I f Ö L Dr. Richard Beisecker (IfÖL); Dr. Daniel Petry (DVGW) Wasserwirtschaftliche Anforderungen an die Biogaserzeugung 25. Mülheimer Wassertechnisches Seminar am 24. April 2012 Dr. Richard Beisecker (IfÖL); Dr. Daniel Petry (DVGW)

Vorstellung Ingenieurbüro für Ökologie und Landwirtschaft (IfÖL) Arbeitsschwerpunkte: Bodenschutz Standortkartierungen/Standortbewertungen Gewässerschutz Umweltplanung Agrar- und Umweltberatung Beratung und Betreuung verschiedener Kooperationen und Wasserversorger in Hessen, Thüringen, Nordrhein-Westfalen und Sachsen-Anhalt Sprecher des DVGW-PK „Landwirtschaft und Gewässerschutz“ Mitglied im DVGW-TK „Grundwasser und Ressourcenschutz“ Obmann der DWA-AG GB 6.4 „Diffuse Stoffausträge aus Wald und naturnahen Nutzungen“ Mitglied des DWA GB 6 „Bodennutzung und Grundwasser“ I f Ö L

I f Ö L Gliederung Einleitung Gewässergefährdungspotenziale Entwicklung Energiepflanzenanbau Gewässergefährdungspotenziale Flächeneffekte Bewirtschaftungseffekte Gärrestverwertung 3. Lösungsansätze Organische Düngung / Gärresteausbringung Stoffliste Ausgangssubstrate 4. Zusammenfassende wasserwirtschaftliche Anforderungen I f Ö L

Einleitung – Entwicklung Biogasanlagen I f Ö L Entwicklung des Anlagenbestandes und der installierten elektrischen Leistung der Biogasanlagen in Deutschland seit 1999: Ende 2010 ca. 18 Mrd. kWhel/a ≈ 3 % des Stromverbrauchs in Deutschland

Einleitung – Entwicklung Biogasanlagen I f Ö L Gesamtzahl Biogasanlagen 2011 (geschätzt) ca. 2.835 Anlagenbestand und Aufbereitungskapazität der Biogasanlagen zur Biomethan-Produktion in Deutschland seit 2006: 300 Mio. Nm3/a ≈ 3 Mrd. kWh/a ≈ 0,3 % des Gasverbrauches in Deutschland

Einleitung – Energiepflanzenanbau I f Ö L auf knapp 2,3 Mio ha (= 19 % der AF) wachsen in Deutschland derzeit Industrie- und Energiepflanzen, davon 87 % zur energetischen Nutzung derzeit dominiert (noch) der Rapsanabau für die Biodieselerzeugung, gefolgt vom Energiepflanzenanbau für Biogasanlagen

Einleitung - Energiepflanzenanbau Anbaufläche für Energiepflanzen für Biogasproduktion [Tausend ha]; eigene Zusammenstellung verschiedener Quellen I f Ö L

Gewässergefährdungspotenzial Flächeneffekte  Änderungen der Flächennutzung Umbruch von Grünland und Stilllegungsflächen Anbaukonzentration besonders rentabler Energiepflanzen Bewirtschaftungs-effekte  Energiepflanzenanbau Düngung Humushaushalt Pflanzenschutzmaß-nahmen Erosion  Bodenwasserhaushalt I f Ö L Verwertung der Gärreste Nähr- und Schadstoffgehalte Optimierung der organischen Düngung Anlagenbetrieb

Gewässergefährdungspotenzial ausführlichere Informationen: DVGW Biomassestudie 2008: Ball T., Kiefer, J., Geiges, M., 2008: DVGW-Forschungsvorhaben W 1/03/05: Beurteilung der Erzeugung von Biomasse zur energetischen Nutzung aus Sicht des Gewässerschutzes. Abschlussbericht des Technologiezentrums Wasser Karlsruhe.  DVGW Biogasstudie 2009: Kiefer J., Ball T., Karch U., Köppel W., 2009: DVGW-Forschungsvorhaben GW 1/01/07-A/B: Bewertung der langfristigen Auswirkungen auf Boden, Pflanze, Luft und Wasser bei der Erzeugung von Biogas und der Einspeisung in das Erdgasverteilnetz. Abschlussbericht des Technologiezentrums Wasser Karlsruhe und der Abtlg. Gastechnologie der DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut der Universität Karlsruhe I f Ö L

