter

V = gemessenes Gasvolumen in Liter

T = gemessene Raumtemperatur in Kelvin

Tn = Normtemperatur (273,15 K = 0 °C)

p = gemessener Luftdruck in bar

pn = Normdruck (1,013 bar)

2.4.1 Trockensubstanz

Zusätzlich wurde von der Mais- und Silphiumsilage der Trockensubstanz- (TS) und der organische Trockensubstanz- (oTS) Gehalt gemessen, welche wichtig zur Beurteilung des Gasertrages und zur Bestimmung des Abbaugrades der Substrate sind (EDER und SCHULZ 2007). Zur Bestimmung der Trockensubstanz wurde das Material gewogen und bei 105 °C für 24 Stunden getrocknet. Aus dem Gewichtsverlust ergibt sich der TS-Gehalt. Zur Ermittlung des organischen Trockensubstanzgehaltes wurde die Trockensubstanz für 3 Stunden in einem Ofen bei 600 °C verbrannt. Der daraus entstandene Gewichtsverlust wird als organische Trockensubstanz bezeichnet. Die übriggebliebene Asche besteht aus Mineralstoffen und Sand (EDER SCHULZ 2007).

2.4.2 Biogasausbeute und -dynamik

Beim ersten Versuch wurde die Biogasbildung und -ausbeute der Varianten 1 bis 4 untersucht. Hierfür wurden für jede Variante zwei Fermenter mit jeweils 400 g frischem Substrat befüllt. Im zweiten Durchgang wurde vom Mais- und Silphiumsubstrat der Variante 4 die Biogasbildung und -ausbeute ermittelt. Befüllt wurden zwei Fermenter mit jeweils 100 g getrockneter und gemahlener (Ø=1mm) Maissilage, zwei Fermenter mit jeweils 300 g feuchter Maissilage, zwei Fermenter mit jeweils 100 g getrockneter und gemahlener (Ø=1mm) Silphiumsilage sowie zwei Fermenter mit jeweils 400 g feuchter Silphiumsilage. Für beide Durchgänge wurden zwei Fermenter nur mit Gülle, Leitungswasser und der Silconsuspensionslösung befüllt, um hinterher die Nettogasmenge zu

berechnen. Diese Versuche dauerten 28 Tage, nach diesem Zeitraum sind alle leicht abbaubaren Stoffe weitestgehend verwertet und die Biogas- bzw. Methanausbeute erreicht ein konstantes Niveau (BAYLFU 2007). Nach jeder Vergärung wurden die Fermenter gereinigt und für den nächsten Versuch vorbereitet.

2.4.3 Pralltechnik

Für den dritten Versuch wurde das Mais- und Silphiumsubstrat mit einer speziellen Pralltechnik aufbereitet. Es handelt sich bei diesem Vorgang um eine durch schnelles schleudern und aufprallen hervorgerufene Zerkleinerung des Materials. Beim Einfüllen in die Maschine wird das Material von zwei sehr schnell drehenden (3200 U/min) Metallplatten zerschlagen und durch ein etwa 0,5 mm feines Sieb gedrückt (Abbildung 4 und 5). Durch dieses Verfahren soll die Oberfläche des Materials vergrößert werden, wodurch den Bakterien eine größere Angriffsfläche geboten wird und somit die Gasausbeute steigt (EDER und SCHULZ 2007). Die Firma Schäfer in Rüssingen in der Pfalz ist Anbieter solcher Sondermaschinen, leider war es nicht gestattet diese Maschinen zu fotografieren. Verwendet wurden Maissilage 250 g feucht (geprallt), Maissilage 250 g feucht (nicht geprallt), Silphiumsilage (Variante 3) 400 g feucht (geprallt)

und 400 g Silphiumsilage (Variante 3) feucht (nicht geprallt), alle jeweils in Doppelbestimmung und zwei Fermenter nur mit Gülle. Dieser Durchgang dauerte ebenfalls 28 Tage. Es soll ermittelt werden ob die Pralltechnik Einfluss auf die Biogasbildung und -ausbeute gegenüber herkömmlich aufbereiteter Silage hat.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Anlage zur Anwendung der Pralltechnik der Firma Rüssinger

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Links feuchtes, ungepralltes Maissubstrat, rechts feuchtes, gepralltes Maissubstrat für die Durchführung der Batchversuche

