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Doctoral Thesis
2017
Biomass quality of miscanthus genotypes for different bioconversion routes
Biomass quality of miscanthus genotypes for different bioconversion routes
Abstract (English)
Currently, a wide range of biomass based resources (wood, agricultural residues, municipal waste, perennial dedicated energy crops) are being tested for different bioconversion routes such as combustion and ethanol production. In Europe, combustion is the most prevalent bioconversion route being adopted to produce heat and electricity. By 2020, in Europe out of 139 Mtoe biomass based energy production, 110.4 Mtoe will be heat and electricity. Along with combustion, EU (European Union) focuses on increasing the share of biofuels production to achieve the EU 2020 target to reach 10% share of renewables in the transportation sector. For both aforementioned bioconversion routes, large amount of feedstocks, produced in a sustainable way, are required. Miscanthus, being a perennial dedicated energy crop has the potential to deliver high yields by using the soil resources efficiently. However, the per unit energy yield depends not only on biomass yield but also quality of biomass relevant for a specific end use. For miscanthus based combustion, high lignin contents increase the energy yield of the biomass. The main challenges are high emissions (e.g. NOx) and combustion relevant problems such as corrosion, fouling and low ash melting temperature. Other than for combustion, the high lignin content is the main problem during miscanthus based ethanol production. Presently, M. x giganteus is the only commercially grown genotype, however a wide range of genotypes are being tested under the European conditions to select the most promising ones for both combustion and ethanol production. Therefore, the focus of this study is to evaluate the biomass quality of different miscanthus genotypes for combustion and ethanol production and relevant measures for each bioconversion route to optimize biomass quality at field level to fit the user demand.
To realise the aim of this study, two different field trials were used: 1) long term field trial with 15 miscanthus genotypes (four M. x giganteus, one M. sacchariflorus, five M. sinensis hybrids and five M. sinensis genotypes) was established as randomized block design with three replications; 2) field trial with M. x giganteus and switchgrass was established as a randomized split plot design with different crops as main plots, divided into three subplots with different N levels (0, 40, and 80 kg N ha-1a-1). The biomass samples collected from these field trials were processed and analysed in laboratory to test the biomass quality parameters for combustion (mineral analysis, silicon, chloride, ash, moisture and ash melting behaviour) and ethanol production (fiber analysis, acid/base based pre-treatment).
The outcomes of this study show that at biomass production level, crop management practices such as selection of appropriate genotypes, fertilization and time of harvesting determine the yield, biomass quality, overall cost of production and environmental performance of the crop for a specific bioconversion route (combustion, ethanol production). The ash melting behavior during combustion process can be improved through appropriate genotype selection from an ash deformation temperature of 800 °C up to 1100 °C. For ethanol production, fiber composition can be improved up to 16% through appropriate genotype selection by decreasing the lignin content and improving the cellulose content. This improvement will not be completely translated to increase in ethanol yield. However, it can improve the overall efficiency of conversion process by decreased the lignin content and subsequently lowering the energy and chemical inputs required for pre-treatment. In this study, no quantification is made about improvement in final ethanol yield.
In fertilization, N fertilization is very important because it constituted up to 72% of the emissions in the conducted LCA described in chapter-1. Therefore, in case of high N fertilization, it not only affects the biomass quality but also increases the cost of biomass production and decreases the environmental performance of the crop. Based on the outcomes of this study, it can be concluded that at this location 40 kg N ha-1a-1 fertilization is sufficient to achieve good yield and quality biomass under late harvest regimes (March). At 40 kg N ha-1a-1 fertilization, the N content in the harvested biomass was still well below the threshold level set (0.3-1%) for biomass by the ENplus wood pellets.
The other important factor which offers opportunity to optimize biomass quality is time of harvesting. Through appropriate harvesting time, biomass combustion quality can be improved up to 30% through decreasing the mineral, chloride and ash content whereas for ethanol production, fiber composition can be improved up to 12% by decreasing the lignin content. In practical terms, the delay in harvest will help to meet the set quality standards and counter the relevant challenges for each bioconversion route. In current study, none of the biomasses harvested from the different miscanthus genotypes, except for M. sinensis, could meet the ENplus-B wood pellet standards. For combustion, early ripening thin stemmed genotypes such as M. sinensis are recommended under late harvest regime (March). However, the low yield of these genotypes is a major concern because low biomass quantity decreases the final energy yield. Considering the high dry matter yield, cellulose and hemicellulose content, M. x giganteus and M. sacchariflorus are recommended for ethanol production under early harvest regimes (September-October). However, the high lignin content of M. x giganteus and M. sacchariflorus reduces the efficiency of overall process. Therefore, in this study recommendations were given to breeders about development of new genotypes for combustion by combining interesting traits such as high yield and lignin content of M. x giganteus, low ash content of M. sacchariflorus, low mineral content especially K and Cl of M. sinensis, whereas for ethanol production low lignin content of M. sinensis can be combined with high yield of M. x giganteus.
