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Biochemical composition of biomass and its impact on the prediction of the specific methane yield potential
(2017) Mukengele, Michael Mutombo; Jungbluth, Thomas
This thesis analyzes the biomass biochemical composition and its influence on the specific methane yield potential of energy crops. The influence of the ensiling technique and the specific methane yield potential gained using a batch-test scaled up to semi-continuous flow system were also assessed. The results show that through ensiling process the risk of over-estimating the specific methane yield potential was particularly high for silages of low DM content. Through ensiling up to 8.6% higher methane yield potential could be achieved. The impact was different depending on the maturity index of the crop material. The evaluation of the bioconversion efficiency in batch and semi-continuous flow digester showed that 80% to 87% of the theoretical methane yield potential could be recovered in a batch-test. By scaling up batch the bioconversion efficiency decreased of up to 19%. The investigation on maize showed that the absolute values of the biochemical crop traits and in-vitro estimates of digestibility for whole-crop were poor predictors for high specific methane yield potential (R² = 0.31 to 0.32). Other crops alternative to maize showed a wider variation range in specific methane yield potential. Reproductive crop fractions of lipid rich crops revealed higher specific methane yields reaching 0.455 mN³ CH4/ kg ODM in sunflower crown and 0.598 mN³ CH4/ kg ODM in rape seed. The stalk/stem fraction of these crops seemed to be the most limiting factor for degradability. Conversely, carbohydrates rich crops (rye and sorghum) showed methane yields slightly lower or equal to those of maize.
Comparative performance of annual and perennial energy cropping systems under different management regimes
(2007) Böhmel, Ute Constanze; Claupein, Wilhelm
The theme of this thesis was chosen against the background of the necessary substitution of fossil fuels and the need to reduce greenhouse gas emissions. One major solution for these topics may be the energy generation from domestically produced biomass. The overall aim of this thesis was the identification of one or more efficient energy cropping systems for Central Europe. The target was set to supply high quality biomass for existent and currently developing modern conversion technologies. Renewable energy production is thought to be environmentally benign and socially acceptable. The existence of diverse production environments necessitates further diversification and the identification of several energy crops and the development of energy cropping systems suited to those diverse environments. This thesis starts with an introductory essay (chapter 1), which provides the background for renewable energy production, its features, demands and potentials, and the scientific basis of this thesis. Chapters 2 to 6 consist of five manuscripts to be published in reviewed journals (Papers I, II, IV and V) or in a multi-author book (Paper III). Subsequently, the results from all papers are discussed in a general setting (chapter 7), from which a general conclusion is formulated (chapter 8). The basis of the research formed four field experiments, which were conducted at the experimental sites Ihinger Hof, Oberer Lindenhof and Goldener Acker of the University of Hohenheim, in south-western Germany. Paper I addresses the overall objective of this thesis. Selected cropping systems for this experiment were short rotation willow, miscanthus, switchgrass, energy maize and two different crop rotation systems including winter oilseed rape, winter wheat and winter triticale with either conventional tillage or no-till. The systems were cultivated with three different nitrogen fertilizer applications. An energy balance was calculated to evaluate the biomass and energy yields of the different cropping systems. Results indicate that perennial lignocellulosic crops combine high biomass and net energy yields with low input and potential ecological impacts. Switchgrass, which