Zusammenfassung 1

Zusammenfassung

Eine Grüne Bioraffinerie ist ein komplexes Technologiesystem zur stofflichen und energetischen Verwertung nachwachsender Rohstoffe in Form von Grüner Biomasse und Abfallbiomasse. Zusätzlich zu den ökologischen Aspekten, die für eine verstärkte Nutzung nachwachsender Rohstoffe sprechen, kann eine Grüne Bioraffinerie einen Beitrag zum Erhalt der Kulturlandschaft sowie zur Einkommenssicherung der Landwirte leisten. 1

Ziel dieser Diplomarbeit war es, für den Standort Redange in Luxemburg die Machbarkeit einer Grünen Bioraffinerie nach dem Konzept der Schweizer Biotechnologiefirma 2B Biorefineries AG nachzuweisen. Die Ergebnisse der Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Die Implementierung der Grünen Bioraffinerie am Standort Redange hat einen durchweg positiven Charakter. Die bestehende Biogasanlage kann maßgeblich zur Wirtschaftlichkeit des Bioraffinerie-Vorhabens beitragen und selbst durch eine gesteigerte Wertschöpfung und einen höheren Biogasertrag von der Bioraffinerie profitieren. Die Region Redange im Ganzen wird durch die Bioraffinerie gestärkt. Die im Rahmen der Diplomarbeit durchgeführte Potentialerhebung kommt zu dem Ergebnis, dass die benötigte Grasmenge von 7.500 t Trockensubstanz pro Jahr in einem Radius von 45 km um die Bioraffinerie zur Verfügung gestellt werden kann. Auch die Grasqualität im Einzugsgebiet der Bioraffinerie genügt den spezifischen Anforderungen.

Die Marktaussichten der in der Bioraffinerie erzeugten Produkte können für den Standort Luxemburg als gut bewertet werden. Das gesamte Faserkontingent wird zu einem Preis von 0,80 € / kg Faser durch die Firma 2B AG abgenommen und die Futtermittelproteine können, sofern bestimmte Qualitätsstandards eingehalten werden, für 0,25 € / kg Proteinkonzentrat an den Verband (De-Verband) abgegeben werden.

Um die Technologie des 2B-Verfahrens bewerten zu können, wurde sie im Rahmen der Diplomarbeit mit anderen Bioraffinerie-Vorhaben verglichen. Aus technischer Sicht sind keine Probleme zu erwarten. Des weiteren konnte mit der Pflanzenkläranlage eine ökonomische und ökologisch sinnvolle Variante zur Abwasser-behandlung gefunden werden.

Die ökonomische Tragfähigkeit des Gesamtvorhabens konnte mit Hilfe der durchgeführten Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nachgewiesen werden. Unter Berücksichtigung der definierten Rahmenbedingungen lassen sich mit der geplanten Bioraffinerie Erlöse in Höhe von 147.099,61 € pro Jahr erwirtschaften.

¹ Beiträge zur ökologischen Technologie; Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

Danksagung 2

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich all jenen danken, die durch ihre fachliche und persönliche Unterstützung zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Meinem Betreuer Herrn Prof. Dipl.-Ing. Frank Baur danke ich für das Bereitstellen des interessanten Diplomthemas und für die Möglichkeit innerhalb des EU-Projektes mitzuarbeiten.

Besonders zu Dank verpflichtet bin ich Frau Dipl.-Ing. Claudia Ziegler, die durch ihren fachlichen Beistand sowie durch das unermüdliche Korrekturlesen einen maßgeblichen Beitrag zum Erfolg dieser Arbeit geleistet hat. Bei den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts für Zukunftsenergiesysteme bedanke ich mich für das angenehme Betriebsklima und die optimalen Arbeitsbedingungen, wie man sie sich für seine Diplomarbeit nicht besser wünschen könnte. Der Firma LEE sàrl danke ich für die Kooperation und die Hilfestellung im Bereich der Biogastechnologie sowie bei der Erhebung der Graspotentiale. Speziell Herrn Jean Schummer und Herrn Dipl.-Betriebswirt Thorsten Kläs sei diesbezüglich rechtherzlich gedankt.

Dem Institut für angewandtes Stoffstrommanagement als Projektkoordinator danke ich für die gute Zusammenarbeit und das zur Verfügung stellen diverser Informationsquellen. Besonders hervorheben möchte ich hier Herrn Dipl.-Ing. Christoph Caspary, der als kompetenter Ansprechpartner stets bereit stand. Herrn Prof. Dr. Peter Heck, Herrn Prof. Dr. Alfons Matheis und Frau Dipl.-Betriebswirtin Dunja Hoffmann gebührt mein Dank für die gute Betreuung während der „Reisenden Hochschule Birkenfeld“ in Polen. Diese Veranstaltung trug dazu bei meinen Horizont zu erweitern und stellte einen guten Einstieg für die Diplomarbeit dar.

Inhaltsverzeichnis 3

Inhaltsverzeichnis   

Zusammenfassung.   1

Danksagung.   2

Inhaltsverzeichnis........................................................................................................   3

Abbildungsverzeichnis   6

Tabellenverzeichnis   7

1  Einleitung.  8

1.1  Aufgabenstellung  12

1.2  Methodik.  12

2  Nachwachsende Rohstoffe.  14

2.1  Nachwachsende Rohstoffe allgemein  14

2.2  Der nachwachsende Rohstoff Gras  16

2.2.1  Charakterisierung geeigneter Grasarten  17

2.2.2  Grasqualität  19

3  Bioraffineriekonzepte  22

3.1  Lignocellulose Feedstock Biorefinery.  22

3.2  Cereal Biorefinery  23

3.3  Grüne Bioraffinerie  23

3.3.1  Geschichtliche Hintergründe der Grünen Bioraffinerie  24

3.3.2  Produkte einer Grünen Bioraffinerie  25

3.3.3  Stand der Technik  25

3.3.4  Mögliche Technologien einer Grünen Bioraffinerie.  29

3.3.4.1  Vorbehandlung des Rohstoffs.  29

3.3.4.2  Presstechnik  30

3.3.4.3  Proteingewinnung  31

3.3.4.4  Biogasanlage  32

3.3.4.5  Abwasserbehandlung  34

3.3.5  Basistechnologien für das Errichten einer Grünen Bioraffinerie  36

4  Machbarkeitsstudie  37

Inhaltsverzeichnis 4

4.1  Standort.  37

4.1.1  Entwicklung der Landwirtschaft in Luxemburg.  37

4.1.2  Aktuelle Grasnutzung in Luxemburg.  38

4.1.3  Bioraffinerie-Standort Redange  38

4.1.4  Biogasanlage „Un der Attert“  38

4.1.5  Synergieeffekte.  40

4.2  Rohstoff Gras  41

4.2.1  Dimensionierung der Bioraffinerie  41

4.2.2  Potentialerhebung  43

4.2.2.1  Einzugsgebiet der Bioraffinerie:  43

4.2.2.2  Theoretisches Potential:  45

4.2.2.3  Technisches Potential:  46

4.2.2.4  Wirtschaftliches Potential.  47

4.2.2.5  Auswertung der Potentialerhebung.  48

4.2.3  Betrachtung der Grasqualität.  49

4.3  Produkte / Reststoffe.  51

4.3.1  Fasern  53

4.3.2  Futtermittelproteine.  55

4.3.3  Biogas Wärme und Strom  58

4.3.4  Prozesswasser  59

4.4  Technische Machbarkeit  59

4.4.1  Modul 1: Aufbereitung  60

4.4.2  Modul 2: Macerator.  61

4.4.3  Modul 3: Fasergewinnung  63

4.4.4  Modul 4: Proteingewinnung  64

4.4.5  Modul 5: Biogasanlage  64

4.4.6  Modul 6: Abwasserreinigung  65

4.5  Wirtschaftlichkeit  66

4.5.1  Annuitätsmethode.  66

4.5.2  Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Bioraffinerie-Vorhabens.  69

4.5.2.1  Investitionsbetrag A 0  69

4.5.2.2  Betriebsgebundene Auszahlungen A B  72

Inhaltsverzeichnis 5

4.5.2.3  Einzahlungen (Erlöse) E  75

4.5.2.4  Berechnung der Annuitäten  76

5  Übertragbarkeit.  82

5.1  Rohstoff.  82

5.2  Abwasserbehandlung.  83

5.3  Förderung.  84

5.4  Produkte einer Grünen Bioraffinerie.  84

5.5  Bereits realisierte Anlagenkomponenten.  85

6  Fazit / Ausblick  86

Literaturverzeichnis   88

Abbildungsverzeichnis   

Abbildungsverzeichnis   

Abb.  1: Welt-Energieverbrauch 2001.  

Abb.  2: Stoffliche Nutzung NaWaRo's  

Abb.  3: Verfahrensschema einer Lignocellulose Feedstock Biorefinery  

Abb.  4: Verfahrensschema Cereal Biorefinery.  

Abb.  5: Grüne Bioraffinerie Brandenburg.  

Abb.  6: 2B-Verfahren zur Grasverwertung.  

Abb.  7: Lage Biogasanlage.  

Abb.  8: Biogasanlage Redange  

Abb.  9: Hierarchie der Potentiale.  

Abb.  10: Verfahrensfließbild Grasraffinerie.  

Abb.  11: Aminosäuren-Zusammensetzung 2B-Gratein  

Abb.  12: Verfahrensablauf 2B Bioraffinerie.  

Abb.  13: Ablaufplan zur preisdynamischen Annuitätsmethode.  

Abb.  14: Wirtschaftlichkeit der Bioraffinerie in Abhängigkeit der Anlagengröße  

Abb.  15: Wirtschaftlichkeit der Bioraffinerie in Abhängigkeit des Graspreises.  

