Projekte von BioSC-Partnern
BMBF-Ausschreibung Bioökonomie International

„PURESBio - Process understanding and usage of residues for sustainable plant biomass production“

Um die Ernährungssicherheit unter Beachtung der Nachhaltigkeitsziele und globalen Anforderungen, wie u.a. Klimawandel, Anstieg des Verbrauchs an tierischen Nahrungsmitteln oder Biomassebedarf für energetische und stoffliche Verwertung, dauerhaft zu sichern, sind optimierte agrarische Nutzungssyteme unabdingbar. Durch den steigenden Bedarf an Nahrungsmitteln und Energie ist in Gebieten mit hohem Produktionspotential – wie z.B. Brasilien – dies von besonderer Bedeutung. Damit Produktionswachstum nicht zu Lasten der natürlichen Ressourcen erfolgt, ist eine rechtzeitige Etablierung von nachhaltigen Landnutzungsformen angezeigt. Dazu gehören eine ressourcenschonende und umweltverträgliche Produktion sowie die Nutzung moderner Anbautechnologien, möglichst geschlossene Nährstoffkreisläufe, aber auch die Aktivierung regionaler Märkte und Warenströme.

Diesen Herausforderungen stellt sich das Projekt „Process understanding and usage of residues for sustainable plant biomass production - PURESBio)“ im Rahmen der „Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030 – Bioökonomie International“, in Kooperation mit brasilianischen Projektpartnern.
In Brasilien waren 2011 mehr als 9,6 Millionen Hektar mit Zuckerrohr bepflanzt. Mit einer genutzten Gesamternte von mehr als 493 Millionen Tonnen in 2012 allein in Süd-Zentral Brasilien, wobei fast die Hälfte für die Ethanol-Produktion verwendet wurde. Die produzierte Ethanol-Gesamtmenge betrug dabei 20,5 Milliarden Liter. Die Mengen der im Produktionsprozess anfallenden Rückstände sind dabei enorm: pro Liter Ethanol fallen 5 Liter Vinasse, pro Tonne Zuckerrohr 5-30 kg Presskuchen und pro Hektar Zuckerrohrfläche 15 Tonnen Blattwerk an.

Die Nutzung dieser Rückstände (Presskuchen, Vinasse, Bagasse, Blattschnitt) aus der Zuckerrohrindustrie ist somit ökonomisch und energetisch interessant. Gestiegene Preise und der hohe Energieverbrauch für die Produktion von Mineraldünger unterstützen die Idee zur Rückführung von Pflanzennährstoffen aus organischen Rückständen in den Boden als Beitrag zur Schließung des Nährstoffkreislaufes. Dabei spielen Phosphor (P) als limitierte Ressource und die Verarmung der Böden an Kohlenstoff (C) und anderen Nährstoffen eine besondere Rolle. Die Rückführung von P- und C-Verbindungen als Bestandteile pflanzlicher Rückstände ist für die Entwicklung nachhaltiger Wirtschaftsformen im Rahmen einer Kreislaufwirtschaft besonders wichtig, auch in Hinblick auf das formulierte Bodenschutzziel zur nachhaltigen Sicherung der Fruchtbarkeit und Leistungsfähigkeit des Bodens.

Im vorliegenden Forschungsvorhaben PURESBio soll das Potenzial der Verwertung organischer Reststoffe aus der landwirtschaftlichen Produktion für die Aufwertung von landwirtschaftlichen, insbesondere marginalen Standorten (d.h. ertragsschwachen, nährstoffarmen, mit geringem Humusanteil) zur Steigerung der Flächenproduktivität untersucht werden. Mit einer Gesamtfläche von 200 Millionen Hektar sind diese marginalen Böden in Brasilien stark verbreitet. Sie sind z.B. in der landwirtschaftlich genutzten Savannenlandschaft in Zentral- und Nord-Ost Brasilien: Campos cerrados zu finden, und sie stellen eine besondere Herausforderung in Bezug auf eine nachhaltige Bewirtschaftung dar.

