Forschungs- und Innovationsprojekt
Biogas aus Körnermaisstroh
Feldhäcksler mit Pickup beim Ernten von Maisstroh in einen Ladewagen
Körnermaisstroh als Biogassubstrat – Silierverhalten, Arbeitswirtschaft und Vergärbarkeit in der Biogasanlage
Die weiterhin sinkenden Vergütungssätze im neuen Erneuerbaren Energien Gesetz (EEG) 2021 verlangen eine steigende Verwertung landwirtschaftlicher Koppelprodukte und Reststoffe in der Biogasproduktion. Das Koppelprodukt Körnermaisstroh bietet zahlreiche ökonomische und pflanzenbauliche Vorteile und fällt nicht unter den sogenannten „Maisdeckel“, der im neuen EEG von 44 auf 40 Masseprozent eingesetzten Anteils von Getreidekorn oder Mais in jedem Kalenderjahr reduziert wurde.
Zielsetzung, Methodik und Ergebnisse
- Arbeitswirtschaft
- Untersuchungen zur
Silierbarkeit im Labor
und der Praxis - Biogaspotenzial und Abbaukinetik
im Labormaßstab - Semikontinuierliche
Durchflussfermenter-
Versuche - Vergärbarkeit von
Maisstroh in der
Praxis-Biogasanlage - Mikro- und
Molekularbiologie
Methoden
- Untersuchung der arbeitswirtschaftlichen Ist-Situation:
- Die Ist-Situation wurde mit Hilfe von Arbeitstagebüchern auf Praxisbetrieben durch den Anlagenbetreiber eigenständig erhoben
- Die Arbeitszeiten wurden während der gesamten Erntekette durch den Betreiber selbständig erfasst
- Weiterhin wurden bei der Fütterung der Biogasanlage (Innenwirtschaft) alle Tätigkeiten und damit verbundenen Tätigkeiten durch den Betreiber dokumentiert
Methoden
- Systematische Laborsiloversuche nach DLG-Prüfrichtlinie zur Siliermittelprüfung (2017)
- Anlage von Laborsilos mit anschließender Analyse der Rohnährstoffe, Gärsäuremuster, aerobe Stabilität und makro- und mikroskopischer Faseraufschluss
- Silo-Controlling bei Praxissilagen mit Probenahme, Silagebewertung / -untersuchung, Messung der Verdichtung und Silagetemperatur (Hinweis auf mögliche Nacherwärmung)
- Bestimmung der Silierverluste im Fahrsilo mit der All-in / All-out Methode
Ergebnisse
- Bei allen Varianten wurden optimale pH-Wert Absenkungen und gute Gärqualitäten nach 90 Tagen anaerober Lagerung erzielt.
- Maisstroh verfügte über ausreichend “Inhaltsstoffe“ in Form von Zucker zur Milchsäuregärung.
- Bei keiner Versuchsvariante konnten Fehlgärungen, wie Buttersäurebildung festgestellt werden.
- Alle Laborsilagen wiesen eine sehr hohe aerobe Stabilität (> 8 Tage) auf.
- Die Trockenmasseverluste lagen bei Maisstrohsilagen ohne Co-Silierung im Bereich von Silomais (zwischen 3,4 und 5,0 %).
- Bei der Co-Silierung mit Zuckerrüben entstanden höhere Trockenmasseverluste (= Energieverlust) durch alkoholische Gärung (6,8 %).
- Durch die Zugabe von Zusätzen (Co-Silierung, Siliermittel) konnte kein weiterer positiver Effekt auf die Silierbarkeit erzielt werden.
- Die aktuellen Ergebnisse bestätigen die Erkenntnisse aus den vorangegangenen Versuchen aus den Erntejahren 2012-2015 (Ostertag und Fleschhut, 2016).
- Maisstroh siliert auch unter Praxisbedingungen sehr gut, was die gebildeten Milch- und Essigsäuregehalte zeigten.
- Höhere Schmutzanteile, bedingt durch die Bergung unter ungünstigen Bedingungen, förderten jedoch ähnlich wie z. B. auch bei Grassilage die Bildung von Buttersäure in den Silagen.
- Das Silomanagement beeinflusste im Wesentlichen die Silagequalität (Abdeckung, Entnahme).
