Einleitung
In einem landwirtschaftlichen Betrieb stellen Biomasseabfälle wie Rebschnitt, Baumschnitt, Verarbeitungsrückstände und holziges Mähgut oft einen Kostenfaktor dar: Sie müssen gesammelt, gehandhabt, transportiert oder entsorgt werden, ohne einen direkten wirtschaftlichen Ertrag zu erzeugen. Dieselbe Biomasse kann jedoch, richtig verwertet, zum Rohstoff einer Wertschöpfungskette werden, die elektrische Energie, Wärme und Biokohle erzeugt.
Die energetische und agronomische Verwertung der Reststoffe erlaubt es nämlich, ein Restmaterial in eine betriebliche Ressource zu verwandeln, die Abhängigkeit von externen Energieversorgern zu verringern und den Wert zu steigern, der aus dem gewöhnlichen Biomassemanagement entsteht. In dieser Sichtweise ist die Biomasse kein Nebenprodukt mehr, das es zu entsorgen gilt, sondern ein Sekundärrohstoff, der in einen Produktionskreislauf eingebunden wird, der Energie und stabilen Kohlenstoff für den Boden erzeugt.
Neben den energetischen und agronomischen Vorteilen kann die Verwertung der Reststoffe die Kosten der Biomassebewirtschaftung senken und einen Teil der zugekauften Energie ersetzen, sodass aus einem Kostenposten eine produktive Ressource wird.
Vom Reststoff zum betriebseigenen Pellet
Nicht alle landwirtschaftlichen Biomassen eignen sich gleichermaßen für die Vergasung.
Lignocellulose-Biomassen wie Rebschnitt und Obstbaumschnitt, forstliche Reststoffe, Astwerk, Hackschnitzel und Holzreste aus der Grünpflege gelten im Allgemeinen als mit dem Verfahren verträglich. Dagegen können krautige Biomassen mit hohem Silikatgehalt wie Getreidestroh, Reisspelzen oder Miscanthus größere betriebliche Schwierigkeiten bereiten und sich in vielen Fällen besser für andere Verwertungsformen eignen, etwa die Kompostierung. (siehe Silizium und Asche).
Um im BioGS-1.0 eingesetzt zu werden, muss die Biomasse eine Aufbereitung durchlaufen, die Folgendes umfasst:
- Sammlung und Auswahl des Materials;
- Trocknung bis zu einer Feuchtigkeit von höchstens 10 %;
- Zerkleinerung (Mahlen);
- Pelletierung.
In der Praxis genügt in der Regel eine Vortrocknung auf etwa 14 %, da der Pelletierungsschritt die Feuchtigkeitsreduzierung vervollständigt, ohne dass weitere eigene Arbeitsschritte erforderlich sind.
Nicht alle landwirtschaftlichen Reststoffe müssen pelletiert werden. Schalen von Trockenfrüchten und Steine, deren Stückgröße bereits mit der Beschickung des BioGS-1.0 kompatibel ist, können in bestimmten Mengen direkt dem Pellet beigemischt werden, ohne selbst pelletiert werden zu müssen.
Anders als Pellets für die Haushaltsheizung benötigt das BioGS-1.0 keine ENplus-zertifizierten Pellets. Es genügt vielmehr ein Pellet aus geeigneter pflanzlicher Biomasse, das auch direkt im Betrieb hergestellt werden kann, mit einer Pelletieranlage, die auf die Erntekampagne ausgelegt ist, die sich in der Regel auf die Monate Mai bis September konzentriert.
In vielen landwirtschaftlichen Kontexten kann der Brennstoff direkt aus den betrieblichen Reststoffen hergestellt werden, wodurch die Abhängigkeit vom Zukauf handelsüblicher Pellets sinkt.
Thermochemische Umwandlung der Biomasse: Energie und Biokohle aus einem einzigen Prozess
Das so gewonnene Agripellet speist das BioGS-1.0 mit einem realen Verbrauch von etwa 2,4 kg/h pro Einheit.