Abb  16: Wirtschaftlichkeit der Bioraffinerie in Abhängigkeit der Förderung  

Tabellenverzeichnis 7

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Standortanforderungen verschiedener Grasarten ...................................... 19 Tab. 2: Rohfaser- und Rohproteingehalt von Futtergräsern verschiedener

Entwicklungsstadien................................................................................... 21 Tab. 3: Systemvergleich - geeignete Technologie für die Grüne Bioraffinerie........ 33 Tab. 4: Ökonomische Betrachtung der Fermentersysteme für eine Grüne

Bioraffinerie ................................................................................................ 33 Tab. 5: Gras für die Bioraffinerie von den Mitgliedsbetrieben der Kooperativen..... 42 Tab. 6: Gras für die Bioraffinerie von externen Betrieben in Luxemburg................ 42 Tab. 7: Zusammensetzung von Frischgras in Luxemburg (Langjähriger Mittelwert)

................................................................................................................... 50 Tab. 8: Zusammensetzung von Grassilage in Luxemburg (Langjähriger Mittelwert)

................................................................................................................... 50 Tab. 9: Gehaltswerte von 2B Gratein im Vergleich zu anderen Proteinträgern ...... 56 Tab. 10: Rohproteingehalt und Anteile ausgewählter Aminosäuren verschiedener

Futtermittel ................................................................................................. 57 Tab. 11: Technische Daten BHKW........................................................................... 58 Tab. 12: Anforderungen an die Gasbeschaffenheit .................................................. 59 Tab. 13: Technische Daten des Biogas BHKW-Modul Typ FSB-360-KSM .............. 65 Tab. 14: Einwohnerspezifische Frachten im Schmutzwasser................................... 65 Tab. 15: Investitionsbetrag Bioraffinerie ................................................................... 70 Tab. 16: Investitionsbetrag Biogasanlage................................................................. 71 Tab. 17: Investitionsbetrag Pflanzenkläranlage........................................................ 72 Tab. 18: Betriebskosten des Bioraffinerievorhabens gesamt ................................... 73 Tab. 19: Erlöse des Bioraffinerievorhabens.............................................................. 76

Einleitung 8

1 Einleitung

Die Wirtschaft der Industriestaaten ist extrem stark von fossilen Rohstoffen abhängig, zu denen neben Erdöl als wichtigste Komponente auch Erdgas und Kohle gehören. Das Haupteinsatzgebiet fossiler Rohstoffe liegt im Bereich der Energieversorgung. Der kommerzielle Primärenergiebedarf belief sich im Jahr 2001 weltweit auf 12,6 Mrd. Steinkohleeinheiten bzw. auf 8,4 Mrd. Tonnen Öläquivalent. 87% dieses Energiebedarfs werden momentan mittels fossiler Rohstoffe gedeckt, während die vor einigen Jahren noch als „Zukunftsenergiequelle“ propagierte Kernenergie bei 8% stagniert. Alternative Energiequellen wie Solar-, Wind-, Wasserenergie sowie Energie aus nachwachsenden Rohstoffen schlagen erst mit 5% zu buche (vgl. Abb. 1). 1

Abb. 1: Welt-Energieverbrauch 2001

Quelle: Mader + Steinreiber

Neben der Energieversorgung bilden fossile Rohstoffe einen wichtigen Grundstoff für die chemische Industrie. So finden jährlich ca. 7% der weltweit geförderten fossilen Rohstoffe in der Petrochemie Verwendung. Die hieraus gewonnene Produktpalette reicht von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln bis hin zu Kunststoffen, Farbstoffen und Arzneimitteln. 2

Die ausgeprägte Nutzung fossiler Rohstoffe bereitet jedoch beträchtliche Probleme. Die Tatsache, dass fossile Rohstoffe keine erneuerbaren Energieträger darstellen, sondern nur in endlicher Form zur Verfügung stehen wird in den nächsten Jahrzehnten zu einem Versorgungsnotstand führen. Bei einem gleichbleibenden weltweiten Primärenergiebedarf werden die Reserven an Erdöl in ca. 44 Jahren, die Reserven an Erdgas in 84 Jahren und die Kohlereserven in 185 Jahren erschöpft

¹ BP; OPEC; Mader + Steinreiber

² Dr. H. Röper

Einleitung 9

sein. Nach einer Studie des World Energy Councils wird der Energieverbrauch jedoch nicht gleich bleiben, sondern deutlich ansteigen, was dazu führt, dass in den nächsten 50 Jahren die Förderung von Erdöl um fast ein Drittel, von Kohle auf fast das Doppelte und von Erdgas auf rund das Dreifache gesteigert werden muss. ¹ Zusätzlich sollte bedacht werden, dass auch wenn unsere Reserven noch für rund ein Jahrhundert zur Verfügung stehen das Fördern fossiler Rohstoffe immer unwirtschaftlicher wird, was mit einem deutlichen Preisanstieg verbunden sein dürfte. Ein weiterer wichtiger Nachteil bei der Nutzung fossiler Rohstoffe ist der Treibhauseffekt. Fossile Rohstoffe sind Kohlenwasserstoffverbindungen bei deren Verbrennung unter anderem Kohlendioxid (CO 2 ) freigesetzt wird. Neben Methan (CH 4 ), Lachgas (N 2 O) und Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) ist Kohlendioxid eines der wichtigsten Treibhausgase. Als Folge der anthropogenen Emissionen ist die CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre zwischen den Jahren 1750 und 2000 um 30% von 280 ppm auf 368 ppm angestiegen. Dies hat zur Folge, dass sich das Weltklima seit dem vorindustriellen Zeitraum auf regionaler als auch auf globaler Ebene nachweislich verändert hat. Bis Ende des 21. Jahrhunderts wird mit einem mittleren globalen Temperaturanstieg von 1,4 bis 5,8 °C gerechnet. Das Ausmaß künftiger Klimaänderungen hängt im wesentlichen von den Treibhausgas-Emissionen ab. Durch eine umgehende Verringerung dieser Emissionen können Geschwindigkeit und Intensität der Veränderungen entscheidend beeinflusst werden. Um die Treibhausgas-Emissionen auf globaler Ebene zu reduzieren, wurde 1992 anlässlich des „Erdgipfels“ in Rio de Janeiro das Rahmenübereinkommen der Vereinten Nationen über Klimaänderungen verabschiedet. Ziel des Übereinkommens ist die Stabilisierung der Treibhausgas-Konzentration in der Atmosphäre auf einem Niveau auf dem jede gefährliche Störung des Klimas verhindert wird. Da die Klimakonvention keine quantifizierten Emissionsreduktionsziele oder sonstige rechtlich verbindliche Verpflichtungen beinhaltet, wurde 1997 ein Zusatzprotokoll erarbeitet, das sogenannte Kyoto-Protokoll. Hier werden für die sechs wichtigsten Treibhausgase quantifizierte Reduktionsziele genannt (vgl. Anhang 1). Die Europäische Union muss nach dem Kyoto-Protokoll ihren Ausstoß der sechs geregelten Treibhausgase um 8% reduzieren. ² Um die Anforderungen des Kyoto-Protokolls erfüllen zu können, strebt die Europäische Union innerhalb der ersten Dekade des neuen Jahrhunderts beim Primärenergieverbrauch annähernd eine Verdopplung des Anteils erneuerbarer Energiequellen an. Bis 2010 sollen 12% des Energieverbrauchs aus erneuerbaren Quellen gedeckt werden, für den Elektrizitätsverbrauch sind sogar 23,5% vorgesehen.

Die Ziele, die die Europäische Union mit dem Ausbau erneuerbarer Energiequellen verfolgt, sind jedoch komplexerer Natur. Abgesehen vom Klimaschutz spielen der Umweltschutz, die Schaffung von Arbeitsplätzen, die regionale und lokale Wert-

¹ Bundesanstaltfür Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover

² Kyoto

Einleitung 10

schöpfung, die Förderung der mittelständigen Wirtschaft, die Nutzung von Exportchancen, die Versorgungssicherheit, die Friedenssicherung und der Beitrag zu einer sozialverträglichen Energieversorgung eine zentrale Rolle. ¹ Die stoffliche und energetische Nutzung nachwachsender Rohstoffe kann in diesem Zusammenhang einen sinnvollen Lösungsansatz darstellen. In ökologischer Hinsicht zeichnen sich nachwachsende Rohstoffe besonders durch ihre CO 2 -Neutralität aus, d.h. bei ihrer Verbrennung oder Entsorgung wird nur so viel Kohlendioxid freigesetzt, wie die Pflanze auch während ihres Lebenszyklus aufgenommen hat. Darüber hinaus können nachwachsende Rohstoffe auch als Ausgangsmaterial für eine Vielzahl an Produkten dienen, die bislang nur auf fossiler Rohstoffbasis erzeugt werden konnten. In den USA wird es bereits für möglich erachtet, im Jahr 2020 bis zu 25% aller auf organischem Kohlenstoff basierenden Grundchemikalien und 10% der flüssigen Brenn- und Kraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen zu produzieren. ² Nachwachsende Rohstoffe lassen sich somit nicht nur als regenerative Energiequelle nutzen, sondern können auch auf stofflicher Ebene einen Beitrag zur Substitution fossiler Rohstoffe leisten. Mit Hinblick auf eine nachhaltig gesicherte Erwerbstätigkeit lassen sich für eine intensivierte Nutzung nachwachsender Rohstoffe auch sozioökonomische Aspekte anführen.

Seit einigen Jahren kann im Bereich der Landwirtschaft eine negative Tendenz beobachtet werden. 1980 waren in der europäischen Landwirtschaft 12,73 Mio. Menschen beschäftigt, bis zum Jahr 2001 nahm diese Zahl um fast die Hälfte auf 6,70 Mio. Beschäftigte ab. ³ Der Anbau nachwachsender Rohstoffe kann der Landwirtschaft eine neue Perspektive zum immer kleiner werdenden Nahrungsmittel-sektor bieten.

Auch im Bereich der verarbeitenden Industrie können mit einem verstärkten Einsatz nachwachsender Rohstoffe neue Arbeitsplätze geschaffen oder zumindest bestehende Arbeitsplätze gesichert werden. Grundsätzlich ist auch denkbar, dass mit der Nutzung nachwachsender Rohstoffe ein völlig neuer Industriezweig etabliert werden kann.

Einen relativ neuen Ansatz zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe stellen Bioraffinerie-Systeme dar. Bioraffinerien sind komplexe Technologiesysteme zur umfassenden stofflichen und energetischen Verwertung nachwachsender Rohstoffe. Im Konzept einer Bioraffinerie besitzt die Nachhaltigkeit oberste Priorität. Diese umfasst die Bereitstellung der Rohstoffe aus einer nachhaltigen, d.h. umwelt- und sozialverträglichen Landnutzung, die Entwicklung einer werkstofforientierten Landwirtschaft, die schrittweise Ablösung der Stoff- und Energiewirtschaft fossiler

¹ KfW-Research

² National Academies

³ EUROSTAT

Einleitung 11

Rohstoffe durch Technologietransfer und die Gründung regional nachhaltiger Wirtschaftsprozesse durch Anwendung eines modernen Stoffstrommanagements. ¹ Nach dem verwendeten Rohstoff lassen sich grundsätzlich drei Bioraffinerie-Typen unterscheiden: In einer LCF-Bioraffinerie (Lignocellulose Feedstock Biorefinery) wird „naturtrockene“ Biomasse wie Holz und Stroh verarbeitet. In einer Getreide-Bioraffinerie (Cereal Biorefinery) dienen Getreide-Ganzpflanzen und stärkehaltige Pflanzen wie Mais und Weizen (Triticeen) als Inputmaterial. In einer Grünen Bioraffinerie (Green Biorefinery) werden „naturfeuchte“ Biomassen wie Gras und Luzerne verwendet. 2

Auf Grund der extensiven Ausrichtung der aktuellen Agrarpolitik und der damit verbundenen Zunahme an Dauergrünland, erscheint der nachwachsende Rohstoff Gras als Inputmaterial für eine Bioraffinerie besonders interessant. Neben der Landwirtschaft kann Gras auch aus der Landschafts- und Gartenpflege bezogen werden. Die Abfallbiomasse, die in diesen Bereichen anfällt, wird momentan häufig auf Deponien verbracht oder als Kompost verwertet. Mit der Verarbeitung der Abfallgräser in einer Grünen Bioraffinerie könnte das stoffliche und energetische Potential der Pflanzen genutzt werden.

Dem Einsatz von Gräsern in Bioraffinerien wurde im Vergleich zu anderen nachwachsenden Rohstoffen bislang nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Neben einigen Forschungsgruppen befasst sich in Europa nur die Firma 2B Biorefineries AG mit der Implementierung Grüner Bioraffinerien.

