Quantifizierung der Biomasse- und Biogaserträge von öffentlichen Grünflächen und Straßenrandstreifen

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Glossar

Zusammenfassung

Abstract

1 Einleitung

2 Einführung in das Themengebiet Biogas
2.1 Geschichte der Biogasgewinnung
2.2 Derzeitiger Stand der Biomassenutzung
2.3 Potenzial des Grünlandes in Deutschland und speziell in Baden-Württemberg
2.4 Zukunft der Bioenergie
2.5 Definitionen
2.5.1 Biomasse
2.5.2 Biogas
2.5.3 Methangärung - biologischer und chemischer Ablauf bei der Verwertung von Grünschnitt in Biogasanlagen
2.6 Gesetze und Regelungen
2.6.1 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
2.6.2 Richtlinie 2001/77/EG
2.6.3 Verordnung über die Erzeugung von Strom aus Biomasse - Biomasseverordnung (BiomasseV)
2.6.4 Bioabfallverordnung (BioAbfV)
2.6.5 Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz sowie Düngemittelverordnung

3 Untersuchungsgebiet
3.1 Landkreis Schwäbisch Hall und Modellgemeinden Blaufelden, Schrozberg und Rot am See
3.2 Kriterien zur Auswahl des Untersuchungsgebietes
3.3 Naturräumliche Gliederung
3.4 Geologie und Geomorphologie
3.5 Böden
3.6 Klima
3.7 Flächencharakterisierung und deren theoretische Potenziale
3.7.1 Kommunale Grünflächen, ungedüngt, 4-schürig
3.7.2 Intensiv genutzte öffentliche Grünflächen - Sportplätze
3.7.3 Mischproben aus den 3 Gemeinden
3.7.4 Straßenrandstreifen
3.7.5 Gewässerrandstreifen

4 Methoden
4.1 Auswahl der Gemeinden im Landkreis Schwäbisch Hall
4.2 Auswahl der Untersuchungsflächen in den Gemeinden
4.2.1 Fernerkundliche Auswertung
4.3 Anlage der Probenahmeflächen
4.4 Vegetationsaufnahmen
4.5 Probenahmen
4.5.1 Kommunale Grünflächen mit 4-schüriger Mahd
4.5.2 Sportplatz mit 22-25-schüriger Mahd
4.5.3 Mischproben der Gemeinden
4.5.4 Straßenrandstreifen
4.5.5 Gewässerrandstreifen
4.6 Probenaufbereitung
4.7 Bestimmung der Biomasse
4.8 Abschätzung des Biogaspotenzials anhand des Hohenheimer Biogasertragstests (HBT) ..
4.9 Potenzialabschätzung für den Landkreis Schwäbisch Hall
4.10 Inhaltsstoffe von Pflanzen und deren Untersuchung
4.11 Chemische Analysen
4.12 Verfahrensweise der Nahinfrarotspektroskopie (NIRS)
4.13 Anorganische Pflanzeninhaltsstoffe
4.14 Organische Pflanzeninhaltsstoffe
4.14.1 Mittels Nahinfrarotspektroskopie analysierte Rohnährstoffe
4.14.2 Berechnete Rohnährstoffe
4.15 Möglichkeiten zur Berechnung des Biogas- und Methanertrages
4.15.1 Berechnungsmodell nach KEYMER & SCHILCHER (1999)
4.15.2 Berechnung nach BUSWELL & MÜLLER (1952)
4.15.3 Berechnungsmodell Methanenergiewertsystem (MEWS)
4.16 Statistische Auswertungsmethoden
4.17 Zeigerwerte nach ELLENBERG et al. (2001)
4.18 Futterwert, Mahd-, Tritt- und Weideverträglichkeit
4.18.1 Futterwert (FW)
4.18.2 Mahd- (M), Tritt- (T) und Weideverträglichkeit (W)
4.19 Biotoptypen und Pflanzengesellschaften

5 Ergebnisse
5.1 Vegetationsbeschreibung der öffentlichen Grünflächen
5.1.1 Wertigkeitszahlen
5.1.2 Biotoptypen und Pflanzengesellschaften
5.1.3 Eingruppierung der Gräser in Ober- und Untergräser
5.2 Biomasseerhebungen
5.2.1 Wiesen
5.2.2 Sportplätze
5.2.3 Straßen- und Gewässerrandstreifen
5.3 Hohenheimer Biogasertragstest
5.3.1 Methanerträge öffentlicher Grünflächen
5.3.2 Biogaserträge
5.3.3 Zusammenfassung der erhobenen Biomasse-, Methan- und Biogaserträge
5.4 Einfluss der Rohnährstoffe im Substrat auf die Methan- und Biogasausbeuten
5.5 Vergleich der erhobenen Werte mit berechneten Werten und Literaturangaben
5.5.1 Biomasseerträge
5.5.2 Biogas- und Methanerträge
5.6 Flächenpotenzial, Biomasse- und Biogasertragspotenzial pro Gemeinde insgesamt ..

6 Diskussion
6.1 Einfluss der Mahdhäufigkeit auf den Methan-, Biogas- und Biomasseertrag
6.2 Biomasseerträge
6.3 Biogas- und Methanerträge
6.4 Substrateigenschaften auf die Methan- und Biogaserträge
6.5 Methodendiskussion
6.5.1 Probenahmen und Untersuchungen
6.5.2 Vergleich der berechneten mit den ermittelten spezifischen Biogas- und Methanausbeuten
6.5.3 Biogas- und Methanertrag anhand von Literaturangaben

7 Fazit und Ausblick

Literaturverzeichnis

Anhang

Danksagung

Im Speziellen danke ich: Prof. Dr. Martin Dieterich Prof. Dr. Hermann Heilmeier Prof. Dr. Reinhard Böcker Dr. Roland Achtziger

Dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) für die Finanzierung der Gasertragsanalysen im Rahmen des Projektes Mikro-Biogas. Dem gesamten Fachgebiet Landschaftsökologie und Vegetationskunde für die Atmosphäre, die sie für wissenschaftliches Arbeiten bietet.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Ablaufprozesse der Biogasbildung aus einem Ausgangssubstrat

Abbildung 2: Lage der Untersuchungsgemeinden und -flächen im Landkreis Schwäbisch Hall

Abbildung 3: Erzeugte elektrische Energie 2007 im Landkreis Schwäbisch Hall

Abbildung 4: Installierte elektrische Leistung 2007 im Landkreis Schwäbisch Hall

Abbildung 5: Bodenlandschaften in Schwäbisch Hall, geändert nach LUBW (2012)

Abbildung 6: Niederschlags- und Temperaturmittel 2011 in SH

Abbildung 7: 4-schürige Wiese in Blaufelden

Abbildung 8: 4-schürige Wiese in Schrozberg

Abbildung 9: 4-schürige Wiese in Rot am See

Abbildung 10: Sportplatz Blaufelden

Abbildung 11: Sportplatz Rot am See

Abbildung 12: Sportplatz Schrozberg

Abbildung 13: Rasenmäher in Blaufelden

Abbildung 14: Rasenmäher in Rot am See

Abbildung 15: Rasenmäher in Schrozberg

Abbildung 16: Straßenrandstreifen an klassifizierten Straßen

Abbildung 17: Straßenrandstreifen an nicht klassifizierten Straßen

Abbildung 18: Gewässerrandstreifen 1

Abbildung 19: Gewässerrandstreifen 2

Abbildung 20: Gewässerrandstreifen 3

Abbildung 21: Gewässerrandstreifen 4

Abbildung 22: Gewässerrandstreifen 5

Abbildung 23: Gardena Spindelmäher

Abbildung 24: Heckenschere

Abbildung 25: Crispac-Beutel (305 x 460 mm²)

Abbildung 26: Saugapparat mit Crispac-Beutel

Abbildung 27: Jahresverlauf der Probenahmetermine und Spezifizierung nach Biomasse- und Biogasbestimmung

Abbildung 28: Crispac-Beutel mit Grünschnitt

Abbildung 29: Wärme- und Trockenschrank HERAEUS (KTG 900)

Abbildung 30: BRABENDER-Mühle

Abbildung 31: Gemahlener Grünschnit mit 1 mm Durchmesser

Abbildung 32: KERN-Ablesewaage

Abbildung 33: Kolbenprober mit Substrat und Impfgülle

Abbildung 34: Brutschrank mit motorbetriebenem Rotor

Abbildung 35: Schema des Kolbenprober mit Spezifikation

Abbildung 36: Schematische Darstellung der Pflanzeninhaltsstoffe

Abbildung 37: Vergleich der Weender-Analyse mit der modifizierten Weender-Analyse nach VAN SOEST (1967)

Abbildung 38: NOVATHERM-Muffelofen

Abbildung 39: NOVATHERM-Muffelofen

Abbildung 40: Abnehmende Empfindlichkeit der Arten gegen steigende Nutzungsintensität

Abbildung 41: Mittlerer Anteil der Ober- und Untergräser in den Aufnahmeflächen der extensiven Wiesen

Abbildung 42: Mittlerer Anteil der Ober- und Untergräser in den Aufnahmeflächen der Sportplätze . 64

Abbildung 43: Gemessener mittlerer Biomasseertrag (n = 8) für die 4-schürigen Wiesen in der Schnittzeitspanne vom 20.04.11-03.09.11

Abbildung 44: Box-Whisker-Plot aus den zusammengefassten Biomasseerträgen der Schnitttermine (n = 8) für die Wiesen (p = 0,16)

Abbildung 45: Monatlich summierter mittlerer Biomasseertrag (n = 8) für die Sportplätze in der Schnittzeitspanne vom 03.04.11-12.10.11

Abbildung 46: Box-Whisker-Plot aus den zusammengefassten Biomasseerträgen der Schnitttermine (n = 8) für die Sportplätze (p = 0,22)

Abbildung 47: Gemessener mittlerer Biomasseertrag (n = 4) für die klassifizierten (K) und nicht klassifizierten Straßenrandstreifen (NK), zu den Schnittterminen am 03.06.11 und 03.09.11

Abbildung 48: Box-Whisker-Plot aus den zusammengefassten Methanerträgen der 3 Untersuchungstermine für die Nutzungstypen (p = 1,47)

Abbildung 49: Gemessener mittlerer Biomasseertrag (n = 8) der 5 Gewässerrandstreifen (G) am 03.08.11

Abbildung 50: Box-Whisker-Plot der Biomasseerträge (n = 8) der 5 Gewässerrandstreifen (G) am 03.08.11 (p = 0,004)

Abbildung 51: Spezifischer Methanertrag (Nm³ Methan/t oTS) entlang der Verweilzeit (35 d) im Batch-Versuch des HBT für die Sportplätze

Abbildung 52: Spezifischer Methanertrag (Nm³ Methan/t oTS) entlang der Verweilzeit (35 d) im Batch-Versuch des HBT für die Wiesen

Abbildung 53: Spezifischer Methanertrag (Nm³ Methan/t oTS) entlang der Verweilzeit (35 d) im Batch-Versuch des HBT für die Mischproben

Abbildung 54: Spezifischer Methanertrag (Nm³ Methan/t oTS) entlang der Verweilzeit (35 d) im Batch-Versuch des HBT für die Gewässer

Abbildung 55: Spezifischer Methanertrag und Methangehalt der Mahdtermine für die 4-schürigen Wiesen

Abbildung 56: Spezifischer Methanertrag und Methangehalt der Mahdtermine für die Sportplätze ... 74

