Miscanthus - Vom Feld bis zum Ofen Abschlussbericht

FORSCHUNGSBERICHT

Teil 1: Ernte von Miscanthus

Projekt im Rahmen des Energie Technologie Programmes des Landes Oberösterreich in Zusammenarbeit mit

Franz Handler Emil Blumauer

Heft Nr. 53 / März 2011

AT 3250 Wieselburg, Rottenhauser Straße 1 Tel.: +43 (0)7416 52175 – 0, Fax: +43 (0)7416 52175 – 45 [email protected], http://blt.josephinum.at

Abschlussbericht zum Forschungsprojekt Miscanthus - Vom Feld bis zum Ofen Teil 1: Ernte von Miscanthus

März 2011 Dipl.-Ing. Franz Handler Dipl.-HLFL-Ing. Emil Blumauer

Angaben zum Projektträger Fa. Hargassner GesmbH Hackgut-Pellets-Heizungen Anton Hargassner Straße 1 4952 Weng Tel.: +43-7723-5274-0 Fax: +43-7723-5274-5 Kontaktperson: Markus Hargassner Email: [email protected]

Projektpartner: HBLFA Francisco Josephinum BLT WIESELBURG Rottenhauser Straße 1 3250 Wieselburg Kontaktperson: Franz Handler Tel: 07416/52175-0 Email: [email protected]

Projekt im Rahmen des Energie Technologie Programmes des Landes Oberösterreich

Impressum Herausgeber: HBLFA Francisco Josephinum, A-3250 Wieselburg des Bundesministeriums für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft Direktor: HR Dipl.-Ing. Alois Rosenberger Leiter für Forschung und Innovation: HR Dipl.-Ing. Heinrich Prankl Für den Inhalt verantwortlich: Dipl.-Ing. Franz Handler Dipl.-HLFL-Ing. Emil Blumauer Redaktion: BLT Wieselburg Tel.: +43 (0)7416 52175-0 E-Mail: [email protected] Web: blt.josephinum.at Druck, Verlag und ©2011 Lehr- und Forschungszentrum Francisco Josephinum, A-3250 Wieselburg Alle Rechte vorbehalten ISBN 978-3-902451-08-8 Dieser Bericht wird wie folgt zitiert: Handler, F.; Blumauer, E.: Miscanthus - Vom Feld bis zum Ofen. Abschlussbericht Teil 1: Ernte von Miscanthus, Forschungsbericht Nr. 53, Wieselburg, BLT Eigenverlag, 2011 – ISBN 978-3-902451-08-8

Inhaltsverzeichnis

Seite 5

INHALTSVERZEICHNIS

1.

EINLEITUNG............................................................................................................................................ 7

2.

ERNTE VON MISCANTHUS ................................................................................................................... 8 2.1

Zielsetzung .................................................................................................................................................... 8

2.2

Material und Methode ................................................................................................................................... 9

2.3

Ergebnisse der Zeitstudien ......................................................................................................................... 11 2.3.1 Zeitstudien bei der einphasigen losen Häckselgutkette (Häcksellinie) ............................................. 11 2.3.2 Zeitstudien bei zweiphasiger Ernte mit Feldhäcksler und Großpackenpresse (Ballenlinie) ............. 25

2.4

Modellrechnungen Miscanthusernte ........................................................................................................... 35 2.4.1 Vergleich des Arbeitszeitbedarfes der Häcksellinie und der Ballenlinie ........................................... 35 2.4.2 Auswirkung von lagernden Miscanthusbeständen auf den Arbeitszeitbedarf bei der Häcksellinie .. 38 2.4.3 Einfluss der Häcksellänge auf den erforderlichen Arbeitszeitbedarf bei der Häcksellinie ................ 39 2.4.4 Ernte-, Transport- und Lagerkosten bei Häcksel- und Ballenlinie .................................................... 40

3.

PRODUKTION VON MISCANTHUSBRIKETTS ................................................................................... 45 3.1

Zielsetzung .................................................................................................................................................. 45

3.2

Material und Methode ................................................................................................................................. 45 3.2.1 Beschreibung der Brikettieranlage und des verwendeten Rohstoffes .............................................. 45 3.2.2 Beschreibung des verwendeten Rohstoffes .................................................................................... 48 3.2.3 Vorgehensweise .............................................................................................................................. 48

3.3

Ergebnisse .................................................................................................................................................. 49 3.3.1 Partikelgröße nach der Aufbereitung des Häckselgutes durch die Hammermühle .......................... 49 3.3.2 Massenstrom durch die Brikettieranlage .......................................................................................... 50 3.3.3 Leistungsbedarf bei der Brikettierung .............................................................................................. 51 3.3.4 Spezifischer Energiebedarf bei der Brikettierung von Miscanthushäckselgut .................................. 52 3.3.5 Schüttdichte nach der Brikettierung ................................................................................................. 53 3.3.6 Direkter spezifischer Energieeinsatz für das Häckseln und Brikettieren .......................................... 55

4.

ZUSAMMENFASSUNG ......................................................................................................................... 57

5.

QUELLENVERZEICHNIS ...................................................................................................................... 60

6.

ABBILDUNGSVERZEICHNIS ............................................................................................................... 61

7.

TABELLENVERZEICHNIS .................................................................................................................... 63

Seite 6

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

1.

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EINLEITUNG

Miscanthus ist eine mehrjährige Kultur mit bis zu 20 Nutzungsjahren. Eine Ernte ist ab dem 2. Bestandsjahr sinnvoll. Skeptiker stören die hohen Anlagekosten, da die Gewinnung der zu legenden Rhizome sehr teuer ist. Für Ablehnung können aber auch die lange Flächenbindung, fehlende Abnahmegarantien und zu geringe Deckungsbeiträge sorgen. Befürworter schwärmen vom ganzjährigen Bodenschutz für wassererosionsgefährdete Hangflächen (Ausnahme Anlagejahr), dem geringen Dünger- und Pflegebedarf und dem landschaftsgestaltenden Element dieser Kultur. Österreichweit gibt es laut NÖ Landwirtschaftskammer etwa 1000 ha Miscanthus, die jährlich zu ernten sind. Grundsätzlich wäre der maximale TM-Ertrag bei Miscanthus im Herbst bei einem TM-Gehalt von rund 50 % erzielbar. Zu diesem Zeitpunkt sind die nährstoffreichen Blätter noch nicht abgefallen. Diese führen nach dem Abfallen dem Boden einerseits wieder Nährstoffe zurück und andererseits lassen sie durch die Bildung einer Mulchschicht Unkraut kaum eine Chance. Im Jänner liegt der TM-Gehalt bei rund 45 %. Das Erntegut wäre zu diesem Zeitpunkt ohne Trocknung nicht lagerfähig. Je nach Witterungsverlauf trocknen die Bestände bis Ende März bzw. bis in den April hinein soweit ab, dass lagerfähiges Material mit einem TM-Gehalt von über 85 % geerntet werden kann. In diesem Zeitraum steht die erforderliche Erntetechnik in den Maschinenhallen. Miscanthus bietet daher die Chance teure Erntetechnik besser auszulasten. Die mangelnde Tragfähigkeit der Böden kann dabei ein erhebliches Problem darstellen. Bis zum Austrieb (Mitte bis Ende April) soll die Ernte abgeschlossen sein, denn junge Triebe dürfen keinesfalls zu Schaden kommen, da dies negative Folgen auf den Ertrag des folgenden Aufwuchses hätte. Die Verwertungsmöglichkeiten von Miscanthus reichen beispielsweise vom Brennstoff, über Einstreu bis hin zur stofflichen Nutzung als Leichtbetonbestandteil oder als Ölbindemittel.

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2.

ERNTE VON MISCANTHUS

2.1

Zielsetzung

Ernte von Miscanthus

Im Rahmen des Projektes wurden praxisrelevante Erfahrungen über die Ernte von Miscanthusflächen der Brennstoffaufbereitung gesammelt. Ziel des Forschungsprojektes war die Erarbeitung verfahrenstechnischen, logistischen und arbeitswirtschaftlichen Kennzahlen für die Bewirtschaftung Miscanthusflächen. Darauf aufbauend werden die Arbeitserledigungskosten ermittelt Verbesserungspotentiale abgeleitet.

und von von und

Im Besonderen wurden folgende Fragen beantwortet: • Welchen Massenstrom kann der mit einem reihenunabhängigen Maisgebiss ausgerüstete Feldhäcksler unter welchen Einsatzbedingungen erreichen? • Welcher Massenstrom ist bei der zweiphasigen Ernte mit Feldhäcksler mit offenem Trommelboden und anschließendem Pressen von Quaderballen mit einer Großpackenpresse erzielbar? • Welche Eigenschaften (Schüttdichte, Wassergehalt, Sieblinie) weist das Häckselgut auf? • Welche Auswirkungen haben der erzielbare Massenstrom und die Eigenschaften des Häckselgutes auf die nachfolgende Logistik? • Wie hoch sind die Erntekosten unter verschiedenen Rahmenbedingungen?

Ernte von Miscanthus

2.2

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Material und Methode

Es wurden zwei Ernteverfahren untersucht: Verfahren 1: Einphasige lose Häckselgutkette Die Feldhäcksler wurden entsprechend der gewünschten Schnittlänge (7 bis 24 mm) mit halben bis ganzen Messersatz ausgerüstet. Als Erntevorsatz wurden entsprechend der verfügbaren Motorleistung reihenunabhängige Maisgebisse mit einer Arbeitsbreite von 4,5 m, 6,0 m oder 7,5 m eingesetzt. Der Feldhäcksler blies das Häckselgut in nebenher fahrende traktorgezogene Anhänger, welche den Transport zum Lager bzw. Zwischenlager übernahmen.

Abbildung 1: Feldhäcksler mit reihenunabhängigem Maisvorsatz in der losen Häckselgutkette Verfahren 2: Zweiphasige Ernte mit Feldhäcksler und Großpackenpresse Dabei war der Feldhäcksler mit nur zwei Messern (84 mm Schnittlänge) ausgestattet und der Trommelboden war offen. Der durch den offenen Trommelboden abgelegte Schwad wurde von der nachfolgenden Großpackenpresse aufgenommen und gepresst. Ziel dieses Systems ist eine deutlich höhere Transport- und Lagerdichte des Erntegutes zu erreichen. Die erzielbare Schwadstärke hing einerseits von der Schnittbreite des reihenunabhängigen Maisgebisses und andererseits vom Ertrag ab. Die Versuche wurden in den Jahren 2009 bis 2010 auf 2- bis 5-jährigen Miscanthusflächen durchgeführt. Der Reihenabstand und der Pflanzabstand in der Reihe betrugen generell 100 cm. Grundsätzlich wurde nur lagerfähiges Erntegut mit einem Trockenmassegehalt von über 85 % geerntet. Zur Datenerfassung aller Arbeitsabläufe wurden diese in Arbeitsteilvorgänge zerlegt (Handler und Blumauer 2010). Die Zeitmessung erfolgte mit Ortim a3. Zum Messen der zurückgelegten Wegstrecken wurde GPS eingesetzt. Die geerntete Miscanthusmasse wurde entweder auf Brückenwaagen oder mit Hilfe von Raddruckwaagen bestimmt. Der Trockenmassegehalt des Erntegutes wurde entsprechend CEN/TS 14774-2:2004 ermittelt. Die Schüttdichte wurde gemäß CEN/TS 15103:2005 erhoben. Da sich Miscanthushäckselgut deutlich von üblichen festen Biobrennstoffen (z. B. Hackgut) unterscheidet, wurden zusätzlich die Transportanhänger vermessen und deren Füllgrad bestimmt.

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Ernte von Miscanthus

Die statistische Auswertung der Arbeitsbeobachtungen erfolgte mit ORTIMzeit Professional und SPSS 17.0. Die Modellkalkulationen basieren auf den ermittelten Planzeiten.

Abbildung 2: Zweiphasige Ernte mit Feldhäcksler mit offenem Trommelboden (oben) und Großpackenpresse (unten)

Ernte von Miscanthus

2.3

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Ergebnisse der Zeitstudien

2.3.1 Zeitstudien bei der einphasigen losen Häckselgutkette (Häcksellinie) Für die Zeitstudien wurde die Arbeit in die Arbeitsteilvorgänge Häckseln, Wenden, Wechseln der Transportfahrzeuge, Rüstarbeiten bei Ankunft am Feld und vor Verlassen des Feldes sowie Störzeiten gegliedert.

2.3.1.1 Arbeitszeitbedarf für den Teilvorgang Häckseln und Massenstrom durch den Feldhäcksler Der Arbeitsteilvorgang Häckseln umfasst die Zeit, in der sich der Feldhäcksler vorwärts bewegt und Miscanthusstängel aufnimmt. Bezieht man den Arbeitszeitbedarf für das Häckseln auf die Fläche, so hängt dieser von der Arbeitsbreite des reihenunabhängigen Maisvorsatzes, der eingestellten theoretischen Häcksellänge, der zur Verfügung stehenden Motorleistung und der sich daraus ergebenden möglichen Fahrgeschwindigkeit des Häckslers ab. Wird der Arbeitszeitbedarf für das Häckseln auf die Masse des produzierten Häckselgutes bezogen, ist neben dem Ertrag auch entscheidend, dass die Miscanthusbestände keine Lagerstellen aufweisen, da bei diesen mit vermehrtem Auftreten von Störungen (Verstopfungen) zu rechnen ist und aufgrund des schlechteren Erntegutflusses im Einzugsbereich des Feldhäckslers auch langsamer gefahren werden muss. Der erzielte Massenstrom durch den Feldhäcksler ist eine wichtige Kennzahl bei der Zusammenstellung und Organisation der Transportkette. Bei üblichen Häckselgütern wie Silomais und angewelktem Gras bleibt der Massenstrom durch den Häcksler unabhängig vom Ertrag annähernd konstant. Beim Häckseln von Miscanthus wurden enorme Massenstromunterschiede dokumentiert, was die Organisation der Häckselguttransportkette erschwert. Abbildung 3 zeigt den Massenstrom durch den Häcksler bei unterschiedlicher Nennleistung des Feldhäckslers, bei Verwendung reihenunabhängiger Maisgebisse unterschiedlicher Arbeitsbreite und bei unterschiedlicher Häcksellänge in Abhängigkeit vom Ertrag. Der Massenstrom durch den Feldhäcksler bezieht sich nur auf die reine Häckselzeit ohne Nebenzeiten. Ein guter Häckslerfahrer, der das mögliche Leistungspotential des Feldhäckslers ausschöpft, erzielt unabhängig vom Ertrag annähernd den gleichen Massenstrom, indem er die Fahrgeschwindigkeit dem Ertrag anpasst. Dies geschah in Abbildung 3 nur annähernd beim Feldhäcksler mit 305 kW Nennleistung, einer theoretischen Arbeitsbreite von 4,5 m und einer eingestellten Häcksellänge von 14 mm. Dessen Erhebungsdaten wurden auch als Datengrundlage für die Ableitung der möglichen Fahrgeschwindigkeit während des Häckselvorganges in Abbildung 5 herangezogen. Bei guten Erträgen (15,0 t TM/ha) wurde mit einem 305-kW-Feldhäcksler ein Massenstrom in der Größenordnung von 18,0 t TM/h erzielt. Dieser fiel bei Erträgen im Bereich von 10 t TM/ha auf unter 15 t TM/h. Beim Feldhäcksler mit 458 kW Nennleistung wurden auch schlecht entwickelte Miscanthusbestände mit Lücken und einem Ertrag von rund 5,0 t TM/ha gehäckselt. Der Häckslerfahrer konnte aufgrund des ungleichmäßigen Gutflusses die Fahrgeschwindigkeit beim Häckseln nicht im ausreichenden Ausmaß steigern, sodass der erzielte Massenstrom unter 20,0 t TM/h sank.

