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Leitfaden

Anbau von Zuckerhirse als Zweit-/

Zwischenfrucht zur Nutzung als Bioethanol- und

Biomethanrohstoff Erkenntnisse aus dem Projekt

BISUNFUEL

Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms

„NEUE ENERGIEN 2020“ durchgeführt.

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AutorInnen: AGRAR PLUS GmbH

Josef Breinesberger Manfred Kirtz

EVM Energieversorgung Margarethen am Moos GmbH Lukas Wannasek

Universität für Bodenkultur Wien, Department für Nachhaltige Agrarsysteme Institut für Landtechnik

Franz Theuretzbacher Ramon Enguidanos, BSc

Alexander Bauer Andreas Gronauer

Universität für Bodenkultur Wien, Institut für Meteorologie:

David Leidinger Herbert Formayer

Thomas Gerersdorfer JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH

RESOURCES – Institut für Wasser, Energie und Nachhaltigkeit Johanna Pucker

Gerfried Jungmeier

Redaktion: Manfred Kirtz, Josef Breinesberger Herausgeber: AGRAR PLUS GmbH, Grenzgasse 12, 3100 St. Pölten, Homepage: www.agrarplus.at, www.bisunfuel.at Bild, Tabellen, Grafiken, Lukas Wannasek, Franz Theuretzbacher; Ramon Enguidanos, BSc; Alexander Bauer; David Leidinger; Johanna Pucker;

Layout: Manfred Kirtz; Regine Schöttl, Pixelworker (Logo BISUNFUEL)

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Inhaltsverzeichnis: 1 Einleitung ........................................................................................................................ 5 2 Charakterisierung Zuckerhirse (Sorghum bisolor) ........................................................... 6

2.1 Zuckerhirse für die Bioethanolproduktion ............................................................... 11 2.1.1 Sortenwahl Zuckerhirse zur Zuckersaftproduktion als Bioethanolrohstoff .... 11 2.1.2 Sortenwahl Zuckerhirse zur Stärkeproduktion als Bioethanolrohstoff ........... 12

3 Zuckerhirseanbau: ........................................................................................................ 13 3.1 Charakterisierung der Versuchsfläche ................................................................... 13 3.2 Mögliche Fruchtfolgestrategie: ............................................................................... 14 3.3 Düngung, Aussaat, Pflanzenschutz ....................................................................... 16 3.4 Aussaat ................................................................................................................. 17 3.5 Pflanzenschutz ...................................................................................................... 17 3.6 Düngung ................................................................................................................ 17 3.7 Ernte ...................................................................................................................... 18

3.7.1 Ganzpflanzenernte ...................................................................................... 18 3.7.2 Körnerernte ................................................................................................. 18

3.8 Lagerung ............................................................................................................... 19 3.8.1 Zuckervarianten: ......................................................................................... 19 3.8.2 Stärkevariante: ............................................................................................ 19

3.9 Nutzung für die Bioethanolproduktion: ................................................................... 20 3.9.1 Variante 1: Zuckersaftabpressung: .............................................................. 20 3.9.2 Variante 2: Ganzpflanzenfermentation ........................................................ 21 3.9.3 Variante: Stärkenutzung .............................................................................. 23

3.10 Nutzung in der Biomethanproduktion ................................................................ 23 4 Ökologische Kurzbetrachtung der Varianten ................................................................. 25 5 Klimatologische Aspekte des Anbaus von Zuckerhirse ................................................. 29 6 Ökonomische Kurzbetrachtung der Zuckerhirseproduktion als Rohstoff für die Bioethanol- und Biomethanproduktion ................................................................................... 32

6.1 Variante 1 .............................................................................................................. 32 6.2 Variante 2 .............................................................................................................. 34 6.3 Variante 3 .............................................................................................................. 35

7 Fazit ............................................................................................................................. 35 8 Literatur: ....................................................................................................................... 37

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Abbildungsverzeichnis: Abbildung 1: Gegenüberstellung von zucker- und stärkebetonter Sorghumsorten ................... 7 Abbildung 2: Schema der Prozessvariante 1 (Ganzpflanzenfermentation einer Zuckerhirsesorte)................................................................................................................... 21 Abbildung 3: Schema der Prozessvariante 2 (Getrennte Verarbeitung von Zuckersaft und Restpflanze) .......................................................................................................................... 22 Abbildung 4: Schema der Prozessvariante 3 (Getrennte Nutzung von Korn und Stroh einer Körnerhirsesorte) ................................................................................................................... 23 Abbildung 5: Prototyp und Demoversion der Bio-Heat-Converters der EVM Margarethen am Moos ..................................................................................................................................... 24 Abbildung 6: Gesamtemissionen und Einsparung von Treibhausgasemissionen durch Biomethan und Bioethanol aus Zuckerhirse im Vergleich zu Erdgas und Benzin ................... 28 Abbildung 7: Anteil der Jahre, in denen alle klimatischen Mindestanforderungen erfüllt werden; INCA, 2003 - 2012 ................................................................................................................. 30 Abbildung 8: Zukünftige Entwicklung (2011 - 2040 links, 2036 - 2065 mitte, 2071 - 2100 rechts) der potentiellen Anbaugebiete;Aladin oben, RegCM3 unten ...................................... 31 Tabellenverzeichnis: Tabelle 1: Jahresproduktion von Sorghum (Kornertrag) der 12 wichtigsten Erzeugerländer (FAO, 2012)............................................................................................................................. 8 Tabelle 2: Durchschnittserträge von Sorghum (Kornertrag) der 12 wichtigsten Erzeugerländer (FAO, 2012)............................................................................................................................. 9 Tabelle 3: Standortbedingungen für die Anbauversuche ........................................................ 13 Tabelle 4: Mögliche Fruchtfolge für den Anbau von Zuckerhirse als Zwischen-/Zweitfrucht ... 15 Tabelle 5: Tausendkorngewicht e einzelner Hirsesorten als Beispiel ..................................... 16 Tabelle 6: Übersicht der Systemvarianten mit Zuckerhirse als Rohstoffe ............................... 26 Tabelle 7: klimatische Mindestanforderungen von Sorghum bicolor ....................................... 29

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1 Einleitung Der Anstieg des jährlichen Bedarfs an nachwachsenden Rohstoffen sowie die Tank – Tellerdiskussion macht es notwendig neue Produktionsschienen für die benötigten Rohstoffe zu finden. Mittels Zuckerhirse (Sorghum bicolor) steht für die Ackerbaugebiete in Österreich eine Pflanze als Zwischen-/Zweitfrucht zur Verfügung, die kaskadisch genutzt werden kann. Teile der Pflanze können als Rohstoff für die Bioethanol-Industrie und die Pflanzenrestmasse zur Biogasproduktion herangezogen werden. Je nachdem welche Sorghumhybriden (stärke- oder zuckerproduzierend) verwendet werden, können verschiedenen Verfahrensvarianten realisiert werden. Potentielle Vorteile der Kultivierung von Sorghum liegen unter anderem in der höheren Trockenheits- und Schädlingsresistenz. Auch der Vegetationsdauer kommt eine spezielle Bedeutung zu, da die Verschiebung des Anbaus einer Sommerfrucht von beispielsweise April auf Ende Mai eine bessere Nutzung der Vorfrucht wie z.B. Grünroggen als Winterzwischenfrucht bedeuten kann. Ein weiteres Charakteristikum von Sorghum ist die intensive Durchwurzelung des Bodens, was speziell für die Bodenauflockerung sowie den Humusaufbau von Bedeutung ist. Im Projekt BISUNFUEL wurden im Großversuch mehrere Sorghum-hybriden in Feldversuchen über 3 Jahre im östlichen Niederösterreich auf ihre Eignung als Rohstofflieferant für Bioethanol und Biogas untersucht. Die Projektergebnisse zeigen, dass die stärkebildenden Sorghumhybriden ein deutlich höheres Potential für die Bioethanol-Produktion aufweisen als die zuckerbildenden. Unter Berücksichtigung der Biogasproduktion aus den anfallenden Reststoffströmen, können jedoch auch zuckerproduzierende Sorghumhybriden einen gleich hohen Energieertrag pro Hektar Ackerfläche erreichen. Auf Basis von Prozesssimulationen der möglichen Verfahrensvarianten wurden Stoff- und Energiebilanzen erstellt. Diese dienten wiederum als Grundlage für ein Life-Cycle-Assessment der möglichen Verfahrens-varianten. Ein wesentliches Ergebnis aus der LCA ist, dass die Erzeugung

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von Bioethanol und Biogas aus Sorghum gegenüber fossilen Energieträgern, aber auch gegenüber der Bioenergieproduktion aus Mais, hinsichtlich der Emittierung von Treibhausgasen erhebliche Vorteile bieten könnte. Berücksichtigt man die Auswirkungen des Klimawandels auf die klimatologischen Verhältnisse in Österreich, so könnten sich die geeigneten Flächen für die Kultivierung von Sorghum in Österreich in den nächsten Jahrzehnten deutlich ausweiten.

