1,721,057 research outputs found
Leaching of biomass from semi-natural grasslands – Effects on chemical composition and ash high-temperature behaviour
No full textCombustion of biodiversity-rich semi-natural grassland biomass no longer needed for forage allows nature conservation to be combined with bioenergy production. Natural leaching by rainfall during the period between biomass harvest and collection can reduce the content of elements detrimental for the combustion of grassland biomass. This study assesses the influence of biomass characteristics on leaching efficiency and the potential effects of leaching on ash melting behaviour and elemental release. Grassland biomass harvested from five sites at two harvest dates was leached at two intensities. Low-temperature ash was heated to 700, 800, 900 and 1000 degrees C respectively and classified into four ash fusion classes. Ash mass loss was determined as a measure of high-temperature elemental release. Weather data were used to calculate the frequency of weather conditions favourable to on-field leaching. K and Cl were leached most strongly and were reduced by 30 and 45% respectively by a leaching treatment corresponding to 30-40 mm of rain. The effects of site and harvest date on leaching efficiency were significant but small. Ash melting behaviour and elemental release between 700 and 900 degrees C were favourably influenced by leaching. The K/(Ca + Mg) and Si/ash ratios were related to increased ash melting. In this respect, semi-natural grassland biomass differs from other, less Ca-rich, herbaceous biofuels. Even if suitable weather conditions are not occurring frequently at the study sites, on-field leaching can offer an additional low-cost, on-farm strategy option for farmers and nature conservation agencies to improve biomass quality of nature conservation grasslands for combustion. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.federal state of Baden-Wurttemberg
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Das Potential von Miscanthus als Rohstoff für die Biogasproduktion
Full text linkOf all renewable energy forms, biomass accounts for the by far largest proportion of gross inland energy consumption in Europe. As the biogas sector in particular can provide demand-driven electricity generation, energy storage and flexible utilization options including biofuels, it is likely to play an important role in future energy systems in future. In Germany, the largest biogas market in Europe, energy crops provide the highest proportion of biogas input substrates, with maize being the most dominant. The environmental impact of biogas production is mainly attributed to energy crop production, with the risks of maize cultivation being particularly criticized. Perennial biomass crops have the potential to reduce the environmental impact of the biogas sector and miscanthus is an especially promising candidate crop due to its high yields. However, preliminary observations have indicated that the green harvest of miscanthus necessary for biogas production leads to a strong yield depression in the subsequent year.
The aim of this thesis was to determine and understand the mechanisms influencing the green-cut tolerance of miscanthus and to assess the potential of different green-harvest regimes for biogas production. Here, ‘green-cut tolerance’ is defined as the crop’s ability to regrow in the year after the green harvest is performed without yield depression. A further aim of this thesis was to investigate the environmental performance of miscanthus-based biogas production and to determine its energy efficiency compared to other utilization options.
Field trials were conducted to assess the potential of miscanthus hybrids for biogas production, the green-cut tolerance of Miscanthus x giganteus (Mxg), and how both are influenced by management practices (harvest regime x nitrogen fertilization). A Life-Cycle Assessment was performed to evaluate the environmental impact of biogas production from perennial C4 grasses, including miscanthus, and to assess the optimization potential compared to the standard biogas crop maize. The suitability of miscanthus biomass was investigated for the utilization options bioethanol, biogas and combustion, and the energy efficiency of these was compared based on their net energy yield.
The results revealed that Mxg harvested in October showed the highest average biomass yield, the highest methane yield (approx. 6000 m3 methane ha-1) of all harvest regimes, and a higher substrate-specific methane (SMY) yield than for biomass harvested after winter. An earlier green harvest (July, August) improved the SMY, but led to a sharp biomass and thus methane yield decline in the second year and was identified as unsuitable for Mxg. As increased nitrogen fertilization showed no effect on the yield in any of the harvest regimes, it can be disregarded as a management practice for improving green-cut tolerance. Instead, harvest date was found to have a strong influence on green-cut tolerance and sufficient time for relocation of carbohydrates needs to be allowed before a green cut is performed. This finding is crucial for the utilization of miscanthus biomass harvested green and also for the breeding of new varieties with improved green-cut tolerance. Breeding targets for optimized biogas varieties should include to increase the SMY and biomass yield and to widen the possible harvest window. Selecting genotypes that relocate carbohydrates to the rhizomes earlier would allow an earlier green harvest without yield decline the following year, but this may involve a trade-off with the SMY.
The suitability of miscanthus for the utilization options assessed was found to be influenced by biomass composition, which in turn was affected by genotype and harvest date. Lignin content had a negative effect on biomass quality for biogas and bioethanol production and increased with later harvest dates. Hemicellulose had a positive effect on biomass quality for bioethanol production through the improvement of the saccharification potential. Low ash, potassium and chloride content enhanced biomass quality for combustion by increasing the ash melting temperatures and decreased with a delay in harvest to after winter. For the biogas and bioethanol utilization pathways, novel miscanthus varieties with low lignin content need to be developed, whereas for combustion varieties with a high lignin content are more favourable.