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Ernte von Miscanthus

Mit einem 570-kW-Feldhäcksler wurde mit einem reihenunabhängigen Maisgebiss mit 7,5 m Arbeitsbreite bei einer theoretischen Häcksellänge von 7 mm in Abhängigkeit vom Ertrag ein Massenstrom zwischen 22,0 und 32,0 t TM/h erzielt. Da es sich bei dem 570-kW-Feldhäcksler um eine zweimotorige Maschine handelte, wurde bei einer eingestellten Häcksellänge von 24 mm ein Motor abgeschaltet. Somit standen nur 285 kW Nennleistung zur Verfügung. Der erzielte Massenstrom lag bei einem Ertrag von 10,0 t TM/ha bei 33,0 t TM/h und stieg bei einem Ertrag von 12,0 t TM/ha auf rund 40,0 t TM/h. Mit dem Feldhäcksler mit 372 kW Nennleistung konnten bei einem höheren Ertragsniveau die gleichen Massenströme wie mit dem 570-kW-Feldhäcksler bei der gleichen eingestellten Häcksellänge von 7 mm erzielt werden. Das bedeutet, dass bei 570 kW verfügbarer Nennleistung des Feldhäckslers das mögliche Leistungspotential nicht ausgeschöpft werden konnte.

Massenstrom durch den Häcksler [t TM/h]

45,0 285 kW, 7,5 m, 24 mm y = 3,21x + 1,62 R² = 0,94

40,0

372 kW, 4,5 m, 7 mm y = 1,63x + 2,10 R² = 0,70

35,0 30,0 25,0 570 kW, 7,5 m, 7 mm y = 2,88x - 6,29 R² = 0,79

20,0 15,0

305 kW, 4,5 m, 14 mm y = 0,50x + 9,27 R² = 0,71

10,0 458 kW, 6 m, 18 mm y = 4,01x - 2,93 R² = 1,00

5,0 0,0 0,0

2,0

4,0

6,0

8,0 10,0 12,0 Ertrag [t TM/ha]

14,0

16,0

18,0

20,0

Abbildung 3: Zusammenhang zwischen Ertrag 1 und Massenstrom durch den Feldhäcksler

Wie die in Abbildung 4 zusammengefassten Erhebungen (Handler und Blumauer 2008) zeigen, werden beim Häckseln von Silomais und Gras deutlich höhere Massenströme erzielt als beim Häckseln von Miscanthus. Die dargestellten Datenpunkte sind Mittelwerte eines Häckslers und beziehen sich auf die reinen Häckselzeiten ohne Nebenzeiten (Wendezeiten, Anhängerwechsel, Störungen, Rüstzeiten, etc.). Beim Häckseln von Gras und Silomais wird die Arbeitsbreite (Schwadbreite) entsprechend der Motorleistung des Feldhäckslers angepasst. Beim Häckseln von Miscanthusbeständen haben sich reihenunabhängige Maisgebisse mit großer Arbeitsbreite als nicht zweckmäßig erwiesen, da aufgrund der fehlenden Blattmasse die Miscanthusstängel schlechter eingezogen werden. Dies erklärt den deutlich geringeren Massenstrom durch den Feldhäcksler vor allem bei höheren Nennleistungen. Selbst bei geringer Nennleistung des Feldhäckslers konnten beim Häckseln von Miscanthus bei weitem nicht die Massenströme erreicht werden wie beim Häckseln von Silomaisbeständen. So bewegte sich der erzielte Massenstrom beim Häckseln von Miscanthus bei Verwendung eines Feldhäckslers mit 305 kW Nennleistung bei 18,6 t TM/h und bei Silomais 1

TM … Trockenmasse

Ernte von Miscanthus

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bei 43,6 t TM/h. Bei einer zur Verfügung stehenden Nennleistung des Feldhäckslers von 455 kW bewegte sich der erzielte Massenstrom bei Silomais bei 72,7 t TM/h und bei Miscanthus bei 32,3 t TM/h.

Massenstrom durch den Feldhäcksler [t TM/h]

100,0 y = 0,1814x - 11,7 R² = 0,99

90,0 80,0

Silomais 70,0

Angewelktes Gras

60,0

Miscanthus

50,0

y = 0,1912x - 23,0 R² = 0,99

40,0 30,0 20,0

y = -0,0006x2 + 0,573x - 100,4 R² = 0,98

10,0 0,0 200

250

300

350

400

450

500

550

600

Nennleistung des Feldhäckslers [kW]

Abbildung 4: Zusammenhang zwischen der Nennleistung des Feldhäckslers und dem erzielten Massenstrom bei Silomais, angewelktem Gras und Miscanthus

Im Zuge der Erhebungen wiesen die Lohnunternehmer übereinstimmend auf den im Vergleich zu Mais schlechteren Einzug von Miscanthus hin. Grund dafür sind die fehlenden Blätter und glatten Stängel. Dies führt zu einer geringeren Schlagkraft. Weiters wiesen sie auf den erhöhten Verschleiß der Schneidwerkzeuge im Vergleich zu anderen Feldfrüchten hin. Der erhöhte Verschleiß ist auf den hohen Siliziumgehalt von Miscanthus zurückzuführen. Dieser liegt in den Blättern bei 23 - 26 % und in den Stängeln zwischen 5 – 7 % (Röhricht 2008). Deetz (2009) hat sich in seiner Diplomarbeit mit dem Asche- und Silicatgehalt von Einjahrespflanzen intensiv beschäftigt, da er bei diesen um ein Vielfaches höher als bei Holz ist. Dies führt auch zu einem erhöhten Verschleiß der Schneidwerkzeuge. Regional können aufgrund des starken Wettbewerbes unter den Lohnunternehmern die Mehrkosten nicht immer an den Kunden weiter gegeben werden.

2.3.1.2 Zusammenhang zwischen der möglichen Fahrgeschwindigkeit Häckseln von Miscanthusbeständen und dem Trockenmasseertrag

beim

Nach bisherigen Erfahrungen handelt es sich beim Großteil der in Österreich kultivierten Miscanthusbestände um Klein- und Kleinstflächen. Der in Abbildung 5 dargestellte Zusammenhang zwischen dem Miscanthusertrag und der möglichen Fahrgeschwindigkeit beim Häckseln mit einem Feldhäcksler mit 305 kW Nennleistung spiegelt somit die gängige Praxis bei einer eingestellten Häcksellänge von 14 mm und einem reihenunabhängigen Maisgebiss mit 4,5 m Schnittbreite wider. Entsprechend der potentiellen Regressionsgleichung (y = 14,8x-0,618) sinkt bei steigendem

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Ernte von Miscanthus

Trockenmasseertrag die mögliche Fahrgeschwindigkeit und zwar von rund 3,7 km/h bei 10,0 t TM/ha auf 2,5 km/h bei 16,0 t TM/ha.

Fahrgeschwindigkeit beim Häckseln [km/h]

4,0 y = 14,8x-0,618 R² = 0,87

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 8,0

9,0

10,0

11,0

12,0 13,0 Ertrag [t TM/ha]

14,0

15,0

16,0

17,0

Abbildung 5: Zusammenhang zwischen Ertrag und möglicher Fahrgeschwindigkeit des Feldhäckslers mit 305 kW Nennleistung, 4,5 m theoretischer Arbeitsbreite und 14 mm eingestellter Häcksellänge beim Häckseln von Miscanthus

2.3.1.3 Erforderlicher Arbeitszeitbedarf des Feldhäckslers für den Teilvorgang Wenden Der Arbeitsteilvorgang Wenden umfasst die Zeit vom Beenden des Häckselvorganges bis der Häcksler samt Transportgespann nach einer Wende wieder zum Häckseln beginnt. Entscheidenden Einfluss auf die Wendezeit haben einerseits die Platzverhältnisse und andererseits das Geschick der Fahrer (siehe Tabelle 1). Dies erklärt auch die große Standardabweichung. Der Zeitbedarf für eine 90°-Wendung ist signifikant niedriger als jener für eine 180°-Wendung. Die ermittelten Werte liegen im Bereich, der auch vom KTBL (2011) angegeben wird. Zwischen den untersuchten Häckslern können keine signifikanten Unterschiede festgestellt werden. Üblich ist, dass bei Häckselbeginn zwei bis drei Runden an der Schlagaußenseite mit 90°-Wendungen geerntet werden. Danach wird immer nur längsseitig gehäckselt. Dazu sind am Vorgewende 180°-Wendungen erforderlich. Aufgrund der geringen mittleren Schlaggröße wurden mehr 90°Wendungen als 180°-Wendungen erfasst.

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Anzahl Messungen

Mittelwert [AKmin]

Standardabweichung [AKmin]

Quantil 5 [AKmin]

Median [AKmin]

Quantil 95 [AKmin]

Tamhane-T2Test (α=0,05)

Tabelle 1: Arbeitszeitbedarf für Wendevorgänge

Wendung 180°

124

0,53

0,22

0,32

0,46

0,93

a

Wendung 90°

150

0,43

0,21

0,15

0,40

0,75

b

2.3.1.4 Arbeitszeitbedarf für den Wechsel der Transportgespanne und Rüstarbeiten Der Arbeitsteilvorgang Wechsel der Transportgespanne beinhaltet den Zeitraum vom Stehenbleiben des Feldhäckslers, wenn das nebenherfahrende Transportfahrzeug voll ist, bis zum Weiterfahren, sobald das leere Transportgespann seine Position eingenommen hat. Der Arbeitszeitbedarf für diesen Teilvorgang beträgt im arithmetischen Mittel 0,52 AKmin (siehe Tabelle 2). Aufgrund der starken Staubentwicklung halten die wartenden Transportgespanne größere Abstände ein, um nicht unnötig einer großen Staubbelastung ausgesetzt zu sein. Dies erklärt den verhältnismäßig hohen Arbeitszeitbedarf für den Wechsel der Transportgespanne.

Anzahl Messungen

Mittelwert [AKmin]

Standardabweichung [AKmin]

Quantil 5 [AKmin]

Median [AKmin]

Quantil 95 [AKmin]

Tabelle 2: Arbeitszeitbedarf für den Wechsel der Transportgespanne und Rüstarbeiten

Erforderlicher Arbeitszeitbedarf für den Wechsel der Transportgespanne

25

0,52

0,26

0,24

0,46

0,93

Rüstarbeiten bei Ankunft am Feld

17

3,22

0,43

2,81

3,01

4,04

Rüstarbeiten vor dem Verlassen des Feldes

17

6,48

0,74

5,86

6,17

8,02

Die Rüstarbeiten bei Ankunft am Feld umfassen die Vorbereitung der Maschine (Transportsicherung abnehmen, Lichtbalken entfernen, Schneidwerk ausklappen, Auswurfrohr in Position bringen) für die Arbeit und die Festlegung der Vorgehensweise. Die Rüstarbeiten vor dem Verlassen des Feldes beinhalten das Vorbereiten der Maschine für die Fahrt zum nächsten Feld. Die Rüstarbeiten bei Ankunft am Feld nehmen weniger Zeit in Anspruch als jene vor dem Verlassen des Feldes. Zusätzlich ist auch die Schwankungsbreite der Rüstzeiten vor dem Verlassen des Feldes größer, da in unterschiedlichem Ausmaß Erntereste vom reihenunabhängigen Maisgebiss entfernt werden müssen und der erforderliche Arbeitszeitbedarf für die etwaige Montage der Transportsicherung ebenfalls starken Schwankungen unterliegt.

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Ernte von Miscanthus

Abbildung 6: Große Ernterestmengen waren zum Teil von den reihenunabhängigen Maisgebissen vor Verlassen des Miscanthusfeldes zu entfernen

2.3.1.5 Arbeitszeitbedarf für die Beseitigung von Verstopfungen Lagernde Miscanthusbestände verursachten bei reihenunabhängigen Maisvorsätzen vermehrt Verstopfungen. Für die Beseitigung einer Verstopfung waren im Mittel 0,48 AKmin erforderlich. In 90 % der Fälle lag der Wert zwischen 0,11 und 1,18 AKmin. In der Regel musste der Häckslerfahrer zur Beseitigung der Verstopfung nicht die Fahrerkabine verlassen. Üblicherweise wurden Verstopfungen durch kurze Rückwärtsfahrt und erneutem Ansatz beseitigt. Bei stark lagernden Miscanthusbeständen traten im Mittel alle 70 m Häckselstrecke Verstopfungen auf. Lagernde Bestände bedingten auch höhere Ernteverluste, einen erhöhten Blattanteil und einen erhöhten Anteil von Fremdstoffen im Häckselgut. Zudem wurde auch noch eine stärkere Staubentwicklung bei der Ernte beobachtet. Zu lagernden Miscanthusbeständen kam es einerseits bei zu guter Nährstoffversorgung, aber auch durch zu frühen Wintereinbruch, wenn Nassschnee auf die noch nicht abgefallenen Miscanthusblätter zum Liegen kam. In stehenden Miscanthusbeständen kam es zwischen null und drei Verstopfungen je Hektar.

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Abbildung 7: Beseitigung einer Verstopfung in einem stark lagernden Miscanthusbestand

In einem besonders krass lagernden Miscanthusbestand sank der Massenstrom durch den Häcksler auf 8 t TM/h (inkl. Schopper, ohne Wendezeiten). Dies entspricht nicht einmal der Hälfte des üblichen Massenstromes durch den Feldhäcksler und führt zu einer erheblichen Reduktion der Flächenleistung, was negative Auswirkungen auf die anfallenden Ernte- und Transportkosten hat. Um dies zu vermeiden, setzte Lohnunternehmer Humer aus Heiligenberg statt eines reihenunabhängigen Maisgebisses ein 6 m breites, klappbares GPS-Schneidwerk ein, womit er vergleichbare Massenströme wie in stehenden Miscanthusbeständen erzielen kann. Ein entsprechendes Einsatzvideo ist unter YouTube (https://www.youtube.com/watch?v=edASWD4ZI-Y&feature=related) zu finden. Beim Einsatz des GPSSchneidwerkes werden Stängel der Häckseltrommel auch quer zugeführt. Dies hat zur Folge, dass vermehrt Stängelteile mit deutlicher Überlänge im Häckselgut zu finden sind, die bei einer weiteren Verwendung Probleme bereiten könnten.

2.3.1.6 Staubentwicklung bei der Miscanthusernte und seine Folgen Im Gegensatz zu den üblichen Häckselgütern wird Miscanthus mit einem deutlich höheren Trockenmassegehalt geerntet. Das Häckselgut ist wesentlich leichter und aufgrund des geringeren Feuchtegehaltes kommt es zu verstärkter Staubentwicklung. Dies hat zur Folge, dass Kühler und Luftfilter der Traktoren und Feldhäcksler überdurchschnittlich oft gereinigt werden müssen. Unzureichende Wartung erhöht auch die Brandgefahr. Häckselunterbrechungen infolge zu starker Kühlerverschmutzung traten im Erntejahr 2010 vermehrt auf, was zu einem höheren Wartungsaufwand führte. Entscheidenden Einfluss hatten die Windrichtung, die Windstärke und der Anteil abgetrockneter Blütenstände und Blätter. Gesetzmäßigkeiten hinsichtlich der Regelmäßigkeit des Auftretens konnten nicht festgestellt werden. In

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Abbildung 8 ist ein und derselbe Bestand im Bezirk Amstetten unmittelbar vor der Ernte 2009 und 2010 fotografiert worden, wobei im Gegensatz zu 2009 2010 Blütenstände vorhanden waren. Bei üblichen Einsatzbedingungen befreite der Reinigungsflügel vor der Siebfläche des Kühlers diesen von Verunreinigungen. Wird der Reinigungsflügel durch Erntegut blockiert (siehe Abbildung 9), muss der Häckslerfahrer die Kabine verlassen und den Reinigungsflügel wieder frei machen, damit die Siebflächen wieder automatisch gereinigt werden können.