produced low yields at the study site, may better perform on marginal sites. Switchgrass is an example of the need to grow site-adapted energy crops. The annual energy crop maize required the highest input, but at the same time yielded the most. The two crop rotation systems did not differ in yield and energy input, but the system with no-till may be more environmentally benign as it has the potential to sequester carbon. The objective of Paper II was the optimization of crop cultivation through the differentiation of input parameters to enhance the quality of the energy crop triticale, without influencing the biomass yield. The intention was to minimize the content of combustion-disturbing elements (potassium and chlorine) and the ash residue of both aboveground plant parts (grain and straw). It was done through different straw and potassium fertilizer treatments. It could be shown that the removal of straw from the previously cultivated crop and no additional potassium fertilizer could reduce the amount of combustion-disturbing elements. A high influence must also be expected from site and weather conditions. Papers III to V address the supply of different high quality biomasses, with the focus on maize for anaerobic digestion. The objective of Paper III was the assessment of the requirements of biogas plants and biomass for anaerobic digestion. It introduces potential energy crops, along with their advantages and disadvantages. Alongside maize, many other biomass types, which are preserved as silage and are high in carbohydrates and low in lignocelluloses, can be anaerobically digested. The development of potential site-specific crop rotation systems for biomass production are discussed. The objective of Papers IV and V was the identification of suitable biomass and production systems for the anaerobic digestion. The focus lay on the determination of (i) suitable energy maize varieties for Central Europe, (ii) optimal growth periods of energy crops, (iii) the influence of crop management on quality parameters and (iv) environmentally benign crop rotation systems. Differently maturing maize varieties were grown in six different crop rotation systems (continuous maize with and without an undersown grass, maize as a main crop partially preceded by different winter catch crops and followed by winter wheat) and tested at two sites. Additional factors were sowing and/or harvest dates. Maize and cumulative biomass yields of the crop rotation systems were compared. Specific methane yield measurements were carried out to evaluate the energy performance of the tested crops. Quality was assessed either by measurements of the dry matter content or by using the near infrared reflectance spectroscopy for the determination of chemical composition. Results indicate that an environmentally benign crop rotation system requires nearly year-round soil cover to minimize nitrogen leaching. This can be achieved through the cultivation of undersown or catch crops and additional main crops alongside maize, such as winter wheat. Late maturing maize varieties can be cultivated at a site where the maize can build adequate dry matter contents due to a long growth period (late harvest date). The energy generation in terms of methane production was primarily dependent on high biomass yields. It could be further shown that the specific methane yield of maize increased with increasing starch content, digestibility and decreasing fiber content. To conclude, selected site-specific energy crops and crop rotation systems, with suitable crop management, (fertilizer and soil tillage) can produce high quality biomass and the highest net energy return. Lignocellulosic biomass can be optimized for combustion. Wet biomass is an optimal substrate for anaerobic digestion. Profitable energy production is characterized by a high land and energy use efficiency and especially high net energy yields.
Effects of woody plants and their residues on crop yield, weedsand soil carbon fractions in selected arable cropping systems
(2018) Xu, Jialu; Gruber, Sabine