Im System durchläuft die pelletierte Biomasse einen thermochemischen Umwandlungsprozess, der Pyrolyse und Vergasung kombiniert. Der flüchtige Anteil der Biomasse wird in Synthesegas umgewandelt, das anschließend den patentierten Stirlingmotor speist und gleichzeitig elektrische Energie und Wärme erzeugt. Für einen Vergleich mit der direkten Verbrennung siehe die FAQ Warum Reststoffe zu Agripellet verarbeiten, statt sie direkt zu verbrennen.
Der Gesamtwirkungsgrad des Systems liegt dank der integrierten Rückgewinnung der im Prozess erzeugten Wärme über 94 %. Neben elektrischer Energie und Wärme erzeugt der Prozess als festen Rückstand Biokohle: etwa 11-12 % der Masse des verbrauchten Pellets, mit einem Kohlenstoffgehalt von nahezu 96 %.
Die erzeugte Energie kann direkt genutzt werden, um einen Teil des Betriebsbedarfs zu decken, etwa für:
- Bewässerungsanlagen;
- Kühlräume;
- Beleuchtung;
- Werkstätten und Labore;
- Lüftungssysteme;
- Trocknung von Biomassen und landwirtschaftlichen Erzeugnissen;
- betriebliche Hilfsdienste.
Die betriebseigene Biomasse wird somit nicht nur als Brennstoff verwertet, sondern als Energieträger, der zur Autarkie und Widerstandsfähigkeit des landwirtschaftlichen Betriebs beiträgt.
Zur Vertiefung der Funktionsweise der Technologie verweisen wir auf die Fachbeiträge Biomassevergasung: das thermochemische Herzstück des BioGS-1.0 und Stirlingmotor: Funktionsprinzip und Vorteile für die Mikro-KWK.
Biokohle und Carbon Farming: agronomische Verwertung und Kohlenstoffspeicherung
Anders als bei der konventionellen Verbrennung von Biomasse, bei der nahezu der gesamte Kohlenstoff oxidiert und rasch als CO₂ in die Atmosphäre zurückgeführt wird, hält die pyrolytische Vergasung einen Teil des Kohlenstoffs in der festen kohlenstoffhaltigen Matrix zurück. Die vom BioGS-1.0 erzeugte Biokohle weist einen Kohlenstoffgehalt von nahezu 96 % und ein niedriges H/C-Verhältnis auf, Merkmale, die im Allgemeinen mit einer hohen Stabilität im Boden verbunden werden.
Nach der Einarbeitung in landwirtschaftliche Böden kann sie zur Verbesserung beitragen von:
- Wasserrückhaltevermögen;
- Kationenaustauschkapazität;
- Bodenstruktur;
- mikrobiologischer Aktivität;
- Widerstandsfähigkeit der Kulturen in Phasen von Trockenstress.
Neben der agronomischen Funktion stellt die Biokohle einen potenziell stabilen Kohlenstoffspeicher für Zeiträume von mehreren Jahrzehnten bis Jahrhunderten dar und trägt so dazu bei, Kohlenstoff aus dem schnellen biogenen Kreislauf zu entnehmen.
Diese Logik gehört zu den Praktiken, die im Allgemeinen dem Carbon Farming zugeordnet werden, d. h. der Gesamtheit der landwirtschaftlichen Maßnahmen, die darauf abzielen, die Kohlenstoffvorräte in Böden und Biomasse zu erhöhen und zu erhalten.
Für den landwirtschaftlichen Betrieb bedeutet das, dass die Reststoffe nicht einfach in Energie umgewandelt werden, sondern auch in eine agronomische und ökologische Ressource, die langfristig Vorteile erzeugt.
Zur Vertiefung dieser Aspekte verweisen wir auf die Beiträge:
- Bodenverbesserer: Definition, Vorteile und Anwendung;
- Kohlenstoffbindung im Boden: Stabilität von Biokohle und das H/C-Verhältnis.