- Gemessene Kerntemperaturen lagen im Zielbereich von 20 °C (in 1 m Tiefe).
- Hohe aerobe Stabilität konnte auch unter Praxisbedingungen festgestellt werden, aber nur bei sorgfältiger Verdichtung und ausreichendem Vorschub (Sommer > 2,5 m, Winter > 1,5 m pro Woche).
- Bereiche mit Nacherwärmung wurden bei sehr trockenem langfaserigen Material, mangelhafter Abdeckung oder Silofolienbeschädigung bzw. geringem Vorschub beobachtet.
- Ermittelte Lagerungsdichten lagen im Durchschnitt bei 146 kg TM/m³ (±57 kg), dadurch wird im Vergleich zu Silomais (~260 kg TM/m³) mehr Lagerraumkapazitäten benötigt.
- Erste Ergebnisse der Kalkulation mittels All in-/All out-Methode bestätigen, dass bei ordnungsgemäßen Silomanagement auch Maisstrohsilagen im Fahrsilo geringe Silierverluste aufwiesen (rund 6 %).
- Als Alternative zum Fahrsilo wurde Maisstroh in Rund-bzw. Quaderballen siliert. Die Ergebnisse zeigten, dass sich Quaderballen nicht eignen, da auch bei mehrfacher Folienwicklung, die Silofolie an den Kanten durch die starren Maisstrohstängel beschädigt wurde und es zu Schimmelproblemen in der Silage kam. Bei Rundballen konnten sehr gute Silagequalitäten festgestellt werden. Wichtige Voraussetzung ist hier, dass die Ballen mit einem breiteren Netz, das über die Ballenkante geht, gepresst werden.
Methoden
- Batch-Gärversuche (in Anlehnung an die VDI-Richtlinie 4630)
- Erfassung des Gaspotenzials und der Abbaugeschwindigkeit
- Untersuchung des Einflusses der Substrataufbereitung auf die Biogasproduktion
- Proben aus Pilotbetrieben
- Varianten aus Durchfluss-Versuchen
- Substrataufbereitung mit anaeroben Pansenpilzen
- Betriebstagebuch: Erfassung und Dokumentation aller Einsatzstoffmengen, ablesbarer Zählerstände und Störungen im Anlagenbetrieb
- Probenahme: Monatliche Beprobung aller Einsatzstoffe und Gärbehälterinhalte
- Laboranalyse: Ergebnisse der Laboranalysen der Einsatzstoffe und Gärbehälterinhalte
Methoden
- Entwicklung einer hydrolytischen Vorbehandlungsstufe mit anaeroben Pilzen:
Anaerobe Pilze wurden auf pansensaftfreiem Nährmedium angereichert. Nach drei Tagen wurde Körnermaisstroh mit den anaeroben Pilzen inokuliert. Als Kontrolle dienten durch Autoklavieren abgetötete anaerobe Pilze. Zunächst wurde ermittelt, wieviel Körnermaisstroh mit einer Kultur behandelt werden kann. Im Anschluss wurde die ermittelte Menge Körnermaisstroh mit anaeroben Pilzen inokuliert und bestimmt, welche Verweilzeit (4, 6 oder 8 Tage) sich am besten für eine hydrolytische Vorbehandlung eignet. Nach der Hydrolysestufe wurden die Ansätze in Presskuchen und Hydrolysat separiert, und deren Vergärbarkeit in einem standardisierten Batchversuch ermittelt. - Bewertung der Prozessmikrobiologie unter Körnermaisstroh-Einsatz in Praxis-und Technikums-Biogasanlagen:
Zu Terminen mit ausgewähltem Prozesszustand wurden Proben von den Gärgemischen der Technikums-Fermenter und aus Praxisbiogasanlagen mit Körnermaisstroh-Einsatz genommen. Die Proben wurden molekularbiologisch untersucht: Nukleinsäure-Extraktion, RT-(q)PCR), Nukleinsäure-Sequenzierung, Transkript/Gen-Verhältnisse und Metabolischer Quotient. Die Ergebnisse der Untersuchungen sollten klären, wie sich die verschiedenen Körnermaisstroh-Silierungsvarianten auf die methanogenen Archaeen und die Bakterien auswirkten.