2 Charakterisierung Zuckerhirse (Sorghum bicolor) Sorghum bicolor ist der botanischen Familie der Süßgräser, lateinisch Poaceae zuzuordnen und stammt ursprünglich aus Äquatorialafrika. Domestiziert wurde die Hirse vermutlich im Gebiet des Tschads bis Abessinien, wobei die ältesten 3000 Jahre alten Funde vom indischen Subkontinent stammen. Afrika gilt jedoch trotzdem als Ursprung, da nur dort die Wildform, aus der Sorghum bicolor entstanden ist, existiert (BEYEL, 2003). Die Sorghumpflanze sieht im frühen Entwicklungsstadium dem Mais sehr ähnlich, was sich erst bei erster Bestockung und fehlender Kolbenbildung ändert. Ab letztgenanntem Entwicklungsschritt ist der Unterschied zur Maispflanze deutlich erkennbar. Der markgefüllte Stängel der Sorghumpflanze kann im Laufe seiner vegetativen Entwicklung Seitentriebe an seiner Basis und an höheren Knoten bilden. Die generativen Samenanlagen bilden sich terminal als Rispen aus. Ährchen von denen jeweils zwei von einem Ästchen der zweigeschlechtlichen Rispenblüte getragen werden, bilden 4-8 mm große Körner, welche weiß, gelb oder rot sein können. Die Rispen der Hirsen können in einer Größe von 10 - 80 cm ausgebildet werden. Die Blätter sind parallelnervig und zweizeilig angeordnet. Die unterschiedlichen und zahlreichen heute bekannten Sorghumkultivare weisen eine enorme Vielfalt bezüglich ihrer morphologischen und

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agronomischen Eigenschaften wie Wuchshöhe, Blattlänge, Blattbreite, Rispenlänge, Kornbildungsvermögen, Korn- und Restpflanzenverhältnis, Bestockungsneigung und inhaltsstoffliche Zusammensetzung auf (ROLLER et al., 2012). In Abbildung 1 ist die rechts abgebildete kurzstängelige Stärkesorte mit stark ausgeprägten Kornanlagen der links abgebildeten hochwüchsigen Zuckersorte mit reduzierten Kornanlagen gegenübergestellt.

Abbildung 1: Gegenüberstellung von zucker- und stärkebetonten Sorghumsorten Zwei Haupteigenschaften von Sorghum, wie man sie auch von anderen C4-Pflanzen kennt, sind ihre Wärmebedürftigkeit sowie ihre Frostempfindlichkeit, wonach sich auch die Anbauverbreitung richtet. Demnach wird Sorghum bicolor bevorzugt in tropischen und subtropischen Gebieten angebaut. C4-Pflanzen nutzen den Stoffwechselweg der räumlichen CO2 Vorfixierung. Sie weisen dadurch höhere Photosyntheseleistungen auf, was in günstigere Transpirationskoeffizenten resultiert. In Tabelle 1 sind die zwölf größten Erzeugerländer von Sorghum absteigend aufgelistet.

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Tabelle 1: Jahresproduktion von Sorghum (Kornertrag) der 12 wichtigsten Erzeugerländer (FAO, 2012)

Staat

Jahresproduktion [t/a]

Welt 55.721.588 United States of America 8.779.280 Mexico 6.940.230 India 6.700.000 Nigeria 4.784.100 Argentina 3.629.000 Ethiopia 2.971.270 Sudan (former) 2.630.000 Burkina Faso 1.990.230 China 1.729.411 Australia 1.598.000 Brazil 1.532.060 Niger 1.304.830

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In Tabelle 2 sind die durchschnittlichen Kornerträge pro Hektar dargestellt, woraus sich auf etwaige Produktionsbedingungen schließen lässt. Tabelle 2: Durchschnittserträge von Sorghum (Kornertrag) der 12 wichtigsten Erzeugerländer (FAO, 2012)

Staat

Ertrag [t/ha]

United States of America 4,51 Mexico 3,92 India 0,86 Nigeria 1,01 Argentina 4,83 Ethiopia 1,84 Sudan (former) 0,47 Burkina Faso 1,00 China 3,16 Australia 3,10 Brazil 2,32 Niger 0,39

Vergleicht man die Hektarerträge an Hirse der produzierenden Länder aus Tabelle 2, fallen deutliche Unterschiede von bis zu achtfachen Mengen-differenzen auf. Hierbei korrelieren Höchsterträge mit hohem Einsatz von Dünger, Pflanzenschutzmittel und Bewässerungen, wie beispielsweise in den USA und Argentinien. Die niedrigsten Erträge verzeichnet man wie erwartet in Ländern wie Indien und dem Sudan mit niedrigem Betriebsmitteleinsatz Die geografische Herkunft sowie Anbauverteilung wird in Abbildung 3 grafisch dargestellt.

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Abbildung 3: Verbreitung und Anbau von Sorghum bicolor, rote Fläche: Herkunft, grüne Flächen: Anbau (MPI KÖLN) Die Verteilung des Anbaus von Sorghum bicolor deckt sich weitgehend mit Regionen heißer klimatischer Bedingungen. In Gebieten Europas sind hier kaum grüne Zonen zu erkennen, wo der Sorghumanbau aktuell jedoch zunehmend stattfindet. Auf Grund der hohen Trockenresistenz von Sorghum, wird dieser bevorzugt dort kultiviert, wo der Maisanbau nicht mehr möglich ist. So stellt Sorghum beispielsweise in trockenen Regionen Afrikas die wichtigste Getreideart dar. Das Korn setzt sich zu 60-75% aus Kohlenhydraten, zu 8-13% aus Eiweiß und zu 4-6% aus Fett zusammen. Einige Sorten weisen saccharose- und glukosehaltige Stängel mit 10-16% Gesamtgehalt der genannten Zucker auf. Diese Sorten werden teilweise als Alternative für Zuckerrohr zur Zucker- bzw. Bioethanol-Produktion verwendet. Weiters findet Sorghum seit kurzer Zeit auch als Substrat für die Biomethan-Produktion Verwendung. Auf Grund der vergleichsweise kurzen Domestikationsphase von Sorghum weist sie einen großen Genpool mit vielen unterschiedlichen Eigenschaften

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auf. Dies stellt züchterische Fortschritte dar und ist mitunter ein Grund des heutigen Zuchtinteresses für Sorghum (BEYEL, 2003). Hitze- und Trockenheitstoleranz in Verbindung mit einem sehr guten Biomassebildungsvermögen machen die Hirse zu einer sehr attraktiven Pflanze im Zwischen-/Zweitfruchtanabau nach frühräumenden Kulturen. Dieselben Eigenschaften machen Sorghum zu einer Kulturpflanze, die großes Potential bezüglich Anbau- und Verbreitungsgebiet in Hinblick auf den Klimawandel aufweist.

2.1 Zuckerhirse für die Bioethanol-Produktion

In der zugrundeliegenden Arbeit BISUNFUEL wurden unterschiedliche Zuckerhirsehybride bezüglich Zucker/Stärke sowie sonstiger Biomasseertrag untersucht. Hauptaugenmerk in der Arbeit war es, einerseits einen Rohstoff für die Bioethanol-Produktion zu gewinnen, andererseits sollten die Reststoffe für die Biogasanlage bereitgestellt werden. Für die Bioethanol-Produktion stellen sich zwei unterschiedliche Zuchtstrategien zur Verfügung. Einerseits finden sich Zuckerhirsesorten, welche bis zu 18% Zucker in Blättern und Stängeln einlagern können und andererseits Zuckerhirsesorten, welche hohe Stärkeerträge in den Samen bilden.

2.1.1 Sortenwahl Zuckerhirse zur Zuckersaftproduktion als Bioethanol-Rohstoff

Folgende Sorten wurden während des Projektes BISUNFUEL untersucht: Sugargraze Sugargraze 1 Sugargraze 2 Nectar Nähere Informationen über ausgewählte Sorten finden Sie auf der Homepage www.bisunfuel.at

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Bei den oben genannten Arten handelt es sich um Sorten, welche sich durch den hohen Zuckergehalt von < 15% im Stängel und in den Blättern auszeichnen; durch Auspressen des Zuckersaftes bzw. Ganzpflanzen-fermentation ist es möglich aus dem eingelagerten Zucker Bioethanol zu produzieren. Bei den Versuchsreihen konnte besonders bei Sugargraze 1 ein hoher Zuckerertrag mit bis zu 4,4 t pro Hektar festgestellt werden. Es muss aber bei diesem Ergebnis darauf hingewiesen werden, dass die klimatischen Bedingungen in diesem Versuchsjahr ideal waren. Durch ungünstige Produktionsverhältnisse während der weiteren Versuchsjahre konnte dieses Ergebnis nicht wiederholt werden. Siehe dazu auch Kapitel 5 Zukunftssicherheit der Zuckerhirse. Bei einem Zuckerertrag von 4,4 t/ha ist die daraus mögliche Ethanol-Produktion von rund 2,1 - 2,2 t/ha vergleichbar bzw. höher als würde man Weizen als Rohstoff für die Bioethanol-Produktion heranziehen.