Die Schweizer Biotechnologiefirma 2B Biorefineries AG, die 1996 von den drei Partnern Stefan Grass, Graeme Hansen und Peter Müller gegründet wurde, hat 1996/97 im Labor der Eidgenössischen Hochschule Zürich (ETH) einen ersten Prototyp einer Grünen Bioraffinerie entwickelt. 1998 wurde in Märwil (Thurgau, Schweiz) eine Pilot- und Demonstrationsanlage errichtet. Der Scale-up und die Verifikation der Technik konnten hierbei erfolgreich demonstriert werden. Die erste industrielle Anlage, die Bioenergie Schaffhausen AG, hat den Betrieb im Oktober 2001 aufgenommen. 3

Mit dem Verfahren der Firma 2B Biorefineries AG lassen sich ohne chemische Zusätze aus Gras technische Fasern, Futtermittelproteine und Biogas gewinnen. Das Biogas kann unter Verwendung eines Blockheizkraftwerkes (BHKW) zu Strom und Wärme umgesetzt werden.

Um die innovative Technologie der Firma 2B Biorefineries AG zu verbreiten, fördert die Europäische Union mit dem Projekt PROGRASS ein internationales Forschungs-vorhaben. Im Rahmen des EU-Projektes wird die Machbarkeit von fünf potentiellen Bioraffineriestandorten geprüft. Die untersuchten Standorte sind Redange

¹ Beiträge zur ökologischen Technologie

² Biobasierte industrielle Produkte

³ 2B AG

Einleitung 12

(Luxemburg), Hunsrück und Illtal (Deutschland), Tulln (Österreich) und Rzepin (Polen).

Das Thema dieser Diplomarbeit bildet die Machbarkeitsstudie für den Standort Redange.

1.1 Aufgabenstellung

Ziel der Diplomarbeit ist die Darstellung, der ökologischen, technischen und ökonomischen Aspekte, die für die Realisierung einer Grünen Bioraffinerie am Standort Redange von Bedeutung sind.

In diesem Zusammenhang ist der gewählte Standort mit Hinblick auf die Belange einer Grünen Bioraffinerie auf seine Eignung zu untersuchen. Dies beinhaltet: das Ausarbeiten möglicher Synergieeffekte, ^- dasÜberprüfen der Versorgungssicherheit und ^- dieBeurteilung der zu erwartenden Grasqualität. ^- DesWeiteren ist die Technologie des 2B-Verfahrens hinsichtlich der technischen Machbarkeit zu überprüfen. In diesem Zusammenhang sollen: alternative Verfahrenskonzepte untersucht und ^- diefür den Standort günstigste Variante gewählt werden. ^- Anschließendgilt es die Wirtschaftlichkeit des Gesamtvorhabens nachzuweisen. Dies umfasst:

das Analysieren der Marktaussichten für die einzelnen Bioraffinerieprodukte und ^- dieDurchführung einer Wirtschaftlichkeitsberechnung. ^- Aufder Grundlage, dass der Technologietransfer ein zentrales Ergebnis des EU-Projekts darstellt, sind im Rahmen der Diplomarbeit zusätzlich Sensibilitäten auszuarbeiten, durch die eine Übertragung der Ergebnisse auf andere Standorte ermöglicht wird.

1.2 Methodik

Um zu überprüfen, ob der Bioraffinerie genügend Rohstoffe zur Verfügung gestellt werden können, wird eine Potentialerhebung durchgeführt. Die hierbei angesetzten Flächenanteile sowie der Tierbestand beruhen auf der landwirtschaftlichen Zählung vom 15.Mai.2003. Der Grundfutterbedarf der einzelnen Tiergruppen wird an Hand einer Literatur- und Internetrecherche ermittelt.

Einleitung 13

Für die Beurteilung der Grasqualität werden Grundfutteranalysen der Administration des services techniques de l’Agriculture mit den Anforderungen einer Grünen Bioraffinerie verglichen.

Die Marktanalysen der Bioraffinerieprodukte basieren auf einer Literatur- und Internetrecherche sowie auf der Befragung von Akteuren und Institutionen, die in den jeweiligen Bereichen tätig sind.

Hinsichtlich der technischen Machbarkeit wird das 2B-Verfahren mit alternativen Verfahrenskonzepten und Bioraffinerietechnologien verglichen. Dem Verfahren der Firma 2B Biorefineries AG liegen diesbezüglich die entsprechenden Patentanträge zu Grunde, alternative Verfahrenskonzepte werden mittels einer Literatur- und Internetrecherche ermittelt.

Die im Rahmen der Diplomarbeit durchgeführte Wirtschaftlichkeitsberechnung basiert auf der VDI-Richtlinie 2067 Blatt 1: „Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungs- anlagen“.

Nachwachsende Rohstoffe 14

2 Nachwachsende Rohstoffe

2.1 Nachwachsende Rohstoffe allgemein

Jährlich werden mittels Photosynthese weltweit ca. 170 Mrd. Tonnen Biomasse produziert (75% Kohlenhydrate, 20% Lignin, 5% andere Naturstoffe wie Öle, Fette, Proteine, …). Hiervon werden etwa 6 Mrd. Tonnen bzw. 3,5% durch uns Menschen genutzt. Die genutzte Biomasse besteht zu 62% aus Nahrungs- und Futtermitteln und zu 33% aus Holz, das als Energiequelle oder als Baumaterial verwendet wird. Der Anteil nachwachsender Rohstoffe liegt, abgesehen von dem Holz, bei 5%. Dies entspricht ca. 300 Mio. Tonnen Biomasse. 1

Unter nachwachsenden Rohstoffen versteht man Stoffe, die aus lebender Materie stammen und vom Menschen zielgerichtet für Zwecke außerhalb des Nahrungs- und Futtermittelbereiches verwendet werden. ² In der Regel werden nachwachsende Rohstoffe auf landwirtschaftlichen oder forstwirtschaftlichen Flächen erzeugt und nach einer Aufbereitung einer stofflichen und/oder energetischen Nutzung zugeführt. Im weitesten Sinne lassen sich auch tierische Produkte wie Wolle und Leder der Gruppe der nachwachsenden Rohstoffe zuzählen. 3

Für eine verstärkte Nutzung nachwachsender Rohstoffe spricht eine Vielzahl an Argumenten.

Nachwachsende Rohstoffe können fossile Rohstoffe in energetischer als auch in stofflicher Hinsicht substituieren. Infolgedessen leisten sie einen Beitrag zum Klima-und Umweltschutz sowie zur Schonung der Ressourcen (vgl. Einleitung). Das wohl bekannteste Beispiel für die energetische Nutzung nachwachsender Rohstoffe ist die Verwendung von Holz in Feuerungsanlagen (vgl. Holzhackschnitzelheizkraftwerk), aber auch die Verwendung von Energiepflanzen wie z.B. Mais oder auch Gras in Biogasanlagen stellt eine energetische Verwertung dar. Auf stofflicher Ebene bilden nachwachsende Rohstoffe bereits heute den Grundstoff für eine umfangreiche Produktpalette (vgl. Abb. 2).

Neben den ökologischen Vorteilen lassen sich durch den Anbau und die Nutzung nachwachsender Rohstoffe auch im Bereich der Landwirtschaft Erfolge erzielen. Betrachtet man die aktuelle Situation der europäischen Landwirtschaft, so wird deutlich, dass hier durchaus Bedarf für neue Perspektiven besteht. Die Beschäftigungszahlen sind stark rückläufig. 1980 waren in der europäischen Landwirtschaft 12,73 Mio. Menschen beschäftigt, bis zum Jahr 2001 sank diese Zahl um fast die Hälfte auf 6,70 Mio. Beschäftigte. 4

¹ Dr. H. Röper

² Nachwachsende Rohstoffe

³ Umweltfibel

⁴ EUROSTAT

Nachwachsende Rohstoffe 15

Abb. 2: Stoffliche Nutzung NaWaRo's

Quelle: eigene Bearbeitung

Durch die extensive Ausrichtung der aktuellen Agrarpolitik gehen die landwirtschaftlichen Nutzflächen zurück, während der Anteil an Stilllegungsflächen stetig ansteigt. Die im Jahr 1997 durchgeführte Betriebsstrukturerhebung verzeichnete in der europäischen Landwirtschaft 45 Mio. ha Dauergrünland und 23 Mio. ha Forstflächen. 1

Die Kontingentierung der Milchproduktion und die Züchtung von Hochleistungstieren führt zu einem konstanten Rückgang des Rinderbestandes. Der Rinderbestand sank in der Europäischen Union von 85,3 Mio. Tieren im Jahre 1998 auf 80,1 Mio. Stück Vieh im Jahr 2002. ² Auf Grund dieser Tatsache und weil bei der Tierfütterung zunehmend Proteinkonzentrate in den Vordergrund treten, nehmen Extensivflächen, die bisher der Futtermittelproduktion dienten, immer mehr an Bedeutung ab. Der Anbau nachwachsender Rohstoffe bietet der Landwirtschaft folgende Möglichkeiten:

¹ Institut für Geographie

² EUROSTAT

Nachwachsende Rohstoffe 16

Durch die Nutzung von Stilllegungsflächen und von Grünland, das wegen des ^- geringenTierbesatzes nicht mehr zur Futtermittelproduktion verwendet wird, tragen nachwachsende Rohstoffe zu einer nachhaltigen Erwerbstätigkeit und Einkommenssicherung bei.

Mit den erzielten Zusatzeinkommen erlangt die Landwirtschaft eine relative ^- Unabhängigkeitgegenüber EU-Agrarmarkt-Ausgleichszahlungen. Der Anbau nachwachsender Rohstoffe führt zu einer vermehrten Fruchtfolge- ^- auflockerungund somit zu einer Erhöhung der ackerbaulichen und ökologischen Vielfalt.

Bei gleichzeitiger Wertschöpfung wird durch den Anbau nachwachsender Roh- ^- stoffeder natürlichen Sukzession vorgebeugt. Nicht mehr genutzte Flächen können aus Gründen der Landschaftspflege, des Biotopschutzes oder als Reserveflächen für die Nahrungsmittelproduktion offengehalten werden. Die Nutzung nachwachsender Rohstoffe lässt sich teilweise in landwirtschaftliche ^- Systemeintegrieren. Hierdurch können Kombinationsmöglichkeiten, wie sie beispielsweise bei der Nutzung von Energiepflanzen und Gülle in einer Biogasanlage entstehen, ausgeschöpft und durch eine größere Verarbeitungstiefe Zusatzeinkommen erzielt werden. 1

Momentan werden in der Europäischen Union zusätzlich zu der Forstwirtschaft auf über 1,4 Mio. ha nachwachsende Rohstoffe angebaut. Hiervon sind 800.000 ha Raps, 500.000 ha schnellwachsende Baumarten, 100.000 ha Flachs, 14.200 ha Hanf, 9.400 ha Zuckerrüben und 6.250 ha Rohrglanzgras. ² Im Vergleich zu den 45 Mio. ha an extensivem Grünland ³ liegt die Nutzung nachwachsender Rohstoffe erst im Bereich von ca. 3%.

2.2 Der nachwachsende Rohstoff Gras

Mit dem verhältnismäßig neuen Technologieansatz einer Grünen Bioraffinerie kann die auf den extensiv bewirtschafteten Grünlandflächen produzierte Wiesengrünmasse stofflich und energetisch genutzt werden.

