Nährwert | 3N Kompetenzzentrum

Abschlussbericht

Im Verbundvorhaben „Technisch unterstütztes Nährstoffmanagement im Verbund mit Biogasanlagen und Anbauregionen – Nährwert“ entwickelte das Konsortium unter Beteiligung von 3N praxistaugliche Prozessketten zur Aufbereitung von Gärresten, um N‑ und P‑Überschüsse zu mindern, Emissionen zu reduzieren und transportwürdige Düngemittelströme zu erzeugen.

1. Gärrestseparationen und Prozessketten

An mehreren landwirtschaftlichen Biogasanlagen wurden mit Praxispartnern mechanische und chemisch‑physikalische Verfahren – Pressschnecke, Vakuumseparator, Dekanterzentrifuge, Feinfilter, Vakuumverdampfung, fraktionierte Eindampfung, Luftstrippung und Kombinationen daraus – im Praxismaßstab getestet. Dekanterzentrifugen ermöglichten hohe Phosphorabscheidungen (bis ca. 74 % P in der Festphase), während Luftstrippung und mehrstufige Vakuumverdampfung Ammoniumreduktionen von rund 85–90 % und die Erzeugung von Düngemittel-konformen Ammoniumsulfatlösungen (ASL) erreichten. Luftstrippung senkte den Wärmebedarf deutlich gegenüber der dreistufigen Verdampfung, führte jedoch – anders als Verdampfung – nicht zu einer Volumenreduktion der flüssigen Phase. Für die Praxis wurde sichtbar, dass sich durch geeignete Kombinationen (etwa Dekanter + Luftstrippung oder Pressschnecke + Dekanter) Nährstoffverteilung, Transportwürdigkeit und Energieeinsatz pro Anlagenstandort gezielt steuern lassen.

2. MAP/Struvit‑Fällung und Düngewirkung

Das DBFZ untersuchte in der Flüssigphase nach Separation – unterstützt durch 3N – die Struvit‑Fällung aus Gärresten mit verschiedenen Magnesiumquellen (u. a. Kieserit, Bittersalz, MgCl₂, SL 22), unterschiedlichen pH‑Werten und Reaktionszeiten. In wässrigen Lösungen erreichten gelöster Kieserit, Bittersalz und MgCl₂ bei pH 8,0–8,5 Struvitausbeuten von etwa 70–80 %, während schlecht löslicher, gemahlener Kieserit nur bei langen Reaktionszeiten nachzog. In realen Gärresten mit gezielter Phosphorsäurezugabe wurden – je nach pH und Fällmittel – berechnete Struvitausbeuten von rund 80–90 % erzielt; gleichzeitig sank der Ammonium‑N‑Gehalt der flüssigen Phase, während N und P in einer gut transportierbaren Festphase angereichert wurden. Gefäß- und Feldversuche zeigen, dass flüssige Gärrest- und ASL‑Fraktionen bei bedarfsgerechter Anrechnung häufig Ertragsniveaus nahe mineralischer Vergleichsvarianten erreichen und dass Struvit als langsam wirksame, verlustarme N‑ und P‑Quelle pflanzenbaulich nutzbar ist.

3. Algenproduktion

Für die Algenproduktion wurde die Nutzung von Oberflächenwasser als Kulturmedium für eine gemischte Algenbiozönose untersucht, die mit flüssigen Reststoffströmen aus Biogasanlagen (mikrofiltrierter Gärrest, Filtrat, Ammoniumsulfatlösung/ASL) gedüngt wird. Ziel war, Nährstoffe aus diesen Reststoffströmen aufzunehmen, stabile Kulturen im Reaktor zu etablieren und gleichzeitig verwertbare Algenbiomasse zu erzeugen.

Im Reaktorbetrieb wurden die Ammoniumverläufe nach einzelnen Aufdüngungen (Filtratgaben, Kombinationen aus Oberflächenwasser, Filtrat und ASL) verfolgt; nach Ernte und Verdünnung mit Oberflächenwasser stieg die Ammonium-Aufnahmerate wieder deutlich an, was auf verminderten Konkurrenzdruck und einen erneuten Wachstumsschub der Algen hinweist. Bekannte Grenzwerte aus Vorgängerprojekten (z. B. Wachstumsdepression ab etwa 140 mg NH₄/l) wurden berücksichtigt, eine Überdüngung und Kulturkollaps konnten vermieden werden.

Ein weiterer Schwerpunkt waren Verwertungsoptionen der geernteten Algenmassen: Getrocknete, fein gemahlene Algensedimente wurden in unterschiedlichen Anteilen (0 %; 2 %; 5 % TS) in ein Epoxidharz eingemischt, zu Zugstäben verarbeitet und auf Festigkeit und Entflammbarkeit geprüft. Zwar traten bei Beimischung tendenziell niedrigere Bruchkräfte auf (u. a. wohl aufgrund von Poren im Material), gleichzeitig zeigten Stäbe mit 5 % Algen einen ausgeprägten Brennhemm-Effekt, da die Flamme im UL94‑Versuchsstand nach kurzer Zeit selbstständig erlosch, während Referenzstäbe weiterbrannten. Daraus kann ein Potenzial für den Einsatz der Algen als biogener Zuschlagstoff abgeleitet in Baustoffen werden, das jedoch weiterer Untersuchungen bedarf.

