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