PROGRASS - Ein innovativer Ansatz zur stofflichen und energetischen Grasverwertung

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung

Danksagung

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Aufgabenstellung
1.2 Methodik

2 Nachwachsende Rohstoffe
2.1 Nachwachsende Rohstoffe allgemein
2.2 Der nachwachsende Rohstoff Gras
2.2.1 Charakterisierung geeigneter Grasarten
2.2.2 Grasqualität

3 Bioraffineriekonzepte
3.1 Lignocellulose Feedstock Biorefinery
3.2 Cereal Biorefinery
3.3 Grüne Bioraffinerie
3.3.1 Geschichtliche Hintergründe der Grünen Bioraffinerie
3.3.2 Produkte einer Grünen Bioraffinerie
3.3.3 Stand der Technik
3.3.4 Mögliche Technologien einer Grünen Bioraffinerie
3.3.4.1 Vorbehandlung des Rohstoffs
3.3.4.2 Presstechnik
3.3.4.3 Proteingewinnung
3.3.4.4 Biogasanlage
3.3.4.5 Abwasserbehandlung
3.3.5 Basistechnologien für das Errichten einer Grünen Bioraffinerie

4 Machbarkeitsstudie
4.1 Standort
4.1.1 Entwicklung der Landwirtschaft in Luxemburg
4.1.2 Aktuelle Grasnutzung in Luxemburg
4.1.3 Bioraffinerie-Standort Redange
4.1.4 Biogasanlage „Un der Attert“
4.1.5 Synergieeffekte
4.2 Rohstoff Gras
4.2.1 Dimensionierung der Bioraffinerie
4.2.2 Potentialerhebung
4.2.2.1 Einzugsgebiet der Bioraffinerie
4.2.2.2 Theoretisches Potential
4.2.2.3 Technisches Potential
4.2.2.4 Wirtschaftliches Potential
4.2.2.5 Auswertung der Potentialerhebung
4.2.3 Betrachtung der Grasqualität
4.3 Produkte / Reststoffe
4.3.1 Fasern
4.3.2 Futtermittelproteine
4.3.3 Biogas € Wärme und Strom
4.3.4 Prozesswasser
4.4 Technische Machbarkeit
4.4.1 Modul 1: Aufbereitung
4.4.2 Modul 2: Macerator
4.4.3 Modul 3: Fasergewinnung
4.4.4 Modul 4: Proteingewinnung
4.4.5 Modul 5: Biogasanlage
4.4.6 Modul 6: Abwasserreinigung
4.5 Wirtschaftlichkeit
4.5.1 Annuitätsmethode
4.5.2 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Bioraffinerie-Vorhabens
4.5.2.1 Investitionsbetrag A0
4.5.2.2 Betriebsgebundene Auszahlungen AB
4.5.2.3 Einzahlungen (Erlöse) E
4.5.2.4 Berechnung der Annuitäten

5 Übertragbarkeit
5.1 Rohstoff
5.2 Abwasserbehandlung
5.3 Förderung
5.4 Produkte einer Grünen Bioraffinerie
5.5 Bereits realisierte Anlagenkomponenten

6 Fazit / Ausblick

Literaturverzeichnis

Zusammenfassung

Eine Grüne Bioraffinerie ist ein komplexes Technologiesystem zur stofflichen und energetischen Verwertung nachwachsender Rohstoffe in Form von Grüner Biomasse und Abfallbiomasse. Zusätzlich zu den ökologischen Aspekten, die für eine verstärkte Nutzung nachwachsender Rohstoffe sprechen, kann eine Grüne Bioraffinerie einen Beitrag zum Erhalt der Kulturlandschaft sowie zur Einkommenssicherung der Landwirte leisten.1

Ziel dieser Diplomarbeit war es, für den Standort Redange in Luxemburg die Mach- barkeit einer Grünen Bioraffinerie nach dem Konzept der Schweizer Biotechnologie- firma 2B Biorefineries AG nachzuweisen. Die Ergebnisse der Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Die Implementierung der Grünen Bioraffinerie am Standort Redange hat einen durchweg positiven Charakter. Die bestehende Biogasanlage kann maßgeblich zur Wirtschaftlichkeit des Bioraffinerie-Vorhabens beitragen und selbst durch eine gesteigerte Wertschöpfung und einen höheren Biogasertrag von der Bioraffinerie profitieren. Die Region Redange im Ganzen wird durch die Bioraffinerie gestärkt.

Die im Rahmen der Diplomarbeit durchgeführte Potentialerhebung kommt zu dem Ergebnis, dass die benötigte Grasmenge von 7.500 t Trockensubstanz pro Jahr in einem Radius von 45 km um die Bioraffinerie zur Verfügung gestellt werden kann. Auch die Grasqualität im Einzugsgebiet der Bioraffinerie genügt den spezifischen Anforderungen.

Die Marktaussichten der in der Bioraffinerie erzeugten Produkte können für den Standort Luxemburg als gut bewertet werden. Das gesamte Faserkontingent wird zu einem Preis von 0,80 € / kg Faser durch die Firma 2B AG abgenommen und die Futtermittelproteine können, sofern bestimmte Qualitätsstandards eingehalten werden, für 0,25 € / kg Proteinkonzentrat an den Verband (De-Verband) abgegeben werden.

Um die Technologie des 2B-Verfahrens bewerten zu können, wurde sie im Rahmen der Diplomarbeit mit anderen Bioraffinerie-Vorhaben verglichen. Aus technischer Sicht sind keine Probleme zu erwarten. Des weiteren konnte mit der Pflanzen- kläranlage eine ökonomische und ökologisch sinnvolle Variante zur Abwasser- behandlung gefunden werden.

Die ökonomische Tragfähigkeit des Gesamtvorhabens konnte mit Hilfe der durch- geführten Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nachgewiesen werden. Unter Berücksichtigung der definierten Rahmenbedingungen lassen sich mit der geplanten Bioraffinerie Erlöse in Höhe von 147.099,61 € pro Jahr erwirtschaften.

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich all jenen danken, die durch ihre fachliche und persönliche Unterstützung zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben.

Meinem Betreuer Herrn Prof. Dipl.-Ing. Frank Baur danke ich für das Bereitstellen des interessanten Diplomthemas und für die Möglichkeit innerhalb des EU-Projektes mitzuarbeiten.

Besonders zu Dank verpflichtet bin ich Frau Dipl.-Ing. Claudia Ziegler, die durch ihren fachlichen Beistand sowie durch das unermüdliche Korrekturlesen einen maßgeblichen Beitrag zum Erfolg dieser Arbeit geleistet hat.

Bei den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts für Zukunftsenergiesysteme bedanke ich mich für das angenehme Betriebsklima und die optimalen Arbeits- bedingungen, wie man sie sich für seine Diplomarbeit nicht besser wünschen könnte.

Der Firma LEE sàrl danke ich für die Kooperation und die Hilfestellung im Bereich der Biogastechnologie sowie bei der Erhebung der Graspotentiale. Speziell Herrn Jean Schummer und Herrn Dipl.-Betriebswirt Thorsten Kläs sei diesbezüglich rechtherzlich gedankt.

Dem Institut für angewandtes Stoffstrommanagement als Projektkoordinator danke ich für die gute Zusammenarbeit und das zur Verfügung stellen diverser Informationsquellen. Besonders hervorheben möchte ich hier Herrn Dipl.-Ing.

Christoph Caspary, der als kompetenter Ansprechpartner stets bereit stand.