Während der Sommermonate bildet Wiesengrünmasse das Hauptinputmaterial einer Grünen Bioraffinerie. Hierunter versteht man Kleegräser, Rotklee, Sommerklee, Zuckerhirse, Luzerne und Dauerwiese (vgl. Anhang 2). Aber auch Raygras ist als Rohstofflieferant von Proteinen, freien Zuckern und Fasern äußerst vielversprechend. ⁴ Im Winterbetrieb wird die Bioraffinerie mit Silage betrieben. Die Silierung dient zur Konservierung des Rohstoffs und ermöglicht somit den

¹ Beiträge zur ökologischen Technologie

² Eidgenössische Forschungsanstalt für Agrarökonomie und Landbau

³ Institut für Geographie

⁴ Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

Nachwachsende Rohstoffe 17

ganzjährigen Betrieb der Anlage (vgl. Anhang 2). Zusätzlich entsteht bei der Silierung ein wertvolles Fermentationsprodukt, die Milchsäure.

2.2.1 Charakterisierung geeigneter Grasarten

Weidelgras (Lolium spec.): ^- DasWelsche Weidelgras (L. multiflorum) ist eine der leistungsfähigsten Grasarten, die insbesondere bei den ersten Schnitten hohe Erträge liefert. Es stellt jedoch im Vergleich zu anderen Arten hohe Ansprüche an die Nährstoffversorgung. Im Reinanbau sind insbesondere hohe Stickstoff-Gaben erforderlich. Für staunasse Böden und Dauergrünlandaussaaten ist Weidelgras nicht geeignet. Es ist zudem frostempfindlich.

Das Deutsche Weidelgras (L. perenne) kann auf mittleren bis besseren Böden angebaut werden, nicht aber auf Moorböden. Weidelgras zeigt eine rasche Anfangsentwicklung, dichte Narbenbildung und gutes Nachwuchsvermögen. Vom Deutschen Weidelgras werden die meisten Sorten gehandelt. Unterschieden werden früh-, mittel- und spätreifende Sorten. Die früh- und mittelreifenden Sorten sind für den kurzzeitigen Anbau, spätreifende aufgrund der besseren Ausdauereigenschaften für den dauerhaften Anbau geeignet. Knaulgras (Dactylis glomerata): ^- Knaulgraswächst bevorzugt auf nährstoffreichen Mineral- und Moorböden mäßig feuchter Lagen. Gegenüber Trockenheit und Kälte ist es unempfindlich. Knaulgras ist schnellwüchsig, vielschnitt-verträglich und liefert hohe Erträge. Der Schnitt bei Rispenbildung begünstigt den raschen Nachwuchs. Die Rohfaserbildung (Verholzung) erfolgt bei frühreifenden Sorten besonders schnell. Glatthafer (Arrhenatherum elatius): ^- Einnährstoffreicher Standort in wärmeren Lagen mit tiefgründigen, lehmig-humosen bis kalkhaltigen Böden begünstigt das Wachstum von Glatthafer. Glatthafer wächst aber auch auf mageren und trockenen Böden. Glatthafer eignet sich besonders für die extensive Nutzung, da er sehr empfindlich gegenüber häufiger Nutzung ist und nach dem Schnitt einen nur verhaltenen Wiederaustrieb aufweist. Drei Schnitte verträgt der Glatthafer nur in den besten Lagen unter der Voraussetzung einer reichhaltigen Nährstoffversorgung. Rotschwingel (Festuca rubra): ^- Vonden drei Sortengruppen des Rotschwingels wird nur der Ausläufer-Rotschwingel für landwirtschaftliche Zwecke genutzt. Diese Grasart zeichnet sich besonders durch ausgesprochen geringe Feuchtigkeits- und Bodenansprüche aus. Besonders gut geeignet erscheinen jedoch locker-humose Böden, die nicht sehr trocken sind noch über Staunässe verfügen. Rotschwingel ist relativ winterhart. Er hat eine langsame

Nachwachsende Rohstoffe 18

Anfangsentwicklung und der Nachwuchs bei Mahd ist mäßig. Er ist daher nur bedingt für Wiesen geeignet, aber unvermeidbar an ungünstigen Standorten. Wiesenlieschgras (Phleum pratense): ^- Wiesenlieschgrasist eine ertragreiche und ausdauernde Art für nicht zu trockene Lagen. Gegenüber Kälte und Nässe besteht keine besondere Empfindlichkeit. Die Jugendentwicklung ist verhalten, wie auch der Wuchs nach jedem Schnitt. Rohrglanzgras (Phalaris arundinacea): ^- Rohrglanzgrasist eine ausdauernde Grasart, welche bevorzugt an feuchten Standorten wächst, sie verträgt aber auch Trockenheit. Geeignete Böden sind mäßig sauer bis neutral und kalkhaltig. Sand, Lehm, Marschgley, Niedermoor und gekalktes Hochmoor werden gut besiedelt. Sudangras (Sorghum sudanense): ^- Sudangrasist eine sehr robuste mit der Hirse verwandte Art. Es wächst auch auf schlechten Böden, hat einen geringen Wasserbedarf (ab 400 mm Niederschlag / a), ist widerstandsfähig gegenüber Krankheiten und kommt ohne Pestizide aus. Der Anbau von Sudangras auf Stilllegungsflächen ist zulässig. Bei zweimaliger Ernte können rund 25 t Trockenmasse pro Jahr geerntet werden, bei dreimaliger Ernte sind auch 30 t / a denkbar. Sudangras kann auch sehr gut als Zwischenfrucht, z.B. nach Getreide angebaut werden, wobei der Biomasseertrag dann etwa bei 50 % liegt. ¹ Leguminosen (z.B. Luzerne): ^- Luzerne(Medicago sativa als wichtigste Vertreterin) wachsen bevorzugt auf kalkhaltigen (basischen: pH > 6,5) Böden und mögen keine Staunässe. Sie sollten in warmen Regionen mit weniger als 1000 mm Jahresniederschlag angebaut werden. Luzerne liefern nicht nur sehr hohe Trockenmasseerträge (bis 16 t Trockenmasse pro ha und Jahr), sondern gewährleisten auch die höchsten Eiweißerträge (bis 2.500 kg Rohprotein pro ha und Jahr). Zusätzlich sind Luzerne Tiefwurzler (≥ 4 m) und können dem zur Folge Trockenheit relativ unbeschadet überstehen. Luzerne binden als Leguminose (verfügen über Knöllchenbakterien in den Wurzeln) Luftstickstoff zur Nährstoffversorgung der Pflanze.

Durch ihre Basizität und den geringen Zuckergehalt sind Luzerne zur Silageerzeugung allerdings nur bedingt tauglich, d.h. Luzerne lassen sich für den Winterbetrieb der Bioraffinerie nicht konservieren. Die Frischnutzung zur Proteinerzeugung mit Rohproteingehalten von bis zu 26 % in der Trockenmasse ist jedoch äußerst interessant. 2

¹ Diplomarbeit Guido Döhler

² Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

Nachwachsende Rohstoffe 19

Die Standortanforderungen der verschiedenen Gräser wurden in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Luzerne bleiben hier unberücksichtigt, da sie nicht zur Faserproduktion verwendet werden können.

Für intensiv genutzte Anbauflächen erscheinen das vielschnitt-verträgliche Weidelgras und das ertragreiche nichtheimische Sudangras besonders geeignet. Rotschwingel, Knaulgras und Glatthafer sind hingegen bei extensiver Bewirtschaftung zu bevorzugen. Die Vorteile einheimischer Gräser für den extensiven Anbau liegen in der bestehenden Anpassung an die vorherrschenden klimatischen Bedingungen, der einfachen und kostengünstigen Einsaat, der guten Einbindung in die Fruchtfolge und den hohen Erträgen, die bereits im Ansaatjahr erzielt werden können. Unter ökologischen Gesichtspunkten ist die mehrjährige, extensive Bewirtschaftung anzustreben. Mit Hinblick auf optimale Erträge und die Produktqualität ist jedoch der intensive Grasanbau zu favorisieren. Tab. 1: Standortanforderungen verschiedener Grasarten Quelle: Diplomarbeit Guido Döhler

2.2.2 Grasqualität

Da Futtermittelproteine und technische Fasern als Produkte einer Grünen Bioraffinerie angestrebt werden, ist der Protein- und Fasergehalt des verwendeten Rohstoffes von entscheidender Bedeutung. Diesbezüglich bestehen sortentypische Unterschiede. Des Weiteren ist das Entwicklungsstadium der Pflanze zum Schnitt- zeitpunkt und die vorherige Nährstoff- und Wasserversorgung maßgebend. Um

Nachwachsende Rohstoffe 20

möglichst hohe Erträge gewährleisten zu können, sollten Standort und Grasart optimal aufeinander abgestimmt werden. Trockenmassegehalt: ^- DerTrockenmassegehalt von Grasschnitt bewegt sich je nach physiologischer Reife, botanischer Zusammensetzung und Mähzeitpunkt zwischen 12 und 89%. Bei einer Mahd im Frühjahr liegt der TS-Gehalt niedriger (ca. 12 %) als bei der Herbstmahd (ca. 46 %), da der Fasergehalt der Gräser mit fortschreitendem Alter zunimmt. Mahdgut von Grün- und Erholungsflächen verfügt über einen mittleren TS-Gehalt von 31%.

Seitens der landwirtschaftlichen Heuwerbung wird der Grasschnitt auf dem Feld getrocknet. Um das Gras in einen lagerfähigen Zustand zu überführen und um den Transportaufwand zu minimieren, wird der Wassergehalt auf kleiner 15% reduziert. Für den Einsatz in einer Grasraffinerie darf das Gras nur geringfügig angewelkt werden. Der Bioraffinerieprozess erfordert einen TS-Gehalt kleiner 40%. Auf Grund der Wassermenge, die gemeinsam mit dem Rohstoff bewegt werden muss, ist bei einer Bioraffinerie mit einem höheren Transportaufwand zu rechnen. Fasergehalt: ^- DerFasergehalt in Gräsern nimmt mit dem Entwicklungsstadium der Pflanzen zu. Junge Gräser verfügen über einen Fasergehalt von 20% der Trockensubstanz, bei älteren Beständen liegt der Fasergehalt im Bereich von 35% (vgl. Tab. 2). Für die spätere Verwendung des Produktes technische Faser ist in erster Linie die Qualität der Fasern von Bedeutung. Mit zunehmendem Entwicklungsstadium steigt der Fasergehalt der Pflanze an, jedoch nimmt die Qualität bedingt durch den höheren Ligninanteil stetig ab. Fasern aus frühen Schnitten weisen eine elastische Struktur auf, während Fasern aus späteren Schnitten häufig spröde sind. Proteingehalt: ^- JungeGräser haben einen durchschnittlichen Proteingehalt von 18 bis 20 % der Trockensubstanz (Tab. 2), bei älteren Gräsern sinkt der Proteingehalt nach der Blüte bis auf 10 %.

Auf Grund der besseren Faserqualität und dem höheren Proteinanteil sind junge Gräser für die Verwertung in der Grasraffinerie zu bevorzugen.

