Ein Plus für die Artenvielfalt – und zugleich bessere Verbrennungseigenschaften, so die Idee: Blühpflanzen wirken sich bei der Energieerzeugung mit Miscanthus rundum positiv aus. Das hochwachsende Gras ist eine wichtige Biomasse-Pflanze in der Bioökonomie, besonders auch zur Energiegewinnung. Um die biologische Vielfalt zu fördern, könnte Miscanthus gemeinsam mit einheimischen, mehrjährigen Blühpflanzen wie Rainfarn, Beifuß, Wilde Karde und Gelber Steinklee angebaut werden. Ein Team von Forschenden der Universität Hohenheim in Stuttgart, des Forschungszentrums Jülich und der Hunan Agricultural University in China hat nun untersucht, wie sich – neben dem Plus für das Ökosystem – die vier ausgewählten Wildpflanzenarten als Additive auf die Verbrennung von Miscanthus zur Energieerzeugung auswirken.
Verwendung als Brennstoff
Miscanthus ist eine sogenannte ausdauernde Pflanze: Sie überdauert mehrere Jahre und treibt immer wieder aus. Sie kann je nach Standortgüte über 15 bis 20 Jahre genutzt werden und erreicht eine Höhe von über drei Metern. Verwendet wird die Biomasse der Pflanze zum einen in Form von Pellets oder Briketts zur Energiegewinnung mittels Verbrennung. Zum anderen kommt sie als Rohstoff für die Industrie zum Einsatz, zum Beispiel für Bau- und Dämmstoffe oder in der Zellstoffindustrie. In Deutschland wird Miscanthus gegenwärtig auf etwa 4.500 Hektar Fläche angebaut.
In einer projektunabhängigen Kooperation verwendeten die Wissenschaftler der Universität Hohenheim, der Hunan Agricultural University und der Jülicher Institute für Pflanzenwissenschaften sowie Werkstoffstruktur und -eigenschaften für ihre Studie Rohstoffproben von Miscanthus sowie von vier ausgewählten heimischen Wildpflanzenarten. Ihr Ziel war es, die Verbrennungseigenschaften sowie den höheren Heizwert unterschiedlicher Mischungen zu untersuchen.
Mehr Artenvielfalt auf dem Acker
Die Wildpflanzen waren Wilde Karde und Gelber Steinklee (zweijährig) sowie Rainfarn und Beifuß (ausdauernd). Sie hatten sich in Vorstudien wegen ihres Biomasseertrags und Blühangebots als vielversprechend herausgestellt. „Die Integration dieser heimischen Blühpflanzen in mehrjährige Anbausysteme zur Biomasseerzeugung für die energetische Verwertung könnte sich positiv auf Artenvielfalt und die Resilienz in nachhaltigen Agrarsystemen auswirken“, erläutert Dr. Moritz von Cossel, leitender Wissenschaftler der Studie von der Universität Hohenheim.
Die Ergebnisse der neuen Studie bestätigen nun, dass dies eine gute Auswahl war: Die Wildpflanzen zeigten im Vergleich zu reinem Miscanthus bessere Verbrennungseigenschaften und ein besseres Ascheschmelzverhalten auf – und das bei ähnlich hohen Heizwerten von 16,3 bis 17,5 Megajoule pro Kilogramm (MJ/kg). Zum Vergleich: Holzpellets haben einen Wert um die 18 MJ/kg.
Höhere Effizienz, geringere Kosten
Das Ascheschmelzverhalten zeigt an, bei welchen Temperaturen in einem Ofen die Asche eines Brennstoffs zu schmelzen beginnt und dadurch Schlacken entstehen, die sich ablagern und die Effizienz des Ofens beeinträchtigen. „Die Studie bringt den Nachweis, dass ab einer Beimischung von 30 Prozent Wildpflanzen zur Miscanthus-Biomasse die Ascheschmelztemperatur um 20 Prozent von 1.000 auf 1.200 Grad Celsius signifikant erhöht ist“, erläutert Dr. Nicolai David Jablonowski, Ko-Autor der Studie vom Institut für Pflanzenwissenschaften am Forschungszentrum Jülich. „Die Mischung von Wildpflanzen und Miscanthus verbessert also die Verbrennungsqualität. Das führt zu einer Effizienzsteigerung und einer Kostenreduzierung im Betrieb der Anlage“.