Wertschöpfungskette Biomasse-Agripellet-Biokohle: ein Modell territorialer Kreislaufwirtschaft
Nicht alle landwirtschaftlichen Betriebe verfügen über dieselbe Menge an Biomasse. Manche erzeugen zu wenig Reststoffe, um den gesamten Energiebedarf ihres BioGS-1.0 zu decken; andere verfügen dagegen über erhebliche Überschüsse an Lignocellulose-Biomasse.
Die BioGS-1.0-Wertschöpfungskette erlaubt es, den Ort der Biomasseerzeugung geografisch vom Ort der energetischen Umwandlung zu trennen und dabei den Kohlenstoff- und Nährstoffkreislauf innerhalb desselben Gebiets zu halten.
Landwirtschaftliche Betriebe mit Biomasseüberschüssen können diese durch Trocknung, Zerkleinerung und Pelletierung zu Agripellet verarbeiten. Der gewonnene Brennstoff kann intern genutzt oder an BioGS-Anwender in der Region abgegeben werden.
Nach der energetischen Umwandlung kann die erzeugte Biokohle an die Biomasseerzeuger zurückgegeben werden, die sie auf den betriebseigenen Flächen agronomisch einsetzen.
In dieser Konfiguration wird die Biomasse zweifach verwertet:
- als Energieträger;
- als Träger von stabilem Kohlenstoff für den Boden.
Die Entsorgungskosten des Reststoffs verwandeln sich so in eine lokale Wertschöpfungskette, die energetischen, agronomischen und ökologischen Wert erzeugt. Die Vorteile verteilen sich entlang der gesamten Kette:
- BioGS-Anwender erhalten einen lokalen Brennstoff, der potenziell wettbewerbsfähiger ist als zertifiziertes handelsübliches Pellet;
- landwirtschaftliche Betriebe verwerten Biomassen, die sonst einen Kostenfaktor darstellen würden;
- die Biokohle kehrt auf die Böden zurück und schließt den Kohlenstoffkreislauf;
- die Region profitiert von einer dezentralen Energiewertschöpfungskette auf Basis lokaler Reststoffe.
Massen- und Energiebilanz: ein mit dem Rechner simulierter Fall
Betrieb in Savignano sul Rubicone mit einem Lager von 200 m², einem beheizten Gewächshaus von 200 m² (Doppelschicht, 15 °C), 4.000 kWh/Jahr Stromverbrauch, einer Photovoltaikanlage mit 8 kWp nach Süden und 20 t/Jahr Astwerk bei 30 % Feuchtigkeit. Aus 20 t Astwerk ergibt sich:
Im betrachteten Fall ist der Wärmebedarf des Gewächshauses der wichtigste Auslegungsfaktor. Die erzeugte elektrische Energie reicht nämlich bereits mit nur einer Einheit nahezu aus, während die Erhöhung der Anzahl der Systeme vor allem vom Wärmebedarf bestimmt wird.
Wie das Pellet berechnet wird
Pellet = Trockenbiomasse ÷ 0,90 × 0,95
Das Pellet hat eine Endfeuchtigkeit von 10 %, daher enthält jede Tonne 0,90 t Trockensubstanz: Deshalb wird die Trockenbiomasse durch 0,90 geteilt. Mahlen und Pelletieren führen zu einem Masseverlust von etwa 5 %: Deshalb wird mit 0,95 multipliziert.
| Schritt | Berechnung | Ergebnis |
|---|---|---|
| Trockenbiomasse | 20 t × (1 − 0,30) | 14,0 t |
| Erzeugtes Pellet | 14,0 ÷ 0,90 × 0,95 | 14,8 t |
| Verbrauchtes Pellet | 3 Einheiten × 1.463 h × 2,4 kg/h | 10,5 t |
| Pelletüberschuss | 14,8 − 10,5 | 4,2 t |
| Biokohle | 10,5 t × 12 % | 1,3 t |
| Kohlenstoff in der Biokohle | 1,3 t × 96 % | 1,2 t |
| Potenziell gebundenes CO₂e | 1,2 t × 44/12 | 4,5 t |
Gerundete Werte. Der Faktor 44/12 ist das Verhältnis zwischen der molaren Masse von CO₂ und der von Kohlenstoff. Es handelt sich um eine indikative Schätzung des Bindungseffekts und nicht um ein zertifiziertes Kohlenstoffzertifikat.
