Browsing by Subject "Energiepflanzen"

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    Biochemical composition of biomass and its impact on the prediction of the specific methane yield potential
    (2017) Mukengele, Michael Mutombo; Jungbluth, Thomas
    This thesis analyzes the biomass biochemical composition and its influence on the specific methane yield potential of energy crops. The influence of the ensiling technique and the specific methane yield potential gained using a batch-test scaled up to semi-continuous flow system were also assessed. The results show that through ensiling process the risk of over-estimating the specific methane yield potential was particularly high for silages of low DM content. Through ensiling up to 8.6% higher methane yield potential could be achieved. The impact was different depending on the maturity index of the crop material. The evaluation of the bioconversion efficiency in batch and semi-continuous flow digester showed that 80% to 87% of the theoretical methane yield potential could be recovered in a batch-test. By scaling up batch the bioconversion efficiency decreased of up to 19%. The investigation on maize showed that the absolute values of the biochemical crop traits and in-vitro estimates of digestibility for whole-crop were poor predictors for high specific methane yield potential (R² = 0.31 to 0.32). Other crops alternative to maize showed a wider variation range in specific methane yield potential. Reproductive crop fractions of lipid rich crops revealed higher specific methane yields reaching 0.455 mN³ CH4/ kg ODM in sunflower crown and 0.598 mN³ CH4/ kg ODM in rape seed. The stalk/stem fraction of these crops seemed to be the most limiting factor for degradability. Conversely, carbohydrates rich crops (rye and sorghum) showed methane yields slightly lower or equal to those of maize.
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    Effects of woody plants and their residues on crop yield, weedsand soil carbon fractions in selected arable cropping systems
    (2018) Xu, Jialu; Gruber, Sabine
    Gehölze können auf Ackerflächen zu Produktionszwecken angebaut werden (z.B. Bäume zur Biomasseproduktion) oder dienen als Feldgrenzen (z.B. Hecken). Gehölzpflanzen auf Ackerflächen wirken sich dabei positiv auf die Biodiversität aus, verringern die Bodenerosion sowie die Nitratauswaschung und haben einen positiven Einfluss auf die Trinkwasserqualität. Des Weiteren tragen sie zu einer Zunahme der organischen Bodensubstanz und zur Kohlenstoffsequestrierung im Boden bei und leisten damit einen Beitrag zum Klimaschutz. Die Gehölzpflanzen selber und auch deren Rückstände wie z.B. Häckselgut von Hecken können aber auch ungewünschte Auswirkungen auf die Kulturpflanzen nach sich ziehen, die beispielsweise durch allelopathische Effekte oder durch die Konkurrenz um Ressourcen (z.B. Licht) hervorgerufen werden. In der Vergangenheit fielen Gehölzpflanzen auf Ackerflächen vermehrt der Intensivierung und Mechanisierung in der Landwirtschaft zum Opfer, während heutzutage Bestrebungen bestehen, deren Zahl zu erhalten, um Ökosystemleistungen zu sichern. Das Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit war, Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Boden bei ausgewählten Gehölzen sowie deren Ernterückständen auf Ackerflächen zu untersuchen. Die vorgelegte Arbeit besteht aus vier Publikationen und umfasst Labor- und Feldexperimente, die sich zum einen mit den Effekten von Hackschnitzeln aus Heckenrückschnitt auf die landwirtschaftliche Produktion und zum anderen mit dem Vergleich einer Kurzumtriebsplantage mit anderen „Energiepflanzen“ in unterschiedlichen Anbausystemen beschäftigen. In den Untersuchungen werden relevante Aspekte zu Erträgen der Kulturpflanzen, Unkräutern und ausgewählten Bodenparametern herausgegriffen. Die erste Publikation (veröffentlicht im Agronomy Journal) beschreibt Langzeiteffekte der Ausbringung von Hackschnitzeln von Hecken (hauptsächlich Acer pseudoplatanus