Abbildung 57: Spezifischer Methanertrag und Methangehalt der Mahdtermine für die Mischproben. 75

Abbildung 58: Box-Whisker-Plot aus den zusammengefassten Methanerträgen (n = 3 HBT-Ergebisse) für die Nutzungstypen (p = 0,0004)

Abbildung 59: Anhand des HBT ermittelten mittleren spezifischen Biogaserträge und Methangehalte für die 4-schürigen Wiesen zu den einzelnen Mahdterminen

Abbildung 60: Anhand des HBT ermittelten mittleren spezifischen Biogaserträge und Methangehalte für die Sportplätze (Sp.) zu den einzelnen Mahdterminen

Abbildung 61: Anhand des HBT ermittelten mittleren spezifischen Biogaserträge und Methangehalte für die Mischproben zu den einzelnen Mahdterminen

Abbildung 62: Box-Whisker-Plot aus den zusammengefassten Biogaserträgen der 3 Untersuchungstermine für die Nutzungstypen

Abbildung 63: Spezifischer Methangehalt in Abhängigkeit des Rohfasergehaltes für den Wiesengrünschnitt

Abbildung 64: Methangehalt in Abhängigkeit des Rohproteingehaltes für den Wiesengrünschnitt

Abbildung 65: Spezifischer Methangehalt in Abhängigkeit des Rohfasergehaltes in der TS für den Grünschnitt von den Sportplätzen

Abbildung 66: Spezifischer Methangehalt in Abhängigkeit des Rohproteingehaltes in der TS für den Grünschnitt von den Sportplätzen

Abbildung 67: Spezifischer Methangehalt in Abhängigkeit des Rohfasergehaltes in der TS für den Grünschnitt aus den Mischproben

Abbildung 68: Spezifischer Methangehalt in Abhängigkeit des Rohproteingehaltes in der TS für den Grünschnitt aus den Mischproben

Abbildung 69: Spezifischer Methangehalt in Abhängigkeit des Rohfasergehaltes in der TS, ermittelt über alle Stichproben der Wiesen (p = 0,3, r² = -0,36)

Abbildung 70: Spezifischer Methangehalt in Abhängigkeit des Rohproteingehaltes in der TS, ermittelt über alle Stichproben der Wiesen (p = 0,18, r² = 0,47)

Abbildung 71: Spezifischer Methangehalt in Abhängigkeit des Rohfasergehaltes in der TS, ermittelt über alle Stichproben der Sportplätze (p = 0,06, r² = -0,66)

Abbildung 72: Spezifischer Methangehalt in Abhängigkeit des Rohproteingehaltes in der TS, ermittelt über alle Stichproben der Sportplätze (p = 0,09, r² = 0,59)

Abbildung 73: Spezifischer Methangehalt in Abhängigkeit des Rohfasergehaltes in der TS, ermittelt über alle Stichproben der Mischproben (p = 0,62, r² = 0,18)

Abbildung 74: Spezifischer Methangehalt in Abhängigkeit des Rohproteingehaltes in der TS, ermittelt über alle Stichproben der Mischproben (p = 0,32, r² = -0,35)

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Substrat-Potenzial aus Grünlandüberschussflächen

Tabelle 2: Theoretische und technische Potenziale für verschiedene Nutzungstypen in Deutschland, verändert nach KNAPPE et al. (2007) und SRU (2007)

Tabelle 3: Potentiell zur Verfügung stehende Biogaserträge aus verschiedenen Substraten

Tabelle 4: Inhaltsstoffe von Biogas (Durchschnittswerte) aus KALTSCHMITT et al. (2009)¹, WEILAND (2001)² und ROMMEIß et al. (2006)³

Tabelle 5: Umsetzungsprodukte und die daran beteiligten Mikroorganismen bei der Hydrolyse, nach GRONAUER et al. (2004)

Tabelle 6: Umsetzungsprodukte und die daran beteiligten Mikroorganismen bei der Acidogenese, nach GRONAUER et al. (2004)

Tabelle 7: Umsetzungsprodukte und die daran beteiligten Mikroorganismen bei der Acetogenese, nach GRONAUER et al. (2004)

Tabelle 8: Umsetzungsprodukte und die daran beteiligten Mikroorganismen bei der Acetogenese, nach GRONAUER et al. (2004)

Tabelle 9: EEG-Regelung der Vergütung von Strom aus Biomasse in ct/kWh Strom für die einzelnen Novellierungen der Jahre 2000 bis 2011

Tabelle 10: Gesetze und Regelungen zum Umgang mit Gärresten, nach FNR (2011)

Tabelle 11: Grenzwerte der Schwermetallgehalte für eine zulässige Verwertung in [mg/kg TS]

Tabelle 12: Geographische Koordinaten der Untersuchungsgebiete

Tabelle 13: Monatliche Niederschlags- und Temperaturmittelwerte im Jahr 2011

Tabelle 14: Monatsmittel der Lufttemperatur für Januar und Juli in der Periode von 1881-1930, Jahresschwankungen der Lufttemperatur, jährliche Niederschlagsmenge und Zahl der Tage mit Schneedecke, nach DWD (1953)

Tabelle 15: Nutzbare Flächengrößen, Schnittfrequenz und Düngemanagement für die einzelnen Nutzungstypen in Schwäbisch Hall

Tabelle 16: Grünlandtypen und deren Einordnung in Baden-Württemberg, verändert nach OPPERMANN & BRIEMLE (2009)

Tabelle 17: Literaturwerte für Trockensubstanzgehalt, organische Trockensubstanzgehalt, Methangehalt und Biogasertrag bezüglich Wiesen und Grünlandübergangsbereiche (verändert nach THRÄN et al. 2009)

Tabelle 18: Literaturwerte für Trockensubstanzgehalt, organische Trockensubstanzgehalt, Methangehalt und Biogasertrag bezüglich öffentlicher Grünflächen und Anlagen (verändert nach THRÄN et al. 2009)

Tabelle 19: Erfahrungswerte für die Größe von Aufnahmeflächen in Pflanzengemeinschaften Mitteleuropas, ohne aquatische Vegetation

Tabelle 20: SCHMIDT-Skala (1974) im Vergleich zur BRAUN-BLANQUET- (1964) und REICHELT & WILMANNS-Skala (1973), verändert nach PFADENHAUER (1997)

Tabelle 21: Referenzmethode für Ganzpflanzen, verändert nach VDLUFA (1997¹ ), 2001)

Tabelle 22: Für die Berechnung der Methan- und Biogaserträge für die 4-schürigen Wiesen

Tabelle 23: Für die Berechnung der Methan- und Biogaserträge für die Sportplätze, Straßenränder und die Gewässerrandstreifen verwendete Verdaulichkeitskoeffizienten von künstlich getrocknetem Gras

Tabelle 24: Spezifischer Biogasertrag, Methangehalt und Heizwert organischer Stoffe

Tabelle 25: Berechnung der Bruttoenergie und der umsetzbaren Energi

Tabelle 26: Skala und Bedeutung der ökologischen Ellenberg-Zeigerwerte

Tabelle 27: Wertezahl nach KLAPP et al. (1953) und Futterwertzahl nach BRIEMLE (1996)

Tabelle 28: Einstufung der Mahd- (M), Tritt- (T) und Weideverträglichkeit (W)

Tabelle 29: Mahdverträglichkeit in Bezug zur Schnitthäufigkeit und zum Vegetationstyp

Tabelle 30: Für die Pflanzenarten der Wiesen und Sportplätze zugeordnete soziologische Schwerpunkte, nach DIERSCHKE & BRIEMLE (2002)

Tabelle 31: Gesamt-Artenzahlen für die untersuchten Nutzungstypen

Tabelle 32: Mittlere und gewichtete (in Klammern) Wertigkeitszahlen für die verschiedenen Nutzungstypen

Tabelle 33: Assoziations- (A), Verbands- (V) und Klassencharakterart (K) von Festuco commutatae- Crepidetum capillaris, nach SCHUBERT et al. (2010)

Tabelle 34: Verbands- (V), Klassencharakter- (K) und Trennart (T) von Lolietum perennis, nach SCHUBERT et al. (2010)

Tabelle 35: Verbands- (V) und Trennart (T) von Tanaceto vulgaris-Arrhenatheretum elatioris, nach SCHUBERT et al. (2010)

Tabelle 36: Korrigierte (korr.) Methangehalte, Mittelwerte (MW) und deren Standardabweichung (SD) für den spezifischen (Sp.) Gasertrag [Nm³/t oTS]

Tabelle 37: Gemittelte (Minimum- und Maximumwert) Biomasse-, Methan- und Biogaserträge sowie die sich daraus ergebenden flächenspezifischen Biogas- und Methanerträge für den jeweiligen Nutzungstyp und Mahdhäufigkeit

Tabelle 38: Gemittelte (Minimum- und Maximumwert) erhobene Biomasseerträge

Tabelle 39: Gemittelter (Minimum-Maximumwert) HBT-Biogaswert, berechneter Biogaswert

Tabelle 40: Gemittelter (Minimum-Maximumwert) erhobener HBT-Wert, berechneter Methanwert und Literaturdaten zu dem zu erwartenden Methanertrag für verschiedene Mahdhäufigkeiten und Nutzungstypen

Tabelle 41: Mittels des HBT gemessene mittlere spezifische Biogas- und Methanerträge (grau unterlegt) im Vergleich mit den berechneten Biogas- und Methanwerten, für die Sportplätze zu den einzelnen Mahdterminen, (Abweichung [%] des erhobenen gegenüber dem berechneten Wert)

Tabelle 42: Mittels des HBT gemessene Biogas- und Methanerträge (grau unterlegt) im Vergleich mit den berechneten Biogas- und Methanwerten, für die 4-schürigen Wiesen zu den einzelnen Mahdterminen

Tabelle 43: Mittels des HBT gemessene Biogas- und Methanerträge (grau unterlegt) im Vergleich mit den berechneten Biogas- und Methanwerten, für den gemischten kommunalen Grünschnitt zu den einzelnen Mahdterminen

Tabelle 44: Berechnete Biogas- und Methanerträge für die klassifizierten (K) und nicht klassifizierten (NK) Straßenrandstreifen zu den einzelnen Mahdterminen

Tabelle 45: Mittels des HBT gemessene Biogas- und Methanerträge (grau unterlegt) im Vergleich zu den berechneten Biogas- und Methanwerten, für die Gewässerrandstreifen zum einmaligen Probenahmetermin am 03.08.11

Tabelle 46: Zusammengefasste berechnete und erhobene Biogas- und Methanausbeuten der Untersuchungsflächen mit der gleichen Nutzungsintensität, zusätzlich wurden die Korrelationen (r) zwischen den berechneten und erhobenen Daten dargestellt

Tabelle 47: Faktoren für Biomasse- und Biogaserträge zur Berechnung der Potenziale

Tabelle 48: Flächengröße und Mahdhäufigkeit der Sportplätze sowie die aufs Jahr bezogenen summierten Frischmasseerträge der Platzwarte [m³ FM/a[1]) und t FM/ha*a² )], kumulierte erhobene Biomasseerträge [g TS/m[3]) und m³ TS/ha*a⁴ )] und die Biomasse- und Biogaserträge je Sportplatz

Tabelle 49: Gesamtbiomasse- und Biogaserträge von öffentlichen Grünflächen, nach Gemeinde und Schnitthäufigkeit.¹ )Literaturangaben,² )erhobene Daten

Tabelle 50: Biomasse- [t TS/a] und Biogaserträge [m³ TS/a] (Faktoren für die Hochrechnung siehe Tabelle 47)

