Forschungs- und Innovationsprojekt
Bestimmung von Emissionsfaktoren aus Laufhöfen und frei gelüfteten Ställen

Kühe stehen auf einem frei bewitterten Laufhof
Gasförmiges Ammoniak ist einer der bedeutendsten Luftschadstoffe aus landwirtschaftlichen Tierhaltungsanlagen. Um der international vereinbarten Minderungsverpflichtung für Ammoniakemissionen (Deutschland: - 29% bis 2030) nachkommen zu können, sind daher erhebliche Anstrengungen im Bereich der Tierhaltung erforderlich, was bei frei belüfteten Haltungssystemen nur eingeschränkt und verhältnismäßig aufwändig möglich ist. Letztere weisen zwar einige Vorteile insbesondere hinsichtlich Tiergerechtheit und -gesundheit auf, bei Laufställen für Rinder muss jedoch häufig von höheren Ammoniakemissionen je Tierplatz ausgegangen werden.
Dabei stellt die Bestimmung von Ammoniakemissionen aus frei belüfteten Haltungssystemen aufgrund der ungefassten, zeitlich und räumlich stark variierenden Quellen und der Beeinflussung durch verschiedene Begleitparameter (u.a. Temperatur, Luftströmung, Verschmutzungsgrad und -feuchte der Bodenfläche) eine besondere Herausforderung dar. Um den erheblichen technischen und finanziellen Aufwand von Erhebungsverfahren, bei denen künstliche Tracergase eingesetzt werden, zu vermeiden, wird am Institut für Landtechnik und Tierhaltung derzeit ein weniger aufwändiger Verfahrensansatz mit Diodenlaser-Absorptionsspektrometern entwickelt.

Ziel und Stand des Projekts

Es wurden folgende Arbeitsschwerpunkte festgelegt:

  • Erarbeitung einer Erhebungsmethodik für die Ammoniakfreisetzung aus Außenklimaställen für Milchvieh und aus Laufhöfen
  • ­Vergleichsmessungen zur Validierung dieser Untersuchungsmethodik
  • ­Praxismessungen zur Beurteilung der erzeugten Lasermessdaten (Vergleich Diodenlaser-Absorptionsspektrometer, FTIR (Fourier-Transform-Infrarotspektros-kopie) sowie photoakustische Messverfahren)
  • ­Untersuchung der Auswirkungen emissionsmindernder Maßnahmen (insbesondere in den Bereichen Entmistung und Fütterung) auf die Höhe der Ammoniakfreisetzung
  • ­Bewertung der Ergebnisse im Hinblick auf die Genehmigung von Ställen

Ansicht von Aufbau einer laserbasierte Konzentrationsmessung im Stall und einer Tunnelmessung auf einem Laufhof

Konzentrationsmessung für NH3 und CO2 in einem Außenklimastall (links) und Tunnelmessung an einem Laufhof (rechts)
Die Methodenerarbeitung für die Stall- und Laufhofmessungen wurde im Laufe des Jahres 2019 abgeschlossen und ist weiter unten näher beschrieben. Außerdem wurden in 2018 und 2019 verschiedene Vergleichs- und Probemessungen zur Methodenvalidierung durchgeführt, so dass im letzten Versuchsjahr der Schwerpunkt auf die Praxiserhebungen in Ställen und an Laufhöfen gelegt werden kann.

Untersuchungsmethodik

Die Aufzeichnung der Ammoniak- und Kohlendioxidkonzentration im Stall erfolgt mittels Diodenlaser-Absorptionsspektrometern, während die Hintergrundmessung im Freien mit Laser- und photoakustischen Messgeräten vorgenommen wird. Somit kann anhand der Kohlendioxiddifferenz zwischen Stallinnenraum und Außenbereich der Luftwechsel im Stall berechnet werden. Zusätzlich müssen während der Messkampagnen meteorologische und tierbezogene Parameter, Boden-verschmutzung/Feuchte, pH-Wert und Gesamtammoniumkonzentration in den Ausscheidungen erfasst werden.
Für die Laufhofmessung kommt außerdem ein längenvariabler Tunnel aus rostfreiem Edelstahl (innen teflonbeschichtet) zum Einsatz, in dem NH3-Sender/Empfänger und Reflektor auf Spezialstativen bodennah montiert sind. Nach Tunnelschließung wird der Anstieg der Ammoniakkonzentration bis zum Erreichen eines quasi stationären Zustandes aufgezeichnet, so dass die Ammoniakfreisetzung pro Zeit anhand vorher ermittelter Kalibrationsgleichungen bestimmt werden kann.

Bisherige Ergebnisse

Vergleiche zwischen der trassenmittelnden laserbasierten und der extraktiven FTIR-Konzentrationsmessung in Milchviehställen ergaben, dass mit den NH3-Lasermessgeräten um 0,2 bis 0,9 ppm höhere mittlere Ammoniakkonzentrationen gemessen wurden als beim Vergleichsverfahren. Für die Kohlendioxidmessung betrug die Abweichung zwischen laserbasierter und FTIR-Messung bisher im Mittel +15 ppm. Die Abweichungshöhe wurde wesentlich durch die Luftströmungsverhältnisse im Stall, die Übereinstimmungsgüte der Messpositionen der Geräte und ihre unterschiedliche Messfrequenz (10s-Messtakt gegenüber 10min-Mittel beim FTIR) bestimmt.

NH3-Konzentrationsanstieg bei mehreren Messungen an einem Laufhof

NH3-Konzentrationsanstieg im Messtunnel aus vier Versuchsreihen an einem Laufhof bei unterschiedlichem Verschmutzungs- und Feuchtegrad der Oberfläche (Messreihen A bis D) (Juli 2019)
  • Die bisher für Milchviehställe ermittelten Emissionsfrachten waren mit rund 4 bis 10,3 kg pro 500 kg Lebendgewicht und Jahr mit Literaturdaten vergleichbar und lagen dabei eher im niedrigen Messwertbereich.
  • In der Abbildung wird der Anstieg der Ammoniakkonzentration im Messtunnel in vier nacheinander durchgeführten Versuchsreihen mit je drei Wiederholungen gezeigt:
    • In den ersten beiden Messreihen A und B war nur ein Teil der beprobten Lauffläche von einem feuchten Gemisch aus Exkrementen und Harn bedeckt, während kurz nach dem Abschieben der Fläche (Messreihe C) eine großflächige feuchte Schmutzauflage vorhanden war.
    • Letztere trocknete im Verlauf der Messzyklen teilweise ab (Messreihe D).
    • Anhand der vergleichenden Darstellung lässt sich erkennen, dass insbesondere großflächige feuchte Verschmierungen zu erhöhten Ammoniakemissionen führen, die sich durch die anschließende Abtrocknung der Fläche wieder vermindern.
  • Insgesamt wurden bisher NH3-Freisetzungsraten aus Laufhofflächen von 2 bis 11 g je m² und Tag ermittelt.
Diese Ergebnisse bilden eine gute Grundlage für die Entwicklung zusätzlicher baulicher und Managementmaßnahmen, um Ammoniakemissionen aus Auslaufflächen zu reduzieren, sie sollten jedoch durch weitere Vergleichsstudien verifiziert werden.
Projektinformation
Projektleitung: Dr. Stefan Neser
Projektbearbeitung: Katja Bonkoß, Wolfram Bonkoß
Laufzeit: 2016 bis 2020
Finanzierung: Bayerisches Staatministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten
Förderkennzeichen: A/16/07