2.4.4 Raumbelastung und Prozessstabilität

Beim vierten Versuch, welcher sieben Tage dauerte und beim fünften und sechsten Durchgang welcher fünf Tage dauerte, wurde die Raumbelastung der Fermenter sowie die resultierende Prozessstabilität mittels der FOS/TAC-Methode gemessen. Die Raumbelastung (Br) auch Faulraumbelastung genannt, "errechnet sich aus der täglich zugeführten Substratmenge, multipliziert mit dem Anteil der organischen Substanz des Substrates, dividiert durch das gesamte Fermentervolumen und wird in kg organische Trockensubstanz pro m3 Fermentervolumen und Tag angegeben (kg oTS/m3 d)" (EDER und SCHULZ 2007). Da es sich bei den folgenden Versuchen um ein Batchverfahren und nicht um ein kontinuierliches Verfahren handelt, wird die Formel mit der einmalig zugeführten Substratmenge nach DÖHLER et al. (2009) errechnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Br = Raumbelastung in kg oTM/m3 d

m = zugeführte Substratmenge in kg

k = Konzentration der organischen Trockenmasse in Prozent

Vf = Fermentervolumen in m3

Für die Beschreibung des biochemischen Zustands im Fermenter wird der FOS/TAC-Wert ermittelt. "Er ist der Quotient aus dem Gehalt an flüchtigen Fettsäuren (Flüchtige Organische Säuren FOS) und dem Gehalt an Carbonatpuffer (total Alkalische Carbonate TAC)" (KAISER et al. 2007) und zeigt das Verhältnis von Säurekonzentration zu Pufferkapazität. Steigt das Verhältnis zu stark an ist der Prozess überlastet, was zu einer Versauerung und schließlich zum Stillstand der Methanproduktion führt. Bei einem zu geringem Verhältnis ist die Anlage nicht ausgelastet und die Substratzufuhr muss erhöht werden (Tab. 3).

Tab. 3: Skala für die Bewertung von FOS/TAC-Werten der eingesetzten Substrate während der Fermentation (LOSSIE 2011)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Bestimmung der FOS/TAC-Werte erfolgte automatisiert mittels des Titrators TM 840 der Firma Hach Lange (Abb. 6). Es kann auch manuell erfolgen, aber die Verwendung eines Titrators ist wesentlich genauer und zeitsparender.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Titrator TIM 840 der Firma Hach Lange mit Probe, Titrationslösung und pH-Messelektrode zur Bestimmung der FOS/TAC-Werte während der Fermentation (LOSSIE 2011)

Für die Messung wurden 5 ml des Gärsubstrates in einen Titrierbecher gegeben und mit 50 ml destilliertem Wasser aufgefüllt, sodass die Messelektrode des pH-Meters in die Flüssigkeit eintauchen konnte. Anschließend wurde die Probe auf den Magnetrührer gestellt und es wurde der Ausgangs pH-Wert gemessen. Hat das Messgerät einen konstanten Wert erreicht wird die Probe mit 0,1 N Schwefelsäure titriert bis ein pH-Wert von 5 erreicht ist, anhand der verbrauchten Säure errechnet das Gerät den TAC-Wert. Anschließend wird die Probe bis zu einem pH-Wert von 4,4 nochmals mit Schwefelsäure titriert, das Ergebnis ist der FOS-Wert. Zu Beginn jeder neuen Messung muss die pH-Elektrode wieder kalibriert werden. Die FOS und TAC werden manuell nach EDER und SCHULZ (2007) folgendermaßen berechnet:

TAC = (Verbrauch H2SO4 (ml) bis pH 5) *

(20/Probeeinwaage (mg) * 250

FOS = ((Verbrauch H2SO4 (ml) bis pH 4,3) *

(20/Probeeinwaage (mg)) * 1,66 - 0,15) * 500

Es wurden drei Durchgänge vorgenommen. Der erste Versuch dauerte sieben Tage und erfolgte ausschließlich mit feuchtem Silphiumsubstrat aus einer Mischung der Varianten 1 und 2. Zwei Fermenter wurden mit 400 g, zwei Fermenter mit 530 g, zwei Fermenter mit 660 g und zwei Fermenter mit 800 g Silage befüllt. Zur Kontrolle wurden zwei Fermenter ohne zusätzliche Silage befüllt. Bei der anschließenden Fermentation, welche fünf Tage dauerte, wurde ausschließlich feuchtes Maissubstrat eingesetzt: 250 g, 333 g, 450 g, 550 g und eine Kontrolle, jeweils wieder in Doppelbestimmung. Beim letzten Durchgang welcher ebenfalls fünf Tage dauerte wurden Mischungen aus den Varianten 1 bis 4 verwendet. Befüllt wurden immer zwei Fermenter mit 280 g frischem und gepralltem Substrat, 280 g frischem und unbehandeltem Substrat, 560 g frischem und unbehandeltem Substrat, 98 g vorgetrocknetes (60°) Substrat sowie zwei Fermenter nur mit Gülle zur Kontrolle.

