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Bioenergie immer zuerst auf belastete Areale !

Zielgruppen

Politiker, Planer, Wissenschaftler, Verwaltung, Büros, Landwirte

Problembeschreibung

In Deutschland sind potenziell bis zu etwa 10% der gesamten landwirtschaftlichen Fläche mit Schadelementen belastet, so dass dort nur eine eingeschränkte Lebens- und Futtermittelproduktion möglich ist. Solche Bereiche umfassen etwa die Auenbereiche großer Flüsse wie Rhein, Neckar, Main, Weser, Elbe und teilweise auch kleinerer Flüsse wie z.B. Oker und Innerste (Niedersachsen), aber auch Rieselfelder, Industrieflächen oder Schwermetallindustriestandorte. Häufig sind diese Flächen mit mehreren Schadelementen wie z. B. Arsen, Cadmium, Blei, Kupfer, Antimon, Thallium und Zink belastet. Konventionelle Technologien zum Sanieren dieser zum Teil ausgedehnten Bereiche sind weder ökonomisch noch ökologisch sinnvoll durchführbar. Die Schadelemente durch den gezielten Anbau mit schwermetallakkumulierenden Pflanzen zu reinigen, die sogenannte Phytoremediation, ist nicht zielführend, da es Jahrhunderte bis Jahrtausende dauern würde, den Gehalt in dem Boden auf akzeptable niedrige Gehalte zu senken.               

 

Die richtige Pflanzenwahl für Bioenergie auf belasteten Flächen

Eine echte Alternative hierzu ist es, auf belasteten Flächen Pflanzen mit hohen Biomasseerträgen und gleichzeitiger geringer Schadelementaufnahme anzubauen. Diese Pflanzen werden siliert und dann als Substrat in Biogasanlagen gegeben und können somit zur erneuerbaren Strom- und Wärmeproduktion beitragen. Bei diesem Nutzungspfad ist die Gefahr des Eintritts der giftigen Metalle in die Futtermittel- bzw. Lebensmittelkreisläufe gebannt. Durch die mögliche ganzjährige Bedeckung des Bodens mit Energiepflanzen werden nur wenige Schadelemente in andere Bereiche oder in die Gewässer verlagert. Die Gärreste mit den darin enthaltenen Nährelementen werden als Wirtschaftsdünger wieder auf die Felder zurückgeführt, auf denen die Energiepflanzen erzeugt wurden. Hierbei muss beachtet werden, dass sich die Schadelemente im Gärrest ungefähr um den Faktor 3 gegenüber dem Ausgangssubstrat anreichern (Sauer 2009; Sauer & Ruppert 2013). Da der Grenzwert für Cadmium in Düngemitteln nach der Düngemittelverordnung bei 1,5 mg/kg TS (Trockensubstanz)  liegt, dürfen somit im Mittel nur Energiepflanzen mit Cadmiumgehalten unter 0,5 mg/kg TS eingesetzt werden. Um dies zu gewährleisten, wird derzeit von Forschern der Universität Göttingen ein Prognosesystem für zu erwartende Schadelementgehalte im Erntegut vorbereitet. Als Eingangsdaten für diese Prognosen werden die mobilen Schadelementgehalte des Bodens mittels Ammoniumnitratextraktion benötigt. Erste grobe Abschätzungen sind bereits möglich, weitere werden in den nächsten Monaten zur Verfügung stehen und sollen in folgenden Forschungsprojekten ausgebaut und präzisiert werden.  

Neben der Nutzung von Energiepflanzen für Biogas kann auch der Anbau von schnellwachsenden Hölzern in Kurzumtriebsplantagen (KUP) für schwermetallbelastete Flächen sinnvoll sein. Dies gilt insbesondere für sehr stark belastete oder separat gelegene Flächen. In Deutschland sind zurzeit wenige Baumarten zur KUP-Nutzung zugelassen. Darunter Weiden, Pappeln, Erlen und Robinien. Da Pappeln und Weiden sehr viel Cadmium aus dem Boden aufnehmen, sollte auf cadmiumbelasteten Standorten unbedingt auf Robinien oder Erlen ausgewichen werden. Sonst sind erhöhte Cadmium-Emissionen bei der anschließenden Verbrennung zu erwarten.