2.1.2 Sortenwahl Zuckerhirse zur Stärkeproduktion als Bioethanol-Rohstoff

Chopper 23431 Nutrigrain Farmsorgho PAC 537 Supersol PAC 501 GK Emesse 26837 Express Nähere Informationen über ausgewählte Sorten finden Sie auf der Homepage www.bisunfuel.at . Bei den oben genannten Arten handelt es sich um Zucherhirsehybride welche sich durch besonders hohe Stärkeproduktion in den Fruchtständen auszeichnen. Bei der Stärkesorte Chopper wurde im ersten Versuchsjahr

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ein Kornertrag von 10,23 t TM/ha erzielt. Der Stärkeanteil im Korn betrug 63,7%. Setzt man einen Zucker-Umsetzungsgrad von 100% voraus, so ergibt sich dadurch ein Zuckerertrag von 7,2 t TM/ha. Aus den 7,2 t /TM/ha Zucker lassen sich rund 3,3 t Ethanol pro Hektar produzieren. Wie schon bei den Zuckerarten erwähnt, wurde dieser hohe Ertrag bei besonders günstigen Witterungsverhältnissen im Jahr 2011 erreicht. In den Versuchsjahren 2012 und 2013 konnten aufgrund einer sehr verkürzten optimalen Vegetationsperiode die oben dargestellten Ergebnisse nicht erreicht werden.

3 Zuckerhirseanbau:

3.1 Charakterisierung der Versuchsfläche

Die Versuche wurden an mehreren Standorten mit unterschiedlicher Bodenbeschaffenheit durchgeführt. Die Charakteristika der Versuchsstandorte sind in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3: Standortbedingungen für die Anbauversuche

Parameter Standort

Wasser-versorgung

Humus Kalkgehalt Bodenart, Grobanteil

Standort 1

mäßig trocken, mäßige Speicher-kapazität, hohe Durchlässigkeit

mittel bis stark humos, Mull

stark kalkhaltig

sandiger Lehm, schluffiger Lehm oder reiner Lehm

Standort 2

mäßig trocken, mäßige Speicher-kapazität, hohe Durchlässigkeit

mittelhumos (z.T. stark humos), Mull

stark kalkhaltig

feinsandiger Lehm z.T. geringer Grobanteil (Kies)

Standort 3

wechselfeucht mit Überwiegen der feuchten Phase, mäßige Speicherkraft, mäßige bis hohe Durchlässigkeit

stark humos, Anmoormull (z. T. Mull)

stark kalkhaltig

sandiger Lehm, lehmiger Schluff oder schluffiger Lehm

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Hirse stellt als Kulturpflanze keine hohen Ansprüche an ihre Vorfrucht und lässt sich diesbezüglich gut nach allen Getreidearten anbauen (STEINBRENNER et al., 1981). Als Vorfrucht wurde Wintergrünroggen geerntet nach welchem der Hirseanbau in Hinblick auf Fruchtfolge und Vorfruchtwirkungen unproblematisch durchzuführen ist. Der Wintergrünroggen wurde mittels Ladewagenerntetechnik der Firma Pöttinger vom Feld abtransportiert. Auf Grund der Breitbereifung des Traktors sowie des Lade- und Transportanhängers konnte eine geringe Bodenverdichtung bei der Ernte der Vorfrucht sichergestellt werden. Die Vorfruchternte auf den Versuchsflächen fand 10 Tage vor Anlage der Hirseversuchsflächen statt. Die Vorfrucht Grünroggen kann auch wie Hirse als Substrat zur anaeroben Vergärung in Biogasanlagen verwendet werden.

3.2 Mögliche Fruchtfolgestrategie:

Ein wesentliches Erfordernis bei der Nutzung von Sorghum zur Ethanol- bzw. Biogasproduktion ist, dass die Kultivierung im Rahmen einer durchdachten Fruchtfolge stattfindet. Diese muss sicherstellen, dass genügend Einsatzstoffe für die Ethanol- und Biogasproduktion vorhanden sind, es weitgehend keine Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion gibt, eine möglichst durchgängige Bodenbedeckung gewährleistet wird und auch keine negative Entwicklung der Bodenfruchtbarkeit erwartet werden muss.

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Tabelle 4: Mögliche Fruchtfolge für den Anbau von Zuckerhirse als Zwischen-/Zweitfrucht

Feldfrucht Energetische Verwertung

Lebensmittel/Futtermittel/Industrie

Körnermais Stroh für Biogaserzeugung

Körner für Lebensmittel- oder Futtermittelproduktion

Grünroggen GPS

Biomasse für Biogaserzeugung

Zwischenfrucht – organische Masse (Wurzeln) zur Bodenverbesserung

Sorghum Stärke bzw. Zucker für Ethanolerzeu-gung, Stroh für Biogaserzeugung

-

Winterweizen Stroh für Einstreu bzw. Biogaserzeugung

Körner für Lebensmittel- oder Futtermittelproduktion

Luzerne Biomasse für Biogaserzeugung

Zwischenfrucht – organische Masse (Wurzeln) zur Bodenverbesserung; Stickstofffixierung

Zuckerrübe Rübenblätter für Biogaserzeugung

Rüben für Lebensmittelpro-duktion

Begrünung (Gemenge mit hohem Kleeanteil)

Biomasse für Biogaserzeugung

Zwischenfrucht – organische Masse (Wurzeln) zur Bodenverbesserung; Stickstofffixierung

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In Tabelle 4 ist eine, für den Standort Margarethen am Moos mögliche, integrierte Fruchtfolge dargestellt. Es wird sichergestellt, dass im Herbst immer genügend feuchte Zwischenfruchtbiomasse verfügbar ist, die zu dem eher trockenen Sorghum- bzw. Maisstroh gemischt werden kann um eine gute Konservierung (in diesem Fall Silierung) gewährleisten zu können. Die integrierte Fruchtfolge erlaubt eine gleichzeitige Produktion von Lebensmitteln, Futtermitteln und Energie. Die Nutzung von Zwischenfrüchten sowie die Rückführung vom Gärrest sind wesentlich für die Sicherstellung der Bodenfruchtbarkeit.

3.3 Düngung, Aussaat, Pflanzenschutz

Mit dem im Vorfeld zur Bestimmung der optimierten Sämaschinenkonfiguration ermitteltem Tausendkorngewicht, konnte die angestrebte Körnerzahl pro Hektar bezüglich des Saatgutes, in Kilogramm Saatgut pro Hektar umgerechnet werden und umgekehrt. In Tabelle 5 sind die Tausendkorngewichte der drei Sorten angeführt. Tabelle 5: Tausendkorngewichte einzelner Hirsesorten als Beispiel

Sorte

Tausendkorn- gewicht [g]

Nutrigrain 38,4

Sugargraze 30,7

Nectar 14,4

Die hohen Tausendkorngewichte der Züchtungen Nutrigrain und Sugargraze deuten auf große Saatkörner hin. Die Züchtung Nectar erreicht mit ihrem kleinen Tausendkorngewicht nur knapp die Hälfte der beiden anderen Züchtungen und stellt damit Herausforderung an die Sätechnik. Die an den Zuckerrübenanbau angepassten Vereinzelungsorgane der Einzelkornsätechnik könnten in ihrer Wirkung auf Grund der zu kleinen Körner bei Nectar versagen, was eine ungenaue Anbaumenge sowie Anbauverteilung bewirkt. Das Tausendkorngewicht ist auch insofern für die

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Einzelkornsaat von Bedeutung, dass hierbei anstatt von Kilogramm Saatgut pro Hektar, eine Körnerzahl pro Hektar angestrebt wird.

3.4 Aussaat

Die Aussaat wurde mittels einer Einzelkornsämaschine des Herstellers Kleine bewerkstelligt. Es handelt sich hierbei genauer um eine pneumatisch arbeitende, zwölfreihige Mulchsämaschine mit der Typenbezeichnung „Multicorn“ deren Säaggregate auf Basis des Saugluftprinzips mit einer Lochscheibe die Körner aus den Saatgutbehältern vereinzelt und diese mechanisch mittels Kammerrad im eingestellten Abstand ablegt. Durch eine spezielle Synchronisations-einrichtung für Fahrgeschwindigkeit und Geschwindigkeit der Ablageeinrichtung konnte das Rollen der Saatkörner in der Reihe, was direkten Einfluss auf die Verteilgenauigkeit in der Reihe hat, weitgehend verhindert werden. Die Reihenweite betrug hierbei 45 cm und die Saatstärke ~ 30 K/m2. Es wurde deshalb das Tausendkorngewicht durch Zählung und Wiegung von 3 mal 100 Körnern und anschließender Berechnung für 1000 Körner bestimmt. Die gewählte mittlere Saattiefe betrug 4 cm. Die Fahrtgeschwindigkeit betrug einheitlich ~ 10 km/h. Die Saatbettbereitung erfolgte mittels Scheibenegge (GRABER, et al., 2001).