Nachwachsende Rohstoffe 21

Tab. 2: Rohfaser- und Rohproteingehalt von Futtergräsern verschiedener

Entwicklungsstadien Quelle: Diplomarbeit Guido Döhler

Wasserlösliche Kohlenhydrate: ^- DaStärke in Gräsern nur einen geringen Anteil von 1 bis 2% ausmacht, ist der Gehalt an wasserlöslichen Kohlehydraten (WKH) für die Fermentation des Pflanzensaftes in einer Biogasanlage von ausschlaggebender Bedeutung. Wasserlösliche Kohlenhydrate bilden unter den Nicht-Struktur-Kohlehydraten den wesentlichen Kohlenstoff-Pool. Im Presssaft (Green Juice) von Welschem Weidelgras wurde bei Untersuchungen ein Gehalt von 450 g WKH / kg TS festgestellt. Der Anteil WKH steigt mit zunehmendem Alter der Pflanze, wobei das jeweilige Ausmaß artabhängig ist. Die Hauptspeicherform von Kohlehydraten in Süßgräsern ist Fruktan. Für die Fermentation sollten somit Bakterienstämme verwendet werden, die Fruktan als Substrat abbauen können. 1

¹ Diplomarbeit Guido Döhler

Bioraffineriekonzepte 22

3 Bioraffineriekonzepte

Eine Bioraffinerie ist ein komplexes und integriertes Technologiesystem, mit dem nachwachsende Rohstoffe und Bioabfälle nahezu vollständig zu neuen Wirkstoffen verarbeitet werden können. Der Begriff Bioraffinerie resultiert aus dem Vergleich mit einer petrochemischen Raffinerie in der ähnlich wie in einer Bioraffinerie ein Rohstoff (Erdöl) das Ausgangsmaterial für eine Vielzahl an Produkten bildet. ¹ Die verschiedenen Bioraffineriesysteme lassen sich nach dem verwendeten Aufschlussverfahren unterscheiden, gebräuchlicher ist jedoch die Unterscheidung nach dem verwendeten Rohstoff. Als Aufschlussverfahren kommen in der Praxis physikalische, chemische, enzymatische und/oder mikrobielle Methoden zum Einsatz. Nach dem verwendeten Rohstoff unterscheidet man Lignocellulose Feedstock Biorefineries, Cereal Biorefineries und Green Biorefineries. 2

3.1 Lignocellulose Feedstock Biorefinery

Den Rohstoff einer Lignocellulose Feedstock Biorefinery (LCF-Bioraffinerie) bildet „naturtrockene“ Biomasse wie beispielsweise Holz oder Stroh. Die aus dem Rohstoff gewonnenen Zwischenerzeugnisse Lignin, Zellulose und Hemizellulose dienen als Grundlage für eine Vielzahl an Produkten (vgl. Abb. 3). Beispiele für LCF-Bioraffinerien befinden sich in Anhang 3.

Abb. 3: Verfahrensschema einer Lignocellulose Feedstock Biorefinery

Quelle: Brandenburgische Umweltberichte

¹ Biobasierte industrielle Produkte; Ringpfeil

² Biobasierte industrielle Produkte

Bioraffineriekonzepte 23

3.2 Cereal Biorefinery

Das Inputmaterial einer Cereal-Biorefinery (Getreide-Bioraffinerie) bilden Getreide-Ganzpflanzen wie z.B. Weizen (Triticeen) und Mais oder stärke- und zuckerhaltige Biomasse wie beispielsweise Zuckerrüben und Sojabohnen. Die erzielte Produktpalette reicht von pflanzlichem Rohöl, Fasern, Ethanol, Futtermitteln bis hin zu pharmazeutischen Produkten und Nahrungsmittelzusätzen (vgl. Abb. 4). ¹ Ein Beispiel für eine Getreide-Bioraffinerie ist in Anhang 3 gegeben.

Abb. 4: Verfahrensschema Cereal Biorefinery

Quelle: Brandenburgische Umweltberichte

3.3 Grüne Bioraffinerie

Grüne Bioraffinerien sind integrierte Systeme zur ganzstofflichen Nutzung „naturfeuchter“ Biomasse wie beispielsweise Wiesengrünmasse oder Silage (vgl. Kap. 2). ² Ziel ist es mittels nachhaltiger Technologien ein „Multi-Product-System“ aufzubauen, dass durch seine betriebswirtschaftliche Tragfähigkeit einen Beitrag zum Erhalt der Kulturlandschaft sowie zur Einkommenssicherung der Landwirte leistet. 3

¹ Biobasierte industrielle Produkte

² Biobasierte industrielle Produkte

³ Grüne Bioraffinerie Oststeiermark, Biobasierte industrielle Produkte

Bioraffineriekonzepte 24

3.3.1 Geschichtliche Hintergründe der Grünen Bioraffinerie

Die Wurzeln der Grünen Bioraffinerie gehen zurück in das 18. Jahrhundert, als zum ersten Mal Proteine aus einer Gras-Klee-Mischung abgetrennt wurden. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts wurde weltweit Forschung auf dem Gebiet des „Leaf Protein Concentrates“ (LPC) betrieben, wobei Gras bzw. Luzerne als Rohstoff eine wesentliche Rolle spielten. Als Hauptprodukt wurde ein weißes Proteinkonzentrat angestrebt, das zum überwiegenden Teil aus Ribulose-1,5-bisphosphat carboxylase/oxygenase (Rubisco) besteht. Ursprünglich war gedacht, mit diesem Proteinkonzentrat den Hunger in der Welt zu bekämpfen. Federführend waren der Brite N. W. Pirie und R. Carlsson aus Schweden. Die Technik konnte sich in diesem Sinne allerdings nicht durchsetzen, da die für den menschlichen Verzehr erforderliche Reinheit nicht erzielt werden konnte. Seit den späten 80er Jahren existieren in Frankreich (France Luzerne) große Anlagen in denen grüne Futtermittelproteine aus Luzernen (engl. Alfalfa; lat. medicago sativa) hergestellt werden. France Luzerne hat inzwischen auch die Forschung an der Humanernährung aus Luzerneproteinen unter dem Stichwort „functional food“ wieder aufgenommen.

Seit der Ölkrise in den 70er Jahren wird in Grünguttrockenwerken häufig eine Presse vorgeschaltet, um den Energiebedarf bei der Trocknung der Biomasse im Trommeltrockner zu reduzieren. Der somit gewonnene Presssaft kann neben der Proteinproduktion auch als C/N-Quelle für die Fermentation verwendet werden. In diesem Zusammenhang prägte R. Carlsson den Begriff „Green Biorefinery“. Er erkannte als erster das Potential grüner Biomasse als nachwachsender Rohstoff. 1990 startete Pauli Kiel durch Anregung R. Carlsson in Dänemark die Initiative „Green Biorefinery“. Die Intention des Projekts war ursprünglich die fermentative Herstellung eines L-Lysin-Konzentrats für die Futtermittelindustrie. Inzwischen wurde das Konzept um eine Option erweitert. In einer kontinuierlichen Fermentationsanlage wird aus den Grassäften zusätzlich Milchsäure bzw. Ethyllactat erzeugt. Seit dem Jahr 1996 bildet an der Universität Potsdam und dem Institut für Agrartechnik in Bornim die Nutzung nachwachsender Rohstoffe zur Synthese diverser Chemikalien einen Forschungsschwerpunkt. 1

Im Oktober 2001 hat in Schaffhausen im großtechnischen Maßstab eine der weltweit ersten Grünen Bioraffinerien ihre Produktion aufgenommen. Verwirklicht wurde die Bioraffinerie von der Bioenergie Schaffhausen AG unter Verwendung der von der Firma 2B Biorefineries AG (Schweiz) entwickelten Technik. 2

¹ Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

² 2B AG

Bioraffineriekonzepte 25

3.3.2 Produkte einer Grünen Bioraffinerie

Wiesengrünmasse bietet nicht ein Spezialprodukt wie z.B. Stärke, die aus Kartoffeln oder Mais gewonnen wird oder Zucker aus Zuckerrüben und Zuckerrohr, sondern zeichnet sich besonders durch ihre Vielseitigkeit aus. Die wichtigsten Bestandteile von Gräsern sind Zucker, Proteine (Aminosäuren), Fasern und feinstoffliche Substanzen wie beispielsweise Carotine oder Xanthophylle. Dementsprechend breitgefächert sind auch die Produkte, die mit einer Grünen Bioraffinerie erzielt werden können. ¹ Die momentan am häufigsten diskutierten Produkte sind Futtermittelproteine, Fasern, Biogas (Biostrom / Biowärme) und Milchsäure, aber auch Farbstoffe, Stärke, Enzyme, Hormone, Mineralien, Ethanol, Lactate, einzelne Aminosäuren, etc. könnten aus Wiesengrünmasse gewonnen werden. ² Welche Produkte in einer Grünen Bioraffinerie letztendlich erzeugt werden, hängt von dem jeweiligen Nutzungskonzept sowie von der Marktlage ab.

3.3.3 Stand der Technik

Im Vergleich zu anderen nachwachsenden Rohstoffen wurde dem Einsatz von Gräsern in einer Bioraffinerie bislang nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Neben der Schweizer Firma 2B Biorefineries AG befassen sich in Europa hauptsächlich Forschungsgruppen mit der Implementierung Grüner Bioraffinerien. Der Stand der Forschung, sowie bestehende Technologiekonzepte, die im weitesten Sinne als Grüne Bioraffinerie bezeichnet werden können, werden im Folgenden näher betrachtet. France Luzerne: ^- DieFirma France Luzerne verarbeitet an mehreren Standorten in Frankreich Luzerne. Im Werk Aulnay aux Planches werden jährlich 150.000 t Grünmasse mit ca. 19% TS verwertet.

Die Luzerne werden einer schonenden Kaltpressung unterzogen. Anschließend wird der Presssaft auf 40°C erwärmt und mittels Dampfeinblasung kurzfristig auf 85°C erhitzt. Der koagulierte Saft wird in einer Dekanterzentrifuge in ein Proteinkonzentrat (PX-Super) und einen entproteinierten Saft getrennt. Das feuchte Proteinkonzentrat wird in einem Wirbelschichttrockner schonend getrocknet und unter inerter Stickstoffatmosphäre gelagert. Der entproteinierte Saft (26% des ursprünglichen Proteins) wird nach einer Trocknung den Produkten beigemengt.

Die Produkte sind Luzernegrünmehl (getrockneter Presskuchen) und PX-Super. Das pigmentreiche, grüne PX-Super ist mit 52% Rohprotein in der Trockenmasse und einem hohen Anteil an Xanthophyll ein hochpreisiges Nebenprodukt.

¹ Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

² Brandenburgische Umweltberichte

Bioraffineriekonzepte 26

Die Besonderheiten des Produktionsprozesses sind die kurze Zeit zwischen Ernte und Verarbeitung, das schonende Pressen und Trocknen und die Tatsache, dass keinerlei chemische Zusätze verwendet werden. Pro-Xan®-Prozess: ^- DerPro-Xan-Prozess zur Gewinnung von Proteinen aus Luzerne baut auf einem von Pirie entwickelten Verfahren auf. Die Technologie wurde im Jahre 1968 vom U.S. Department of Agriculture Western Regional Research Laboratory (USDA) entwickelt und 1978 erstmals in einer Pilotanlage getestet.