Aufgrund knapper werdender Bodenressourcen spielen marginale Anbaustandorte eine zunehmend wichtige Rolle. Um diese in die landwirtschaftliche Produktion einzubeziehen, ist der Einsatz standortangepasster Nutzpflanzen, hinsichtlich Wasser- und Nährstoffversorgung sowie entsprechender Anbauverfahren, notwendig. Unter Einbindung eines Konzeptes zur Wiedereinbringung von organischer Substanz in den Boden z.B. durch die Verwertung von organischen Reststoffen aus der Produktion, kann eine langfristige Stabilisierung, wenn nicht sogar eine Steigerung der Bodenhumusgehalte erzielt werden. Diese Standortaufwertung reduziert langfristig den Bedarf an mineralischen Stickstoffdüngern und damit das Emissionspotenzial von Treibhausgasen.

Die weitere Nutzbarmachung marginaler Böden dämpft mögliche Konflikte um Flächen zwischen landwirtschaftlicher Nahrungsmittel- und Energieproduktion. Wie im WBGU-Report „Zukunftsfähige Bioenergie und nachhaltige Landnutzung“, 2008 berichtet, kann der Bodenschutz durch den Anbau von Energiepflanzen langfristig verbessert und der Energiepflanzenanbau zur Restaurierung marginaler Flächen genutzt werden. Wie dort dargelegt, kann „bei der Wahl des richtigen Anbausystems die Kultivierung von Energiepflanzen auf marginalen Böden (z. B. auf degradiertem Land) sogar zu einer Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit führen. Der Anbau von Energiepflanzen auf degradierten Flächen ist auch deshalb eine strategische Option, da hierdurch Flächen restauriert werden können, die später zumindest teilweise für die Nahrungsproduktion zur Verfügung stehen könnten. Der zunehmende Druck auf die Landnutzung könnte dadurch partiell gedämpft werden.“

Die Entwicklung von Biogasanlagen zur Nutzung landwirtschaftlicher Reststoffe gewinnt auch im Kooperationsland Brasilien eine zunehmende Bedeutung zur Energieproduktion. Dort wie in Deutschland ist die Nutzung und Verwertung der biogenen, landwirtschaftlichen Abfallstoffe aus der Energiepflanzenproduktion eine zentrale Frage.

Im vorliegenden Projekt sollen Abfälle von der Bioethanol- und Zuckerherstellung (Zuckerrohr) auf brasilianischer Seite- und Biogasproduktion (z.B. Mais, Energiegräser) auf deutscher Seite hinsichtlich ihrer Verwertbarkeit als Dünger bzw. Bodenkonditionierer geprüft werden. Das vom Institut für Bio- und Geowissenschaften, Pflanzenwissenschaften (IBG-2) am Forschungszentrum Jülich angelegte Feldexperiment zur Nutzung von Rückständen aus der Biogasproduktion zum Anbau von Energiepflanzen kann dadurch eine weitere Brücke für zukünftige Kooperationen mit Brasilien im Biogassektor bilden. Dazu werden die verschiedenen Agrikultursysteme auf ihre Nachhaltigkeit und ihre Nutzbarkeit zur Biomasseproduktion auf landwirtschaftlichen und marginalen Böden geprüft und die Ressourceneffizienz der unterschiedlichen Kultursysteme ermittelt. Diese Vorhaben stehen im besonderen Fokus der brasilianischen „Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationsstrategie“ zur nachhaltigen Nutzung und zum Ausbau der Produktionsketten im Bioenergiesektor. Zudem ist es erforderlich, Anbau- und Wirtschaftskreisläufe unter ganzheitlicher regionaler Betrachtung der Akteure, öffentlicher Unternehmen, der Landnutzung, Ressourceneffizienz und Stoffflüsse zu analysieren und zu optimieren.