Datum
2013-01-28Metadata
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Dissertation
Effects of plant diversity on bioenergy parameters in grassland biomass
Zusammenfassung
Extensive grassland biomass for bioenergy production has long been subject of scientific research. The possibility of combining nature conservation goals with a profitable management while reducing competition with food production has created a strong interest in this topic. However, the botanical composition will play a key role for solid fuel quality of grassland biomass and will have effects on the combustion process by potentially causing corrosion, emission and slagging. On the other hand, botanical composition will affect anaerobic digestibility and thereby the biogas potential.
In this thesis aboveground biomass from the Jena-Experiment plots was harvested in 2008 and 2009 and analysed for the most relevant chemical constituents effecting fuel quality and anaerobic digestibility. Regarding combustion, the following parameters were of main focus: higher heating value (HHV), gross energy yield (GE), ash content, ash softening temperature (AST), K, Ca, Mg, N, Cl and S content. For biogas production the following parameters were investigated: substrate specific methane yield (CH4 sub), area specific methane yield (CH4 area), crude fibre (CF), crude protein (CP), crude lipid (CL) and nitrogen-free extract (NfE). Furthermore, an improvement of the fuel quality was investigated through applying the Integrated generation of solid Fuel and Biogas from Biomass (IFBB) procedure.
Through the specific setup of the Jena-Experiment it was possible to outline the changes of these parameters along two diversity gradients: (i) species richness (SR; 1 to 60 species) and (ii) functional group (grasses, legumes, small herbs and tall herbs) presence. This was a novel approach on investigating the bioenergy characteristic of extensive grassland biomass and gave detailed insight in the sward-composition¬ - bioenergy relations such as: (i) the most relevant SR effect was the increase of energy yield for both combustion (annual GE increased by 26% from SR8→16 and by 65% from SR8→60) and anaerobic digestion (annual CH4 area increased by 22% from SR8→16 and by 49% from SR8→60) through a strong interaction of SR with biomass yield; (ii) legumes play a key role for the utilization of grassland biomass for energy production as they increase the energy content of the substrate (HHV and CH4 sub) and the energy yield (GE and CH4 area); (iii) combustion is the conversion technique that will yield the highest energy output but requires an improvement of the solid fuel quality in order to reduce the risk of corrosion, emission and slagging related problems. This was achieved through applying the IFBB-procedure, with reductions in ash (by 23%), N (28%), K (85%), Cl (56%) and S (59%) and equal levels of concentrations along the SR gradient.
In this thesis aboveground biomass from the Jena-Experiment plots was harvested in 2008 and 2009 and analysed for the most relevant chemical constituents effecting fuel quality and anaerobic digestibility. Regarding combustion, the following parameters were of main focus: higher heating value (HHV), gross energy yield (GE), ash content, ash softening temperature (AST), K, Ca, Mg, N, Cl and S content. For biogas production the following parameters were investigated: substrate specific methane yield (CH4 sub), area specific methane yield (CH4 area), crude fibre (CF), crude protein (CP), crude lipid (CL) and nitrogen-free extract (NfE). Furthermore, an improvement of the fuel quality was investigated through applying the Integrated generation of solid Fuel and Biogas from Biomass (IFBB) procedure.
Through the specific setup of the Jena-Experiment it was possible to outline the changes of these parameters along two diversity gradients: (i) species richness (SR; 1 to 60 species) and (ii) functional group (grasses, legumes, small herbs and tall herbs) presence. This was a novel approach on investigating the bioenergy characteristic of extensive grassland biomass and gave detailed insight in the sward-composition¬ - bioenergy relations such as: (i) the most relevant SR effect was the increase of energy yield for both combustion (annual GE increased by 26% from SR8→16 and by 65% from SR8→60) and anaerobic digestion (annual CH4 area increased by 22% from SR8→16 and by 49% from SR8→60) through a strong interaction of SR with biomass yield; (ii) legumes play a key role for the utilization of grassland biomass for energy production as they increase the energy content of the substrate (HHV and CH4 sub) and the energy yield (GE and CH4 area); (iii) combustion is the conversion technique that will yield the highest energy output but requires an improvement of the solid fuel quality in order to reduce the risk of corrosion, emission and slagging related problems. This was achieved through applying the IFBB-procedure, with reductions in ash (by 23%), N (28%), K (85%), Cl (56%) and S (59%) and equal levels of concentrations along the SR gradient.