The Life Cycle Assessment revealed that the use of miscanthus has a high potential to reduce the environmental impacts of biogas crop production and thus the biogas sector. Miscanthus had a more favourable performance than the annual biogas crop maize in each impact category considered and the highest reduction potential compared to the fossil reference in the impact categories climate change, fossil fuel depletion and marine eutrophication.
The choice of biomass utilization pathway had a considerable effect on the energy yield per unit area, with combustion showing the overall highest energy yield potential for electricity production. However, for the combustion pathway, miscanthus is generally harvested after winter and this is accompanied by biomass yield losses of 35% compared to peak yield. In the biogas pathway, miscanthus can be harvested close to peak yield, leading to an only 10% lower energy yield than that of combustion. When considering the use of miscanthus for biofuel production, the highest area efficiency was found for the direct use of biomethane, followed by battery electric vehicles fuelled by electricity from biomass combustion, and the lowest for the direct use of bioethanol. However, the low conversion efficiency of bioethanol production did not consider energy generation from by-products.
In this thesis it was determined that the green-cut tolerance of miscanthus is influenced by the carbohydrate relocation to the rhizomes and thus by harvest date. Miscanthus harvested in October shows a high potential as feedstock for biogas production due to its high yield and sufficient digestibility, can help improve the biogas sector’s environmental performance and contribute to an increase in greenhouse gas mitigation. The digestibility of miscanthus biomass for biogas production could be improved by breeding and selecting genotypes with low lignin contents and by applying suitable pretreatment methods. Increased digestibility could also help to overcome potential trade-offs between early carbohydrate relocation and SMY. The efficiency of biomass utilization greatly depends on the utilization option, with a high efficiency being identified for biomethane as a transportation fuel and for peak-load power generation. It was shown that miscanthus is a suitable crop for the provision of sustainably produced biomass as a feedstock for the growing European bioeconomy that provides additional ecosystem services, e.g. groundwater and surface water protection.Von allen Erneuerbaren Energieträgern stellt Biomasse den weitaus größten Anteil am Bruttoinlandsenergieverbrauch in Europa. Der Biogassektor wird voraussichtlich im zukünftigen Energiesystem eine wesentliche Rolle spielen, da dieser die Möglichkeit einer bedarfsorientierten Stromerzeugung, Energiespeicherung und flexiblen Nutzung, einschließlich Biokraftstoffen, bietet. In Deutschland, dem größten Biogasmarkt in Europa, stellen Energiepflanzen den höchsten Anteil an den Biogas Einsatzsubstraten, wobei Mais hier eine dominierende Rolle einnimmt. Ein großer Teil der Umweltauswirkungen der Biogaserzeugung sind auf den Energiepflanzenanbau zurückzuführen, wobei die Risiken des Maisanbaus besonders kritisiert werden. Mehrjährige Biomassepflanzen haben das Potenzial die Umweltauswirkungen des Biogassektors zu verringern und Miscanthus ist aufgrund seines hohen Ertragspotenzials besonders vielversprechend. Erste Beobachtungen haben jedoch gezeigt, dass die für die Biogaserzeugung notwendige Grünernte von Miscanthus im Folgejahr zu starken Ertragseinbußen führen kann.
Ziel dieser Dissertation ist es, die zugrundeliegenden Mechanismen der Grünschnitt-Toleranz bei Miscanthus zu erforschen und das Potenzial verschiedener Grünernte-Regime für die Biogaserzeugung zu bewerten. Die „Grünschnitt-Toleranz“ wird hier definiert als die Fähigkeit der Kulturpflanze im Jahr nach Grünernte ohne Ertragseinbruch wieder aufzuwachsen. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, die Umweltauswirkungen der Miscanthus-basierten Biogaserzeugung und deren Energieeffizienz im Vergleich zu anderen Nutzungsmöglichkeiten zu untersuchen.
Es wurden Feldversuche durchgeführt, in denen das Potenzial von verschiedenen Miscanthus Hybriden für die Biogaserzeugung, die Grünschnitt-Toleranz von Miscanthus x giganteus (Mxg) und der Einfluss des pflanzenbaulichen Managements (Ernteregime x Stickstoffdüngung) untersucht wurde. Die Umweltauswirkungen der Biogaserzeugung aus mehrjährigen C4 Gräsern, einschließlich Miscanthus, wurden im Rahmen einer Ökobilanz untersucht und das Optimierungspotenzial im Vergleich zur Standard Biogaspflanze Mais bewertet. Die Eignung von Miscanthus Biomasse für verschiedene Verwertungsoptionen, einschließlich Bioethanol, Biogas und Verbrennung, wurde untersucht und die Energieeffizienz dieser Verwertungsoptionen anhand ihres Energieertrages miteinander verglichen.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Ernte im Oktober bei Mxg den höchsten durchschnittlichen Biomasseertrag und den höchsten Methanertrag (ca. 6000 m3 Methan ha-1) aller Ernteregime lieferte, sowie die Biomasse einen höheren substratspezifischen Methanertrag (SMY) als bei der Frühjahrsernte im März aufwies. Eine frühere Grünernte (Juli, August) verbesserte den SMY, führte jedoch im zweiten Jahr zu einem starken Einbruch des Biomasseertrages und damit auch des Methanertrages. Eine Grünernte zu einem früheren Erntezeitpunkt wurde daher als ungeeignet für Mxg identifiziert. Eine erhöhte Stickstoffdüngung beeinflusste in keinem Ernteregime den Ertrag und stellt daher keine geeignete Managementpraxis zur Verbesserung der Grünschnitt-Toleranz dar. Stattdessen wurde festgestellt, dass das Erntedatum einen starken Einfluss auf die Grünschnitt-Toleranz hat. Die Ernte muss hierbei im Spätherbst erfolgen, um der Pflanze ausreichend Zeit für die Einlagerung von Kohlenhydraten in die Rhizome zu ermöglichen. Dies ist eine entscheidende Erkenntnis für die Verwertung von grün geernteter Miscanthus Biomasse und für die Züchtung neuer Sorten mit verbesserter Grünschnitt-Toleranz. Züchtungsziele für optimierte Biogas-Sorten sollten darauf ausgerichtet werden den SMY und den Biomasseertrag zu erhöhen und das mögliche Erntefenster zu erweitern. Die Auswahl von Genotypen, die Kohlenhydrate früher im Rhizom einlagern, würde eine frühere Grünernte ohne Ertragseinbruch im Folgejahr ermöglichen, könnte jedoch den SMY negativ beeinflussen.
