anbautechnik, verwertungsmöglichkeiten und betriebswirtschaft …hersfeld... · 2010. 2. 9. ·...
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Anbautechnik, Verwertungsmöglichkeiten und Betriebswirtschaft von Miscanthus
Priv.-Doz. Dr. Ralf Pude
Forschungsbereich Nachwachsende Rohstoffe Universität Bonn
Freilandanbau Energiepflanzen Freilandanbau NahrungspflanzenGeschützter Anbau
Gewächshauskomplex Campus Klein-Altendorf
Science-to-Business Center AgroHort:Start am 22.8.2009
Campus Klein-Altendorf, Universität Bonn
AgroHort energy(Pude)
AgroHort solar(Pude)
AgroHort med(Noga, Schurr)
AgroHort phäno(Goldbach, Léon)
AgroHort rainout(Léon, Goldbach)
„Nachhaltige Energieversorgung“ < = > „Anpassung an Klimawandel“
Outsource-System
Auslagerung des Energiepflanzenanbaus auf Standorte, die nicht
für die Nahrungs-mittelproduktion genutzt
werden können
Synchron-System
Produktion von Nahrung und
Bioenergie zum selben Zeitpunkt auf der selben
Fläche
Kaskaden-System
Nacheinander geschaltete z.B.
stofflich/energetische Nutzung
Pflanzen mit hoher Biomasseleistung und geringem Input-Bedarf z.B. Multi-Purpose-Crops
z.B. energetische Nutzung von Bau- und Werkstoffen z.B. trockene Standorte
Output-System
Maximierung des Nettoenergieertrages pro
Fläche
Flächennutzungskonkurrenz – Systemoptimierung
geringem Input-Bedarf
„Low - input Pflanzen“
z.B. Multi-Purpose-Crops von Bau- und Werkstoffen z.B. trockene Standorte
Miscanthus Paulownia Switchgrass Obstbaumpfahl
SwitchgrassSwitchgrassPanicum virgatumPanicum virgatum
MiscanthusMiscanthusMiscanthus spp.Miscanthus spp.
WasserschilfWasserschilfPhragmites australisPhragmites australis
Sandige, trockeneStandorte
Mais-/Acker-Standorte
feuchte Standorte;Naturschutzflächen
TROCKENTROCKEN NASSNASS
Lignozellulosereiche Großgräser
15-20 t TM/ha10-12 t TM/ha 8-10 t TM/ha
MiscanthusEine enorme Biomassepflanze mit raschem Wuchs
und hohen Erträgen
- mehrjährig
- nicht zu säen
- nicht heimisch
Ascheberg,
NRW
=>„Low input“ Pflanze miternormen Erträgen
MiscanthusMiscanthus
• Mehrjähriges Landschilf aus Asien • C4-Gras (wie Mais)
• prämienberechtigte Kultur (Code 896)
• Wuchshöhe 3 - 4 Meter
• Überwinterungsorgan: Rhizom
Anbau von low-input Pflanzen
• Überwinterungsorgan: Rhizom
• Düngebedarf Stickstoff: 50 kg/ha *a
• Ernte März-April (Maishäcksler)
• <18 % Feuchte (lagerfähig)
• Erträge: 15 bis 25 t TM/ha+a
etwa 7.000 l HÄ/ha (17,5 MJ/kg)
=> www.miscanthus.de
Etablierung (1-2 Pfl./m²)
Rhizompflanzung Setzlingspflanzung
17 Cent 35 Cent
Pflanzgutqualität
Unkrautkontrolle
⇒ Keine zugelassenen Pflanzenschutzmittel (mechanische Bekämpfung!), es funktionieren allerdings alle Mais- und Getreide-Herbizide
Düngung
Dikopshof, Pflanzung 1993
20
25
30
Ert
rag
(t
TM
/ha)
0
5
10
15
einjährig zweijährig dreijährig vierjährig fünfjährig sechsjährig
Ert
rag
(t
TM
/ha)
0 kg N/ha
100 kg N/ha
200 kg N/ha
Auswinterungsproblem?kein Thema mehr!
Anpflanzung in Nord-Polen
vor Winter
problemlos!
