Comparative performance of annual and perennial energy cropping systems under different management regimes

The theme of this thesis was chosen against the background of the necessary substitution of fossil fuels and the need to reduce greenhouse gas emissions. One major solution for these topics may be the energy generation from domestically produced biomass. The overall aim of this thesis was the identification of one or more efficient energy cropping systems for Central Europe. The target was set to supply high quality biomass for existent and currently developing modern conversion technologies. Renewable energy production is thought to be environmentally benign and socially acceptable. The existence of diverse production environments necessitates further diversification and the identification of several energy crops and the development of energy cropping systems suited to those diverse environments. This thesis starts with an introductory essay (chapter 1), which provides the background for renewable energy production, its features, demands and potentials, and the scientific basis of this thesis. Chapters 2 to 6 consist of five manuscripts to be published in reviewed journals (Papers I, II, IV and V) or in a multi-author book (Paper III). Subsequently, the results from all papers are discussed in a general setting (chapter 7), from which a general conclusion is formulated (chapter 8). The basis of the research formed four field experiments, which were conducted at the experimental sites Ihinger Hof, Oberer Lindenhof and Goldener Acker of the University of Hohenheim, in south-western Germany. Paper I addresses the overall objective of this thesis. Selected cropping systems for this experiment were short rotation willow, miscanthus, switchgrass, energy maize and two different crop rotation systems including winter oilseed rape, winter wheat and winter triticale with either conventional tillage or no-till. The systems were cultivated with three different nitrogen fertilizer applications. An energy balance was calculated to evaluate the biomass and energy yields of the different cropping systems. Results indicate that perennial lignocellulosic crops combine high biomass and net energy yields with low input and potential ecological impacts. Switchgrass, which produced low yields at the study site, may better perform on marginal sites. Switchgrass is an example of the need to grow site-adapted energy crops. The annual energy crop maize required the highest input, but at the same time yielded the most. The two crop rotation systems did not differ in yield and energy input, but the system with no-till may be more environmentally benign as it has the potential to sequester carbon. The objective of Paper II was the optimization of crop cultivation through the differentiation of input parameters to enhance the quality of the energy crop triticale, without influencing the biomass yield. The intention was to minimize the content of combustion-disturbing elements (potassium and chlorine) and the ash residue of both aboveground plant parts (grain and straw). It was done through different straw and potassium fertilizer treatments. It could be shown that the removal of straw from the previously cultivated crop and no additional potassium fertilizer could reduce the amount of combustion-disturbing elements. A high influence must also be expected from site and weather conditions. Papers III to V address the supply of different high quality biomasses, with the focus on maize for anaerobic digestion. The objective of Paper III was the assessment of the requirements of biogas plants and biomass for anaerobic digestion. It introduces potential energy crops, along with their advantages and disadvantages. Alongside maize, many other biomass types, which are preserved as silage and are high in carbohydrates and low in lignocelluloses, can be anaerobically digested. The development of potential site-specific crop rotation systems for biomass production are discussed. The objective of Papers IV and V was the identification of suitable biomass and production systems for the anaerobic digestion. The focus lay on the determination of (i) suitable energy maize varieties for Central Europe, (ii) optimal growth periods of energy crops, (iii) the influence of crop management on quality parameters and (iv) environmentally benign crop rotation systems. Differently maturing maize varieties were grown in six different crop rotation systems (continuous maize with and without an undersown grass, maize as a main crop partially preceded by different winter catch crops and followed by winter wheat) and tested at two sites. Additional factors were sowing and/or harvest dates. Maize and cumulative biomass yields of the crop rotation systems were compared. Specific methane yield measurements were carried out to evaluate the energy performance of the tested crops. Quality was assessed either by measurements of the dry matter content or by using the near infrared reflectance spectroscopy for the determination of chemical composition. Results indicate that an environmentally benign crop rotation system requires nearly year-round soil cover to minimize nitrogen leaching. This can be achieved through the cultivation of undersown or catch crops and additional main crops alongside maize, such as winter wheat. Late maturing maize varieties can be cultivated at a site where the maize can build adequate dry matter contents due to a long growth period (late harvest date). The energy generation in terms of methane production was primarily dependent on high biomass yields. It could be further shown that the specific methane yield of maize increased with increasing starch content, digestibility and decreasing fiber content. To conclude, selected site-specific energy crops and crop rotation systems, with suitable crop management, (fertilizer and soil tillage) can produce high quality biomass and the highest net