Die Eignung von Miscanthus für die betrachteten Nutzungsmöglichkeiten wurde durch die Biomasse-Zusammensetzung beeinflusst, welche wiederum abhängig vom Genotyp und Erntedatum war. Ein hoher Ligningehalt in der Biomasse wirkte sich negativ auf die Produktion von Biogas und Bioethanol aus und spätere Erntetermine führten zu höheren Ligningehalten. Hemicellulose bewirkte eine Verbesserung des Verzuckerungspotentials und erhöhte so die Qualität der Biomasse für die Bioethanolproduktion. Ein niedriger Gehalt an Asche, Kalium und Chlorid verbesserte die Qualität der Biomasse für die Verbrennung durch Erhöhung der Ascheschmelztemperaturen und eine spätere Ernte nach dem Winter führte zu einer Verringerung dieser Bestandteile. Für die Verwertungswege Biogas und Bioethanol empfiehlt es sich neue Miscanthus Sorten mit niedrigerem Ligningehalt zu entwickeln, während für die Verbrennung Sorten mit hohem Ligningehalt günstiger sind.
Die Ökobilanz ergab, dass der Einsatz von Miscanthus ein hohes Potenzial zur Verringerung der Umweltauswirkungen der Biogasproduktion und damit des Biogassektors aufweist. Miscanthus schnitt in jeder betrachteten Wirkungskategorie besser ab als der Anbau von Mais und zeigte das höchste Reduktionspotential im Vergleich zur fossilen Referenz in den Wirkungskategorien Klimawandel, fossiler Ressourcenverbrauch und marine Eutrophierung.
Die Wahl der Biomassenutzung hatte einen erheblichen Einfluss auf den Energieertrag pro Flächeneinheit, wobei die Verbrennung das insgesamt höchste Energieertragspotenzial für die Stromerzeugung aufweist. Für die Verbrennung wird Miscanthus jedoch in der Regel nach dem Winter geerntet, was mit Biomasseertragsverlusten von 35% im Vergleich zum Maximalertrag einhergeht. Für die Biogasnutzung kann Miscanthus annähernd zum Zeitpunkt des Maximalertrages geerntet werden, was in der Summe zu einem nur 10% niedrigeren Energieertrag als bei der Verbrennung führt. Bei der Verwendung von Miscanthus zur Herstellung von Biokraftstoffen wurde die höchste Flächeneffizienz für die direkte Verwendung von Biomethan ermittelt, gefolgt von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen, die mit Strom aus Biomasseverbrennung betrieben werden. Die direkte Verwendung von Bioethanol wies die niedrigste Flächeneffizienz auf. Allerdings wurde hierbei nicht die Energieerzeugung aus Nebenprodukten berücksichtigt, was bei der Bioethanolproduktion die Umwandlungseffizienz verbessern könnte.
