Forschungs- und Innovationsprojekt
Optimierung der Biogasgewinnung aus Rapsstroh durch biologische und chemische Vorbehandlung ("Rapsstroh")
Zoombild vorhanden
Getrocknetes Rapsstroh, das nach der Ernte der Rapssamen meist auf den Feldern verbleibt
Um die Effizienz der Biogasausbeute aus Rapsstroh zu steigern, werden ökonomische & ökologische Vorbehandlungen getestet. Ein Vorteil gegenüber Silomais ist, dass Rapsstroh jährlich tonnenweise als ungenutztes Rohmaterial auf den Feldern verweilt.
Hintergrund
Zoombild vorhanden
Anbaufläche in Deutschland
Raps wird auf ca. 1,165 Mio ha Ackerfläche in Deutschland angebaut (2022) (siehe Abbildung). Damit steht es auf Platz vier der größten Anbaufläche nach Weizen, Silomais und Gerste. Der Rapssamen macht dabei nur ca. ein Viertel der Rapspflanze aus. Der Großteil besteht aus Rapsstroh, welches bis zu 50 % als Reststoff und zur Rückführung von Nährstoffen in den Boden auf den Feldern verbleibt. Damit steht die Nutzung von Rapsstroh in der Biogasproduktion in keiner Konkurrenz mit anderen Anwendungen.
Die Effizienz von Rohstoffen zur Biogaserzeugung wird im Wesentlichen (ca. 60 %) von den Substratkosten bestimmt (FNR 2013). Damit hat die Nutzung von Rapsstroh einen deutlichen Vorteil, da dessen Weiternutzung zur Biogaserzeugung allein von den Betriebskosten und der Biogasausbeute abhängt. Somit unterstützt die Biogasgewinnung aus Rapsstroh die Bestrebungen der Suche für die nachhaltige und klimaneutrale Energieerzeugung und Reststoffverwertung. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Gärrest aus der Biogaserzeugung als Düngemittel wieder auf dem Feld ausgebracht werden kann. Dies dient der Rückführung von Nährstoffen, einer der Gründe weswegen Rapsstroh häufig auf dem Felde verbleibt.
Ein Nachteil von Rapsstroh in der Biogaserzeugung gegenüber anderen Substraten wie Mais und Weizen ist dessen hoher Trockenmasseanteil an Lignin (11 %), welches den Abbau von Cellulose und Hemicellulose während der Vergärung erschwert, und damit die Biogasausbeute vergleichsweise schmälert. Andere Ursachen der schlechteren Biogasausbeute aus Rapsstroh können in unterschiedlichen Düngemethoden, Reifegraden während der Ernte und verschiedener Erntemethoden begründet sein.
Durch die Vorbehandlung des Rapsstrohs mit mechanischen, hydro-thermalen, biologischen und chemischen Mitteln, kann die Zugänglichkeit der Bakterien für den anaeroben Abbau der Cellulose und Hemicellulose und damit die Biogasausbeute gesteigert werden, um die Biogaserzeugung aus Rapsstroh wettbewerbsfähig zu machen.
An der Lfl wird im Rahmen des Rapsstroh-Projekts an chemischen und biologischen Verfahren experimentiert, um die mesophile Vergärung des Rapsstrohs und damit die Biogaserzeugung zu optimieren. Dabei wird darauf geachtet, dass diese Methoden sowohl ökologisch als auch ökonomisch sinnvoll sind.
Zielsetzung
Zusammen mit den Verbundpartnern (Details unter „Projektpartner“) wird als Ziel des Projekts „Rapsstroh“ angestrebt, die Biogasausbeute aus Rapsstroh mittels verschiedener Vorbehandlungen (hydrothermal, chemisch und biologisch) zu bestimmen und zu optimieren.
Dabei sollen folgende Fragen vorrangig beantwortet werden:
- Ist die chemische Vorbehandlung mit ungelöschtem Kalk (CaO) oder gelöschtem Kalk (Ca(OH)2) effizienter für die Biogasausbeute aus Rapsstroh?
- Welche Konzentration und Einwirkdauer für die chemische Behandlung des Rapsstrohs sind notwendig und optimal für eine bessere Biogasausbeute?
- Ist die biologische Vorbehandlung mittels Konservierung des Substrats durch Silierung effektiv oder sogar effizienter als die chemische Vorbehandlung?
- Kann eine Verbesserung der Vergärbarkeit von Rapsstroh durch die unterschiedlichen Substratbehandlungen unter Laborbedingungen bestätigt werden?
- Ist Rapsstroh als Co-Substrat für die Biogaserzeugung geeignet?
- Ist die Behandlung mit Kalk sicher, und ökologisch und ökonomisch umsetzbar?
Material und Methoden
Batch und kontinuierliche Bioreaktoren
Abbildung, Links: Batchversuch. In einem Wärmeschrank wird bei konstanter Temperatur von 45 °C, Substrat mit Gülle so lange vergoren, bis keine Biogasproduktion mehr messbar ist. Dies dauert ca. 40 Tage. Die gebildeten Gase werden über Schläuche in Gasmesszähler geleitet und in Gassäcken aufgefangen. Die Gaszusammensetzung wird regelmäßig mithilfe des AWITE-Systems bestimmt.