Tabelle 51: Maximales und momentan zur Verfügung stehendes theoretisches Potenzial sowie das technische und aktuell genutzte Potenzial für die verschiedenen Nutzungstypen in Schwäbisch Hall und der Untersuchungsgemeinden

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Glossar

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zusammenfassung

Global und national ist landwirtschaftliche Fläche heute knapp. Durch den zunehmenden landwirtschaftlichen Energiepflanzenanbau entstehen Flächenkonkurrenzen zur Nahrungsmittelproduktion. Eine Möglichkeit, diesen Konflikt zu mindern, ist die energetische Verwertung von Grünschnittabfall aus öffentlichen Flächen. Diese Arbeit befasst sich mit der quantitativen Analyse der Biomasseerträge und der Ermittlung der spezifischen Biogas- und Methanerträge von kommunalen Grünflächen im Landkreis Schwäbisch Hall in Baden- Württemberg. Ziel der Arbeit war die Schließung der Datenlücken im Hinblick auf Potenzialabschätzungen von intensiv und extensiv genutzten Grünlandflächen und der kommunalen Grünflächen. Erfasst wurden Biomasse-, Biogas- und Methanerträge oder nur Biomasseerträge. Bei den untersuchten kommunalen Grünflächen wurde zwischen Wiesen mit geringer Nutzungsintensität (keine Düngung, viermalige Mahd) und extensiv genutzten Flächen (jährliche Düngung, 22-25-Mahdtermine) unterschieden. Die untersuchten extensiven Grünlandflächen umfassen insbesondere Landschaftspflegeaufwuchs sowie Straßen- und Gewässerrandstreifen. Das beprobte Substrat wurde nach der Trockensubstanzbestimmung anhand des Hohenheimer Biogasertragstests (HBT) auf spezifische Biogas- und Methanerträge sowie auf Rohnährstoffe mittels Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIRS) analysiert. Die gemessenen Biomasse-, Biogas- und Methanerträge wurden mit verfügbaren Literaturwerten verglichen und diskutiert . Hierbei wurde festgestellt, dass die erhobenen mittleren Biomassewerte im Vergleich zu den Literaturwerten bei Gewässerrandstreifen um 34%, bei Sportplätzen um 14% und bei Straßenrandstreifen um 23% höhere Erträge ergaben. Hingegen liegen die mittleren Biomasseerträge der 4-schürigen Wiesenflächen um 233% unter den entsprechenden Literaturangaben. Ergänzend zu den Messungen wurden die Biogas- bzw. Methanerträge auf Grundlage der Substratrohnährstoffe und Verdauungskoeffizienten der DLG-Futterwerttabelle (UNIVERSITÄT HOHENHEIM 1997) und mit Hilfe des Berechnungsmodells nach KEYMER & SCHILCHER (1999) berechnet. Die errechneten Werte wurden mit den erhobenen spezifischen Biogas- und Methanerträgen verglichen. Die berechneten Biogas- bzw. Methanerträge liegen bei den Sportplätzen und 4- schürigen Wiesen durchschnittlich um 21% bzw. 9% unter den erhobenen Daten. Dagegen ergaben sich aus den Berechnungen bei Mischproben von öffentlichen Grünflächen und Gewässerrandstreifen um 4% bzw. 12% höhere Werte. Auf Grundlage der erhobenen Biomasse- und Biogaserträge wurden für die Gemeinden in Schwäbisch Hall die theoretisch maximal zur Verfügung stehenden Biomasse- und Biogaserträge berechnet. Insgesamt ergab sich für den Landkreis Schwäbisch Hall aus allen untersuchten Nutzungstypen ein jährliches theoretisches Biomassepotenzial von 12.698 t halmgutartigen Grünschnitt und ein Biogaspotenzial von ca. 8,3 Mio. m³. Davon können in Schwäbisch Hall momentan aufgrund der eingeschränkten Nutzbarkeit (z. B. benötigen einige Flächen spezielle Mähausrüstungen zur Erschließung des Landschaftspflegeaufwuchses) schätzungsweise 1% des Biomassepotenzials und 8% des Biogaspotenzials technisch genutzt werden.

Schlüsselwörter: Biogaspotenzial, Biomassepotenzial, Gewässerrandstreifen, Grünschnitt, kommunale und öffentliche Grünflächen, Landschaftspflegeaufwuchs, Methanerträge, Straßenrandstreifen, theoretisches, technisches und ökonomisches Potenzial

Abstract

Biomass production for energy purposes on agricultural land competes with food production.

This is a serious problem, considering limited availability of farmland, rising demand for varied food products, demand for more organic crop production resulting in considerably reduced yields per area and the need for more environmentally sound agricultural practices meeting long-term sustainability criteria. Residual land currently not used for agricultural production has been considered a promising resource, but in terms of potentials difficult to estimate for biomass for use in the energy sector. Biomass potentials associated with “green waste” from residual grasslands were assessed for Schwäbisch Hall County in the Federal State of Baden-Württemberg, Germany. Roadside verges, conservation grasslands subject to low intensity use (landscape maintenance sites), riparian stretches along ditches and streams, and municipal green spaces (public lawns, parks and sports fields) were the area types considered. Data for biomass and biogas yields were obtained through sampling and the help of the Hohenheimer Biogasertragstests (HBT) and near infrared spectroscopy (NIRS). These values were compared with available values from literature and based on the DLG- Futterwerttabelle (UNIVERSITÄT HOHENHEIM 1997) calculated with the help of the model of KEYMER & SCHILCHER (1999). It was found that mean biomass yields exceeded literature values by 34% for riparian stretches, 14% for sports fields and 23% for roadside verges. For municipal grasslands mean biomass yields were 233% below literature values. Taken into account the calculation model of KEYMER & SCHILCHER (1999), biogas yields for sports fields and municipal grasslands were 21% and 9% respectively, below the obtained values. For a composite sample and riparian stretches, calculated values were 4 and 12% higher than the obtained values. Based on the obtained values the maximum available biomass and biogas yields were estimated for the communities. This implies a yearly biomass potential of all land types in the district of Schwäbisch Hall of 12.692 t and a biogas potential of approximately 8,3 Mio. m³/oTS. The results suggest that a very high percentage of the theoretical residual biomass potential cannot be accessed due to various technical, legal, ecological or management (economic) constraints. Current use of residual biomass in the model communities did not exceed 1% of the theoretical potentials, for biogas this value was 8%. Due to the high unexploited potential communities should exploit this potential.

Keywords: biogas production, biogas yields, biomass of grassland, green waste, methane, municipal green spaces, public lawns, roadside verges, theoretical, technical and economic potentials

1 Einleitung

Der jährliche Primärenergie-Verbrauch in Deutschland lag 2011 bei 14.252 J, dies entspricht 2,8% des globalen Primärenergie-Verbrauches von 509.000 J/a (GERMAN NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES LEOPOLDINA 2012). Derzeit verbraucht die Menschheit ungefähr 25% mehr Ressourcen als die Erde im gleichen Zeitraum wiederherstellen kann. Insgesamt stieg der ökologische Fußabdruck (siehe Glossar) des globalen Energiekonsums seit 1960 um 700%. Bei gleichbleibendem Tempo des Verbrauches an natürlichen Ressourcen prognostiziert NIEDERMAIER (2007), dass die Menschheit im Jahr 2050 die Ressourcen von 2 Planeten benötigen wird.

Die globale Erwärmung und die Abnahme der fossilen Energieträger fordern ein Umdenken im Umgang mit den begrenzten Energiereserven. Im Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (ERNEUERBARE-ENERGIEN-GESETZ, EEG 2012) werden die Verhinderung bzw. Minimierung der globalen Erwärmung und die Ablösung der fossilen Energieträger durch erneuerbare Energien als Ziele festgeschrieben. Zur Reduktion der CO2-Emissionen gewinnt die Energiegewinnung aus klimaneutralen Rohstoffen wie die Verwertung von Biomasse eine immer bedeutendere Rolle. Vor allem die flexible Nutzung von Biomasse (Wärmeproduktion, Elektrizität, Gas oder flüssiger Brennstoff) und deren Speicher- und Transporteigenschaften machen eine Verwertung attraktiv (KOCH et al. 2007).

Die Bundesregierung plant bis 2020 den Anteil an regenerativen Energien am Primärenergieverbrauch auf mindestens 10% und bei der Strombereitstellung auf mindestens 35% zu erhöhen (ENERGIEZENTRUM 2010). Bis 2050 soll sogar die Hälfte des deutschen Primärenergieverbrauchs aus regenerativen Quellen stammen. Die Energiegewinnung aus Biomasse gewinnt daher zunehmend an Bedeutung, 2010 belief sich der Anteil der erneuerbaren Energien auf 16,8% (ENERGIEZENTRUM 2010).

Von der oberirdischen Biomasse werden vom Menschen jährlich etwa 14 Mio. t Kohlenstoff in Form von Holz und 53 Mio. t Kohlenstoff (C) als Biomasse von Feldern und Wiesen geerntet, wobei 20 Mio. t C als Stroh auf den Feldern anfallen (GERMAN NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES LEOPOLDINA 2012). Von den 53 Mio. t C werden 90% für Nahrungsmittel, Tierfutter und für industrielle Produkte genutzt, die restlichen 10% stehen als Energiequelle zur Verfügung, im Wesentlichen sind das pflanzliche Reste mit einem Brennwert von weniger als 0,2 x 1018 J. Dies entspricht weniger als 1,5% des deutschen Primärenergie-Verbrauchs (GERMAN NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES LEOPOLDINA 2012). Im Jahr 2010 wurden durch massive Biomasse-Importe ungefähr 7% des deutschen Primärenergie-Verbrauchs durch die energetische Nutzung von Biomasse und Abfällen gedeckt (GERMAN NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES LEOPOLDINA 2012). Die in Deutschland gewachsene Biomasse hätte lediglich 3% des Primärenergie-Verbrauches nachhaltig abdecken können (GERMAN NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES LEOPOLDINA 2012). Somit ist auch das EU-2020-Konzept dringend zu überdenken, dass darauf abzielt, möglichst 10% des Treibstoffes für Transportzwecke aus Biomasse bereitzustellen (EEG 2009). Der Anbau von Energiepflanzen ist mit erheblichen Auswirkungen auf die Umwelt verbunden. Der Boom des Energiepflanzenanbaus treibt die Pacht- und Flächenpreise der Agrarflächen auf ein Rekordhoch. Viele Landwirte mit ökologischer Bewirtschaftung sind aus ökonomischen Gründen gezwungen, wieder auf konventionelle Bewirtschaftung umzustellen, der Verband Bioland beklagt die Verdrängung des ökologischen Landbaus durch die EEG-Biogas-Förderung (BIOLAND 2012).