In dieser Arbeit wurde festgestellt, dass die Grünschnitt-Toleranz von Miscanthus durch das Erntedatum und durch die Rückverlagerung von Kohlenhydraten in die Rhizome beeinflusst wird. Im Oktober geernteter Miscanthus weist aufgrund des hohen Biomasse Ertrages und der ausreichenden Verdaulichkeit ein hohes Potenzial für den Einsatz in der Biogaserzeugung auf und kann zur Verringerung der Umweltauswirkungen und zur Minderung der Treibhausgas Emissionen des Biogassektors beitragen. Die Abbaubarkeit der Miscanthus Biomasse im Biogasprozess kann weiter verbessert werden, indem Genotypen mit niedrigerem Ligningehalt gezüchtet und geeignete Vorbehandlungsmethoden angewendet werden. Eine verbesserte Verdaulichkeit könnte auch dazu beitragen, mögliche negative Rückkopplungseffekte zwischen einer frühen Kohlenhydrat Rückverlagerung und dem SMY zu vermindern. Die Effizienz der Biomassenutzung hängt stark von der Nutzungsoption ab, wobei die direkte Nutzung von Biomethan als Kraftstoff und die Spitzenlast-Stromerzeugung hierbei hervorzuheben sind. Es wurde gezeigt, dass Miscanthus eine geeignete Pflanze für die Bereitstellung von nachhaltigerer erzeugter Biomasse für die wachsende europäische Bioökonomie ist, die zusätzliche Ökosystemdienstleistungen erbringt, z.B. Schutz des Grundwasser- und Oberflächengewässerschutz
Dispelling the Myths Behind First-author Citation Counts
Full text linkWe conducted a full-scale evaluative citation analysis study of scholars in the XML research field to explore just how different from each other author rankings resulting from different citation counting methods actually are, and to demonstrate the capability of emerging data and tools on the Web in supporting more realistic citation counting methods. Our results contest some common arguments for the continued
use of first-author citation counts in the evaluation of scholars, such as high correlations between author rankings by first-author citation counts and other citation
counting methods, and high costs of using more realistic citation counting methods that are not well-supported by the ISI databases. It is argued that increasingly available digital full text research papers make it possible for citation analysis studies to go beyond what the ISI databases have directly supported and to employ more
sophisticated methods
Biomassequalität von Miscanthus-Genotypen für verschiedene Biokonversions-Ketten
Full text linkCurrently, a wide range of biomass based resources (wood, agricultural residues, municipal waste, perennial dedicated energy crops) are being tested for different bioconversion routes such as combustion and ethanol production. In Europe, combustion is the most prevalent bioconversion route being adopted to produce heat and electricity. By 2020, in Europe out of 139 Mtoe biomass based energy production, 110.4 Mtoe will be heat and electricity. Along with combustion, EU (European Union) focuses on increasing the share of biofuels production to achieve the EU 2020 target to reach 10% share of renewables in the transportation sector. For both aforementioned bioconversion routes, large amount of feedstocks, produced in a sustainable way, are required. Miscanthus, being a perennial dedicated energy crop has the potential to deliver high yields by using the soil resources efficiently. However, the per unit energy yield depends not only on biomass yield but also quality of biomass relevant for a specific end use. For miscanthus based combustion, high lignin contents increase the energy yield of the biomass. The main challenges are high emissions (e.g. NOx) and combustion relevant problems such as corrosion, fouling and low ash melting temperature. Other than for combustion, the high lignin content is the main problem during miscanthus based ethanol production. Presently, M. x giganteus is the only commercially grown genotype, however a wide range of genotypes are being tested under the European conditions to select the most promising ones for both combustion and ethanol production. Therefore, the focus of this study is to evaluate the biomass quality of different miscanthus genotypes for combustion and ethanol production and relevant measures for each bioconversion route to optimize biomass quality at field level to fit the user demand.
To realise the aim of this study, two different field trials were used: 1) long term field trial with 15 miscanthus genotypes (four M. x giganteus, one M. sacchariflorus, five M. sinensis hybrids and five M. sinensis genotypes) was established as randomized block design with three replications; 2) field trial with M. x giganteus and switchgrass was established as a randomized split plot design with different crops as main plots, divided into three subplots with different N levels (0, 40, and 80 kg N ha-1a-1). The biomass samples collected from these field trials were processed and analysed in laboratory to test the biomass quality parameters for combustion (mineral analysis, silicon, chloride, ash, moisture and ash melting behaviour) and ethanol production (fiber analysis, acid/base based pre-treatment).
The outcomes of this study show that at biomass production level, crop management practices such as selection of appropriate genotypes, fertilization and time of harvesting determine the yield, biomass quality, overall cost of production and environmental performance of the crop for a specific bioconversion route (combustion, ethanol production). The ash melting behavior during combustion process can be improved through appropriate genotype selection from an ash deformation temperature of 800 °C up to 1100 °C. For ethanol production, fiber composition can be improved up to 16% through appropriate genotype selection by decreasing the lignin content and improving the cellulose content. This improvement will not be completely translated to increase in ethanol yield. However, it can improve the overall efficiency of conversion process by decreased the lignin content and subsequently lowering the energy and chemical inputs required for pre-treatment. In this study, no quantification is made about improvement in final ethanol yield.
In fertilization, N fertilization is very important because it constituted up to 72% of the emissions in the conducted LCA described in chapter-1. Therefore, in case of high N fertilization, it not only affects the biomass quality but also increases the cost of biomass production and decreases the environmental performance of the crop. Based on the outcomes of this study, it can be concluded that at this location 40 kg N ha-1a-1 fertilization is sufficient to achieve good yield and quality biomass under late harvest regimes (March). At 40 kg N ha-1a-1 fertilization, the N content in the harvested biomass was still well below the threshold level set (0.3-1%) for biomass by the ENplus wood pellets.