L., Prunus avium L., Prunus padus L., Salix caprea L., Ligustrum vulgare L., und Fraxinus excelsior L.) auf den Ertrag und den Unkrautbesatz auf einer ökologisch bewirtschafteten Ackerfläche. Hierfür wurden Daten eines 16-jährigen Versuchs auf der ökologisch bewirtschafteten Versuchsstation Kleinhohenheim in Südwestdeutschland gesammelt. Untersucht wurde der Effekt von Hackschnitzelmulch (HSM) auf eine typische Fruchtfolge (Getreide, Leguminosen und Ackerfutter). Die Hackschnitzel stammten vom Rückschnitt der Hecken des Betriebs und wurden jährlich in drei verschiedenen Mengen ausgebracht (0, 80 und 160 m3 ha-1). HSM führte zu einer Reduktion des Unkrautbesatzes um 9 % im Frühjahr, wobei höhere Ausbringungsmengen im Vergleich zu niedrigeren generell in geringerem Unkrautbesatz resultierten. Der Einfluss auf den Ertrag war statistisch nicht signifikant, jedoch wurden über die Versuchszeit tendenziell sinkende Erträge auf mit HSM behandelten Parzellen gegenüber der Kontrolle beobachtet. Die unkrautunterdrückende Wirkung des HSM könnte auf verschiedenen Effekten beruhen, nämlich der mechanischen Behinderung des Auflaufens von Unkräutern, einer geänderten Bodentemperatur, einer reduzierten Stickstoffverfügbarkeit durch die Gabe von Material mit vergleichsweise weitem C:N-Verhältnis sowie allelopathischen Effekten. Hackschnitzel können daher zwar zur Unkrautkontrolle auf Ackerflächen verwendet werden, es müssen jedoch potentiell ungewünschte Effekte auf die Kulturpflanzen berücksichtigt werden. Die zweite Publikation (eingereicht bei Seed Science Research) basiert direkt auf der ersten und beschäftigt sich mit möglichen allelopathischen Effekten von HSM und deren Einfluss auf die Samenkeimung unter Laborbedingungen. Getestet wurden die Auswirkungen wässriger Extrakte von Hackschnitzeln der Salweide (Salix caprea L.) und der Gewöhnlichen Traubenkirsche (Prunus padus L.) auf die Keimung von Raps (Brassica napus L.) und Weizen (Triticum aestivum L.). Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer standardisierten Extraktionsmethode, wobei die Trocknung (Gefriertrocknung, Ofentrocknung mit 25, 60 oder 105 °C), das Mahlverfahren, das Holz-Wasser-Verhältnis bei der Extraktion (HWV; 1:10, 1:15 oder 1:20) und das Ausgangsmaterial (Rinde oder Kernholz) variiert wurden. Die Extrakte aus der Gefriertrocknung und die des ungetrockneten Holzes führten nach zwei Wochen zu der geringsten Keimrate (<6 %) bei beiden Kulturarten. Die ofengetrockneten Varianten besaßen eine höhere Keimrate von 12 bis 53 %. Die Keimrate von Raps lag bei einer hohen HWV (1:10) mit Extrakten aus gemahlenen Hackschnitzeln der Gewöhnlichen Traubenkirsche bei 26 % und damit signifikant niedriger als mit Extrakten aus ungemahlenem Material (49 % Keimung). Weizenkörner keimten unter diesen Bedingungen in geringerer Anzahl als Raps, aber die Keimung war mit Extrakten aus gemahlenem Material (1%) auch geringer als mit Extrakten aus ungemahlenem Material (19 %). Der Effekt der Keimungsunterdrückung stieg mit erhöhtem HWV bzw. höherer Konzentration der Extrakte. Die Keimraten betrugen durchschnittlich für HWV 1:20 86 %, für HWV 1:15 71 % und für HWV 1:10 35 % mit gemahlenen Hackschnitzeln. Aus der Rinde gewonnene Extrakte führten zu einer signifikant geringeren Keimrate (<4 %) als die des Kernholzes (<88 %). Die effektivste Methode zur Erhaltung offensichtlich allelopathisch wirksamer Verbindungen war die Kombination aus gemahlenen Hackschnitzeln aus Rindenholz, Gefriertrocknung (-50 °C) und einem hohen HWV. Diese hatte den größten Effekt auf die Unterdrückung der Keimung. Die Ergebnisse aus dieser Publikation können zur Untersuchung weiterer Gehölzarten angewandt werden und bieten eine Grundlage für die Auswahl geeigneter Substrate mit einem möglichst hohen allelopathischen Potential zur Unterdrückung von Unkraut. Die dritte Publikation (in Vorbereitung) beschäftigt sich mit der organischen Substanz (OS) beim Anbau mit Gehölzen zur energetischen Nutzung im Vergleich zum Anbau annueller Energiepflanzen