Gasertragsbestimmung im Technikumsmaßstab (Batchformel)
Die Biogastechnologie ist nur einer von vielen erneuerbaren Energieträgern auf dem Weg zu einer nachhaltigen Energieproduktion. Gegenüber anderen Energieträgern gibt es jedoch einen entscheidenden Vorteil. Die produzierte Energie kann in Form von Biogas über einen gewissen Zeitraum relativ einfach gespeichert werden sowie die Gasproduktion durch technische Adaption (technische Flexibilisierung) und die Verwendung geeigneter Substrate (biologische Flexibilisierung) an den Energiebedarf angepasst werden. Letzteres ist nur dann möglich, wenn die Gasausbeute der verwendeten Substrate möglichst präzise vorhersagbar ist.
Zoombild vorhanden
Modell eines Batchansatz
Die Messung des potenziellen, spezifischen Biogasertrages nachwachsender Rohstoffe ist folglich ein wichtiger Bestandteil in der Biogastechnologie und eine wesentliche Größe für die Substratbewertung, Biogasanlagenplanung oder Pflanzenzüchtung. Aus diesem Grund sind Batch-Gärversuche des in Biogasanlagen eingesetzten organischen Substrates unter standardisierten Labormessbedingungen nötig, um die Biogas- bzw. Methanausbeute zu bestimmen. Batch-Gärversuche sind Tests, bei welchen das zu vergärende Material unter standardisierten Bedingungen biologisch abgebaut wird.
Das Verfahren ist jedoch hinsichtlich technischer Ausstattung, Personal, Zeit, Leistung und Finanzierung sehr aufwändig. Abhilfe könnte die Entwicklung mathematischer Modelle zur Schätzung der Biogasausbaute schaffen.
Das Verfahren ist jedoch hinsichtlich technischer Ausstattung, Personal, Zeit, Leistung und Finanzierung sehr aufwändig. Abhilfe könnte die Entwicklung mathematischer Modelle zur Schätzung der Biogasausbaute schaffen.
Grünland beispielsweise besitzt als Energiepflanze ein wertvolles Potenzial. Aufgrund der vielen Einflussfaktoren, wie Gräserarten, Erntetermin, Alterung und Standort gibt es jedoch große Abweichungen in der Biogasproduktion. Unterschiedliche Inhaltstoffgehalte der gleichen Gräserarten könnten als Einflussparameter genutzt werden, um ein mathematisches Modell zu entwickeln, das den mikrobiologischen Abbau und das Zusammenwirken der verschiedenen Inhaltsstoffgehalte untereinander simulieren kann.
Im Rahmen dieses Projektes wurden bestehende Datensätze aus Batchuntersuchungen und Ergebnisse von neuausgewählten Proben statistisch ausgewertet, um modellierbare plausible Zusammenhänge zwischen Inhaltsstoffen und dem Gasertragspotenzial zu finden.
Im Rahmen dieses Projektes wurden bestehende Datensätze aus Batchuntersuchungen und Ergebnisse von neuausgewählten Proben statistisch ausgewertet, um modellierbare plausible Zusammenhänge zwischen Inhaltsstoffen und dem Gasertragspotenzial zu finden.
Zielsetzung
Ziel dieses Projektes war es, ausgewählte Substrate aus der Praxis zu untersuchen, um einen möglicherweise inhaltsstofflich basierenden Zusammenhang zum Biogasertragspotenzial zu prüfen. Damit wurde ein praxistaugliches Modell entwickelt, um die empirische potenzielle Biogasausbeute schnell und kosteneffektiv zu berechnen.
Die folgenden Fragenstellungen wurden im Rahmen des Projektes beantwortet:
- Wie kann der Anteil der verschiedenen, chemischen Verbindungen der gleichen Pflanzensorte die Biogas- und Methanausbeute beeinflussen?
- Können unterschiedliche Wirkungen der Inhaltsstoffe auf die Verdaulichkeit erfasst und berechnet werden?
- Welche chemischen Komponenten sind für die Berechnung statistisch signifikant?
- Hat der gleiche Gehalt an chemischen Komponenten auch arten- oder sortenübergreifend die gleiche Wirkung?
Die folgenden Haupthypothesen wurden überprüft:
- Die unterschiedlichen Biogasausbeuten basieren auf der chemischen Zusammensetzung der Pflanzen.
