Impact of sward type, cutting date and conditioning temperature on mass and energy flows in the integrated generation of solid fuel and biogas from semi-natural grassland

Energy production from biomass and the conservation of ecologically valuable grassland habitats are two important issues of agriculture today. The combination of a bioenergy production, which minimises environmental impacts and competition with food production for land with a conversion of semi-natural grasslands through new utilization alternatives for the biomass, led to the development of the IFBB process. Its basic principle is the separation of biomass into a liquid fraction (press fluid, PF) for the production of electric and thermal energy after anaerobic digestion to biogas and a solid fraction (press cake, PC) for the production of thermal energy through combustion. This study was undertaken to explore mass and energy flows as well as quality aspects of energy carriers within the IFBB process and determine their dependency on biomass-related and technical parameters. Two experiments were conducted, in which biomass from semi-natural grassland was conserved as silage and subjected to a hydrothermal conditioning and a subsequent mechanical dehydration with a screw press. Methane yield of the PF and the untreated silage was determined in anaerobic digestion experiments in batch fermenters at 37°C with a fermentation time of 13-15 and 27-35 days for the PF and the silage, respectively. Concentrations of dry matter (DM), ash, crude protein (CP), crude fibre (CF), ether extract (EE), neutral detergent fibre (NDF), acid detergent fibre (ADF), acid detergent ligning (ADL) and elements (K, Mg, Ca, Cl, N, S, P, C, H, N) were determined in the untreated biomass and the PC. Higher heating value (HHV) and ash softening temperature (AST) were calculated based on elemental concentration. Chemical composition of the PF and mass flows of all plant compounds into the PF were calculated. In the first experiment, biomass from five different semi-natural grassland swards (Arrhenaterion I and II, Caricion fuscae, Filipendulion ulmariae, Polygono-Trisetion) was harvested at one late sampling (19 July or 31 August) and ensiled. Each silage was subjected to three different temperature treatments (5°C, 60°C, 80°C) during hydrothermal conditioning. Based on observed methane yields and HHV as energy output parameters as well as literature-based and observed energy input parameters, energy and green house gas (GHG) balances were calculated for IFBB and two reference conversion processes, whole-crop digestion of untreated silage (WCD) and combustion of hay (CH). In the second experiment, biomass from one single semi-natural grassland sward (Arrhenaterion) was harvested at eight consecutive dates (27/04, 02/05, 09/05, 16/05, 24/05, 31/05, 11/06, 21/06) and ensiled. Each silage was subjected to six different treatments (no hydrothermal conditioning and hydrothermal conditioning at 10°C, 30°C, 50°C, 70°C, 90°C). Energy balance was calculated for IFBB and WCD. Multiple regression models were developed to predict mass flows, concentrations of elements in the PC, concentration of organic compounds in the PF and energy conversion efficiency of the IFBB process from temperature of hydrothermal conditioning as well as NDF and DM concentration in the silage. Results showed a relative reduction of ash and all elements detrimental for combustion in the PC compared to the untreated biomass of 20-90%. Reduction was highest for K and Cl and lowest for N. HHV of PC and untreated biomass were in a comparable range (17.8-19.5 MJ kg-1 DM), but AST of PC was higher (1156-1254°C). Methane yields of PF were higher compared to those of WCD when the biomass was harvested late (end of May and later) and in a comparable range when the biomass was harvested early and ranged from 332 to 458 LN kg-1 VS. Regarding energy and GHG balances, IFBB, with a net energy yield of 11.9-14.1 MWh ha-1, a conversion efficiency of 0.43-0.51, and GHG mitigation of 3.6-4.4 t CO2eq ha-1, performed better than WCD, but worse than CH. WCD produces thermal and electric energy with low efficiency, CH produces only thermal energy with a low quality solid fuel with high efficiency, IFBB produces thermal and electric energy with a solid fuel of high quality with medium efficiency. Regression models were able to predict target parameters with high accuracy (R2=0.70-0.99). The influence of increasing temperature of hydrothermal conditioning was an increase of mass flows, a decrease of element concentrations in the PC and a differing effect on energy conversion efficiency. The influence of increasing NDF concentration of the silage was a differing effect on mass flows, a decrease of element concentrations in the PC and an increase of energy conversion efficiency. The influence of increasing DM concentration of the silage was a decrease of mass flows, an increase of element concentrations in the PC and an increase of energy conversion efficiency. Based on the models an optimised IFBB process would be obtained with a medium temperature of hydrothermal conditioning (50°C), high NDF concentrations in the silage and medium DM concentrations of the silage.