Aufgrund der erwähnten Konkurrenz des Energiepflanzenanbaus mit der Nahrungsmittelerzeugung werden Diskussionen laut wie „Erst der Teller, dann der Tank“ (vgl. WHO 2012). An diesen Nutzungskonflikten und der Problematik der Flächenkonkurrenz setzt das Projekt „Mikro-Biogas“ an. Dieses Projekt befasste sich mit der Entwicklung regionaler Konzepte zur nachhaltigen Erschließung biogener Reststoffe (Restschnittgut) für eine dezentrale Mikro-Biogasproduktion auf der Ebene von Gemeinden und Landkreisen. Unter biogenen Reststoffen versteht man Grünschnitt, der nicht landwirtschaftlich angebaut und verwertet wird. Dazu zählen Aufwüchse von Grünland, dass aus der Realnutzung ausgeschieden ist, Grünschnitt von Vertragsnaturschutzflächen, Straßenrändern, Uferrandstreifen oder von kommunalen Rasenflächen wie Sport- oder Spielplätzen. Da diese biogenen Reststoffe derzeit entweder entsorgt, kompostiert oder nach dem Mähen liegen gelassen (Mulchschnitt) werden, bestehen für deren energetische Verwertung keine Nutzungskonkurrenzen. Prinzipiell können ungenutzte Biomasse-Fraktionen von öffentlichen Grünflächen, die bisher aufgrund ihres geringen ökonomischen Nutzens entweder entsorgt oder zur Mulchung dienten, energetisch in Biogasanlagen verwertet werden. Auf Restschnittgut basierende Biogaskonzepte bedürfen einer angepassten Potenzialerhebung und Logistik. Aktuell gibt es wenig Literatur zur Abschätzung des Biogaspotentials öffentlicher Grünflächen. Die Mehrzahl der Publikationen zu Biogaserträgen bezieht sich auf den Energiepflanzensektor.

Modellhaft wurden entsprechende Biomasse- und Biogaspotentiale im Landkreis Schwäbisch Hall untersucht. Als potentielle Quellen für bisher nicht genutzte Restschnittgutpotenziale wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Straßenbegleitgrün und Grünschnitt von kommunalen Grünflächen (Spielplätze und Sportplätze sowie sonstige kommunale Grünflächen) betrachtet. Die Erhebungen zur Ermittlung der Biomasse- und Biogaserträge erfolgte nach Ermittlung des höchsten Flächenpotenzials im Landkreis Schwäbisch Hall (SHA) in den Gemeinden Schrozberg, Rot am See und Blaufelden.

Die Beurteilung und Messung des Biomassepotenzials von öffentlichen Grünflächen und Straßenrandstreifen wird mit Hilfe des Biomasseertrages, des spezifischen Methanbildungsvermögen sowie des Methanhektarertrages vollzogen. Außerdem sind die Mahdhäufigkeit und der Erntezeitpunkt eine wichtige Bewertungsvariable zur Einschätzung des Biomassepotenzials.

2 Einführung in das Themengebiet Biogas

Heute nimmt Grünland in der globalen Landwirtschaft mit einer Gesamtfläche von 3,4*10⁹ ha, das 69% der landwirtschaftlich betriebenen Fläche bzw. 26% der Gesamtfläche ausmacht, eine zentrale Rolle ein (RÖSCH et al. 2006). Die Grassilage als Ausgangsmaterial zur Biogaserzeugung stellt in Deutschland und Österreich mit über 50% das zweithäufigste Substrat nach Mais dar (HOPFNER-SIXT 2007, WEILAND 2006).

2.1 Geschichte der Biogasgewinnung

In der Natur entsteht Biogas unter anaeroben Bedingungen durch den bakteriellen Abbau von organischer Substanz. Die erste Entdeckung von Methan im Sumpfgas erfolgte 1776 durch den italienischen Forscher VOLTA. Bereits 1888 entwickelte Gayon das heute in Biogasanlagen praktizierte Prinzip, als er Gas verbrannte, dass er bei einer Temperatur von 35°C aus Mist und Wasser gewonnen hatte. Erst 1920 hatte Imhoff die Idee, einen gasdichten Behälter mit vergärbarer Substanz zu beschicken. Jedoch kam die Weiterentwicklung der Biogasgewinnung im Jahre 1960 aufgrund der niedrigen Erdölpreise zum Erliegen. Die Entwicklung der Innovation zur Gewinnung von Energie aus Biogas wurde zwar durch die Erdölgewinnung verlangsamt, nach den beiden Ölkrisen 1980 indes wieder aufgenommen. Vor dem heutigen Biogasboom und der damit verbundenen Verwertung von Energiepflanzen wurden die ersten Biogasanlagen hauptsächlich mit Gülle und Bioabfällen beschickt (BRUNNMAYR & KIRCHMEYER 2005). Gegenwärtig stellen Gülle und Bioabfälle nur geringe Mengen der verwertbaren Substanzen in den Biogasanlagen dar.

2.2 Derzeitiger Stand der Biomassenutzung

Die Vorteile aus der Nutzung von Restschnittgut sieht das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit in der Verringerung von Flächenkonkurrenzen zur Nahrungsmittelherstellung und in der Einsparung von Treibhausgas-Emissionen. Dazu kommentierte Staatssekretär BLESER (2011), dass durch den Ersatz fossiler Brennstoffe jedes Jahr Treibhausgas-Emissionen von gut 36 Mio. t eingespart werden. Außerdem möchte man auch den Naturschutzansprüchen gerecht werden. Josef Göppel (THOSS 2010) sieht in der Verwertung von Restschnittgut die nicht vorhandene Konkurrenz um Ackerflächen, die günstige Klimabilanz und die vermeidbaren Konflikte mit den Zielen des Naturschutzes als positive Argumente. Der Grünschnitt von Streuwiesen wäre aufgrund des späten Mähzeitpunktes besonders für Trockenfermentationsanlagen geeignet (THOSS 2010).

Die EEG-Novellierung 2012 hat nach Ansicht des Landwirtschafts- und Umweltministers von Sachsen-Anhalt (Dr. Hermann Onko Aeikens) nichts an dem Konflikt zwischen Nahrungsmittelerzeugung und Biogasproduktion geändert (TOPAGRARONLINE 2011). Die Problematik besteht darin, argumentiert Dr. Aeikens, dass Deutschland wie kein anderes Land in Europa die Biogasproduktion hoch subventioniert (TOPAGRARONLINE 2011). Die Tendenz zur „Vermaisung“ der Landschaft ist weiterhin gegeben (TOPAGRARONLINE 2011). Dabei finden sich die Hauptmaisanbaugebiete in Deutschland mit einer Anbaufläche von 607.800 ha in Niedersachsen und mit einer Fläche von 523.00 ha in Bayern. Das Deutsche Maiskomitee (DMK) berichtet, dass 2011 auf 2,51 Mio. ha Mais angebaut wurde und dies einem Flächenzuwachs von 9,6% gegenüber 2010 entspricht. Die Mais-Monokulturen sind vor allem deshalb so problematisch, da sie maßgeblich zu einem Verlust an genetischer- und ökosystemarer Vielfalt beitragen (WALDHARDT et al. 2011). Für Dr. Aeikens liegt das Ziel in einer erneuten Novellierung des EEG mit Ausrichtung auf die Verwertung von Reststoffen in Biogasanlagen (TOPAGRARONLINE 2011).

Die Förderlandschaft in Deutschland ist derzeit durch ein groteskes Missverhältnis zwischen dem Bioenergiesektor und dem Landschafts- bzw. Naturschutzsektor gekennzeichnet. In Deutschland wurden z. B. 2010 insgesamt 4,2 Milliarden €/Jahr Subventionen in Biomasse investiert (BDEW 2010). Dem stehen deutlich geringere bis fast völlig fehlende Aufwendungen für den Schutz von Biodiversität und Landschaften gegenüber. Allein im Bundesland Baden-Württemberg werden jährlich 453 Mio. Euro an Subventionen für die Erzeugung von Biogas ausgeschüttet (BDEW 2010). Dagegen stehen für den über die Landschaftspflegerichtlinie geförderten Vertragsnaturschutz nur Fördermittel in Höhe von knapp 27 Mio. Euro zur Verfügung (LANDTAG BADEN-WÜRTTEMBERG 2007). Dabei gilt Baden-Württemberg als Vorreiter für entsprechende Umwelt- und Naturschutzprogramme (LPR, PLENUM). In vielen Bundesländern sind die Förderprogramme mit deutlich weniger Mitteln im Naturschutz ausgestattet oder wurden im Zuge von Einsparungsmaßnahmen sogar fast völlig gestrichen (HAAS 2007).

Für 2020 (51 TWh) geben NITSCH & WENTZEL (2009) gegenüber 2008 (27 TWh) eine Verdopplung der Stromerzeugung aus Biomasse an (biogene Reststoffe eingeschlossen). Das BMU-Leitszenario von 2009 strebt bis 2020 eine Erhöhung des Beitrages der Biomasse zur Wärmeversorgung von 97 TWh (entspricht 94% des Gesamtbeitrages der erneuerbaren Energien zur Wärmeversorgung im Jahr 2008) auf 148,2 TWh an (SCHÜMANN et al. 2011). Anhand dieser Erwartungen berechneten DOYLE & SCHÜMANN (2010) für 2050 einen Flächenbedarf von 25% der Ackerfläche in Deutschland (4,2 Mio. ha). Die Auswirkungen des Biomasseanbaus lassen sich auch an dem Rückgang der Stilllegungsflächen von 648.200 ha (2007) auf 310.000 ha (2008) beobachten (STATISTISCHES BUNDESAMT 2008).

Nach der FACHAGENTUR NACHWACHSENDE ROHSTOFFE E. V. (2012) lag 2011 die Anzahl der Biogasanlagen bei 7.215 und sollte laut Prognose bis Ende 2012 auf 7.521 ansteigen. Dabei nahm die installierte elektrische Leistung (Mwel) innerhalb von 10 Jahren von 111 Mwel. auf 2.904 Mwel. im Jahr 2011 zu und wird für 2012 auf 3.185 Mwel. beziffert (FNR 2012).

Dass eine alleinige Inbetriebnahme einer Biogasanlage mit Grünschnitt bei dem gegenwärtigen Stand der Technik noch nicht rentabel ist, zeigte die Pilotanlage in Schaffhausen. Dabei sollten Gräser und die daraus resultierenden 4.400 t Trockensubstanz auf einer Fläche von 600 ha energetisch verwertet werden. Aufgrund von Problemen in der Graswaschung, Trocknung und der fehlenden Eiweißtrennung meldete die Bioenergie Schaffhausen AG nach knapp 2 Jahren Betrieb im Juli 2003 Konkurs an (HandelsregisterPublikationen SHAB 138/2003, BAIER & DELAVY 2002).

Unter welchen Bedingungen lohnt sich eine energetische Verwertung von Grünschnitt? ROMMEIß et al. (2006) ermittelte eine rentable Nutzung bei hohen Bergungsmengen, einer guten Anlagenausnutzung und einer im Verbund zentralisierten Ausschöpfung. Derzeit werden in Baden-Württemberg ca. 700.000 t Grassilage in landwirtschaftlichen Biogasanlagen eingesetzt. Das bedeutet, dass ungefähr 27.500 Hektar Grünlandfläche zu Biogas verwertet werden.

2.3 Potenzial des Grünlandes in Deutschland und speziell in Baden-Württemberg

Nach den Prognosen von RÖSCH et al. (2006) wird Baden-Württemberg im Jahr 2015 über 167.000 ha Überschussgrünland verfügen (siehe Tabelle 1). Dies entspricht 26% der Dauergrünlandfläche, die dann nicht mehr für die Tierfütterung benötigt werden. Jedoch fallen Flächen mit einer Hangneigung von über 25%, Streuobstwiesen, Nasswiesen und Magerrasen in Folge des hohen Bergungsaufwandes oder aufgrund geringer Erträge aus dem Flächenpotential heraus. Somit könnten noch 64.000 ha (38% des überschüssigen Grünlandes) für die Biogasgewinnung genutzt werden (siehe RÖSCH et al. 2006).