- Das Biogaspotenzial kann mathematisch durch die chemischen Komponenten der Pflanzen beschrieben werden.
- Für eine hohe Schätzgenauigkeit werden arten- oder sortenspezifischen Modelle benötigt.
Methode
Im Verlauf der letzten sieben Jahren hat die Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft Versuchserfahrung und Daten aus den untersuchten Proben im Batchtest gesammelt. Aufgrund der Größe dieses Datenpools konnte eine statistische Auswertung der bereits bestehenden Daten kombiniert mit der Er-fassung neuer Daten aus der systematischen Untersuchung des Gasertragspotenzials von Gräsern in Abhängigkeit von Erntetermin und Schnitttermin maßgeblich dazu beitragen, Aussagen zur Beziehung zwischen Verdaulichkeit und Inhaltstoffen bzw. möglicherweise inhaltsstofflich verursachtem Zusammenhang zum spezifischen Gasertragspotenzial zu treffen.
Um den Einfluss der Inhaltsstoffe der NawaRo auf den spezifischen Biogasertrag zu beurteilen, wurden insgesamt 41 Proben von 11 verschiedenen Arten (z. B. Gräser, Getreide, Mais, Zuckerrüben) ausgewählt, die geeignete Substrate für eine landwirtschaftliche Biogasanlage sind. Zusätzlich wurden sechs ausgewählte Grünland-Pflanzenarten untersucht. Vier Gräserarten (Lolium perenne, Dactylis glomerata, Poa pratensis, Festuca pratensis) und zwei Leguminosenarten (Trifolium pratense, Trifolium repens) wurden in Feldparzellen (10 m2) angebaut. Darüber hinaus wurden die Proben systematisch geerntet, um den Einfluss des Wachstumsstadiums zu erfassen. Während der beiden Feldversuche im Jahr 2013 und 2014 wurden insgesamt 117 Proben untersucht, um ein Modell für die Abschätzung der Biogasausbeute verschiedener Grünlandsorten zu entwickeln.
Alle Proben wurden direkt nach der Ernte bei 40 °C getrocknet, um eine Silierung zu verhindern. Batchversuche nach VDI 4630 und Futtermittelanalytik nach VDLUFA-Methodenbuch wurden durchgeführt. Deskriptive Statistik, Hauptkomponentenanalyse, einfache und multiple lineare Regressionen wurden eingesetzt, um das Modell zu entwickeln. Hierfür wurden die Statistikprogramme SAS 9.3 (SAS Institute, USA) und Unscrambler 10.3 (CAMO Software, Norwegen) verwendet.
Ergebnisse
Die verschiedenen Pflanzenarten wurden in einem Datensatz für die statistische Auswertung gruppiert um ein globales Modell zu entwickeln. Bezogen auf die Hauptkomponentenanalyse lässt sich abschließend sagen, dass die Variablen Rohprotein (XP) und Rohfett (XL) für ein artübergreifendes Modell nicht geeignet sind. Obwohl Rohprotein und Rohfett ein höheres Biogasertragspotenzial als die Kohlenhydrate aufweisen, erklären diese nicht die Variation der Proben, da deren Gehalt zu niedrig ist. Statistisch konnte gezeigt werden, dass sich anhand des Lignin- (ADL) und Hemizellulosegehalts (HC) die Differenzierung in der Biogasausbeute der Energiepflanzen ableiten lässt. Um die Biogas- (YB) und Methanausbeute (YM) der Pflanzenarten mit einem ADL-Gehalt unter 10 % TS abzuschätzen, werden die folgenden Gleichungen vorgeschlagen:
Artenübergreifendes Modell für Energiepflanzen:
YB [L/kg oTS] = 727 + 0,25 HC [g/kg oTS] – 3,93 ADL [g/kg oTS]
YM [L/kg oTS] = 371 + 0,13 HC [g/kg oTS] – 2,00 ADL [g/kg oTS]
YB [L/kg oTS] = 727 + 0,25 HC [g/kg oTS] – 3,93 ADL [g/kg oTS]
YM [L/kg oTS] = 371 + 0,13 HC [g/kg oTS] – 2,00 ADL [g/kg oTS]
Der Schätzfehler des artübergreifenden Modells betrug 8 % für die Kalibrierung, und 10 % für die Validierung. Um den Schätzfehler zu vermindern, wurden gruppenspezifische Modelle mit Grünland-Substraten entwickelt. Die Batch-Gärversuche weisen ein breites Spektrum von normalverteilten Biogas- und Methanerträgen auf und die Ergebnisse der Futtermittelanalyse der Proben reflektierten den Vegetationsverlauf der Pflanzen. Der ADL-Gehalt korrelierte signifikant negativ zur Biogasausbeute. Allerdings konnten nur ca. 50 % (R2 = 0,53) der Variation durch das ADL-Modell erfasst werden.