3.5 Pflanzenschutz

Zum Zweck des Pflanzenschutzes wurde eine einmalige Applikation des Herbizides Arrath (Wirkstoffe Tritosulfron und Dicamba, BASF) in der Menge von 200 g/ha gemeinsam mit dem Netzmittel Dash (Emulsionskonzentrat aus Fettsäuremethylester, Fettalkoholalkoxylat und Ölsäure, BASF) in der Menge von 1 l/ha angewandt. Der Pflanzenschutz wurde drei Wochen nach Aussaat, beziehungsweise bei einer Wuchshöhe von rund 10 cm durchgeführt.

3.6 Düngung

Die Düngung wurde ausschließlich mittels 25 m3 Gülle durchgeführt, was einer Nährstoffzufuhr von 37,5 kg Gesamtstickstoff, 15 kg Ammonium-

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stickstoff, 37,5 kg Phosphat und 55 kg Kaliumoxid, bezogen auf einen Hektar, entspricht.

3.7 Ernte

Sowohl in der Physiologie als auch in der Kultivierung weist Zuckerhirse sehr große Ähnlichkeiten mit Mais auf. Betreffend der benötigten Maschinen für Bodenbearbeitung, Anbau, Bestandspflege, Ernte und Transport kann somit die bereits existierende Ausstattung, die für die Kultivierung von Mais benötigt wird, verwendet werden. Da die Vegetationsperiode von Zuckerhirse weitgehend mit der von Mais übereinstimmt, kann auch die Bereifung von Zugmaschinen bzw. Häcksler und Mähdrescher entsprechend der Wetter- und Bodenverhältnisse angepasst werden. Je nach Verfahrensvariante (Zuckersaftproduktion bzw. Stärkeproduktion) ist entweder das Korn oder die Ganzpflanze zu ernten, wobei bei der Stärkevariante auch das Stroh geerntet werden muss, da es direkt als Substrat für die Biogasanlage genutzt werden kann.

3.7.1 Ganzpflanzenernte

Für die Ganzpflanzenernte kann ein Exakt-Feldhäcksler (reihenlos da Anbau auf 45cm) ohne weitere Adaptierungen verwendet werden.

3.7.2 Körnerernte

Bei der Körnerernte muss unter Umständen die Dreschtrommel des Mähdreschers adaptiert werden um einen eventuell auftretenden Körnerbruch zu reduzieren. Die Bergung der Feldreste nach der Körnerernte kann durch Ladewägen erfolgen, welche das Material zur Einlagerung an die Biogasanlage transportieren.

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3.8 Lagerung

3.8.1 Zuckervarianten:

Für die praktische Umsetzung einer Ethanol-Produktion aus den, in der Zuckerhirse gebildeten, freien Zuckern ist es notwendig, diese über einen längeren Zeitraum zu konservieren. Eine Möglichkeit zur Konservierung des Zuckers in der Pflanzenbiomasse ist die Anlage einer Silage, in der jedoch keine Milchsäuregärung stattfinden darf. Bei einer herkömmlichen Silierung werden die einwertigen Zucker sofort abgebaut. Bei den Lagerungsversuchen konnte mittels Ameisensäure der Abbau des Zuckergehaltes über mehrere Monate stabilisiert werden Die Analyse des Zuckergehalts, welche nach 3 Monaten gezogen wurde, zeigten nur minimale Zuckerverluste. Die Versuchslagerungen wurden so eingestellt, dass ausgehend von 80% Ameisensäure Versuchsreihen mit 0,5, 0,75 und 1% bezogen auf die Frischmasse beigemengt wurde. Beim Anteil von rund 0,5% der Frischmasse konnten Verfärbungen und schlechter Geruch festgestellt werden, erst bei über 0,75 % konnte eine Stabilisierung des Zuckers über mehrere Monate beobachtet werden. Das Projektkonsortium gibt daher die Empfehlung, dass man zumindest das Gewichtsäquivalent von 1% der Frischmasse an 100% Ameisensäure der Frischmasse zusetzen muss.

3.8.2 Stärkevariante:

Hinsichtlich der Lagerung der Körner von Stärkehirsen gibt es bereits etablierte Verfahren aus der Getreideproduktion. Wichtig ist die Einhaltung eines Trockenmassegehalts von über 83% um mikrobiologische Aktivitäten zu unterbinden. Wird dieser nicht erreicht, so müssen die Körner zuvor getrocknet werden.

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3.9 Nutzung für die Bioethanol-Produktion:

Zur Nutzung der Zuckerhirse für die Ethanol-Produktion stellen sich drei unterschiedliche Varianten:

Nutzung des abgepressten Zuckersaftes zur Ethanol-Produktion in einer dezentralen Kleinethanolanlage mit abschließender Absolutierung bei einer zentralen Stelle. Zuckerhirserestmasse kann in der Biogasanlage eingesetzt werden.

Nutzung der Ganzpflanze in der Ethanol-Anlage und Nutzung der

Pflanzenrestmasse aus der Bioethanol-Produktion in der Biogasanlage. Absolutierung bei einer zentralen Stelle.

Stärkenutzung in einer zentralen Bioethanol-Produktionsstelle mit und ohne CO2 Nutzung. Das Stroh kann in der Biogasanlage eingesetzt werden.

3.9.1 Variante 1: Zuckersaftabpressung:

Die Variante 1 (V1, Ganzpflanzenfermentation, siehe Abbildung 2) beruht auf der Stabilisierung der Pflanze (Zuckerbildende Hirsesorte „Sugargraze 1“, Ernteanalyse) unmittelbar nach der Ernte, um Zuckerverluste zu verhindern. Die zerkleinerten Pflanzen werden ohne weiteren Trennschritt in einen Fermenter eingebracht, wo der Zucker in einer sogenannten Solid-State-Fermentation (SSF) vergoren wird. Nach Abtrennung der Feststoffe kann aus diesen Biogas produziert werden. Die Alkoholanreicherung erfolgt bis ca. 85% vor Ort, darüber hinaus in einer zentralen Anlage.

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Abbildung 2: Schema der Prozessvariante 1 (Ganzpflanzenfermentation einer Zuckerhirsesorte)

3.9.2 Variante 2: Ganzpflanzenfermentation

Die Überlegungen zu der Variante 2 (Abbildung 3) ergaben, dass das Abpressen der gesamten Ernte und das Aufkonzentrieren der Zuckerlösung kurz nach der Ernte abgeschlossen werden müssen um den Zuckerverlust zu minimieren. Der Pressrückstand wird gewaschen und zur Produktion von Biogas verwendet. Der Presssaft wird mit der Waschflüssigkeit vereint und wieder einer Alkoholfermentation zugeführt. Der Destillationsrückstand wird ebenfalls zur Biogasproduktion zugeführt. Wie in Variante 1 wird die Ethanol-Anreicherung aufgrund der kleineren Anlagengröße in einen Destillationsblock vor Ort und die weitere Anreicherung in der Großanlage aufgeteilt.

Stabilisation of the whole plant

Fermentation of the whole

plantComminution

Separation

DistillationRectification

DehydrationAdsorption

WashingBiogas

Harvest

Liquid

EtOH

Distillation-Recyclestream

Solid

Biogas residue

Biogas

H2O

EtOH 99,8 %w

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Abbildung 3: Schema der Prozessvariante 2 (getrennte Verarbeitung von Zuckersaft und Restpflanze)

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3.9.3 Variante: Stärkenutzung

Abbildung 4: Schema der Prozessvariante 3 (Getrennte Nutzung von Korn und Stroh einer Körnerhirsesorte) In Variante 3 (siehe Abbildung 4) wird Biogas und Bioethanol in Synergie aus einer kornbildenden Zuckerhirseart (z.B.: „Chopper“) produziert. Dabei werden Stroh und Korn nach bzw. bei der Ernte getrennt und in separaten Prozessen verwendet. Das Korn wird zu einer zentralen Ethanol-Produktionsanlage (mit einer Kapazität von 100.000 t/a Ethanol) transportiert, dort zerkleinert und wie beim konventionellen Bioethanol-Prozess zu Alkohol fermentiert, wobei die Destillationsrückstände zum Nebenprodukt DDGS weiterverarbeitet werden. Das Stroh wird zur Biogasproduktion herangezogen, um die Energieausbeute zu verbessern.

3.10 Nutzung in der Biomethan-Produktion

Um strohartige Materialien in der Biogasanlage einsetzen zu können, muss das Material vor dem Einsatz in die Biogasanlage aufbereitet werden um

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den maximalen Biogasertrag in kurzer Zeit zu erhalten und Schwimmschichten zu vermeiden. Am Beginn der Versuchsreihe wurde der Aufschluss mittels eines Extruders durchgeführt. Die Ergebnisse hinsichtlich des Aufschlusses waren zwar gut, durch Störstoffe (Erde, Steine usw.) in den strohartigen Materialien kam es zu vermehrten Standzeiten sowie zu sehr kostspieligen Instandsetzungsarbeiten, sodass vom Biogasanlagenbetreiber, in dessen Anlage die Versuche durchgeführt wurden, diese Methode abgelehnt wurde.