auf Ackerland. Untersucht wurde ein 12-jähriger Dauerversuch auf der Versuchsstation Ihinger Hof in Südwestdeutschland mit einer Weiden-Kurzumtriebsplantage (Salix schwerinii E. Wolf x viminalis L.) und einer 12-jährigen Maismonokultur (Zea mays L.). In diesem Versuch wurden Bodenproben im Bereich 0 –10 cm und 10 – 20 cm gezogen. An jeder Probe wurden im Labor eine Dichtetrennung sowie eine Fraktionierung nach Korngröße durchgeführt, und der Kohlenstoffgehalt jeder Fraktion bestimmt. Die Dichtefraktionierung resultierte in einer leichten Fraktion (<1,8 g cm-3), die sich aus freier partikulärer und in Bodenaggregaten eingeschlossener OS „occluded- particulate organic matter“ (f-POM und o-POM) zusammensetzte sowie der schweren Fraktion, bestehend aus drei Klassen verschiedener Partikelgrößen: Sand (63-2000 μm), Lehm (2-63 μm) und Ton (<2 μm). Generell fanden sich höhere Gehalte an OS in der oberen Bodenschicht unter Weiden (1,39 %) als im Maisanbau (1,13 %). Im Boden unter Weiden war die leichte Fraktion (f-POM und o-POM) um 154 % höher als beim Maisanbau. Grund dafür war der kontinuierliche Zufluss von Streu und von Wurzelresten sowie die fehlende Bodenbearbeitung. Ebenso war das C:N Verhältnis der OS in den Sandfraktionen unter Weide (28, 24 und 16) höher als unter Mais (23, 18 und 9). Die Ergebnisse deuten auf einen langsamen Umsatz von OS und damit auf ein höheres Kohlenstoffsequestrierungspotential unter Weiden in Kurzumtriebsplantage als beim Maisanbau hin. Die vierte Publikation (veröffentlicht im Agronomy Journal) nutzt denselben 12-jährigen Feldversuch wie die dritten Publikation. Es erfolgte eine Bewertung des Biomasse- und des Bruttoenergieertrags von sechs annuellen und perennierenden Energiefruchtfolgen mit verschiedenen Stickstoffdüngungsstufen. Die annuellen Systeme bestanden aus Mais in Monokultur mit reduzierter Bodenbearbeitung; einer Fruchtfolge mit Raps (B. napus L. ssp. oleifera) – Weizen (Triticum aestivum L.) – Triticale (Triticale x triticosecale Wittmack) mit wendender bzw. keiner Bodenbearbeitung. Die perennierenden Systeme umfassten eine Kurzumtriebsplantage mit Weiden (S. schwerinii E. Wolf x viminalis L.), Miscanthus (Miscanthus x giganteus Greef et Deu.) und Ruthenhirse (Panicum virgatum L.). Für jedes Anbausystem wurden drei Stickstoffdüngungsstufen (0, 50 und 100 % der praxisüblichen Düngemenge) etabliert. In Mais wurde im Mittel der höchste jährliche Biomasseertrag festgestellt (18,5 Mg ha-1), gefolgt von Miscanthus (18,3 Mg ha-1) jeweils bei einem N-Düngeniveau von 100 %. Ohne Stickstoffdüngung lag der jährliche Biomasseertrag bei Miscanthus mit 13,6 Mg ha-1 am höchsten. Das hohe Ertragsniveau konnte bei beiden Kulturen über die 12-jährige Versuchslaufzeit nur mit der höchsten N-Düngerstufe gehalten werden. In den Fruchtfolgen und bei Rutenhirse sanken die Erträge über die Jahre auch mit hoher Stickstoffgabe. Je geringer die Stickstoffdüngung ausfiel, desto stärker war der Ertragsrückgang. Die Weiden in Kurzumtriebsplantage zeigten unabhängig von der Stickstoffdüngung und der Versuchslaufzeit im Mittel gleichbleibende Erträge von 11 Mg ha-1. Offenbar ist die Stickstoffdüngung für Weiden in Kurzumtriebsplantagen im Vergleich zu den anderen untersuchten Kulturen und Anbausystemen ein weniger wichtiger Produktionsfaktor. Das Ausbringen von Hackschnitzel von Hecken auf Ackerflächen und der Anbau von Gehölzpflanzen (Weide in Kurzumtriebsplantage) zeigten Effekte im oberirdischen Pflanzenaufwuchs und hatten Auswirkungen auf die Bodeneigenschaften. Gewünschte Auswirkungen der Managementmaßnahmen waren (i) die Verringerung des Unkrautbesatzes, (ii) der geringe Stickstoffinput für eine zufriedenstellende Produktivität von Weiden in Kurzumtriebsplantage, und (iii) und die Erhöhung der OS (Kohlenstoffsequestrierung). Unerwünschte Effekte äußerten sich in der tendenziellen Reduktion der Biomasseproduktion der Kulturpflanzen Wie die Studie zu Extrakten aus den Hackschnitzeln zeigt, scheinen tatsächlich allelopathische Effekte