Herrn Prof. Dr. Peter Heck, Herrn Prof. Dr. Alfons Matheis und Frau Dipl.- Betriebswirtin Dunja Hoffmann gebührt mein Dank für die gute Betreuung während der „Reisenden Hochschule Birkenfeld“ in Polen. Diese Veranstaltung trug dazu bei meinen Horizont zu erweitern und stellte einen guten Einstieg für die Diplomarbeit dar.

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Welt-Energieverbrauch 2001

Abb. 2: Stoffliche Nutzung NaWaRo's

Abb. 3: Verfahrensschema einer Lignocellulose Feedstock Biorefinery

Abb. 4: Verfahrensschema Cereal Biorefinery

Abb. 5: Grüne Bioraffinerie Brandenburg

Abb. 6: 2B-Verfahren zur Grasverwertung

Abb. 7: Lage Biogasanlage

Abb. 8: Biogasanlage Redange

Abb. 9: Hierarchie der Potentiale

Abb. 10: Verfahrensfließbild Grasraffinerie

Abb. 11: Aminosäuren-Zusammensetzung 2B-Gratein

Abb. 12: Verfahrensablauf 2B Bioraffinerie

Abb. 13: Ablaufplan zur preisdynamischen Annuitätsmethode

Abb. 14: Wirtschaftlichkeit der Bioraffinerie in Abhängigkeit der Anlagengröße

Abb. 15: Wirtschaftlichkeit der Bioraffinerie in Abhängigkeit des Graspreises

Abb. 16: Wirtschaftlichkeit der Bioraffinerie in Abhängigkeit der Förderung

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Standortanforderungen verschiedener Grasarten

Tab. 2: Rohfaser- und Rohproteingehalt von Futtergräsern verschiedener Entwicklungsstadien

Tab. 3: Systemvergleich - geeignete Technologie für die Grüne Bioraffinerie

Tab. 4: Ökonomische Betrachtung der Fermentersysteme für eine Grüne Bioraffinerie

Tab. 5: Gras für die Bioraffinerie von den Mitgliedsbetrieben der Kooperativen

Tab. 6: Gras für die Bioraffinerie von externen Betrieben in Luxemburg

Tab. 7: Zusammensetzung von Frischgras in Luxemburg (Langjähriger Mittelwert)

Tab. 8: Zusammensetzung von Grassilage in Luxemburg (Langjähriger Mittelwert)

Tab. 9: Gehaltswerte von 2B Gratein im Vergleich zu anderen Proteinträgern

Tab. 10: Rohproteingehalt und Anteile ausgewählter Aminosäuren verschiedener Futtermittel

Tab. 11: Technische Daten BHKW

Tab. 12: Anforderungen an die Gasbeschaffenheit

Tab. 13: Technische Daten des Biogas BHKW-Modul Typ FSB-360-KSM

Tab. 14: Einwohnerspezifische Frachten im Schmutzwasser

Tab. 15: Investi]]tionsbetrag Bioraffinerie

Tab. 16: Investitionsbetrag Biogasanlage

Tab. 17: Investitionsbetrag Pflanzenkläranlage

Tab. 18: Betriebskosten des Bioraffinerievorhabens gesamt

Tab. 19: Erlöse des Bioraffinerievorhabens

1 Einleitung

Die Wirtschaft der Industriestaaten ist extrem stark von fossilen Rohstoffen abhängig, zu denen neben Erdöl als wichtigste Komponente auch Erdgas und Kohle gehören.

Das Haupteinsatzgebiet fossiler Rohstoffe liegt im Bereich der Energieversorgung. Der kommerzielle Primärenergiebedarf belief sich im Jahr 2001 weltweit auf 12,6 Mrd. Steinkohleeinheiten bzw. auf 8,4 Mrd. Tonnen Öläquivalent. 87% dieses Energiebedarfs werden momentan mittels fossiler Rohstoffe gedeckt, während die vor einigen Jahren noch als „Zukunftsenergiequelle“ propagierte Kernenergie bei 8% stagniert. Alternative Energiequellen wie Solar-, Wind-, Wasserenergie sowie Energie aus nachwachsenden Rohstoffen schlagen erst mit 5% zu buche (vgl. Abb. 1).^[1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Neben der Energieversorgung bilden fossile Rohstoffe einen wichtigen Grundstoff für die chemische Industrie. So finden jährlich ca. 7% der weltweit geförderten fossilen Rohstoffe in der Petrochemie Verwendung. Die hieraus gewonnene Produktpalette reicht von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln bis hin zu Kunststoffen, Farbstoffen und Arzneimitteln.^[2]

Die ausgeprägte Nutzung fossiler Rohstoffe bereitet jedoch beträchtliche Probleme.

Die Tatsache, dass fossile Rohstoffe keine erneuerbaren Energieträger darstellen, sondern nur in endlicher Form zur Verfügung stehen wird in den nächsten Jahr- zehnten zu einem Versorgungsnotstand führen. Bei einem gleichbleibenden weltweiten Primärenergiebedarf werden die Reserven an Erdöl in ca. 44 Jahren, die Reserven an Erdgas in 84 Jahren und die Kohlereserven in 185 Jahren erschöpft sein. Nach einer Studie des World Energy Councils wird der Energieverbrauch jedoch nicht gleich bleiben, sondern deutlich ansteigen, was dazu führt, dass in den nächsten 50 Jahren die Förderung von Erdöl um fast ein Drittel, von Kohle auf fast das Doppelte und von Erdgas auf rund das Dreifache gesteigert werden muss.^[1] Zusätzlich sollte bedacht werden, dass auch wenn unsere Reserven noch für rund ein Jahrhundert zur Verfügung stehen das Fördern fossiler Rohstoffe immer unwirtschaftlicher wird, was mit einem deutlichen Preisanstieg verbunden sein dürfte.

Ein weiterer wichtiger Nachteil bei der Nutzung fossiler Rohstoffe ist der Treibhaus- effekt. Fossile Rohstoffe sind Kohlenwasserstoffverbindungen bei deren Verbrennung unter anderem Kohlendioxid (CO2) freigesetzt wird. Neben Methan (CH4), Lachgas (N2O) und Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) ist Kohlendioxid eines der wichtigsten Treibhausgase. Als Folge der anthropogenen Emissionen ist die CO2-Konzentration in der Atmosphäre zwischen den Jahren 1750 und 2000 um 30% von 280 ppm auf 368 ppm angestiegen. Dies hat zur Folge, dass sich das Weltklima seit dem vorindustriellen Zeitraum auf regionaler als auch auf globaler Ebene nachweislich verändert hat. Bis Ende des 21. Jahrhunderts wird mit einem mittleren globalen Temperaturanstieg von 1,4 bis 5,8 °C gerechnet. Das Ausmaß künftiger Klimaänderungen hängt im wesentlichen von den Treibhausgas-Emissionen ab. Durch eine umgehende Verringerung dieser Emissionen können Geschwindigkeit und Intensität der Veränderungen entscheidend beeinflusst werden.

Um die Treibhausgas-Emissionen auf globaler Ebene zu reduzieren, wurde 1992 anlässlich des „Erdgipfels“ in Rio de Janeiro das Rahmenübereinkommen der Vereinten Nationen über Klimaänderungen verabschiedet. Ziel des Übereinkommens ist die Stabilisierung der Treibhausgas-Konzentration in der Atmosphäre auf einem Niveau auf dem jede gefährliche Störung des Klimas verhindert wird. Da die Klima- konvention keine quantifizierten Emissionsreduktionsziele oder sonstige rechtlich verbindliche Verpflichtungen beinhaltet, wurde 1997 ein Zusatzprotokoll erarbeitet, das sogenannte Kyoto-Protokoll. Hier werden für die sechs wichtigsten Treibhaus- gase quantifizierte Reduktionsziele genannt (vgl. Anhang 1).

