Universität Hohenheim

Institut für Agrartechnik

Landesanstalt für Landwirtschaftliches Maschinen- und Bauwesen

Prof. Dr. Thomas Jungbluth

Untersuchungen zur Aufbereitung und Umwandlung von Energiepflanzen in Biogas und Bioethanol

Dissertation

zur Erlangung des Grades eines Doktors

der Agrarwissenschaften

vorgelegt

der Fakultät Agrarwissenschaften

von

Dipl.-Ing., M.Sc. Britt Schumacher aus Rostock

2008

Die vorliegende Arbeit wurde am 24.06.2008 von der Fakultät

Agrarwissenschaften der Universität Hohenheim als „Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktors der Agrarwissenschaften“ angenommen.

Tag der mündlichen Prüfung: 15.07.2008

1. Prodekan: Prof. Dr. W. Bessei

Berichterstatter, 1. Prüfer: Prof. Dr. T. Jungbluth Mitberichterstatter, 2. Prüfer: Prof. Dr. W. Claupein Weiterer Berichter, Prüfer: PD Dr. T. Senn

Die dieser Arbeit zugrunde liegenden Untersuchungen wurden im Auftrag der

Landesstiftung Baden-Württemberg an der Universität Hohenheim im Rahmen

des Forschungsprojekts „Optimierung der Bereitstellung von Biomasse für innovative energetische Nutzungsformen“ unter Beteiligung der Landesanstalt für Landwirtschaftliches Maschinen- und Bauwesen, des Instituts für

Pflanzenbau und Grünland, Fachgebiet Allgemeiner Pflanzenbau sowie des

Instituts für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie, Fachgebiet

Gärungstechnologie durchgeführt.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN: 978-3-86664-492-2 Zugl.: Hohenheim, Univ., Diss., 2008 Dissertation, Universität Hohenheim D 100 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Warenbezeichnungen, usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. This document is protected by copyright law. No part of this document may be reproduced in any form by any means without prior written authorization of the publisher.

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Danksagung

Der vorliegenden Arbeit liegen Untersuchungen zugrunde, die ich als Wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Universität Hohenheim im Rahmen des Forschungsprojekts „Optimierung der Bereitstellung von Biomasse für innovative energetische Nutzungsformen“ durchführte.

Herrn Prof. Dr. Thomas Jungbluth danke ich für die Annahme als Doktorandin am Institut für Agrartechnik der Universität Hohenheim und für seine pragmatische Unterstützung meiner Arbeit. Bei Herrn Prof. Dr. Wilhelm Claupein bedanke ich mich für die Übernahme des Zweit-Gutachtens und wie auch bei Herrn Prof. Dr. Werner Bessei für die Mitwirkung bei der mündlichen Prüfung.

Mein besonderer Dank gilt Dr. Hans Oechsner, Leiter der Landesanstalt für Landwirtschaftliches Maschinen- und Bauwesen (Baden-Württemberg), für die fachliche Betreuung im Bereich Biogas, für seine wertvollen Anregungen und das Gewähren des Freiraums der eigenverantwortlichen Durchführung des Projekts.

Herrn PD Dr. Thomas Senn vom Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie, Fachgebiet Gärungstechnologie an der Universität Hohenheim danke ich sehr für die fachliche Betreuung der Bereiche Bioethanol und Ökobilanzierung sowie für seine Mitwirkung an der mündlichen Prüfung.

Natürlich möchte ich mich auch bei allen Mitarbeitern/innen der Landesanstalt und des Instituts für Agrartechnik, die zum Erfolg dieses Projekts beigetragen haben, bedanken. Thomas Clauss, Helmut Gehrung, Oberingenieur Klaus Lutz, die Mitarbeiter der Messtechnik und der Werkstatt waren mir eine wertvolle Hilfe in allen Belangen der Technik und der Logistik für das Biogaslabor.

Annette Buschmann, Monika Tomalla sowie den Wissenschaftlichen Hilfskräften danke ich für die zuverlässige Bewältigung der sehr umfangreichen Laborarbeiten; Katharina Czepuck, Anna-Maria Engel, Milly-Kevin Tebusabwa und Vidur Ghimire sollen hier stellvertretend genannt sein.