eine mögliche Ursache für die Unkrautunterdrückung bei der Hackschnitzelapplikation zu sein. Diese oder ähnliche Effekte könnten auch nach der Rodung von Kurzumtriebsplantagen auf die Nachfrüchte auftreten, z.B. aus Rückständen von Wurzeln und Stamm. Weiterhin könnte beim Erhalt von Heckenbiotopen auch mit einer Kohlenstoffsequenzierung gerechnet werden, ähnlich wie es bei den Weiden in Kurzumtriebsplantage gezeigt wurde. Die günstigen Effekte des Anbaus von Gehölzen könnten Landwirte motivieren, Gehölzpflanzen auf ihren Ackerflächen zu belassen bzw. zu etablieren und die Ökosystemleistungen auf dem Betrieb zu erhöhen. Weiterführende Forschung könnte darauf abzielen (i) technische Lösungen für eine praktikable Hackschnitzelausbringung zur Unkrautbekämpfung zu finden, (ii) die allelopathisch wirksamen Substanzen von Gehölzen zu identifizieren und zu isolieren und so gegebenenfalls Grundlage für eine neue Generation von Herbiziden zu schaffen, (iii) Langzeitfolgen von Ernterückständen nach dem Anbau von Kurzumtriebsplantagen auf die nachfolgenden Kulturen zu untersuchen, und (iv) Studien zur C-Sequestrierung unter naturnahen Hecken vorzunehmen.
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    How can miscanthus be integrated most efficiently into agricultural production systems?
    (2019) Mangold, Anja; Lewandowski, Iris
    The demand for biomass is increasing steadily, as fossil resources are gradually being replaced by biomass within the context of a developing bioeconomy. Plant-based feedstocks currently used for this replacement virtually all come from annual crops. However, perennial crops such as miscanthus are expected to be more environmentally benign due to their generally low-input requirements and high yield potential. Despite these advantages, the current cultivation area of miscanthus in Europe is quite low. One reason for this is that the cultivation and utilization of miscanthus faces several challenges. For example, the most common propagation method via rhizomes is very labour-intensive and thus expensive, leading to high establishment costs. Seed propagation is a promising option to reduce costs, but is not suitable for sterile genotypes. Another challenge to be overcome is the problem of re-integrating former miscanthus fields into crop rotations. The crop following miscanthus needs to be highly competitive in order not to be impaired by resprouting miscanthus shoots and thus able to achieve high yields. Additionally, there is only little information available on the effect of miscanthus cultivation and its subsequent removal on soil N content. This information is however crucial, for example to avoid environmental problems being caused by a potential nitrogen leaching after a miscanthus removal. If miscanthus is to be utilized as a biogas substrate, there are further challenges to be overcome. Firstly, the optimal harvest date needs to be defined with regard to the methane hectare yield and resilience of the crop to green cutting. Secondly, as a continuous supply of biomass throughout the year is necessary, ensiling will become a relevant topic. However, information is still required on the optimal harvest date to achieve a sufficient silage quality and the effects of ensiling on methane hectare yield. Finally, the suitability of miscanthus for biogas production is also influenced by biomass quality such as the proportions of leaf and stem. This has already been established for miscanthus utilization in combustion but has not yet been sufficiently investigated for anaerobic digestion. In summary, there are a number of uncertainties involved in miscanthus establishment, removal and utilization, which currently hamper its integration into agricultural production systems. From a bioeconomic point of view, this integration needs to be conducted as efficiently as possible in terms of nutrient-use, environmental and land-use efficiency. The aim of this study was to contribute to the filling of these knowledge gaps. To answer