Flächeneffekte - Anlagenverteilung Räumliche Verteilung der Biogasanlagen in Deutschland Ostdeutschland Nordwestdeutsche intensive Veredlungsregionen mit hohem Tierbesatz und intensivem Maisanbau intensive Viehhaltungsregionen Bayerns I f Ö L

Gärresteverwertung - Substrateinsatz Masse- und energiebezogener Substrateinsatz in Biogasanlagen (Betreiberbefragung 2009) Quelle: DBFZ 2010 I f Ö L Auf Masse bezogen Auf Energie bezogen Nähr- und Schadstoffgehalte der Gärreste von Biogasanlagen sind stark abhängig von Art und Menge der Eingangssubstrate !

Flächeneffekte - Gärsubstrate Einsatz massebezogener nachwachsender Rohstoffe (NaWaRo) in Biogasanlagen (Betreiberbefragung 2009) Quelle: DBFZ (2010) I f Ö L

Flächeneffekte - Biogasertrag Flächenbezogener Methanertrag [m3/ha] mit Substratbereitstellungs-kosten [€/m3 Methan] frei Biogasanlage inkl. Gärrestausbringung I f Ö L Quelle: KTBL, 2006; FNR 2007  niedrigste Kosten für Biogaserzeugung: Silomais ca. 26-28 ct/m3 Biogas !

Flächeneffekte - Maisanbau reduzierte Rinderbestände Biogas I f Ö L ca. 1/3 der Maisanbaufläche für Biogas Maisanbau 2011 insgesamt: ca. 2,5 Mio. ha

Flächeneffekte – Viehbesatz und Maisanbau I f Ö L

Flächeneffekte - Grünlandverluste I f Ö L Große Datenunsicherheit bezüglich der statistischen Erhebung in den Bundesländern nach F. Taube, Uni Kiel (2011)

Bewirtschaftungseffekte - Maisanbau Gewässer-Gefährdungspotenzial Maisanbau keine nachteiligen Eigenschaften der Kulturpflanze  sondern problematisch sind die Effekte der Anbauverfahren : I f Ö L später Reihenschluss, lange Zeiten mit unbedecktem Boden  erhöhte Erosionsgefährdung Einsatz von Herbiziden mit persistenten Wirkstoffen und Metaboliten  erhöhte PSM-Eintragsgefahr in Gewässer erhöhter Einsatz von organischen Düngern  erhöhte Gefahr der Nitratauswaschung

Bewirtschaftungseffekte - N-Verlustpfade I f Ö L

Bewirtschaftungseffekte - Gasförmige N-Verluste I f Ö L Niederau, H. (2009); Bezirksregierung Münster

Bewirtschaftungseffekte - Organische Düngung Mittlere Gesamt-Stickstoffdüngung auf Ackerland von Betrieben mit mineralischer und organischer Düngung (WRRL-Modellvorhaben Weida, Thüringen; Beisecker et al., 2006) I f Ö L Mittlere N-Düngeempfehlungen der Wasserschutzgebietsberatung

Bewirtschaftungseffekte - N-Flächenbilanzsaldo Kulturartspezifischer N-Flächenbilanzsaldo - WRRL-Modellvorhaben Weida, Thüringen (Beisecker et al., 2006) Zielwert Gewässerschutz: N-Saldo < 40 kg/ha I f Ö L Aufgabenschwerpunkt: diffuse Stoffeinträge Die bisherige Bestandserfassung und Bewertung hat für Hessen und Thüringen (und wohl auch für die anderen Bundesländer) ergeben, daß die diffusen Stoffeinträge eine wesentliche Ursache für die mögliche Zielgefährdung des guten Gewässerzustandes sind.