Ergebnisse
Entwicklung einer hydrolytischen Vorbehandlungsstufe mit anaeroben Pilzen
- Eine praxistaugliche Silierung mit anaeroben Pilzen war nicht umsetzbar.
- Die positiven Ergebnisse für die hydrolytische Vorbehandlung von Heu mit anaeroben Pilzen wurden daher für eine praxistaugliche Anwendung weiterentwickelt.
- Erste Ergebnisse zeigen, dass sich anaeroben Pilze erfolgreich auf pansensaftfreiem Nährmedium kultivieren ließen, und Körnermaisstroh in einer Konzentration von 120 g / L mit anaeroben Pilzen behandelt werden kann.
- Weiterhin ergab sich für die drei getesteten Verweilzeiten kein signifikanter Unterschied im Methanertrag.
Vergärbarkeit von Körnermaisstroh
- In der nachgestellten Gülle-Biogasanlage (80 % Rindergülle und 20 % Maissilage) blieb die Mikrobiologie unter Einsatz von Körnermaisstroh aus Mono- und Co-Silierung (mit Zuckerrübe) stabil.
- In der nachgestellten NawaRo-Biogasanlage (66 % Maissilage, 19 % Grassilage und 15% Ganzpflanzensilage) zeigte sich die Mikrobiologie unabhängig vom Körnermaistroheinsatz am Versuchsende gestresst.
- In den Praxisbiogasanlagen ergaben sich bisher keine Auswirkungen durch den Körnermaisstroh-Einsatz auf die Prozessmikrobiologie.
Ausblick
Virtueller Info-Tag "Körnermaisstroh als Biogassubstrat", 23. Februar 2021
Projektinformation
Verbundvorhaben an der LfL zwischen dem Institut für Landtechnik und Tierhaltung, dem Institut für Tierernährung und Futterwirtschaft, der Abteilung für Qualitätssicherung und Untersuchungswesen
Projektleiter: Stefan Thurner, Fabian Lichti, Michael Lebuhn, Mariana Schneider, Katrin Harms
Projektbearbeiter: Annika Woortman, Diana Andrade, Vasilis Dandikas, Veronika Flad, Barbara Misthilger
Laufzeit: 01.07.2017 - 31.12.2020
Finanzierung: Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten (StMELF)
Förderkennzeichen: KS/17/04
Abgeschlossenes Forschungsprojekt
Verwertung von Körnermaisstroh für die Biogaserzeugung
Landwirtschaftliche Koppelprodukte wie Körnermaisstroh sind interessante Substrate für die Biogasproduktion. Aber eignet sich Körnermaisstroh überhaupt für die Verwertung in der Biogasproduktion? Wesentliche Voraussetzungen hierfür sind eine verlust- und verschmutzungsarme Bergung des Maisstrohs, eine grundsätzliche Siliereignung und eine gute Vergärbarkeit in der Biogasanlage. Mehrjährige Versuche sollen Aufschluss über die Verwertbarkeit von Maisstroh zur Biogasproduktion liefern. Mehr
Silierung von Körnermaisstroh im Labor und der Praxis
Die Verwertunge des Koppelprodukts Körnermaisstroh bietet zahlreiche ökonomische und pflanzenbauliche Vorteile. Die Ergebnisse eines Laborvesuches sollen Erkenntnisse über die Konservierungseigenschaften und aerobe Stabilität des Substrats aufzeigen, um daraus weitere Empfehlungen für die Praxis ableiten zu können. Mehr
Rückblick Info-Tag "Körnermaisstroh" 2019
Das Institut für Landtechnik und Tierhaltung veranstaltete gemeinsam mit C.A.R.M.E.N. e.V. und dem Fachverband Biogas am 14. März 2019 einen Informationstag zum Thema "Körnermaisstroh als Biogassubstrat". Experten und Praktiker hielten Fachvorträge und schilderten ihre Erfahrungen. Interessierte Landwirte und Biogasanlagenbetreiber erhielten so einen Überblick über die verschiedenen Ernteverfahren, die Silierbarkeit im Labor- und im Praxissilo bis hin zum Einsatz in der Biogasanlage. Abschließend fand eine Firmen- und Maschinenausstellung sowie die Besichtigung der Biogasanlage Grub und verschiedener Maisstrohsilagen statt. Mehr