2.5 Faunisitische Untersuchungen

Die Erfassung der Artendiversität ausgewählter Insekten auf den Versuchsfeldern erfolgte über zwei unterschiedliche Methoden in Anlehnung an SSYMANK (2001). Zum einen wurden quantitativ mittels Rastererfassung an sechs verschiedenen Dauerbeobachtungsstellen - drei im Maisfeld und drei im Silphiumfeld - über einen Zeitraum von sechs Wochen (Anfang Juli bis Mitte August) blütenbesuchende Insekten erfasst. Die Beobachtung beschränkte sich hierbei auf Nektar und Pollenfressende Insekten und wurde in fünf Kategorien unterteilt. Wildbienen, also sämtliche Bienenarten der Überfamilie Apoidea, Honigbienen (Apis), Hummeln (Bombus), Schwebfliegen (Syrphydea) und Rapsglanzkäfer (Brassicogethes) (GÜNTHER et al. 1994). Zweimal pro Woche, zwischen 12 und 14 Uhr, wurde jede der sechs Zwei-Quadratmeter großen Flächen für drei Minuten beobachtet und die Häufigkeit der Insekten gezählt und notiert. Begleitend dazu wurde die Anzahl der entwickelten Blüten auf den Beobachtungsflächen, sowie Witterungsbedingungen also die Lufttemperatur, Luftfeuchte, Bewölkung, Windstärke und Niederschlag an den jeweiligen Tagen notiert, um eventuelle Zusammenhänge zwischen Blütenanzahl, Insektenhäufigkeit und Witterung feststellen zu können.

Bei der zweiten Methode wurde im gleichen Zeitraum der Zuflug verschiedener Insekten in den Beständen mittels Gelbschalen erfasst. Pro Feld wurden drei Schalen an unterschiedlichen Stellen aufgebaut. Die Schalen waren höhenverstellbar, sodass sie mit dem Pflanzenbestand mitwuchsen und von den Insekten wahrgenommen werden konnten. Die Schalen mit einem Volumen von 1,5 Liter wurden zur Hälfte mit Wasser befüllt. Zusätzlich wurden ein paar Tropfen Spülmittel hinzugefügt, um die Oberflächenspannung des Wassers zu brechen, damit die Insekten in das Wasser sinken. Um bei starkem Regen ein überlaufen zu vermeiden, wurden die Schalen am oberen Rand mit Löchern versehen. Eine Gitterauflage hat verhindert, dass unerwünschte Insekten wie Bienen oder Hummeln in die Schalen gelangen. Bei jeder Kontrolle alle drei Tage, wurden die Insekten gezählt und identifiziert. Anschließend wurden die Gefäße wieder neu befüllt.

3 Ergebnisse

Tabelle 4 zeigt eine Übersicht über die Niederschlagsverteilung und die durchschnittliche Temperatur als Monatssumme bzw. Monatsmittel am Standort Bingen von Februar bis September in den Jahren 2008 bis 2012.

Tab. 4: Niederschlagsmonatssummen und mittlere Monatstemperaturen von Februar bis September in den Jahren 2008 bis 2012 am Standort Bingen

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3.1 Ertragsdaten der Silphium perfoliatum Herkünfte

Die Erträge der noch feucht geernteten Biomasse der vier Herkünfte von Silphium perfoliatum aus den Jahren 2008 bis 2012 sind in Abbildung 7 gegenübergestellt. Variante 4 hatte bis auf das Jahr 2012 immer einen signifikant höheren Frischmasseertrag als die anderen Varianten. 2010 lagen die Erträge bei fast 90 Tonnen je Hektar. Aber auch alle anderen Herkünfte erzielten in diesem Jahr die höchsten Erträge. Die geerntete Menge an Frischmasse war in 2010 bei allen Herkünften signifikant höher als in den restlichen Jahren. Fast doppelt so hoch wie in den Jahren 2011 und 2012 und deutlich höher als in den Jahren 2008 und 2009.

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Abb.7: Frischmasseertragsleistung von vier Silphium perfoliatum Herkünften zum Erntezeitpunkt am Standort Bingen in den Jahren 2008 bis 2012

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Details

Seiten
79
Jahr
2013
ISBN (eBook)
9783656584049
ISBN (Buch)
9783656584469
Dateigröße
4.9 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v268354
Institution / Hochschule
Fachhochschule Bingen
Note
1,7
Schlagworte
eignung herkünfte silphium biogassubstrat vergleich mais berücksichtigung eigenschaften

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Titel: Eignung verschiedener Herkünfte von Silphium perfoliatum als Biogassubstrat im Vergleich zu Mais