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| Master Thesis | FZJ-2015-03116 |
2015
Forschungszentrum
Jülich
Abstract: In dieser Arbeit wurde die Pflanze Sida (Sida hermaphrodita) auf Ihre energetischen Nutzungspotenziale hin betrachtet. Mit Hilfe von zwei Feldversuchen wurde die pflanzliche Entwicklung über eine ganze Wachstumsperiode lang analysiert und eine Erprobung von verschiedenen Anbauvarianten durchgeführt. Zur Beurteilung der energetischen Nutzungsmöglichkeiten wurden Verfahren zur Bestimmung des Brennwertes, des Biogasbildungspotentials, des Ascheschmelzverhaltens sowie der elementaren Zusammensetzung verwendet. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen spiegeln besonders das große Potenzial der Pflanze als Festbrennstoff wieder. Eine Energiemenge von bis zu 439.266 MJ pro Hektar und Jahr ist möglich. Mit einem Brennwert von 19,03 - 19,88 MJ/kg sowie einem Heizwert von 16,46 – 17,20 MJ/kg besitzt Sida direkt nach der Ernte gute Eigenschaften für die Nutzung als Festbrennstoff. Im Rahmen der Eingruppierung nach DIN EN ISO 17225-1 2014-09 kann Sida in die Gruppe 2.1.6.2 („Halmgutartige Biomasse“, „Halmgutartige Biomasse aus Landwirtschaft und Gartenbau“, „Blumen“, „Stängel und Blätter“) eingeordnet und als „Halmgutartige Biomasse“ bewertet werden. Dadurch ergeben sich Vorgaben für die „Klassifizierung von nicht-holzartigen Briketts“ (DIN EN ISO 17225-7:2014-09) für Biogene Festbrennstoffe. Sida-Biomasse konnte die Vorgaben aus dieser DIN erfüllen, die Rohdichte von Sida-Briketts wurde jedoch in dieser Arbeit nicht untersucht. Weiterhin besitzt Sida-Biomasse eine Ascheschmelztemperatur von über 1500 °C. Dieser Wert unterstreicht die guten Brennstoffeigenschaften.Auch für die Nutzung als Biogassubstrat eignet sich Sida gut. Bei einer Einschnitt-Variante kann ein Methanertrag von 2.367,1 ± 117,5 Normkubikmeter (m³N) pro Hektar (ha), und bei einer Zweischnitt-Variante 3.777,7 ± 292,1 m³N/ha gewonnen werden. Die spezifischen Methanausbeuten variieren, in Abhängigkeit vom Erntezeitpunkt, zwischen 204,23 ± 16,28 m³N/kgoTS und 124,78 ± 6,19 m³N/kgoTS. Mit den Ergebnissen des Methanertrages steht Sida mit den Erträgen der Durchwachsene Silphie, Sudangras und Grünland (Gras als Dauerkultur) auf einer Ebene. Im Vergleich zu den hohen Methanerträgen von Silomais, Zuckerrüben und Getreide-GPS sind die Ergebisse von Sida-Biomasse jedoch etwas geringer. Durch eine Optimierung im Bereich des Anbaus und der Prozesstechnik ist allerdings für Sida eine Steigerung der Ausbeute zu erwarten. Da die Biogasausbeute von Sida sehr stark vom Entwicklungsstadium der Pflanze abhängt, ist bei einem Vergleich die Angabe des Entwicklungsstadiums unumgänglich. Der speziell für die Pflanze Sida hermaphrodita, im Rahmen dieser Arbeit entwickelte BBCH Code, präzisiert und erleichtert diese Bestimmung deutlich.Bei der Nutzung von Sida-Biomasse als Biogassubstrat sind einige Besonderheiten zu berücksichtigen. Auf der einen Seite ist ein möglichst maximaler Biomasseertrag anzustreben, auf der anderen Seite jedoch eine Verholzung der Pflanze zu vermeiden, was eine Verringerung der Biogasausbeute verursachen würde. Aus den gewonnenen Ergebnissen dieser Arbeit lassen sich folgende Empfehlungen ableiten. Für eine Einschnitt-Variante ist eine Ernte zwischen den Entwicklungsstadien BBCH 65 – 75 zu empfehlen. Unterschungen ergaben zu diesem Zeitpunkt Erträge von über 75 tFM/ha mit einem TS-Gehalt von 25 – 32 %. Für eine Zweischnitt-Variante wird eine erste Ernte im Stadium BBCH 55 empfohlen und eine zweite Ernte des Wiederaufwuchses im Stadium BBCH 65-75. Zu diesen Zeitpunkten befinden sich die Pflanzen noch im Wachstum und der maximale Biomassertrag ist noch nicht erreicht. Auf Grund des besseren Biogasbildungpotentials ist jedoch eine in Summe höhere Methanausbeute zuerwarten. Frischmasseerträge in Summe von über 120 t/ha können mit dieser Zweischnitt-Variante gewonnen werden.Unter Berücksichtigung der pflanzenbaulichen Erkenntnisse ist jedoch bei einer Einschnitt-Variante mit einer Ernte im Entwicklungsstadium 65 – 75 die Gefahr einer Auswinterung vorhanden. Daher wird für die Nutzung als Biogassubstrat eine Zweischnitt-Variante klar bevorzugt. Zur Festbrennstoffnutzung empfiehlt sich eine Ernte kurz vor dem Wiederaustrieb im Entwicklungsstadium BBCH 99.Ein Vergleich von vier Anbauvarianten zeigt deutlich, dass eine Nutzung der Pflanze als sogenannte Flex-Pflanze möglich ist. Das bedeutet, dass Sida sowohl als Biogassubstrat, als Festbrennstoff und auch als eine Kombination aus beidem genutzt werden kann.Eine Beurteilung der Energiebilanz brachte durchweg positive Ergebnisse. Unter Berücksichtigung der erzielten Energie im Verhältnis zu der eingesetzten Energie für die Düngung, Pflege, Ernte, sowie für den Transport, konnten „pflanzlich/energetische Wirkungsgrade“ von 8 - 43 ermittelt werden. Dieser Faktor für das Output-Input-Verhältnis liegt im Vergleich zu anderen Energiepflanzen wie Miscanthus (18,7), Mais (10,5) oder Weiden (23,9) auf einem sehr hohen Niveau.Mit einem kalkulierten Kostenfaktor von 0,0106 €/kWh kann, basierend auf Ergebnissen dieser Arbeit, ein sehr wirtschaftlicher Energieträger für die Nutzung als Festbrennstoff erzeugt werden. Die Kosten für die Erzeugung eines Biogassubstrats aus Sida liegen bei der in dieser Arbeit zugrunde liegenden Berechnungen zwischen 0,0384 und 0,0545 €/kWh.
Keyword(s): Unveröffentlichte Hochschulschrift
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