Tabelle 1: Substrat-Potenzial aus Grünlandüberschussflächen, verändert nach RÖSCH et al. (2006)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei der Verwertung des gesamten überschüssigen Grünlandaufwuchses von 64.000 ha (Tabelle 1) könnten nach RÖSCH et al. ca. (2006) 335 GWh Strom erzeugt werden. Damit hätte man 2006 0,5% des Stromverbrauches in Baden-Württemberg gedeckt (RÖSCH et al. 2006).

Der Grünlandpflege sind finanzielle Grenzen gesetzt. Als Alternative zur Nutzungsaufgabe bietet sich vor diesem Hintergrund die energetische Verwertung, ggf. unterstützt mit Fördermitteln des Naturschutzes an. Die energetische Verwertung von Landschaftspflegematerial könnte durch die Pflege nutzungsabhängiger Biotope (z. B. Feldgehölze, Raine, Hecken und Extensivgrünland) Chancen für den Naturschutz bieten. Es können dann extensiv bewirtschaftete Grünflächen weiterhin als Rückzugsräume für gefährdete Arten dienen (KORNECK et al. 1998).

Laut HEIERMANN et al. (2007) stellen in Deutschland 29% der landwirtschaftlichen Nutzfläche Grünland dar. Für Baden-Württemberg betragen nach HEIERMANN et al. (2007) die Flächenanteile des Grünlandes 26%.

RÖSCH (1997) weist für Baden-Württemberg auf 900.000 t Grünschnitt von Naturschutz- und Biotopflächen hin. Nach Schätzungen des DEUTSCHEN RATES FÜR LANDESPFLEGE E. V. (2006) und KNAPPE et al. (2007) ergeben sich pro Jahr für Deutschland 1,9 Mio. t Trockensubstanz aus der Landschaftspflege (Biotop- und Naturschutzflächen) (Tabelle 2). Nach dieser Einschätzung könnte das Landschaftspflegegut 0,5-2% des Potenzials aus dem Anbau von nachwachsenden Rohstoffen ausmachen (Annahme 10% der Ackerfläche werden für den Anbau nachwachsender Rohstoffe genutzt).

Tabelle 2: Theoretische und technische Potenziale für verschiedene Nutzungstypen in Deutschland, verändert nach KNAPPE et al. (2007) und SRU (2007)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In Deutschland ergibt sich laut KALTSCHMITT & MERTEN (2001) ein potenzieller Gasertrag von 270-540 Mio. m³/a aus Landschaftspflegematerialien (siehe Tabelle 3). Bei einem Endenergieverbrauch von 9.288 PJ/a Primärenergie kann damit aus Abfallstoffen ein Anteil von 4,6% des Primärenergiebedarfs abgedeckt werden (Tabelle 3). Mit Landschaftspflegematerial allein könnten nur 0,08% des Primärenergiebedarfs abgedeckt werden (Tabelle 3, KALTSCHMITT & MERTEN 2001). Als Vergleich bringt der Energiepflanzensektor bei der Annahme einer verfügbaren Ackerfläche von 2 Mio. ha in Deutschland etwa 11.100 Mio. m³/a.

Tabelle 3: Potentiell zur Verfügung stehende Biogaserträge aus verschiedenen Substraten, nach KALTSCHMITT & MERTEN (2001)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.4 Zukunft der Bioenergie

In Deutschland beträgt nach FRITSCHE & WIEGMANN (2005) das gesamte Energiepotenzial aus Biomasse rund 2000 PJ. Für 2030 berechneten FRITSCHE & WIEGMANN (2005) einen Biomasseanteil am Primärenergiebedarf von 8 bis 14%. Dem steht für die Energiequellen Geothermie, Sonne, Windkraft und Wasserkraft ein Anteil von 9% gegenüber. Insgesamt wird das Potenzial an Primärenergie aus Reststoffen bis 2030 auf 800 PJ beziffert, dies entspicht 9% des Primärenergiebedarfs (9.288 PJ/a) (FRITSCHE & WIEGMANN 2005).

Neue Möglichkeiten zur rentablen Nutzung von Grünschnitt aus extensiver Nutzung könnten die zur Zeit noch in der Entwicklung befindenden Verfahren wie die Trockenvergärung (siehe OECHSNER 2005) oder die Bioraffinerie bieten (RODE 2005 a). Außerdem wären in Zukunft Verfahren der integrierten Festbrennstoff- und Biogasproduktion aus Biomasse (IFBB) zunehmend denkbar. Die GERMAN NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES LEOPOLDINA (2012) sieht in der Gewinnung organischer Bausteine aus Biomasse, die für chemische Synthesen benötigt werden und die bisher petrochemisch hergestellt worden sind, ein zukunftsfähiges Modell. Laut FRITSCHE et al. (2004) wird jedoch auch in 10 bis 20 Jahren die Nutzung der Biomasse-Reststoffe aufgrund ihrer Stoffeigenschaften und Nutzungstechnologien ortsgebunden erfolgen.

RODE (2005 b) weist darauf hin, dass sich demnächst vor allem die Biomasse von eutrophen Standorten zur energetischen Verwertung über die Kofermentation eignen könnte. Hierbei werden als Beispiel die Feuchtwiesen, die Überschwemmungsbereiche in Auen und trockenes mesophiles Grünland (mit Abstrichen) genannt (RODE 2004).

In Zukunft wird die Wirtschaftlichkeit von Produktionsverfahren mit extensiver Grünlandnutzung durch die sich stetig ändernden Rahmenbedingungen immer weniger gegeben sein. Zu den Veränderungen zählen vor allem der schrittweise Abbau der EU- Agrarförderung (GRETHE et al. 2006) und die Überlegungen zur Abschaffung der Öko-Prämie (KLEE 2010).

2.5 Definitionen

Für das Verständnis dieser Arbeit empfiehlt sich die Erläuterung folgender Begriffe, es sind kurze Definitionen, ausführliche bzw. weiterführende Erklärungen können bei KALTSCHMITT et al. (2009) nachgelesen werden.

2.5.1 Biomasse

Unter dem Begriff „Biomasse“ fallen sämtliche nicht fossilen Stoffe organischer Herkunft. Zu dieser kohlenstoffhaltigen Materie zählen nach KALTSCHMITT et al. (2009):

Phyto- und Zoomasse (Pflanzen und Tiere) und deren Rückstände (tierische Exkremente) abgestorbene Phyto- und Zoomasse (z. B. Stroh) alle Stoffe, die durch eine technische Umwandlung und/oder einer stofflichen Nutzung entstanden/angefallen sind (z. B. Papier, Zellstoff, Pflanzenöl)

Außerdem lässt sich Biomasse in Primär- und Sekundärprodukte untergliedern. Die Primärprodukte entstehen durch die direkte photosynthetische Ausnutzung der Sonnenenergie (KALTSCHMITT et al. 2009). Dazu werden sowohl die gesamte Pflanzenmasse als auch deren Rückstände aus der Land- und Forstwirtschaft gezählt.

Die Sekundärprodukte dagegen beziehen ihre Energie nur indirekt aus der Sonne. Diese entstehen in höheren Organismen (Tiere) durch den Abbau oder der Umwandlung organischer Substanz (KALTSCHMITT et al. 2009). Hierzu zählen sowohl die gesamte Zoomasse und deren Exkremente als auch der Klärschlamm (KALTSCHMITT et al. 2009).

Insgesamt fallen eine Vielzahl Von Biomassefraktionen an. Für Potenzialabschätzungen wird unterschieden zwischen:
- holzartiger Biomasse;
- halmgutartigen Rückständen und Nebenprodukten; Dung und
- Biomasse aus Energiepflanzenanbau (KALTSCHMITT et al. 2009).

2.5.2 Biogas

KALTSCHMITT et al. (2009) definieren Biogas als ein Gasgemisch, „das zu rund zwei Dritteln aus Methan (CH4) und zu etwa einem Drittel aus Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie aus diversen Spurengasen besteht“ (vgl. Tabelle 4). Jedoch variiert dessen Zusammensetzung je nach Art und Struktur der Ausgangssubstrate, dem verwendeten Anlagensystem, der Temperatur, der Verweilzeit und der Raumbelastung (KLEEMANN & MELIß 1993).

Tabelle 4: Inhaltsstoffe von Biogas (Durchschnittswerte) aus KALTSCHMITT et al. (2009)¹, WEILAND (2001)² und ROMMEIß et al. (2006)³

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für die energetische Nutzung des Biogases ist vor allem der Methananteil entscheidend, der den Brennwert des Gases bestimmt. So kann bei einem Methangehalt von 60% mit einem Heizwert von 21 MJ/Nm³ Biogas gerechnet werden. Biogas ist ungiftig und aufgrund seiner mittleren Dichte von 1,22 kg/Nm³ etwa so schwer wie Luft (1,29 kg/Nm³). Der Energiegehalt von Biogas korreliert mit dessen Methananteil und beträgt substratabhängig zwischen 50-75% (FNR 2011). Da 1 m³ Methan einen energetischen Nutzen von 9,97 kWh besitzt, liegt der Energiegehalt von Biogas zwischen 5-7,5 kWh/m³.

2.5.3 Methangärung - biologischer und chemischer Ablauf bei der Verwertung von Grünschnitt in Biogasanlagen

Zur Biogasgewinnung wird beim anaeroben Abbau der Biomasse die Nassvergärung genutzt, es ist das zur Zeit gängigste Verfahren in der Praxis (RODE 2005 a, WEILAND 2000). Hierbei wird die Biomasse mit frischer oder ausgefaulter Gülle versetzt, in der dann der anaerobe Gärprozess und damit die Biogasproduktion abläuft.

Anaerobe Bakterien benötigen für eine optimale Zersetzung der Biomasse folgende

Nährstoffverhältnisse:

- C:N:P-Verhältnis = 100-200:4:1 (KALTSCHMITT et al. 2009, WEILAND (2001) gibt ein C:N:P:S-Verhältnis von etwa 600:15:5:1 an.
- C:N-Verhältnis = 10:1 bis 30:1 und N:P = 5:1

Nach KALTSCHMITT et al. (2009) sollten die CSB-Konzentrationen nicht unter 2 g/l liegen. Für die ausführliche Erläuterung zur Mikrobiologie und Biochemie der Vergärung wird auf WEILAND (2001) verwiesen. Abbildung 1 zeigt die mikrobiellen Abbauprozesse aus einem Grundsubstrat. Dabei werden in den 4-stufigen Prozessabläufen sowohl die Umsetzungsprodukte als auch die daran beteiligten Bakterien dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Ablaufprozesse der Biogasbildung aus einem Ausgangssubstrat, verändert nach KALTSCHMITT et al. (2009) und GRONAUER et al. (2004)

Hydrolyse

In dieser Verflüssigungsphase (Abspaltung von Wasser) entstehen durch die hydrolytischen Bakterien aus der Biomasse, die aus ungelösten organischen Polymeren bestehen, niedermolekulare Monomere. Die bei der hydrolytischen Stoffumsetzung beteiligten Bakterien sind in der Tabelle 5 aufgezeigt.

Tabelle 5: Umsetzungsprodukte und die daran beteiligten Mikroorganismen bei der Hydrolyse, nach GRONAUER et al. (2004)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Acidogenese

Bei dieser Versäuerungsphase (Absenkung des pH-Wertes) entstehen aus den niedermolekularen Monomeren organische Säuren und Alkohole. Dabei bestimmt der Wasserstoffpartialdruck die entstehenden Produkte. Dieser führt entweder bei niedriger Wasserstoffkonzentration zur Essigsäurebildung oder bei hoher Wasserstoffkonzentration zu Propion-, Butter- und Milchsäure sowie Ethanol (KALTSCHMITT et al. 2009). In Tabelle 6 wurden die Umsetzungsprodukte der verschiedenen Substrate durch Mikroorganismen in der Acidogenese dargestellt.