Wie viele Einheiten benötigt werden
Der Wärmebedarf des Gewächshauses (etwa 27.600 kWh/Jahr) bestimmt die Auslegung: Mit weniger Einheiten sinkt die Wärmedeckung.
| BioGS-1.0-Einheiten | Wärmedeckung | Stromdeckung |
|---|---|---|
| 3 | 100 % | 99 % |
| 2 | 97 % | 99 % |
| 1 | 76 % | 98 % |
Die Schätzung ist vorläufig und von geringer Zuverlässigkeit: Sie hängt von den Annahmen zur Dämmung des Lagers (mittel, 12 °C) und zum Gewächshaustyp, von der Feuchtigkeit der Biomasse und von den tatsächlichen Betriebsstunden ab.
Verwandte Fragen: Wie viel Biomasse zum Beheizen eines Gewächshauses nötig ist; Was mit dem Pelletüberschuss und der Biokohle zu tun ist.
Wo das Modell besonders interessant ist
Die BioGS-1.0-Wertschöpfungskette ist besonders interessant in Kontexten mit kontinuierlich anfallenden Lignocellulose-Reststoffen, darunter:
- Weinbaubetriebe;
- Olivenhaine;
- Obstplantagen;
- Baumschulen;
- Forstbetriebe;
- Unternehmen der Grünpflege;
- Agrotourismusbetriebe mit verfügbarer Holzbiomasse.
In allen diesen Betrieben stellen die Reststoffe bereits heute einen Materialstrom dar, der bewirtschaftet werden muss. Die Möglichkeit, sie in Energie und Biokohle umzuwandeln, erlaubt es, den aus derselben Ressource gewonnenen Wert zu steigern, ohne die landwirtschaftliche Haupttätigkeit zu verändern.
Was zur Aktivierung der Wertschöpfungskette im Betrieb nötig ist
Für die Umsetzung einer Wertschöpfungskette Biomasse-Agripellet-Biokohle sind im Allgemeinen erforderlich:
- eine Fläche für die Sammlung und Lagerung der Biomasse vor der Verarbeitung;
- ein Zerkleinerungs- und Pelletiersystem, ausgelegt auf die verfügbaren Jahresmengen;
- ein Bereich für die natürliche oder durch Wärmerückgewinnung aus dem BioGS-1.0 unterstützte Trocknung;
- ein Lagerbereich für das fertige Pellet;
- ein eigener Bereich für die Lagerung der Biokohle;
- die regelmäßige Entleerung der Biokohle, in der Regel alle 60 Betriebsstunden.
Fazit
Aus energetischer, agronomischer und ökologischer Sicht erlaubt es das BioGS-1.0, in einer einzigen Wertschöpfungskette das Management lignocellulosehaltiger Reststoffe, die dezentrale Energieerzeugung und die Erzeugung von Biokohle zu integrieren.
Die Biomasse gilt nicht mehr als zu entsorgender Rückstand, sondern als Sekundärrohstoff, der durch eine Kette verwertet wird, die gleichzeitig elektrische Energie, Wärme und ein kohlenstoffhaltiges Material von hohem agronomischem Wert erzeugt.
Für landwirtschaftliche Betriebe mit Schnittgut, Holzresten oder forstlichen Nebenprodukten ermöglicht der BioGS-1.0-Rechner, das energetische Potenzial der verfügbaren Biomasse, die erwartete Biokohleproduktion und die zugehörige indikative Kohlenstoffbilanz abzuschätzen. Daten, Formeln und Quellen der Berechnung: Methodik. Weitere Antworten auf der Seite FAQ.