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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 11 / Ökologische Agrarwissenschaften  → Boden- und Pflanzenbauwissenschaften  → Fachgebiet Grünlandwissenschaft und Nachwachsende Rohstoffe  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2011012135578

Title: Impact of sward type, cutting date and conditioning temperature on mass and energy flows in the integrated generation of solid fuel and biogas from semi-natural grassland
Authors: Richter, Felix Sebastian
???metadata.dc.subject.swd???: BiogasgewinnungFester BrennstoffEnergieerzeugungGrünlandBioenergieEnergiebilanzTreibhauseffektNaturschutz
???metadata.dc.subject.ddc???: 630 - Landwirtschaft, Veterinärmedizin (Agriculture)
Issue Date: 21-Jan-2011
Abstract: Energy production from biomass and the conservation of ecologically valuable grassland habitats are two important issues of agriculture today. The combination of a bioenergy production, which minimises environmental impacts and competition with food production for land with a conversion of semi-natural grasslands through new utilization alternatives for the biomass, led to the development of the IFBB process. Its basic principle is the separation of biomass into a liquid fraction (press fluid, PF) for the production of electric and thermal energy after anaerobic digestion to biogas and a solid fraction (press cake, PC) for the production of thermal energy through combustion. This study was undertaken to explore mass and energy flows as well as quality aspects of energy carriers within the IFBB process and determine their dependency on biomass-related and technical parameters. Two experiments were conducted, in which biomass from semi-natural grassland was conserved as silage and subjected to a hydrothermal conditioning and a subsequent mechanical dehydration with a screw press. Methane yield of the PF and the untreated silage was determined in anaerobic digestion experiments in batch fermenters at 37°C with a fermentation time of 13-15 and 27-35 days for the PF and the silage, respectively. Concentrations of dry matter (DM), ash, crude protein (CP), crude fibre (CF), ether extract (EE), neutral detergent fibre (NDF), acid detergent fibre (ADF), acid detergent ligning (ADL) and elements (K, Mg, Ca, Cl, N, S, P, C, H, N) were determined in the untreated biomass and the PC. Higher heating value (HHV) and ash softening temperature (AST) were calculated based on elemental concentration. Chemical composition of the PF and mass flows of all plant compounds into the PF were calculated. In the first experiment, biomass from five different semi-natural grassland swards (Arrhenaterion I and II, Caricion fuscae, Filipendulion ulmariae, Polygono-Trisetion) was harvested at one late sampling (19 July or 31 August) and ensiled. Each silage was subjected to three different temperature treatments (5°C, 60°C, 80°C) during hydrothermal conditioning. Based on observed methane yields and HHV as energy output parameters as well as literature-based and observed energy input parameters, energy and green house gas (GHG) balances were calculated for IFBB and two reference conversion processes, whole-crop digestion of untreated silage (WCD) and combustion of hay (CH). In the second experiment, biomass from one single semi-natural grassland sward (Arrhenaterion) was harvested at eight consecutive dates (27/04, 02/05, 09/05, 16/05, 24/05, 31/05, 11/06, 21/06) and ensiled. Each silage was subjected to six different treatments (no hydrothermal conditioning and hydrothermal conditioning at 10°C, 30°C, 50°C, 70°C, 90°C). Energy balance was calculated for IFBB and WCD. Multiple regression models were developed to predict mass flows, concentrations of elements in the PC, concentration of organic compounds in the PF and energy conversion efficiency of the IFBB process from temperature of hydrothermal conditioning as well as NDF and DM concentration in the silage. Results showed a relative reduction of ash and all elements detrimental for combustion in the PC compared to the untreated biomass of 20-90%. Reduction was highest for K and Cl and lowest for N. HHV of PC and untreated biomass were in a comparable range (17.8-19.5 MJ kg-1 DM), but AST of PC was higher (1156-1254°C). Methane yields of PF were higher compared to those of WCD when the biomass was harvested late (end of May and later) and in a comparable range when the biomass was harvested early and ranged from 332 to 458 LN kg-1 VS. Regarding energy and GHG balances, IFBB, with a net energy yield of 11.9-14.1 MWh ha-1, a conversion efficiency of 0.43-0.51, and GHG mitigation of 3.6-4.4 t CO2eq ha-1, performed better than WCD, but worse than CH. WCD produces thermal and electric energy with low efficiency, CH produces only thermal energy with a low quality solid fuel with high efficiency, IFBB produces thermal and electric energy with a solid fuel of high quality with medium efficiency. Regression models were able to predict target parameters with high accuracy (R2=0.70-0.99). The influence of increasing temperature of hydrothermal conditioning was an increase of mass flows, a decrease of element concentrations in the PC and a differing effect on energy conversion efficiency. The influence of increasing NDF concentration of the silage was a differing effect on mass flows, a decrease of element concentrations in the PC and an increase of energy conversion efficiency. The influence of increasing DM