The other important factor which offers opportunity to optimize biomass quality is time of harvesting. Through appropriate harvesting time, biomass combustion quality can be improved up to 30% through decreasing the mineral, chloride and ash content whereas for ethanol production, fiber composition can be improved up to 12% by decreasing the lignin content. In practical terms, the delay in harvest will help to meet the set quality standards and counter the relevant challenges for each bioconversion route. In current study, none of the biomasses harvested from the different miscanthus genotypes, except for M. sinensis, could meet the ENplus-B wood pellet standards. For combustion, early ripening thin stemmed genotypes such as M. sinensis are recommended under late harvest regime (March). However, the low yield of these genotypes is a major concern because low biomass quantity decreases the final energy yield. Considering the high dry matter yield, cellulose and hemicellulose content, M. x giganteus and M. sacchariflorus are recommended for ethanol production under early harvest regimes (September-October). However, the high lignin content of M. x giganteus and M. sacchariflorus reduces the efficiency of overall process. Therefore, in this study recommendations were given to breeders about development of new genotypes for combustion by combining interesting traits such as high yield and lignin content of M. x giganteus, low ash content of M. sacchariflorus, low mineral content especially K and Cl of M. sinensis, whereas for ethanol production low lignin content of M. sinensis can be combined with high yield of M. x giganteus.
This study suggests that optimization of biomass quality for a specific end use can be achieved through adoption of appropriate crop management practices such as selection of appropriate genotype and time of harvesting. This is the most cost-effective way with least environmental implications.Derzeit wird ein breites Spektrum biobasierter Rohstoffe – wie zum Beispiel Holz, Reststoffe aus der Landwirtschaft, Kommunalabfälle sowie mehrjährige Energiepflanzen – auf ihre Eignung für verschiedene Biokonversionspfade, wie beispielsweise Verbrennung oder Ethanolproduktion, getestet. In Europa ist der vorherrschende Konversionspfad die Verbrennung, mittels der Strom und Wärme produziert wird. Bis zum Jahr 2020 wird die Bioenergieproduktion in Europa 139 Mtoe betragen, davon werden 110,4 Mtoe Strom und Wärme sein. Zusammen mit der Verbrennung konzentriert sich die EU (Europäische Union) auf die Erhöhung des Anteils der Biokraftstoffe um ein Ziel der Europa 2020 Strategie zu erreichen, einen Anteil der Erneuerbaren Energien im Transportsektor von 10% zu erzielen. Für beide der zuvor dargestellten Biokonversionspfade werden große Mengen an nachhaltig produzierten Rohstoffen benötigt. Miscanthus, eine mehrjährige Energiepflanze, nutzt die Bodenressourcen sehr effizient und hat dabei ein hohes Ertragspotential. Der Energieertrag ist jedoch nicht nur vom Biomasseertrag abhängig, sondern auch von den Biomassequalitätsmerkmalen, die für den jeweiligen Nutzungspfad relevant sind. Bei der Verbrennung von Miscanthus erhöhen hohe Ligningehalte den Energieertrag der Biomasse. Die größten Herausforderungen sind hohe Emissionen (z.B.: NOx) und andere für die Verbrennung relevante Probleme wie zum Beispiel Korrosion, Verschmutzung und ein geringer Ascheschmelzpunkt der Biomasse. Im Gegensatz zur Verbrennung ist der hohe Ligningehalt ein großes Problem bei der Ethanolherstellung aus Miscanthus. Zurzeit ist M. x giganteus der einzig kommerziell angebaute Genotyp. Jedoch wird eine große Bandbreite an Genotypen unter europäischen Bedingungen getestet, um die vielversprechendsten sowohl für die Verbrennung als auch die Ethanolherstellung zu selektieren. Daher ist das Ziel dieser Studie die Biomassequalität verschiedener Miscanthusgenotypen für die Verbrennung und die Ethanolherstellung zu bestimmen. Des Weiteren sollen Maßnahmen, um die Biomassequalität auf dem Feld zu optimieren und an den Bedarf des jeweiligen Nutzers anzupassen, für beide Biokonversionspfade bewerten werden.
Dazu wurden zwei verschiedene Feldversuche genutzt: 1) ein langjähriger Feldversuch mit 15 Miscanthusgenotypen (vier M. x giganteus, ein M. sacchariflorus, fünf M. sinensis Hybriden und fünf M. sinensis Genotypen), die in einer randomisierten Blockanlage mit drei Wiederholungen etabliert wurden; 2) ein Feldversuch mit M. x giganteus und Rutenhirse in einer randomisierten Spaltanlage mit den verschiedenen Kulturarten als Großteilstücke, unterteilt in drei Kleinteilstücke mit verschiedenen Stickstoffdüngungsstufen (0, 40, und 80 kg N ha-1a-1). Die Biomasseproben von diesen Feldversuchen wurden aufbereitet und im Labor auf ihre Qualitätseigenschaften für die Verbrennung (Mineralstoffanalyse, Silizium, Chlor, Asche, Feuchtigkeit sowie das Ascheschmelzverhalten) und die Ethanolherstellung (Faseranalyse, Vorbehandlung mittels Säure) analysiert.
Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass bei der Biomasseproduktion Kulturmaßnahmen wie die Auswahl geeigneter Genotypen, Düngung und Erntezeitpunkt entscheidend sind für den Ertrag, die Biomassequalität, die Produktionskosten und die Umweltleistung der Pflanze für einen bestimmten Konversionspfad (Verbrennung, Ethanolherstellung). Das Ascheschmelzverhalten während des Verbrennungsprozesses kann durch die Auswahl geeigneter Genotypen verbessert werden. Die Temperatur der Ascheschmelze erhöht sich dadurch von 800 °C auf 1100 °C. Bei der Ethanolherstellung kann die Faserzusammensetzung durch die Auswahl geeigneter Genotypen mit einem niedrigen Lignin- und einem höheren Zellulosegehalt um 16% verbessert werden. Diese Verbesserung kann zwar nicht vollständig in einen höheren Ethanolgehalt umgesetzt werden, jedoch verbessert sich die Gesamteffizienz des Konversionsprozesses durch den niedrigeren Ligningehalt und den dadurch niedrigeren Energie- sowie Chemikalienbedarf für die Vorbehandlung. Im Rahmen dieser Studie wurde die Verbesserung des Endethanolertrages nicht quantifiziert.
Hinsichtlich der Düngung ist insbesondere die Stickstoffdüngung sehr wichtig, da diese für bis zu 72% der in der LCA (Kapitel 1) ermittelten Emissionen verantwortlich ist. Eine hohe Stickstoffdüngung beeinflusst deshalb nicht nur die Biomassequalität, sondern erhöht auch die Produktionskosten der Biomasse und verschlechtert die Umweltleistung der Pflanze. Auf Grundlage der Ergebnisse dieser Studie kann gefolgert werden, dass an den gewählten Versuchsstandorten eine Stickstoffdüngung von 40 kg N ha-1a-1 ausreicht, um hohe Erträge und eine hohe Biomassequalität bei einer späten Ernte im März zu realisieren. Bei einer Düngung von 40 kg N ha-1a-1 lag der Stickstoffgehalt der Biomasse deutlich unter dem Grenzwert von 0,3-1% für Biomasse, welcher in der Norm ENplus für Holzpellets festgelegt ist.
Der zweite wichtige Einflussfaktor zur Verbesserung der Biomassequalität ist der Erntezeitpunkt. Durch einen angepassten Erntezeitpunkt kann die Biomassequalität für die Verbrennung durch die Senkung des Mineralstoff-, Chlor- und Aschegehaltes um bis zu 30% verbessert werden. Bei der Ethanolherstellung kann die Faserzusammensetzung durch einen niedrigeren Ligningehalt um bis zu 12% verbessert werden. In der Praxis hilft der spätere Erntetermin die gegebenen Qualitätsanforderungen zu erfüllen und die Herausforderungen des jeweiligen Konversionspfades zu bewältigen. In der vorliegenden Studie konnte keiner der verschiedenen Miscanthusgenotypen, mit Ausnahme von M. sinensis, den Holzpellet Standard ENplus-B erfüllen. Für die Verbrennung sind bei einer späten Ernte (März) früh reifende Genotypen mit dünnen Stängeln wie M. sinensis zu empfehlen. Ein größeres Problem stellt hierbei jedoch der niedrige Ertrag dieser Genotypen dar, da ein niedriger Biomasseertrag den Endenergieertrag senkt. Unter Berücksichtigung des hohen Trockenmasseertrages sowie des hohen Zellulose- und Hemizellulosegehaltes sind bei einer frühen Ernte (September-Oktober) M. x giganteus und M. sacchariflorus für die Ethanolherstellung zu empfehlen. Der hohe Ligningehalt von M. x giganteus und M. sacchariflorus reduziert jedoch die Effizienz des Gesamtprozesses. Aufgrund dessen wird im Rahmen dieser Studie Züchtern die Empfehlung gegeben, zur Entwicklung neuer Genotypen für die Verbrennung Eigenschaften wie den hohen Ertrag sowie den hohen Ligningehalt von M. x giganteus, den niedrigen Aschegehalt von M. sacchariflorus und den niedrigen Mineralstoffgehalt – insbesondere hinsichtlich Kalium und Chlor – von M. sinensis zu kombinieren. Bei der Züchtung neuer Genotypen für die Ethanolherstellung sind hingegen insbesondere der niedrige Ligningehalt von M. sinensis und der hohe Ertrag von M. x giganteus interessant.
Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass die Optimierung der Biomassequalität für einen spezifischen Verwendungszweck durch die Anwendung geeigneter Kulturmaßnahmen wie die Auswahl angepasster Genotypen und den Erntetermin erreicht werden kann. Dies ist nicht nur die kostengünstigste Variante, sondern auch diejenige mit den geringsten Auswirkungen auf die Umwelt
Landwirtschaftliche Diversifizierung des Biogaspflanzenanbaus
Full text linkFor all types of agricultural land-use, more diverse cropping systems are required, with respect to the maintenance of ecosystem values such as biodiversity conservation and climate change adaptation. This need for greater agricultural diversity is clearly illustrated by biogas crop cultivation. In Germany, maize currently dominates biogas crop cultivation due to its outstanding methane yield performance. However, the ecosystem value of maize cultivation decreases if good agricultural practices are ignored. Additionally, the poor aesthetical value of maize has led to biogas production gaining a negative reputation in society. To increase the diversity of biogas crop cultivation, alternative biogas crops such as amaranth and wild plant mixtures need to be investigated with respect to both yield performance and biogas substrate quality. The research objective of this study was the development of strategies for agricultural diversification of biogas crop cultivation. For this purpose, the following research questions were formulated:
1. How does amaranth perform as a biogas crop compared to maize and what are the major opportunities for and obstacles to the large-scale implementation of amaranth cultivation?