Tabelle 6: Umsetzungsprodukte und die daran beteiligten Mikroorganismen bei der Acidogenese, nach GRONAUER et al. (2004)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Acetogenese

In Tabelle 7 wurden die Umsetzungsprodukte der verschiedenen Substrate durch Mikroorganismen in der Acetogenese dargestellt.

Tabelle 7: Umsetzungsprodukte und die daran beteiligten Mikroorganismen bei der Acetogenese, nach GRONAUER et al. (2004)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Methanogenese

In Tabelle 8 wurden die Umsetzungsprodukte der verschiedenen Substrate durch Mikroorganismen in der Methanogenese dargestellt.

Tabelle 8: Umsetzungsprodukte und die daran beteiligten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.6 Gesetze und Regelungen

2.6.1 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)

Das EEG wurde erstmals am 1. April 2000 angelegt. Die Novellierung von 2009 wurde durch eine erneute Novellierung abgelöst, die am 01.01.2012 in Kraft trat. Das EEG 2012 fordert den Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung in den kommenden Jahren wie folgt zu erhöhen:

1.) 35% spätestens bis zum Jahr 2020
2.) 50% spätestens bis zum Jahr 2030
3.) 65% spätestens bis zum Jahr 2040
4.) 80% spätestens bis zum Jahr 2050

Diese Strommengen sollen in das Elektrizitätsversorgungssystem integriert werden.

Eine wesentliche Neuerung im EEG 2012 stellt die Marktprämie dar, mit der den Erzeugern von erneuerbaren Energien die Möglichkeit gegeben wird, ihren Strom eigenständig zu vermarkten. Somit würde die Vermarktung des Stroms durch Übertragungsnetzbetreiber abgelöst werden. Die Novellierung des EEG 2009 und die damit verbundene Überförderung von Biogasanlagen im unteren Leistungsbereich sowie die Erhöhung des „Gülle-Bonus“, führten zu einer Erhöhung der Pachtpreise. Außerdem verschärfte sich die Konkurrenz zwischen Energiepflanzenanbau und der Nahrungsmittelproduktion. Um diesem Sachverhalt entgegenzuwirken, war eine erneute Überarbeitung unumgänglich. Die Veränderungen beinhalten unter anderem die massenbezogene Limitierung des Einsatzes von Mais und Getreide auf 60% zur Erzeugung von Strom aus Biogas. Des Weiteren gibt es für Neuanlagen keine Förderung mehr für die Stromproduktion aus flüssiger Biomasse. Mit dem neuen EEG 2012 erhalten auch die Betreiber kleinerer Anlagen bis 75 kWel eine Grundvergütung von 25 ct/kWh (vgl. Tabelle 9). Die EEG-Regelungen gelten 20 Jahre ab dem Jahr der Inbetriebnahme der Anlage. Dennoch ist der Anreiz für die Verwertung von Reststoffen in Biogasanlagen weiterhin gering.

Tabelle 9: EEG-Regelung der Vergütung von Strom aus Biomasse in ct/kWh Strom für die einzelnen Novellierungen der Jahre 2000 bis 2012

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2.6.2 Richtlinie 2001/77/EG

Die Richtlinie 2001/77/EG des Europäischen Parlamentes und Rates, die am 27.09.2011 in Kraft getreten ist, betrifft die Förderung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energieträgern. Dazu zählen die Energieträger Wind, Sonne, Wasserkraft, Biomasse, Biogas, Klärgas, Erdwärme, Wellenenergie und Gezeitenenergie.

2.6.3 Verordnung über die Erzeugung von Strom aus Biomasse - Biomasseverordnung (BiomasseV)

Die Biomasseverordnung ist im Juni 2001 in Kraft getreten. Dieses Gesetz regelt, welche Stoffe für den Anwendungsbereich des EEG als Biomasse anerkannt werden und welche nicht (FNR 2006). Zudem gibt es an, welche technischen Verfahren zur Stromerzeugung aus Biomasse dem EEG entsprechen. Desweiteren sind die Einhaltung von Umweltanforderungen im Gesetz verankert (siehe BIOMASSEVERORDNUNG 2001).

2.6.4 Bioabfallverordnung (BioAbfV)

Im § 2 Abs. 1 („Abfälle tierischer und pflanzlicher Herkunft“) der Bioabfallverordnung werden Bioabfälle als Biomassen laut Biomasseverordnung definiert. Dazu wird außerdem, wie im Anhang 1 Nr. 1 der BioAbfV ersichtlich, die „Grün- und Strauchschicht von Straßenrändern (Straßenbegleitgrün)“ gezählt. Weiterhin ist festgelegt, dass die „Gras- und Strauchschicht von Straßenrändern (..) nur dann einer Verwertung zugeführt werden darf, wenn durch Untersuchungen festgestellt worden ist, dass die in der Verordnung genannten Schwermetallgehalte nicht überschritten werden.“ Die Bewertung zur Verwendung von Straßenbegleitgrün erfolgte nach der Güterichtlinie für Komposte e. V. (RAL-GZ 1998). Sowohl in der Güterichtlinie für Komposte e. V. als auch in der BioAbfV § 4 Abs. 3 sind die Grenzwerte für Schwermetallgehalte des ausgebrachten Gärrestes zu finden und werden nachfolgend dargestellt (siehe Tabelle 11). Laut der BioAbfV ist Straßenbegleitgrün als Biomasse entsprechend der Definition durch die BiomasseV gekennzeichnet. Die Tabelle 10 zeigt die Regelungen zum Umgang mit Gärresten für die jeweiligen betroffenen Substrate.

Tabelle 10: Gesetze und Regelungen zum Umgang mit Gärresten, nach FNR (2011)

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2.6.5 Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz sowie Düngemittelverordnung

Nach § 4 Abs. 1 des Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetzes (KrW-/AbfG) dürfen Abfälle nur mit der umweltverträglichsten Methode verwertet werden. Im Sinne dieses Gesetzes soll der Gärrest wieder als Dünger im landwirtschaftlichen Betrieb eingesetzt werden. Jedoch müssen bei der Ausbringung des Gärrestes die Vorgaben der Düngemittelverordnung eingehalten werden. Dabei darf der Gesamtstickstoff aus Wirtschaftsdüngern auf Grün- bzw. Ackerland jährlich nicht mehr als 210 kg/ha bzw. 170 kg/ha betragen (DÜNGEVERORDNUNG 1996, § 6, Abs. 7). Bei einer maximalen Ausbringmenge von 20 t/ha innerhalb von 3 Jahren Bioabfall-TS (§ 6 Abs. 1 Satz 1 und 2) dürfen die Grenzwerte nicht überschritten werden (siehe Tabelle 11). Darüber hinaus erlaubt der Gesetzgeber, dass 30 t Bioabfall TS/ha nur auf forstwirtschaftlich genutzten Böden ausgebracht werden dürfen (§ 6 Abs. 1 Satz 3) (siehe Tabelle 11).

Tabelle 11: Grenzwerte der Schwermetallgehalte für eine zulässige Verwertung in [mg/kg TS]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3 Untersuchungsgebiet

3.1 Landkreis Schwäbisch Hall und Modellgemeinden Blaufelden, Schrozberg und Rot am See

Der Landkreis Schwäbisch Hall liegt im Nordosten von Baden-Württemberg (49° 7′ N, 9° 44′ E) auf einer Höhe von 304 m ü. NN und wird nördlich vom Main-Tauber-Kreis, östlich vom bayerischen Landkreis Ansbach, südlich vom Ostalbkreis und im Westen vom Hohenlohekreis begrenzt. Der gesamte Landkreis Schwäbsich Hall umfasst eine Fläche von 1484 km² und gliedert sich in 30 Gemeinden. In Abbildung 2 werden diese Gemeinden und die Untersuchungsflächen in den 3 ausgewählten Gemeinden Blaufelden, Rot am See und Schrozberg dargestellt. Tabelle 12 zeigt die Koordinaten der Untersuchungsflächen (Sportplätze und Wiesen) in den Modellgemeinden.

Abbildung 2: Lage der Untersuchungsgemeinden und -flächen im Landkreis Schwäbisch Hall (Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Schrozberg_in_SHA.svg)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 12: Geographische Koordinaten der Untersuchungsgebiete

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Blaufelden

Blaufelden erstreckt sich südlich unterhalb der nördlichsten Gemeinde Schrozberg im Landkreis Schwäbisch Hall (49° 18′ N, 9° 58′ E) und nimmt auf der Hohenloher Ebene in Höhe zwischen 320 bis 488 m ü. NN eine Fläche von 90,2 km² ein. Die Koordinaten der in Blaufelden untersuchten Wiese und des Sportplatzes zeigt Tabelle 12.

Rot am See

Rot am See liegt mit einer Flächengröße von 74,8 km² im östlichen Teil der Hohenloher Ebene auf 419 m ü. NN (49° 15′ N, 10° 1′ E). Die Koordinaten der in Rot am See untersuchten Wiese und des Sportplatzes zeigt Tabelle 12.

Schrozberg

Schrozberg ist die nördlichste Gemeinde im Landkreis Schwäbisch Hall (49° 18′ N, 9° 58′ E) und liegt mit einer Fläche von 105,2 km² auf der Hohenloher Ebene in Höhe von 455 m ü. NN. Die Koordinaten der in Schrozberg untersuchten Wiese und des Sportplatzes zeigt Tabelle 12. Als Beispiel für die Nutzung von Bioenergie in der Gemeinde Schrozberg, Ortsteil Zell, sei die Biogasanlage (500 kWel) der Familie Bauer genannt. Hier wurden jährlich bis zu 300 t Grassilage als Koferment eingesetzt (BAUER 2009).

3.2 Kriterien zur Auswahl des Untersuchungsgebietes

Der Landkreis Schw ä bisch Hall wurde als Untersuchungsgebiet gew ä hlt, warum?

Der Kreistag des Landkreises Schwäbisch Hall hat sich das Ziel gesetzt, mittelfristig 100% der kreisweit benötigten Energie aus erneuerbaren Energiequellen zu gewinnen (Wirtschaftsförderungsgesellschaft des Landkreises Schwäbisch Hall GmbH 2010). Dementsprechend wurde schon 2006 das Leitbild Energie beschlossen. Dabei deckte der Landkreis 2006 mit seinen 53 1,57 Megawatt installierten Fotovoltaikanlagen 1% der bundesweit installierten Leistung ab (ENERGIEZENTRUM 2008). 2011 wurden im Landkreis Schwäbisch Hall rund 60% des Energiebedarfs aus eigener Produktion abgedeckt. Daher wurde Schwäbisch Hall für ihr Engagement im Sektor erneuerbare Energieträger als "Energie-Kommune" des Monats Februar 2011 ausgezeichnet. 2012 versorgten im Landkreis Schwäbisch Hall insgesamt 44 Biogasanlagen mit einer elektrischen Leistung von 13,51 MW etwa 23.500 Haushalte.