 

Methoden

Die Schadelementanreicherungen durch unterschiedliche Pflanzen wurden an zehn Standorten mit stark variierender Belastung getestet. Grundsätzlich verhalten sich die Elemente entsprechend ihrer chemischen Eigenschaften im Pfad Boden-Pflanze unterschiedlich. Einige, wie Cadmium, Thallium und Zink, sind sehr mobil und können leicht über die Bodenlösung in die Pflanze verlagert werden. Selbst bei geringen Gehalten im Boden können sich diese Elemente in den oberirdischen Pflanzenteilen anreichern. Elemente wie Kupfer, Molybdän und Nickel sind in geringerem Maße mobil. Kaum aufgenommen wird beispielsweise Blei. Dieses Element wird hauptsächlich mit anhaftendem Bodenmaterial auf Blatt- oder Stieloberflächen aufgetragen, welches den Elementgesamtgehalt stark erhöhen kann. Bei sehr hoher Bleibelastung im Boden sollte also am Erntegut anhaftendes Bodenmaterial unbedingt vermieden werden.

Die Ergebnisse des Projektes zeigen eine sehr unterschiedliche Schwermetallanreicherung der verschiedenen Pflanzenfamilien, -gattungen und -arten. Auf dem gleichen Standort kann sich der Cadmiumgehalt in unterschiedlichen Pflanzen um den Faktor 100 unterscheiden (0,1 mg/kg Cd in Durchwachsender Silphie zu 9,1 mg/kg Cd in Amarant). Diese Tatsache zeigt, dass neben der Bodenbelastung auch die Pflanzenphysiologie einen sehr hohen Einfluss auf die Schwermetallaufnahme hat. Von den getesteten Kulturarten wurden vor allem Gattungen und Arten der Süßgräser als Familie mit geringem Aufnahmepotential identifiziert. Dazu gehören zum Beispiel verschiedene Getreidearten wie Roggen, Weizen, Gerste, Triticale und auch Mais. Unter den Hauptgetreidearten konnte so auf allen Standorten des Projektes folgende Reihenfolge der Cadmiumanreicherung festgestellt werden: Roggen< Gerste< Weizen. Sehr hohe Konzentrationen an Cadmium erreichen zum Beispiel einige Gattungen der Fuchsschwanzgewächse wie Amarant, Rübe (oberirdisches Blatt) und Quinoa. Einige Gattungen der Knöterichgewächse (z. B. Buchweizen, Igniscum) nehmen ebenfalls viel Cadmium auf und sind daher nicht für die bioenergetische Nutzung dieser Flächen zu empfehlen.

Die Elementdaten wurden nach einem Säuretotalaufschluss der Pflanzenproben mittels ICP-OES (Optisches Spektrometer) und ICP-MS (Massenspektrometer) ermittelt.

 

Zu erwartende Ergebnisse

Ein Fokus des zukünftigen Bioenergieausbaus sollte auf schwermetallbelasteten Flächen liegen. Das Flächenpotential von belasteten landwirtschaftlichen Flächen in Deutschland liegt etwa bei etwa einer Millionen ha. Der ansteigende Flächendruck auf produktive nicht belastete Flächen könnte somit entschärft werden, wenn der zukünftige Energiepflanzen-Flächenausbau auf belastete Flächen ausweicht.   

Die Ergebnisse dieses Projektansatzes zeigen, dass es für kontaminierte Flächen Nutzungsalternativen in Form von Energiepflanzenanbau gibt und diese Standorte aus der Nahrungs- und Futtermittelproduktion herausgenommen werden können. Die Auswahl der Energiepflanzen erfolgt auf Basis der beiden Kriterien: maximaler Ertrag bei gleichzeitig niedriger Schadelementaufnahme. Ebenfalls kann der Anbau von schnellwachsenden Hölzern eine Nutzungsalternative auf kontaminierten Flächen darstellen.

 

Literaturquellen:

Sauer, B. (2009). Elementgehalte und Stoffströme bei der Strom- und Wärmegewinnung im Bioenergiedorf Jühnde. Schriftenreihe Fortschritt neu denken, 2, 124.

Sauer, B. & Ruppert, H. Bioenergy Production as an Option for Polluted Soils – A Non-phytoremediation Approach. In: Ruppert, H., Kappas, M. & Ibendorf, J. (Hrsg., 2013). Sustainable Bioenergy Production – An Integrated Approach. S. 427-446,  Springer, Dordrecht.

Ansprechpartner:

Dr. Benedikt Sauer, Interdisziplinäres Zentrum für Nachhaltige Entwicklung,

Universität Göttingen, Goldschmidtstr. 1, 37077 Göttingen

Tel.: 0551 39 13736, E-Mail: bsauer@gwdg.de