Die Europäische Union muss nach dem Kyoto-Protokoll ihren Ausstoß der sechs geregelten Treibhausgase um 8% reduzieren.^[2] Um die Anforderungen des Kyoto- Protokolls erfüllen zu können, strebt die Europäische Union innerhalb der ersten Dekade des neuen Jahrhunderts beim Primärenergieverbrauch annähernd eine Verdopplung des Anteils erneuerbarer Energiequellen an. Bis 2010 sollen 12% des Energieverbrauchs aus erneuerbaren Quellen gedeckt werden, für den Elektrizitäts- verbrauch sind sogar 23,5% vorgesehen.

Die Ziele, die die Europäische Union mit dem Ausbau erneuerbarer Energiequellen verfolgt, sind jedoch komplexerer Natur. Abgesehen vom Klimaschutz spielen der Umweltschutz, die Schaffung von Arbeitsplätzen, die regionale und lokale Wert- schöpfung, die Förderung der mittelständigen Wirtschaft, die Nutzung von Export- chancen, die Versorgungssicherheit, die Friedenssicherung und der Beitrag zu einer sozialverträglichen Energieversorgung eine zentrale Rolle.^[1]

Die stoffliche und energetische Nutzung nachwachsender Rohstoffe kann in diesem Zusammenhang einen sinnvollen Lösungsansatz darstellen.

In ökologischer Hinsicht zeichnen sich nachwachsende Rohstoffe besonders durch ihre CO2-Neutralität aus, d.h. bei ihrer Verbrennung oder Entsorgung wird nur so viel Kohlendioxid freigesetzt, wie die Pflanze auch während ihres Lebenszyklus aufgenommen hat. Darüber hinaus können nachwachsende Rohstoffe auch als Ausgangsmaterial für eine Vielzahl an Produkten dienen, die bislang nur auf fossiler Rohstoffbasis erzeugt werden konnten. In den USA wird es bereits für möglich erachtet, im Jahr 2020 bis zu 25% aller auf organischem Kohlenstoff basierenden Grundchemikalien und 10% der flüssigen Brenn- und Kraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen zu produzieren.^[2] Nachwachsende Rohstoffe lassen sich somit nicht nur als regenerative Energiequelle nutzen, sondern können auch auf stofflicher Ebene einen Beitrag zur Substitution fossiler Rohstoffe leisten.

Mit Hinblick auf eine nachhaltig gesicherte Erwerbstätigkeit lassen sich für eine intensivierte Nutzung nachwachsender Rohstoffe auch sozioökonomische Aspekte anführen.

Seit einigen Jahren kann im Bereich der Landwirtschaft eine negative Tendenz beobachtet werden. 1980 waren in der europäischen Landwirtschaft 12,73 Mio. Menschen beschäftigt, bis zum Jahr 2001 nahm diese Zahl um fast die Hälfte auf 6,70 Mio. Beschäftigte ab.^[3] Der Anbau nachwachsender Rohstoffe kann der Landwirtschaft eine neue Perspektive zum immer kleiner werdenden Nahrungsmittel- sektor bieten.

Auch im Bereich der verarbeitenden Industrie können mit einem verstärkten Einsatz nachwachsender Rohstoffe neue Arbeitsplätze geschaffen oder zumindest bestehende Arbeitsplätze gesichert werden. Grundsätzlich ist auch denkbar, dass mit der Nutzung nachwachsender Rohstoffe ein völlig neuer Industriezweig etabliert werden kann.

Einen relativ neuen Ansatz zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe stellen Bioraffinerie-Systeme dar. Bioraffinerien sind komplexe Technologiesysteme zur umfassenden stofflichen und energetischen Verwertung nachwachsender Rohstoffe. Im Konzept einer Bioraffinerie besitzt die Nachhaltigkeit oberste Priorität. Diese umfasst die Bereitstellung der Rohstoffe aus einer nachhaltigen, d.h. umwelt- und sozialverträglichen Landnutzung, die Entwicklung einer werkstofforientierten Landwirtschaft, die schrittweise Ablösung der Stoff- und Energiewirtschaft fossiler Rohstoffe durch Technologietransfer und die Gründung regional nachhaltiger Wirtschaftsprozesse durch Anwendung eines modernen Stoffstrommanagements.^[1]

Nach dem verwendeten Rohstoff lassen sich grundsätzlich drei Bioraffinerie-Typen unterscheiden: In einer LCF-Bioraffinerie (Lignocellulose Feedstock Biorefinery) wird „naturtrockene“ Biomasse wie Holz und Stroh verarbeitet. In einer Getreide- Bioraffinerie (Cereal Biorefinery) dienen Getreide-Ganzpflanzen und stärkehaltige Pflanzen wie Mais und Weizen (Triticeen) als Inputmaterial. In einer Grünen Bioraffinerie (Green Biorefinery) werden „naturfeuchte“ Biomassen wie Gras und Luzerne verwendet.^[2]

Auf Grund der extensiven Ausrichtung der aktuellen Agrarpolitik und der damit verbundenen Zunahme an Dauergrünland, erscheint der nachwachsende Rohstoff Gras als Inputmaterial für eine Bioraffinerie besonders interessant. Neben der Landwirtschaft kann Gras auch aus der Landschafts- und Gartenpflege bezogen werden. Die Abfallbiomasse, die in diesen Bereichen anfällt, wird momentan häufig auf Deponien verbracht oder als Kompost verwertet. Mit der Verarbeitung der Abfall- gräser in einer Grünen Bioraffinerie könnte das stoffliche und energetische Potential der Pflanzen genutzt werden.

Dem Einsatz von Gräsern in Bioraffinerien wurde im Vergleich zu anderen nachwachsenden Rohstoffen bislang nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Neben einigen Forschungsgruppen befasst sich in Europa nur die Firma 2B Biorefineries AG mit der Implementierung Grüner Bioraffinerien.

Die Schweizer Biotechnologiefirma 2B Biorefineries AG, die 1996 von den drei Partnern Stefan Grass, Graeme Hansen und Peter Müller gegründet wurde, hat 1996/97 im Labor der Eidgenössischen Hochschule Zürich (ETH) einen ersten Prototyp einer Grünen Bioraffinerie entwickelt. 1998 wurde in Märwil (Thurgau, Schweiz) eine Pilot- und Demonstrationsanlage errichtet. Der Scale-up und die Verifikation der Technik konnten hierbei erfolgreich demonstriert werden. Die erste industrielle Anlage, die Bioenergie Schaffhausen AG, hat den Betrieb im Oktober 2001 aufgenommen.^[3]

Mit dem Verfahren der Firma 2B Biorefineries AG lassen sich ohne chemische Zusätze aus Gras technische Fasern, Futtermittelproteine und Biogas gewinnen. Das Biogas kann unter Verwendung eines Blockheizkraftwerkes (BHKW) zu Strom und Wärme umgesetzt werden.

Um die innovative Technologie der Firma 2B Biorefineries AG zu verbreiten, fördert die Europäische Union mit dem Projekt PROGRASS ein internationales Forschungs- vorhaben. Im Rahmen des EU-Projektes wird die Machbarkeit von fünf potentiellen Bioraffineriestandorten geprüft. Die untersuchten Standorte sind Redange (Luxemburg), Hunsrück und Illtal (Deutschland), Tulln (Österreich) und Rzepin (Polen).

Das Thema dieser Diplomarbeit bildet die Machbarkeitsstudie für den Standort Redange.

1.1 Aufgabenstellung

Ziel der Diplomarbeit ist die Darstellung, der ökologischen, technischen und ökonomischen Aspekte, die für die Realisierung einer Grünen Bioraffinerie am Standort Redange von Bedeutung sind.

