Biomass production for energy purposes on agricultural land competes with food production. This is a serious problem, considering limited availability of farmland, rising demand for varied food products, demand for more organic crop production resulting in considerably reduced yields per area and the need for more environmentally sound agricultural practices meeting long-term sustainability criteria. Residual land currently not used for agricultural production has been considered a promising resource, but in terms of potentials difficult to estimate for biomass for use in the energy sector. Biomass potentials associated with “green waste” from residual grasslands were assessed for Schwäbisch Hall County in the Federal State of Baden-Württemberg, Germany. Roadside verges, conservation grasslands subject to low intensity use (landscape maintenance sites), riparian stretches along ditches and streams, and municipal green spaces (public lawns, parks and sports fields) were the area types considered. Data for biomass and biogas yields were obtained through sampling and the help of the Hohenheimer Biogasertragstests (HBT) and near infrared spectroscopy (NIRS). These values were compared with available values from literature and based on the DLG-Futterwerttabelle (UNIVERSITÄT HOHENHEIM 1997) calculated with the help of the model of KEYMER & SCHILCHER (1999). It was found that mean biomass yields exceeded literature values by 34% for riparian stretches, 14% for sports fields and 23% for roadside verges. For municipal grasslands mean biomass yields were 233% below literature values. Taken into account the calculation model of KEYMER & SCHILCHER (1999), biogas yields for sports fields and municipal grasslands were 21% and 9% respectively, below the obtained values. For a composite sample and riparian stretches, calculated values were 4 and 12% higher than the obtained values. Based on the obtained values the maximum available biomass and biogas yields were estimated for the communities. This implies a yearly biomass potential of all land types in the district of Schwäbisch Hall of 12.692 t and a biogas potential of approximately 8,3 Mio. m³/oTS. The results suggest that a very high percentage of the theoretical residual biomass potential cannot be accessed due to various technical, legal, ecological or management (economic) constraints.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Einführung in das Themengebiet Biogas
2.1 Geschichte der Biogasgewinnung
2.2 Derzeitiger Stand der Biomassenutzung
2.3 Potenzial des Grünlandes in Deutschland und speziell in Baden-Württemberg
2.4 Zukunft der Bioenergie
2.5 Definitionen
2.5.1 Biomasse
2.5.2 Biogas
2.5.3 Methangärung – biologischer und chemischer Ablauf bei der Verwertung von Grünschnitt in Biogasanlagen
2.6 Gesetze und Regelungen
2.6.1 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
2.6.2 Richtlinie 2001/77/EG
2.6.3 Verordnung über die Erzeugung von Strom aus Biomasse - Biomasseverordnung (BiomasseV)
2.6.4 Bioabfallverordnung (BioAbfV)
2.6.5 Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz sowie Düngemittelverordnung
3 Untersuchungsgebiet
3.1 Landkreis Schwäbisch Hall und Modellgemeinden Blaufelden, Schrozberg und Rot am See
3.2 Kriterien zur Auswahl des Untersuchungsgebietes
3.3 Naturräumliche Gliederung
3.4 Geologie und Geomorphologie
3.5 Böden
3.6 Klima
3.7 Flächencharakterisierung und deren theoretische Potenziale
3.7.1 Kommunale Grünflächen, ungedüngt, 4-schürig
3.7.2 Intensiv genutzte öffentliche Grünflächen – Sportplätze
3.7.3 Mischproben aus den 3 Gemeinden
3.7.4 Straßenrandstreifen
3.7.5 Gewässerrandstreifen
4 Methoden
4.1 Auswahl der Gemeinden im Landkreis Schwäbisch Hall
4.2 Auswahl der Untersuchungsflächen in den Gemeinden
4.2.1 Fernerkundliche Auswertung
4.3 Anlage der Probenahmeflächen
4.4 Vegetationsaufnahmen
4.5 Probenahmen
4.5.1 Kommunale Grünflächen mit 4-schüriger Mahd
4.5.2 Sportplatz mit 22-25-schüriger Mahd
4.5.3 Mischproben der Gemeinden
4.5.4 Straßenrandstreifen
4.5.5 Gewässerrandstreifen
4.6 Probenaufbereitung
4.7 Bestimmung der Biomasse
4.8 Abschätzung des Biogaspotenzials anhand des Hohenheimer Biogasertragstests (HBT)
4.9 Potenzialabschätzung für den Landkreis Schwäbisch Hall
4.10 Inhaltsstoffe von Pflanzen und deren Untersuchung
4.11 Chemische Analysen
4.12 Verfahrensweise der Nahinfrarotspektroskopie (NIRS)
4.13 Anorganische Pflanzeninhaltsstoffe