Abbildung 8: Mehrjährige Miscanthusfläche im Bezirk Amstetten 2009 ohne Blütenstände und 2010 mit Blütenständen unmittelbar vor der Ernte

Im Erntejahr 2010 musste der Kühler im Durchschnitt alle 0,48 ha Häckselfläche gereinigt werden. Dafür war im Mittel eine Standzeit des Feldhäckslers von 2,06 AKmin erforderlich. In 90 % der Fälle lag der Wert zwischen 1,06 und 3,65 AKmin. Die großen Schwankungen erklären sich durch den unterschiedlichen Verschmutzungsgrad der Siebflächen des Kühlers. Weiters wurde 2010 eine besonders starke Verschmutzung der Luftfilter beobachtet. Im Zuge der Arbeitsbeobachtungen musste aufgrund des Leistungsabfalles des Feldhäckslers sogar am Feld mit Hilfe der Druckluft des Traktors der Luftfilter des Feldhäckslers ausgeblasen werden. Bei dieser Gelegenheit wurde auch der Kühler gründlich gereinigt. Für die Kühler- und Luftfilterreinigung am Feld mit Hilfe der Druckluft des Traktors wurden in Summe je nach Verschmutzungsgrad 15 bis 20 AKmin benötigt.

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Abbildung 9: Häckslerfahrer beim Freimachen des blockierten Reinigungsflügels

Abbildung 10: Reinigung eines stark verschmutzten Luftfilters des Feldhäckslers am Feld

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2.3.1.7 Erzielbare Schüttdichte Im Rahmen der Arbeitsbeobachtungen wurden der Füllgrad der Transportgespanne und die Masse des transportierten Häckselgutes bestimmt. Parallel dazu wurde die Schüttdichte mit Hilfe eines Standardbehälters gemäß CEN/TS 15103:2005 ermittelt. In der Norm wird darauf hingewiesen, dass die Schüttdichte keinen absoluten Wert darstellen kann, sondern dass lediglich die Bedingungen genormt sind, um vergleichbare Ergebnisse zu erreichen. Die tatsächlich erreichte Schüttdichte auf den Transportgespannen lag mit 170,0 kg FM 2/m³ (s 3 = 9,4 kg FM/m³) bei einer eingestellten Häcksellänge von 7 mm und einem Trockenmassegehalt von 90,5 % deutlich über der nach CEN/TS 15103:2005 bestimmten Schüttdichte von 130,3 kg FM/m³ (s = 20,7 kg FM/m³). Für die Praxis bedeutet dies, dass entsprechend der Norm aufgrund der nicht mit Hackgut vergleichbaren Rieseleigenschaften des Miscanthushäckselgutes die Schüttdichte um zirka 25 % unterschätzt wurde. Aus diesem Grund wurde auf eine weitere Schüttdichtebestimmung gemäß CEN/TS 15103:2005 verzichtet und stattdessen wurden der Füllgrad der Anhänger und die Masse des transportierten Häckselgutes bestimmt. Bei einer weiteren Erhebung stand ein Feldhäcksler mit 372 kW Nennleistung und reihenunabhängigem Maisgebiss mit 4,5 m Arbeitsbreite zur Verfügung. Der Ertrag lag bei 15,6 t TM/ha und der TM-Gehalt bei 84,8 %. Gehäckselt wurde mit einer mittleren Fahrgeschwindigkeit von 4,4 km/h. Der erzielte Massenstrom ohne Nebenzeiten durch den Feldhäcksler lag bei einer eingestellten Häcksellänge von 7 mm bei 28,0 t TM/h. Entgegen der allgemein gültigen Empfehlung waren Transportgespanne unterschiedlicher Größe im Einsatz. Die eingesetzten Transportgespanne verfügten über 10 bzw. 17 m³ Nutzvolumen. In diesem Zusammenhang wurde die Beziehung zwischen der zurückgelegten Häckselstrecke und der erzielten Schüttdichte des Häckselgutes (siehe Abbildung 11) näher betrachtet. Mit Hilfe der linearen Regressionsgleichung (y = 0,09x + 141) mit einem Bestimmtheitsmaß von 55 % konnte der Einfluss der zurückgelegten Wegstrecke während der Befüllung der Transportgespanne auf die Schüttdichte nachgewiesen werden. Das geringe Bestimmtheitsmaß zeigt, dass es noch andere Einflussfaktoren gibt. Mit Zunahme der Häckselstrecke wurden aufgrund der Erschütterungen während des Ladevorganges bis zu 10 % höhere Schüttdichten erreicht. Im arithmetischen Mittel betrug die Schüttdichte bei 10 m³ Nutzvolumen 161 kg FM/m³ und bei 17 m³ Nutzvolumen 175 kg FM/m³. Bei ausreichender Tragfähigkeit der Böden ist daher größeren Transportgespannen mit bodenschonender Bereifung der Vorzug zu geben. Neben dem Einfluss des zurückgelegten Häckselweges auf die Schüttdichte konnte bei der Einlagerung auch die mögliche Erhöhung der Schüttdichte im Lager durch Walzen dokumentiert werden. Um Lagerraum zu sparen wurde das in einem überdachten Fahrsilo eingelagerte Häckselgut von einem Traktor mit Kippmulde aufgeschoben und verdichtet. Das Volumen der eingebrachten 365 m³ Häckselgut mit einer mittleren Schüttdichte von 144 kg TM/m³ konnte dadurch auf ca. 250 m³ reduziert werden. Dies entspricht einer Reduktion des erforderlichen Lagerraumbedarfs von ca. 30 % und einer Schüttdichte von ca. 245 kg FM/m³ bzw. 208 kg TM/m³. Weitere Ergebnisse hinsichtlich der Schüttdichte des Miscanthushäckselgutes sind im Kapitel 2.3.1.8 zusammengefasst.

2 3

FM ... Frischmasse s …... Standardabweichung

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200 180

Schüttdichte [kg FM/m³]

160 y = 0,09x + 141 R² = 0,55

140 120 100 80 60 40 20 0 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Häckselweg [m]

Abbildung 11: Zusammenhang zwischen zurückgelegtem Häckselweg und erzielter Schüttdichte des Miscanthushäckselgutes

Abbildung 12: Einlagerung von Miscanthushäckselgut im überdachten Fahrsilo mit anschließender Verdichtung mit Walztraktor mit aufgebauter Kippmulde

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Ernte von Miscanthus

2.3.1.8 Ergebnisse der Feldversuche mit einem 570-kW-Feldhäcksler Die Auswirkungen der eingestellten Häcksellänge auf den erzielbaren Massenstrom durch den Feldhäcksler, den Treibstoffverbrauch und die erzielte Schüttdichte werden im folgenden Kapitel näher beschrieben. Bei den Feldversuchen stand ein Feldhäcksler mit der Typenbezeichnung Claas Jaguar 980 mit 2x285 kW Nennleistung und Schneidwerk Claas Orbis 750 mit einer Arbeitsbreite von 7,5 m zur Verfügung. Mit diesem wurde Häckselgut mit einer theoretischen Häcksellänge von 7 mm bei Ausschöpfung der vollen Motorleistung und Häckselgut mit einer theoretischen Häcksellänge von 24 mm bei nur einem laufenden Motor (285 kW) erzeugt. Der Ertrag betrug 11,1 t TM/ha, wobei der Trockenmassegehalt bereits bei 89,7 % lag. Das erzeugte Häckselgut diente in weiterer Folge als Ausgangsmaterial für die Brikettierversuche (siehe Kapitel 3). Bei den Feldversuchen wurden mindestens vier Versuchswiederholungen durchgeführt.

Abbildung 13: Claas Jaguar 980 mit 570 kW Nennleistung und Claas Orbis 750 Schneidwerk beim Miscanthushäckseln

Einfluss der Häcksellänge auf den erzielbaren Massenstrom Je kürzer die theoretische Häcksellänge war, desto geringer wurde auch der Massenstrom durch den Feldhäcksler (siehe Abbildung 14). Bei einer eingestellten theoretischen Häcksellänge von 24 mm (ein Motor mit 285 kW) betrug der Massenstrom während der reinen Häckselzeit (ohne Nebenzeiten) im Mittel 36,4 t TM/h (s 4 = 3,2 t TM/h). Bei 7 mm theoretischer Häcksellänge und Ausnutzung der vollen Motorleistung (570 kW) wurde ein Massenstrom von 25,6 t TM/h (s = 2,5 t TM/h) erzielt. Deshalb sollte nur so kurz wie unbedingt notwendig gehäckselt werden, um nicht unnötig Schlagkraft zu verlieren.

4

s ... Standardabweichung

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45,0 40,0

Massenstrom [t TM/h]

35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 7 mm

24 mm Theoretische Häcksellänge

Abbildung 14: Erzielter Massenstrom durch den Feldhäcksler in Abhängigkeit von der Häcksellänge (ohne Nebenzeiten) 5

Einfluss der Häcksellänge auf den Treibstoffverbrauch Bei einer theoretischen Häcksellänge von 7 mm wurde mit 4,4 l/t TM (s = 0,8 l/t TM) deutlich mehr Treibstoff verbraucht als bei 24 mm eingestellter Häcksellänge, wo mit 2,4 l/t TM (s = 0,6 l/t TM) das Auslangen gefunden wurde. Im DLG-Fokus Test 5432F (DLG 2004) wurde der Treibstoffverbrauch eines vergleichbaren Feldhäckslers beim Häckseln von Silomais (10 mm eingestellte Häcksellänge) veröffentlicht. Bei einer Nennleistung von 455 kW bzw. 574 kW betrug der gemessene Treibstoffverbrauch rund 1,7 l/t TM gehäckseltem Silomais. Die in Abbildung 15 grafisch dargestellten Treibstoffverbräuche beim Häckseln vom Miscanthus lagen selbst bei einer eingestellten Häcksellänge von 24 mm deutlich darüber. Für die Praxis bedeutet dies, dass beim Häckseln von Miscanthus mit einem deutlich höheren Treibstoffverbrauch als beim Häckseln von Silomais zu rechnen ist.

5

Fehlerindikator entspricht der Standardabweichung

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6,0

Treibstoffverbrauch [l/t TM]

5,0

4,0

3,0

2,0

1,0

0,0 7 mm

24 mm Theoretische Häcksellänge

Abbildung 15: Treibstoffverbrauch beim Häckseln von Miscanthus in Abhängigkeit von der eingestellten Häcksellänge

Einfluss der Häcksellänge auf die Schüttdichte Die eingestellte theoretische Häcksellänge hatte entscheidenden Einfluss auf die erzielbare Schüttdichte beim Transport. Gerade bei größeren Transportentfernungen und bei begrenzten Lagerkapazitäten wurde eine möglichst hohe Schüttdichte des Häckselgutes angestrebt. Durch Verkürzung der Häcksellänge wurde eine bessere Rieselfähigkeit erreicht, die sich positiv auf die erzielbare Schüttdichte auswirkte. Bei höheren Schüttdichten verlängert sich die Befüllzeit pro Transportgespann, die transportierte Häckselgutmasse und die verfügbare Zeit für den Transport steigen, was größere Transportentfernungen ohne zusätzliches Transportgespann ermöglicht. Durch werden die Transportkosten verringert. Wie die folgende Abbildung zeigt, wurde bei einer Häcksellänge von 7 mm eine mittlere Schüttdichte von 149 kg TM/m³ (s = 0,3 kg TM/m³) ermittelt. Bei einer Häcksellänge von 24 mm hingegen betrug die Schüttdichte lediglich 103 kg TM/m³ (s = 4 kg TM/m³). Somit brachte die Reduzierung der Häcksellänge von 24 mm auf 7 mm eine Erhöhung der Schüttdichte um ca. 45 %. Bezogen auf die transportierte Frischmasse bedeutete dies eine Erhöhung der Schüttdichte von 115 auf 166 kg FM/m³. Das bedeutet für die konkrete Versuchsfläche mit einem mittleren Ertrag von 11,1 t TM/ha, dass das zu transportierende Volumen je Hektar von 108 m³ auf 74 m³ sank, wenn die theoretisch eingestellte Häcksellänge von 24 mm auf 7 mm verkleinert wurde.

Schüttdichte [kg TM/m³]

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160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 7 mm

24 mm Theoretische Häcksellänge

Abbildung 16: Erzielte Schüttdichte bei Miscanthushäckselgut in Abhängigkeit von der eingestellten Häcksellänge

2.3.2 Zeitstudien bei zweiphasiger Ernte mit Feldhäcksler und Großpackenpresse (Ballenlinie) Der überwiegende Teil der Miscanthusflächen wurde einphasig (lose Häckselgutkette) geerntet. Zweiphasig geerntete Miscanthusflächen stellten die Minderheit dar. Aus diesem Grund war es schwierig über das gesamte Ertragsspektrum Daten zu erheben. Sämtliche Erhebungen bei der zweiphasigen Miscanthusernte wurden in Oberösterreich durchgeführt, da es dort Nahwärmeversorger gibt, die Miscanthus- und Getreidestrohballen verheizen bzw. Landwirte die Miscanthusballen verkaufen 6.

2.3.2.1 Feldhäcksler mit offenem Trommelboden Für die Zeitstudien wurde die Arbeit in die Arbeitsteilvorgänge Häckseln, Wenden, Rüstarbeiten bei Ankunft am Feld und vor Verlassen des Feldes sowie Störzeiten gegliedert. Massenstrom durch den Feldhäcksler mit offenem Trommelboden Der Arbeitsteilvorgang Häckseln umfasst die Zeit, in der sich der Feldhäcksler vorwärts bewegt und Miscanthus aufnimmt. Die im Folgenden angegebenen Massenströme beziehen sich auf diesen Teilvorgang.

6

Im Erntejahr 2011, in dem regional Nassschnee für stark lagernde Miscanthusbestände sorgte, wurde Miscanthus versuchsweise geschlägelt, geschwadet und anschließend zu Großpacken gepresst. Da die ersten Erfahrungen derart positiv waren, wird 2012 dieses alternative Verfahren erneut zum Einsatz kommen. Auch in Niederösterreich werden Alternativen zum Feldhäcksler mit offenem Trommelboden gesucht, die eine individuelle Schwadanpassung ermöglichen.

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Die Erhebungen wurden zwecks der besseren Vergleichbarkeit wie bei der losen Häckselgutkette mit einem Feldhäcksler mit 305 kW Nennleistung und reihenunabhängigem Maisgebiss mit 4,5 m Arbeitsbreite durchgeführt. Auf der Häckseltrommel wurden lediglich 2 Messer belassen, was einer theoretischen Häcksellänge von 84 mm entsprach. Das gehäckselte Material gelangte nicht wie üblich über das Auswurfrohr auf einen Transportanhänger, sondern fiel durch den offenen Trommelboden als Schwad auf die Erntefläche zurück. Dieser Schwad wurde in einem zweiten Arbeitsgang von einer Großpackenpresse aufgesammelt. Als Nachteile dieses Verfahrens sind der Bodenkontakt des Erntegutes und die damit verbundene mögliche Aufnahme von bereits abgefallenen Blättern und sonstigen Störstoffe zu nennen. Mit jeder Tonne zusätzlichem Ertrag stieg entsprechend der linearen Regressionsgleichung (y = 1,94x + 7,81) der erzielte Massenstrom durch den Feldhäcksler an, wobei das Bestimmtheitsmaß mit 96 % sehr hoch war. Auf Flächen im Vollertrag, wo 15,0 bis 17,0 t TM/ha geerntet wurden, betrug die Fahrgeschwindigkeit zwischen 5 und 6 km/h. Dabei wurde ein Massenstrom von bis zu 45,0 t TM/h durch den Feldhäcksler mit offenem Trommelboden erreicht. Die große Streuung des erzielten Massenstroms bei 17,0 t TM/ha war auf den unregelmäßigen Erntegutfluss zurückzuführen. Bei drei Ernten mit selben Ertragsniveau konnte bei der letzten Fahrt der höchste Massenstrom durch den Häcksler erzielt werden. Dies lässt den Schluss zu, dass sich der Häckslerfahrer langsam an den maximalen Massenstrom durch den Häcksler herantastet. Bei Beständen, die nicht im Vollertrag standen, wurde zwar die Fahrgeschwindigkeit beim Häckseln auf 8 – 9 km/h (siehe Abbildung 18) erhöht. Dies konnte aber ein deutliches Abfallen des Massenstromes auf unter 17,0 t TM/h nicht verhindern (siehe Abbildung 17). Höhere Fahrgeschwindigkeiten konnten aufgrund des schlechten Gutflusses im Maisgebiss bei geringen Erträgen nicht gefahren werden. Das bedeutete, dass das Leistungspotential des Feldhäckslers selbst bei einer geringen Nennleistung von 305 kW bei geringem Ertragsniveau nicht ausgeschöpft werden konnte. Größere Arbeitsbreiten der reihenunabhängigen Maisgebisse stellten für die Lohnunternehmer nur bedingt eine brauchbare Alternative dar, da diese bei Lagerstellen für ernsthafte Probleme (zahlreiche Verstopfungen) sorgten. Ein Vergleich von Abbildung 18 mit Abbildung 5 zeigt, dass mit offenem Trommelboden deutlich höhere Fahrgeschwindigkeiten beim Häckseln möglich waren als mit geschlossenem Trommelboden.