Anbau
Standort Legi, Polen
problemlos!
Wichtig!Auf Düngung im Anbaujahr
verzichten!
Pflanzen sollten nicht „grün“ in
die Herbstfröste gehen.
Energetische Nutzung:
- CO2 neutral
- bis 7.000 l HÄ/ha
Stoffliche Nutzung:
- dauerhafte Bindung von
30 t CO2 pro ha*a
- Minderung Energieverbrauch
Umweltwirkungen
unterirdisch:
Aufbau organische Substanz:
Miscanthus: + 8,5 t/ha*a
Luzerne: + 6,5 t/ha*a
Switchgrass: + 5,8 t/ha*a
Gerste + Stroh: + 4,8 t/ha*a
Weizen -- Stroh: - 3,0 t/ha*a
Silomais: - 3,0 t/ha*a
Nützlinge – Bereicherung der Kulturlandschaft
Spinnen
Wintergerste
1,7
Miscanthus
Miscanthus
35,4
28,8
28,8
5,4 1,6
Wintergerste
6,4
91
1,3
0
1,3
Wolfsspinnen
Zw ergspinnen
Streckerspinnen
Glattbauchspinnen
Andere
ZwergmausnestFasaneUlrike Schlagheck, 2009Diplomarbeit, Uni Bonn
Käfer44,1
7,81,5
0,3
44,6
0
0
1,7
Laufkäfer
Nestkäfer
Glanzkäfer
Aaskäfer
Kurzflügler
Rüsselkäfer
Schnellkäfer
Andere
26,8
8,9
14,83,1
36,5
0,7
1,18,1
Modellbildung (Dissertation F. Wagener)(FNR-Projekt des IFAS)
Häcksel-Vergleich:
Miscanthus-
Häcksel
Holz-
Hackschnitzel
Heizwert TM (kWh/kg)
4,9 5,1(kWh/kg)
Restfeuchte (%) 15-18 > 35
Dichte FM (kg/m³) 120 248
Aschegehalte (%) 2,6 - 2,3 2,1
Chlorgehalte (%) 0,6 - 0,8 0,01 - 0,1
Siliziumgehalte (%) 0,6 - 1 0,0
Häcksellinie
Ernteoptimierung
Ballenlinie
0
20
40
60
0
20
40
% Wasser in der FM
StengelBlätter
Standardabweichung
t TM ha-1
Erntegutqualität – Wahl des Erntetermines:
8
10 % Asche in der TM0.8
% N in der TM
Dez Feb Mrz Dez Feb Mrz Dez Feb Mrz Dez Feb Mrz Dez Feb Mrz Dez Feb Mrz
Stängel
I. Lewandowski, 2002
0
2
4
60.4
% K in der TM
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
0.4
0.8% Cl in der TM
Dez Feb Mrz Dez Feb Mrz Dez Feb Mrz Dez Feb Mrz Dez Feb Mrz Dez Feb Mrz
Miscanthus-Genotypenpool am Campus Klein-Altendorf (seit 2002)
M. x giganteus M. sacchariflorus M. sinensis M. robustus
=>Ziel: Qualitätsverbesserung abhängig von
- Standort / Düngung- Ernte / Erntetermin- Herkunft
Miscanthus-Genotypenpool
Einfluss Düngung Einfluss Genotyp
100 kg N0 kg N
Einfluß der Herkünfte
Miscanthus RobustusSwitchgrass Panicum virgatum
Cave-in-Rock Miscanthus sinensis Miscanthus x giganteus
Aschegehalt [%] atro
Misc. 2 Misc. sinensis 2,6
Misc. 21 Misc. sinensis 3,7
Misc. 25 Misc. sinensis 4,0
Misc. 17 Misc. giganteus 3,1
Misc. 34 Misc. giganteus 2,3
Misc. 35 Misc. giganteus 1,9
Misc. 24 Misc. Robustus 2,8
ST 6b Switchgrass 5,8
Probe
M. Ramperez, C. Ramperez, M. Müller & R. Pude, 2008
Ergebnis Erhitzungsmikroskopie– Bestimmung der Erweichungstemperatur
Aschepressling vor Erhitzen
Erhitzen des Aschepresslings Misc 24 bis auf 1130 °C
Ergebnisse aus Erhitzungsmikroskopie,
DTA und ViskosimeterM. Ramperez, C. Ramperez, M. Müller & R. Pude, 2008
Mineralphasenbildung in der Asche
550 °C 800 °C
SiO2 K2SO
KCl KAlSi O
Ca-silica
CaCO
MgO MgSiO
amorphou
SiO
K2SO
KAlSiO
CaSO
Ca/Mg-
phosphat
amorpho
M. Ramperez, C. Ramperez, M. Müller & R. Pude, 2008
