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Biogas aus Zuckerrüben

Projektdaten

  • Status: abgeschlossen
  • Mitarbeiter/in: Philipp Starke
  • Betreuer/in: Christa Hoffmann
  • Kategorie: Erneuerbare Energien

Die Erzeugung von Bioenergie wird im Hinblick auf die Erreichung der Klimaschutzziele intensiv diskutiert. Neben der Nutzung von Bioethanol und Biodiesel als Kraftstoff wird verstärkt die Produktion von Biogas zur Stromerzeugung und Wärmenutzung oder aber mit Direkteinspeisung ins Netz in Erwägung gezogen. Als Rohstoffe sind optimalerweise die Pflanzenarten einzubeziehen, die die höchsten Trockenmasseerträge pro Flächeneinheit erzielen. Dies sind in den gemäßigten Breiten Mais und Zuckerrüben. So ist die effizienteste Flächennutzung und damit beste Energiebilanz gegeben.

Nicht nur durch den hohen Trockenmasseertrag, sondern auch wegen ihrer Zusammensetzung sind Zuckerrüben ein optimales Substrat für die Biogasanlage. Die Bestimmung der Qualität, um einen hohen Biogasertrag und eine schnelle Vergärung sicherzustellen, ist entscheidend für die Definition von Zuchtzielen und zur Optimierung von Anbaumaßnahmen.

Durch Sortenwahl und N-Düngung wird neben der Qualität auch der Frischmasseertrag beeinflusst. Da insbesondere der Blattertrag durch N-Düngung gefördert wird, kann sich bei Betrachtung des Gesamtertrages von Blatt und Rübe und neuer Qualitätskriterien eine angepasste N-Düngung als optimal erweisen. Ziel des Projektes war es zu klären, mit welchen Sortentypen und welcher N-Düngung der höchste Biogasertrag erzielt werden kann.

Die Vergärung von organischem Material in einer Biogasanlage verläuft im Prinzip wie im Pansen eines Wiederkäuers. An der Umsetzung der organischen Substanz sind die gleichen Mikroorganismenpopulationen beteiligt, die sich auch im Pansen finden. Daher ist die Versorgung einer Biogasanlage im Prinzip mit der Fütterung einer Hochleistungskuh vergleichbar.

Prozess Biogas

Die Zusammensetzung des pflanzlichen Materials ist entscheidend für die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Umsetzung in der Biogasanlage. Nur die organische Trockenmasse ist fermentierbar, daher muss von der Trockensubstanz der Rohaschegehalt, d. h. die Summe der Mineralstoffe, abgezogen werden.

Organische Trockensubstanz kann sich sehr unterschiedlich zusammensetzen. Der Abbau einfacher Moleküle wie Saccharose (Zucker) verläuft in der Biogasanlage wesentlich schneller als der Abbau komplex aufgebauter Verbindungen wie Hemicellulose und Cellulose. Substrate mit einem hohen Anteil an Rohfaser (z.B. Lignin) und Wachse werden sehr langsam und auch nur unvollständig abgebaut. Zuckerrüben mit ihrem hohen Zuckergehalt zählen dagegen zu den schnell umsetzbaren Substraten.

Für die Biogasausbeute ist hauptsächlich der Gehalt an organischer Trockensubstanz ausschlaggebend, der bei Futterrüben wesentlich geringer ist als bei Zuckerrüben. Dagegen spielt bei der Vergärung die technologische Qualität der Rüben für die Zuckergewinnung, d. h. der Standardmelasseverlust (Kalium, Natrium, Amino-N), keine Rolle.

Zuckerrüben zeichnen sich durch eine günstige Zusammensetzung der TM aus. 90 % der Trockensubstanz bestehen aus leicht umsetzbaren, N-freien Extraktstoffen (NfE), hauptsächlich Zucker. Hinzu kommen geringe Gehalte an N-haltigen Stoffen (Rohprotein) und ein sehr geringer Gehalt an Rohasche. Dies unterscheidet sie von anderen Rohstoffen zur Biogaserzeugung und macht Zuckerrüben zu einem wertvollen, weil schnell abbaubaren Substrat.

Auch das Rübenblatt hat einen hohen Anteil an NfE und einen mittleren Gehalt an Rohfaser und Rohprotein. Daher ist es zwar gut umsetzbar, allerdings ist der TM-Gehalt wesentlich geringer. Zusätzlich sind die Kosten für Ernte, Bergung, Transport und Lagerung/Silierung zu beachten, hier stehen zur Zeit kaum effiziente technische Lösungen zur Verfügung. Die Nutzung des Rübenblattes wird deshalb zumeist nicht wirtschaftlich sein.