Gehölze können auf Ackerflächen zu Produktionszwecken angebaut werden (z.B. Bäume zur Biomasseproduktion) oder dienen als Feldgrenzen (z.B. Hecken). Gehölzpflanzen auf Ackerflächen wirken sich dabei positiv auf die Biodiversität aus, verringern die Bodenerosion sowie die Nitratauswaschung und haben einen positiven Einfluss auf die Trinkwasserqualität. Des Weiteren tragen sie zu einer Zunahme der organischen Bodensubstanz und zur Kohlenstoffsequestrierung im Boden bei und leisten damit einen Beitrag zum Klimaschutz. Die Gehölzpflanzen selber und auch deren Rückstände wie z.B. Häckselgut von Hecken können aber auch ungewünschte Auswirkungen auf die Kulturpflanzen nach sich ziehen, die beispielsweise durch allelopathische Effekte oder durch die Konkurrenz um Ressourcen (z.B. Licht) hervorgerufen werden. In der Vergangenheit fielen Gehölzpflanzen auf Ackerflächen vermehrt der Intensivierung und Mechanisierung in der Landwirtschaft zum Opfer, während heutzutage Bestrebungen bestehen, deren Zahl zu erhalten, um Ökosystemleistungen zu sichern. Das Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit war, Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Boden bei ausgewählten Gehölzen sowie deren Ernterückständen auf Ackerflächen zu untersuchen. Die vorgelegte Arbeit besteht aus vier Publikationen und umfasst Labor- und Feldexperimente, die sich zum einen mit den Effekten von Hackschnitzeln aus Heckenrückschnitt auf die landwirtschaftliche Produktion und zum anderen mit dem Vergleich einer Kurzumtriebsplantage mit anderen „Energiepflanzen“ in unterschiedlichen Anbausystemen beschäftigen. In den Untersuchungen werden relevante Aspekte zu Erträgen der Kulturpflanzen, Unkräutern und ausgewählten Bodenparametern herausgegriffen. Die erste Publikation (veröffentlicht im Agronomy Journal) beschreibt Langzeiteffekte der Ausbringung von Hackschnitzeln von Hecken (hauptsächlich Acer pseudoplatanus L., Prunus avium L., Prunus padus L., Salix caprea L., Ligustrum vulgare L., und Fraxinus excelsior L.) auf den Ertrag und den Unkrautbesatz auf einer ökologisch bewirtschafteten Ackerfläche. Hierfür wurden Daten eines 16-jährigen Versuchs auf der ökologisch bewirtschafteten Versuchsstation Kleinhohenheim in Südwestdeutschland gesammelt. Untersucht wurde der Effekt von Hackschnitzelmulch (HSM) auf eine typische Fruchtfolge (Getreide, Leguminosen und Ackerfutter). Die Hackschnitzel stammten vom Rückschnitt der Hecken des Betriebs und wurden jährlich in drei verschiedenen Mengen ausgebracht (0, 80 und 160 m3 ha-1). HSM führte zu einer Reduktion des Unkrautbesatzes um 9 % im Frühjahr, wobei höhere Ausbringungsmengen im Vergleich zu niedrigeren generell in geringerem Unkrautbesatz resultierten. Der Einfluss auf den Ertrag war statistisch nicht signifikant, jedoch wurden über die Versuchszeit tendenziell sinkende Erträge auf mit HSM behandelten Parzellen gegenüber der Kontrolle beobachtet. Die unkrautunterdrückende Wirkung des HSM könnte auf verschiedenen Effekten beruhen, nämlich der mechanischen Behinderung des Auflaufens von Unkräutern, einer geänderten Bodentemperatur, einer reduzierten Stickstoffverfügbarkeit durch die Gabe von Material mit vergleichsweise weitem C:N-Verhältnis sowie allelopathischen Effekten. Hackschnitzel können daher zwar zur Unkrautkontrolle auf Ackerflächen verwendet werden, es müssen jedoch potentiell ungewünschte Effekte auf die Kulturpflanzen berücksichtigt werden. Die zweite Publikation (eingereicht bei Seed Science Research) basiert direkt auf der ersten und beschäftigt sich mit möglichen allelopathischen Effekten von HSM und deren Einfluss auf die Samenkeimung unter Laborbedingungen. Getestet wurden die Auswirkungen wässriger Extrakte von Hackschnitzeln der Salweide (Salix caprea L.) und der Gewöhnlichen Traubenkirsche (Prunus padus L.) auf die Keimung von Raps (Brassica napus L.) und Weizen (Triticum aestivum L.). Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer standardisierten Extraktionsmethode, wobei die Trocknung (Gefriertrocknung, Ofentrocknung mit 25, 60 oder 105 °C), das Mahlverfahren, das Holz-Wasser-Verhältnis bei der Extraktion (HWV; 1:10, 1:15 oder 1:20) und das Ausgangsmaterial (Rinde oder Kernholz) variiert wurden. Die Extrakte aus der Gefriertrocknung und die des ungetrockneten Holzes führten nach zwei Wochen zu der geringsten Keimrate (<6 %) bei beiden Kulturarten. Die ofengetrockneten Varianten besaßen eine höhere Keimrate von 12 bis 53 %. Die Keimrate von Raps lag bei einer hohen HWV (1:10) mit Extrakten aus gemahlenen Hackschnitzeln der Gewöhnlichen Traubenkirsche bei 26 % und damit signifikant niedriger als mit Extrakten aus ungemahlenem Material (49 % Keimung). Weizenkörner keimten unter diesen Bedingungen in geringerer Anzahl als Raps, aber die Keimung war mit Extrakten aus gemahlenem Material (1%) auch geringer als mit Extrakten aus ungemahlenem Material (19 %). Der Effekt der Keimungsunterdrückung stieg mit erhöhtem HWV bzw. höherer Konzentration der Extrakte. Die Keimraten betrugen durchschnittlich für HWV 1:20 86 %, für HWV 1:15 71 % und für HWV 1:10 35 % mit gemahlenen Hackschnitzeln. Aus der Rinde gewonnene Extrakte führten zu einer signifikant geringeren Keimrate (<4 %) als die des Kernholzes (<88 %). Die effektivste Methode zur Erhaltung offensichtlich allelopathisch wirksamer Verbindungen war die Kombination aus gemahlenen Hackschnitzeln aus Rindenholz, Gefriertrocknung (-50 °C) und einem hohen HWV. Diese hatte den größten Effekt auf die Unterdrückung der Keimung. Die Ergebnisse aus dieser Publikation können zur Untersuchung weiterer Gehölzarten angewandt werden und bieten eine Grundlage für die Auswahl geeigneter Substrate mit einem möglichst hohen allelopathischen Potential zur Unterdrückung von Unkraut. Die dritte Publikation (in Vorbereitung) beschäftigt sich mit der organischen Substanz (OS) beim Anbau mit Gehölzen zur energetischen Nutzung im Vergleich zum Anbau annueller Energiepflanzen auf Ackerland. Untersucht wurde ein 12-jähriger Dauerversuch auf der Versuchsstation Ihinger Hof in Südwestdeutschland mit einer Weiden-Kurzumtriebsplantage (Salix schwerinii E. Wolf x viminalis L.) und einer 12-jährigen Maismonokultur (Zea mays L.). In diesem Versuch wurden Bodenproben im Bereich 0 –10 cm und 10 – 20 cm gezogen. An jeder Probe wurden im Labor eine Dichtetrennung sowie eine Fraktionierung nach Korngröße durchgeführt, und der Kohlenstoffgehalt jeder Fraktion bestimmt. Die Dichtefraktionierung resultierte in einer leichten Fraktion (<1,8 g cm-3), die sich aus freier partikulärer und in Bodenaggregaten eingeschlossener OS „occluded- particulate organic matter“ (f-POM und o-POM) zusammensetzte sowie der schweren Fraktion, bestehend aus drei Klassen verschiedener Partikelgrößen: Sand (63-2000 μm), Lehm (2-63 μm) und Ton (<2 μm). Generell fanden sich höhere Gehalte an OS in der oberen Bodenschicht unter Weiden (1,39 %) als im Maisanbau (1,13 %). Im Boden unter Weiden war die leichte Fraktion (f-POM und o-POM) um 154 % höher als beim Maisanbau. Grund dafür war der kontinuierliche Zufluss von Streu und von Wurzelresten sowie die fehlende Bodenbearbeitung. Ebenso war das C:N Verhältnis der OS in den Sandfraktionen unter Weide (28, 24 und 16) höher als unter Mais (23, 18 und 9). Die Ergebnisse deuten auf einen langsamen Umsatz von OS und damit auf ein höheres Kohlenstoffsequestrierungspotential unter Weiden in Kurzumtriebsplantage als beim Maisanbau hin. Die vierte Publikation (veröffentlicht im Agronomy Journal) nutzt denselben 12-jährigen Feldversuch wie die dritten Publikation. Es erfolgte eine Bewertung des Biomasse- und des Bruttoenergieertrags von sechs annuellen und perennierenden Energiefruchtfolgen mit verschiedenen Stickstoffdüngungsstufen. Die annuellen Systeme bestanden aus Mais in Monokultur mit reduzierter Bodenbearbeitung; einer Fruchtfolge mit Raps (B. napus L. ssp. oleifera) – Weizen (Triticum aestivum L.) – Triticale (Triticale x triticosecale Wittmack) mit wendender bzw. keiner Bodenbearbeitung. Die perennierenden Systeme umfassten eine Kurzumtriebsplantage mit Weiden (S. schwerinii E. Wolf x viminalis L.), Miscanthus (Miscanthus x giganteus Greef et Deu.) und Ruthenhirse (Panicum virgatum L.). Für jedes Anbausystem wurden drei Stickstoffdüngungsstufen (0, 50 und 100 % der praxisüblichen Düngemenge) etabliert. In Mais wurde im Mittel der höchste jährliche Biomasseertrag festgestellt (18,5 Mg ha-1), gefolgt von Miscanthus (18,3 Mg ha-1) jeweils bei einem N-Düngeniveau von 100 %. Ohne Stickstoffdüngung lag der jährliche Biomasseertrag bei Miscanthus mit 13,6 Mg ha-1 am höchsten. Das hohe Ertragsniveau konnte bei beiden Kulturen über die 12-jährige Versuchslaufzeit nur mit der höchsten N-Düngerstufe gehalten werden. In den Fruchtfolgen und bei Rutenhirse sanken die Erträge über die Jahre auch mit hoher Stickstoffgabe. Je geringer die Stickstoffdüngung ausfiel, desto stärker war der Ertragsrückgang. Die Weiden in Kurzumtriebsplantage zeigten unabhängig von der Stickstoffdüngung und der Versuchslaufzeit im Mittel gleichbleibende Erträge von 11 Mg ha-1. Offenbar ist die Stickstoffdüngung für Weiden in Kurzumtriebsplantagen im Vergleich zu den anderen untersuchten Kulturen und Anbausystemen ein weniger wichtiger Produktionsfaktor. Das Ausbringen von Hackschnitzel von Hecken auf Ackerflächen und der Anbau von Gehölzpflanzen (Weide in Kurzumtriebsplantage) zeigten Effekte im oberirdischen Pflanzenaufwuchs und hatten Auswirkungen auf die Bodeneigenschaften. Gewünschte Auswirkungen der Managementmaßnahmen waren (i) die Verringerung des Unkrautbesatzes, (ii) der geringe Stickstoffinput für eine zufriedenstellende Produktivität von Weiden in Kurzumtriebsplantage, und (iii) und die Erhöhung der OS (Kohlenstoffsequestrierung). Unerwünschte Effekte äußerten sich in der tendenziellen Reduktion der Biomasseproduktion der Kulturpflanzen Wie die Studie zu Extrakten aus den Hackschnitzeln zeigt, scheinen tatsächlich allelopathische Effekte eine mögliche Ursache für die Unkrautunterdrückung bei der Hackschnitzelapplikation zu sein. Diese oder ähnliche Effekte könnten auch nach der Rodung von Kurzumtriebsplantagen auf die Nachfrüchte auftreten, z.B. aus Rückständen von Wurzeln und Stamm. Weiterhin könnte beim Erhalt von Heckenbiotopen auch mit einer Kohlenstoffsequenzierung gerechnet werden, ähnlich wie es bei den Weiden in Kurzumtriebsplantage gezeigt wurde. Die günstigen Effekte des Anbaus von Gehölzen könnten Landwirte motivieren, Gehölzpflanzen auf ihren Ackerflächen zu belassen bzw. zu etablieren und die Ökosystemleistungen auf dem Betrieb zu erhöhen. Weiterführende Forschung könnte darauf abzielen (i) technische Lösungen für eine praktikable Hackschnitzelausbringung zur Unkrautbekämpfung zu finden, (ii) die allelopathisch wirksamen Substanzen von Gehölzen zu identifizieren und zu isolieren und so gegebenenfalls Grundlage für eine neue Generation von Herbiziden zu schaffen, (iii) Langzeitfolgen von Ernterückständen nach dem Anbau von Kurzumtriebsplantagen auf die nachfolgenden Kulturen zu untersuchen, und (iv) Studien zur C-Sequestrierung unter naturnahen Hecken vorzunehmen.
The effect of enzyme additives on the anaerobic digestion of energy crops
(2014) Brulé, Mathieu; Jungbluth, Thomas
The mechanisms governing the efficiency of commercial fiber-degrading enzyme additives at improving the anaerobic digestion of energy crops were investigated. Standard batch digestion trials (BMP-assays) were performed using the Hohenheim Biogas Test (HBT) on maize straw, maize corn, and rye silage with different inocula. These BMP-assays showed no significant effect of enzyme additives (including commercial cellulase, xylanase, pectinase, laccase) on the methane production rate. However, batch digestion trials performed on grass silage under suboptimal conditions with inoculum of weak bacterial activity revealed significant increases of methane production up to 40%. In another experiment semi continuous acidogenic fermentation was performed in laboratory digesters with maize silage and water added for dilution at OLR 4 kg VS/(m3 × d), HRT 5 days, with the medium kept in the pH range 5 5.5 through quicklime addition. Enzyme additives at a dosage of 10 g/kg substrate VS significantly increased VFA release (+10%) as well as gas production, including H2 production (+20%). The results show that the efficiency of enzyme additives in anaerobic digestion depends on substrate (fibre length and composition) and process parameters (retention time, loading rate, pH, efficiency of bacterial substrate degradation).