In diesem Zusammenhang ist der gewählte Standort mit Hinblick auf die Belange einer Grünen Bioraffinerie auf seine Eignung zu untersuchen. Dies beinhaltet:

- das Ausarbeiten möglicher Synergieeffekte,
- das Überprüfen der Versorgungssicherheit und
- die Beurteilung der zu erwartenden Grasqualität.

Des Weiteren ist die Technologie des 2B-Verfahrens hinsichtlich der technischen Machbarkeit zu überprüfen. In diesem Zusammenhang sollen:

- alternative Verfahrenskonzepte untersucht und
- die für den Standort günstigste Variante gewählt werden.

Anschließend gilt es die Wirtschaftlichkeit des Gesamtvorhabens nachzuweisen. Dies umfasst:

- das Analysieren der Marktaussichten für die einzelnen Bioraffinerieprodukte und
- die Durchführung einer Wirtschaftlichkeitsberechnung.

Auf der Grundlage, dass der Technologietransfer ein zentrales Ergebnis des EU- Projekts darstellt, sind im Rahmen der Diplomarbeit zusätzlich Sensibilitäten auszuarbeiten, durch die eine Übertragung der Ergebnisse auf andere Standorte ermöglicht wird.

1.2 Methodik

Um zu überprüfen, ob der Bioraffinerie genügend Rohstoffe zur Verfügung gestellt werden können, wird eine Potentialerhebung durchgeführt. Die hierbei angesetzten Flächenanteile sowie der Tierbestand beruhen auf der landwirtschaftlichen Zählung vom 15.Mai.2003. Der Grundfutterbedarf der einzelnen Tiergruppen wird an Hand einer Literatur- und Internetrecherche ermittelt.

Für die Beurteilung der Grasqualität werden Grundfutteranalysen der Administration des services techniques de l’Agriculture mit den Anforderungen einer Grünen Bio- raffinerie verglichen.

Die Marktanalysen der Bioraffinerieprodukte basieren auf einer Literatur- und Internetrecherche sowie auf der Befragung von Akteuren und Institutionen, die in den jeweiligen Bereichen tätig sind.

Hinsichtlich der technischen Machbarkeit wird das 2B-Verfahren mit alternativen Verfahrenskonzepten und Bioraffinerietechnologien verglichen. Dem Verfahren der Firma 2B Biorefineries AG liegen diesbezüglich die entsprechenden Patentanträge zu Grunde, alternative Verfahrenskonzepte werden mittels einer Literatur- und Internetrecherche ermittelt.

Die im Rahmen der Diplomarbeit durchgeführte Wirtschaftlichkeitsberechnung basiert auf der VDI-Richtlinie 2067 Blatt 1: „Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungs- anlagen“.

2 Nachwachsende Rohstoffe

2.1 Nachwachsende Rohstoffe allgemein

Jährlich werden mittels Photosynthese weltweit ca. 170 Mrd. Tonnen Biomasse produziert (75% Kohlenhydrate, 20% Lignin, 5% andere Naturstoffe wie Öle, Fette, Proteine, …). Hiervon werden etwa 6 Mrd. Tonnen bzw. 3,5% durch uns Menschen genutzt. Die genutzte Biomasse besteht zu 62% aus Nahrungs- und Futtermitteln und zu 33% aus Holz, das als Energiequelle oder als Baumaterial verwendet wird. Der Anteil nachwachsender Rohstoffe liegt, abgesehen von dem Holz, bei 5%. Dies entspricht ca. 300 Mio. Tonnen Biomasse.^[1]

Unter nachwachsenden Rohstoffen versteht man Stoffe, die aus lebender Materie stammen und vom Menschen zielgerichtet für Zwecke außerhalb des Nahrungs- und Futtermittelbereiches verwendet werden.^[2] In der Regel werden nachwachsende Rohstoffe auf landwirtschaftlichen oder forstwirtschaftlichen Flächen erzeugt und nach einer Aufbereitung einer stofflichen und/oder energetischen Nutzung zugeführt. Im weitesten Sinne lassen sich auch tierische Produkte wie Wolle und Leder der Gruppe der nachwachsenden Rohstoffe zuzählen.^[3]

Für eine verstärkte Nutzung nachwachsender Rohstoffe spricht eine Vielzahl an Argumenten.

Nachwachsende Rohstoffe können fossile Rohstoffe in energetischer als auch in stofflicher Hinsicht substituieren. Infolgedessen leisten sie einen Beitrag zum Klima- und Umweltschutz sowie zur Schonung der Ressourcen (vgl. Einleitung). Das wohl bekannteste Beispiel für die energetische Nutzung nachwachsender Rohstoffe ist die Verwendung von Holz in Feuerungsanlagen (vgl. Holzhackschnitzelheizkraftwerk), aber auch die Verwendung von Energiepflanzen wie z.B. Mais oder auch Gras in Biogasanlagen stellt eine energetische Verwertung dar. Auf stofflicher Ebene bilden nachwachsende Rohstoffe bereits heute den Grundstoff für eine umfangreiche Produktpalette (vgl. Abb. 2).

Neben den ökologischen Vorteilen lassen sich durch den Anbau und die Nutzung nachwachsender Rohstoffe auch im Bereich der Landwirtschaft Erfolge erzielen. Betrachtet man die aktuelle Situation der europäischen Landwirtschaft, so wird deutlich, dass hier durchaus Bedarf für neue Perspektiven besteht.

Die Beschäftigungszahlen sind stark rückläufig. 1980 waren in der europäischen Landwirtschaft 12,73 Mio. Menschen beschäftigt, bis zum Jahr 2001 sank diese Zahl um fast die Hälfte auf 6,70 Mio. Beschäftigte.^[4]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Stoffliche Nutzung NaWaRo's Quelle: eigene Bearbeitung

Durch die extensive Ausrichtung der aktuellen Agrarpolitik gehen die land- wirtschaftlichen Nutzflächen zurück, während der Anteil an Stilllegungsflächen stetig ansteigt. Die im Jahr 1997 durchgeführte Betriebsstrukturerhebung verzeichnete in der europäischen Landwirtschaft 45 Mio. ha Dauergrünland und 23 Mio. ha Forst- flächen.^[1]

Die Kontingentierung der Milchproduktion und die Züchtung von Hochleistungstieren führt zu einem konstanten Rückgang des Rinderbestandes. Der Rinderbestand sank in der Europäischen Union von 85,3 Mio. Tieren im Jahre 1998 auf 80,1 Mio. Stück Vieh im Jahr 2002.^[2] Auf Grund dieser Tatsache und weil bei der Tierfütterung zunehmend Proteinkonzentrate in den Vordergrund treten, nehmen Extensivflächen, die bisher der Futtermittelproduktion dienten, immer mehr an Bedeutung ab.