Abbildung 5: Prototyp und Demoversion der Bio-Heat-Converters der EVM Margarethen am Moos, Foto EVM Margarethen am Moos Es wurde durch den Betreiber EVM Margarethen am Moos in den Jahren 2012/13 ein Bio-Heat-Converter entwickelt, welcher die Störanfälligkeit nicht aufweist. 2012 wurde der Prototyp entwickelt und bis Ende 2013 betrieben. Ab Ende 2013 wurde die erste vergrößerte Demoanlage installiert, in der die Erfahrungen aus dem Prototypen eingeflossen sind. Durch den Bio-Heat-Converter gelingt es nun dem Anlagenbetreiber die

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strohartigen Materialien, welche in der Biogasanlage eingesetzt werden, so aufzuschließen, dass er die Anlage mit mehr als 50% dieser Materialien betreiben kann. Folgende Rohstoffe werden unter anderen im Bio-Heat-Converter aufgeschlossen: Zuckerhirse Maisstroh Festmist mit hohem Strohanteil

4 Ökologische Kurzbetrachtung der Varianten Im Rahmen des Projektes wurde eine ökologische Bewertung von Zuckerhirse als Rohstoff zur Bioethanol- und Biomethanherstellung durchgeführt. Es wurden die Treibhausgasemissionen (Kohlendioxid - CO2, Methan - CH4, Distickstoffmonoxid/Lachgas - N2O) und der Primärenergie-bedarf (erneuerbar, fossil, sonstige) von drei verschiedenen System-varianten mit Zuckerhirse untersucht: Die Varianten unterschieden sich in den Zuckerhirsesorten (stärkehaltig und zuckerhaltige Sorten), im Fermentationsprozess (Nutzung von Zuckerhirsekörnern in einer zentralen Anlage, dezentrale Ganzpflanzen-fermentation oder dezentrale Pflanzensaftfermentation) und in Art und Menge der bereitgestellten Produkte (Biomethan, Bioethanol, Futtermittel, Dünger und Kohlendioxid) (Tabelle 6).

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Tabelle 6: Übersicht der Systemvarianten mit Zuckerhirse als Rohstoffe

Methodik und Datenbasis Die Treibhausgasemissionen bei der Herstellung und Verwendung von Bioethanol und Biomethan aus Zuckerhirse wurden auf Basis der in der EU-Richtlinie zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen (RL 2009/28/EG) angeführten Berechnungsmethode bestimmt. Dabei wurden die Treibhausgasemissionen beim Anbau der Zuckerhirse, der Verarbeitung zu Bioethanol und Biomethan und bei Transport und Vertrieb berücksichtigt. Entsprechend den Vorgaben der EU-Richtlinie wurden die Treibhausgasemissionen auf den Energieinhalt der Kraftstoffe bezogen (g CO2-Äquivalent/MJ Kraftstoff). Zur Bestimmung der Einsparung von Treibhausgasemissionen durch Biomethan und Bioethanol aus Zuckerhirse wurden diese den fossilen Kraftstoffen Erdgas und Benzin gegenübergestellt. Weiters wurde ein Vergleich zu Standardwerten der EU-Richtlinie und Literaturwerten für die Erzeugung von Biomethan aus Mais

Variante 2 Variante 2a Variante 3 Variante 4

Separate Nutzung von Korn und Stroh

Separate Nutzung von Korn und Stroh (inkl. CO 2 -Nutzung)

Ganzpflanzenfermentation Zuckersaftferementation

Zuckerhirsesorte Chopper (stärkehaltig) Chopper (stärkehaltig) Sugargraze I (zuckerhaltig) Sugargraze I (zuckerhaltig)

Vegitationsperiode Ende Mai - Ende September 2011

Ende Mai - Ende September 2011

Ende Mai - Mitte September 2011

Ende Mai - Mitte September 2011

Zuckerhirseertrag 46 [t FM/(ha*a)] 46 [t FM/(ha*a)] 69 [t FM/(ha*a)] 69 [t FM/(ha*a)]Anbaufläche1) 200 [ha/a] 200 [ha/a] 200 [ha/a] 200 [ha/a]

Verarbeitung

Trennung von Korn & Stroh;Korn: konventioneller Bioethanolprozess in zentraler Anlage;Stroh: Biogasproduktion und Aufbereitung zu Biomethan

Trennung von Korn & Stroh;Korn: konventioneller Bioethanolprozess mit CO2-Verflüssigung in zentraler Anlage;Stroh: Biogasproduktion und Aufbereitung zu Biomethan

Stabilisierung der Pflanze mittels Ameisensäure;Zerkleinerung und dezentraler Ganzpflanzenfermentation;Absolutierung in zentraler AnlageNutzung von Reststoffen für Biogasprozess und Aufbereitung zu Biomethan

Stabilisierung der Pflanze mittels Ameisensäure;Zerkleinerung und Auspressen der Ganzpflanze; dezentrale Fermentation des Presssafts;Absolutierung in zentraler AnlageNutzung von Reststoffen für Biogasprozess und Aufbereitung zu Biomethan

Hauptprodukte Bioethanol: 650 [t/a]Biomethan: 283.000 [Nm³/a]

Bioethanol: 650 [t/a]Biomethan: 283.000 [Nm³/a]

Bioethanol: 330 [t/a]Biomethan: 747.000 [Nm³/a]

Bioethanol: 320 [t/a]Biomethan: 734.000 [Nm³/a]

NebenprodukteDDGS2): 940 [t/a]Gärrest als Dünger3): 11.700 [t/a]

DDGS2): 940 [t/a]Gärrest als Dünger3):

11.700 [t/a]CO2: 270 [t/a]

Gärrest als Dünger 3): 23.800 [t/a]

Gärrest als Dünger 3): 25.560 [t/a]

1) Ausgangsbasis für die Dimensionierung der Systemvarianten2) Dried Distillers Grains with Solubles - Futtermittel3) Kreislaufführung: Verwendung als Dünger für Zuckerhirse

Systemvariante

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und Bioethanol aus Mais und Weizen durchgeführt. Für die Ermittlung des Primärenergiebedarfs wurde methodisch gleich vorgegangen wie für die Ermittlung der Treibhausgasemissionen. Die Grunddaten für die Ermittlung von Treibhausgasemissionen und Primärenergiebedarf setzen sich aus

• projektspezifischen Daten (z.B. Zuckerhirseerträge basierend auf den Anbauversuchen im Jahr 2011, Simulationsergebnissen der Biomethan- und Bioethanol-Produktion aus Zuckerhirse),

• Daten aus LCA-Datenbanken (GEMIS Österreich, ecoinvent 3.0) und

• Literaturwerten (z.B. Stickstoffverluste bei der Aufbringung von Gärresten zur Düngung)

zusammen. Ergebnisse und Schlussfolgerungen Mit dieser Datenbasis wurden die in Abbildung 6 dargestellten Gesamtemissionen und die Einsparung von Treibhausgasemissionen für die untersuchten Systemvarianten bestimmt. Für die stärkehaltige Zuckerhirsesorte, bei der Korn und Stroh getrennt werden, das Korn in einer zentralen Anlage zur Bioethanol-Produktion eingesetzt und aus dem Stroh Biomethan gewonnen wird, ergeben sich Gesamtemissionen in der Höhe von 32 g CO2-Äq./(0,36 MJ Biomethan + 0,64 MJ Bioethanol). Wird bei dieser Variante in einer zentralen Bioethanol-Anlage auch CO2 abgetrennt und verflüssigt, reduzieren sich die spezifischen Treibhausgasemissionen auf 19 g CO2-Äq./(0,36 MJ Biomethan + 0,64 MJ Bioethanol). Diese Variante erreicht die höchste Treibhausgaseinsparung mit 80% im Vergleich zu Erdgas und Benzin. Bei Ganzpflanzennutzung einer zuckerhaltigen Zuckerhirsesorte ergeben sich bei Ganzpflanzen-fermentation (Variante 3) 39 g CO2-Äq./(0,75 MJ Biomethan + 0,25 MJ Bioethanol) bzw. bei Zuckersaftfermentation (Variante 4) 32 g CO2-Äq./(0,75 MJ Biomethan + 0,25 MJ Bioethanol). Die Einsparung von

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Treibhausgasemissionen betragen 50% bzw. 65% im Vergleich zu Erdgas und Bioethanol. Der Vergleich mit Standardwerten aus der EU-Richtlinie und Literaturwerten für Biomethan aus Mais und Bioethanol aus Weizen und Mais zeigte, dass die Emissionen beim Anbau der Zuckerhirse mit 7 bis 9 g CO2-Äq./MJ Kraftstoff günstig sind. Dies ergibt sich primär durch die vergleichsweise hohen Rohstoff- und Biokraftstofferträge, die aus den Daten im Versuchsjahr 2011 abgeleitet werden konnten. Diese Ergebnisse konnten bei den Anbauversuchen in den Jahren 2012 und 2013 nicht wiederholt werden. Daraus kann geschlossen werden, dass die vorliegenden Treibhausgaseinsparungen ein Potential bei sehr günstigen Anbau- und Witterungsbedingungen darstellen. Unter diesen günstigen Anbaubedingungen erreichen drei der vier untersuchten Systemvarianten mit Zuckerhirse, die für das Jahr 2018 geforderte Treibhausgaseinsparung der EU, in der Mindesthöhe von 60%. Der gesamte Primärenergiebedarf ist bei den Systemvarianten mit Zuckerhirse etwas höher (0,2 bis 0,3 MJ/MJ Kraftstoff) als bei Erdgas und Benzin. Für den nicht erneuerbare Primärenergiebedarf ergab sich bei den Systemvarianten mit Zuckerhirse eine Reduktion von 50% bis 70%.