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Massenstrom bei offenem Trommelboden [t TM/h]

50,0 45,0 y = 1,94x + 7,81 R² = 0,96

40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

Ertrag [t TM/ha]

Abbildung 17: Zusammenhang zwischen Miscanthusertrag und Massenstrom durch den Feldhäcksler bei offenem Trommelboden

9,0

Häckselgeschwindigkeit mit offenem Trommelboden [km/h]

8,0

y = -0,21x + 9,26 R² = 0,93

7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,0

2,0

4,0

6,0 8,0 10,0 12,0 Miscanthusertrag [t TM/ha]

14,0

16,0

18,0

Abbildung 18: Zusammenhang zwischen Miscanthusertrag und gemessener Fahrgeschwindigkeit beim Häckseln mit offenem Trommelboden

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Ernte von Miscanthus

Erforderlicher Arbeitszeitbedarf des Feldhäckslers mit offenem Trommelboden für den Arbeitsteilvorgang Wenden Da bei offenem Trommelboden auf keine Transportgespanne Rücksicht genommen werden musste, konnte der Feldhäcksler rascher wenden. Im arithmetischen Mittel wurde für eine 180°-Wendung 0,34 AKmin benötigt. Für eine 90°-Wendung, wo eine kürzere Wegstrecke zurückgelegt werden musste, benötigte der Häckslerfahrer 0,24 AKmin.

Anzahl Messungen

Mittelwert [AKmin]

Standardabweichung [AKmin]

Quantil 5 [AKmin]

Median [AKmin]

Quantil 95 [AKmin]

Tamhane-T2Test (α=0,05)

Tabelle 3: Arbeitszeitbedarf für Wendevorgänge mit offenem Trommelboden

Wendung 180°

28

0,34

0,11

0,16

0,32

0,43

A

Wendung 90°

29

0,24

0,09

0,24

0,23

0,43

B

Erforderlicher Arbeitszeitbedarf für Rüstarbeiten sowie Verstopfungen bei lagernden Miscanthusbeständen Rüstarbeiten am Hof des Lohnunternehmers wurden nicht erhoben. Aus diesem Grund wurde der erforderliche Arbeitszeitbedarf für das Entfernen der überschüssigen Trommelmesser und das Öffnen des Trommelbodens nicht dokumentiert. Abbildung 19 zeigt den Zugang zu einer Häckseltrommel, die mit halben Messersatz bestückt ist. Bei vollem Messersatz wären auf dieser Häckseltrommel 36 Messer. Entsprechend hoch ist der erforderliche Arbeitszeitbedarf zur Entfernung der überschüssigen Häckselmesser.

Abbildung 19: Blick auf die Häckseltrommel mit halben Messersatz

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Rüstarbeiten bei Ankunft am Feld und vor dem Verlassen des Feldes sowie Verstopfungen bei lagernden Miscanthusbeständen traten in derselben Größenordnung, wie bei der losen Häckselgutkette beschrieben, auf. Details sind in Kapitel 2.3.1.4 und Kapitel 2.3.1.5 nachzulesen.

2.3.2.2 Pressen des abgelegten Miscanthusschwades mit der Großpackenpresse Für die Zeitstudien wurde die Arbeit in die Arbeitsteilvorgänge Pressen, Wenden, Rüstarbeiten bei Ankunft am Feld und vor Verlassen des Feldes sowie Störzeiten gegliedert. Die Erhebungen wurden mit einer Großpackenpresse der Firma Krone mit der Typenbezeichnung BIG PACK 1290 XC HDP mit einer Kanalbreite von 120 cm und einer Kanalhöhe von 90 cm durchgeführt. Die Ballenlänge war von 100 bis 320 cm einstellbar. Die Großpackenpresse wurde von einem Allradtraktor mit 191 kW Nennleistung angetrieben. Massenstrom durch die Großpackenpresse beim Pressen von Miscanthushäckselgut Der Teilvorgang Pressen umfasste die Zeit, in der sich die Presse vorwärts bewegte und über die Pick-up Material aufnahm. Auf diesen Zeiten basierte auch die Berechnung des Massenstromes. Der Massenstrom durch die Presse und damit der Arbeitszeitbedarf bezogen auf die gepresste Masse wurde wesentlich von der Schwadmasse beeinflusst (Abbildung 21). Entsprechend der linearen Regressionsgleichung (y = 2,50x + 9,45) stieg pro zusätzlichem kg Schwadtrockenmasse der Massenstrom um 2,5 t TM/h. Geringere Schwadmassen wurden in der Regel nicht durch höhere Fahrgeschwindigkeiten kompensiert. Da der erzielbare Massenstrom durch die Großpackenpresse wesentlich von der Schwadstärke beeinflusst wird, sollten große Schwade vorhanden sein. Dabei ist zu beachten, dass sich die erzielbare Schwadstärke einerseits aus dem Ertrag und andererseits aus der effektiven Arbeitsbreite des reihenunabhängigen Maisgebisses ergibt. Bei Verwendung des 4,5-m-Maisgebisses wurde eine mittlere effektive Arbeitsbreite von 4,2 m und bei Verwendung des 6,0-m-Maisgebisses wurde eine effektive Arbeitsbreite von 5,5 m erhoben. Aus der folgenden Tabelle ist ersichtlich, dass bei Verwendung eines 4,5-m-Schneidwerkes bei einem Ertrag von 15 t TM/ha eine mittlere Schwadmasse von 6,3 kg TM/m abgelegt wird. Entsprechend der Regressionsgleichung ist mit einem Massenstrom durch die Großpackenpresse von 25,2 t TM/h zu rechnen. Die Zusammenführung zweier Schwade mittels Kreiselschwader ist aufgrund der Stoppelhöhe und der möglichen zusätzlichen Verunreinigung (Steine, Blätter, Erde, …) kein Thema bei diesem Ernteverfahren.

Seite 30

Ernte von Miscanthus

Abbildung 20: Großpackenpresse beim Pressen von im Schwad abgelegtem Miscanthushäckselgut

40,0

Massenstrom [t TM/h]

35,0 y = 2,50x + 9,45 R² = 0,74

30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0,0

1,0

2,0

3,0 4,0 5,0 Schwadmasse [kg TM/m]

6,0

7,0

8,0

Abbildung 21: Zusammenhang zwischen Schwadmasse und erzieltem Massenstrom durch die Großpackenpresse

Ernte von Miscanthus

Seite 31

Tabelle 4: Stärke des Miscanthusschwades in Abhängigkeit vom Ertrag und der Arbeitsbreite des reihenunabhängigen Maisgebisses Miscanthusertrag [t TM/ha]

5

10

15

20

Schwadstärke [kg TM/m] Reihenunabhängiges Maisgebiss mit 4,5 m

2,1

4,2

6,3

8,4

Reihenunabhängiges Maisgebiss mit 6,0 m

2,8

5,5

8,3

11,0

Zusammenhang zwischen der gemessenen Fahrgeschwindigkeit beim Pressen und der Schwadstärke Bei den durchgeführten Erhebungen bewegte sich die Fahrgeschwindigkeit der Presse zwischen 3,1 und 10,3 km/h. Im Vergleich dazu war die Fahrgeschwindigkeit des Feldhäckslers mit offenem Trommelboden meist höher. Gerade bei geringen Schwadmassen wäre aus technischer Sicht eine deutliche Steigerung der Pressgeschwindigkeit möglich gewesen. Aufgrund der mittleren Stoppelhöhe, die je nach Einsatzbedingungen zwischen 15 und 25 cm lag (siehe Abbildung 23), kam es zu einer stärkeren Belastung der Pick-up der Großpackenpresse. Für den Pressenfahrer war es bei größeren Fahrgeschwindigkeiten schwieriger sicherzustellen, dass keine am Boden liegenden Blätter mit einem deutlich höheren Wassergehalt von der Pick-up aufgenommen wurden, die in späterer Folge zur Schimmelbildung im Miscanthusballen geführt hätten. Andererseits sollte das Häckselgut möglichst vollständig aufgenommen werden, um die Ernteverluste möglichst gering halten zu können. Dies war für die große Streuung der erhobenen Fahrgeschwindigkeiten bei ein und derselben Schwadstärke mitverantwortlich (siehe Abbildung 22).

Fahrgeschwindigkeit beim Pressen [km/h]

12,0

10,0

8,0 y = 10,00x-0,51 R² = 0,69

6,0

4,0

2,0

0,0 0,0

1,0

2,0

4,0 3,0 5,0 Schwadstärke [kg TM/m]

6,0

7,0

8,0

Abbildung 22: Zusammenhang zwischen Schwadstärke und erzielter Fahrgeschwindigkeit beim Pressen

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Ernte von Miscanthus

Abbildung 23: Stoppelhöhe Erforderlicher Arbeitszeitbedarf für den Arbeitsteilvorgang Wenden In der Regel waren Feldhäckslerfahrer und Pressenfahrer ein eingespieltes Team. Damit der Pressenfahrer möglichst effektiv arbeiten konnte, achtete der Feldhäckslerfahrer auf eine Schwadablage, die es dem Pressenfahrer ermöglichte, möglichst ohne Pressunterbrechung zu arbeiten. So war es dem Pressenfahrer möglich die vom Feldhäcksler zurückgelegten 90°-Wendungen in einem Zug durchzufahren. Aus diesem Grund scheinen 90°-Wendungen in der folgenden Tabelle beim Pressen nicht auf. Für 180°-Wendungen betrug der erforderliche Arbeitszeitbedarf 0,15 AKmin. Die ermittelten Werte lagen geringfügig unter den von KTBL (2011) angegebenen Werten.

Mittelwert [AKmin]

Standardabweichung [AKmin]

Quantil 5 [AKmin]

Median [AKmin]

Quantil 95 [AKmin]

Wendung 180°

Anzahl Messungen

Tabelle 5: Arbeitszeitbedarf für Wendevorgänge beim Pressen

17

0,15

0,06

0,16

0,14

0,25

Erforderlicher Arbeitszeitbedarf für Rüstarbeiten Vor Pressbeginn waren keine Schutzvorrichtungen bzw. Beleuchtungskörper zu entfernen. Im Bedarfsfall musste die Ballenlänge und Ballendichte an die Bedürfnisse des Kunden angepasst werden. Die Einstellung erfolgte über die Komfortbedienung von der Traktorkabine aus. Diese konnte vom Pressenfahrer innerhalb einer Minute erledigt werden.

Ernte von Miscanthus

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Üblich war eine Ballenlänge von 2,4 m, die in der Regel für handelsübliche Transportanhänger optimal war. Diese wurde im Regelfall nicht verstellt, außer es bestand der ausdrückliche Kundenwunsch. Hauptsächlich wurde der Pressdruck entsprechend den Kundenwünschen angepasst, wobei grundsätzlich möglichst hohe Ballendichten angestrebt wurden. Nach Beendigung des Pressvorganges konnte nach Entfernung etwaiger Erntereste im Bereich der Pick-up das Feld verlassen werden. In Rahmen der Erhebungen mussten keine Erntereste entfernt werden.

Standzeiten infolge Überlastung Bei Überlastung sprach die Abschaltkupplung der Großpackenpresse an. Dabei wurde die Kraftübertragung zwischen Traktor und Großpackenpresse unterbrochen. Im Durchschnitt sprach die Abschaltkupplung alle 363 m Pressstrecke an. Dies bedeutete, dass der Pressenfahrer umgehend anhalten musste und versuchte die Presse erneut in Betrieb zu nehmen. Nach erneutem Kraftschluss erfolgte die Weiterfahrt mit verminderter Geschwindigkeit, damit es nicht zum erneuten Ansprechen der Überlastsicherung kam. Im Rahmen der Arbeitsbeobachtungen sprach die Abschaltkupplung 14 Mal an, wobei die damit verbundene Standzeit der Presse im arithmetischen Mittel 0,50 AKmin (s = 0,24 AKmin) betrug.

Erzielte mittlere Dichten der Miscanthusquaderballen Bei vier Landwirten mit unterschiedlichen Anforderungen konnten die mittleren Ballendichten bestimmt werden. Da die Verwiegung jedes einzelnen Quaderballens den Arbeitsablauf zu sehr gestört hätte, wurden zumindest die Anzahl der Ballen, die Masse pro Anhänger und der Trockenmassegehalt bestimmt. Ebenso wurde das Ballenmaß kontrolliert. Lediglich beim Versuch vom 20. April 2009 wurde der maximale Pressdruck gewählt, wobei eine mittlere Ballendichte von 233 kg TM/m³ erzielt wurde. Beim Versuch vom 8. April 2010 war die Vorgabe des Auftraggebers, dass die Quaderballen nicht zu schwer sein durften, da diese sonst die zulässige Tragkraft seines Hallengreifers überschritten hätte. Die erzielte Ballendichte lag bei 190 kg TM/m³ (s = 11 kg TM/m³). Dies entsprach bei einem mittleren Trockenmassegehalt von 87,6 % einer Ballendichte von 217 kg FM/m³. Krick (2005) hat bei einer baugleichen Großpackenpresse mit Getreidestroh eine Ballendichte von 220 kg FM/m³ ermittelt. Daraus folgt, dass mit Miscanthushäckselgut mit Getreidestroh vergleichbare Ballendichten erreicht werden konnten. Tabelle 6: Mittlere Dichte der Miscanthusquaderballen Datum

TM-Gehalt [%]

Mittlere Ballendichte [kg TM/m³]

20. 04. 2009

86,4

233

27. 04. 2009

90,4

197

27. 04. 2009

90,4

219

08. 04. 2010

87,6

190

Abtransport der Quaderballen Ziel sollte es sein die Miscanthusquaderballen möglichst rasch von der Erntefläche zu entfernen. Reinhold und Graf (2002) haben die Belade- und Entladeleistung mit je 0,05 AKh/t Quaderballen angegeben, was 3,00 AKmin/t Stroh entsprach. Für das Laden am Feld unterstellten sie einen Allradtraktor mit Frontlader und

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für die Entladung am Lager wurde ein Teleskoplader unterstellt. Dies entspricht der gängigen Praxis. Im Zuge der Erhebungen konnte das Verladen vorgestapelter Quaderballen dokumentiert werden. Der Traktor mit Frontlader, der die Quaderballen verlud, nutzte die Wartezeit auf die Transportgespanne zum Vorstapeln der Quaderballen (Abbildung 24). Pro Tonne vorgestapelter Quaderballen wurden zum Beladen der Anhänger 1,50 AKmin benötigt. Laut Auskunft des ladenden Landwirtes war mit demselben Arbeitszeitaufwand für das Zusammenstapeln der Quaderballen zu rechnen, was in Summe wieder den von Reinhold und Graf (2002) angegebenen Richtwerten entsprach.