Futterrüben unterscheiden sich von Zuckerrüben durch ihren wesentlich geringeren TM-Gehalt bei höherem Gehalt an Rohasche, zudem ist der Gehalt an NfE geringer. Die Biogasausbeute von Futterrüben ist dadurch geringer als die von Zuckerrüben.

 

Rohnährstoffzusammensetzung von Zuckerrübe und Zuckerrübenblatt



Die Gasbildung unterschiedlicher Substrate wird im Laborversuch getestet. Zuckerrüben zeichnen sich durch eine sehr schnelle Gasbildung aus, sie werden aufgrund der Zusammensetzung aus hauptsächlich leicht vergärbaren Kohlenhydraten (NfE) sehr schnell umgesetzt. Nach ca. 4 Tagen sind bereits 90 % des Biogases gebildet. Es entstehen bis zu 750 Normliter Biogas/kg organischer Trockenmasse. Der Methangehalt liegt bei etwa 51 % CH4.

Die Gasbildung bei Zuckerrübenblatt verläuft dagegen langsamer, da Blatt mehr Rohfaser und Rohprotein enthält, das langsamer umgesetzt wird.

Auch bei Zuckerrüben mit unterschiedlichen Qualitäten im Hinblick auf Zuckergehalt und Melassebildner sowie Futterrüben ergaben sich keine wesentlichen Unterschiede in der spezifischen Biogasbildung.

Spezifische Gasbildung bei Zuckerruben und Zuckerrubenblatt




Da der spezifische Gasertrag unterschiedlicher Zuckerrübensorten nicht wesentlich voneinander abweicht, ist der Ertrag an Trockenmasse (TM) für den Biogasertrag pro Flächeneinheit entscheidend.

Zuckerrüben und Futterrüben haben ein sehr hohes Ertragspotenzial. Wegen des höheren TM-Gehaltes ist jedoch der Rüben-TM-Ertrag von Zuckerrüben deutlich höher als der TM-Ertrag von Futterrüben. Deren höherer Rübenertrag beruht ausschließlich auf stärkerer Wassereinlagerung.

Für die Fermentation spielt der Standardmelasseverlust keine Rolle. Daher kann der Rübenkopf, der für die Zuckergewinnung wegen der schlechten Qualität abgetrennt wird, einbezogen werden. So lässt sich der gewachsene Ertrag vollständig ernten. Die Größe des Rübenkopfes variiert nur geringfügig zwischen Sorten. Da der Kopf von Zuckerrüben einen geringeren TM-Gehalt mit wesentlich höherem Aschegehalt aufweist als die Rübe, fällt die Steigerung des Methanertrags vermutlich deutlich geringer aus als die Erhöhung des Rübenertrags von 8 - 12 % erwarten lässt.

 

 Trockenmasseertrag



Der Biogasertrag für ein Substrat ergibt sich aus dem Trockenmasseertrag pro ha und dem spezifischen Biogasertrag pro kg TM.

Aufgrund des hohen TM-Ertrags und der hohen spezifischen Gasbildung können mit Zuckerrüben sehr hohe Biogaserträge erreicht werden (Methangehalt etwa 51 %). Es traten keine Unterschiede zwischen den beiden Sorten (E- und Z-Typ) und N-Düngungsvarianten auf. Die Sorten mit dem höchsten Zuckerertrag erreichen den höchsten TM-Ertrag und damit auch den höchsten Biogasertrag.

 

Weitere Projekte aus der Kategorie Erneuerbare Energien:


Veröffentlichungen

Hoffmann, C., P. Starke, 2011, KTBL Schrift 488: Biogas in der Landwirtschaft – Stand und Perspektiven, S. 156-163
Starke, P., C. Hoffmann, 2011, KTBL Schrift 488: Biogas in der Landwirtschaft – Stand und Perspektiven, S. 335-336
Hoffmann, C., J. Greef, F. Höppner, L. Hüther, B. Märländer, 2008, Zuckerrübe 57, S. 320-323
Märländer, B., D. Augustin, E. Hartung, C. Hoffmann, F. Setzer, N. Stockfisch, 2010, DLG-Merkblatt 363, DLG e.V. Frankfurt/Main
Hoffmann, C., 2014, Zuckerrübenjournal Nr. 2, S. 17-18
Hoffmann, C., 2012, DLG Mitteilungen Nr. 1, S. 19-21
Starke, P., Hoffmann, C., 2011, Sugar Industry/Zuckerind. 136, S. 242-250
Starke, P., C. Hoffmann, FNR/KTBL-Kongress Biogas in der Landwirtschaft – Stand und Perspektiven, 20.-21.09.2011 in Göttingen
Starke, P., C. Hoffmann, 53. Jahrestagung der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften, 28.-30.09.2010, Hohenheim
Loel, J., C. Hoffmann, Statusseminar Plant2030, 06.-08.03.2013, Potsdam
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