Abbildung 6: Gesamtemissionen und Einsparung von Treibhausgasemissionen durch Biomethan und Bioethanol aus Zuckerhirse im Vergleich zu Erdgas und Benzin

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5 Klimatologische Aspekte des Anbaus von Zuckerhirse Da Zuckerhirse in Österreich nicht heimisch ist, sondern aus subtropischen Regionen stammt, ist es notwendig zu wissen, ob hinreichende klimatische Bedingungen für einen erfolgreichen Anbau in Österreich gegeben sind. Um mögliche Anbaugebiete für Zuckerhirse auszuweisen wurden aus der Literatur klimatische Mindestanforderungen abgeleitet und deren räumliche Verteilung analysiert. Es wurde gemäß der Anbauversuche von einem Anbautermin im Juni und einem Erntetermin im Oktober ausgegangen. Die Kriterien sind in Tabelle 7 aufgelistet. Tabelle 7: klimatische Mindestanforderungen von Sorghum bicolor

Kriterum Zeitraum Anmerkung TBoden > 12 °C Juni Bodentiefe 10 cm, die Keimtemperatur

beträgt mind. 12 °C (EURALIS Saaten, 2013)

Summe der Gradtage > 2500 °C

Juni - Oktober Summe aller Tagesmitteltemperaturen > 0 °C, entspricht einer mittleren Temperatur von ~16 °C, (FNR, 2007)

Tmin > 4 °C Juni - September

Zuckerhirse ist kälteempfindlich, niedrige Temperaturen sind nach Ausbildung der Körner kein Problem mehr

monatl. Niederschlag >= 50 mm

Juni, Juli erforderlicher Niederschlag bis zur Ausbildung tiefreichenden Wurzeln

> 5 Tage/Monat mit Niederschlag >= 1 mm

Juni, Juli Niederschlag sollte verteilt fallen

Gesamtniederschlag >= 200 mm

Juni - Oktober erforderlicher Niederschlag in der gesamten Wachstumsperiode, (Farre ́, 2006)

Die Analyse des gegenwärtigen Anbaupotentials wurde mittels des Datensatzes INCA durchgeführt. Das zukünftige Anbaupotential wurde mittels 3 verschiedener regionaler Klimamodelle (RCMs) (Aladin, REMO, RegCM3) berechnet. Die räumliche Auflösung liegt jeweils bei 1 km x 1 km. INCA liegt für den Zeitraum von 2003 – 2012 vor, die Klimaszenarien von 1951 bis 2100. Um systematische Fehler bei den RCMs zu minimieren, wurden diese mittels Quantilemapping fehlerkorrigiert. Um die relativ grobe

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räumliche Auflösung der RCMs zu erhöhen wurde eine Lokalisierung mittels INCA Daten durchgeführt. Da keine flächigen Informationen zur Bodentemperatur vorliegen, wurde eine Regressionsbeziehung zwischen minimaler Bodentemperatur und mittlerer Lufttemperatur auf Tagesbasis hergestellt und so die minimale Bodentemperatur geschätzt.

Abbildung 7: Anteil der Jahre, in denen alle klimatischen Mindestanforderungen erfüllt werden; INCA, 2003 - 2012 Unter den gegenwärtigen klimatischen Bedingungen ist ein Anbau von Sorghum bicolor lediglich in den Ackerbaugebieten von Ostösterreich (Wiener Beckens, Seewinkel und Grazer Beckens) zuverlässig möglich (siehe Abbildung 1). Im Weinviertel treten Probleme durch niedrige Minimumtemperaturen auf, sodass lediglich weniger als die Hälfte der Jahre genutzt werden können. In den Hügellagen und den Alpen sind die Temperaturen derzeit generell zu tief. Limitierungen durch Niederschlagsmangel waren nur im Raum Wien zu beobachten.

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Abbildung 8: Zukünftige Entwicklung (2011 - 2040 links, 2036 - 2065 Mitte, 2071 - 2100 rechts) der potentiellen Anbaugebiete; Aladin oben, RegCM3 unten Betrachtet man die Auswertungen anhand der RCMs, so zeichnet sich eine Ausweitung potentieller Anbauflächen ab (Abbildung 2). Tieflagen sind weiterhin begünstigt, aber auch in angrenzenden Hügellagen könnte der Anbau von Zuckerhirse durch das zunehmend höhere Temperaturniveau profitieren. Für die kommenden 30 Jahren kann anhand der Simulation von RegCM3 und REMO (beide durch das globale Klimamodell Echam5 angetrieben) davon ausgegangen werden, dass der Anbau im östlichen und südlichen Flachland mit relativ geringer Ausfallswahrscheinlichkeit aufgrund klimatischer Faktoren möglich sein wird. Aladin, das eine stärkere Temperaturentwicklung hat und im Osten deutlich trockener ist, zeigt zwar ähnliche Muster, aber der Anteil der Jahre, in denen ein Anbau möglich ist, liegt nur bei etwa 50 Prozent. Mitte des Jahrhunderts zeigen alle RCMs, dass die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Anbaus weiterhin steigt. Ende des Jahrhunderts verlagern sich die besonders begünstigten Gebiete weiter nach Westen, da der Osten des Landes zunehmend zu trocken wird. Allerdings wäre dann auch der Anbau im Klagenfurter Becken und sogar im Inntal und Rheintal möglich.

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6 Ökonomische Kurzbetrachtung der Zuckerhirseproduktion als Rohstoff für die Bioethanol- und Biomethanproduktion

Entsprechend der oben beschriebenen Anbau- und Erntemethode wird ersichtlich, dass die Anbau- und Erntekosten denen für die Produktion von Mais ähneln. Voraussetzung dafür ist, dass der Maschinenpark für den Mais-Anbau und -Ernte vorhanden sind und die klimatischen Bedingungen optimal sind. Für den Zwischen-/Zweitfruchtanbau existieren unter den jetzigen Klimaverhältnissen nur sehr eingeschränkte Anbaugebiete, sodass man, bevor man Zucker oder Stärke mit Zuckerhirse aus Zwischen-/Zweitfrüchte produzieren möchte, klarstellen muss, ob die klimatischen Verhältnisse passend sind. Ansonsten kann der Massenertrag, der benötigt wird um die Produktionskosten zu erwirtschaften, nicht erreicht werden. Der Kosteneinsatz für die Zuckerhirseproduktion liegt in etwa bei den Produktionskosten für Körnermais bzw. Silomais.

6.1 Variante 1

Nutzung des abgepressten Zuckersaftes zur Ethanol-Produktion in einer dezentralen Kleinethanolanlage mit abschließender Absolutierung bei einer zentralen Stelle. Zuckerhirserestmasse kann in der Biogasanlage eingesetzt werden.

Für die Zuckersaftproduktion werden folgende Schritte benötigt um einen lagerfähigen Zuckersirup zu produzieren:

• Abpressen des Zuckersaftes • Aufkonzentrieren des Zuckersaftes auf >70%

Ausgangspunkt für die Berechnung ist der Produktionsanfall von Zuckerhirse bei einer Produktionsfläche von 200 Hektar: Die Produktion des Zuckersaftes muss in einem Kampagnenbetrieb erfolgen. Auch eine kurzfristige Zwischenlagerung bedeutet sofort Zuckerverlust durch Abbauprozesse sowie Pflanzensaftverlust.