Abbildung 24: Beladen eines Anhängers mit vorgestapelten Quaderballen

Ernte von Miscanthus

2.4

Seite 35

Modellrechnungen Miscanthusernte

Die Modellrechnungen beinhalten bei der einphasigen losen Häckselgutkette (siehe Kapitel 2.3) den Arbeitszeitbedarf für die Teilvorgänge Häckseln, Wenden, Wechseln der Transportgespanne, Rüstarbeiten bei der Ankunft und vor dem Verlassen des Feldes sowie die Überstellungsfahrt zum nächsten Feld. Bei der zweiphasigen Ernte mit Feldhäcksler und Großpackenpresse (Ballenlinie) werden die Arbeitszeit für das Häckseln mit offenem Trommelboden, das Pressen mit der Quaderballenpresse, der Ballentransport inklusive Verladen und Balleneinlagerung sowie die Überstellung zum nächsten Feld berücksichtigt.

2.4.1 Vergleich des Arbeitszeitbedarfes der Häcksellinie und der Ballenlinie In Abbildung 25 sind die Ergebnisse der Modellrechnung für einen Ertrag von 10 und 15 t TM/ha bei 14 mm Häcksellänge zusammengefasst. Für den Häckselguttransport wurden Kipper mit einem Nutzvolumen von 16 m³ bzw. Abschiebewägen mit einem Nutzvolumen von 27 m³ gewählt. Bei Verwendung eines Feldhäckslers mit 305 kW Nennleistung wurde während der Hauptzeit (ohne Rüst- Wendezeiten, Anhängerwechsel, etc.) ein Massenstrom durch den Feldhäcksler von 18 t TM/h und bei Verwendung eines Feldhäckslers mit 372 kW Nennleistung wurde ein Massenstrom von 30 t TM/h unterstellt. Beide Feldhäcksler waren mit einem reihenunabhängigen Maisgebiss mit 4,5 m Arbeitsbreite ausgestattet. Entsprechend dem Ertrag wurde die Fahrgeschwindigkeit beim Häckseln so angepasst, dass der Massenstrom durch den Feldhäcksler (bezogen auf die reine Häckselzeit) konstant blieb. Beim Häckselguttransport wurde eine mittlere Fahrgeschwindigkeit von 25 km/h unterstellt. Am Lagerplatz wurde angenommen, dass für das Rangieren und das Entleeren der Transportgespanne 4,00 AKmin benötigt wurden. Um Lagerplatz zu sparen, wurde unterstellt, dass das abgeladene Miscanthushäckselgut mit einem Teleskoplader auf 5 m Höhe zusammengeschoben wurde. Der erforderliche Arbeitszeitbedarf des Teleskopladerfahrers entsprach dem des Feldhäckslerfahrers. Da der Feldhäcksler das teuerste Gerät der Verfahrenskette ist, wurde die Modellrechnung so ausgelegt, dass der Häcksler nie auf Transportgespanne warten musste. Dies führte zum stufenförmigen Verlauf des Arbeitszeitbedarfes der Häckselgutlinie in Abbildung 25. Jede Stufe steht für ein zusätzliches Transportgespann in der Kette. Selbst bei kurzen Transportstrecken von unter 1 km sind zwei Transportgespanne erforderlich. Wartezeiten der Transportgespanne sind daher vorprogrammiert. Bei einer einfachen Feld-Lager-Entfernung von 10 km sind bei einem Ertrag von 15 t TM/ha sieben Kipper (16 m³ Nutzvolumen) erforderlich. Bei Verwendung von Transportgespannen mit 27 m³ Nutzvolumen findet man mit fünf Transportgespannen das Auslangen. Somit können durch die Nutzung größerer Transportgespanne zwei eingespart werden. Weniger Transportgespanne bedeutet auch weniger erforderliche Traktorfahrer und somit einen geringeren Arbeitszeitbedarf pro Tonne transportierter Trockenmasse. Die vollen Linien stehen für einen Ertrag von 15 t TM/ha und die strichlierten Linien entsprechen 10 t TM/ha. Mit zunehmendem Ertrag sinkt die Wendezeit bezogen auf eine Tonne geernteter Trockenmasse. Daraus ergibt sich wiederum eine geringere Befüllzeit der Transportgespanne. Dies verringert auch den als Funktion dargestellten Gesamtarbeitszeitbedarf in Abbildung 25. Die Verringerung der Befüllzeit erfordert eine höhere Anzahl von Transportgespannen und bewirkt eine Verkürzung der waagrechten Abschnitte der Treppenfunktionen, was wiederum zu Überschneidungen der Funktionen für das höhere und niedrigere Ertragsniveau führt. Der Abstand zwischen Basislinie und waagrechtem Abschnitt der Treppenfunktion entspricht der Wartezeit der Transportgespanne (siehe Pfeil W in Abbildung 25). Übersteigt bei einer

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Ernte von Miscanthus

bestimmten Feld-Lager-Entfernung der Arbeitszeitbedarf des höheren Ertragsniveaus jenen des niedrigeren, so ist dies auf die schlechtere Auslastung (höherer Wartezeitanteil) der Transportgespanne zurückzuführen. Kann beispielsweise der erzielbare Massenstrom durch Verwendung eines leistungsstärkeren Feldhäckslers von 18 t TM/h auf 30 t TM/h erhöht werden, so steigt die pro Zeiteinheit abzutransportierende Häckselgutmenge. Bei 10 km Feld-Lager-Entfernung sind bei einem Trockenmasseertrag von 15 t/ha und Verwendung von 27-m³-Abschiebewägen zusätzlich zwei Transportgespanne erforderlich (5 Gespanne bei 18 t TM/h und 7 Gespanne bei 30 t TM/h), um das anfallende Häckselgut ohne Wartezeiten des Feldhäckslers abtransportieren zu können. In Summe betrachtet, wirkt sich der höhere Massenstrom durch den Feldhäcksler äußerst positiv auf den Arbeitszeitbedarf pro Tonne Trockenmasse aus.

1,0

Häcksellinie - 18 t TM/h, 10 t TM/ha, 16 m³ Häcksellinie - 18 t TM/h, 15 t TM/ha, 16 m³

0,9

Arbeitszeitbedarf [AKh/t TM]

Häcksellinie - 18 t TM/h, 10 t TM/ha, 27 m³

0,8

Häcksellinie - 18 t TM/h, 15 t TM/ha, 27 m³

0,7

Ballenlinie - 30,2 t TM/h, 20,2 t TM/h, 10 t TM/ha

Häcksellinie - 30 t TM/h, 15 t TM/ha, 27 m³ W

Ballenlinie - 39,7 t TM/h, 24,6 t TM/h, 15 t TM/ha

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0

1

2

3

4

5 6 7 8 9 10 Feld-Lager-Entfernung [km]

11

12

13

14

15

Abbildung 25: Arbeitszeitbedarf bei ein- bzw. zweiphasiger Miscanthusernte 7

Die Ballenlinie zeichnet sich dadurch aus, dass die Ernte und der Erntegutabtransport entkoppelt sind. Mögliche lange Wartezeiten, wie bei der Häckselgutlinie, entfallen. Aus diesem Grund weisen die Funktionen der Ballenlinie keinen stufenförmigen Verlauf auf (siehe Abbildung 25). Weiters wurde unterstellt, dass die Quaderballen ein Format von 2,4 m x 1,2 m x 0,9 m und eine Ballendichte von 230 kg TM/m³ aufweisen. Diese werden am Feld mit Hilfe eines Traktors mit Frontlader vorgestapelt, sodass die Beladung eines 24 Ballen fassenden Transportgespannes rascher erfolgen bzw. die Wartezeiten des Ladefahrzeuges sinnvoll 7

Ertrag 10 oder 15 t TM/ha, 3 ha mittlere Schlaggröße, Längen:Breiten-Verhältnis 3:1, 25 km/h mittlere Transportgeschwindigkeit; Häckselgutlinie: Feldhäcksler 18 oder 30 t TM/h bezogen auf die reine Häckselzeit, traktorgezogene Anhänger mit 16 oder 27 m³, 140 kg TM/m³ Schüttdichte beim Häckselgut, 4,00 AKmin auf Entladeplatz bei Häckselguttransport, Einlagerung mit Teleskoplader; Ballenlinie: Feldhäcksler mit 30,2 oder 39,7 t TM/h bezogen auf reine Häckselzeit, Quaderballenpresse mit 20,2 oder 24,6 t TM/h bezogen auf die reine Presszeit, 230 kg TM/m³ Ballendichte, Ballenformat 2,4 m x 1,2 m x 0,9 m Ballenabtransport mit Anhänger für 24 Quaderballen, Traktor mit Frontlader zum Laden, Teleskoplader zum Entladen des Anhängers;

Ernte von Miscanthus

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überbrückt werden können. Zur Entladung des Ballentransportgespanns wird ein Teleskoplader mit 8 m Reichweite verwendet. Am Lagerplatz werden 6 Ballen übereinander gestapelt. Aufgrund der geringeren Transportdichte steigt der Arbeitszeitbedarf bei den Häckselgutlinien bei größeren Transportentfernungen stärker an als bei den Ballenlinien. Bei 1 km Feld-Lager-Entfernung und 15 t Trockenmasseertrag beträgt der erforderliche Arbeitszeitbedarf bei der Ballenlinie 0,17 AKh/t TM und steigt bei 10 km auf 0,25 AKh/t TM. Bei der Häckselgutlinie mit einem Massenstrom durch den Häcksler von 18 t TM/h steigt der erforderliche Arbeitszeitbedarf bei Verwendung von 27 m³ Transportgespannen deutlich stärker von 0,26 auf 0,46 AKh/t TM an. Dies hängt mit der Anzahl der erforderlichen Transportgespanne und den damit verbundenen anfallenden Wartezeiten zusammen. In Abbildung 26 ist die Zusammensetzung des Arbeitszeitbedarfes in Abbildung 25 für eine Feld-LagerEntfernung von 1 und 10 km bei einem Ertrag von 15 t TM/ha dargestellt. Bei einer Feld-Lager-Entfernung von 1 km sind bei der Häcksellinie zwei Transportgespanne erforderlich, um Wartezeiten des Häckslers zu vermeiden. Während bei einem Massenstrom durch den Häcksler von 18 t TM/h die kleineren Transportgespanne an der Auslastungsgrenze arbeiten, verfügen die größeren (27 m³) über Reserven, was sich in Wartezeiten äußert. Dadurch ist der Arbeitszeitbedarf der beiden Gespanngrößen annähernd gleich. Der höhere Massenstrom durch den Häcksler (30 t TM/h) verringert die Befüllzeit der Gespanne, wodurch der gesamte Arbeitszeitbedarf sinkt. Bei 10 km Feld-Lager-Entfernung verringert sich der Zeitbedarf durch die größeren Gespanne deutlich. Unterschiedliche Auslastungsgrade der Transportgespanne wiegen weniger schwer. Bei der Ballenlinie wird der hohe Zeitbedarf für das Verladen durch das Vorstapeln der Ballen am Feld verursacht. Das Vorstapeln ist aber notwendig, um den Zeitbedarf für das Beladen der Transportfahrzeuge zu minimieren.

Arbeitszeitbedarf [AKh/t TM]

0,7

Häcksellinie

Ballenlinie

0,6 0,5 0,4 0,3 Einlagern

0,2

Transport Verladen

0,1

Pressen

39,7 t TM/h, 24,6 t TM/h, 10 km

39,7 t TM/h, 24,6 t TM/h, 1 km

30 t TM/h, 27 m³, 10 km

18 t TM/h, 27 m³, 10 km

18 t TM/h, 16 m³, 10 km

30 t TM/h, 27 m³, 1 km

18 t TM/h, 27 m³, 1 km

18 t TM/h, 16 m³, 1 km

0

Häckseln

Abbildung 26: Zusammensetzung des Arbeitszeitbedarfes bei ein- bzw. zweiphasiger Miscanthusernte 8

8

Transport umfasst die Zeit der Transportgespanne für das Beladen, die eigentliche Fahrt zwischen Feld und Lager und das Entladen.

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Ernte von Miscanthus

2.4.2 Auswirkung von lagernden Miscanthusbeständen auf den Arbeitszeitbedarf bei der Häcksellinie In Abbildung 27 sind die Ergebnisse der Modellrechnung für einen Ertrag von 10 t TM bei 14 mm Häcksellänge und Verwendung von Anhängern mit einem Nutzvolumen von 16 m³ zusammengefasst. Bei der strichlierten Linie handelt es sich um einen stehenden Bestand und bei der vollen Linie um einen stark lagernden Bestand. Beim stark lagernden Bestand wurde entsprechend der Arbeitsbeobachtungen angenommen, dass alle 70 m ein Schopper auftritt. Pro Schopper wurde eine Häckselunterbrechung von 0,50 AKmin unterstellt. Dadurch steigt die erforderliche Befüllzeit pro Anhänger erheblich. Der erforderliche Arbeitszeitbedarf steigt bei zwei Transportgespannen von 0,29 AKh/t TM auf 0,40 AKh/t TM bei stark lagernden Miscanthusbeständen an. Daher sollten alle pflanzenbaulichen Aspekte berücksichtigt werden, um lagernde Bestände zu vermeiden. Die mögliche Transportentfernung bei Verwendung von 2 Transportgespannen erhöht sich von 1,2 km auf 2,0 km beim lagernden Bestand, ohne dass Wartezeiten beim Feldhäcksler auftreten. Jede Stufe in der Abbildung steht für ein zusätzliches Transportgespann, dass bei größeren Feld-Lager-Entfernungen eingesetzt werden muss, um Standzeiten des Feldhäckslers zu vermeiden.

1,0 Häcksellinie, 18 t TM/h - 10 t TM/ha - 16 m³ 0,9 Häcksellinie, 18 t TM/h - 10 t TM/ha - 16 m³ lagernder Bestand - alle 70 m Schopper

Arbeitszeitbedarf [AKh/t TM]

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0

1

2

3

4

8 9 10 5 6 7 Feld-Lager-Entfernung [km]

11

12

13

14

15

Abbildung 27: Arbeitszeitbedarf bei einphasiger Miscanthusernte 9 bei stehendem bzw. lagerndem 10 Bestand

9

10

Feldhäcksler 305 KW, 4,2 m effektive Arbeitsbreite, 3 ha mittlere Schlaggröße, Längen:Breiten-Verhältnis 3:1, 140 kg TM/m³ Schüttdichte beim Häckselgut, 25 km/h mittlere Transportgeschwindigkeit, 4,00 AKmin auf Entladeplatz bei Häckselguttransport alle 70 m Häckselstrecke tritt ein Schopper mit 0,50 AKmin Häckselunterbrechung auf

Ernte von Miscanthus

Seite 39

2.4.3 Einfluss der Häcksellänge auf den erforderlichen Arbeitszeitbedarf bei der Häcksellinie Die Häcksellänge hat einen entscheidenden Einfluss auf den erzielbaren Massenstrom durch den Häcksler und andererseits auf die mögliche Schüttdichte beim Transport. Für die Modellrechnung wurde unterstellt, dass ein zweimotoriger Feldhäcksler mit einer verfügbaren Nennleistung von 570 kW und 7,5 m reihenunabhängigen Maisgebiss zum Einsatz kommt. Bei einer theoretischen Häcksellänge von 7 mm wurde bei zweimotorigem Betrieb ein Massenstrom von 25,6 t TM/h und eine Schüttdichte von 149 kg TM/m³ entsprechend der Erhebungen unterstellt (siehe Kapitel 2.3.1.8). Bei 24 mm Häcksellänge wurde angenommen, dass der Feldhäcksler nur mit einem Motor mit 285 KW Nennleistung mit 7,5 m reihenlosem Maisgebiss betrieben wird sowie einen Massenstrom von 36,4 t TM/h und eine mittlere Schüttdichte von 103 kg TM/m³ erzielt. Für den Häckselguttransport wurde vorausgesetzt, dass Abschiebewägen mit einem Nutzvolumen von 27 m³ zum Einsatz kommen. Abbildung 28 zeigt die Ergebnisse. Die niedrigsten Stufen der Funktionen entsprechen zwei Transportgespannen. Jede weitere Stufe steht für ein zusätzliches Transportgespann, dass bei größeren Transportentfernungen notwendig wird. Bis zu einer mittleren FeldLager-Entfernung von 3,1 km ist der erforderliche Arbeitszeitbedarf bei geringer Schüttdichte kleiner, da der Massenstrom durch den Feldhäcksler auf Grund der größeren Häcksellänge höher ist. Darüber wird dieser Effekt durch die höhere Schüttdichte kompensiert. Diese bewirkt eine höhere Nutzlast und damit verbunden eine geringere Anzahl von erforderlichen Transportgespannen. So sind bei verminderter Schüttdichte bei einer einfachen Feld-Lager-Entfernung von 5 km 6 Transportgespanne erforderlich. Bei hoher Schüttdichte genügen 4 Transportgespanne. Ab einer mittleren Feld-Lager-Entfernung von 7,1 km ist der erforderliche Arbeitszeitbedarf bei hoher Schüttdichte trotz kleinerem Massenstrom durch den Häcksler bezogen auf die Arbeitszeit immer günstiger.