Die gehäckselten Luzerne werden bei diesem Verfahren mit Ammoniak versetzt. Der Wassergehalt der Biomasse wird durch Pressen und Mahlen um 50% verringert. Der Presskuchen wird getrocknet, wobei durch das vorangehende Pressen im Vergleich zu herkömmlichen Trocknungsverfahren eine Energieersparnis von 25% erzielt wird. Aus dem grünen Presssaft werden mittels Hitzekoagulation Proteine gewonnen und anschließend ebenfalls getrocknet. Die sogenannten Pro-Xan®-Pellets verfügen über 57% Protein, 9% lipoidale Substanzen und 100 mg / kg Xanthophyll. ¹ Grüne Bioraffinerie Brandenburg: ^- DasLeitthema des im Jahre 1996 in Teltow gegründeten Forschungsinstituts für Bioaktive Polymersysteme (BIOPOS) ist die Beforschung und Entwicklung nachhaltig ökologischer Bioraffinerie-Systeme (vgl. Abb. 5).

Abb. 5: Grüne Bioraffinerie Brandenburg

Quelle: Brandenburgische Umweltberichte

¹ Diplomarbeit Guido Döhler

Bioraffineriekonzepte 27

Um den Prozess der Entwicklungsarbeit zu beschleunigen, wird momentan der Bau eines Grünen Bioraffinerie-Prototyps vorbereitet. Die sogenannte Primärraffinerie wird extern an das bestehende Futtermittelwerk Selbelang (Grünguttrockenwerk) angedockt. Dies bietet die Möglichkeit den Bioraffinerie-Prozess zu erforschen ohne den Produktionsablauf wesentlich zu beeinträchtigen. Als Rohstoffe werden Grüngut und Luzerne eingesetzt. Die angestrebten Produkte sind Futtermittel-Pellets, Chlorophyll, Fasern, Milchsäure, Proteine und Biogas. ¹ Grüne Bioraffinerie Oststeiermark: ^- InÖsterreich beschäftigt sich ein Wissenschaftsteam bestehend aus dem Kornberg Institut, dem Institut für Grundlagen der Verfahrenstechnik (TU Graz), der Bundesanstalt für Alpenländliche Landwirtschaft, dem Interuniversitären Forschungsinstitut für Agrarbiotechnologie (Tulln), dem Institut für Biotechnologie (TU Graz) und dem Institut für Umweltgeologie und Ökosystemerforschung (Joanneum Research) mit der Entwicklung einer Grünen Bioraffinerien. Unterstütz wird diese Forschungsgruppe von dem Institut für organische Chemie und Strukturanalytik, organische Synthesechemie von der Universität Potsdam und dem Institut für Agrartechnik aus Bornim.

Ziel ist es ein Grünes Bioraffinerie-Konzept zu entwickeln, dass die kleinräumige österreichische Landwirtschaft bestmöglich berücksichtigt. Die Produkte, die in der Bioraffinerie erzielt werden sollen, sind in erster Linie Milchsäure, Fasern, Futtermittelproteine und Biogas. Aber auch hochpreisige Nischenprodukte werden berücksichtigt. 2

Nach Aussage von Herrn Christian Krotscheck (Kornberg Institut) ist es in Österreich bereits gelungen bestimmte Process-Units in Pilotanlagen zu überprüfen. ³ 2B Biorefineries AG ^- DieSchweizer Biotechnologie Firma 2B Biorefineries AG ist bisher die einzige Institution, der es gelungen ist eine industrielle Grüne Bioraffinerie im großtechnischen Maßstab zu verwirklichen (vgl. Einleitung). Mit der Technologie der 2B AG lassen sich technische Fasern, Futtermittelproteine und Biogas erzeugen. Um aus der Wiesenfrischmasse die gewünschten Produkte isolieren zu können, sind folgende Prozessschritte notwendig:

Nach der Anlieferung wird der Rohstoff Gras bzw. Silage in einer Aufbereitungsstufe (Zerkleinerung / Reinigung) optimal auf die Anforderungen der nachfolgenden Prozesseinheiten eingestellt. Um eine gute Proteinausbeute gewährleisten zu können, müssen die Zellen aufgeschlossen werden. Die 2B AG verwendet hierfür einen speziellen Macerator, mit dem gleichzeitig auch die gewünschten Fasereigenschaften erzielt werden können. Nach dem Macerator wird die Gras-Wasser-

¹ Selbelang

² Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

³ Email von Herrn Christian Krotscheck vom 22.08.2003

Bioraffineriekonzepte 28

Suspension einer Schneckenpresse zugeführt und in eine feststoffreiche (Presskuchen) und feststoffarme Phase (Presssaft) getrennt. Der Presskuchen beinhaltet das Endprodukt Faser. Damit die Proteine abgetrennt werden können, wird die feststoffarme, flüssige Phase mit Dampf behandelt. Nach der Hitzekoagulation werden die denaturierten Proteine mit Hilfe einer Zentrifuge abgeschieden. Das verbleibende Prozesswasser wird in die Biogasanlage verbracht, wo die Inhaltsstoffe teilweise zu Biogas abgebaut werden (vgl. Abb. 6). ¹ Das einzige Produkt, das nicht direkt einer Nutzung zugeführt werden kann, ist das Prozesswasser. Dieses Wasser ist jedoch kein Abwasser im herkömmlichen Sinne, sondern stellt vielmehr einen Flüssigdünger dar. Auf Grund der geringen Nährstoffkonzentrationen kann das Wasser jedoch wirtschaftlich nicht als Dünger verwendet werden. Der Transportaufwand wäre zu groß. Für die Abwasserbehandlung stehen grundsätzlich drei Möglichkeiten zur Verfügung: 1. Einleiten des Abwassers in die Kanalisation

2. Reinigung des Abwassers in einer Ultrafiltrations-/Umkehrosmoseanlage 3. Reinigung des Abwassers in einer Pflanzenkläranlage

Abb. 6: 2B-Verfahren zur Grasverwertung

Quelle: 2B AG

¹ 2B AG

Bioraffineriekonzepte 29

Zusätzlich wurde von der Firma 2B Biorefineries AG ein Verfahren entwickelt, mit dem aus Wiesengrünmasse Ethanol, Backhefe, Kohlendioxid, Zitronen- und Essigsäure produziert werden kann. 1

3.3.4 Mögliche Technologien einer Grünen Bioraffinerie

Die Technologien, die in einer Grünen Bioraffinerie zum Einsatz kommen können, werden im Folgenden im Detail betrachtet.

3.3.4.1 Vorbehandlung des Rohstoffs

Bevor der Saft aus der Wiesengrünmasse bzw. Silage gewonnen werden kann, ist es notwendig, dass der Rohstoff zerkleinert wird, um in eine entsprechende Presseinheit Eingang finden zu können. Um möglichst hohe Ausbeuten der in den Pflanzenzellen vorliegenden Proteine zu erreichen, empfiehlt es sich, eine weitergehende sogenannte mechanische, chemisch-physikalische und/oder biotechnologische (enzymatische) Desintegration vorzunehmen. Zerkleinerungstechnik:

Für die Zerkleinerung stehen hauptsächlich Maschinen der klassischen Land- und Entsorgungstechnik, wie z.B. Häcksler oder Shredder zur Verfügung. Mit diesen Zerkleinerungsaggregaten können Schnittlängen zwischen 1 und 15 cm erreicht werden. ² Zellaufschluss / Desintegration:

Die Fragestellung des Zellaufschlusses von Gräsern und Luzernen wurde bereits vor ca. 100 Jahren im Zusammenhang mit der optimierten Proteinabtrennung aus Wiesengrünmasse aufgeworfen.

Wichtig ist die Unterscheidung zwischen folgenden Methoden: mechanischer Aufschluss: ^- Dasin der Literatur am häufigsten beschriebene Aufschlussverfahren für Wiesengrünmasse ist die mechanische Bearbeitung des Rohstoffs. Hierbei kommen insbesondere Feinshredder (Macerator), Mühlen (z.B. Hammermühlen) und Pulper zur Anwendung. physikalisch-chemischer Aufschluss: ^- Chemisch-physikalischeDesintegrationsverfahren sind weit verbreitet, wenn es darum geht, Fasern aufzuschließen und Zellulose zu gewinnen (z.B. Papierindustrie). Auch für Gras werden in der Literatur Verfahren beschrieben, die darauf abzielen, Fasern in monomere Zucker umzuwandeln.

¹ Patentantrag 2B AG

² Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

Bioraffineriekonzepte 30

Die chemisch-physikalischen Verfahren werden in den unterschiedlichsten Temperaturbereichen, unter Druck und bei pH-Werten von stark sauer bis stark basisch durchgeführt. Da diese Behandlungsart i.d.R. eine Zerstörung der Proteine nach sich zieht erscheint sie für die Belange einer Grünen Bioraffinerie als ungeeignet.

In diese Kategorie der Aufschlussmethoden fällt jedoch auch ein Verfahren, das in jüngster Zeit vermehrt in der Lebensmitteltechnologie eingesetzt wird. Es handelt sich hierbei um den Zellaufschluss mittels elektrischer Hochspannungsimpulse (HIS) oder englisch "High Intensity Electric Field Pulses" (HELP). Kurzzeitige (100 Nano-sekunden bis wenige Millisekunden) Änderungen der elektrischen Feldstärke induzieren an bestimmten Stellen der Zellmembranoberfläche Ladungsverdichtungen. Wird das kritische Membranpotenzial von ca. 1 V (Volt) überschritten, führt dies zum Durchbruch der Membran. Pilotversuche werden derzeit zur optimierten Gewinnung von Kartoffelstärke durchgeführt. Auch für eine Grüne Bioraffinerie erscheint dieses Verfahren interessant. Denn bei niedrigen Investitionskosten (ca. 50 % vom mechanischen Aufschluss) wird ein Energieverbrauch von nur 3 kWh / t Frischmasse prognostiziert. Allerdings befinden sich alle bestehenden Anlagen derzeit noch in der Erprobungsphase. biotechnologischer Aufschluss: ^- ImBereich des enzymatischen Aufschlusses wurde in den 80er und 90er Jahren des letzten Jahrhunderts ausgiebig geforscht. Meist wurde eine Kombination von Dampfaufschluss und enzymatischer Hydrolyse gewählt. Hierbei ging es primär um die Umwandlung von Fasermaterial (Zellulose, Hemizellulose) in monomere (fermentierbare) Zucker. Damit einhergehend wurden aber auch die Zellen aufgeschlossen. 1

3.3.4.2 Presstechnik

Nach dem Zerkleinern bzw. nach dem Zellaufschluss erfolgt die Fraktionierung (Fest-Flüssig-Trennung). Am geeignetsten erscheint für die Belange einer Grünen Bioraffinerie der Einsatz einer Schneckenpresse. Angeboten werden "single = einfach" und "twin = doppel" Schnecken- oder Schraubenpressen. Im Falle von Doppelschneckenpressen arbeiten zwei parallel nebeneinanderliegende Schnecken das Gut gegeneinander auf. Voraussetzung für eine erfolgreiche Abpressung ist ein möglichst hoher Abpressgrad und somit das Erreichen eines hohen Trockenmassegehalts im Presskuchen (≥ 50 %). Dies kann bei Silage durch Einfachpressung oder im Falle des Einsatzes von Wiesengrünmasse durch Doppelpressung erfolgen. Aber auch der Trockenmassegehalt im Presssaft ist ausschlaggebend für eine befriedigende Produktausbeute (TS Presssaft ca. 5 bis 20 %). Wichtig für die spätere

¹ Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

Bioraffineriekonzepte 31

Proteingewinnung ist die Temperatur. Die Safttemperatur darf beim Pressen nicht über 40 bis 45° C steigen, da ansonsten die Proteine denaturieren. Der gewonnene Presssaft bildet das Ausgangsmaterial für die spätere Proteingewinnung, der Presskuchen beinhaltet die Fasern. 1

3.3.4.3 Proteingewinnung

Gras ist als proteinreiches Grundfutter (12 bis 18 % Rohprotein in der TS) für Rinder bekannt und dient vor allem in der Milchwirtschaft als wichtige Futterbasis. Bei einem möglichen Jahreshektarertrag von 7 bis 12 t TS / ha · a ist Gras ein wesentlich effizienterer Proteinproduzent als Soja. Mit dem Anbau von Luzernen lässt sich beispielsweise ein Hektarertrag von 2,5 t Protein pro Jahr erreichen, dies entspricht dem doppelten Proteinwert von Soja. ² Auf Grund dieser Tatsache erscheint Gras als Ausgangsmaterial für die Proteingewinnung äußerst interessant. Der Presssaft enthält im Mittel ca. 25 % des Rohproteins des Inputstoffes. Um die Proteine aus dem Presssaft zu gewinnen, stehen hauptsächlich zwei Verfahren zur Verfügung: Hitzekoagulation plus Zentrifuge: ^- MitKoagulation wird die irreversible Verklumpung der Kolloidteilchen zu großen Aggregaten bezeichnet. Eine Koagulation tritt ein, wenn sich einzelne Teilchen so nahe kommen, dass sie auf der Potentialkurve in das wahre Minimum der potentiellen Energie gelangen, so dass die anziehenden van-der-Waals-Kräfte dominieren.