Gärresteverwertung – Nährstoffgehalte Schwankungsbreite Stickstoffgehalte in Gärresten  Faustzahlen berücksichtigen die betriebs- und anlagenspezifischen Bedingungen nur unzureichend I f Ö L aus LfL Freising (2009) aus Dederer, M. (2006) mittlerer NH4-Anteil am Gesamt-N-Gehalt bei Gülle u. Gärrest - Rind 50-56 % - Schwein 65-75 % Gemischt 55-65 % - Gärreste 60-70 %

Lösungsvorschläge - Nitratauswaschung Maximal tolerierbarer N-Überschuss [kg N/ha] zur Einhaltung von 50 mg/L Nitrat im Sickerwasser I f Ö L Zielwert LAWA: Stickstoff-Bilanzsalden von max. 10 - 40 kg N/ha und Jahr SWR [mm/a] x 50 mg Nitrat/l SWR = Sickerwasserrate [mm/a] [kg N/ha] = ------------------------------------ AH = Austauschhäufigkeit auf Basis der FKWe [%] AH x 443

Problem: organische Düngung Höchstmengenregelung DüV (2007) im Betriebsdurchschnitt max. 170 kg/ha Gesamt-N aus Wirtschaftsdüngern tierischer Herkunft nach Abzug der Stall- und Lagerungsverluste = netto ! I f Ö L N-Ausscheidung: Rind ~ 90-100 kg/GV Schwein ~ 80-90 kg/GV zulässiger Viehbesatz: Rind* 2,0-2,7 GV/ha Schwein 2,7-3,2 GV/ha * bei intensivem Grünland unter bestimmten Voraussetzungen bis max. 230 kg/ha Gesamt-N zulässig (netto) Rinder Schweine 200 243 261  plus Stickstoff-Mineraldüngung zu Hauptkulturen !

Lösungsansatz - Organische Düngung Pflanzenbaulich optimal verwertbare N-Mengen über organische Dünger liegen zwischen 100-140 kg/(ha∙a) (Gutser, R.; Th. Ebertseder, F. Holz, 2008) Effiziente Verwertung des Stickstoffs in organischen Düngern bei N-Frachten von 100 – 130 kg/(ha∙a) (COMPASS-Projekt, CAU Kiel; Kelm, 2007)  Forderung aus Sicht der Wasserwirtschaft: Begrenzung der organischen Düngung aus pflanzlichem und tierischem Anteil auf max. 120 kg/(ha∙a) I f Ö L

Lösungsansatz - Organische Düngung Für flächendeckenden Gewässerschutz: Begrenzung der organischen N-Düngung aus tierischem und pflanzlichem Anteil auf max. 120 kg/ha netto (~ 170 kg/ha brutto) I f Ö L Rinder Schweine 145 119 111 max. zulässiger Vieh-besatz für flächen- deckenden Gewässer-schutz: Rind 1,7-1,9 GV/ha Schwein 1,9-2,1 GV/ha (in WSG Begrenzung auf max. 1,4-1,5 GV/ha erforderlich)

Lösungsvorschlag - Düngungsoptimierung Abschätzung der N-Nachlieferung aus dem Bodenvorrat zur Berücksichtigung bei der N-Düngebedarfsermittlung I f Ö L seit September 2011: DVGW F+E-Vorhaben „Abschätzung der standortspezifischen Stickstoffnachlieferung zur Optimierung der gewässerschonenden N-Düngeberatung“ Kurztitel: N-Nachlieferung Boden Laufzeit: 2011-2013

Gärresteverwertung - Schadstoffgehalte Ausgewählte Schadstoffgehalte in Vergärungsrückständen und Biokomposten (überwiegend Bioabfälle) und Grüngutkompost [Kuch, Rupp, Fischer et al. 2007] I f Ö L

Gärresteverwertung - Schadstoffgehalte Belastung von Gärresten mit PAK und DEHP (prioritäre Stoffe nach WRRL) [TZW Kiefer, J. 2011] I f Ö L Vorgeschlagener Grenzwert in EU-Klärschlamm-Richtlinie (Entwurf)

Gärresteverwertung - Schadstoffgehalte Belastung von Gärresten mit organischen Schadstoffen [TZW Kiefer, J. 2011] (Datenquelle: PFUNDTNER 2006) Grenzwerte* PAK: 6 mg/kg TS LAS: 2.600 mg/kg TS NP: 50 mg/kg TS AOX: 500 mg/kg TS I f Ö L *Österr. Anwendungsrichtlinie für Fermentationsrückstände