these knowledge gaps, several miscanthus field trials and laboratory experiments were conducted: a novel propagation method was tested; the re-integration of miscanthus fields into a crop rotation was analysed; and the effect of genotype, harvest date and ensiling on the digestibility and methane hectare yield was investigated. The results illustrate some possibilities of improving the nutrient-use, environmental and land-use efficiency of miscanthus biomass production along its supply chain: It was shown that miscanthus propagation via collars is feasible and a promising alternative to rhizome propagation, as the multiplication rate of collars is comparable to that of rhizome propagation. As the harvesting of collars is likely to be less labour-intensive and is less destructive for the mother field than rhizome propagation, this method is more favourable for both economic and ecological reasons. The re-integration of miscanthus into crop rotations revealed maize to be a suitable crop after miscanthus, as it coped with the prevailing soil conditions and suppressed resprouting miscanthus efficiently, resulting in satisfactory yields. The soil mineral nitrogen (Nmin) content was found to increase during the vegetation period following a miscanthus removal, but was generally on a low level (average: 17.3 kg Nmin ha-1). Additionally, it was found that, in Germany, miscanthus should be harvested in mid-October to maximize methane yields and nutrient recycling but minimize yield reduction. In addition, silage quality was best when miscanthus was harvested on this date. As leaf proportion correlated positively with substrate-specific methane yield (SMY) and thus genotypes with a higher leaf proportion were found to have a higher SMY, methane hectare yields could be increased even further by using genotypes with a high leaf proportion. In summary, the approaches developed in this study allow to considerably improve the ecological and economic performance of miscanthus production by increasing nutrient-use,environmental impact and land-use, and thus simplifying implementation into practice.
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    Nachhaltiger Anbau von Bioenergie : eine ökonomisch-ökologische Analyse für die Landwirtschaft in Baden-Württemberg
    (2012) Konold, Angelika; Zeddies, Jürgen
    The aim of this thesis is on the one hand to estimate the potential of energy crop production for CO2-sequestration in Baden-Württemberg. On the other hand the focus lies on the interactions that arise from the implementation of optimized na-ture conservation measures with the land management on regional level. For this the existing economic-ecological regional model EFEM (Economic Farm Emission Model), based on linear programming, is further developed. The calculations are made on farm level and are extrapolated on regional level. The model is calibrated on the database for the years 2001-2005 and the so modeled Reference_2003 than is projected to the year 2015 (BAU_2015), this to evaluate the model results without the influence of the great changes in agricultural policy in the last years. Based on the modeled situation for the year 2015 further scenarios are defined that differ in the expansion of energy cropping and nature conservation measures. In the ?biomass scenarios? only the legal nature requirements have to be met while in the corresponding ?conservation scenarios? restrictions that are optimal from a nature conservation point of view, must be considered. The sensitivity analyses for selected parameters proved that the model results have sufficient stability to make reliable statements about synergy effects and conflicts between the expansion of energy crop cultivation and requirements for natural conservation. Altogether it could be shown that with the used model approach interactions be-tween the cultivation of energy crops and nature conservation are represented sufficiently and the objectives of energy and climate policy are compatible.