Der Anbau nachwachsender Rohstoffe bietet der Landwirtschaft folgende Möglichkeiten:

- Durch die Nutzung von Stilllegungsflächen und von Grünland, das wegen des geringen Tierbesatzes nicht mehr zur Futtermittelproduktion verwendet wird, tragen nachwachsende Rohstoffe zu einer nachhaltigen Erwerbstätigkeit und Einkommenssicherung bei.
- Mit den erzielten Zusatzeinkommen erlangt die Landwirtschaft eine relative Unabhängigkeit gegenüber EU-Agrarmarkt-Ausgleichszahlungen.
- Der Anbau nachwachsender Rohstoffe führt zu einer vermehrten Fruchtfolge- auflockerung und somit zu einer Erhöhung der ackerbaulichen und ökologischen Vielfalt.
- Bei gleichzeitiger Wertschöpfung wird durch den Anbau nachwachsender Roh- stoffe der natürlichen Sukzession vorgebeugt. Nicht mehr genutzte Flächen können aus Gründen der Landschaftspflege, des Biotopschutzes oder als Reserveflächen für die Nahrungsmittelproduktion offengehalten werden.
- Die Nutzung nachwachsender Rohstoffe lässt sich teilweise in landwirtschaftliche Systeme integrieren. Hierdurch können Kombinationsmöglichkeiten, wie sie beispielsweise bei der Nutzung von Energiepflanzen und Gülle in einer Biogas- anlage entstehen, ausgeschöpft und durch eine größere Verarbeitungstiefe Zusatzeinkommen erzielt werden.^[1]

Momentan werden in der Europäischen Union zusätzlich zu der Forstwirtschaft auf über 1,4 Mio. ha nachwachsende Rohstoffe angebaut. Hiervon sind 800.000 ha Raps, 500.000 ha schnellwachsende Baumarten, 100.000 ha Flachs, 14.200 ha Hanf, 9.400 ha Zuckerrüben und 6.250 ha Rohrglanzgras.^[2] Im Vergleich zu den 45 Mio. ha an extensivem Grünland^[3] liegt die Nutzung nachwachsender Rohstoffe erst im Bereich von ca. 3%.

2.2 Der nachwachsende Rohstoff Gras

Mit dem verhältnismäßig neuen Technologieansatz einer Grünen Bioraffinerie kann die auf den extensiv bewirtschafteten Grünlandflächen produzierte Wiesengrün- masse stofflich und energetisch genutzt werden.

Während der Sommermonate bildet Wiesengrünmasse das Hauptinputmaterial einer Grünen Bioraffinerie. Hierunter versteht man Kleegräser, Rotklee, Sommerklee, Zuckerhirse, Luzerne und Dauerwiese (vgl. Anhang 2). Aber auch Raygras ist als Rohstofflieferant von Proteinen, freien Zuckern und Fasern äußerst vielversprechend.^[4] Im Winterbetrieb wird die Bioraffinerie mit Silage betrieben. Die Silierung dient zur Konservierung des Rohstoffs und ermöglicht somit den ganzjährigen Betrieb der Anlage (vgl. Anhang 2). Zusätzlich entsteht bei der Silierung ein wertvolles Fermentationsprodukt, die Milchsäure.

2.2.1 Charakterisierung geeigneter Grasarten

- Weidelgras (Lolium spec .):

Das Welsche Weidelgras (L. multiflorum) ist eine der leistungsfähigsten Grasarten, die insbesondere bei den ersten Schnitten hohe Erträge liefert. Es stellt jedoch im Vergleich zu anderen Arten hohe Ansprüche an die Nährstoffversorgung. Im Reinanbau sind insbesondere hohe Stickstoff-Gaben erforderlich. Für staunasse Böden und Dauergrünlandaussaaten ist Weidelgras nicht geeignet. Es ist zudem frostempfindlich.

Das Deutsche Weidelgras (L. perenne) kann auf mittleren bis besseren Böden angebaut werden, nicht aber auf Moorböden. Weidelgras zeigt eine rasche Anfangs- entwicklung, dichte Narbenbildung und gutes Nachwuchsvermögen. Vom Deutschen Weidelgras werden die meisten Sorten gehandelt. Unterschieden werden früh-, mittel- und spätreifende Sorten. Die früh- und mittelreifenden Sorten sind für den kurzzeitigen Anbau, spätreifende aufgrund der besseren Ausdauereigenschaften für den dauerhaften Anbau geeignet.

- Knaulgras (Dactylis glomerata):

Knaulgras wächst bevorzugt auf nährstoffreichen Mineral- und Moorböden mäßig feuchter Lagen. Gegenüber Trockenheit und Kälte ist es unempfindlich. Knaulgras ist schnellwüchsig, vielschnitt-verträglich und liefert hohe Erträge. Der Schnitt bei Rispenbildung begünstigt den raschen Nachwuchs. Die Rohfaserbildung (Verholzung) erfolgt bei frühreifenden Sorten besonders schnell.

- Glatthafer (Arrhenatherum elatius):

Ein nährstoffreicher Standort in wärmeren Lagen mit tiefgründigen, lehmig-humosen bis kalkhaltigen Böden begünstigt das Wachstum von Glatthafer. Glatthafer wächst aber auch auf mageren und trockenen Böden. Glatthafer eignet sich besonders für die extensive Nutzung, da er sehr empfindlich gegenüber häufiger Nutzung ist und nach dem Schnitt einen nur verhaltenen Wiederaustrieb aufweist. Drei Schnitte verträgt der Glatthafer nur in den besten Lagen unter der Voraussetzung einer reichhaltigen Nährstoffversorgung.

- Rotschwingel (Festuca rubra):

Von den drei Sortengruppen des Rotschwingels wird nur der Ausläufer-Rotschwingel für landwirtschaftliche Zwecke genutzt. Diese Grasart zeichnet sich besonders durch ausgesprochen geringe Feuchtigkeits- und Bodenansprüche aus. Besonders gut geeignet erscheinen jedoch locker-humose Böden, die nicht sehr trocken sind noch über Staunässe verfügen. Rotschwingel ist relativ winterhart. Er hat eine langsame

Anfangsentwicklung und der Nachwuchs bei Mahd ist mäßig. Er ist daher nur bedingt für Wiesen geeignet, aber unvermeidbar an ungünstigen Standorten.

- Wiesenlieschgras (Phleum pratense):

Wiesenlieschgras ist eine ertragreiche und ausdauernde Art für nicht zu trockene Lagen. Gegenüber Kälte und Nässe besteht keine besondere Empfindlichkeit. Die Jugendentwicklung ist verhalten, wie auch der Wuchs nach jedem Schnitt.

- Rohrglanzgras (Phalaris arundinacea):

Rohrglanzgras ist eine ausdauernde Grasart, welche bevorzugt an feuchten Standorten wächst, sie verträgt aber auch Trockenheit. Geeignete Böden sind mäßig sauer bis neutral und kalkhaltig. Sand, Lehm, Marschgley, Niedermoor und gekalktes Hochmoor werden gut besiedelt.

- Sudangras (Sorghum sudanense):

Sudangras ist eine sehr robuste mit der Hirse verwandte Art. Es wächst auch auf schlechten Böden, hat einen geringen Wasserbedarf (ab 400 mm Niederschlag / a), ist widerstandsfähig gegenüber Krankheiten und kommt ohne Pestizide aus. Der Anbau von Sudangras auf Stilllegungsflächen ist zulässig. Bei zweimaliger Ernte können rund 25 t Trockenmasse pro Jahr geerntet werden, bei dreimaliger Ernte sind auch 30 t / a denkbar. Sudangras kann auch sehr gut als Zwischenfrucht, z.B. nach Getreide angebaut werden, wobei der Biomasseertrag dann etwa bei 50 % liegt.^[1]

- Leguminosen (z.B. Luzerne):

Luzerne (Medicago sativa als wichtigste Vertreterin) wachsen bevorzugt auf kalkhaltigen (basischen: pH 6,5) Böden und mögen keine Staunässe. Sie sollten in warmen Regionen mit weniger als 1000 mm Jahresniederschlag angebaut werden. Luzerne liefern nicht nur sehr hohe Trockenmasseerträge (bis 16 t Trockenmasse pro ha und Jahr), sondern gewährleisten auch die höchsten Eiweißerträge (bis 2.500 kg Rohprotein pro ha und Jahr). Zusätzlich sind Luzerne Tiefwurzler (≥ 4 m) und können dem zur Folge Trockenheit relativ unbeschadet überstehen. Luzerne binden als Leguminose (verfügen über Knöllchenbakterien in den Wurzeln) Luftstickstoff zur Nährstoffversorgung der Pflanze.