4.14 Organische Pflanzeninhaltsstoffe
4.14.1 Mittels Nahinfrarotspektroskopie analysierte Rohnährstoffe
4.14.2 Berechnete Rohnährstoffe
4.15 Möglichkeiten zur Berechnung des Biogas- und Methanertrages
4.15.1 Berechnungsmodell nach KEYMER & SCHILCHER (1999)
4.15.2 Berechnung nach BUSWELL & MÜLLER (1952)
4.15.3 Berechnungsmodell Methanenergiewertsystem (MEWS)
4.16 Statistische Auswertungsmethoden
4.17 Zeigerwerte nach ELLENBERG et al. (2001)
4.18 Futterwert, Mahd-, Tritt- und Weideverträglichkeit
4.18.1 Futterwert (FW)
4.18.2 Mahd- (M), Tritt- (T) und Weideverträglichkeit (W)
4.19 Biotoptypen und Pflanzengesellschaften
5 Ergebnisse
5.1 Vegetationsbeschreibung der öffentlichen Grünflächen
5.1.1 Wertigkeitszahlen
5.1.2 Biotoptypen und Pflanzengesellschaften
5.1.3 Eingruppierung der Gräser in Ober- und Untergräser
5.2 Biomasseerhebungen
5.2.1 Wiesen
5.2.2 Sportplätze
5.2.3 Straßen- und Gewässerrandstreifen
5.3 Hohenheimer Biogasertragstest
5.3.1 Methanerträge öffentlicher Grünflächen
5.3.2 Biogaserträge
5.3.3 Zusammenfassung der erhobenen Biomasse-, Methan- und Biogaserträge
5.4 Einfluss der Rohnährstoffe im Substrat auf die Methan- und Biogasausbeuten
5.5 Vergleich der erhobenen Werte mit berechneten Werten und Literaturangaben
5.5.1 Biomasseerträge
5.5.2 Biogas- und Methanerträge
5.6 Flächenpotenzial, Biomasse- und Biogasertragspotenzial pro Gemeinde insgesamt
6 Diskussion
6.1 Einfluss der Mahdhäufigkeit auf den Methan-, Biogas- und Biomasseertrag
6.2 Biomasseerträge
6.3 Biogas- und Methanerträge
6.4 Substrateigenschaften auf die Methan- und Biogaserträge
6.5 Methodendiskussion
6.5.1 Probenahmen und Untersuchungen
6.5.2 Vergleich der berechneten mit den ermittelten spezifischen Biogas- und Methanausbeuten
6.5.3 Biogas- und Methanertrag anhand von Literaturangaben
7 Fazit und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der quantitativen Analyse der Biomasseerträge sowie der Ermittlung der spezifischen Biogas- und Methanerträge von kommunalen Grünflächen und Straßenrandstreifen im Landkreis Schwäbisch Hall, um Datenlücken bei der Potenzialabschätzung für eine dezentrale Mikro-Biogaserzeugung zu schließen.
- Analyse und Vergleich von Biomasse- und Biogaserträgen unterschiedlicher Nutzungstypen (Wiesen, Sportplätze, Straßen- und Gewässerrandstreifen).
- Einfluss von Rohnährstoffen im Substrat auf Methan- und Biogasausbeuten mittels Nahinfrarotspektroskopie (NIRS).
- Methodische Validierung durch den Vergleich erhobener Messwerte mit Literaturangaben und theoretischen Berechnungsmodellen (z.B. nach Keymer & Schilcher).
- Potenzialabschätzung für das theoretisch nutzbare Biomasse- und Biogaspotenzial auf Gemeinde- und Landkreisebene.
Auszug aus dem Buch
1 Einleitung
Der jährliche Primärenergie-Verbrauch in Deutschland lag 2011 bei 14.252 J, dies entspricht 2,8% des globalen Primärenergie-Verbrauches von 509.000 J/a (GERMAN NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES LEOPOLDINA 2012). Derzeit verbraucht die Menschheit ungefähr 25% mehr Ressourcen als die Erde im gleichen Zeitraum wiederherstellen kann. Insgesamt stieg der ökologische Fußabdruck (siehe Glossar) des globalen Energiekonsums seit 1960 um 700%. Bei gleichbleibendem Tempo des Verbrauches an natürlichen Ressourcen prognostiziert NIEDERMAIER (2007), dass die Menschheit im Jahr 2050 die Ressourcen von 2 Planeten benötigen wird.
Die globale Erwärmung und die Abnahme der fossilen Energieträger fordern ein Umdenken im Umgang mit den begrenzten Energiereserven. Im Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (ERNEUERBARE-ENERGIEN-GESETZ, EEG 2012) werden die Verhinderung bzw. Minimierung der globalen Erwärmung und die Ablösung der fossilen Energieträger durch erneuerbare Energien als Ziele festgeschrieben. Zur Reduktion der CO2-Emissionen gewinnt die Energiegewinnung aus klimaneutralen Rohstoffen wie die Verwertung von Biomasse eine immer bedeutendere Rolle. Vor allem die flexible Nutzung von Biomasse (Wärmeproduktion, Elektrizität, Gas oder flüssiger Brennstoff) und deren Speicher- und Transporteigenschaften machen eine Verwertung attraktiv (KOCH et al. 2007).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung beleuchtet den globalen Ressourcenverbrauch und die Notwendigkeit erneuerbarer Energien, wobei die Biogasproduktion als ein zentraler Baustein zur CO2-Reduktion und energetischen Nutzung von bisher ungenutzten biogenen Reststoffen wie Grünschnitt identifiziert wird.