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    Nitrogen-rich and lignocellulosic biomass for biogas production : methane yield potentials, process stability and nutrient management
    (2023) Morozova, Ievgeniia; Lemmer, Andreas
    A sustainable energy supply and bio-based economic processes are of central importance for the future development of many Eastern European countries. Due to the large agricultural potentials of these countries, bioenergy systems can make a significant contribution to sustainable electricity and heat production if they are reasonably integrated into an energy supply structure based on various renewable energy sources. This requires the use of regenerative starting products and the complete utilisation of all by-products of the overall process. With such a cradle-to-cradle approach, biogas technology can be a central component of future energy systems. The focus of this study is on Ukraine. In the future, bioenergy villages can make a decentralised contribution to a sustainable energy supply in this country. This study aims to determine the methane yield potential of various energy crops from Ukraine, investigate the process stability during fermentation in biogas plants and derive concepts for optimized digestate management. Seven different crops with a total of 22 varieties were investigated for their specific biomass yields, methane yields and areal methane yields. The crops were cultivated in Ukraine. The biogas production potential of the collected crop samples was determined using the Hohenheim Biogas Test in Germany. The Ukrainian variety “Osinnii zoretsvit” of miscanthus, “Giganteus” species, from the 8th year of vegetation, harvested at the stem elongation stage, resulted in the highest areal methane yield of 7404.55 ± 199.00 m3*ha-1 and the lowest N requirement per unit methane produced (23.41 ± 7.18 gN*m-3) among all the studied crops. The maize variety "Svitanok MV" (FAO 250) had the highest value of areal methane yield of 6365.67 ± 55.49 m3*ha-1 among the annual crops when harvested at the stage of wax maturity; remarkable was its unusually high specific methane yield of 0.41 ± 0.00 m3*kg-1VS. The Ukrainian sugar sorghum variety "Favoryt", harvested at the beginning of flowering, had an areal methane yield of 5968.90 ± 82.70 m3*ha-1, making it an attractive alternative energy crop for Ukraine. In the second part of the work, experimental investigations were carried out to test how N-rich substrates influence the stability and efficiency of the biogas process. For this purpose, different variants with various N-increase rates of the input materials at two initial concentrations were evaluated in the laboratory. The continuous trials were conducted over a period of 33 weeks. The modelling procedure was applied to evaluate the effects of TAN (total ammonia nitrogen) and FAN (free ammonia nitrogen) on the degree of methane production inhibition for all scenarios studied. It was concluded that the higher the N-increase rate in the feeding regime, the more methane production is inhibited. The maximum nitrogen concentration in the digestate achieved during stable fermentation processes in this study was 11.5 g*kg-1FM, which corresponded to the values of TAN and FAN of 9.07 g*kg-1FM and 0.85 g*kg-1FM, respectively. These values are much higher than those reported up to now in the literature. At the same time, process efficiency decreased with increasing nitrogen concentrations. As a final step, the technology for nutrients recovery from digestate was developed and tested in this work. First, the digestate separation with a screw press separator was carried out as a "benchmark" at the research biogas plant "Unterer Lindenhof" on a technical scale. Subsequently, a methodology for digestate separation at laboratory scale was developed based on a tincture press, which corresponds to the technology used in practice. The effect of pretreatment of digestate with various biocoal-based additives was studied. In this study, six variants of biocoals synthesized at either 350 °C or 600 °C and partially impregnated with Mg or Ca before pyrolysis were produced. Different reaction times and conditions between the biocoals and the digestate were tested. The results on nutrient removal showed that the biocoals impregnated with Mg prior to pyrolysis had a positive effect on nutrient removal efficiency. The Mg-impregnated biocoal synthesised at 600 °C showed removal efficiencies for NH4+, P and K of 56.04%, 66.66% and 51.77%, respectively. These values were much higher than those for the control variant and much higher than the values found up to now in the literature. By using the nutrient-rich solid fraction of the digestate as fertiliser to cultivate bioenergy crops for further use in biogas production, the production cycle is closed, and the cradle-to-cradle approach is achieved.
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    The effect of enzyme additives on the anaerobic digestion of energy crops
    (2014) Brulé, Mathieu; Jungbluth, Thomas
    The mechanisms governing the efficiency of commercial fiber-degrading enzyme additives at improving the anaerobic digestion of energy crops were investigated. Standard batch digestion trials (BMP-assays) were performed using the Hohenheim Biogas Test (HBT) on maize straw, maize corn, and rye silage with different inocula. These BMP-assays showed no significant effect of enzyme additives (including commercial cellulase, xylanase, pectinase, laccase) on the methane production rate. However, batch digestion trials performed on grass silage under suboptimal conditions with inoculum of weak bacterial activity revealed significant increases of methane production up to 40%. In another experiment semi continuous acidogenic fermentation was performed in laboratory digesters with maize silage and water added for dilution at OLR 4 kg VS/(m3 × d), HRT 5 days, with the medium kept in the pH range 5 5.5 through quicklime addition. Enzyme additives at a dosage of 10 g/kg substrate VS significantly increased VFA release (+10%) as well as gas production, including H2 production (+20%). The results show that the efficiency of enzyme additives in anaerobic digestion depends on substrate (fibre length and composition) and process parameters (retention time, loading rate, pH, efficiency of bacterial substrate degradation).