=> Switchgrass: höchster Aschegehalt, höchster Schmelzpunkt, mehr S-Freisetzung, weniger Cl
O4 i3O8 silicates
O3 O3 phous
O2 O4 iO4 O4 Mg-silicates
phates
rphous
02 M. sinensis xx x xx xx xx x xx x
17 M. giganteus xx xx x x xx xx xx x x xx
21 M. sinensis xx x x x x xx x xx
24 M. robustus xx xx x xx xx xx x xx
25 M. sinensis xx xx x x xx xx xx xx
34 M. giganteus xx xx x x xx xx x xx xx xx
35 M. giganteus xx xx x xx xx xx xx x
St6 Switchgrass xx x xx x xx xx x x
Energetische Nutzung technisch optimiert
gute Verbrennunggute Verbrennung
schlechte Verbrennung
Qualität - StängelaufbauLeitbündel um-geben von Fasern(rot = Lignin)
Stoffliche Nutzung
Geschl. kollaterales Bündel
Stängelquerschnitt
von Wasser ( + Zement)
Qualität - Absortionsvermögen
0
2
4
6
8
10
1214
1618
0 0,5 1 2 3 4 5 10 15 20
Meßtermine (min)
Ab
so
rpti
on
sg
es
ch
w. (
mm
/min
)
M. × giganteus
A. donax
P. virgatum
Phragmites
Absorptionsgeschwindigkeit
S
P
Füllhöhe
Lokalisation von Calcium
Meßtermine (min)
0
5
10
15
20
25
30
0 0,5 1 2 3 4 5 10 15 20
Meßtermine (min)
Ab
sorp
tio
nsh
öh
e (m
m)
M. × giganteus
A. donax
P. virgatum
Phragmites
Absorptionshöhe
Pude, 2005
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Stängeloberfläche von M. x giganteus und Phragmites (Rasterkraftmikroskopie)Qualität - Stängelaufbau
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Scannbereich 25.000 nm
PUDE, R., BANASZUK, P., TRETTIN, R. and G. NOGA, 2005: Suitability of Phragmites for lightweight concrete. Journal of Applied Botany 79, 141-146.
Qualität - Erntegut
Massive Außen- und Innenwändemit Holzfachwerkrahmen
Komplette Niedrigenergiehäuser
NEUBAU
Komplette Niedrigenergiehäuser
Das erste Miscanthus-Haus
NEUBAU / ALTBAUSANIERUNG
Lärmschutz / Verkehr
Lärmschutzwände
TÜV, Köln
Anwendung: Leichtbeton
Miscanthus-HausWill in Bannwill, CH
Wandquerschnitt
Anwendung: Leichtbeton
Büroanbau Freudiger,in Gals, CH
Wandquerschnitt
11.2008 11.2008
Fröling-Miscanthus-Heizung
Anwendung: Bauen und Heizen
Wand mit/ohne Miscanthus-Putz
LohnunternehmenFreudiger,Gals, CH
Fröling-Miscanthus-Heizung
Anwendung: Lärmschutzwände
TÜV, Köln
Miscanthus-Lärmschutzwand an der ICE-Strecke in Gardelegen (2008)
Haufwerksporigkeit
Kursawe, 2008
Spektralansicht des A-bewerteten Schalldruckpegels mit und ohne Schallschutzmauer
40
50
60
70
80
90
100S
chal
ldru
ckp
egel
in d
B(A
)
ohne Schutzmauermit Schutzmauer
Anwendung: Lärmschutzwände
0
10
20
30
20 31 50 80 125 200 315 500 800 1,2k 2k 3,1k 5k 8k 12k 20k
Frequenz in Hz
Sch
alld
ruck
peg
el in
dB
(A)
Spektralansicht des A-bewerteten Schalldruckpegels bei Vorbeifahrt eines ICE vor und nach der Baumaßnahme (Standort Gardelegen)
Anlagen u. IndustrieserviceK.-W. KursaweNeue Str. 12 D-06901 Kemberg
Anwendung: Tiereinstreu
gehäckselte Einstreupelletierte Einstreu
Miscanthus-Einstreu besitzt:
- sehr hohe Saugfähigkeit
- gute Geruchshemmung (kein Ammoniakgeruch!)