Chemische Zusammensetzung ändert sich
Das bessere Ascheschmelzverhalten erklärt sich aus der unterschiedlichen biochemischen Zusammensetzung von Miscanthus und den Wildpflanzen: Letztere enthalten höhere Anteile von Kalzium und Magnesium – diese bilden bei der Verbrennung Mischphasen mit Miscanthus-Aschebestandteilen, was zu einer höheren Schmelztemperatur führt als bei reiner Miscanthus-Asche. Durch die schrittweise Erhöhung der Wildpflanzen-Biomasse konnten in dieser Studie wichtige Hinweise auf eine ideale Zusammensetzung jedes Gemischs im Hinblick auf Brennwert, Ascheschmelzverhalten und Verschlackung gefunden werden.
Untersuchungen zur Artenvielfalt
In einem nächsten Schritt könnten Langzeitstudien zeigen, ob der gemeinsame Anbau von Miscanthus und Wildpflanzen in größerem Umfang nicht nur zu einer größeren Artenvielfalt in der Landwirtschaft führt, sondern im Sinne einer ganzheitlich nachhaltigen Bioökonomie auch rein wirtschaftlich Sinn macht. Die Einsparungen bei den Kosten der Verbrennung müssten dazu größer sein als das, was an Einnahmen durch die geringeren Erträge bei der Wildpflanzen-Biomasse verloren geht. Dies hängt stark von den jeweiligen Standortbedingungen ab.
Miscanthus und Wildpflanzen wurden 2014 als Teil eines Feldversuchs separat voneinander etabliert, wobei die Wildpflanzen Teil einer für die Biogasnutzung optimierten Saatmischung waren (Saaten-Zeller, BG90, seit 2019 im Winter-Ernteregime). Das Foto oben zeigt den Rand einer Miscanthus-Parzelle, wo sich Rainfarn spontan angesät hat.
Nachsaat schwer steuerbar
Zur Dynamik der Bestandszusammensetzung von Miscanthus-Wildpflanzen-Mischbeständen liegen noch keine Informationen vor. "Es ist jedoch eine hohe Dynamik anzunehmen. Rainfarn (C3-Pflanze), eine der ausdauernden Wildpflanzenarten, treibt zum Beispiel früher aus als Miscanthus (C4-Pflanze) und kann sich beim Winter-Ernteregime jedes Jahr selbst aussäen, doch Miscanthus wirft im Winter viele Blätter ab, die den Boden bedecken und somit den Feldaufgang des selbst ausgesäten Rainfarns unterdrücken können", sagt von Cossel. Deshalb wäre eine Einsaat der Wildpflanzenarten in etablierte Miscanthusbestände zwar nicht unmöglich, aber nur sehr schwer steuerbar hinsichtlich der Bestandszusammensetzung. "Es dürfte also schwierig sein, langfristig das für die Verbrennung gewünschte Mischverhältnis der Biomasse aus Miscanthus und Wildpflanzen (z.B. 70:30) aufrechtzuerhalten. Wir halten daher einen Streifenanbau von Wildpflanzen und Miscanthus für sinnvoll, wobei die Wildpflanzenstreifen mindestens 15 m breit sein sollten, um für Vogel- und Wildarten des Offenlandes nicht zur Prädatorenlinie zu werden – es sei denn, die Streifen sind in einer Miscanthusfläche integriert", lautet seine Empfehlung. Über das Ertragsniveau und die Ertragsstabilität der Wildpflanzenarten im Winter-Ernteregime liegen jedoch erst vorläufige Ergebnisse vor. Um dies genauer zu untersuchen, seien bundesweite langjährige Feldstudien nötig.