Seite 40

Ernte von Miscanthus

0,7 103 kg TM/m³, 36,4 t TM/h 149 kg TM/m³, 25,6 t TM/h

Arbeitszeitbedarf [AKh/t TM]

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

1

2

3

4

5 6 7 8 9 10 Feld-Lager-Entfernung [km]

11

12

13

14

15

Abbildung 28: Auswirkung unterschiedlicher Häcksellänge und Schüttdichte auf den Arbeitszeitbedarf bei einphasiger Miscanthusernte 11

2.4.4 Ernte-, Transport- und Lagerkosten bei Häcksel- und Ballenlinie Alle im Folgenden angegebenen Kosten enthalten keine Mehrwertsteuer. Als Berechnungsgrundlage dienen Maschinenringsätze und Kosten der Lohnunternehmer. Weiters ist eine zeit- und nicht flächengebundene Abrechnung der Maschinen unterstellt. Ein Ausnahme stellt bei der Ballenlinie die Großpackenpresse und der Feldhäcksler dar, die mit dem Verrechnungssatz des Lohnunternehmers von 16,67 €/Quaderballen 12 abgerechnet werden. Die Wartezeiten der Transportgespanne werden verrechnet. Bei den Einlagerungskosten der Häcksellinie wird angenommen, dass der Teleskoplader mit 60 kW Nennleistung und einer maximalen Reichweite von 8 m nicht die gesamte Häckselzeit im Einsatz steht. Pro Hektar Erntefläche ist er 0,5 h (bei 10 t TM/ha) bzw. 0,6 h (bei 15 t TM/ha) zum Aufschieben einer 5 m hohen Häckselgutmiete erforderlich. Bei der Ballenlinie lagert der Fahrer des Ballentransportgespannes die Ballen mit dem Teleskoplader selbst ein. Als Hallenmiete wird generell 1 €/m² Hallenfläche und Monat angesetzt, wobei die Mietdauer 10 Monate beträgt. Der Flächenbedarf wurde mit Hilfe der Schütthöhe von 5 m und einer Schüttdichte von 140 kg TM/m³ sowie einem 20%igen Zuschlag berechnet. Bei den Quaderballen wurde eine Stapelhöhe von 5,6 m unterstellt. Der Flächenzuschlag betrug 10 %. 11

12

Feldhäcksler 570 KW, Ertrag 15 t TM/ha, 7,0 m effektive Arbeitsbreite, bei 7 mm Häcksellänge 149 kg TM/m³ Schüttdichte und bei 24 mm Häcksellänge 103 kg TM/m³, 3 ha mittlere Schlaggröße, Längen:Breiten-Verhältnis 3:1, Transportgespanne mit 27 m³, 25 km/h mittlere Transportgeschwindigkeit, 4,00 AKmin auf Entladeplatz bei Häckselguttransport Kosten für Häcksler und Presse

Ernte von Miscanthus

Ernte-, Transport- und Lagerkosten [€/t TM]

65

Seite 41

Häcksellinie - 305 kW, 18 t TM/h, 15 t TM/ha, 16 m³ Häcksellinie - 305 kW, 18 t TM/h, 10 t TM/ha, 16 m³

60

Häcksellinie - 305 kW, 18 t TM/h, 15 t TM/ha, 27 m³ Häcksellinie - 305 kW, 18 t TM/h, 10 t TM/ha, 27 m³ Häcksellinie - 372 kW, 30 t TM/h, 15 t TM/ha, 27 m³

55

Ballenlinie - 39,7 t TM/h, 24,6 t TM/h, 15 t TM/ha Ballenlinie - 30,2 t TM/h, 20,2 t TM/h, 10 t TM/ha

50

45

40

35

30 0

1

2

3

4

5

6

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Feld-Lager-Entfernung [km]

Abbildung 29: Ernte-, Transport- und Lagerkosten von Häcksellinie und Ballenlinie 13 Laut Abbildung 29 fallen bei einer mittleren Feld-Lager-Entfernung von 1 km bei der Häcksellinie je nach Trockenmasseertrag und eingesetzten Transportgespannen zwischen 33 und 38 €/t TM an Ernte-, Transport und Lagerkosten an. Bei der Ballenlinie betragen bei 1 km Feld-Lager-Entfernung diese Kosten 44 €/t TM. Bei der Häcksellinie steigen bei zunehmender Transportentfernung aufgrund der geringeren Transportdichte die Kosten stärker als bei der Ballenlinie. Jede Stufe bei der Häcksellinie steht für ein zusätzliches Transportgespann, das erforderlich ist und den Ernteguttransport entsprechend verteuert. Bei 10 km Transportentfernung erreichen die Kosten der Ballenlinie 47 €/t TM. Jene der Häckselgutlinie liegen in der Größenordnung von 44 bis 49 €/t TM. Entsprechend der Modellrechnung ist die Häcksellinie bis zu einer Feld-Lager-Entfernung von 5,8 km der Ballenlinie überlegen. Ab einer Feld-Lager-Entfernung von 14 km ist die Ballenlinie der Häcksellinie eindeutig günstiger. Da bei der Häcksellinie bei höheren Erträgen der Arbeitszeitbedarf bezogen auf die geerntete Trockenmasse geringer ist, sind die Ernte- und Transportkosten pro t TM geringer. Unter den gegebenen Kostenverhältnissen ist der Transport mit den 16-m³-Kippern tendenziell günstiger als mit den 27-m³-Abschiebewägen. Dies gilt auch für die größeren Transportentfernungen. Die Mehrkosten der Abschiebewägen mit 27 m³ betragen in Abhängigkeit vom Ertrag und Transportentfernung maximal 3 €/t TM. In der Praxis wird bei längeren Transportentfernungen bevorzugt zu größeren Transportgespannen gegriffen, da eine geringere Anzahl von Transportgespannen leichter zu organisieren ist.

13

Grundlagen für Arbeitszeitbedarf siehe Abbildung 25; Verrechnungssätze exkl. MwSt.: 305-kW-Feldhäcksler 143 €/h, 372-kW-Feldhäcksler 242 €/h, Traktor (60 kW) mit 16-m³-Kipper 32 €/h, Traktor (90 kW) mit 27-m³-Abschiebewagen 54 €/h, Teleskoplader (60 kW, 8 m Armlänge) 45,98 €/h, Großpackenpresse und Feldhäcksler bei Ballenlinie 16,67 €/Quaderballen, Traktor (90 kW) mit Anhänger für 24 Quaderballen 55,77 €/h, Traktor (110 kW) mit Frontlader zum Laden der Quaderballen 55,67 €/h, Lohnkosten 10 €/h, monatliche Lagermiete 1 €/m², Mietdauer 10 Monate

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Ernte von Miscanthus

Der leistungsstärkere Häcksler verursacht ähnliche Kosten wie der leistungsschwächere. Allerdings ist für seine Auslastung eine größere Anzahl von Transportgespannen erforderlich. Bei 5 km Transportentfernung wird ein zusätzliches Gespann benötigt, bei 10 km müssen anstatt fünf bereits sieben 27-m³Abschiebewägen eingesetzt werden. Grundsätzlich sollten bei der Häcksellinie die mittleren Transportentfernungen möglichst kurz gehalten werden. Jedes zusätzliche Transportgespann, das eingesetzt werden muss, verteuert den Häckselguttransport. In Abbildung 30 ist die Zusammensetzung der Kosten in Abbildung 29 für eine Feld-Lager-Entfernung von 1 und 10 km bei einem Ertrag von 15 t TM/ha dargestellt. Wartezeiten wurden wie Einsatzzeiten bewertet, deshalb verursachen bei der Häckselgutlinie mit einem Massenstrom durch den Häcksler von 18 t TM/h die größeren Transportgespanne auf Grund ihrer schlechteren Auslastung bei den dargestellten Feld-LagerEntfernungen höhere Kosten als die kleineren. Dies kann sich bei anderen Feld-Lager-Entfernungen umkehren. Auf Grund der höheren Lagerdichte sind die Lagerkosten bei der Ballenlinie deutlich niedriger als bei der Häcksellinie. Bei den dargestellten Feld-Lager-Entfernungen können bei der Ballenlinie die geringeren Kosten für Verladen, Transport, Einlagern und Lager die Kosten der Quaderballenpresse im Vergleich zur Häcksellinie noch nicht kompensieren. Dies wäre erst ab einer Entfernung von 11 bis 14 km der Fall (siehe Abbildung 29).

60

Häcksellinie

Ballenlinie

Kosten [€/t TM]

50 40

Lager Einlagern

30

Transport Verladen

20

Häckseln Häckseln und Pressen

10

39,7 t TM/h, 24,6 t TM/h, 10 km

39,7 t TM/h, 24,6 t TM/h, 1 km

30 t TM/h, 27 m³, 10 km

18 t TM/h, 27 m³, 10 km

18 t TM/h, 16 m³, 10 km

30 t TM/h, 27 m³, 1 km

18 t TM/h, 27 m³, 1 km

18 t TM/h, 16 m³, 1 km

0

Abbildung 30: Zusammensetzung der Kosten in Abbildung 29 bei einer Feld-Lager-Entfernung von 1 bzw. 10 km

Bei lagernden Miscanthusbeständen verringert sich infolge von Problemen mit dem Einzug des Erntegutes am reihenunabhängigen Maisgebiss die Flächenleistung des Feldhäckslers. Dies hat bei der Häcksellinie zur Folge, dass die Befüllung der Transportgespanne durch den Feldhäcksler mehr Zeit in Anspruch nimmt, was einerseits die Häckselkosten und andererseits die Transportkosten erhöht.

Ernte von Miscanthus

Seite 43

Bei dem in Abbildung 31 unterstellten Trockenmasseertrag von 10 t/ha erhöhen sich bei Verwendung üblicher Kipper mit 16 m³ Nutzvolumen bei lagernden Beständen bei kurzen Transportentfernungen von unter 1 km die Ernte-, Transport- und Lagerkosten von 35 €/t TM auf 41 €/t TM. Steigt die Feld-LagerEntfernung auf 5 km, so steigen die Ernte-, Transport- und Lagerkosten auf 39 €/t TM bei stehenden und auf 48 €/t TM bei stark lagernden Beständen. Dies bedeutet, dass bei lagernden Miscanthusbeständen mit ca. 20 % höheren Bereitstellungskosten zu rechnen ist. Zusätzlich verursachen lagernde Bestände eine höhere mittlere Stoppelhöhe und bei jedem Schopper bleibt auch Erntegut am Feld zurück. Diese Verluste sind in der Kalkulation nicht berücksichtigt.

Ernte-, Transport- und Lagerkosten [€/t TM]

65 Häcksellinie 14 mm, 16 m³ - 10 t TM/ha 60

Häcksellinie 14 mm, 16 m³ - 10 t TM/ha - Lagerstellen

55

50

45

40

35

30 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Feld-Lager-Entfernung [km]

Abbildung 31: Mehrkosten bei lagernden Miscanthusbeständen bei Häcksellinie 14

Für die in Abbildung 32 dargestellte Modellrechnung wurde Miscanthus mit einem 570-kW-Feldhäcksler und einem reihenunabhängigen Maisgebiss mit 7,5 m Arbeitsbreite geerntet. Der Verrechnungssatz des Lohnunternehmers setzte sich aus einem Fixbetrag von 141,7 €/ha exkl. MwSt. und der Vergütung des verbrauchten Treibstoffes zusammen. Pro Liter Diesel wurde in der Kalkulation 1,1 € exkl. MwSt. angesetzt. Die Auswirkung der Häcksellänge auf den Dieselverbrauch des Häckslers und die Schüttdichte während des Transportes sind in Kapitel 2.3.1.8 dargestellt. Zur Abfuhr des Häckselgutes wurden Abschiebewägen mit einem Nutzvolumen von 27 m³ eingesetzt. Weiters wurde für die Kalkulation ein Ertrag von 15 t TM/ha unterstellt. Die Einlagerungs- und Lagerkosten wurden ebenfalls berücksichtigt. Beim Vergleich mit Abbildung 29 und Abbildung 31 zeigt sich, dass aufgrund eines höheren Verrechnungssatzes des Lohnunternehmers die Kosten selbst bei einer

14

Grundlagen für Arbeitszeitbedarf siehe Abbildung 27; Schüttdichte am Lager entspricht Schüttdichte am Anhänger, Verrechnungssätze exkl. MwSt.: 305-kW-Feldhäckslers 143 €/h, Traktor (60 kW) mit 16-m³-Kipper 32 €/h inkl. Fahrer, Teleskoplader (60 kW, 8 m Armlänge) 45,98 €/h, Lohnkosten 10 €/h

Seite 44

Ernte von Miscanthus

Häcksellänge von 24 mm höher sind. Im konkreten Fall wäre bis zu einer einfachen Feld-Lager-Entfernung von 5,8 km die Häckselgutkette mit 24 mm eingestellter Häcksellänge kostengünstiger als die Häckselgutkette mit 7 mm. Im Bereich von 5,8 bis 9,7 km bewegen sich die Kosten in derselben Größenordnung. Welche Häcksellänge in diesem Bereich günstiger kommt, hängt von der Anzahl der benötigten Transportgespanne ab. Ab einer einfachen Feld-Lager-Entfernung von 9,7 km ist die Häckselgutkette mit 7 mm eingestellter Häcksellänge der Häckselgutkette mit 24 mm eingestellter Häcksellänge auf Grund der höheren Schüttdichte kostenmäßig überlegen. Sollte loses Miscanthushäckselgut verfeuert werden, dann wäre bei kurzen Feld-Lager-Entfernungen die Bereitstellung von „grobem“ Häckselgut (eingestellte Häcksellänge möglichst groß) am kostengünstigsten. Mit welcher theoretischen Häcksellänge Häckselgut in der Praxis produziert wird, hängt letztendlich vom Verwendungszweck und den Anforderungen des Kunden bzw. Heizkessels ab.

Ernte-, Transport- und Lagerkosten [€/t TM]

65 24 mm, 103 TM/m³, 36,4 t TM/h 7 mm, 149 kg TM/m³, 25,6 t TM/h

60

55

50

45

40

35

30 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Feld-Lager-Entfernung [km]

Abbildung 32: Einfluss der Häcksellänge auf die Ernte,- Transport- und Lagerkosten 15

15

Grundlagen für Arbeitszeitbedarf siehe Abbildung 28; Verrechnungssätze exkl. MwSt.: 305-kW-Feldhäckslers 143 €/h, Traktor (60 kW) mit 16-m³-Kipper 32 €/h inkl. Fahrer, Teleskoplader (60 kW, 8 m Armlänge) 45,98 €/h, Lohnkosten 10 €/h

Produktion von Miscanthusbriketts

3.