Die bioenergetische Nutzbarkeit von extensiver Grünlandbiomasse ist schon seit längerem Gegenstand der Forschung. Die Möglichkeit Artenschutz zu gewährleisten, ökonomische Perspektiven für Landwirte zu schaffen und keine weitere Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion zu erzeugen bietet einen starken Anreiz. Die botanische Zusammensetzung der Biomasse spielt eine erhebliche Rolle und wirkt sich zum einen auf die Brennstoffqualität der Biomasse aus, die für Korrosions-, Emissions- und Verschlackungsprobleme verantwortlich ist, und zum anderen bestimmt sie die Vergärbarkeit der Biomasse und damit das Biogaspotential.
In dieser Studie wurden die oberirdischen Biomassen der Jena-Experiment-Flächen (aus den Jahren 2008 und 2009) geerntet und auf ihre Brennstoffqualität und ihre Vergärbarkeit entlang eines Artenzahlen-(AZ)-Gradienten und eines Funktionelle-Gruppen-Gradienten (Gräser, Leguminosen, kleine und große Kräuter) untersucht. Die Brennstoffqualität wurden anhand folgender Parameter analysiert: Brennwert (Ho), Bruttoenergieertrag (BE), Asche-, K-, Ca-, Mg-, N-, Cl- und S-Gehalt. In Bezug auf die Biogasproduktion wurden folgende Parameter untersucht: substratspezifische Methanausbeute (CH4 Substrat), flächenbezogener Methanertrag (CH4 Fläche), Rohfaser- (CF), Rohprotein- (CP), Rohfett- (CL) Gehalt und stickstofffreie Extraktstoffe (NfE). Außerdem wurde eine Möglichkeit der Brennstoffverbesserung mittels der Integrierten-Festbrennstoff-und-Biogasproduktion-aus-Biomasse (IFBB) untersucht und in Beziehung zu den Diversitätsgradienten gestellt
Es zeigte sich u.a., dass (i) der bedeutendste AZ-Effekt der Anstieg der Energieerträge, sowohl für die Verbrennung (Zunahme des jährlichen BE um 26% von AZ8→16 und um 65% von AZ8→60), als auch für die Vergärung (Zunahme des jährlichen CH4 Fläche um 22% von AZ8→16 und um 49% von AZ8→60) war, bedingt durch die starke Beziehung der AZ und des Biomasseertrages; (ii) Leguminosen eine Schlüsselfunktion für die Nutzung von Grünlandbiomasse zur Energiegewinnung haben, da sie den Energiegehalt (Ho und CH4 Substrat) der Biomasse und den Energieertrag (BE und CH4 Fläche) erhöhen; (iii) durch Verbrennung die höchsten Energieerträge erwartet werden können, aber die Biomasse aufbereitet werden muss, um das Emissions- und Korrosionsrisiko zu minimieren. Dies wurde mittels des IFBB-Verfahrens erreicht und die Gehalte an Asche (um 23%), N (28%), K (85%), Cl (56%) und S (59%) wurden reduziert, während die jeweiligen Konzentrationen keinen Zusammenhang mit der AZ zeigten.