Bezogen auf die Hauptkomponentenanalyse und die multiple lineare Regressionsanalyse wurden drei Variablen (ADL, HC und XP) als Regressoren ausgewählt um die Biogasausbeute der Grünlandproben abzuschätzen.
Bezogen auf die Hauptkomponentenanalyse und die multiple lineare Regressionsanalyse wurden drei Variablen (ADL, HC und XP) als Regressoren ausgewählt um die Biogasausbeute der Grünlandproben abzuschätzen.
Spezifisches Modell für Grünland:
YB [L/kg oTS] = 670 + 0,44 XP [g/kg oTS] + 0,16 HC [g/kg oTS] – 3,02 ADL[g/kg oTS]
YM [L/kg oTS] = 370 + 0,21 XP [g/kg oTS] + 0,05 HC [g/kg oTS] – 1,61 ADL[g/kg oTS]
YB [L/kg oTS] = 670 + 0,44 XP [g/kg oTS] + 0,16 HC [g/kg oTS] – 3,02 ADL[g/kg oTS]
YM [L/kg oTS] = 370 + 0,21 XP [g/kg oTS] + 0,05 HC [g/kg oTS] – 1,61 ADL[g/kg oTS]
Der Schätzfehler lag bei 31 L/kg oTS und einem relativen Schätzfehler von 5 % bei der Kalibrierung des Modells. Zusätzlich wurden die empirischen Modelle mit den bestehenden Modellen aus der Literatur verglichen. Eine Validierung unter Verwendung eines externen Datensatzes hat gezeigt, dass das Modell die Differenzierung der Proben in der Biogasausbeute sehr gut und mit einer hohen Genauigkeit erklären kann. Das Modell kann für das Substrat-Ranking eingesetzt werden und eine sinnvolle Hilfe für die Beratung von Biogasanlagenbetreibern darstellen.
Literatur
Dandikas, V., Heuwinkel, H., Lichti, F., Drewes, J.E., Koch, K., 2014. Correlation between biogas yield and chemical composition of energy crops. Bioresour. Technol. 174, 316–320.
Dandikas, V., Heuwinkel, H., Lichti, F., Drewes, J.E., Koch, K., 2015. Correlation between Biogas Yield and Chemical Composition of Grassland Plant Species. Energy Fuels 29, 7221–7229.
Dandikas, V., Heuwinkel, H., Lichti, F., Drewes, J.E., Koch, K., 2015. Correlation between Biogas Yield and Chemical Composition of Grassland Plant Species. Energy Fuels 29, 7221–7229.
Projektinformation
Projektbearbeitung: M.Sc. Vasilis Dandikas, Anke Aschmann, Natascha Siddiqui
Projektleitung: Dr. Fabian Lichti
Laufzeit: 2012-2015
Finanzierung: Bayerisches Staatministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten und
Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie
Förderkennzeichen: BE/15/06 vormals EW/12/04
Projektbearbeitung: M.Sc. Vasilis Dandikas, Anke Aschmann, Natascha Siddiqui
Projektleitung: Dr. Fabian Lichti
Laufzeit: 2012-2015
Finanzierung: Bayerisches Staatministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten und
Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie
Förderkennzeichen: BE/15/06 vormals EW/12/04
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Dem Einsatz von Gras in der landwirtschaftlichen Biogaserzeugung, kommt in Praxis besonders in einigen Regionen in Bayern, eine hohe Bedeutung zu. Die Forschungsarbeiten, die am Institut für Landtechnik und Tierhaltung der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft im Rahmen des Biogas-Crops-Network durchgeführt wurden, sollten dazu dienen den Einfluss der Silierung nachwachsender Rohstoffe auf die Methanausbeute pflanzlicher Substrate aufzuklären, um Maßnahmen zur Optimierung der Methanausbeute sowie zur Verbesserung der Prozesskontrolle zu definieren. Mehr