Abbildung, Rechts: Semikontinuierlicher Bioreaktor. In einem liegenden Bioreaktor wird über kontinuierliche Biogaserzeugung aus Rapsstroh experimentiert. Dazu wird täglich über ein Fütterungsrohr Substrat mithilfe einer motorisierten Schnecke in den Reaktor transportiert. Dadurch wird dem Prozess Substrat zugeführt und so wenig Sauerstoff wie möglich in das System eingetragen, welcher die Biogasproduktion nachhaltig stört. Ein Rührwerk sorgt für die kontinuierliche Durchmischung des Reaktorinhalts. Gas und Temperatur werden konstant gemessen und ermöglichen die genaue Prozessbeurteilung. Die genaue Gaszusammensetzung wird ebenfalls durch das AWITE Messsystem bestimmt.
In dem Forschungsvorhaben sind Batch- und semikontinuierliche Versuche geplant. Das Batch-Verfahren soll Aufschluss darüber geben, ob die Biogasproduktion aus chemisch und biologisch vorbehandeltem Rapsstroh gegenüber unbehandeltem Rapsstroh gesteigert werden kann und welche der Behandlungen am vielversprechendsten ist, um sie im kontinuierlichen Prozess anzuwenden.
Im semikontinuierlichen Durchflussversuch wird dem Bioreaktor täglich mindestens einmal Substrat zugefüttert. Gewünscht ist eine konstante Prozessstabilität für eine gleichmäßige Biogasproduktion über Monate hinweg, um eine konstante Energiegewinnung zu gewährleisten.
Um die praktische Anwendbarkeit der chemischen und biologischen Vorbehandlung nachzuweisen, wird das chemisch oder biologisch vorbehandelte Rapsstroh im kontinuierlichen Verfahren vergärt.
Es wird vermutet, dass die Monovergärung von Rapsstroh als alleiniges Substrat für die Biogaserzeugung nicht wünschenswert ist, da Rapsstroh eine hohe Trockenmasse, geringe Dichte und einen Mangel an Mikronährstoffen aufweist. Gemeinsam führt dies zur vermehrten Bildung von Schwimmschichten, einem langsameren Abbau des Rapsstrohs in der Biogasanlage und damit zu einer reduzierten Wirtschaftlichkeit. Daher ist neben der Monovergärung von Rapsstroh, die Co-Vergärung von Rapsstroh mit nachwachsenden Rohstoffen (z.B. Maissilage) geplant, wie es auch in Biogasanlagen angewendet werden könnte. Ziel ist die Bestimmung der Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Anwendbarkeit der Biogaserzeugung aus Rapsstroh, allein oder in Kombination mit nachwachsenden Rohstoffen, über einen Zeitraum von ca. 6 Monaten hinweg.
Chemische Verfahren zur Vorbehandlung von Rapsstroh
Als chemische Vorbehandlung zur Steigerung der Biogasausbeute haben sich in der Vergangenheit Laugen wie Natronlauge (NaOH) experimentell bewährt. Da dies in der Praxis jedoch keine Anwendung findet, da NaOH umweltbelastend ist (Versalzung), zu Nährstoffverlust des Substrats führen kann und gefährlich im Umgang ist, wird im Rahmen des Rapsstroh-Projekts mit anderen chemischen Vorbehandlungen experimentiert. Dazu zählt der Einsatz von Kalk (CaO und Ca(OH)2), welcher zur Neutralisierung des Bodens und als Düngemittel bereits in der Landwirtschaft eingesetzt wird.
Zur chemischen Vorbehandlung mit Kalk werden verschiedene Trockensubstanz (TS)-Gehalte des Rapsstrohs mit verschiedenen Kalk-Konzentrationen über verschiedene Einwirkdauern hinweg behandelt.
Biologische Verfahren zur Vorbehandlung von Rapsstroh
Als biologische Vorbehandlung des Rapsstrohs wird die Konservierung von Rapsstroh als Silage durch Milchsäurebakterien angewendet. Vorteil der biologischen Vorbehandlung von Rapsstroh ist, dass nachweislich weniger Hemmstoffe während des Prozesses entstehen. Des Weiteren ist der Nährstoffverlust geringer als bei der chemischen Vorbehandlung. Durch die Applikation von Milchsäurebakterien wird der pH-Wert abgesenkt, was die Effizienz der ersten beiden Phasen der Biogaserzeugung („Hydrolyse“ und „Acidogenese/ Ansäuerungsphase“) steigern könnte. Ferner unterstützt die Silierung von Rapsstroh auch dessen Haltbarkeit.
Verwendet wird einerseits Silasil Energy, ein Silierzusatz aus hetero- und homofermentativen Milchsäurebakterien, und andererseits BIO-SIL® (Dr. Pieper), ein Silierzusatz ebenso bestehend aus verschiedenen Milchsäurebakterienstämmen. Somit kann die Auswirkung verschiedener Siliermittel auf die Biogaserzeugung untersucht und verglichen werden.
Ergebnisse
Detaillierte Ergebnisse liegen derzeit noch nicht vor und werden im späten Frühjahr 2024 erwartet, da die Versuche erst im Januar 2024 angelaufen sind.
Vorversuche haben jedoch gezeigt, dass die Vergärung von Rapsstroh im Batch-Verfahren nach der chemischen Behandlung mit Kalk prinzipiell möglich ist und effizienter als die von unbehandeltem Rapsstroh.
Weiterführende Informationen zum Thema
Projektpartner
Projektinformation
Projektleitung: Susanne Höcherl (LfL)
Projektbearbeitung: Stephanie Hühn, Anke Aschmann, Rainer Kissel, Michael Hanrieder
Laufzeit: 2023 – 2025
Finanzierung: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR)
Projektträger: FNR
Förderkennzeichen: 2222NR052B