In dieser Studie wurden die oberirdischen Biomassen der Jena-Experiment-Flächen (aus den Jahren 2008 und 2009) geerntet und auf ihre Brennstoffqualität und ihre Vergärbarkeit entlang eines Artenzahlen-(AZ)-Gradienten und eines Funktionelle-Gruppen-Gradienten (Gräser, Leguminosen, kleine und große Kräuter) untersucht. Die Brennstoffqualität wurden anhand folgender Parameter analysiert: Brennwert (Ho), Bruttoenergieertrag (BE), Asche-, K-, Ca-, Mg-, N-, Cl- und S-Gehalt. In Bezug auf die Biogasproduktion wurden folgende Parameter untersucht: substratspezifische Methanausbeute (CH4 Substrat), flächenbezogener Methanertrag (CH4 Fläche), Rohfaser- (CF), Rohprotein- (CP), Rohfett- (CL) Gehalt und stickstofffreie Extraktstoffe (NfE). Außerdem wurde eine Möglichkeit der Brennstoffverbesserung mittels der Integrierten-Festbrennstoff-und-Biogasproduktion-aus-Biomasse (IFBB) untersucht und in Beziehung zu den Diversitätsgradienten gestellt
Es zeigte sich u.a., dass (i) der bedeutendste AZ-Effekt der Anstieg der Energieerträge, sowohl für die Verbrennung (Zunahme des jährlichen BE um 26% von AZ8→16 und um 65% von AZ8→60), als auch für die Vergärung (Zunahme des jährlichen CH4 Fläche um 22% von AZ8→16 und um 49% von AZ8→60) war, bedingt durch die starke Beziehung der AZ und des Biomasseertrages; (ii) Leguminosen eine Schlüsselfunktion für die Nutzung von Grünlandbiomasse zur Energiegewinnung haben, da sie den Energiegehalt (Ho und CH4 Substrat) der Biomasse und den Energieertrag (BE und CH4 Fläche) erhöhen; (iii) durch Verbrennung die höchsten Energieerträge erwartet werden können, aber die Biomasse aufbereitet werden muss, um das Emissions- und Korrosionsrisiko zu minimieren. Dies wurde mittels des IFBB-Verfahrens erreicht und die Gehalte an Asche (um 23%), N (28%), K (85%), Cl (56%) und S (59%) wurden reduziert, während die jeweiligen Konzentrationen keinen Zusammenhang mit der AZ zeigten.
Förderhinweis
Große Teile der hier veröffentlichten Forschung wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.Zitieren
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author={Khalsa, Jan Hari Arti},
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However, the botanical composition will play a key role for solid fuel quality of grassland biomass and will have effects on the combustion process by potentially causing corrosion, emission and slagging. On the other hand, botanical composition will affect anaerobic digestibility and thereby the biogas potential. In this thesis aboveground biomass from the Jena-Experiment plots was harvested in 2008 and 2009 and analysed for the most relevant chemical constituents effecting fuel quality and anaerobic digestibility. Regarding combustion, the following parameters were of main focus: higher heating value (HHV), gross energy yield (GE), ash content, ash softening temperature (AST), K, Ca, Mg, N, Cl and S content. For biogas production the following parameters were investigated: substrate specific methane yield (CH4 sub), area specific methane yield (CH4 area), crude fibre (CF), crude protein (CP), crude lipid (CL) and nitrogen-free extract (NfE). Furthermore, an improvement of the fuel quality was investigated through applying the Integrated generation of solid Fuel and Biogas from Biomass (IFBB) procedure. Through the specific setup of the Jena-Experiment it was possible to outline the changes of these parameters along two diversity gradients: (i) species richness (SR; 1 to 60 species) and (ii) functional group (grasses, legumes, small herbs and tall herbs) presence. This was a novel approach on investigating the bioenergy characteristic of extensive grassland biomass and gave detailed insight in the sward-composition¬ - bioenergy relations such as: (i) the most