Durch ihre Basizität und den geringen Zuckergehalt sind Luzerne zur Silage- erzeugung allerdings nur bedingt tauglich, d.h. Luzerne lassen sich für den Winter- betrieb der Bioraffinerie nicht konservieren. Die Frischnutzung zur Proteinerzeugung mit Rohproteingehalten von bis zu 26 % in der Trockenmasse ist jedoch äußerst interessant.^[2]

Die Standortanforderungen der verschiedenen Gräser wurden in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Luzerne bleiben hier unberücksichtigt, da sie nicht zur Faserproduktion verwendet werden können.

Für intensiv genutzte Anbauflächen erscheinen das vielschnitt-verträgliche Weidel- gras und das ertragreiche nichtheimische Sudangras besonders geeignet. Rot- schwingel, Knaulgras und Glatthafer sind hingegen bei extensiver Bewirtschaftung zu bevorzugen. Die Vorteile einheimischer Gräser für den extensiven Anbau liegen in der bestehenden Anpassung an die vorherrschenden klimatischen Bedingungen, der einfachen und kostengünstigen Einsaat, der guten Einbindung in die Fruchtfolge und den hohen Erträgen, die bereits im Ansaatjahr erzielt werden können.

Unter ökologischen Gesichtspunkten ist die mehrjährige, extensive Bewirtschaftung anzustreben. Mit Hinblick auf optimale Erträge und die Produktqualität ist jedoch der intensive Grasanbau zu favorisieren.

Tab. 1: Standortanforderungen verschiedener Grasarten Quelle: Diplomarbeit Guido Döhler

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2.2 Grasqualität

Da Futtermittelproteine und technische Fasern als Produkte einer Grünen Bioraffinerie angestrebt werden, ist der Protein- und Fasergehalt des verwendeten Rohstoffes von entscheidender Bedeutung. Diesbezüglich bestehen sortentypische Unterschiede. Des Weiteren ist das Entwicklungsstadium der Pflanze zum Schnitt- zeitpunkt und die vorherige Nährstoff- und Wasserversorgung maßgebend. Um möglichst hohe Erträge gewährleisten zu können, sollten Standort und Grasart optimal aufeinander abgestimmt werden.

- Trockenmassegehalt:

Der Trockenmassegehalt von Grasschnitt bewegt sich je nach physiologischer Reife, botanischer Zusammensetzung und Mähzeitpunkt zwischen 12 und 89%. Bei einer Mahd im Frühjahr liegt der TS-Gehalt niedriger (ca. 12 %) als bei der Herbstmahd (ca. 46 %), da der Fasergehalt der Gräser mit fortschreitendem Alter zunimmt.

Mahdgut von Grün- und Erholungsflächen verfügt über einen mittleren TS-Gehalt von 31%.

Seitens der landwirtschaftlichen Heuwerbung wird der Grasschnitt auf dem Feld getrocknet. Um das Gras in einen lagerfähigen Zustand zu überführen und um den Transportaufwand zu minimieren, wird der Wassergehalt auf kleiner 15% reduziert. Für den Einsatz in einer Grasraffinerie darf das Gras nur geringfügig angewelkt werden. Der Bioraffinerieprozess erfordert einen TS-Gehalt kleiner 40%. Auf Grund der Wassermenge, die gemeinsam mit dem Rohstoff bewegt werden muss, ist bei einer Bioraffinerie mit einem höheren Transportaufwand zu rechnen.

- Fasergehalt:

Der Fasergehalt in Gräsern nimmt mit dem Entwicklungsstadium der Pflanzen zu. Junge Gräser verfügen über einen Fasergehalt von 20% der Trockensubstanz, bei älteren Beständen liegt der Fasergehalt im Bereich von 35% (vgl. Tab. 2).

Für die spätere Verwendung des Produktes technische Faser ist in erster Linie die Qualität der Fasern von Bedeutung. Mit zunehmendem Entwicklungsstadium steigt der Fasergehalt der Pflanze an, jedoch nimmt die Qualität bedingt durch den höheren Ligninanteil stetig ab. Fasern aus frühen Schnitten weisen eine elastische Struktur auf, während Fasern aus späteren Schnitten häufig spröde sind.

- Proteingehalt:

Junge Gräser haben einen durchschnittlichen Proteingehalt von 18 bis 20 % der Trockensubstanz (Tab. 2), bei älteren Gräsern sinkt der Proteingehalt nach der Blüte bis auf 10 %.

Auf Grund der besseren Faserqualität und dem höheren Proteinanteil sind junge Gräser für die Verwertung in der Grasraffinerie zu bevorzugen.

Tab. 2: Rohfaser- und Rohproteingehalt von Futtergräsern verschiedener Entwicklungsstadien

Quelle: Diplomarbeit Guido Döhler

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Wasserlösliche Kohlenhydrate:

Da Stärke in Gräsern nur einen geringen Anteil von 1 bis 2% ausmacht, ist der Gehalt an wasserlöslichen Kohlehydraten (WKH) für die Fermentation des Pflanzen- saftes in einer Biogasanlage von ausschlaggebender Bedeutung. Wasserlösliche Kohlenhydrate bilden unter den Nicht-Struktur-Kohlehydraten den wesentlichen Kohlenstoff-Pool. Im Presssaft (Green Juice) von Welschem Weidelgras wurde bei Untersuchungen ein Gehalt von 450 g WKH / kg TS festgestellt. Der Anteil WKH steigt mit zunehmendem Alter der Pflanze, wobei das jeweilige Ausmaß artabhängig ist. Die Hauptspeicherform von Kohlehydraten in Süßgräsern ist Fruktan. Für die Fermentation sollten somit Bakterienstämme verwendet werden, die Fruktan als Substrat abbauen können.^[1]

Eine Bioraffinerie ist ein komplexes und integriertes Technologiesystem, mit dem nachwachsende Rohstoffe und Bioabfälle nahezu vollständig zu neuen Wirkstoffen verarbeitet werden können. Der Begriff Bioraffinerie resultiert aus dem Vergleich mit einer petrochemischen Raffinerie in der ähnlich wie in einer Bioraffinerie ein Rohstoff (Erdöl) das Ausgangsmaterial für eine Vielzahl an Produkten bildet.^[1] Die verschiedenen Bioraffineriesysteme lassen sich nach dem verwendeten Aufschluss- verfahren unterscheiden, gebräuchlicher ist jedoch die Unterscheidung nach dem verwendeten Rohstoff. Als Aufschlussverfahren kommen in der Praxis physikalische, chemische, enzymatische und/oder mikrobielle Methoden zum Einsatz. Nach dem verwendeten Rohstoff unterscheidet man Lignocellulose Feedstock Biorefineries, Cereal Biorefineries und Green Biorefineries.^[2]

3.1 Lignocellulose Feedstock Biorefinery

Den Rohstoff einer Lignocellulose Feedstock Biorefinery (LCF-Bioraffinerie) bildet

„naturtrockene“ Biomasse wie beispielsweise Holz oder Stroh. Die aus dem Rohstoff gewonnenen Zwischenerzeugnisse Lignin, Zellulose und Hemizellulose dienen als Grundlage für eine Vielzahl an Produkten (vgl. Abb. 3). Beispiele für LCF- Bioraffinerien befinden sich in Anhang 3.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Verfahrensschema einer Lignocellulose Feedstock Biorefinery Quelle: Brandenburgische Umweltberichte