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Bei einer Kampagne von 14 Tagen (20t/TM /ha mit ~35%TS) müssen pro Tag 814 Tonnen Frischmasse abgepresst werden. Pro Tag wird eine Zuckersaftmenge von rund 220 Tonnen mit einen Zuckergehalt von rund 16% produziert. Um einen Zuckersirup von über 70% zu erhalten müssen pro Tag rund 170 Tonnen Wasser abgetrennt werden. Pro Stunde müssten daher bei einen 24 Stundenbetrieb rund 7 Tonnen Wasserdampf abgespalten werden. In Summe müssten daher rund 2.350 Tonnen Wasser verdampft werden um einen Zuckersirup mit 70% zu erhalten. Um 1 kg Wasser von 30°C Ausgangstemperatur zu verdampfen werden rund 0,7 kWh benötigt. Dies bedeutet, dass pro Tag ein Energiebedarf von rund 118 MWh Wärmeenergie aufgebracht werden muss. In 14 Tagen summiert sich die Wärmemenge auf 164/14/146 MWh. Um den Wärmebedarf für diese Wassermenge aufbringen zu können benötigt man eine Leistung von rund 4900 kW. Aufgrund dieses Leistungsbedarfs ist das Verdampfen direkt an einer Biogasanlage in Österreich nicht möglich, da bei den größten Anlagen max. 1 MWh an thermischer Energie zur Verfügung steht. Auch das Ausdehnen des Erntezeitraumes auf einen Monat würde nichts helfen. Erstens würde die Zuckermenge darunter leiden und andererseits würde noch immer eine Leistung von rund 2450 kW zum Verdampfen benötigt. Problematisch ist der Zuckersirup hinsichtlich Wartung der Verdampfungsanlage, da der Zuckersirup die Heizflächen belegt und dadurch der Wärmeübergang nicht optimal erfolgt. Aus diesen Gründen sowie aufgrund der hohen Investitionskosten für solch eine Anlage sowie dem ungewissen Marktpreis von Zucker, der in den letzten Jahren ständig gefallen ist, muss von diesen Varianten Abstand genommen werden. Auch eine niedrigere Aufkonzentrierung bringt nicht eine 100% Lösung, da dadurch die Lagertemperatur unter 25°C gehalten werden muss um keine Abbauprozesse zu starten (Strehler et al. 1987 [268]) Aus technischer Sicht ist die Produktion von Zuckersirup aus Pflanzensaft zwar aufwändig aber machbar. Aufgrund der geringen Tage, in der eine solche Anlage aber genutzt werden kann und dem damit einhergehenden

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großen Aufwand, ist eine wirtschaftliche Darstellung unter den 2014 herrschenden Rahmenbedingungen nicht gegeben.

6.2 Variante 2

Nutzung der Ganzpflanze in der Ethanol-Anlage und Nutzung der Pflanzenrestmasse aus der Bioethanol-Produktion in der Biogasanlage. Absolutierung bei einer zentralen Stelle.

Bei 200 Hektar Anbaufläche können je nach Zuckergehalt rund 225 bis 315 Tonnen Ethanol gewonnen werden. Die Einlagerung kann über mehrere Monate nur durch sehr tiefe Temperaturen stabilisiert werden, wobei eine Selbsterwärmung verhindert werden muss oder durch Absenkung des PH-Wertes, wobei es dabei nicht zu einer Milchsäurebildung kommen darf. Die Silage muss so angelegt werden, dass 1% des einzulagernden Zuckerhirsegewichts für die Mengenangabe der 100% Ameisensäure heranzuziehen ist. 100 kg Frischmasse muss mit einem kg 100% Ameisensäure versetzt werden. Da 100% Ameisensäure nicht am Markt verfügbar ist, muss je nach Konzentration mehr Ameisensäure in die Silage beigemischt werden. Die Kosten für eine Tonne 85% Ameisensäure landwirtschaftstauglich laut Alibaba.com (15.02.2014) liegen bei rund 450 bis 550 Euro pro Tonne exkl. Lieferkosten. Dies bedeutet eine Belastung für die Bioethanol-Produktion. Weiters wurde in mehreren Arbeiten hinsichtlich Kleinbioethanolanlagen festgestellt, dass Anlagengrößen unter 5000 Jahrestonnen Bioethanol nicht wirtschaftlich zu führen sind. Aus den oben angeführten Argumenten ist klar ersichtlich, dass auch diese Möglichkeit unter den momentanen ökonomischen Rahmenbedingungen keine wirtschaftliche Option darstellt, da mit maximal 250 bis 315 Bioethanol-Jahrestonnen für einen wirtschaftlichen Betrieb unter den jetzigen ökonomischen Rahmenbedingungen 2014 kein wirtschaftlicher Betrieb möglich ist.

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6.3 Variante 3

Stärkenutzung in einer zentralen Bioethanol-Produktionsstelle mit und ohne CO2 Nutzung. Das Stroh kann in der Biogasanlage eingesetzt werden.

Wie oben beschrieben sind die Produktionskosten ohne zusätzliche Verfahrensschritte ähnlich der Maisproduktion. Kleine Adaptierungs-maßnahmen sind hinsichtlich Saatgutausbringung und Drusch aufgrund der unterschiedlichen Samengrößen anzupassen. Ansonsten kann die Anbau- und Erntekette wie bei Mais eingesetzt werden. Um ökonomisch Stärke für die Bioethanol-Produktion aus Zuckerhirse aus der Zwischen-/Zweitfrucht zu produzieren, müssen folgende Parameter erfüllt sein:

• Die klimatischen Bedingungen müssen optimal sein. • Der Stärkeertrag muss vergleichbar mit dem Ertrag von Mais sein. • Die Samengröße muss mindestens die Größe von Weizenkörnern

aufweisen, damit eine Verarbeitung bei Bioethanol-Anlagen ohne größere Adaptierungsarbeiten der Mahlwerke durchgeführt werden kann.

7 Fazit Aus heutiger Sicht ist eine ökonomische Rohstoffproduktion aus der Zischen-/Zweitfrucht Zuckerhirse unter optimalen Bedingungen durch die Stärkeproduktionsvariante möglich. Durch spezielle Sorten wie Chopper können Stärkeerträge wie bei Mais erwirtschaftet werden und durch die Samengröße ist ein Einsatz bei Bioethanol-Anlagen denkbar. Durch die ökologische Bewertung ist ersichtlich, dass durch die Stärkevariante die RL 2009/28/EG über die Reduktion von CO2 Emissionen für biogene Treibstoffe die Reduktionsvorgaben von 60% für 2018 eingehalten werden kann.

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Laut klimatischer Modellberechnungen nehmen die Anbauflächen über die nächsten Jahrzehnte zu und die Ausfallwahrscheinlichkeiten nehmen lt. Simulation ab. Die biogene Restmasse kann wie bei Mais in Biogasanlagen verarbeitet werden. Wie der Modellbetrieb in Margarethen am Moos vorzeigt, ist es möglich, durch entsprechende Aufschlusstechnologie (Bio-Heat-Converter), die strohartige Restmasse so aufzubereiten, dass ein Großteil der Biomethanproduktion über landwirtschaftliche Reststoffe wie Stroh von Zuckerhirse, Maisstroh und Festmist mit hohem Strohanteil machbar ist. Weiter Informationen finden Sie unter www.bisunfuel.at

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8 Literatur: Amaducci, S., A. Monti, and G. Venturi , Non-structural carbohydrates and fibre components in

sweet and fibre sorghum as affected by low and normal input techniques: Industrial Crops and Products, v. 20, p. 111-118., 2004.

Amon, B., Kyvoruchko, V., Amon, T., und Zechmeister-Boltenstern, S.: Methane, nitrous oxide and ammonia emissions during storage and after application of dairy cattle slurry and influence of slurry treatment. Agriculture, Ecosystems & Environment 112: 153-162, 2006.

Amon, T., Kryvoruchko V., Amon B., Moitzi G., Lyson D., Hackl E., Jeremic D., Zollitsch W., Pötsch E., Mayer K., Plank J., Methanbildungsvermögen von Mais – Einfluss der Sorte, der Konservierung und des Erntezeitpunktes. Endbericht Oktober 2002. Im Auftrag von Pioneer Saaten Ges.m.b.H. Parndorf, 2002.

Bader R.,Kriesel M, Feldfruchternte 2011 Schnellbereicht, online www.statistik.at/web_de/Redirect/index.htm?dDocName=060525, letzter Zugriff am 27.02.2014, Statistik Austria, Wien, 2012.

Barcelos, C. A., Maeda, R. N., Betancur, G. J. V., Pereira, N., Ethanol production from sorghum grains [sorghum bicolor (l.) Moench]: evaluation of the enzymatic hydrolysis and the hydrolysate fermentability. Brazilian Journal of Chemical Engineering 28: 597-604, 2011.

Beermann, M., Jungmeier, G., Wenzel, A., Spitzer, J., Canella, L., Engel, A., Schmuck, M., und Koller, S.: Quo Vadis Elektroauto? Grundlagen einer Road Map für die Einführung von Elektro-Fahrzeugen in Österreich. Projektbericht im Rahmen des Programms IV2Splus., Graz, 2010.

BioGrace (2014): BioGrace GHG calculation tool – GHG calculation tool for biofules and bioliquids approved by the European Commission to verify compliance with the emission saving requirements of the European Union. BioGrace Excel tool - version 4c.xls http://www.biograce.net/content/ ghgcalculationtools/recognisedtool/, abgerufen am 02.04.2014

C.A.R.M.E.N (Centrales- Agrar-Rohstoff-Marketing- und Energie-Netzwerk) e.V., http://www.carmenev.de/files/informationen/externe_Veranstaltungen/trockung.pdf, 2013.

Clemens, J., Trimborn, M., Weiland, P., und Amon, B: Mitigation of greenhouse gas emissions by anaerobic digestion of cattle slurry. Agriculture, Ecosystems and Environment 112: 171-177. 2006.