concentration of the silage was a decrease of mass flows, an increase of element concentrations in the PC and an increase of energy conversion efficiency. Based on the models an optimised IFBB process would be obtained with a medium temperature of hydrothermal conditioning (50°C), high NDF concentrations in the silage and medium DM concentrations of the silage.Die Energieerzeugung aus Biomasse und der Erhalt von ökologisch wertvollen Grülandhabitaten sind zwei wichtige Aufgaben der heutigen Landwirtschaft. Die Kombination einer Bioenergieproduktion, die Umweltbelastungen und Flächenkonkurrenzen mit der Nahrungsmittelproduktion minimiert, und einem Erhalt von extensiv bewirtschaftetem Grünland durch neue Nutzungsalternativen führte zur Entwicklung des IFBB-Verfahrens. Dessen Grundprinzip ist die Separierung von Biomasse in eine flüssige Fraktion (Presssaft, PS) zur Strom- und Wärmeerzeugung nach einer Vergärung zu Biogas und eine feste Fraktion (Presskuchen, PK) zur Wärmeerzeugung durch Verbrennung. Die vorliegende Untersuchung wurde durchgeführt, um Massen- und Energieflüsse sowie Qualitätsaspekte von Energieträgern im IFBB-Verfahren und deren Abhängigkeit von biomassespezifischen und technischen Parametern zu untersuchen. In zwei Versuchen wurde Biomasse von extensiv bewirtschafteten Grünlandbeständen siliert und nach einer hydrothermalen Konditionierung mit einer Schneckenpresse mechanisch entwässert. Die Methanausbeute des PS sowie der unbehandelten Silage wurde in Gärversuchen im Batch-Verfahren bei 37°C und einer Gärdauer von 13-15 Tagen (PS) beziehungsweise 27-35 Tagen (Silage) ermittelt. Die Gehalte an Trockenmasse (TM), Asche, Rohprotein (XP), Rohfaser (XF), Rohfett (XL), neutraler Detergentienfaser (NDF), saurer Detergenzienfaser (ADF), saurem Detergenzienlignin (ADL) und Elementen (K, Mg, Ca, Cl, N, S, P, C, H, N) wurden im PK und der unbehandelten Biomasse bestimmt. Der Brennwert (Ho) und die Ascheerweichungstemperatur (ET) wurden auf Grundlage der Elementkonzentrationen berechnet. Die chemische Zusammensetzung des PS und die Massenflüsse aller Pflanzenbestandteile in den PS wurden berechnet. Im ersten Versuch wurde Biomasse von fünf verschiedenen Grünlandbeständen (Arrhenaterion I and II, Caricion fuscae, Filipendulion ulmariae, Polygono-Trisetion) an einem späten Schnitttermin (19. Juli oder 31. August) geerntet und siliert. Jede Silage wurde in drei Temperaturvarianten (5°C, 60°C, 80°C) hydrothermal konditioniert. Mit den ermittelten Methanausbeuten und Ho als Energieoutput sowie gemessenen und der Literatur entnommenen Werten für den Energieinput wurden Energie- und Treibhausgas (THG)-Bilanzen des IFBB-Verfahrens sowie zweier Vergleichsverfahren, Ganzpflanzenvergärung der unbehandelten Silage (GPV) und Heuverbrennung (HV), errechnet. Im zweiten Versuch wurde Biomasse eines einzelnen Grünlandbestandes (Arrhenaterion) an acht aufeinander folgenden Terminen (27.04, 02.05, 09.05, 16.05, 24.05, 31.05, 11.06, 21.06) geerntet und siliert. Jede Silage wurde in sechs Varianten (ohne hydrothermale Konditionierung und mit hydrothermaler Konditionierung bei 10°C, 30°C, 50°C, 70°C, 90°C) behandelt. Für IFBB und GPV wurde eine Energiebilanz gerechnet. Multiple Regressionsmodelle wurden erstellt, um Massenflüsse, Elementgehalte im PK, Gehalte an organischen Fraktionen im PS und die Konversionseffizienz des IFBB-Verfahrens anhand der Konditionierungstemperatur sowie des NDF- und des TM-Gehaltes der Silage abzuschätzen. Die Ergebnisse zeigen eine relative Gehaltsminderung der Asche und aller für die Verbrennung schädlichen Elemente im PK im Vergleich zur unbehandelten Biomasse um 20-90%. Die Minderung war am stärksten bei K und Cl und am schwächsten bei N. Der Ho des PK und der unbehandelten Biomasse waren vergleichbar (17.8-19.5 MJ kg-1 TM), die ET des PK war jedoch höher (1156-1254°C). Die Methanausbeute des PS war höher als die der GPV, wenn die Biomasse spät geerntet wurde (Ende Mai und später), aber vergleichbar, wenn die Biomasse früh geerntet wurde, und betrug 332-458 LN kg-1 oTS. In Bezug auf Energie- und THG-Bilanzen war das IFBB-Verfahren mit einem Nettoenergieertrag von 11.9-14.1 MWh ha-1, einer Konversionseffizienz von 0.43-0.51 und einer THG-Vermeidung von 3.6-4.4 t CO2eq ha-1 besser als GPV, aber schlechter als HV. GPV erzeugt Wärme und Strom bei geringer Effizienz, HV erzeugt nur Wärme bei geringer Brennstoffqualität und hoher Effizienz, IFBB erzeugt Wärme und Strom bei hoher Brennstoffqualität und mittlerer Effizienz. Die Regressionsmodelle konnten die Zielparameter mit hoher Genauigkeit (R2=0.70-0.99) abschätzen. Der Einfluss einer steigenden Konditionierungstemperatur war ein Anstieg der Massenflüsse, eine Abnahme der Elementgehalte im PK und ein uneindeutiger Effekt auf die Konversionseffizienz. Der Einfluss eines steigenden NDF-Gehaltes in der Silage war ein uneindeutiger Effekt auf die Massenflüsse, eine Abnahme der Elementgehalte im PK und ein Anstieg der Konversionseffizienz. Der Einfluss eines steigenden TM-Gehaltes in der Silage war eine Abnahme der Massenflüsse, ein Anstieg der Elementgehalte im PK und ein Anstieg der Konversionseffizienz. Auf Grundlage der Modelle kann das IFBB-Verfahren durch die Kombination von mittlerer Konditionierungstemperatur (50°C), hohem NDF-Gehalt in der Silage und mittlerem TM-Gehalt in der Silage optimiert werden.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2011012135578
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