3.2 Cereal Biorefinery

Das Inputmaterial einer Cereal-Biorefinery (Getreide-Bioraffinerie) bilden Getreide- Ganzpflanzen wie z.B. Weizen (Triticeen) und Mais oder stärke- und zuckerhaltige Biomasse wie beispielsweise Zuckerrüben und Sojabohnen. Die erzielte Produkt- palette reicht von pflanzlichem Rohöl, Fasern, Ethanol, Futtermitteln bis hin zu pharmazeutischen Produkten und Nahrungsmittelzusätzen (vgl. Abb. 4).^[1] Ein Beispiel für eine Getreide-Bioraffinerie ist in Anhang 3 gegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Verfahrensschema Cereal Biorefinery Quelle: Brandenburgische Umweltberichte

3.3 Grüne Bioraffinerie

Grüne Bioraffinerien sind integrierte Systeme zur ganzstofflichen Nutzung

„naturfeuchter“ Biomasse wie beispielsweise Wiesengrünmasse oder Silage (vgl. Kap. 2).^[2] Ziel ist es mittels nachhaltiger Technologien ein „Multi-Product-System“ aufzubauen, dass durch seine betriebswirtschaftliche Tragfähigkeit einen Beitrag zum Erhalt der Kulturlandschaft sowie zur Einkommenssicherung der Landwirte leistet.^[3]

3.3.1 Geschichtliche Hintergründe der Grünen Bioraffinerie

Die Wurzeln der Grünen Bioraffinerie gehen zurück in das 18. Jahrhundert, als zum ersten Mal Proteine aus einer Gras-Klee-Mischung abgetrennt wurden.

Seit Beginn des 20. Jahrhunderts wurde weltweit Forschung auf dem Gebiet des „Leaf Protein Concentrates“ (LPC) betrieben, wobei Gras bzw. Luzerne als Rohstoff eine wesentliche Rolle spielten. Als Hauptprodukt wurde ein weißes Protein- konzentrat angestrebt, das zum überwiegenden Teil aus Ribulose-1,5-bisphosphat carboxylase/oxygenase (Rubisco) besteht. Ursprünglich war gedacht, mit diesem Proteinkonzentrat den Hunger in der Welt zu bekämpfen. Federführend waren der Brite N. W. Pirie und R. Carlsson aus Schweden. Die Technik konnte sich in diesem Sinne allerdings nicht durchsetzen, da die für den menschlichen Verzehr erforderliche Reinheit nicht erzielt werden konnte.

Seit den späten 80er Jahren existieren in Frankreich (France Luzerne) große Anlagen in denen grüne Futtermittelproteine aus Luzernen (engl. Alfalfa; lat. medicago sativa) hergestellt werden. France Luzerne hat inzwischen auch die Forschung an der Humanernährung aus Luzerneproteinen unter dem Stichwort „functional food“ wieder aufgenommen.

Seit der Ölkrise in den 70er Jahren wird in Grünguttrockenwerken häufig eine Presse vorgeschaltet, um den Energiebedarf bei der Trocknung der Biomasse im Trommel- trockner zu reduzieren. Der somit gewonnene Presssaft kann neben der Protein- produktion auch als C/N-Quelle für die Fermentation verwendet werden. In diesem Zusammenhang prägte R. Carlsson den Begriff „Green Biorefinery“. Er erkannte als erster das Potential grüner Biomasse als nachwachsender Rohstoff.

1990 startete Pauli Kiel durch Anregung R. Carlsson in Dänemark die Initiative „Green Biorefinery“. Die Intention des Projekts war ursprünglich die fermentative Herstellung eines L-Lysin-Konzentrats für die Futtermittelindustrie. Inzwischen wurde das Konzept um eine Option erweitert. In einer kontinuierlichen Fermentationsanlage wird aus den Grassäften zusätzlich Milchsäure bzw. Ethyllactat erzeugt.

Seit dem Jahr 1996 bildet an der Universität Potsdam und dem Institut für Agrar- technik in Bornim die Nutzung nachwachsender Rohstoffe zur Synthese diverser Chemikalien einen Forschungsschwerpunkt.^[1]

Im Oktober 2001 hat in Schaffhausen im großtechnischen Maßstab eine der weltweit ersten Grünen Bioraffinerien ihre Produktion aufgenommen. Verwirklicht wurde die Bioraffinerie von der Bioenergie Schaffhausen AG unter Verwendung der von der Firma 2B Biorefineries AG (Schweiz) entwickelten Technik.^[2]

3.3.2 Produkte einer Grünen Bioraffinerie

Wiesengrünmasse bietet nicht ein Spezialprodukt wie z.B. Stärke, die aus Kartoffeln oder Mais gewonnen wird oder Zucker aus Zuckerrüben und Zuckerrohr, sondern zeichnet sich besonders durch ihre Vielseitigkeit aus. Die wichtigsten Bestandteile von Gräsern sind Zucker, Proteine (Aminosäuren), Fasern und feinstoffliche Substanzen wie beispielsweise Carotine oder Xanthophylle. Dementsprechend breitgefächert sind auch die Produkte, die mit einer Grünen Bioraffinerie erzielt werden können.^[1] Die momentan am häufigsten diskutierten Produkte sind Futter- mittelproteine, Fasern, Biogas (Biostrom / Biowärme) und Milchsäure, aber auch Farbstoffe, Stärke, Enzyme, Hormone, Mineralien, Ethanol, Lactate, einzelne Aminosäuren, etc. könnten aus Wiesengrünmasse gewonnen werden.^[2] Welche Produkte in einer Grünen Bioraffinerie letztendlich erzeugt werden, hängt von dem jeweiligen Nutzungskonzept sowie von der Marktlage ab.

3.3.3 Stand der Technik

Im Vergleich zu anderen nachwachsenden Rohstoffen wurde dem Einsatz von Gräsern in einer Bioraffinerie bislang nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Neben der Schweizer Firma 2B Biorefineries AG befassen sich in Europa hauptsächlich Forschungsgruppen mit der Implementierung Grüner Bioraffinerien. Der Stand der Forschung, sowie bestehende Technologiekonzepte, die im weitesten Sinne als Grüne Bioraffinerie bezeichnet werden können, werden im Folgenden näher betrachtet.

- France Luzerne:

Die Firma France Luzerne verarbeitet an mehreren Standorten in Frankreich Luzerne. Im Werk Aulnay aux Planches werden jährlich 150.000 t Grünmasse mit ca. 19% TS verwertet.

Die Luzerne werden einer schonenden Kaltpressung unterzogen. Anschließend wird der Presssaft auf 40°C erwärmt und mittels Dampfeinblasung kurzfristig auf 85°C erhitzt. Der koagulierte Saft wird in einer Dekanterzentrifuge in ein Proteinkonzentrat (PX-Super) und einen entproteinierten Saft getrennt. Das feuchte Proteinkonzentrat wird in einem Wirbelschichttrockner schonend getrocknet und unter inerter Stickstoff- atmosphäre gelagert. Der entproteinierte Saft (26% des ursprünglichen Proteins) wird nach einer Trocknung den Produkten beigemengt.

Die Produkte sind Luzernegrünmehl (getrockneter Presskuchen) und PX-Super. Das pigmentreiche, grüne PX-Super ist mit 52% Rohprotein in der Trockenmasse und einem hohen Anteil an Xanthophyll ein hochpreisiges Nebenprodukt.

Die Besonderheiten des Produktionsprozesses sind die kurze Zeit zwischen Ernte und Verarbeitung, das schonende Pressen und Trocknen und die Tatsache, dass keinerlei chemische Zusätze verwendet werden.

- Pro-Xan®-Prozess:

Der Pro-Xan-Prozess zur Gewinnung von Proteinen aus Luzerne baut auf einem von Pirie entwickelten Verfahren auf. Die Technologie wurde im Jahre 1968 vom U.S. Department of Agriculture Western Regional Research Laboratory (USDA) entwickelt und 1978 erstmals in einer Pilotanlage getestet.