PRODUKTION VON MISCANTHUSBRIKETTS

3.1

Zielsetzung

Seite 45

Formstabile Miscanthusbriketts verfügen über eine hohe Energiedichte, günstige Dosier- und Fließeigenschaften, hohe Lagerstabilität, geringe Staubentwicklung beim Umschlag und geringere Emissionen bei der Verbrennung. Wegen der oben genannten Vorteile gegenüber losem Miscanthushäckselgut stellt sich die Frage des erforderlichen Energieeinsatzes zur Produktion von Briketts und wie dieser optimiert werden könnte.

3.2

Material und Methode

3.2.1 Beschreibung der Brikettieranlage und des verwendeten Rohstoffes Zur Herstellung der Miscanthusbriketts stand eine Brikettierpresse der dänischen Firma C.F. Nielsen A/S mit der Typenbezeichnung BP 3200 automatic mit speicherprogrammierbarer Steuerung am Betriebsstandort der Firma Hargassner zur Verfügung. Die Brikettieranlage ist mit einem 22 kW Hauptmotor ausgestattet, welcher laut Prospektangabe in Abhängigkeit vom Rohmaterial die Erzeugung von 400 bis 600 kg Briketts je Stunde ermöglichen soll. Bei der Brikettierpresse handelte es sich um eine Kolbenpresse mit einer konischen Matrize mit 44 mm Durchmesser und 150 mm Länge (TA1 50, TFA1 50/150 0366).

Abbildung 33: Brikettierpresse der dänischen Firma C.F. Nielsen A/S mit der Typenbezeichnung BP 3200 automatic mit eingebauten Drehstromzählern

Seite 46

Produktion von Miscanthusbriketts

Abbildung 34: Vorratsbehälter mit Rührwerk und frequenzgesteuerter Förderschnecke

Für die Aufbereitung des Häckselgutes wurde eine mittels Elektromotors (11 kW) betriebene Gebläsehammermühle der Firma Gruber Maschinen GmbH mit der Typenbezeichnung EB 2000 der Brikettierpresse vorgeschaltet. Die Hammermühle wurde vor Versuchsdurchführung sowohl mit einem neuen Rundlochsieb als auch mit neuen Schlägeln ausgestattet. Der Lochdurchmesser der Rundlochsiebe betrug 8 mm bzw. 12 mm. Die Beschickung der Hammermühle erfolgte automatisch über eine frequenzgesteuerte Förderschnecke, die das Häckselgut aus einem Vorratsbehälter mit Rührwerk (siehe Abbildung 34) entnahm. Entsprechend den Vorgaben des Herstellers und den bisher gesammelten Erfahrungen im Betrieb der Brikettieranlage wurde der Massenstrom zur Hammermühle und damit zur Brikettierpresse über die Drehzahl der Förderschnecke geregelt.

Produktion von Miscanthusbriketts

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Abbildung 35: Offene Hammermühle mit neuen Schlägeln und neuem Rundlochsieb Von der Gebläsehammermühle wurde das gemahlene Häckselgut über einen Gebläseschlauch dem Vorverdichter der Brikettierpresse zugeführt. Dieser wurde mit einem Elektromotor mit 5,5 kW Leistung angetrieben. Er führte das zu pressende Material der eigentlichen Brikettierpresse zu. Im Betrieb der Anlage wurde darauf geachtet, dass die am Steuerungskasten der Brikettieranlage angezeigte Temperatur am Ausgang der Brikettierpresse 150 °C nicht überschritt. Stieg sie über 150 °C, musste der Massenstrom durch die Presse durch Verringerung der Drehzahl der Zuführschnecke zur Hammermühle reduziert werden. Nach der Brikettierung hatten die Briketts eine Auskühlstrecke zur Aushärtung zu passieren. Am Ende der Auskühlstrecke wurden die Briketts mit Hilfe einer verstellbaren Prallplatte (siehe Abbildung 36) umgelenkt. Die Größe des Umlenkwinkels bestimmte die Länge der Briketts. Die produzierten Briketts wiesen eine Länge von 2 bis 4 cm auf.

Abbildung 36: Ende der Auskühlstrecke mit Prallplatte

Seite 48

Produktion von Miscanthusbriketts

3.2.2 Beschreibung des verwendeten Rohstoffes Zur Produktion der Miscanthusbriketts standen Häckselgut mit 7 mm bzw. 24 mm theoretischer Häcksellänge zur Verfügung. Der Trockenmassegehalt des Häckselgutes lag bei 89,0 %. Gemäß ÖNORM EN 15149-1 wurde die Verteilung der Partikelgrößen mittels Rüttelsiebverfahren bestimmt. Die Ergebnisse sind in Abbildung 37 dargestellt. Beim 7-mm-Häckselgut fallen 44 % der Masse durch das Sieb mit einer Maschenweite von 3,15 mm. Bei 24 mm theoretischer Häcksellänge betrug dieser Anteil nur 16 %. Gleichzeitig war der Anteil, der auf dem 8-mm-Sieb liegen blieb, bei einer theoretischen Häcksellänge von 24 mm mit 13 % deutlich höher als bei einer Häcksellänge von 7 mm, wo dieser Anteil nur rund 2 % betrug.

3.2.3 Vorgehensweise Untersucht wurde der Einfluss der Häcksellänge (7 und 24 mm) und der Mahlfeinheit (8- und 12-mmRundlochsieb) auf den Leistungsbedarf, den spezifischen Energiebedarf und den Massenstrom der Brikettieranlage. Zusätzlich wurde die Schüttdichte der erzeugten Briketts erfasst. Alle Messungen wurden in vierfacher Wiederholung durchgeführt. Die Versuchsdauer betrug jeweils eine Stunde, nachdem die Anlage konstant lief. Die Energieaufnahme des Rührwerkes im Vorratsbehälter inklusive der Zuführschnecke zur Hammermühle, der Hammermühle, des Vorverdichters und der Brikettierpresse wurden über die Versuchsdauer mittels Drehstromzähler erfasst. Die statistische Auswertung erfolgte durch zweifaktorielle Varianzanalysen mit SPSS 17.0. Da die Qualität der Briketts aus dem ungemahlenen 7-mm-Häckselgut unbefriedigend war, wurde diese Variante in der statistischen Auswertung nicht berücksichtigt. Die Ergebnisse sind aber für Vergleichszwecke in den folgenden Abbildungen dargestellt.

Produktion von Miscanthusbriketts

Rückstand auf den Sieben mit der Maschenweite [%]

100

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2 13

90 80 54

70

63 mm 60

45 mm 16 mm

70

50

8 mm 3,15 mm

40

1 mm 0 mm

30 39 20 10

14 5

2

Häcksler 7 mm

Häcksler 24 mm

0

Abbildung 37: Verteilung der Siebrückstände bei unterschiedlicher Häcksellänge

3.3

Ergebnisse

3.3.1 Partikelgröße nach Hammermühle

der

Aufbereitung

des

Häckselgutes

durch

die

Der Grad der Aufbereitung durch die Hammermühle wurde gemäß ÖNORM EN 15149-1 bestimmt. Die Ergebnisse sind in Abbildung 38 grafisch dargestellt. Durch die Hammermühle konnte der Feinanteil des 7 mm und 24 mm Häckselgutes deutlich gesteigert und die Grobanteile über 3,15 mm deutlich verringert werden. Dabei hatte die theoretische Häcksellänge des Häckselgutes einen geringfügigen Einfluss auf die Partikelgröße nach der Hammermühle. Mit zunehmender Häcksellänge stieg der Anteil der Grob- und Feinanteile geringfügig. Dies war darauf zurückzuführen, dass das längere Häckselgut länger in der Hammermühle verblieb bis es ausreichend zerkleinert war und durch das Rundlochsieb der Hammermühle gelangen konnte. Mit dem 8-mm-Rundlochsieb wurde deutlich besser zerkleinertes Material produziert, wobei der Rückstand auf dem Sieb mit einer Maschenweite von 3,15 mm maximal 10 % betrug. Wurde bei der Hammermühle ein Rundlochsieb mit 12 mm Lochdurchmesser eingesetzt, so erhöhten sich die Rückstände auf dem Sieb mit einer Maschenweite von 3,15 mm auf rund 15 %.

Produktion von Miscanthusbriketts

Rückstand auf den Sieben mit der Maschenweite [%]

Seite 50

100 7

2 10

90

14

15

80 46 70 60

62

63 mm

59 62

56

45 mm

50

16 mm 8 mm

40

3,15 mm

30

44

1 mm 0 mm

20 30

32

10

25

28 8

0 Häcksler 7 mm, Sieb 8 mm

Häcksler 24 mm, Sieb 8 mm

Häcksler 7 mm, Sieb 12 mm

Häcksler 24 mm, Sieb 12 mm

Häcksler 7 mm, ungemahlen

Abbildung 38: Siebung des Ausgangsmaterials vor der Presse

3.3.2 Massenstrom durch die Brikettieranlage Die ursprüngliche theoretische Häcksellänge des Feldhäckslers hatte einen entscheidenden Einfluss auf den erzielbaren Massenstrom durch die Brikettieranlage. Bei 7-mm-Häcksellänge konnte ein mittlerer Massenstrom von 527 bzw. 535 kg FM/h 16 erzielt werden. Wobei mit dem 8-mm-Rundlochsieb bei der vorgeschalteten Hammermühle ein etwas geringerer Massenstrom erzielt wurde. Mit dem ungemahlenen 7mm-Häckselgut konnte ein ähnlich hoher Massenstrom erzielt werden. Eine weitere Steigerung des Massenstromes war nicht möglich, da die Temperatur am Ausgang der Brikettieranlage 150 °C überschritten hätte. Beim 24-mm-Häckselgut sank der erzielbare mittlere Massenstrom bei der Brikettierung laut Varianzanalyse signifikant um mehr als ein Viertel auf 384 kg FM/h unabhängig vom eingesetzten Rundlochsieb (8 mm bzw. 12 mm) bei der Hammermühle. Ursache hierfür war die Leistungsfähigkeit der Hammermühle. Um eine Überlastung des Antriebsmotors zu vermeiden, musste die Drehzahl der Zuführschnecke und damit der Massenstrom entsprechend reduziert werden. Die in der Hammermühle eingesetzten Rundlochsiebe (8 mm bzw. 12 mm) hatten keinen signifikanten Einfluss auf den Massenstrom.

16

FM … Frischmasse

Produktion von Miscanthusbriketts

Seite 51

600

Massenstrom [kg FM/h]

500

400

300

200

535

534

527 384

384

100

0 Häcksler 7 mm, Häcksler 24 mm, Häcksler 7 mm, Häcksler 24 mm, Häcksler 7 mm, Sieb 8 mm Sieb 8 mm Sieb 12 mm Sieb 12 mm ungemahlen

Abbildung 39: Erzielter Massenstrom bei der Brikettierung in Abhängigkeit von der Häcksellänge und dem Grad der Aufbereitung des Häckselgutes in der vorgeschalteten Hammermühle

3.3.3 Leistungsbedarf bei der Brikettierung Der größte Leistungsbedarf war für den Antrieb der Brikettierpresse mit bis zu 15,6 kW und der Hammermühle mit bis zu 11,6 kW erforderlich. Der erforderliche Leistungsbedarf für das Rührwerk spielte mit durchschnittlich 0,3 kW eine untergeordnete Rolle. Mit 1,5 bis zu 2,3 kW war der Leistungsbedarf des Vorverdichters bei den Varianten, die eine zufriedenstellende Brikettqualität lieferten, ebenfalls relativ gering. Mit 2,7 kW war der Leistungsbedarf des Vorverdichters bei der Verarbeitung von nicht gemahlenem 7-mmHäckselgut am höchsten. Der Leistungsbedarf bei der Brikettierpresse war bei Verwendung von 24-mm-Häckselgut signifikant niedriger als bei Verwendung von 7-mm-Häckselgut, da der Massenstrom durch die Hammermühle begrenzt war. Mit rund einem Viertel bewegte sich der prozentuelle Abfall des erforderlichen Leistungsbedarfes in derselben Größenordnung wie der Abfall des Massenstromes durch die Brikettierpresse. Die Verwendung des 12-mm-Rundlochsiebes führte ebenfalls zu einem signifikant höheren Leistungsbedarf, wobei der Effekt deutlich kleiner war als bei der Häcksellänge. Der Leistungsbedarf der Hammermühle war beim 24-mm-Häckselgut signifikant höher als beim 7-mmHäckselgut. Sie konnte nicht weiter gesteigert werden, da die Überlastsicherung des Motors abgeschaltet hätte. Damit war auch der Massenstrom durch die gesamte Brikettieranlage begrenzt (siehe Abbildung 39). Die Verwendung eines 12-mm-Rundlochsiebes anstatt eines 8-mm-Rundlochsiebes bewirkte ebenfalls eine signifikante Verringerung des Leistungsbedarfes. Der erforderliche Leistungsbedarf für die gesamte Verfahrenskette vom Rührwerk im Vorratsbehälter, der Hammermühle, dem Vorverdichter bis hin zur Presse lag zwischen 24,0 kW und 27,0 kW. Wobei der Leistungsbedarf beim 7-mm-Häckselgut signifikant höher war als beim 24-mm-Häckselgut, was durch die

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Produktion von Miscanthusbriketts

Unterschiede im Massenstrom erklärt werden kann. Die unterschiedlichen Rundlochsiebe führten zu keinen signifikanten Unterschieden im Gesamtleistungsbedarf der Brikettieranlage. Auf Grund des Aufbaues der Brikettieranlage musste die Hammermühle beim Pressen des ungemahlenen 7-mm-Häckselgutes zur Beschickung des Vorverdichters verwendet werden. Für diesen Zweck wurde das Rundlochsieb ausgebaut. Der Leistungsbedarf der Hammermühle betrug dann 4,9 kW.

30,0

25,0 8,4

10,1

Leistung [kW]

20,0

9,9

11,6 15,0

2,2

2,1

4,9 2,7

Mühle Rührwerk

2,3

Vorverdichter

1,5

Presse

10,0 15,6

14,5 5,0

14,5

10,7

11,8

Häcksler 24 mm, Sieb 8 mm

Häcksler 7 Häcksler 24 Häcksler 7 mm, Sieb 12 mm, Sieb 12 mm, mm mm ungemahlen

0,0 Häcksler 7 mm, Sieb 8 mm

Abbildung 40: Erforderlicher Leistungsbedarf des Rührwerks, der Mühle, des Vorverdichters und der Brikettierpresse in Abhängigkeit von der Häckselgutlänge und dem Aufbereitungsgrad

3.3.4 Spezifischer Energiebedarf bei der Brikettierung von Miscanthushäckselgut Betrachtet man den erforderlichen spezifischen Energiebedarf für sämtliche Verfahrensschritte von der Hammermühle, dem Rührwerk, dem Vorverdichter und der Presse in Summe, so war erwartungsgemäß der spezifische Energiebedarf beim Brikettieren von ungemahlenem 7-mm-Häckselgut am geringsten und bei Verwendung von 24-mm-Häckselgut aufgrund des hohen spezifischen Energiebedarfes der Hammermühle am höchsten. Im Vergleich zum 7-mm-Häckselgut war der spezifische Energiebedarf beim 24-mmHäckselgut generell signifikant höher. Die verwendeten Rundlochsiebe der vorgeschalteten Hammermühle hatten keinen signifikanten Einfluss auf den spezifischen Gesamtenergiebedarf der Brikettieranlage. Der spezifische Energieverbrauch der Hammermühle wurde signifikant von der Länge des Häckselgutes bestimmt. Durch Verringerung der Häcksellänge von 24 mm auf 7 mm konnte der spezifische Energiebedarf der Hammermühle um mehr als ein Drittel gesenkt werden. Er sank beim Zerkleinern durch ein 8-mmRundlochsieb von 30,1 kWh/t FM auf 19,1 kWh/t FM. Wurde ein 12-mm-Rundlochsieb verwendet, sank er von 25,8 kWh/t FM auf 15,8 kWh/t FM. Die Differenz zwischen den beiden Sieben war ebenfalls signifikant.