Dr. Andreas Lemmer, Dr. Sigrid Kusch, Michael M. Mukengele, Daniel Preißler, Jochen Vogtherr, Simon Zielonka, Bettina Frauz und Mathieu Brulé gilt mein Dank für einen anregenden Gedankenaustausch und die gegenseitige Unterstützung der wissenschaftlichen Arbeit. Margarete Wolfer und Margit Andratschke danke ich für die engagierte Führung des Sekretariats.

Constanze Böhmel leistete durch die hervorragende Organisation des Bereichs Pflanzenbau, die Bereitstellung der Energiepflanzen für die Laboruntersuchungen, die Zuarbeit bei der Ökobilanzierung sowie durch die Koordination der Zusammenarbeit aller Beteiligten der Universität Hohenheim bzw. mit dem Auftraggeber einen außerordentlichen Beitrag zum Gelingen des Gesamtprojekts. Ebenso hatte Sven Fleischer durch seine Unterstützung bei der Biomasseaufbereitung mittels Steam Explosion, der Untersuchungen im Bioethanollabor sowie der Ökobilanzierung maßgeblichen Anteil am Erfolg des Projekts. Dafür danke ich beiden sehr.

Herrn Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt und Herrn Dr.-Ing. Frank Scholwin danke ich für ihre Flexibilität, die es mir erlaubte das Promotionsverfahren, nach dem Ablauf der Projektlaufzeit an der Universität Hohenheim und dem direkten Wechsel an das Institut für Energetik und Umwelt gemeinnützige GmbH in Leipzig (seit dem 17.06.2008 umfirmiert in Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH), innerhalb kurzer Zeit abzuschließen.

Mein herzlichster Dank gilt meiner Familie, meiner verstorbenen Mutter Ingrid Schumacher, meinem Vater Dietrich Schumacher und seiner Lebensgefährtin Erika Thurow sowie meiner Schwester Anne Brummer.

Uta und Eva Merkel übernahmen dankenswerterweise das anspruchsvolle Lektorat dieser Arbeit.

Leipzig im November 2008 Britt Schumacher

Inhaltsverzeichnis

I

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ........................................................................................... III Tabellenverzeichnis ................................................................................................. X Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................ XIII 1 Einleitung ................................................................................................ 1 2 Problemstellung und Ziel der Arbeit ..................................................... 3 3 Stand des Wissens – Biogas- und Bioethanolgewinnung aus

Energiepflanzen ...................................................................................... 4 3.1 Aufbau von Pflanzen................................................................................. 4

3.2 Allgemeine Konversionsverfahren für nachwachsende Rohstoffe ............ 6

3.3 Substrataufbereitungsverfahren für die Biogas- und Ethanolgewinnung .. 6

3.4 Biogaserzeugung...................................................................................... 9

3.4.1 Rohstoffe .................................................................................................. 9

3.4.2 Grundlagen der Biogaserzeugung.......................................................... 10

3.4.3 Spezifische Biogaserträge ausgewählter Substrate................................ 12

3.4.4 Abschätzung des Biogas- bzw. Methanertrags....................................... 15

3.5 Bioethanolerzeugung.............................................................................. 17

3.5.1 Zucker- und stärkehaltige Rohstoffe ....................................................... 17

3.5.2 Lignozellulosehaltige Rohstoffe .............................................................. 19

3.5.3 Grundlagen der Ethanolerzeugung......................................................... 20

3.5.4 Spezifische Ethanolausbeuten ausgewählter Substrate ......................... 21

3.5.5 Schlempe als Nebenprodukt................................................................... 22

3.6 Energie- und Ökobilanzierung ................................................................ 26

3.7 Optimierungspotenziale der Aufbereitung und der Konversion von

Energiepflanzen zu Biogas und Bioethanol ............................................ 33

3.8 Folgerungen für die Arbeit ...................................................................... 35

4 Material und Methoden......................................................................... 36 4.1 Methoden des Pflanzenbaus .................................................................. 36

4.2 Methoden der Biogasuntersuchungen ....................