Randzonenveränderung beim Bohren und ihre Auswirkung auf Folgebearbeitungsverfahren

In der Praxis kommt es bei der spanenden Bearbeitung immer wieder zu großen Standwegunterschieden identischer Werkzeuge bei vordergründig identischen Bearbeitungsrandbedingungen. Insbesondere bei Fertigungsschritten, die das Bohren als Vorbearbeitung erfordern, kommt es gelegentlich zu atypischen Verschleißerscheinungen, die auf das Entstehen einer Neuhärtezone an der Werkstückoberfläche beim Bohren zurückgeführt werden. Grundsätzlich sind Randzonenveränderungen eine Folge der mechanischen und thermischen Beanspruchung bei der Bearbeitung. Beim Eindringen des Schneidkeils kommt es zu Kornverzerrungen, welche die Werkstückhärte bis in eine Tiefe von 40 bis 80 µm erhöhen können. Überdies wird die Randzone des Werkstücks durch den Bearbeitungsvorgang und den Spantransport erhitzt und durch den Kühlschmierstoff bzw. die so genannte Selbstabschreckung im Anschluss sehr schnell abgekühlt. So kann es in Abhängigkeit der Randbedingungen zu Gefügeänderungen mit härtesteigernder (Sekundärabschreckung) oder härtemindernder (Anlasseffekte) Wirkung kommen. Nicht zuletzt beeinflussen beide Beanspruchungsarten auch das Ausmaß der Eigenspannungen in der Werkstückoberfläche. In dieser Arbeit werden die beim Kernlochbohren erzeugten Randzonenveränderungen sowie die Standzeit von Folgebearbeitungswerkzeugen, wie Gewindebohrern und Gewindeformern, und deren Abhängigkeit vom Verschleißzustand des Kernlochbohrers untersucht. Weiterhin werden mit Hilfe einer Energiebilanz die Anteile herausgefiltert, die primär die Eigenschaften der Bohrungsrandzone beeinflussen. Dies geschieht mit Hilfe einer mathematischen Modellierung des Bohrprozesses, in der die Einflüsse der Schneidkantengeometrie, der Schneidkantenverrundung, der Schneidkantenfase sowie des Freiflächenverschleißes berücksichtigt werden.

Aspekte des Prozesses der N-Freisetzung aus Humus-Vorratsabbau

In der vorliegenden Arbeit werden die Auswirkungen von Umweltveränderungen in einem N-gesättigten Buchenwaldökosystem über Basalt (Braunerde) untersucht. Unter veränderten Umweltbedingungen sind hier vor allem Bestandesdachauflösung, immissions- oder waldbaulich bedingt, und Klimaveränderung zu verstehen, die eine Erwärmung des Oberbodens zur Folge haben. Die Änderungen der Umweltbedingungen werden in diesem Versuchsansatz durch einen waldbaulichen Eingriff simuliert, durch den eine Bestandeslücke entsteht, die in einer Erwärmung des Bodens resultieren und damit den Wasser- und Elementhaushalt insgesamt beeinflussen. Es wird deutlich, dass die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Flächen als N-gesättigt bezeichnet werden können, da die N-Verluste aus dem System die Größe der Einträge überschreiten. In der Folge ist es zu einer Entkopplung des Stoffhaushalts und damit zu erhöhter N-Mobilisierung gekommen. Diese konnte vor allem im hydrologischen Jahr 1996 dokumentiert werden; der Überschuss-N-Output liegt auf der Auflichtungsfläche bei bis zu 50 kg N/(ha*a)! Die beobachteten hohen N-Austräge erfolgten trotz eines ebenfalls beobachteten Anwachsens des mikrobiellen Stickstoff-Pools und des Aufwachsens einer krautigen und strauchigen Vegetation auf der Auflichtungsfläche. Im Jahresgang konnten auf der Auflichtungsfläche in 0 - 30 cm Bodentiefe maximale Änderungen im Nmic-Vorrat von 130 kg N/(ha*a) beobachtet werden. Das im Frühjahr beginnende quantitative Anwachsen des mikrobiellen Stickstoff-Pools mit dem Jahresgang zeigt vor allem dessen Temperaturabhängigkeit auf. Die am Ende der Vegetationsperiode deutlich ansteigenden Austragsraten zeigen jedoch an, dass der freigesetzte Stickstoff auch von den Mikroorganismen nicht dauerhaft im System gehalten werden kann, da mit fallender Temperatur auch die Mikroorganismen absterben und der in ihrer Biomasse gespeicherte Stickstoff freigesetzt wird. Aufwachsende Vegetation auf der Auflichtungsfläche konnte einen Großteil des Netto-Stickstoff-Jahreseintrages aufnehmen. Da die "Netto-Jahres-Mineralisation" 1996 leicht über der Wurzelaufnahme liegt, verbleibt ein Rest, der nicht von der aufwachsenden krautigen Vegetation der Auflichtungsfläche aufgenommen werden kann. Ergebnis ist damit, dass die auf Lochhieben aufwachsende krautige und strauchige Vegetation eine temperaturbedingte Stickstoffmobilisierung nur teilweise kompensieren kann. Allein aufwachsende verholzende Vegetation kann Stickstoff langfristig im System binden.