This study suggests that optimization of biomass quality for a specific end use can be achieved through adoption of appropriate crop management practices such as selection of appropriate genotype and time of harvesting. This is the most cost-effective way with least environmental implications.
Abstract (German)
Derzeit wird ein breites Spektrum biobasierter Rohstoffe – wie zum Beispiel Holz, Reststoffe aus der Landwirtschaft, Kommunalabfälle sowie mehrjährige Energiepflanzen – auf ihre Eignung für verschiedene Biokonversionspfade, wie beispielsweise Verbrennung oder Ethanolproduktion, getestet. In Europa ist der vorherrschende Konversionspfad die Verbrennung, mittels der Strom und Wärme produziert wird. Bis zum Jahr 2020 wird die Bioenergieproduktion in Europa 139 Mtoe betragen, davon werden 110,4 Mtoe Strom und Wärme sein. Zusammen mit der Verbrennung konzentriert sich die EU (Europäische Union) auf die Erhöhung des Anteils der Biokraftstoffe um ein Ziel der Europa 2020 Strategie zu erreichen, einen Anteil der Erneuerbaren Energien im Transportsektor von 10% zu erzielen. Für beide der zuvor dargestellten Biokonversionspfade werden große Mengen an nachhaltig produzierten Rohstoffen benötigt. Miscanthus, eine mehrjährige Energiepflanze, nutzt die Bodenressourcen sehr effizient und hat dabei ein hohes Ertragspotential. Der Energieertrag ist jedoch nicht nur vom Biomasseertrag abhängig, sondern auch von den Biomassequalitätsmerkmalen, die für den jeweiligen Nutzungspfad relevant sind. Bei der Verbrennung von Miscanthus erhöhen hohe Ligningehalte den Energieertrag der Biomasse. Die größten Herausforderungen sind hohe Emissionen (z.B.: NOx) und andere für die Verbrennung relevante Probleme wie zum Beispiel Korrosion, Verschmutzung und ein geringer Ascheschmelzpunkt der Biomasse. Im Gegensatz zur Verbrennung ist der hohe Ligningehalt ein großes Problem bei der Ethanolherstellung aus Miscanthus. Zurzeit ist M. x giganteus der einzig kommerziell angebaute Genotyp. Jedoch wird eine große Bandbreite an Genotypen unter europäischen Bedingungen getestet, um die vielversprechendsten sowohl für die Verbrennung als auch die Ethanolherstellung zu selektieren. Daher ist das Ziel dieser Studie die Biomassequalität verschiedener Miscanthusgenotypen für die Verbrennung und die Ethanolherstellung zu bestimmen. Des Weiteren sollen Maßnahmen, um die Biomassequalität auf dem Feld zu optimieren und an den Bedarf des jeweiligen Nutzers anzupassen, für beide Biokonversionspfade bewerten werden.
Dazu wurden zwei verschiedene Feldversuche genutzt: 1) ein langjähriger Feldversuch mit 15 Miscanthusgenotypen (vier M. x giganteus, ein M. sacchariflorus, fünf M. sinensis Hybriden und fünf M. sinensis Genotypen), die in einer randomisierten Blockanlage mit drei Wiederholungen etabliert wurden; 2) ein Feldversuch mit M. x giganteus und Rutenhirse in einer randomisierten Spaltanlage mit den verschiedenen Kulturarten als Großteilstücke, unterteilt in drei Kleinteilstücke mit verschiedenen Stickstoffdüngungsstufen (0, 40, und 80 kg N ha-1a-1). Die Biomasseproben von diesen Feldversuchen wurden aufbereitet und im Labor auf ihre Qualitätseigenschaften für die Verbrennung (Mineralstoffanalyse, Silizium, Chlor, Asche, Feuchtigkeit sowie das Ascheschmelzverhalten) und die Ethanolherstellung (Faseranalyse, Vorbehandlung mittels Säure) analysiert.
Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass bei der Biomasseproduktion Kulturmaßnahmen wie die Auswahl geeigneter Genotypen, Düngung und Erntezeitpunkt entscheidend sind für den Ertrag, die Biomassequalität, die Produktionskosten und die Umweltleistung der Pflanze für einen bestimmten Konversionspfad (Verbrennung, Ethanolherstellung). Das Ascheschmelzverhalten während des Verbrennungsprozesses kann durch die Auswahl geeigneter Genotypen verbessert werden. Die Temperatur der Ascheschmelze erhöht sich dadurch von 800 °C auf 1100 °C. Bei der Ethanolherstellung kann die Faserzusammensetzung durch die Auswahl geeigneter Genotypen mit einem niedrigen Lignin- und einem höheren Zellulosegehalt um 16% verbessert werden. Diese Verbesserung kann zwar nicht vollständig in einen höheren Ethanolgehalt umgesetzt werden, jedoch verbessert sich die Gesamteffizienz des Konversionsprozesses durch den niedrigeren Ligningehalt und den dadurch niedrigeren Energie- sowie Chemikalienbedarf für die Vorbehandlung. Im Rahmen dieser Studie wurde die Verbesserung des Endethanolertrages nicht quantifiziert.
Hinsichtlich der Düngung ist insbesondere die Stickstoffdüngung sehr wichtig, da diese für bis zu 72% der in der LCA (Kapitel 1) ermittelten Emissionen verantwortlich ist. Eine hohe Stickstoffdüngung beeinflusst deshalb nicht nur die Biomassequalität, sondern erhöht auch die Produktionskosten der Biomasse und verschlechtert die Umweltleistung der Pflanze. Auf Grundlage der Ergebnisse dieser Studie kann gefolgert werden, dass an den gewählten Versuchsstandorten eine Stickstoffdüngung von 40 kg N ha-1a-1 ausreicht, um hohe Erträge und eine hohe Biomassequalität bei einer späten Ernte im März zu realisieren. Bei einer Düngung von 40 kg N ha-1a-1 lag der Stickstoffgehalt der Biomasse deutlich unter dem Grenzwert von 0,3-1% für Biomasse, welcher in der Norm ENplus für Holzpellets festgelegt ist.
Der zweite wichtige Einflussfaktor zur Verbesserung der Biomassequalität ist der Erntezeitpunkt. Durch einen angepassten Erntezeitpunkt kann die Biomassequalität für die Verbrennung durch die Senkung des Mineralstoff-, Chlor- und Aschegehaltes um bis zu 30% verbessert werden. Bei der Ethanolherstellung kann die Faserzusammensetzung durch einen niedrigeren Ligningehalt um bis zu 12% verbessert werden. In der Praxis hilft der spätere Erntetermin die gegebenen Qualitätsanforderungen zu erfüllen und die Herausforderungen des jeweiligen Konversionspfades zu bewältigen. In der vorliegenden Studie konnte keiner der verschiedenen Miscanthusgenotypen, mit Ausnahme von M. sinensis, den Holzpellet Standard ENplus-B erfüllen. Für die Verbrennung sind bei einer späten Ernte (März) früh reifende Genotypen mit dünnen Stängeln wie M. sinensis zu empfehlen. Ein größeres Problem stellt hierbei jedoch der niedrige Ertrag dieser Genotypen dar, da ein niedriger Biomasseertrag den Endenergieertrag senkt. Unter Berücksichtigung des hohen Trockenmasseertrages sowie des hohen Zellulose- und Hemizellulosegehaltes sind bei einer frühen Ernte (September-Oktober) M. x giganteus und M. sacchariflorus für die Ethanolherstellung zu empfehlen. Der hohe Ligningehalt von M. x giganteus und M. sacchariflorus reduziert jedoch die Effizienz des Gesamtprozesses. Aufgrund dessen wird im Rahmen dieser Studie Züchtern die Empfehlung gegeben, zur Entwicklung neuer Genotypen für die Verbrennung Eigenschaften wie den hohen Ertrag sowie den hohen Ligningehalt von M. x giganteus, den niedrigen Aschegehalt von M. sacchariflorus und den niedrigen Mineralstoffgehalt – insbesondere hinsichtlich Kalium und Chlor – von M. sinensis zu kombinieren. Bei der Züchtung neuer Genotypen für die Ethanolherstellung sind hingegen insbesondere der niedrige Ligningehalt von M. sinensis und der hohe Ertrag von M. x giganteus interessant.
Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass die Optimierung der Biomassequalität für einen spezifischen Verwendungszweck durch die Anwendung geeigneter Kulturmaßnahmen wie die Auswahl angepasster Genotypen und den Erntetermin erreicht werden kann. Dies ist nicht nur die kostengünstigste Variante, sondern auch diejenige mit den geringsten Auswirkungen auf die Umwelt.
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Notes
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Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Crop Science
Examination date
2017-01-17
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Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Collections
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Iqbal2017,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6162},
author = {Iqbal, Yasir},
title = {Biomass quality of miscanthus genotypes for different bioconversion routes},
year = {2017},
school = {Universität Hohenheim},
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