Ein Hitzeeintrag durch Dampfeinblasung ist die einfachste Methode zur Koagulation von Proteinen (Kolloidteilchen). Alternativ wäre die Koagulation auch durch isoelektrische Fällung bei einem pH-Wert von ca. 4,0 möglich. Da das Endprodukt aber als Futtermittel mit natürlichem Charakter verkauft werden soll, ist ein Eintrag von Chemikalien zu vermeiden. Je nach Maximaltemperatur während der Koagulation fällt ein Anteil der löslichen Proteine aus. Die nun entstandenen größeren unlöslichen Teilchen können mittels eines Gravitationsgradienten in einer Dekanterzentrifuge abgetrennt werden. ³ Ultrafiltration: ^- Diezweite untersuchte Technologie zur Proteingewinnung ist die Ultrafiltration. Durch neue Technologien und Materialien bei der Filtermembranherstellung nimmt diese Trennmethode immer mehr an Bedeutung zu und gilt unter Experten als Technologie der Zukunft.

¹ Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

² Grüne Liga

³ Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

Bioraffineriekonzepte 32

Die Ultrafiltration ist ein druckgetriebenes Membranverfahren zur Trennung von niedermolekularen gelösten Stoffen und Makromolekülen. Dabei ist zur klaren Trennung ein deutlicher Größenunterschied zwischen den zu fraktionierenden Stoffen notwendig. Als typisches Beispiel für die Ultrafiltration ist die Auftrennung von Molke in Proteine (Konzentrat bzw. Retentat) und Salze + Lactose (Permeat) zu nennen. Üblicherweise wird die Ultrafiltration als Querstromverfahren realisiert. Dabei wird die röhrenförmige Membran parallel zur Porenmembran durchströmt (Cross Flow). Die Höhe des Permeatfluxes (der Strom des entproteinierten Safts) ist ausschlaggebend für die Dimensionierung und damit auch für die Investitionskosten der Anlage.

Gegenüber der Hitzekoagulation verfügt die Ultrafiltration über folgende Vorteile: keine Denaturierung der Proteine ^- Erhaltungder Löslichkeit ^- eventuellErhaltung der Enzymaktivität ^- Modulbauweiseund damit leichtes Up-scaling 1

^- 3.3.4.4Biogasanlage

Die Biogasanlage ist eine wichtige Prozesseinheit der Bioraffinerie. In ihr werden die biogenen Reststoffe der Produktionseinheit verwertet, wodurch Stoffkreisläufe geschlossen werden können. Die Nutzung des Biogases gewährleistet die Versorgung der Bioraffinerie mit Prozesswärme und ermöglicht durch den Stromverkauf das Erzielen von Zusatzgewinnen (vgl. Anhang 5). Des Weiteren entsteht mit dem ausgegorenen Substrat ein wertvoller Dünger für die Bioraffinerie-Wiesen. Quantitativ betrachtet stellt das Prozesswasser der Bioraffinerie das Hauptinputmaterial der Biogasanlage dar. Die Vergärung des Prozesswassers kann entweder reinstofflich oder gemeinsam mit Co-Substraten wie z.B. Gülle und Faserrestmassen erfolgen. Entsprechend der gewählten Methode muss die Technik adaptiert und geplant werden. Grundvoraussetzung ist jedoch der ökonomische Betrieb der Biogasanlage.

Die wesentlichen Kriterien für eine ökonomische Bewertung von Biogasanlagen sind: die eingesetzte Biogastechnologie, ^- derBiogasertrag pro Kilogramm Trockensubstanz (TS) bzw. organischer ^- Trockensubstanz(oTS),

die Strom- und Wärmeproduktion pro Kubikmeter Biogas und ^- dieInvestitionskosten der Biogasanlage. 2

^{- 1} GrüneBioraffinerie Oststeiermark

² Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

Bioraffineriekonzepte 33

Für die Belange der Grünen Bioraffinerie kommen im wesentlichen das Zweikammersystem, der Pfropfenströmfermenter und das Speicherdurchflusssystem mit Nachgärbehälter in Frage (vgl. Anhang 4). Diese Fermentertypen wurden im Rahmen des Forschungsprojektes Grüne Bioraffinerie Oststeiermark von der ARGE Biogas auf ihre Eignung untersucht (vgl. Tab. 3 und 4). 1

Tab. 3: Systemvergleich - geeignete Technologie für die Grüne Bioraffinerie Quelle: Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

Tab. 4: Ökonomische Betrachtung der Fermentersysteme für eine Grüne Bioraffinerie Quelle: Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

Die Auswertung des durchgeführten Systemvergleichs führt zu folgenden Schlussfolgerungen:

Das Zweikammersystem kann sowohl im Systemvergleich als auch bei der ökonomischen Betrachtung die Anforderungen nicht erfüllen. Der Pfropfenströmfermenter und das Speicherdurchflusssystem mit Nachgärbehälter erscheinen gleichermaßen geeignet. Da allerdings in der Biogasanlage in erster Linie das Prozesswasser verarbeitet werden soll, und folglich mit geringen TS-Gehalten gerechnet werden muss, bildet das Speicherdurchflusssystem mit Nachgärbehälter die beste Alternative (vgl. Anhang 4).

In der bestehenden Bioraffinerie am Standort Schaffhausen kam ein EGSB-Reaktor zum Einsatz. ² Dieser Anlagentyp ist prinzipiell mit einem Speicherdurchflusssystem vergleichbar, verfügt aber über besondere Einbauten und wurde speziell für den Bereich der anaeroben Abwasserbehandlung entwickelt (vgl. Anhang 4). Der entscheidende Vorteil des EGSB-Reaktors für die Belange der Bioraffinerie ist die reinstoffliche Verwertung des Prozesswassers, da bei der anschließenden Abwasser-behandlung die Abwassermenge und -zusammensetzung die entscheidenden

¹ Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

² Monitoring Bericht

Bioraffineriekonzepte 34

Kriterien bilden. Die reinstoffliche Verwertung beinhaltet aber gleichzeitig auch einen Nachteil. Verfügt die Bioraffinerie nur über einen solchen Flüssigreaktor, lassen sich schlechte Graschargen nicht verwerten, sondern müssen entsorgt werden. Idealerweise sollte für die Bioraffinerie eine herkömmliche Biogasanlage, in der die schlechten Graschargen verwertet werden können, mit einem Flüssigreaktor zur Prozesswasserbehandlung kombiniert werden.

3.3.4.5 Abwasserbehandlung

Auf Grund der enormen Abwassermengen, die in einer Grünen Bioraffinerie anfallen, stellt die Abwasserbehandlung eine entscheidende Process-Unit dar, von der die gesamte Wirtschaftlichkeit des Bioraffinerievorhabens abhängt. Neben der Abwassermenge ist die spezifische Abwasserzusammensetzung für die Abwasser-behandlung von maßgeblicher Bedeutung. Bei dem Prozesswasser der Bioraffinerie muss mit einer hohen organischen Belastung gerechnet werden, die durch den Summenparameter des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) ausgedrückt wird. Des weiteren sind hohe Ammonium- (NH 4 -N) und Phosphat-Gehalte (PO 4 -P) zu erwarten. Für die Abwasserbehandlung stehen im wesentlichen drei Verfahren zur Verfügung: Einleiten des Abwassers in die Kanalisation: ^- DasEinleiten des Abwassers in die Kanalisation ist wegen den zu erwartenden Abwassergebühren äußerst unwirtschaftlich und sollte im Konzept der Bioraffinerie keine Option zur Abwasserbehandlung darstellen. Auch ökologisch ist diese Variante kaum vertretbar, da das im Abwasser enthaltene Nährstoffpotential nicht genutzt wird. Zusätzlich müsste für den betreffenden Bioraffineriestandort geprüft werden, ob die bestehende Kanalisation und Kläranlage überhaupt für solch große Abwassermengen ausgelegt ist.

Reinigen des Abwassers in einer Ultrafiltrations- und/oder Umkehrosmoseanlage: ^- DieUltrafiltration ist ein Verfahren zur Trennung von Kolloiden und echten Lösungen und von Kolloid-Teilchen verschiedener Größe. Die verwendeten Ultrafilter haben äußerst enge Poren, sie werden z.B. aus Papier hergestellt, indem dieses mit Kollodium imprägniert wird, auch Zellglas kann für die Ultrafiltration verwendet werden. Die kolloidale Lösung wird unter Druck durch das Ultrafilter gepresst. ¹ Die Umkehrosmose ist ein Verfahren, bei dem Lösungsmittelmoleküle entgegen dem osmotischen Druck aus der konzentrierten in die verdünnte Lösung wandern. Dieser Effekt wird dadurch erreicht, dass auf die konzentrierte Lösung ein Druck ausgeübt wird, der größer ist als ihr osmotischer Druck. 2

¹ wissen.de

² wissen.de

Bioraffineriekonzepte 35

Der Einsatz einer Ultrafiltrations- und/oder Umkehrosmoseanlage hat den Vorteil, dass das Permeat über einen solch hohen Reinheitsgrad verfügt, dass es dem Prozess der Bioraffinerie wieder vollständig zugeführt werden kann. Der Frischwasserbedarf der Bioraffinerie kann somit deutlich reduziert werden. Weiterhin ist zu prüfen, ob das entstehende Retentat bei der Verwendung von Silage als Milchsäurekonzentrat oder bei der Verarbeitung von Wiesenfrischmasse als Flüssigdünger einer Vermarktung zugeführt werden kann. Die Nachteile dieses Behandlungsverfahrens liegen in den enormen Investitions- und Betriebskosten. Die Investitionskosten belaufen sich auf 600.000 bis 800.000 Euro, während die spezifischen Betriebskosten bei 2,0 bis 2,4 € / m ³ liegen. ¹ Auch aus energetischer Sicht ist der Einsatz einer Ultrafiltrations- und/oder Umkehrosmoseanlage zur Abwasserbehandlung kaum vertretbar.

