Forschungs- und Innovationsprojekt
„Rapsstroh“: Optimierung der Biogasgewinnung aus Rapsstroh durch biologische & chemische Vorbehandlung

In Rahmen eines Verbundvorhabens wurden an der LfL Versuche zu chemischen und biologischen Aufbereitungsverfahren zur Steigerung der Gasausbeute durchgeführt. Dabei galt es folgende Fragen zu klären:

In Silierversuchen in Zusammenarbeit mit dem Institut für Tierernährung und Futterwirtschaft wurden verschiedene Methoden zur Silierung von Rapsstroh geprüft. In Batch-Versuchen nach DIN 4630 wurde untersucht, ob sich die Biogasproduktion durch chemische bzw. biologische Vorbehandlung steigern lässt. Dazu wurde das Rapsstroh nach der Ernte zuerst zerkleinert (< 50 mm). Im semikontinuierlichen Durchflussversuch wurden die vielversprechendsten Varianten auf ihre Eignung für den kontinuierlichen Betrieb geprüft. Dabei wurde Rapsstroh in allen Fällen zu unterschiedlich hohen Anteilen als Co-Substrat eingesetzt.

Insgesamt ist die Silierbarkeit von Rapsstroh aufgrund eines geringen Gehalts an Zucker – die Nahrung für die Milchsäurebakterien – als gering einzustufen. Durch eine Erhöhung des Zuckergehaltes z. B. durch die Zugabe von Melasse oder die Co-Silierung mit zuckerreichen Substraten, wie z. B. Gras, können gute Gärqualitäten erreicht werden. Die Rückbefeuchtung mit Wasser oder die Zugabe von faserreichem Gras führten zu Fehlgärungen und können daher nicht empfohlen werden. Eine Wirkung des Siliermittels auf die Gärqualität konnte nicht festgestellt werden.

Die Ergebnisse der Batchversuche zeigen, dass der Biogasertrag von Rapsstroh durch Silierzusätze und -methoden gesteigert werden kann. So wies die Variante Co-Silage mit zuckerreichem Gras einen hohen Biogasertrag auf. Die Analyse der Faserzusammensetzung zeigte, dass in der Co-Silage der Abbau der Faserbestandteile Cellulose, Hemicellulose und Lignin gesteigert und somit die Zugänglichkeit für Mikroorganismen und deren Nahrungsangebot verbessert werden konnte. Der Methanertrag der Variante Co-Silage mit Gras war trotz geringer Methangehalte deutlich höher als der der Kontrolle. Verglichen damit hat die Zugabe von Melasse zwar die Silierqualität und den Methangehalt während der Vergärung optimiert, jedoch konnte der Biogasertrag nicht merklich gesteigert werden, die Faserzusammensetzung wurde nur geringfügig verändert. Die Rückbefeuchtung mit Wasser hatte zwar den Biogasertrag gesteigert, jedoch wurde der Verderb der Silage begünstigt (Buttersäuregehalt 17 g/kg TM). Die Anwendung herkömmlicher Siliermittel auf Rapsstroh muss noch optimiert werden. Rapsstroh ist ein komplexes Substrat mit geringem Wassergehalt und ist kein Standardsubstrat für die Siliermittel. Es enthält naturgemäß wenig Zucker und bietet daher nur ein geringes Nahrungsangebot für Mikroorganismen. Der geringe Siliererfolg zeigt sich in der geringen Produktion an Gärsäuren und einem fast unveränderten Biogasertrag.

Vielversprechend war zudem die Co-Vergärung mit Mais- und Grassilage, weshalb diese Variante anschließend im Durchflussversuch erneut untersucht wurde, um Praxisempfehlungen ableiten zu können.

Anhand von Durchflussversuchen in 38 L fassenden Durchflussfermentern wurde ermittelt, wie viel Maissilage sich durch Rapsstroh ersetzen lässt, ohne dass es zu Energiedefiziten oder biologischen Problemen kommt. Um den Praxisbezug zu gewährleisten, wurden für die Substratmischung die Einsatzstoffe Rindergülle, Grassilage (zu je 25 % der TM) sowie Mais und Rapsstroh gewählt. Der Maisanteil wurde in 10-%-Schritten von 40 % der TM auf 10 % verringert und durch getrocknetes Rapsstroh ersetzt. Somit ergaben sich vier Varianten, die für je 3,5 Monate geprüft wurden.

Die folgende Abbildung zeigt, dass der Biogasertrag leicht sank, wenn Mais durch Rapsstroh ersetzt wurde. Allerdings hing die Abnahme nicht von der Maismenge ab, die ersetzt wurde. Bei einem Verhältnis Mais zu Stroh von 2 : 3 (graue Kurve) nämlich, wurden höhere Erträge erzielt als beim Verhältnis 3 : 2 (grüne Kurve). Hohe Rapsstrohanteile erhöhten den Trockensubstanzgehalt im Gärbehälter stark. In dem Fermenter, der für 115 Tage mit einem Rapsstrohanteil von 40 % TM gefüttert wurde, lag ein TM-Gehalt von 11,8 % vor. Das kann in der Praxis zu Problemen führen. Der Energiebedarf zur Durchmischung und den Transport des Reaktorinhalts steigt deutlich an, der Wartungsaufwand steigt und somit reduziert sich der Gewinn. Fiel der Anteil von Rapsstroh nicht zu hoch aus (Mais zu Stroh = 2 : 3), wurde kein nennenswerter Anstieg der Trockensubstanz festgestellt (immer vorausgesetzt, dass die Hälfte der Substratmischung aus Gülle und Gras besteht). Für die Praxis lässt sich daraus ableiten, dass sich die Hälfte eines Maisanteils von 40 % durch Rapsstroh ersetzen lässt.

Rapsstroh lässt sich aufgrund seiner Eigenschaften nur schwierig silieren. Durch eine Erhöhung des Zuckergehaltes, beispielsweise durch den Einsatz von Co-Substraten wie zuckerreiches Gras, können Silagequalität und Biogasertrag erhöht werden. Zudem können durch die Co-Vergärung von Rapsstroh mit Gras-, Maissilage und Rindergülle hohe Biogaserträge erzielt werden. Wenn in der Praxis ähnliche Ergebnisse erreichbar sind wie bei den Versuchen im halbtechnischen Maßstab, können im Fall der geprüften Substratmischung knapp 50 % Silomais (FM) durch Rapsstroh ersetzt werden, ohne dass es zu technischen oder biologischen Problemen kommt. Das geeignete Mischungsverhältnis bei der Co-Vergärung verhindert Leistungseinbußen bei der Gasproduktion. Das hilft bei der Einhaltung des Maisdeckels und spart Ressourcen und Kosten.

Das Projekt wurde beim Biogas-Innovationskongress mit dem Innnovationspreis in Bronze ausgezeichnet.