energy return. Lignocellulosic biomass can be optimized for combustion. Wet biomass is an optimal substrate for anaerobic digestion. Profitable energy production is characterized by a high land and energy use efficiency and especially high net energy yields.Das Thema der vorliegenden Arbeit wurde vor dem Hintergrund der derzeit stark nachgefragten und begünstigten Produktion erneuerbarer Energieträger gewählt. Einheimische Biomassebereitstellung kann einen Beitrag zur Ergänzung endlicher fossiler Energieträger und zur Minderung des Ausstoßes klimarelevanter Gase leisten. Das zentrale Ziel der Arbeit war es, qualitativ hochwertige Biomasse für existente und sich in der Entwicklung befindliche moderne Energiekonversionsverfahren zur Verfügung zu stellen. Unterschiedliche Standortbedingungen erfordern differenzierte Lösungsansätze. Die Ermittlung von standort-angepassten Kulturen und Fruchtfolgesystemen stellte einen wichtigen Punkt zur nachhaltigen Produktion hoher Biomasse- und Nettoenergieerträge dar. Das einleitende Kapitel zur Arbeit erläutert die Hintergründe für die Produktion erneuerbarer Energierohstoffe, seine Besonderheiten, Voraussetzungen und Potentiale. Die wissenschaftliche Fragestellung wird formuliert. Die Arbeit basiert auf fünf Manuskripten, die zur Veröffentlichung in internationalen Fachzeitschriften (Manuskript I, II, IV und V) und in einem Lehrbuch (Manuskript III) vorgesehen sind. In der anschließenden Diskussion (Kapitel 7) und Schlussfolgerung (Kapitel 8) werden die gewonnenen Ergebnisse zusammengefasst und in einer abschließenden Stellungnahme bewertet. Die Basis der Untersuchung bildeten vier Feldversuche, die auf Versuchsstationen der Universität Hohenheim (Ihinger Hof, Oberer Lindenhof und Goldener Acker) durchgeführt wurden. Das Manuskript I behandelt das allgemeine Thema dieser Arbeit. Ausgewählte Anbausysteme für die Untersuchung waren Kurzumtriebsweide, Miscanthus, Rutenhirse, Energiemais und zwei unterschiedliche Fruchtfolgen mit Winterweizen, Wintertriticale und Winterraps mit konventioneller Bodenbearbeitung oder Direktsaat. Die Kulturen wurden mit drei unterschiedlich hohen Stickstoffgaben gedüngt. Die Bewertung der Biomasse- und Energieerträge wurde anhand einer Energiebilanz durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass mehrjährige lignocellulosehaltige Kulturen hohe Biomasse- und Nettoenergieerträge bei wenig Input und ökologischen Auswirkungen liefern können. Rutenhirse mit geringer Ertragsleistung an dem getesteten Standort ist ein Beispiel für die Voraussetzung des Anbaus standortangepasster Kulturen. Die einjährige Art Energiemais erzielte die höchsten Biomasseerträge, benötigte aber auch hohen Energieinput. Die zwei Fruchtfolgesysteme unterschieden sich nicht im Ertragsverhalten und den Nettoenergieerträgen. Das Ziel von Manuskript II war die Optimierung von Qualitätseigenschaften von Energietriticale durch unterschiedliche Bestandesführung. Die Intention war die Minimierung von verbrennungsrelevanten Inhaltstoffen wie Kalium, Chlor und Asche beider Pflanzenpartien (Korn und Stroh) durch unterschiedliche Stroh- und Kaliumbehandlungen. Es konnte gezeigt werden, dass die Abfuhr von Stroh der Vorfrucht und keine weitere Kaliumdüngung zu reduzierten Inhaltsstoffen in beiden Erntegütern führte. Die Manuskripte III bisV befassen sich mit der Bereitstellung von Biomasse für die anaerobe Vergärung. Das Ziel von Manuskript III war die Erfassung der Anforderungen an Biomasse für die anaerobe Vergärung und die Vorstellung potentieller Kulturarten. Biomassen mit hohen Gehalten an Kohlenhydraten und geringen Gehalten an lignocellulosehaltigen Verbindungen sind geeignet. Das Kapitel schließt mit der Entwicklung standort¬angepasster Fruchtfolgen. Das Ziel der Manuskripte IV und V war die Ermittlung geeigneter Biomassen für die anaerobe Vergärung. Der Fokus lag auf der Bestimmung von (i) geeigneten Maissorten für Mitteleuropa, (ii) optimalen Wachstumsperioden der getesteten Energiepflanzen, (iii) Einflüssen pflanzenbaulicher Maßnahmen auf Qualitätseigenschaften und (iv) umweltverträglichen Anbausystemen. An zwei Standorten wurden sechs Fruchtfolgesysteme (Mais Monokultur, Mais mit Untersaat, Mais mit Winterzwischenfrüchten und Winterweizen) und unterschiedlich reifende Maissorten geprüft. Saat- und Erntezeitpunkte wurden variiert im Hinblick auf differenzierte Biomassequalität und ?quantität. Spezifische Methanertragsmessungen der geprüften Kulturen wurden zur energetischen Bewertung herangezogen. Die Qualität der Biomasse wurde über den Trockensubstanzgehalt und über Inhaltsstoff-messungen mittels der Nahinfrarot-Spektrometrie ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine intensive Fruchtfolgegestaltung mit Winterzwischenfrüchten, Mais und Winterweizen über eine möglichst ganzjährige Bodenbedeckung ökologische Probleme wie Erosion und Nitratauswaschung mindern kann. An Standorten mit ausreichend langer Vegetationsperiode sind spät reifende Maissorten mit der Bildung optimaler Trockensubstanzegehalte den früh reifenden Sorten überlegen. Der Energieertrag (Methanertrag) ist hauptsächlich von einem hohen Biomasseertrag abhängig. Die Inhaltsstoffanalyse zeigte, dass mit zunehmender Verdaulichkeit, steigendem Gehalt an Stärke und abnehmendem Gehalt an Fasern der spezifische Methanertrag von Mais anstieg. Abschließend lässt sich festhalten, dass ausgewählte standort-spezifische Energiepflanzen und Fruchtfolgesysteme mit entsprechenden pflanzenbaulichen Maßnahmen zu einer guten Nutzung der eingesetzten Ressourcen, hoher Biomassequalität und hohen Nettoenergieerträgen führen. Lignocellulosehaltige Biomasse eignet sich besonders für die Verbrennung oder neue innovative Konversionsverfahren, während feuchte Biomasse gut für die anaerobe Vergärung genutzt werden kann. Eine wirtschaftliche Energieproduktion ist durch eine hohe Land- und Energienutzungseffizienz, sowie durch hohe Nettoenergieerträge gekennzeichnet