- geringe Schimmelbildung (feuchte Stellen)
- verminderte Staubbildung
z.B. www.herbasch.de
Grit BoltenDiplomarbeit bei Prof. Büscher, Landtechnik, Uni Bonn
Anwendung: Bioplastics
Forschungsstadium
Freudiger, 2008
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
An
bau
fläc
he
(ha)
Brandenburg
Schlesw ig-Holstein
Saarland
Sachsen-Anhalt
Mecklenburg-Vorpommern
Thüringen
Sachsen
Niedersachsen
Rheinlandpfalz
Hessen
Nordrhein-Westfalen
Baden-Würtemberg
Bayern
Bay
BW
NRW
He
0
2001 2006 2007 2008
2001 2006 2007 2008
Baden-Würtemberg 68,6 68,6 112,0 191,0
Bayern 21,0 69,0 322,0 706,0
Brandenburg 0,0 0,0 1,5 1,5 ?
Hessen 0,0 5,0 28,9 88,0
Mecklenburg-Vorpommern 8,3 8,3 8,3 8,3 ?
Niedersachsen 0,6 5,6 38,8 38,8 ?
Nordrhein-Westfalen 18,4 103,0 133,8 172,0
Rheinlandpfalz 40,4 40,4 39,0 39,0 ?
Saarland 2,0 ?
Sachsen 19,5 20,0 18,3 31,1
Sachsen-Anhalt 2,5 2,5 4,0 4,0 ?
Schleswig-Holstein 0,6 3,1 2,3 2,0
Thüringen 0,0 0,0 2,8 12,2
Geschätzte Anbauflächen (n. FNR e.V. / BLE / MEG e.V.)
http://www.miscanthus-society.com
Pflanzgutform:Pflanzen (Kauf)
Rhizome (Kauf)
Rhizome(Eigenvermehrung)
Pflanzgutproduktion:
Pflanzenmaterial Euro/ha 3500 1500 682
Bodenbearbeitung und Pflanzung 500 500 500
Düngung 100 100 100
Pflanzenschutz (Unkraut) 50 50 50
Sonstiges 85 85 85
Zinsanspruch Anlagejahr 339 114 114
Zinsanspruch 2. Jahr 366 123 123
Anlagekosten insgesamt 4940 2472 1653
Kapitalkosten der Anlage:
Nutzungsdauer (15 Jahre)
Wirtschaftlichkeit
Zinsansatz 8%
Annuitätenfaktor 0,117
Jahreskosten der Anlage 577 290 193
(Kapitalkosten)
Bestandesgründung:
Jährliche Gesamtkosten
(Prop. Spezialkosten)
bei 15 t TM / ha 1111 833 727
notwendiger Erlös (Euro/t TM)** 74 56 49
bei 17,5 t TM / ha 1123 840 739
notwendiger Erlös (Euro/t TM)** 64 48 42
bei 20 t TM / ha 1135 840 751
notwendiger Erlös (Euro/t TM)** 57 42 38
Ausblick – offene Forschungsfragen
- Miscanthus ist eine absolute low-input Pflanze
- vielfältige stoffliche u. energetische Verwendungsmöglichkeiten
- eine Biomasse zw. Holz und Stroh
- Optimierung durch Selektion (Eigenschaften, Erntefenster, …)
- Optimierung der Ernte (Transportwürdigkeit)
- Optimierung der Verbrennungstechnik
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