Parallel wurden eingefrorene Algensedimente über die BIG8‑Analytik hinsichtlich Eiweiß, Fett und Kohlenhydraten charakterisiert, wobei alle Gehalte auf Trockenmassebasis normiert wurden. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche steuerbare Nährstoffzusammensetzung: Bei höherer N‑Verfügbarkeit aus ASL und mikrofiltriertem Gärrest stiegen vor allem die Kohlenhydratgehalte, während bei N‑Limitierung die Eiweißgehalte deutlich zunahmen; der Fettgehalt blieb insgesamt niedrig. ASL und mikrofiltrierter Gärrest erwiesen sich damit als gut nutzbare Stickstoffquellen für die Algen, gleichzeitig deuten die schwankenden Gehalte auf ein gezieltes „Product tailoring“ der Algenbiomasse je nach Düngeregime hin. Eine quantitative Verknüpfung von Nährstoffeintrag, Biomassezuwachs und Inhaltsstoffgehalten war aufgrund fehlender kontinuierlicher Mengenerfassung noch nicht möglich, soll aber in weiteren Versuchen weiter untersucht werden.

4. Beitrag von 3N

3N koordinierte im Verbund insbesondere die Einbindung der Praxispartner, die Organisation der Beprobungen von Gärrestfraktionen über mehrere Vegetationsjahre sowie die Aufbereitung der Ergebnisse für Beratung, Öffentlichkeitsarbeit und Folgeprojekte. Über von 3N betreute Prüfberichte zu Gärrestfraktionen (2021–2024) und Praxisfeldtage wurden die Erkenntnisse direkt in Betriebe und regionale Akteursnetzwerke getragen, sodass die im Projekt entwickelten Prozessketten und Düngestrategien unmittelbar in der Praxis anwendbar sind.

Einführung und Zielsetzung

Die Partner Deutsches Biomasseforschungszentrum, die FH Münster und das 3N Kompetenzzentrum starteten im Juli 2021 das Projekt »Nährwert«. Biogas-Erzeugung ist in Deutschland besonders in Regionen mit hoher Viehhaltungsdichte ausgeprägt. Insbesondere in den nordwestlichen Veredelungsgebieten Nordrhein-Westfalens und Niedersachsens bestehen neben Teilregionen Schleswig-Holsteins, Bayerns und Baden-Württembergs hohe Nährstoffüberschüsse, die zu Nitratauswaschung, Eutrophierung und weiteren Umweltproblemen sowie hohen gesellschaftlichen Kosten (z.B. Trinkwasseraufbereitung) führen. Biogasanlagen stehen dabei im Zentrum der Problematik und bieten zugleich eine hohe Lösungskompetenz. Ziel des Projekts ist es, Biogasanlagen hinsichtlich Ihrer ökonomischen und ökologischen Anforderungen zukunftsfähig zu gestalten und ihre Rolle als »Systemdienstleister« für den Klimaschutz und die Landwirtschaft zu festigen. Insgesamt werden im Projektkonsortium wissenschaftlich fundierte Untersuchungen und praxistaugliche Anwendungen miteinander verknüpft.

Hintergrund

Biogasanlagen bündeln und konditionieren nährstoffreiche Stoffströme, können bei richtiger Kombination von Technik und Management gleichzeitig mit den Wirtschaftsdüngern verbundene Hygiene und Emissionsprobleme minimieren. Außerdem stehen sie unter hohem wirtschaftlichem Druck sowohl bezüglich der kostengünstigen Verwertung der Gärreste, als auch in Bezug auf hohe Kosten der NawaRo-Substrate. Dies gilt umso mehr, als viele Anlagen in den nächsten Jahren das Ende ihrer EEG-Vergütung erreichen und dann entweder neue Geschäftsmodelle (meist auf Basis niedrigerer Erlöse, d. h. notwendiger Kostensenkungen) entwickeln oder stillgelegt werden müssen. So sind technisch-managementseitig kosteneffiziente Gesamtlösungen in der Kombination von Aufbereitungstechnologien und angepasstem pflanzenbaulichem Management ein zentraler Baustein, um die Wertschöpfung aus Biogasanlagen in den entsprechenden Agrarregionen zu erhalten. Es müssen kostengünstig und emissionsarm ausreichende Mengen an N und P aus den Gärresten in transportwürdige, marktfähige Formen überführt werden.

Ziele

Ziel des Vorhabens ist es, praxiserprobte integrierte Lösungen für die Gärrestaufbereitung zu entwickeln und zu bewerten. Da die Kosten als auch die technischen Risiken mit zunehmendem Aufreinigungsgrad bis hin zur Totalaufbereitung meist überproportional steigen, sollen die innovativen Lösungen der Gärrestaufbereitungsverfahren hinsichtlich der Gesamtkosten optimiert werden. Aufgrund des hohen Problemdrucks ist die Datenlage in Bezug auf Nährstoffflüsse aus der Viehhaltung und aus Biogasanlagen in Niedersachsen besonders gut, was die beispielhafte Bearbeitung dort und Möglichkeit zur bundesweiten Nutzung der Ergebnisse erleichtert.

Dies umfasst:

Vergleichende Erprobung praxisverfügbarer Technik unter verschiedenen Einsatzbedingungen (versch. Substrate, versch. Aufbereitungsgrade, Maschineneinstellungen) – Bereitstellung neutraler Ergebnisse für Anwender und Hersteller (zur Optimierung)
Weiterentwicklung vielversprechender technischer Ansätze und Herausarbeitung weiteren Forschungsbedarfes, um auch künftig weitere Kostensenkungspotentiale generieren zu können
Weiterentwicklung und Erprobung einer vor Ort einsetzbaren Analytik (NIRS), mit dem sowohl die pflanzenbaulich bedarfsgerechte Einsatzkalkulation als auch Verwaltung und Management (Lieferscheine, Stoffstrombilanz, Erkennung von Schwachstellen) massiv vereinfacht werden
Verbindung praxistauglich optimierter Technologie mit pflanzenbaulicher Anwendung, um insgesamt effiziente, umweltfreundliche und kostengünstige Lösungen realisieren zu können.