Entwicklung eines Verfahrens zum Schneiden und Schälen von Obst mit Hochdruckwasserstrahlen

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt und untersucht, mit welchem Früchte annähernd verlustfrei und unter sehr hygienischen Bedingungen geschnitten werden können. Die Produkte – hier gezeigt am Beispiel von Äpfeln und Melonen – werden mit einem Hochdruckwasserstrahl geschnitten, der durch ein bildverarbeitendes System entsprechend der Anatomie der Frucht geführt werden kann. Die Vorteile dieses Verfahrens sind die individuelle Schnittführung, die Materialverluste minimiert und die Tatsache, dass die Frucht ohne wesentlichen Eingriff von Personal bearbeitet wird. Die Literaturauswertung ergab, dass diese Technologie bislang noch nicht bearbeitet wurde. Der Einsatz des Hochdruckwasserstrahlschneidens im Bereich der Agrartechnik beschränkte sich auf das Schneiden von Zuckerrüben Brüser [2008], Ligocki [2005] bzw. Kartoffeln Becker u. Gray [1992], das Zerteilen von Fleisch Bansal u. Walker [1999] und Fisch Lobash u. a. [1990] sowie die Nutzung von Wasserstrahlen im Zusammenhang mit der Injektion von Flüssigdünger in Ackerböden Niemoeller u. a. [2011]. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Einsatzmöglichkeiten des Wasserstrahlschneidens zu erfassen und zu bewerten. Dazu wurden in einer Vielzahl von Einzelversuchen die Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern wie Wasserdruck, Düsendurchmesser, Vorschubgeschwindigkeit und Düsenabstand auf das Schnittergebnis, also die Rauheit der entstehenden Schnittfläche untersucht. Ein Vergleich mit konventionellen Schneidemethoden erfolgte hinsichtlich der Schnittergebnisse und der Auswirkungen des Wasserstrahlschneidens auf nachfolgende Verfahrensschritte, wie dem Trocknen.

Survey of Agricultural Practices and Alternatives to Pesticide Use to Conserve Water Resources in the Mojanda Watershed, Ecuador

Agriculture in the Mojanda Watershed is facing rainfall reductions caused by climate change. Reductions of water availability in the Watershed are also due to constant extension of the agricultural activities into the páramo ecosystem above 3000m a.s.l., with this ecosystem having immanently important functions in the local water balance. The application of pesticides threatens the quality of water and with less precipitation contaminations will further concentrate in the outflow. To analyze problems associated with agricultural practices in the area a questionnaire about agricultural practices (28) was conducted and fields (20) were surveyed for pests and diseases with a focus on potatoes (Solanum tuberosum L.), tree tomatoes (Solanum betaceum Cav.) and peas (Pisum sativum L.). Potatoes were infected to a low degree with Phytophthora infestans and according to the farmers the Andean potato weevil (Premnotrypes spec.) caused biggest losses. To combat the weevil the soils are disinfected with toxic Carbofuran (WHO Class 1B). Tree tomatoes showed symptoms of various fungal diseases. Most important was Fusarium solani causing the branches to rot and Anthracnosis (Colletotrichum gloeosporioides) causing the fruits to rot. Fungicide applications were correspondingly high. Peas were only minorly affected by Ascochyta blight (Mycosphaerella pinodes) and a root rot. Overall 19 active ingredients were applied of which fungicide Mancozeb (WHO class table 5) and insecticide Carbofuran (WHO Class 1B) were applied the most. Approved IPM methods are advised to reduce pesticide use. For tree tomatoes regular cutting of branches infected with F. solani and regular collection and disposal of infected fruits with Anthracnosis are advised. For potatoes plastic barriers around the fields prevent the Andean potato weevil from laying eggs thus reducing infestation with the larvae in the tubers. Local bioinsecticide “Biol” seems effective and without harm to the environment, although not used by many farmers. Organic fertilization promises to restore decreasing soil fertility, water holding capacity and reduce erosion. The here presented alternatives and strategies to reduce pesticide use pose an opportunity to preserve the water resources of the region.

Development of mechanical methods for cell-tray propagation and field transplanting of dwarf napiergrass (Pennisetum purpureum Schumach.)

Since dwarf napiergrass (Pennisetum purpureum Schumach.) must be propagated vegetatively due to lack of viable seeds, root splitting and stem cuttings are generally used to obtain true-to-type plant populations. These ordinary methods are laborious and costly, and are the greatest barriers for expanding the cultivation area of this crop. The objectives of this research were to develop nursery production of dwarf napiergrass in cell trays and to compare the efficiency of mechanical versus manual methods for cell-tray propagation and field transplanting. After defoliation of herbage either by a sickle (manually) or hand-mowing machine, every potential aerial tiller bud was cut to a single one for transplanting into cell trays as stem cuttings and placed in a glasshouse over winter. The following June, nursery plants were trimmed to a 25–cm length and transplanted in an experimental field (sandy soil) with 20,000 plants ha^(−1) either by shovel (manually) or Welsh onion planter. Labour time was recorded for each process. The manual defoliation of plants required 44% more labour time for preparing the stem cuttings (0.73 person-min. stemcutting^(−1)) compared to using hand-mowing machinery (0.51 person-min. stem-cutting^(−1)). In contrast, labour time for transplanting required an extra 0.30 person-min. m^(−2) (14%) using the machinery compared to manual transplanting, possibly due to the limited plot size for machinery operation. The transplanting method had no significant effect on plant establishment or plant growth, except for herbage yield 110 days after planting. Defoliation of herbage by machinery, production using a cell-tray nursery and mechanical transplanting reduced the labour intensity of dwarf napiergrass propagation.