2. How does the spatial diversification ‘legume intercropping’ perform in amaranth compared to maize and what are the major opportunities for and obstacles to its practical implementation?
3. How do perennial wild plant mixtures perform in biomass production with respect to yield, quality and species diversity in the long term and what are the relevant agronomic factors?
4. How do available models perform in the prediction of specific methane yield of different crops based on their lignocellulosic biomass composition and how could they be improved?
To address research questions 1 and 2, field trials with amaranth and maize were conducted in southwest Germany in the years 2014 and 2015. Amaranth established well in both years. Its dark red inflorescences attracted many insects such as honeybees, wild bees and bumble bees. Therefore, a systematic implementation of amaranth into biogas crop rotations could significantly improve their socio-ecological value in terms of biodiversity conservation and landscape beauty. However, amaranth showed significantly lower dry matter yields (DMY) and specific methane yields (SMY), together resulting in lower methane yields than maize in both years. Therefore, breeding and an optimization of agricultural practices such as sowing density, planting geometry and fertilization management are required to make amaranth more competitive in comparison to maize.
To address research question 2, the amaranth field trials mentioned above also included treatments of legume intercropping with runner bean (RB, Phaseolus vulgaris L.) and white clover (WC, Trifolium repens, L.). The RB and WC developed equally well in amaranth and maize each year. For both amaranth and maize, the RB share of total DMY was low (5-10%) and did not significantly affect the total DMY. By contrast, WC had a significant negative effect on the DMY. Overall, the spatial diversification ‘legume intercropping’ could considerably improve the socio-ecological value of amaranth cultivation in terms of biodiversity conservation, greenhouse gas (GHG) mitigation and soil protection.
For research question 3, two different wild plant mixtures (WPM) were cultivated on three sites in southwest Germany from the years 2011 to 2015. At each location, the WPM showed great potential for both biodiversity conservation and ecosystem resilience. Numerous insect species were observed in the WPM stands each year, indicating WPM as a relevant cropping system for habitat networking. Furthermore, the aesthetic appearance of the WPM stands over the years demonstrated the potential positive effect WPM cultivation could have on the public perception of biogas production. The DMY of the WPM varied strongly depending on (i) the initial composition of species sown, (ii) the establishment procedure, (iii) the environmental conditions, (iv) the pre-crop, and (v) the number of predominant species. WPM were found to have low demands for fertilization and crop protection. Thus, WPM appear a promising low-input cropping system for the promotion of biodiversity conservation, habitat networking, soil and water protection, GHG mitigation and climate change adaptation. However, high DMY gaps remain a challenge for the practical inclusion of WPM in existing biogas cropping systems.
With respect to research question 4, a meta-analysis revealed that available models proved to be much less precise than expected. Although outperforming all available models, the correlation of the new models was still low (up to r = 0.66). It was also found that non-linear terms are of less importance than crop-specific regressors including the intercept. This indicates that across-crop models including crop-specific configurations could help to improve the identification of alternative crops and cropping systems for a more diverse biogas crop cultivation in the future.Für alle landwirtschaftlichen Nutzrichtungen werden vielfältigere Anbausysteme erfordert, insbesondere im Hinblick auf Ökosystemfunktionen wie die Förderung der Agrarbiodiversität und die Vorbereitung auf landwirtschaftlich relevante Folgen des Klimawandels. Dieser Mehr-bedarf landwirtschaftlicher Vielfalt wird insbesondere beim Anbau von Biogaspflanzen in Deutschland deutlich, wo derzeit Mais aufgrund seiner hervorragenden Methanertrags-leistung dominiert. Der Ökosystemwert des Maisanbaus nimmt jedoch ab, wenn die gute fachliche Praxis nicht eingehalten wird. Darüber hinaus führte der geringe ästhetische Wert von Mais zu einem negativen Ruf der Biogasproduktion in der Gesellschaft. Um die Vielfalt der Anbausysteme für die Biogasproduktion zu erhöhen, müssen alternative Biogaspflanzen wie Amaranth und Wildpflanzenmischungen hinsichtlich ihrer Ertragsleistung und der Biogassub-stratqualität untersucht werden. Das Forschungsziel dieser Studie war die Entwicklung von Strategien zur landwirtschaftlichen Diversifizierung von Anbausystemen für die Biogaspro-duktion. Zu diesem Zweck wurden die folgenden Forschungsfragen formuliert:
1. Welches Potential bietet Amaranth als Biogaspflanze im Vergleich zu Mais und was sind die größten Chancen und Herausforderungen einer großflächigen Implementierung des Amaranthanbaus?
2. Wie ist die "Leguminosen-Mischkultur" als räumliche Diversifizierung bei Amaranth im Vergleich zu Mais zu beurteilen und was sind die größten Chancen und Herausforderungen für deren praktische Umsetzung?