Die gehäckselten Luzerne werden bei diesem Verfahren mit Ammoniak versetzt. Der Wassergehalt der Biomasse wird durch Pressen und Mahlen um 50% verringert. Der Presskuchen wird getrocknet, wobei durch das vorangehende Pressen im Vergleich zu herkömmlichen Trocknungsverfahren eine Energieersparnis von 25% erzielt wird. Aus dem grünen Presssaft werden mittels Hitzekoagulation Proteine gewonnen und anschließend ebenfalls getrocknet. Die sogenannten Pro-Xan®-Pellets verfügen über 57% Protein, 9% lipoidale Substanzen und 100 mg / kg Xanthophyll.^[1]

- Grüne Bioraffinerie Brandenburg:

Das Leitthema des im Jahre 1996 in Teltow gegründeten Forschungsinstituts für Bioaktive Polymersysteme (BIOPOS) ist die Beforschung und Entwicklung nachhaltig ökologischer Bioraffinerie-Systeme (vgl. Abb. 5).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Grüne Bioraffinerie Brandenburg Quelle: Brandenburgische Umweltberichte

Um den Prozess der Entwicklungsarbeit zu beschleunigen, wird momentan der Bau eines Grünen Bioraffinerie-Prototyps vorbereitet. Die sogenannte Primärraffinerie wird extern an das bestehende Futtermittelwerk Selbelang (Grünguttrockenwerk) angedockt. Dies bietet die Möglichkeit den Bioraffinerie-Prozess zu erforschen ohne den Produktionsablauf wesentlich zu beeinträchtigen. Als Rohstoffe werden Grüngut und Luzerne eingesetzt. Die angestrebten Produkte sind Futtermittel-Pellets, Chlorophyll, Fasern, Milchsäure, Proteine und Biogas.^[1]

- Grüne Bioraffinerie Oststeiermark:

In Österreich beschäftigt sich ein Wissenschaftsteam bestehend aus dem Kornberg Institut, dem Institut für Grundlagen der Verfahrenstechnik (TU Graz), der Bundes- anstalt für Alpenländliche Landwirtschaft, dem Interuniversitären Forschungsinstitut für Agrarbiotechnologie (Tulln), dem Institut für Biotechnologie (TU Graz) und dem Institut für Umweltgeologie und Ökosystemerforschung (Joanneum Research) mit der Entwicklung einer Grünen Bioraffinerien. Unterstütz wird diese Forschungsgruppe von dem Institut für organische Chemie und Strukturanalytik, organische Synthesechemie von der Universität Potsdam und dem Institut für Agrartechnik aus Bornim.

Ziel ist es ein Grünes Bioraffinerie-Konzept zu entwickeln, dass die kleinräumige österreichische Landwirtschaft bestmöglich berücksichtigt. Die Produkte, die in der Bioraffinerie erzielt werden sollen, sind in erster Linie Milchsäure, Fasern, Futter- mittelproteine und Biogas. Aber auch hochpreisige Nischenprodukte werden berücksichtigt.^[2]

Nach Aussage von Herrn Christian Krotscheck (Kornberg Institut) ist es in Österreich bereits gelungen bestimmte Process-Units in Pilotanlagen zu überprüfen.^[3]

- 2B Biorefineries AG

Die Schweizer Biotechnologie Firma 2B Biorefineries AG ist bisher die einzige Institution, der es gelungen ist eine industrielle Grüne Bioraffinerie im groß- technischen Maßstab zu verwirklichen (vgl. Einleitung). Mit der Technologie der 2B AG lassen sich technische Fasern, Futtermittelproteine und Biogas erzeugen.

Um aus der Wiesenfrischmasse die gewünschten Produkte isolieren zu können, sind folgende Prozessschritte notwendig:

Nach der Anlieferung wird der Rohstoff Gras bzw. Silage in einer Aufbereitungsstufe (Zerkleinerung / Reinigung) optimal auf die Anforderungen der nachfolgenden Prozesseinheiten eingestellt. Um eine gute Proteinausbeute gewährleisten zu können, müssen die Zellen aufgeschlossen werden. Die 2B AG verwendet hierfür einen speziellen Macerator, mit dem gleichzeitig auch die gewünschten Faser- eigenschaften erzielt werden können. Nach dem Macerator wird die Gras-Wasser- Suspension einer Schneckenpresse zugeführt und in eine feststoffreiche (Presskuchen) und feststoffarme Phase (Presssaft) getrennt. Der Presskuchen beinhaltet das Endprodukt Faser. Damit die Proteine abgetrennt werden können, wird die feststoffarme, flüssige Phase mit Dampf behandelt. Nach der Hitze- koagulation werden die denaturierten Proteine mit Hilfe einer Zentrifuge abgeschieden. Das verbleibende Prozesswasser wird in die Biogasanlage verbracht, wo die Inhaltsstoffe teilweise zu Biogas abgebaut werden (vgl. Abb. 6).^[1] Das einzige Produkt, das nicht direkt einer Nutzung zugeführt werden kann, ist das Prozess- wasser. Dieses Wasser ist jedoch kein Abwasser im herkömmlichen Sinne, sondern stellt vielmehr einen Flüssigdünger dar. Auf Grund der geringen Nährstoff- konzentrationen kann das Wasser jedoch wirtschaftlich nicht als Dünger verwendet werden. Der Transportaufwand wäre zu groß. Für die Abwasserbehandlung stehen grundsätzlich drei Möglichkeiten zur Verfügung:

1. Einleiten des Abwassers in die Kanalisation
2. Reinigung des Abwassers in einer Ultrafiltrations-/Umkehrosmoseanlage
3. Reinigung des Abwassers in einer Pflanzenkläranlage

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: 2B-Verfahren zur Grasverwertung Quelle: 2B AG

Zusätzlich wurde von der Firma 2B Biorefineries AG ein Verfahren entwickelt, mit dem aus Wiesengrünmasse Ethanol, Backhefe, Kohlendioxid, Zitronen- und Essigsäure produziert werden kann.^[1]

[...]

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^[1] BP; OPEC; Mader + Steinreiber

^[2] Dr. H. Röper

^[1] Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover

^[2] Kyoto

^[1] KfW-Research

^[2] National Academies

^[3] EUROSTAT

^[1] Beiträge zur ökologischen Technologie

^[2] Biobasierte industrielle Produkte

^[3] 2B AG

^[1] Dr. H. Röper

^[2] Nachwachsende Rohstoffe

^[3] Umweltfibel

^[4] EUROSTAT

^[1] Institut für Geographie

^[2] EUROSTAT

^[1] Beiträge zur ökologischen Technologie

^[2] Eidgenössische Forschungsanstalt für Agrarökonomie und Landbau

^[3] Institut für Geographie

^[4] Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

^[1] Diplomarbeit Guido Döhler

^[2] Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

^[1] Diplomarbeit Guido Döhler

^[3] Bioraffineriekonzepte

^[1] Biobasierte industrielle Produkte; Ringpfeil

^[2] Biobasierte industrielle Produkte

^[1] Biobasierte industrielle Produkte

^[2] Biobasierte industrielle Produkte

^[3] Grüne Bioraffinerie Oststeiermark, Biobasierte industrielle Produkte

^[1] Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

^[2] 2B AG

^[1] Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

^[2] Brandenburgische Umweltberichte

^[1] Diplomarbeit Guido Döhler

^[1] Selbelang

^[2] Grüne Bioraffinerie Oststeiermark

^[3] Email von Herrn Christian Krotscheck vom 22.08.2003

^[1] 2B AG

^[1] Patentantrag 2B AG