Untersuchungen zur Aufbereitung und Umwandlung von Energiepflanzen in Biogas und Bioethanol
(2008) Schumacher, Britt; Jungbluth, Thomas
Due to finite fossil resources, one opportunity for the future is to increase the supply of energy out of renewable energy sources. One of many opportunities is the use of biomass, which offers plenty combinations of different kinds of biomass, paths of utilization and conversion techniques for a flexible adaptation to natural local and regional frameworks as well as the anthropogenic needs. For an efficient utilization of the limited arable land for the supply of bioenergy, there is a need of up-to-date and proof data about specific energy yields and yields per hectare. The aim of this investigation was to determine these data for the biogas and bioethanol sectors. Batch-tests were carried out in laboratory scaled digesters to investigate specific biogas and bioethanol yields. Additionally the testing of different techniques of pre-treatment for energy crops and their effects on the biogas yield and the progression of the formation of methane were focused. The conversion of maize silage and full ripe triticale into biogas and bioethanol was compared by an energy and environmental balance. The steam explosion technique was included. Pre-treatment The steam explosion pre-treatment of biomass increases the speed of formation of methane and partly increases the methane yields. The effects differ depending on the kind of biomass and the stage of ripening. Other techniques of pre-treatment like microwaving and cooking did not show significant or partly negative effects. A variation of parameters in the trial setup might be interesting. Besides the positive effects of the steam explosion technique there are some arguments like the additional costs of investment, the diminished concentration of nutrients respectively the increase of material flow against it. The additional energy consumption, mostly thermal energy, can be supplied from waste heat out of the combined heat and power plant (CHP). The screening and the production of technical enzymes for the efficient pre-degradation of raw materials containing high amounts of lignocellulose should be the subject of research and development in the future. The combination of biological (enzymatic), chemical, thermal and mechanical pre-treatment techniques need to be investigated with the focus on energy efficiency. Methane yields of energy crops and stillage A broad number of biogas tests had been carried out on various maize cultivars. The specific methane yields of the maize cultivars varied over the harvesting date differently. The cultivars with a low ripening number reached higher specific methane yields. The dominant factor for the energy yield per hectare was the dry matter yield, not the specific methane yield. In general it is recommended to use well adapted cultivars with high dry matter yields and a good ensilaging behaviour. The catch crops increased the methane yields per hectare just partly. But for reasons of soil conservation the cultivation is recommended. The nitrogen fertilizer had mostly a positive effect on the dry matter yields and the energy yields per hectare, respectively. Maize gained higher energy yields per hectare than switch grass. The utilization of stillage out of whole maize plants or triticale´s grain from the ethanol production as well as the utilization of by-products like straw in the biogas production could double the energy output per hectare compared to the simple ethanol production. Further options for the optimization of the biogas production under conditions of practice are digester systems well-adapted on the substrate, the use of multi step systems and the development of analytic methods in order to gain effective process control. Correlation between chemical components and measured methane yields The specific methane yields calculated out of the neutral detergents fibre, starch, sugar, raw proteins and its substrate-specific factors were very close to the experimentally determined yields of the maize cultivars for the four harvesting times. But the measured and calculated values showed no correlation. Whether the biogas tests can be replaced, by other methods or techniques of analysis of the components and the determination of additional components for the estimation of the potential of new cultivars, should be subject of further investigations. Bioethanol yields The energy yields on the conversion pathway bioethanol without using the by-products are lower than the yields via conversion into biogas, because the ethanol fermentation is limited on material that can be converted into sugar first. The advantage of the ethanol production is a fluid fuel as result of the process. Combining the ethanol production with a biogas plant, the by-products also can be used energetically and a gaseous energy carrier can be produced. There are high potentials for the bioprocess engineering, for instance in breeding of microorganisms for the degradation of lignocellulosic biomass or of C5-sugar. Furthermore a process optimization of water and energy input is recommended. Energy and environmental balance Biogas as well as bioethanol (combined with biogas) is able to reduce the consumption of non-renewable energy carrier and its emission under the investigated scenarios and the scoop set. A future task will be the development of differentiated and well-adapted concepts on the basis of a decision between (liquid) fuels or stationary supply of thermal and electrical energy out of biomass. The aim is an efficient use of the limited areas of arable land and forests for the supply with bioenergy carriers by a useful combination of biomass, paths of utilization and conversion technique depending on natural local and regional conditions as well as the anthropogenic needs.