Dellweg. H., Biotechnologie, WILEY-VCH, Weinheim, 1987. Dias, M. O. S., Ensinas, A. V., Nebra, S. A., Filho, R.M., Rossell, C. E. V., Maciel, M. R. W.,

Production of bioethanol and other bio-based materials from sugarcane bagasse: Integration to conventional bioethanol production process, Chemical Engineering Research and Design 87(9): 1206-1216, 2009.

Döhler,H., Eurich-Menden,B., und Grimm,E: Ammoniak-Emissionen bei der Ausbringung von Fest- und Flüssigmist sowie Minderungsmaßnahmen,. Kurzfassung der Tagungsbeiträge. 45|03, 20-21. 2001. Kloster Banz, Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL), Darmstadt. Emissionen der Tierhaltung - Kurzfassung der Tagungsbeiträge, 2001.

Edelmann, W., Schleiss, K., Engeli, H., und Baier, U.: Ökobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas, Arbeitsgemeinschaft Bioenergie (arbi), 2001.

Englert H., Lewandowski I., Böhmel C., Vetter A., Hartmann H., Angebaute Biomasse, In Energie aus Biomasse, Kaltschmitt M., Hartmann H., Hofbauer H. (Ed.), Springer Berlin Heidelberg, 75-134, 2009.

EURALIS Saaten, Sorghum bicolor – Anbauanleitung, http://www.euralis.de/fileadmin/user_upload/3-Produkte/Sorghum/Sorghum-Anbauanleitung.pdf, 2013.

38

Fachbeirat für Bodenfruchtbarkeit und Bodenschutz beim Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umweltschutz und Wasserwirtschaft: Der Sachgerechte Einsatz von Biogasgülle und Gärrückständen im Acker- und Grünland, Fachbeirat für Bodenfruchtbarkeit und Bodenschutz beim Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umweltschutz und Wasserwirtschaft, 2. Auflage, Wien, AUT, 2007.

Farrahi-Aschtiani, K, Komplexe Saatzeit-, Schnittzeit-, Stickstoffdüngungsversuche zum Studium der Entwicklung und Futterleistung von Sorghum saccharatum, Gießen., 1964.

Farré, I., and J. M. Faci, Comparative response of maize (Zea mays L.) and sorghum (Sorghum bicolor L. Moench) to deficit irrigation in a Mediterranean environment: Agricultural Water Management, v. 83, p. 135-143, 2006.

FNR (Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.),Zuckerhirse, eine Form der Mohrenhirse (Sorghum bicolor) aus der Gattung Sorghum aus der Familie der Süßgräser (Poaceae), http://www.fnr.de/fileadmin/fnr/images/aktuelles/medien/Energiepflanzen/PDF/PortraetZuckerhirse_print.pdf, 2007

Friedl, A., Bioethanol from Starch, In: Encyclopedia of Sustainability Science and Technology, Meyers R. A. (Ed.), Vol. 1, Springer, New York, 987-1001, 2012.

Gil, M., Gonzalez, A., Gil, A. Evaluation of milling energy requirements of biomass residues in a semi-industrial pilot plant for co-firing, CIRCE, Centre of Research for Energy Resources and Consumption, 2008.

Green Gas Grids (2013): Greening your Biomethane Production Chain. A best practice guide for reducing greenhouse gas emissions. Discussion Paper Sustainability. http://www.greengasgrids.eu/activities/ sustainability.html, abgerufen am 02.04.2014

Geng, S., F. J. Hills, S. S. Johnson, and R. N. Sah, Potential Yields and On-Farm Ethanol Production Cost of Corn, Sweet Sorghum, Fodderbeet, and Sugarbeet: Journal of Agronomy and Crop Science, v. 162, p. 21-29., 1989.

IINIAS – Internationales Institut für Nachhaltigkeitsanalysen und –strategien: GEMIS – Globales Emissions-Modell integrierter Systeme, Version 4.8, http://www.iinas.org/gemis-de.html, 2013.

IPCC: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, United Kingdom and New York, NY, 2007.

Kresovich, S, Sweet sorghum: sorghum bicolor (saccharatum group), in BocaRaton, ed., CRC Handbook of Biosolar Resources 2, p. 147-155, 1982

Köppen, S., Reinhardt, G., und Gärtner, S.: Assessment of energy and greenhouse gas inventories of Sweet Sorghum for first and second generation bioethanol. FAO Environmental and Natural Resources Service Series, No. 30 – FAO, Rome, IT, 2009.

Leible, L., and G. Kahnt, Untersuchungen zum Einfluß von Standort, Saatstärke, N-Düngung, Sorte und Erntezeitpunkt auf den Ertrag und die Inhaltsstoffe von Zuckerhirse: Journal of Agronomy and Crop Science, v. 166, p. 10, 1991.

Li, S., Li, G., Zhang, L., Zhou, Z., Han, B., Hou, W., Wang, J., Li, T., A demonstration study of ethanol production from sweet sorghum stems with advanced solid state fermentation technology, Applied Energy 102(0): 260-265, 2013.

Lipinsky, E. S., and S. Kresovich, Sorghum as energy crop: Bio-Energy World Congress and Exposition, p. 91-93, 1980.

Monceaux, D. A., Kuehner, D. Dryhouse technologies and DDGS production. The Alcohol Textbook, Nottingham University Press, 2009.

ÖKL (2013): Kraftstoffverbrauch in der Land- und Forstwirtschaft, ÖKL-Richtwerte 2013 – Krafstoffverbrauch, http://oekl.at/wp-content/uploads/2010/11/%C3%96KL-RW-2013-Kraftstoffverbrauch.pdf, abgerufen am 04.04.2014

39

Pucker, J., Jungmeier, G., Siegl, S., Pötsch, E.M., Stuhlbacher, A., Ebner-Ornig, F.J., Kirchmayr, R., und Bochman, G.: Ökobilanz Biogas – Erfolgsfaktoren zur nachhaltigen Nutzung der Biogastechnologie am Beispiel ausgewählter Biogasanlagen. Projektendbericht des Programms „Energie der Zukunft“, Graz, AUT, 2010.

RL 2009/28/EG: Richtlinie 2009/28/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. April 2009 zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen und zur Änderung und anschließenden Aufhebung der Richtlinien 2001/77/EG und 2003/30/EG

Rohowsky, B., Witzelsperger, J., Remmele, E., Faulstich, M. Preservation of Sweet Sorghum under Anaerobic Conditions by Using Formic Acid as an Additive. 19th European Biomass Conference and Exhibition. Berlin, Germany: 191 – 194, 2011

Roller, A., D. Bloch, E. Sticksel, and M. Fritz, Sorghumhirse als Nachwachsender Rohstoff - Sortenscreening und Anbauszenarien (Abschlussbericht des Technologie- und Förderzentrums im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe), Berichte aus dem TFZ, Straubing, Deutschland, Technologie- und Förderzentrum (TFZ) im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe, p. 139, 2012.

Schmidt, J., Sipocz, J., Kaszás, I., Szakács, G., Gyepes, A., Tengerdy, R. P., Preservation of sugar content in ensiled sweet sorghum. Bioresource Technology 60(1): 9-13, 1997.

Sommer, S.G. und Hutchings, N.J.: Ammonia emission from field applied manure and its reduction--invited paper. European Journal of Agronomy 15, 2001.

Schuster, W., Versuche über die Anbaueignung von Neuzüchtungen der Morenhirse als Grünfutterpflanze im gemäßigten Klima: Zeitschrift für Acker- und Pflanzenbau, v. 121, 1964.

Umweltbundesamt: GEMIS-Österreich – Globales Emissions Modell Integrierter System für Österreich, Österreich Datensatz für Version 4.5., Wien,2009.

Umweltbundesamt (Winter, R., Pölz, W., Süssenbacher, E, Spanischberger, A., und Bach, H.): Typical Greenhouse Gas Emissions from Cultivation of Agricultural Raw Materials for Use as Biofuel and Bioliquid Data from the Republic of Austria in accordance with Article 19(2) of Directive 2009/28/EC, Umweltbundesamt, Wien, AUT ,2010.

Theuretzbacher F., B. A., Lizasoain J., Becker M., Rosenau T., Potthast A., Friedl A., Piringer G., Gronauer A., Potential of different Sorghum bicolor (L. moench) varieties for combined ethanol and biogas production in the Pannonian climate of Austria." Energy 55: 107-113, 2013.

Wulf, S., Jager, P., und Döhler, H.: Balancing of greenhouse gas emissions and economic efficiency for biogas-production through anaerobic co-fermentation of slurry with organic waste. Agriculture, Ecosystems & Environment 112: 178-185, 2005.

Wulf, S., Maeting, M., und Clemens, J. (2002): Application Technique and Slurry Co-Fermentation Effects on Ammonia, Nitrous Oxide, and Methane Emissions after Spreading: I. Ammonia Volatilization. J Environ Qual 31: 1789-1794, 2002.

Zegada-Lizarazu, W., and A. Monti, Are we ready to cultivate sweet sorghum as a bioenergy feedstock? A review on field management practices: Biomass and Bioenergy, v. 40, p. 1-12, 2012.