Die Abbildungen 3 und 4 zeigen die für den Landkreis Schwäbisch Hall im Jahr 2007 erzeugte elektrische Energie und installierte elektrische Leistung aus erneuerbaren Energieträgern. Auch in Schwäbisch Hall kam es aufgrund des Güllebonuses zu einem erheblichen Ausbau der Biogasanlagen zwischen 2009 und 2011. Durch diesen hohen Flächenbedarf der Biogasanlagen standen jedoch den Veredlungs- und Futterbaubetrieben weniger Flächen für die Gülleausbringung zur Verfügung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Erzeugte elektrische Energie 2007 im Landkreis Schwäbisch Hall, verändert nach ENERGIEZENTRUM (2008)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Installierte elektrische Leistung 2007 im Landkreis Schwäbisch Hall, verändert nach ENERGIEZENTRUM (2008)

Die Pflegemaßnahmen von Straßenrändern, öffentlichen Flächen und Gewässerrandstreifen werden von den 4 Straßenmeistereien und durch die 30 den Gemeinden im Landkreis Schwäbisch Hall zugeordneten Bauhöfen ausgeführt oder zum Teil auch an Landwirte vergeben. Gehölzschnitt wird vor Ort gehäckselt und auf den Böschungen zurückgelassen, kostenfrei an interessierte Abnehmer gegeben, als Hackschnitzel verkauft oder überwiegend zu den eingerichteten Häckselplätzen gebracht. Der Landkreis Schwäbisch Hall verfügt insgesamt über 36 Häckselplätze (Baum- und Strauchschnitt) sowie über 20 Wertstoffhöfe (Grünabfälle wie Laub, Rasenschnitt, Vertikutiergut, Pflanzen usw.). Diese werden vom Abfallwirtschaftsamt des Landkreises koordiniert und betrieben. Die Kumulation des Häckselmaterials der 36 Häckselplätze im Landkreis Schwäbisch Hall ergab für das Jahr 2011 eine Gesamtmenge von 51.356 m³ (Landratsamt Schwäbisch Hall 2012). Bei den Wertstoffhöfen wurde 2011 eine Gesamterfassungsmenge von 1.092 t angegeben (Landratsamt Schwäbisch Hall 2012). Da die Bevölkerung erhebliche Mengen an Gras, Laub und Gartenabraum illegal auf den Häckselplätzen und Wertstoffhöfen beisteuern, handelt es sich bei den angegebenen Mengen keineswegs um homogenes Brennmaterial (Landratsamt Schwäbisch Hall 2012).

Auf der Basis kreisweiter Voruntersuchungen zu vorhandenen Restflächenpotentialen wurde das Gebiet der aneinander grenzenden Gemeinden Blaufelden, Rot am See und Schrozberg für die Umsetzung eines Konzeptes zur Produktion von Biogas aus Restflächen als besonders geeignet festgelegt. Weiterhin war die ausgeprägte Biogasnutzung in Blaufelden und Schrozberg im Landkreis Schwäbisch Hall entscheidend.

3.3 Naturräumliche Gliederung

Deutschland wird nach SCHMITHÜSEN & MEYNEN (1953) in „naturräumliche Einheiten“ untergliedert, um die Vielgestalt der Landschaft kategorisieren zu können. Hierbei werden Gebiete anhand ihrer Geologie, ihres Klimas, des Reliefs und der Vegetation in unterschiedliche Ordnungsstufen eingeteilt. Nach SCHMITHÜSEN & MEYNEN (1953) wird man der vielfältigen Landesnatur und der Schaffung von Bezugseinheiten nur in kleinen Einheiten gerecht. Die Untersuchungsgebiete befinden sich als Element der Südwestdeutschen Schichtstufenlandschaft in der naturräumlichen Haupteinheit der Gäuplatten im Neckar- und Tauberland und gehören zur Triaslandschaft (BAUSCHERT 1993). Nach der naturräumlichen Gliederung des DWD (1953) wird diese in 7 naturräumliche Untereinheiten gruppiert. Die 3 Untersuchungsgebiete befinden sich dabei in der Hohenloher-Haller-Ebene (DWD 1953). Im Hohenloher Land lässt sich nach BAUSCHERT (1993) die potentielle natürliche Vegetation in drei Standorttypen klassifizieren. Dabei wurde für das Untersuchungsgebiet der Standorttyp „reicher Hainsimsen-Buchenwald“ gewählt.

3.4 Geologie und Geomorphologie

Die Neckar- und Taubergäuplatten werden von den Schichtstufen des Muschelkalks und den oft von Löß und tieferem Keuper (Obere Germanische Trias) überdeckten, verkarsteten Hochflächen der Muschelkalktafel geprägt (GEYER & GWINNER 2011, HAGDORN & SIMON 1985). Diese erstrecken sich vom Norden Baden-Württembergs bis hin zum Hochrhein. Die Lage und die angrenzenden Großlandschaften zeigt die Abbildung 5. Die Gewinnung des Steinsalzes des Mittleren Muschelkalks in Heilbronn und Stetten stellt den wichtigsten Rohstoff dieser Großlandschaft dar (GEYER & GWINNER 2011). Über die Trochitenkalk- Formation schieben sich im Norden Baden-Württembergs metermächtige Tonmergelstein- Lagen. Diese tiefer liegenden Tonplatten-Fazies, die den Hauptanteil des oberen Muschelkalks in Nordwürttemberg ausmachen, werden als Meißner-Formation definiert. Darüber befinden sich von Kalksteinen geprägte Subformationen. Diese 20-30 m mächtigen Kalkschichten werden als Künzelsau-Schichten bezeichnet (GEYER & GWINNER 2011).

Die Schichtstufen haben sich seit dem Mittelpleistozän bis heute kaum verändert. Jedoch stellen die mehr als 2000 Erdfälle, wie auch die Trockentäler und Höhlensysteme („Fuchslabyrinth“) in der Hohenloher-Haller-Ebene, charakteristische Karstformen dar (BAUSCHERT 1993).

3.5 Böden

Die pedologische Karte von Baden-Württemberg gliedert sich in 18 (zusammengefasst aus 26 Bodenregionen) Bodenlandschaften (siehe Abbildung 5). Diese Daten wurden durch eine landesweite Bodenkartierung des Landesamts für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (LGRB) erhoben. Dabei weisen die Gebiete in den einzelnen Bodenlandschaften ähnliche geologische, morphologische und klimatische Verhältnisse auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Bodenlandschaften in Schwäbisch Hall, geändert nach LUBW (2012)

Die Hohenloher-Haller-Ebene der Neckar- und Tauber-Gäuplatten erstrecken sich vom Hochrhein bis zum Taubertal, charakterisiert durch eine flache bis flachhügelige Ebene auf 300-400 m Höhe ü. NN. Vereinzelt liegen jedoch auch höhere Erhebungen auf 500 m Höhe ü. NN. Die Hohenloher-Haller-Ebene lässt sich als Triaslandschaft skizzieren. Dieses Muschelkalk-Karstgebiet bildet das größte in Deutschland. Insgesamt ist die Hohenloher- Haller-Ebene durch eine waldarme und fruchtbare Landschaft gekennzeichnet. Die Region verdankt ihre Fruchtbarkeit den auflagernden, überwiegend tonig-merkeligen Lettenkeuperschichten und den darüber liegenden Löß- und Lößlehmschichten (BAUSCHERT 1993). Zu dieser Charakterisierung der Bodenlandschaft gehören die Landkreise Hohenlohe, Heilbronn und Schwäbisch Hall.

3.6 Klima

Die Klimaräume in Deutschland wurden nach dem DWD (1953) in Klimabezirke unterteilt. Dabei lassen sich die Untersuchungsgebiete in Schwäbisch Hall zu dem Klimabezirk „Mainfranken„ in Süd-Deutschland zuordnen (DWD 1953). Die Hohenloher Ebene gehört der warmgemäßigten mitteleuropäischen Klimazone an, die durch maritime Ströme geprägt ist. Die Lage im südwestlichen Mitteleuropa ergibt im Vergleich zum norddeutschen Tiefland wärmere Sommer und mildere Winter. Diese lagebedingten Klimabedingungen schaffen optimale Voraussetzungen für einen intensiv betriebenen Weinanbau und dem Anbau von empfindlichem Obst. Als Beispiel sei erwähnt, dass nur am Oberrhein Edelkastanien und Mandelbäume wachsen (HUTTENLOCHER 1972). Die reiche Vielfalt an Landschaftsräumen und die verschiedenen Höhenstufen bilden ein landschaftliches Mosaik in Baden- Württemberg. Die unterschiedlichen Höhenlagen ergeben klimatische Differenzierungen und die weiten Talräume gehören zu den wärmsten Regionen in Baden-Württemberg. Die verhältnismäßig hohen jährlichen Niederschlagssummen (bis zu 1000 mm möglich) in den Hochebenen der Hohenloher-Haller-Ebene fielen im Untersuchungsjahr mit 687,2 mm deutlich geringer aus (siehe Tabelle 13 und Abbildung). Die Jahresdurchschnittstemperatur in Schwäbisch Hall lag 2011 bei 11°C (siehe Tabelle 13).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Niederschlags- und Temperaturmittel 2011 in SH (Daten: DWD 2012, Station Öhringen)

Tabelle 13: Monatliche Niederschlags- und Temperaturmittelwerte im Jahr 2011

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für den Vergleich der Jahresniederschlagssummen und der Jahresdurchschnittstemperaturen im Jahr 2011 wurden die Temperatur- und Niederschlagswerte aus dem DWD Klimaatlas von Baden-Württemberg (1953) herangezogen. Die Angaben im Klimaatlas beziehen sich auf die Zeitspanne von 1881-1930. Die Tabelle 14 zeigt für den Klimabezirk „Mainfranken“ das Monatsmittel der Lufttemperatur für Januar und Juli, die Jahresschwankungen der Lufttemperatur sowie die jährliche Niederschlagsmenge und die Zahl der Tage mit Schneedecke.

Tabelle 14: Monatsmittel der Lufttemperatur für Januar und Juli in der Periode von 1881-1930, Jahresschwankungen der Lufttemperatur, jährliche Niederschlagsmenge und Zahl der Tage mit Schneedecke, nach DWD (1953)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Vergleich zu den weiteren Klimabezirken in Süddeutschland liegt der Klimabezirk „Mainfranken“ mit durchschnittlichen 300 mm ü. NN am tiefsten und das durchschnittliche Monatsmittel der Lufttemperatur neben dem Klimabezirk „Mittelfranken“ am höchsten (vgl. DWD 1953). Die mittleren Jahressummen des Niederschlags stellen mit durchschnittlich 625 mm sogar die geringsten von ganz Baden-Württemberg dar (vgl. DWD 1953). In der Vegetationsperiode von Mai bis Juli liegt die mittlere Lufttemperatur zwischen 14 und 15°C und die mittlere Niederschlagssumme zwischen 220-240 mm. Mit mehr als 30 Sommertagen (Höchstwert mindestens 25°C) im Jahr ist die Anzahl der Sommertage im Juni am höchsten. In der Region wird im Juni die tägliche Sonnenscheindauer im Tagesmittel mit 8 Stunden beziffert, dies stellt den Höchstwert in Baden-Württemberg dar (vgl. DWD 1953). Die Vegetationsperiode und mit ihr das Pflanzenwachstum beginnt bei einem Tagesmittel der Lufttemperatur von mindestens 5°C und liegt im Untersuchungsgebiet zwischen 200 und 220 Tagen (siehe DWD 1953). Der mittlere jährliche Trockenheitsindex lag nach dem DWD (1953) in der Zeitspanne von 1891 bis 1930 bei 45 und in der Vegetationsperiode von Mai bis Juni zwischen 35 und 45. Je geringer dieser Wert, desto größer ist die Trockenheit (vgl. DWD 1953).