Reinigen des Abwassers in einer Pflanzenkläranlage: ^- Eineökologisch und ökonomisch sinnvolle Alternative zur Abwasserbehandlung sind Pflanzenkläranlagen. Pflanzenkläranlagen bestehen aus abgedichteten Erdbecken, die mit zertifizierten Filtersubstraten befüllt werden. Die Schilfbepflanzung sorgt für eine dauerhafte Wasserdurchlässigkeit und gewährleistet die Sauerstoffanreicherung im Bodenfilter. Nach einer mechanischen oder teilbiologischen Vorreinigung (z.B. Mehrkammergrube, Absetzbecken oder Rottebehälter) wird das Abwasser einem oder mehreren bewachsenen Bodenfiltern zugeführt. Während der vertikalen oder horizontalen Bodenpassage reinigen Bakterien und Kleinstlebewesen das Abwasser. Zusätzlich tragen chemisch-physikalische Austausch- und Bindungsreaktionen im Boden erheblich zur Abwasserreinigung bei. Im Anschluss an die biologische Reinigungsstufe wird in der Regel ein Messschacht angeordnet. Pflanzenkläranlagen stellen eine verhältnismäßig preiswerte Variante der Abwasserbehandlung dar. Die Investitionskosten liegen mit 760.000 € zwar im Bereich der Ultrafiltrationsanlage, allerdings sind die Behandlungskosten mit 0,30 € / m ³ (inklusive Schilfmahd, Analytik für Eigenkontrolle, etc.) deutlich geringer. ² Nach Aussage der Fa. Areal kann mit dem Einsatz einer Pflanzenkläranlage Badewasserqualität erzielt werden. Durch die Kombination mit einem Aktivkohlefilter ist grundsätzlich auch das Erreichen von Trinkwasserqualität möglich, was jedoch höhere Betriebs- und Investitionskosten mit sich bringt. ³ Welche Wasserqualität die Bioraffinerie zur Produktion der Futtermittelproteine benötigt, konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht geklärt werden. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass das Prozesswasser der Bioraffinerie nach dem Durchlaufen der Pflanzenkläranlage über eine solch hohe Qualität verfügt, dass es im Kreislauf gefahren werden kann und für den Produktionsprozess der Bioraffinerie kein Frischwasser benötigt wird.

¹ mündliche Aussage Herr Dr. rer. nat. Jörg Borgwardt (Fa. Ufi-Tec)

² FAX Herr Dr. Bruch vom 06.11.2003

³ mündliche Aussage Herr Schmidt (Fa. Areal GmbH) vom 11.12.2003

Bioraffineriekonzepte 36

Neben den ökonomischen Faktoren ist das Schließen von Stoffkreisläufen ein entscheidender Vorteil der Pflanzenkläranlage. Die auf den Bodenfiltern wachsenden Pflanzen setzen die Inhaltsstoffe des Bioraffinerieabwassers zu Biomasse um, die wiederum einer Verwertung zugeführt werden kann.

Als möglicher Nachteil einer Pflanzenkläranlage ist nur der Flächenbedarf zu nennen. Dieser wird maßgeblich durch die Abwassermenge und -zusammensetzung bestimmt. 1

Insgesamt sollte bei der Abwasserbehandlung bedacht werden, dass die oben geschilderten Verfahren in der Regel nur dann zur Anwendung kommen können, wenn das Prozesswasser reinstofflich, d.h. ohne die Zugabe von Co-Substraten vergärt wird. Der Teil des Prozesswassers, der gemeinsam mit Co-Substraten fermentiert wird, muss von den Landwirten gemeinsam mit der Gülle und den anderen Co-Substraten als Dünger auf die Felder verbracht werden.

3.3.5 Basistechnologien für das Errichten einer Grünen Bioraffinerie

Bei der Errichtung einer Grünen Bioraffinerie kann es von besonderem Interesse sein, wenn bereits bestehende Technologien und Produktionsstätten oder zumindest einzelne Anlagenkomponenten übernommen werden können. Wesentliche Technologien und Produktionsprozesse auf deren Grundlage sich eine Grüne Bioraffinerie entwickeln kann, sind: Technologien zur Nassfraktionierung von grünem Pflanzenmaterial, ^- beispielsweiseEntwässerung von Grünfutter vor der Konservierung (technische Trocknungen)

Technologien zur Blattproteingewinnung ^- Extraktionsverfahrenzur Farbstoffgewinnung (Carotinoide) aus grünem Pflanzen- ^- material

Technologien zur Biogaserzeugung (vgl. Standort Redange) ^- Technologienzur Verbrennung von Biomasse ^- ModerneFermentationstechnologien ^- Technologienzur biotechnologischen und chemischen Stoffwandlung 2

^{- 1} FAXHerr Dr. Bruch vom 06.11.2003

² Beiträge zur ökologischen Technologie

Machbarkeitsstudie 37

4 Machbarkeitsstudie

Um die innovative Technologie der Firma 2B Biorefineries AG zu verbreiten, fördert die Europäische Union mit dem Projekt PROGRASS ein internationales Forschungs-vorhaben (vgl. Anhang 6). Im Rahmen des EU-Projektes wird die Machbarkeit von fünf potentiellen Bioraffinerie-Standorten geprüft. Die untersuchten Standorte sind Redange (Luxemburg), Hunsrück und Illtal (Deutschland), Tulln (Österreich) und Rzepin (Polen).

Die Ergebnisse der Machbarkeitsstudie für den Standort Redange in Luxemburg lassen sich wie folgt zusammenfassen.

4.1 Standort

Der Charakter einer Grünen Bioraffinerie wird maßgeblich durch das Umfeld des Bioraffinerie-Standortes beeinflusst. Der regionale Bezug einer Bioraffinerie ergibt sich bereits aus der Tatsache, dass sich der Transport fester Biomassen wegen der geringeren Energiedichte im Vergleich zu Erdöl oder Erdgas deutlich schwieriger gestaltet. Weitere wichtige Standortparameter sind die Verfügbarkeit und Beschaffenheit des Rohstoffs, die Infrastruktur (Landwirtschaft, Industrie, Handel, Verkehr, Wissenschaft und Bildung), das Humankapital und der regionale Markt. 1

4.1.1 Entwicklung der Landwirtschaft in Luxemburg

Die Entwicklung der Luxemburger Landwirtschaft verläuft analog zu der oben geschilderten Entwicklung in der Europäischen Union: Zwischen den Jahren 1990 und 2002 verringerte sich die Anzahl ^- landwirtschaftlicherBetriebe von 3.803 auf 2.553 Betriebe. Im Jahr 1990 waren in der Luxemburger Landwirtschaft 8.230 Menschen ^- angestellt,bis zum Jahr 2002 sank diese Zahl auf 5.261 Beschäftigte. 1990 wurden in Luxemburg 217.451 Rinder gezählt, bis zum Jahr 2002 ging der ^- Rinderbestandum knapp 10 % auf 197.257 Tiere zurück. Im betrachteten Zeitraum von 1990 bis 2002 nahm die Grasproduktion um knapp ^- 38% von 322.040 t TS / a auf 517.908 t TS / a zu. 2

Legt man die oben angeführten Statistiken zu Grunde, wird deutlich, dass auch in der Luxemburger Landwirtschaft Bedarf für neue Betätigungsfelder besteht. Das EU-Projekt PROGRASS hat die Schaffung Grüner Bioraffinerien zum Ziel, in denen der nachwachsende Rohstoff Gras verwertet werden soll. Der wichtigste Rohstofflieferant

¹ Brandenburgische Umweltberichte

² STATEC

Machbarkeitsstudie 38

einer Grünen Bioraffinerie ist die Landwirtschaft, der sich durch den Anbau von Gras ein neues Aufgabenfeld bietet.

4.1.2 Aktuelle Grasnutzung in Luxemburg

Nach Aussage der Administration des Services Techniques de l’Agriculture wird in Luxemburg nahezu das gesamte Gras als Viehfutter verwendet. Genaue Zahlen über die Grasnutzung liegen leider nicht vor. ¹ Stellt man den anhand von Kennzahlen berechneten Grundfutterbedarf der Nutztiere dem Grasertrag der Wiesen- und Weidenflächen gegenüber, kommt man zu dem Ergebnis, dass ca. 99 % des Grases als Viehfutter benötig werden (vgl. Anhang 8).

4.1.3 Bioraffinerie-Standort Redange

In Luxemburg hat man sich für die Gemeinde Redange als potentiellen Bioraffinerie-Standort entschieden (vgl. Anhang 7).

Die Gemeinde Redange-Attert liegt im Westen des Großherzogtum Luxemburg, besitzt rund 2.200 Einwohner und besteht aus den sechs Ortschaften Lannen, Nagem, Niederpallen, Ospern, Redange und Reichlange. Das Kanton Redange verfügt insgesamt über 8.696,02 ha Ackerfläche und 7.930,25 ha Dauerwiesen und Weiden. Der Rinderbestand liegt bei 28.381 Tieren. ² Die Zahl der landwirtschaftlichen Betriebe nahm in den letzten 13 Jahren um ca. 33% ab. Die Arbeitslosigkeit insgesamt stieg von 2,11% im Jahr 1995 auf 3,57% im Jahr 2000. ³ Für den möglichen Standort einer Grünen Bioraffinerie spricht in erster Linie das hohe Engagement der Gemeinde im Bereich des Umweltschutzes sowie bei der Nutzung regenerativer Energiequellen und nachwachsender Rohstoffe (vgl. Anhang 7). So besteht in unmittelbarer Nähe der Gemeinde Redange eine große landwirtschaftliche Biogasanlage, an die die Bioraffinerie angedockt werden soll.

4.1.4 Biogasanlage „Un der Attert“

In den Gemeinden Redange, Lannen, Nagem, Reichlange, Niederpallen, Ell und Hostert haben sich 29 Landwirte zu einer landwirtschaftlichen Genossenschaft mit dem Namen „Biogas un der Attert“ zusammengeschlossen (vgl. Anhang 7). 90% der Betriebe sind auf die Rinderzucht und Milchproduktion spezialisiert. Der Viehbestand der Betriebe liegt im Winter bei 2.800 GVE (Großvieheinheiten) und im Sommer, bedingt durch die Weidehaltung, bei 720 GVE. Nur wenige Betriebe der Kooperative sind auf die Schweinemast spezialisiert.

¹ telefonische Auskunft Administration des Services Techniques de l’Agriculture

² landwirtschaftliche Zählung vom 15.05.2003

³ STATEC

Machbarkeitsstudie 39

Abb. 7: Lage Biogasanlage

Quelle: Topographische Karte Maßstab 1 : 20.000; Administration du Cadastre et de la

Topographie

In der Biogasanlage wird die Gülle und der Festmist der Landwirte gemeinsam mit geeigneten organischen Abfällen, wie z.B. Biomüll energetisch verwertet. Die gewonnene elektrische Energie wird in das Netz des Energie-versorgungsunternehmens eingespeist, während die entstandene Wärme über ein Nahwärmenetz an verschiedene Wärmeabnehmer (örtliches Schwimmbad, Sporthalle, Gemeindeatelier, …) verkauft wird. Abb. 8: Biogasanlage Redange Quelle: LEE sàrl

Bei der Planung, Genehmigung, Bauaufsicht und Inbetriebnahme der Biogasanlage wurde die Kooperative von der Firma L.E.E. sàrl unterstützt. 1

¹ LEE sàrl