2 Einführung in das Themengebiet Biogas: Dieses Kapitel erläutert die geschichtliche Entwicklung, den aktuellen Stand der Biomassenutzung sowie die gesetzlichen Rahmenbedingungen (z.B. EEG) und definiert die für die Arbeit relevanten Begriffe und biologisch-chemischen Prozesse der Methangärung.
3 Untersuchungsgebiet: Hier wird der Landkreis Schwäbisch Hall als Modellregion vorgestellt, wobei die naturräumliche Gliederung, Geologie, Böden, Klima und die spezifischen Merkmale der Untersuchungsflächen (Wiesen, Sportplätze, Straßen- und Gewässerrandstreifen) detailliert beschrieben werden.
4 Methoden: Dieses Kapitel beschreibt das methodische Vorgehen, von der Auswahl der Untersuchungsflächen mittels ArcGIS über Vegetationsaufnahmen und Probenahmen bis hin zu den chemischen Analysen (NIRS) und den verschiedenen Berechnungsmodellen für den Biogasertrag.
5 Ergebnisse: Die Ergebnisse präsentieren die Vegetationsbeschreibung, die Biomasseerhebungen und die spezifischen Biogas- sowie Methanerträge aus dem Hohenheimer Biogasertragstest und stellen diese in den Kontext der Rohnährstoffgehalte sowie der Potenzialabschätzungen.
6 Diskussion: Hier erfolgt eine kritische Auseinandersetzung mit dem Einfluss der Mahdhäufigkeit, der Substrateigenschaften auf die Gaserträge sowie eine methodische Diskussion der Probenahme- und Untersuchungsverfahren im Vergleich zur Literatur.
7 Fazit und Ausblick: Das Fazit fasst zusammen, dass die energetische Verwertung von Landschaftspflegematerial aufgrund der hohen Biogaserträge in der Energiepolitik stärker fokussiert werden sollte, während der Ausblick Handlungsempfehlungen für zukünftige Untersuchungen gibt.
Schlüsselwörter
Biogaspotenzial, Biomassepotenzial, Gewässerrandstreifen, Grünschnitt, kommunale und öffentliche Grünflächen, Landschaftspflegeaufwuchs, Methanerträge, Straßenrandstreifen, theoretisches Potenzial, technisches Potenzial, ökonomisches Potenzial, Energiepflanzen, Mahdhäufigkeit, NIRS, Biogas
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht die energetische Eignung von Grünschnitt aus öffentlichen Grünflächen und Straßenrandstreifen im Landkreis Schwäbisch Hall zur Biogasproduktion, um Potenziale abseits des Energiepflanzenanbaus zu erschließen.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Zu den Schwerpunkten zählen die Potenzialabschätzung für Biomasse und Biogas, die botanische Analyse der Grünlandflächen, chemische Nährstoffanalysen der Substrate und die Diskussion von Logistik- und Wirtschaftlichkeitsaspekten.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage der Arbeit?
Das Hauptziel ist die Schließung von Datenlücken bei der Bewertung von intensiv und extensiv genutzten Grünlandflächen hinsichtlich ihres theoretischen und technischen Biogasertragspotenzials.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Neben vegetationsökologischen Aufnahmen und Biomasseerhebungen werden die Substrate mittels des Hohenheimer Biogasertragstests (HBT) und der Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) analysiert. Zudem werden statistische Testverfahren und theoretische Berechnungsmodelle angewandt.
Was ist Gegenstand des Hauptteils?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte Beschreibung der Untersuchungsgebiete, die angewandten Methoden zur Probenahme und Analyse, die Darstellung der Ergebnisse zu Erträgen und Nährstoffen sowie die wissenschaftliche Diskussion dieser Daten.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich primär über Begriffe wie Biogaspotenzial, kommunale Grünflächen, Grünschnitt, Methanerträge und landschaftspflegerische Potenziale definieren.
Welche Rolle spielt die Mahdhäufigkeit bei den Ergebnissen?
Die Mahdhäufigkeit beeinflusst maßgeblich die Artenzusammensetzung (Pflanzengesellschaften) und die Qualität der Biomasse, da häufiger Schnitt tendenziell zu nährstoffreicheren, aber auch holzärmeren Substraten führt, die den Gärprozess beeinflussen.
Warum wird der Hohenheimer Biogasertragstest (HBT) verwendet?
Der HBT dient als standardisiertes Verfahren im Labormaßstab, um das spezifische Methan- und Biogasbildungsvermögen der unterschiedlichen Grünschnitt-Proben unter kontrollierten Bedingungen präzise zu ermitteln.
- Quote paper
- Sebastian Heintschel (Author), 2012, Quantifizierung der Biomasse- und Biogaserträge von öffentlichen Grünflächen und Straßenrandstreifen, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/265589