3.7 Flächencharakterisierung und deren theoretische Potenziale

Im folgenden werden die beprobten Untersuchungsflächen und deren theoretischen Potenziale beschrieben. Tabelle 15 zeigt für verschiedene Grünland- und Nutzungstypen in Schwäbisch Hall die nutzbaren Flächengrößen, deren Schnittfrequenz und Düngemanagement.

Tabelle 15: Nutzbare Flächengrößen, Schnittfrequenz und Düngemanagement für die einzelnen Nutzungstypen in Schwäbisch Hall

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 16 zeigt für die unterschiedlichen Grünlandtypen deren Anteil am Gesamtgrünland in

Baden-Württemberg auf. Dabei dominieren mit 75% unter anderem das intensiv genutzte Grünland, die Weidelgras-Weißklee-Weiden und das Saatgrünland. Dagegen stellen die Biotopflächen und Kleinseggenwiesen lediglich 1% des Gesamtgrünlandes in Baden- Württemberg dar.

Tabelle 16: Grünlandtypen und deren Einordnung in Baden-Württemberg, verändert nach OPPERMANN & BRIEMLE (2009)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.7.1 Kommunale Grünflächen, ungedüngt, 4-schürig

Die untersuchten öffentlichen Grünflächen in den Modellgemeinden in Schwäbisch Hall (Abbildungen 7 bis 9) werden nicht gedüngt und viermal im Jahr gemäht. Im Gegensatz zu den untersuchten intensiv genutzten öffentlichen Grünflächen (Sportplätze) sind diese Flächen wesentlich krautreicher und weisen eine lückigere Grasnarbe auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: 4-schürige Wiese in Blaufelden

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: 4-schürige Wiese in Schrozberg

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: 4-schürige Wiese in Rot am See

Theoretisches Potenzial der extensiv genutzten Grünflächen

Nach PROCHNOW et al. (2007) eignet sich der Landschaftspflegeaufwuchs durchaus für eine Biomethanisierung, jedoch handelt es sich dabei um ein sehr inhomogenes Substrat, welches starken jahreszeitlichen Schwankungen in der Zusammensetzung unterworfen ist. So errechnet sich eine jahreszeitliche Differenz von 300 m³/t oTS nach den Untersuchungen von PROCHNOW et al. (2007), die im Februar einen Biogasertrag von 299 m³/t oTS und im Juni von 500-600 m³/t oTS erhalten hatten. Die Methangehalte des Landschaftspflegeaufwuchses ähneln mit 48-55 Vol.-% denen des Maises mit 49-56 Vol.-% (PROCHNOW et al. 2007). Der Grünschnittertrag von extensiven Flächen beträgt laut PROCHNOW et al. (2007) 3,75 t FM/ha*a. Tabelle 17 zeigt die theoretischen Potenziale für Wiesenflächen. Dabei wird eine theoretisch zu erwartender Biogasertrag von 550-570 m³/t oTS bei einem Methangehalt von 53-54% angegeben.

Tabelle 17: Literaturwerte für Trockensubstanzgehalt, organische Trockensubstanzgehalt, Methangehalt und Biogasertrag bezüglich Wiesen und Grünlandübergangsbereiche (verändert nach THRÄN et al. 2009).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.7.2 Intensiv genutzte öffentliche Grünflächen - Sportplätze

Die intensiv genutzten Sportplätze werden abhängig von der Witterung (Niederschläge) beinahe wöchentlich gemäht und ebenso gedüngt. Bei den Untersuchungsflächen (Sportplätze in den 3 Gemeinden) wurde mit der Mahd Anfang April (03.04.2011) begonnen, bis Ende Oktober erfolgte dann eine wöchentliche Mahd. Somit kam es während der Vegetationsperiode insgesamt zu 20 bis 25 Mahdvorgängen auf den Sportplätzen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Sportplatz Blaufelden

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Sportplatz Rot am See

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Sportplatz Schrozberg

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 13: Rasenmäher in Blaufelden [(Iseki SXG19H), (0,55 m³ Füllvermnögen)] (ISEKI)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 14: Rasenmäher in Rot am See [Toro company 72110, (0,65 m³ Füllvermnögen)] (TORO)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 15: Rasenmäher in Schrozberg [Kubota B2200]

Theoretisches Potenzial der intensiv genutzten Grünflächen

Literaturwerte zu Biogaserträgen für öffentlich intensiv genutzte Grünflächen zeigt die Tabelle 18. Hierbei werden theoretisch zu erwartende Biogaserträge von 80-150 m³/t oTS bei einem Methangehalt von 55-57% angegeben. Dies stellt gegenüber den Potenzialen der Offenlandbiotope 280% geringere Ertragsausbeuten dar (vgl. Tabelle 17 und 18)

Tabelle 18: Literaturwerte für Trockensubstanzgehalt, organische Trockensubstanzgehalt, Methangehalt und Biogasertrag bezüglich öffentlicher Grünflächen und Anlagen (verändert nach THRÄN et al. 2009).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.7.3 Mischproben aus den 3 Gemeinden

Neben den extensiv und intensiv beprobten Grünflächen wurden außerdem Proben vom am jeweiligen Beprobungstag in den Gemeinden Blaufelden, Rot am See und Schrozberg angefallenen Schnittgut genommen. Somit erhielt man je Gemeinde und Mahd die sogenannten Mischproben, d. h. Grünschnitt, der durch die Mahd der verschiedenen öffentlichen Grünflächen in einer Gemeinde anfällt und gemischt vorliegt.

Theoretisches Potenzial von öffentlichen Grünflächen in Deutschland

Die Gesamtfläche aus öffentlichen Grünflächen und Sportplätzen beträgt in Deutschland nach KALTSCHMITT (2004) 119.000 ha. Mit dem im SRU-Bericht (2007) angegebenen Biomasseertrag von 5 t/ha*a ergibt sich für die von KALTSCHMITT (2004) angegebene Gesamtfläche ein Ertrag von 595.000 t Heu/a. Bei den Friedhöfen erhält man einen Grünschnittertrag von 200.000 t. In der BMU Bundesbilanz ergeben die privaten Gartenabfälle in Deutschland 4 Mio. t bzw. 50 kg/E*a. Die Fläche des ungenutzten Grünlandes wird nach KALTSCHMITT (2003) auf 400.000 ha beziffert. Mit den Offenlandschaften kommt das SRU (2007) auf 500.000 ha Pflegeflächen.

3.7.4 Straßenrandstreifen

Bei den Straßenrandstreifen wurde im Programm ArcGIS infolge der unterschiedlichen Mahdhäufigkeit in Straßenrandstreifen an klassifizierten (Landstraßen, Abbildung 16) und nicht klassifizierten Straßen (Nebenstraßen und Wege, Abbildung 17) getrennt. Jedoch wurden die untersuchten Randstreifen an den klassifizierten und nicht klassifizierten Straßen in den Modellgemeinden jeweils 2x im Jahr 2011 gemäht.

Die Menge an Straßenbegleitgrün wurde mit errechnet, jedoch für die Konzepterstellung einer Biogasanlage aufgrund der Schadstoffproblematik nicht mit einbezogen. Eine Gärrestnutzung ist nicht vertretbar, kollidiert mit der Düngemittelverordnung und ist somit dem technischen Potenzial nicht hinzuzurechnen.

Die Pflegemaßnahmen an Straßenrändern unterstützen laut ELSNER (2005) die Sicherung des öffentlichen Verkehrswesens, die Bestandssicherung der Vegetation, die Landschaftspflege und die Erhaltung des Nachbarschaftsrechts. Die anfallende Menge des Straßenbegleitgrüns wird maßgeblich von der Bepflanzungsdichte, der Grünstreifenbreite und dem Straßentyp bestimmt (ROMMEIß et al. 2006). Für eine rentable ökonomische Wirtschaftlichkeit zur Bergung von Grünschnitt an steilen Hängen oder kleinen Flächenparzellen, die eine Vielzahl von Straßenrandstreifen und Gewässerrandstreifen darstellen, werden geeignete Maschinen benötigt. Momentan verfügen die zuständigen Straßenmeistereien in den Untersuchungs- gebieten der 3 Modellgemeinden noch nicht über geeignete Bergungsgerätschaften. Die gegenwärtig genutzten Möglichkeiten zur Entsorgung von Straßenbegleitgrün sind neben der Kompostierung die Mulchung bzw. Schlegelung und der damit verbundene Verbleib des Grünschnitts auf den Flächen. Ein Abtransport, die Aufbereitung und die Veräußerung der Biomasse stehen in keinem ökonomischen Verhältnis zum hohen Aufwand.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 16: Straßenrandstreifen an Abbildung 17: Straßenrandstreifen an nicht klassifizierten Straßen klassifizierten Straßen

Theoretisches Potenzial von Straßenbegleitgrün

In Deutschland fallen laut KALTSCHMITT (2004) schätzungsweise 231.000 km an Straßenbegleitgrün an. Somit ergeben sich pro Kilometer (differenziert nach Straßenart) 3-5 t Heu/a. Insgesamt summiert es sich auf 1,0 Mio. t Heu/a (KALTSCHMITT 2004). Der Grasschnitt von Straßenrandstreifen hat neben einem hohen Wasseranteil von 45-70% auch einen hohen Aschegehalt von 25% (ROMMEIß et al. 2006). Die Biogaserträge liegen nach Literaturwerten zwischen 150-200 m³/t FM und die Methangehalte bei 52-55%. Jedoch sind die Erträge extrem abhängig von der Qualität des Substrates, denn z. B. ergaben Untersuchungen von PROCHNOW et al. (2007) weit geringere Erträge. Bislang wurde das Potenzial von Straßenbegleitgrün nur in wenigen Forschungsprojekten, außer im BioRegio- (HIEBEL et al. 2007) und BioLogio-Projekt (DOBERS & OPITZ 2007), ermittelt. Sowohl ROMMEIß et al. (2006) als auch DOBERS & OPITZ (2007) gelangten zu dem Ergebnis, dass im Durchschnitt 80% des Straßenbegleitgrüns auf der Fläche verbleiben und nur 20% abtransportiert werden. Die Untersuchungen von ROMMEIß et al. (2006) ergaben, dass der Verbleib der holzartigen Biomasse in den Böschungsflächen am effizientesten ist, da keine Kosten für Transport, Lagerung und Hacken entstehen. Dennoch geht aus diesen Studien hervor, dass die Nutzung von holzartiger Biomasse mit einer entsprechenden Verbrennungsanlage innerhalb der Straßenmeisterei als ökonomisch anzusehen ist (siehe ROMMEIß et al. 2006).

3.7.5 Gewässerrandstreifen

Ermittlungen auf der Landeskreisebene ergaben, dass an Uferrandstreifen keine nutzbare Menge an Restschnittgut vorhanden ist. Der regional ansässige Gewässerverband in Brettach hingegen liefert das Restschnittgut an die Gemeinde Rot am See, so dass diese Menge mit hinzugefügt werden konnte. Dabei hat sich ergeben, dass die Uferrandstreifen statt der vermuteten 6 m, tatsächlich die entsprechend der Wasserrahmenrichtlinie vorgeschriebenen 10 m extensiv als Uferrandstreifen bewirtschaftet werden. In den Abbildungen 18 bis 22 wurde für die einzelnen Gewässerrandstreifen (G) ein Gebietsüberblick gegeben.

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