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    Untersuchungen zur Aufbereitung und Umwandlung von Energiepflanzen in Biogas und Bioethanol
    (2008) Schumacher, Britt; Jungbluth, Thomas
    Due to finite fossil resources, one opportunity for the future is to increase the supply of energy out of renewable energy sources. One of many opportunities is the use of biomass, which offers plenty combinations of different kinds of biomass, paths of utilization and conversion techniques for a flexible adaptation to natural local and regional frameworks as well as the anthropogenic needs. For an efficient utilization of the limited arable land for the supply of bioenergy, there is a need of up-to-date and proof data about specific energy yields and yields per hectare. The aim of this investigation was to determine these data for the biogas and bioethanol sectors. Batch-tests were carried out in laboratory scaled digesters to investigate specific biogas and bioethanol yields. Additionally the testing of different techniques of pre-treatment for energy crops and their effects on the biogas yield and the progression of the formation of methane were focused. The conversion of maize silage and full ripe triticale into biogas and bioethanol was compared by an energy and environmental balance. The steam explosion technique was included. Pre-treatment The steam explosion pre-treatment of biomass increases the speed of formation of methane and partly increases the methane yields. The effects differ depending on the kind of biomass and the stage of ripening. Other techniques of pre-treatment like microwaving and cooking did not show significant or partly negative effects. A variation of parameters in the trial setup might be interesting. Besides the positive effects of the steam explosion technique there are some arguments like the additional costs of investment, the diminished concentration of nutrients respectively the increase of material flow against it. The additional energy consumption, mostly thermal energy, can be supplied from waste heat out of the combined heat and power plant (CHP). The screening and the production of technical enzymes for the efficient pre-degradation of raw materials containing high amounts of lignocellulose should be the subject of research and development in the future. The combination of biological (enzymatic), chemical, thermal and mechanical pre-treatment techniques need to be investigated with the focus on energy efficiency. Methane yields of energy crops and stillage A broad number of biogas tests had been carried out on various maize cultivars. The specific methane yields of the maize cultivars varied over the harvesting date differently. The cultivars with a low ripening number reached higher specific methane yields. The dominant factor for the energy yield per hectare was the dry matter yield, not the specific methane yield. In general it is recommended to use well adapted cultivars with high dry matter yields and a good ensilaging behaviour. The catch crops increased the methane yields per hectare just partly. But for reasons of soil conservation the cultivation is recommended. The nitrogen fertilizer had mostly a positive effect on the dry matter yields and the energy yields per hectare, respectively. Maize gained higher energy yields per hectare than switch grass. The utilization of stillage out of whole maize plants or triticale´s grain from the ethanol production as well as the utilization of by-products like straw in the biogas production could double the energy output per hectare compared to the simple ethanol production. Further options for the optimization of the biogas production under conditions of practice are digester systems well-adapted on the substrate, the use of multi step systems and the development of analytic methods in order to gain effective process control. Correlation between chemical components and measured methane yields The specific methane yields calculated out of the neutral detergents fibre, starch, sugar, raw proteins and its substrate-specific factors were very close to the experimentally determined yields of the maize cultivars for the four harvesting times. But the measured and calculated values showed no correlation. Whether the biogas tests can be replaced, by other methods or techniques of analysis of the components and the determination of additional components for the estimation of the potential of new cultivars, should be subject of further investigations. Bioethanol yields The energy yields on the conversion pathway bioethanol without using the by-products are lower than the yields via conversion into biogas, because the ethanol fermentation is limited on material that can be converted into sugar first. The advantage of the ethanol production is a fluid fuel as result of the process. Combining the ethanol production with a biogas plant, the by-products also can be used energetically and a gaseous energy carrier can be produced. There are high potentials for the bioprocess engineering, for instance in breeding of microorganisms for the degradation of lignocellulosic biomass or of C5-sugar. Furthermore a process optimization of water and energy input is recommended. Energy and environmental balance Biogas as well as bioethanol (combined with biogas) is able to reduce the consumption of non-renewable energy carrier and its emission under the investigated scenarios and the scoop set. A future task will be the development of differentiated and well-adapted concepts on the basis of a decision between (liquid) fuels or stationary supply of thermal and electrical energy out of biomass. The aim is an efficient use of the limited areas of arable land and forests for the supply with bioenergy carriers by a useful combination of biomass, paths of utilization and conversion technique depending on natural local and regional conditions as well as the anthropogenic needs.