Lösungsansatz - Schadstoffgehalte Einteilung der Gärreste nach Art der Ausgangsmaterialien gemäß DVGW-Forschungsvorhaben, TZW Karlsruhe: „Beurteilung der Erzeugung von Biomasse zur energetischen Nutzung aus Sicht des Gewässerschutzes“ (Ball, Kiefer u. Geiges, 2008) Gärrückstände Gruppe 1 (NAWARO) Gruppe 2 (+ Gülle) Gruppe 3 (+ Ko-Substrate) Gruppe 4 (+ Ko-Substrate) Ausgangs- materialien Aus land- und forstwirtschaft-licher Grund-produktion Wirtschafts-dünger Aus Rückständen der Be- und Verarbeitung landwirtschaftlicher Produkte andere biogene Reststoffe = Abfälle (Bioabfall, Tierische Nebenprodukte) Ausbringung in Wasser-gewinnungs-gebieten Nicht zulässig in Zone II, bzw. innerhalb 50-Tage-Linie Nicht zulässig in Wasserschutz- und -einzugsgebieten sowie empfindlichen Gebieten. Ausnahmegenehmigung in Schutzzone III durch zuständige Behörde bei Durchführung zusätzlicher Untersuchungen und Einhaltung von Obergrenzen; regionale Sonderregelungen möglich. Nicht zulässig in Wasserschutz- und -einzugsgebieten sowie empfind-lichen Gebieten; keine Ausnahme ! I f Ö L generell ist mikrobiologische Unbedenklichkeit der Gärreste nicht gewährleistet !

Lösungsansatz - Schadstoffgehalte Begrenzung der zulässigen Ausgangsstoffe für Gärprodukte in Wassereinzugsgebieten gemeinsame Position von DVGW und BGK: keine Ausbringung von Gärresten in der Schutzzone II von Grundwassereinzugsgebieten; in Talsperreneinzugsgebieten Einzelfallprüfung Ausbringung von Gärresten in der SZ III nur mit RAL-Gütesicherung „Für die Ausbringung in der Schutzzone III von Wasserschutzgebieten geeignet“  Liste zulässiger Ausgangsstoffe für Herstellung gütegesicherter Gärprodukte mit Zuordnung der Gärsubstrate (RAL-Prüfzeugnis) x = für den Einsatz in Schutzzone III geeignet O = für den Einsatz in Schutzzone III nur nach Einzelfallprüfung geeignet -- = nicht für den Einsatz in Wasserschutzgebieten geeignet I f Ö L

Lösungsansatz - Schadstoffgehalte Liste zulässiger Ausgangsstoffe Gärprodukte (DVGW, BGK) I f Ö L

Anforderungen des Gewässerschutzes Kernforderungen:  Flächeneffekte Umsetzung regionaler Kreisläufe bezüglich Beschaffung der Gärsubstrate und Verwertung der Gärreste Kein Umbruch von fakultativem Grünland Obligatorische Erstellung eines Qualifizierten Flächennachweises (QFN) im Genehmigungsverfahren Zertifizierung der gesamten Biogasproduktionskette  Bewirtschaftungseffekte Erhalt und Erweiterung mehrgliedriger Fruchtfolgen beim Anbau von Energiepflanzen Sicherstellung ausreichender Lagerkapazitäten (9 Monate) für die Silagelagerung und Gärrestlagerung I f Ö L

Anforderungen des Gewässerschutzes Kernforderungen:  Gärresteverwertung Keine Ausbringung von Gärresten in der Schutzzone II von WSG Begrenzung der organischen Düngung auf max. 170 kg N/ha einschließlich der tierischen Anteile im Gärrest; in Wassereinzugsgebieten auf max. 120 kg N/ha Güte- und Qualitätssicherung für Gärrückstände Keine Ausbringung von Gärresten aus Ko-Fermenten ohne chargenbezogenes Gütesiegel in Wassereinzugsgebieten (z. B. RAL-Gütezeichen „für den Einsatz in WSZ III geeignet“) Weitere Informationen: DVGW-Positionspapier: „Energiepflanzenproduktion und Einsatz von Gärrückständen aus Biogasanlagen aus Sicht des Gewässerschutzes“ DVGW-Information Wasser Nr. 73, August 2010: „Erzeugung von Biomasse für die Biogasgewinnung unter Berücksichtigung des Boden- und Gewässerschutzes“ (= Merkblatt DWA-M 907) I f Ö L

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! I f Ö L Weitere Infos und Zusendung der Präsentation: rb@ifoel.de