Nachhaltige Biogasproduktion unter besonderer Berücksichtigung des Einsatzes von Zuckerrüben und Grünlandaufwuchs sowie der Gärrestverwertung

Abstract

The present cumulative dissertation assesses the sustainability of biogas production in Germany from different points of view. A special focus is brought to sugar beets and grassland as a biogas feedstock as well as to biogas residue utilization. Chapter 2 presents an approach of manure distribution within regions based on municipality biogas and livestock production data. The developed algorithm distributes nutrients of nutrient surplus municipalities to municipalities with nutrient adsorption capacity within a study area (Lower Saxonia and North Rhine-Westphalia). It was shown that farmers and biogas producers will be confronted with higher manure and biogas digestate disposal costs. Chapter 3 enlarges the view by taking pig producers and experts interviews into consideration. Chapter 4 presents an approach to determine the regional biogas feedstock input based on regional agricultural production cost data and almost 8,000 biogas plants in Germany. By using a linear optimization approach regional feedstock inputs are calculated. Furthermore greenhouse gas emissions of power production based on biogas are estimated. Chapter 5 enlarges the modeling approach by an energy balancing tool and assesses sugar beets as an energy crop for biogas production in detail. Therefore different scenarios are taken into account. Silage corn was the most competitive feedstock over almost every region in Germany. Round about 160 kg CO2eq per kWh from biogas production were calculated, which is a significant lower value in comparison to greenhouse gas emissions from current power mix in Germany. Chapter 6 focuses on grassland as a biogas feedstock. Based on data availability calculation had to be restricted to Federal States of Schleswig-Holstein, Lower Saxonia and Bavaria. Results show that grassland is a competitive biogas feedstock in regions, which are characterized by unfavorable production circumstances of silage corn and only if for grassland favorable scenario assumptions are chosen.

Die vorliegende kummulative Dissertation bewertert in 5 Teilkapiteln die Nachhaltigkeit der Biogasproduktion in Deutschland. Ein besonderer Fokus wird dabei auf den Einsatz von Zuckerrüben und Grünlandaufwuchs in der Biogasproduktion und die Gärrestverwertung gelegt. Kapitel 2 stellt einen methodischen Ansatz zur interregionalen Verbringung von Gärresten vor. Dabei dient als Bezugsebene eine Gemeinde. Mit Hilfe eines Verteilalgorithmus werden Nährstoffe, den Regelungen einer verschärften Düngeverordnung folgend, auf umliegende Gemeinde verteilt. Als Untersuchungsregion werden die Bundesländer Niedersachsen und Nordrhein-Westfalen betrachtet. Es zeigt sich, dass zukünftig mit stark erhöhten Nährstoffverbringungskosten zu rechnen ist. Kapitel 3 erweitert die vorgestellte Transportkostenmodellierung um Experteninterviews zu zukünftig zu erwartenden Verbringungskosten und erweitert die Betrachtungsweise um schweinehaltende landwirtschaftliche Betriebe, die ebenso mit steigenden Nährstoffverbringungskosten im Zuge des neuen Düngefachrechts konfrontiert sind. Kapitel 4 lenkt den Fokus auf eine regionalisierte Modellierung des Substrateinsatzes in der Biogasproduktion in Deutschland. Es wird hierzu ein Modellansatz vorgestellt, der nahezu 8.000 Biogasanlagen mit Standort- und Leistungsangaben verarbeitet. Mit Hilfe eines linearen Optimierungsansatzes wird die Substratwahl im Hinblick auf regionalisierte Substratbereitstellungskosten anlagenindividuell optimiert. Anschließend werden auf Basis der Substratzusammensetzung Treibhausgasemissionen der Stromproduktion berechnet. Kapitel 5 erweitert den Modellansatz um eine Energiebilanzierung und bewertet die Zuckerrübe als Energiepflanze in der Biogasproduktion unter Zuhilfenahme von Szenariorechnungen. Die Modellierung zeigt, dass Silomais mit Abstand das ökonomisch und ökologisch vorzüglichste Substrat darstellt. Die Berechnung der Treibhausgasemissionen zeigt, dass Strom aus Biogas mit rund 160 kg CO2eq je kWh deutlich unter den Emissionen des gegewärtigen Stromix liegt. Kapitel 6 erweitert den Modellansatz um Grünlandaufwuchs. Aufgrund der Datenverfügbarkeit musste die Analyse auf die Bundesländer Schleswig-Holstein, Niedersachen und Bayern eingeschränkt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass Grünlandaufwuchs nur unter, für Grünlandaufwuchs günstigen Szenarioannahmen, in für den Maisanbau tendenziell ungünstigen Lagen in die Lösung aufgenommen wird.