relevant SR effect was the increase of energy yield for both combustion (annual GE increased by 26% from SR8→16 and by 65% from SR8→60) and anaerobic digestion (annual CH4 area increased by 22% from SR8→16 and by 49% from SR8→60) through a strong interaction of SR with biomass yield; (ii) legumes play a key role for the utilization of grassland biomass for energy production as they increase the energy content of the substrate (HHV and CH4 sub) and the energy yield (GE and CH4 area); (iii) combustion is the conversion technique that will yield the highest energy output but requires an improvement of the solid fuel quality in order to reduce the risk of corrosion, emission and slagging related problems. This was achieved through applying the IFBB-procedure, with reductions in ash (by 23%), N (28%), K (85%), Cl (56%) and S (59%) and equal levels of concentrations along the SR gradient. Die bioenergetische Nutzbarkeit von extensiver Grünlandbiomasse ist schon seit längerem Gegenstand der Forschung. Die Möglichkeit Artenschutz zu gewährleisten, ökonomische Perspektiven für Landwirte zu schaffen und keine weitere Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion zu erzeugen bietet einen starken Anreiz. Die botanische Zusammensetzung der Biomasse spielt eine erhebliche Rolle und wirkt sich zum einen auf die Brennstoffqualität der Biomasse aus, die für Korrosions-, Emissions- und Verschlackungsprobleme verantwortlich ist, und zum anderen bestimmt sie die Vergärbarkeit der Biomasse und damit das Biogaspotential. In dieser Studie wurden die oberirdischen Biomassen der Jena-Experiment-Flächen (aus den Jahren 2008 und 2009) geerntet und auf ihre Brennstoffqualität und ihre Vergärbarkeit entlang eines Artenzahlen-(AZ)-Gradienten und eines Funktionelle-Gruppen-Gradienten (Gräser, Leguminosen, kleine und große Kräuter) untersucht. Die Brennstoffqualität wurden anhand folgender Parameter analysiert: Brennwert (Ho), Bruttoenergieertrag (BE), Asche-, K-, Ca-, Mg-, N-, Cl- und S-Gehalt. In Bezug auf die Biogasproduktion wurden folgende Parameter untersucht: substratspezifische Methanausbeute (CH4 Substrat), flächenbezogener Methanertrag (CH4 Fläche), Rohfaser- (CF), Rohprotein- (CP), Rohfett- (CL) Gehalt und stickstofffreie Extraktstoffe (NfE). Außerdem wurde eine Möglichkeit der Brennstoffverbesserung mittels der Integrierten-Festbrennstoff-und-Biogasproduktion-aus-Biomasse (IFBB) untersucht und in Beziehung zu den Diversitätsgradienten gestellt Es zeigte sich u.a., dass (i) der bedeutendste AZ-Effekt der Anstieg der Energieerträge, sowohl für die Verbrennung (Zunahme des jährlichen BE um 26% von AZ8→16 und um 65% von AZ8→60), als auch für die Vergärung (Zunahme des jährlichen CH4 Fläche um 22% von AZ8→16 und um 49% von AZ8→60) war, bedingt durch die starke Beziehung der AZ und des Biomasseertrages; (ii) Leguminosen eine Schlüsselfunktion für die Nutzung von Grünlandbiomasse zur Energiegewinnung haben, da sie den Energiegehalt (Ho und CH4 Substrat) der Biomasse und den Energieertrag (BE und CH4 Fläche) erhöhen; (iii) durch Verbrennung die höchsten Energieerträge erwartet werden können, aber die Biomasse aufbereitet werden muss, um das Emissions- und Korrosionsrisiko zu minimieren. Dies wurde mittels des IFBB-Verfahrens erreicht und die Gehalte an Asche (um 23%), N (28%), K (85%), Cl (56%) und S (59%) wurden reduziert, während die jeweiligen Konzentrationen keinen Zusammenhang mit der AZ zeigten. open access Khalsa, Jan Hari Arti Kassel, Univ., Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften Wachendorf, Michael (Prof. Dr.) Isselstein, Johannes (Prof. Dr.) Biomasse Gärung Biodiversität Weide <Landwirtschaft> Verbrennung 2012-12-20 </resource>
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