3. Was leisten mehrjährige Wildpflanzenmischungen bei der Biomasseproduktion in Bezug auf Ertrag, Qualität und Artenvielfalt langfristig und was sind relevante agronomische Faktoren?
4. Wie eignen sich verfügbare Modelle zur Vorhersage des spezifischen Methanertrags ver-schiedener pflanzlicher Biogassubstratarten auf Grundlage ihrer Faserzusammensetzung und wie können die Modelle verbessert werden?
Um Forschungsfragen 1 zu beantworten, wurden Feldversuche mit Amaranth und Mais im Südwesten Deutschlands in den Jahren 2014 und 2015 durchgeführt. Der Amaranth hat sich in beiden Jahren gut etabliert. Seine dunkelroten Blütenstände zogen viele Insekten wie Honigbienen, Wildbienen und Hummeln an. Eine systematische Implementierung von Ama-ranth in bestehende Biogas-Fruchtfolgen könnte daher ihren sozial-ökologischen Wert im Hinblick auf Biodiversitätsschutz und Landschaftsästhetik deutlich verbessern. Amaranth zeig-te jedoch deutlich niedrigere Trockenmasseerträge (TME) und spezifische Methanerträge als Mais, was in beiden Jahren zu niedrigeren Methan-Hektarerträgen führte. Daher sind weitere Züchtungsmaßnahmen sowie eine fortwährende Optimierung der Anbaumethode hinsichtlich relevanter Anbaufaktoren wie Saatdichte, Pflanzgeometrie und Düngemanagement erforder-lich, um Amaranth im Vergleich zu Mais wettbewerbsfähiger zu machen.
Um Forschungsfrage 2 zu beantworten, beinhalteten die oben genannten Amaranth-Feldver-suche auch Leguminosen-Mischkultur-Varianten mit Stangenbohne (SB, Phaseolus vulgaris L.) und Weißklee (WK, Trifolium repens, L.). SB und WK entwickelten sich in Amaranth und Mais jedes Jahr gleichermaßen gut. Sowohl für Amaranth als auch für Mais war der SB-Anteil am gesamt-TME gering (5-10%) und hatte keinen signifikanten Einfluss auf den gesamt TME. Im Gegensatz dazu hatte WK einen signifikanten negativen Einfluss auf den TME. Insgesamt könnte die Leguminosen-Mischkultur als räumliche Diversifizierung den sozial-ökologischen Wert des Amaranthanbaus in Bezug auf Biodiversitätsschutz, Treibhausgasminderung und Bodenschutz erheblich verbessern.
Für Forschungsfrage 3 wurden zwei verschiedene Wildpflanzenmischungen (WPM) an drei Standorten im Südwesten Deutschlands in den Jahren 2011 bis 2015 angebaut. An jedem Standort zeigten die WPM ein großes Potenzial für den Biodiversitätsschutz und die Resilienz der Ökosysteme. In den Pflanzbeständen der WPM wurden jedes Jahr zahlreiche Insekten-arten beobachtet, was auf ein großes Potential von WPM für die Habitat-Vernetzung im Landwirtschaftlichen Raum hinweist. Darüber hinaus zeigte das ästhetische Erscheinungsbild der Pflanzbestände der WPM im Laufe der Jahre, welche potenziell positiven Auswirkungen der Anbau von WPM auf die öffentliche Wahrnehmung der Biogasproduktion haben könnte. Der TME der WPM variierte stark in Abhängigkeit von (i) der anfänglichen Kombination ausge-säter Arten, (ii) dem Etablierungsverfahren, (iii) den Umweltbedingungen, (iv) der Vorkultur und (v) der Anzahl dominanter Arten. Ferner wurde festgestellt, dass WPM einen geringen Bedarf an Düngung und Pflanzenschutz haben. Insgesamt zeigten sich beide WPM als viel-versprechende Anbausysteme zur Biomasseproduktion unter Aspekten der Förderung des Biodiversitätsschutzes, der Habitatvernetzung, des Boden- und Gewässerschutzes, der Treib-hausgasminderung und der Anpassung an den Klimawandel. Tendenziell niedrige TME bleiben jedoch eine Herausforderung für eine großflächige Implementierung von WPM in bestehende Biogas-Fruchtfolgen.
In Bezug auf Forschungsfrage 4 ergab eine Meta-Analyse, dass alle verfügbaren Modelle ungenauer waren als erwartet. Zwar waren die neu entwickelten Modelle besser, wiesen aber noch immer eine geringe Korrelation auf (bis r = 0,66). Es wurde auch festgestellt, dass nicht-lineare Parameter von geringerer Bedeutung sind als pflanzenart-spezifische Regressoren ein-schließlich des Gesamteffekts. Dies deutet darauf hin, dass pflanzenart-übergreifende Modelle einschließlich pflanzenart-spezifischer Konfigurationen dazu beitragen könnten, die Identifizierung alternativer Pflanzenarten und Anbausysteme für eine Diversifizierung des Biogaspflanzenanbaus in Zukunft zu verbessern
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