Produktion von Miscanthusbriketts

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Den geringsten spezifischen Energiebedarf hatte das Rührwerk, welcher sich in einer Größenordnung zwischen 0,6 und 0,8 kWh/t FM bewegte und signifikant von der eingestellten theoretischen Häcksellänge des Feldhäckslers abhing. Eine größere Häcksellänge bewirkte einen höheren spezifischen Energiebedarf. Der spezifische Energieverbrauch des Vorverdichters bewegte sich zwischen 3,8 und 5,9 kWh/t FM. Er wurde sowohl von der Häcksellänge als auch vom Sieblochdurchmesser signifikant beeinflusst. Für den Pressvorgang wurden zwischen 27,1 und 30,7 kWh/t FM benötigt. Wurde bei der vorgeschalteten Hammermühle ein 12-mm-Rundlochsieb eingesetzt, dann wurde signifikant mehr Energie für den Pressvorgang benötigt. Gleiches galt auch für das 24-mm-Häckselgut im Vergleich zum 7-mm-Häckselgut.

Spezifischer Energieverbrauch [kWh/t FM]

70,0

60,0 25,8

50,0

40,0

30,1 19,1

15,8 9,2

30,0

4,0

3,8

4,1

5,9 5,1

Mühle Rührwerk Vorverdichter Presse

20,0 27,6

27,9

Häcksler 7 mm, Sieb 8 mm

Häcksler 24 mm, Sieb 8 mm

29,1

30,7

27,1

10,0

0,0 Häcksler 7 Häcksler 24 Häcksler 7 mm, Sieb 12 mm, Sieb 12 mm, mm mm ungemahlen

Abbildung 41: Spezifischer Energieverbrauch bei der Herstellung von Briketts bei unterschiedlicher Häcksellänge und unterschiedlichem Aufbereitungsgrad in der Hammermühle

3.3.5 Schüttdichte nach der Brikettierung Die erzielten mittleren Schüttdichten der Miscanthusbriketts lagen in Abhängigkeit von der eingestellten Häcksellänge des Feldhäckslers und dem Grad der Aufbereitung durch die Hammermühle zwischen 529 und 570 kg FM/m³ (siehe Abbildung 43). Wenn man bedenkt, dass vor der Brikettierung die Schüttdichte des 24-mm-Häckselgutes bei 116 kg FM/m³ und des 7-mm-Häckselgutes bei 168 kg FM/m³ lag, so entsprach dies einer Erhöhung der Schüttdichte durch Brikettierung um den Faktor 3,1 bis 4,9, was einer bedeutenden Reduktion des erforderlichen Lagerraumes gleichkommt. Häckselgut, das in der Hammermühle mit einem 12-mm-Rundlochsieb aufbereitet wurde, erzielte nach der Brikettierung eine signifikant höhere Schüttdichte als das mit dem 8-mm-Rundlochsieb aufbereitete. Vergleicht man die Schüttdichte der Briketts aus 7-mm-Häckselgut mit jener aus 24-mm-Häckselgut, so

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Produktion von Miscanthusbriketts

wiesen erstere die signifikant höhere mittlere Schüttdichte auf. Ursache hierfür könnte der geringere Massenstrom durch die Anlage sein. Aus der Sicht des Energieeinsatzes und des Massenstromes durch die Brikettieranlage wäre das direkte Brikettieren von 7-mm-Häckselgut eine interessante Lösung. Laut TFZ (2009) kann bei der Erzeugung von Miscanthusbriketts auf die Zugabe von Klebstoffen oder Bindemitteln verzichtet werden, wenn das Material mittels Hammermühle sehr fein (< 5 mm) zerkleinert wurde. Diese Vorgabe wurde ohne Verwendung eines Rundlochsiebes in der Hammermühle nicht erreicht. Aus diesem Grund war es auch nicht möglich ohne Aufbereitung des 7-mm-Häckselgutes formstabile Miscanthusbriketts zu erzeugen. Diese zerfielen sofort in der Aufbewahrungsbox und waren für ein weiteres Handling ungeeignet (siehe Abbildung 42).

Abbildung 42: Miscanthusbriketts aus nicht aufbereitetem 7-mm-Miscanthushäckselgut

Produktion von Miscanthusbriketts

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600

Schüttdichte [kg FM/m³]

500

400

300 555

535

570

563

529

200

100

0 Häcksler 7 mm, Häcksler 24 mm, Häcksler 7 mm, Häcksler 24 mm, Häcksler 7 mm, Sieb 8 mm Sieb 8 mm Sieb 12 mm Sieb 12 mm ungemahlen

Abbildung 43: Erzielte Schüttdichte in Abhängigkeit vom Aufbereitungsgrad des Miscanthushäckselgutes

3.3.6 Direkter spezifischer Energieeinsatz für das Häckseln und Brikettieren Wenn man den direkten Energieverbrauch für das Häckseln mit dem Feldhäcksler um den Energieverbrauch bei der Herstellung von Briketts aus Abbildung 41 ergänzt, dann ergibt dies den direkten Energieeinsatz für das Häckseln und Brikettieren von Miscanthus (siehe Abbildung 44). Als Energieverbrauch für das Häckseln wurde der mittlere Kraftstoffbedarf in l/t gehäckselter Trockenmasse mit dem Heizwert von Diesel (9,87 kWh/l) multipliziert. Daraus ergibt sich ein Energieverbrauch des Feldhäckslers von 43,5 kWh/t gehäckselter Trockenmasse bei einer eingestellten Häcksellänge von 7 mm. Bei einer eingestellten theoretischen Häcksellänge von 24 mm konnte der Energieverbrauch für das Häckseln um mehr als 40 % auf 24,4 kWh/t gehäckselter Trockenmasse gesenkt werden. Der Energieverbrauch für den Transport wurde nicht berücksichtigt. Wie die folgende Abbildung zeigt, war der direkte Energiebedarf für das Häckseln und Brikettieren bei beiden Häcksellängen annähernd gleich. Das bedeutet für die Praxis, dass beim Häckseln eingesparte Energie durch vermehrten Energieverbrauch der der Brikettierpresse vorgeschalteten Mühle ausgeglichen wurde. In Summe war für die Erzeugung von formstabilen Miscanthusbriketts ein direkter Energieverbrauch von 94 bis 101 kWh/t TM erforderlich, wobei bei 24 mm Häcksellänge der direkte Energieverbrauch tendenziell geringer war. Tendenziell geringer war er auch, wenn in der Hammermühle anstatt eines 8-mmRundlochsiebes ein 12-mm-Rundlochsieb eingesetzt wurde.

Seite 56

Produktion von Miscanthusbriketts

Spezifischer Energieverbrauch [kWh/t TM]

120

100

80

43,5

24,4

24,4 43,5

43,5 60 21,3

Mühle

28,7

33,6

Rührwerk 17,6

40 4,4

4,2

4,5

30,7

31,1

32,5

20

Diesel Häcksler

6,6

10,2 5,6

34,3

Vorverdichter Presse

30,2

0 Häcksler 7 mm, Sieb 8 mm

Häcksler 24 Häcksler 7 Häcksler 24 Häcksler 7 mm, Sieb 8 mm, Sieb 12 mm, Sieb 12 mm, mm mm mm ungemahlen

Abbildung 44: Direkter spezifischer Energiebedarf beim Häckseln und Brikettieren in Abhängigkeit vom Aufbereitungsgrad

Zusammenfassung

4.

Seite 57

ZUSAMMENFASSUNG

Je nach Witterungsverlauf trocknen die Miscanthusbestände bis Ende März bzw. in den April hinein soweit ab, dass lagerfähiges Erntegut mit einem Trockenmassegehalt von über 85 % geerntet werden kann. In der Praxis haben sich sowohl die einphasige Häckselgutkette als auch die zweiphasige Ernte mit Feldhäcksler und Großpackenpresse bewährt. Der Großteil der Miscanthusflächen wird mittels loser Häckselgutkette geerntet, da diese bei kurzen Transportstrecken die kostengünstigste Form der Ernte darstellt. Bei größeren Transportentfernungen und auf Abnehmerwunsch ist die zweiphasige Erntekette mit Feldhäcksler und Großpackenpresse eine bewährte Alternative. Dabei legt der Feldhäcksler das Häckselgut in einem Schwad ab, der von der nachfolgenden Großpackenpresse zu Quaderballen gepresst wird. Es kommt etablierte Erntetechnik zu einem Zeitpunkt zum Einsatz, wo diese sonst in den Maschinenhallen stehen würde. Dies bietet den Lohnunternehmern eine Chance zu einer besseren Auslastung ihrer Maschinen. Im Gegensatz zur Silomaisernte, wo im Herbst die gesamte Blattmasse geerntet wird, werden bei der Miscanthusernte im Frühjahr nur die Stängel geerntet. Die fehlende Blattmasse bei den Miscanthusstängeln erschwert den Gutfluss vom reihenunabhängigen Maisgebiss zur Häckseltrommel. Aus diesem Grund werden beim Häckseln von Miscanthus deutlich geringere Massenströme durch den Feldhäcksler erzielt. Reihenunabhängige Maisgebisse geringer Arbeitsbreite (4,5 m) kommen mit den Stängeln am besten zurecht. Bei einer eingestellten theoretischen Häcksellänge von 14 mm wurden mit einem Feldhäcksler mit 305 kW Nennleistung in Abhängigkeit vom Ertrag Massenströme von 14 bis 18 t TM/h erzielt. Wenn das Leistungspotential des Häckslers voll ausgeschöpft wird, bleibt der Massenstrom durch den Feldhäcksler unabhängig vom Ertrag weitestgehend konstant. Bei leistungsstärkeren Feldhäckslern mit reihenunabhängigen Maisgebissen größerer Arbeitsbreite konnte bei geringen Erträgen die Häckselgeschwindigkeit nicht im notwendigen Ausmaß gesteigert (Erntegutfluss) werden, um den Massenstrom durch den Feldhäcksler konstant zu halten. Infolge zu guter Nährstoffversorgung bzw. bei vorzeitigem Schneefall, wenn die Miscanthusblätter noch nicht abgefallen sind, kann es zum vermehrten Auftreten von Lagerstellen in Miscanthusbeständen kommen. Starke Lagerstellen erschweren die ordnungsgemäße Erntegutaufnahme. Bei Miscanthusbeständen mit Lagerstellen greifen Lohnunternehmer bevorzugt zu reihenunabhängigen Maisgebissen mit 4,5 m Arbeitsbreite, da diese mit den schwierigen Verhältnissen am besten zu Recht kommen. Trotzdem ist mit häufigen Verstopfungen am Maisgebiss zu rechnen. Bei stark lagernden Beständen konnte im Durchschnitt alle 70 m Häckselstrecke eine Verstopfung beobachtet werden. Dies hatte jeweils eine Standzeit von etwa einer halbe Minute zur Folge. Der Massenstrom sank dadurch auf 8 t TM/h. Aus diesem Grund sind sowohl Landwirte als auch Lohnunternehmer auf der Suche nach Alternativen. Eine davon ist ein GPS-Schneidwerk statt des reihenunabhängigen Maisgebisses. Nachteil dieses Systems ist, dass vermehrt Stängel quer der Häckseltrommel zugeführt werden, was zu einem deutlichen Anstieg der Überlängenteile im Häckselgut führt. Nur bei stehenden Beständen ist es sinnvoll reihenunabhängige Maisgebisse mit 6,0 und 7,5 m Arbeitsbreite zu verwenden. Der erzielbare Massenstrom durch den Feldhäcksler ist wesentlich von der eingestellten Häcksellänge abhängig. Aus diesem Grund sollte nur so kurz wie unbedingt notwendig gehäckselt werden, um nicht unnötig Schlagkraft zu verlieren. Gleichzeitig bewirken kürzere theoretische Häcksellängen auch einen deutlich höheren Treibstoffverbrauch.

Seite 58

Zusammenfassung

Die erzielte Schüttdichte des Miscanthushäckselgutes hängt einerseits von der zurückgelegten Wegstrecke bei der Befüllung und andererseits von der eingestellten Häcksellänge ab. Beim Einsatz unterschiedlich großer Transportgespanne hat sich gezeigt, dass bei den größeren Transportgespannen bis zu 10 % höhere Schüttdichten erzielt werden. Weiters wird durch Verkürzung der Häcksellänge eine bessere Rieselfähigkeit erreicht. Beispielsweise stieg bei einer Verkürzung der eingestellten Häcksellänge von 24 auf 7 mm die mittlere Schüttdichte von 103 auf 149 kg TM/m³ an. Um Lagerraum zu sparen, wurde Miscanthushäckselgut mit einer theoretischen Häcksellänge von 7 mm in einem überdachten Fahrsilo eingelagert und mittels Walztraktor verdichtet. Durch den Walzvorgang konnte die mittlere Schüttdichte auf 208 kg TM/m³ erhöht werden. Der erforderliche Lagerraumbedarf konnte dadurch um ca. 30 % gesenkt werden. Weiters kommt es aufgrund der Trockenheit des Erntegutes zur verstärkten Staubentwicklung bei der Ernte. Dies hat zur Folge, dass Kühler und Luftfilter überdurchschnittlich oft zu reinigen sind. Im Erntejahr 2009 wurden keine Arbeitsunterbrechungen infolge von Verstopfungen der Siebe vor dem Kühler des Feldhäckslers beobachtet. Im Erntejahr 2010 konnten sich aufgrund der günstigen Witterung bei den Miscanthusbeständen des Mostviertels vermehrt Blüten bilden. Diese waren dafür verantwortlich, dass der Reinigungsflügel für die Siebe vor dem Kühler fallweise durch angesaugtes Häckselgut blockiert wurde. In diesen Fällen mussten die Siebflächen händisch gereinigt und der Reinigungsflügel wieder in Gang gesetzt werden. Bei der zweiphasigen Ernte werden im ersten Arbeitsschritt mit einem Feldhäcklser mit offenem Trommelboden und mit lediglich 2 Messern auf der Häckseltrommel die Miscanthusstängel zerkleinert und im Schwad unter dem Feldhäcksler abgelegt. Dabei sind deutlich höhere Fahrgeschwindigkeiten möglich. Die erzielbare Fahrgeschwindigkeit beim Häckseln ist höher als die mögliche Fahrgeschwindigkeit beim anschließenden Pressen mit der traktorgezogenen Großpackenpresse. Bei Erträgen unter 10 t TM/ha fällt die Schwadstärke bei Verwendung eines 4,5 m reihenunabhängigen Schneidwerkes unter 4 kg TM/m ab. Auf diesen Flächen kann das mögliche Leistungspotential der Großpackenpresse nicht ausgeschöpft werden, da die Fahrgeschwindigkeit nicht entsprechend gesteigert werden kann. Das Ballenvolumen und die Ballendichte werden entsprechend den Kundenwünschen angepasst. Die Ballendichte bewegt sich zwischen 190 und 233 kg TM/m³. Für das Verladen und das Entladen sind 3 AKmin/t FM erforderlich. Als Nachteil dieses Verfahrens sind der Bodenkontakt des Erntegutes und die damit verbundene mögliche Aufnahme von bereits abgefallenen Blättern und sonstigen Störstoffen beim anschließenden Pressvorgang zu nennen. Bei Gegenüberstellung des erforderlichen Arbeitszeitbedarfes je geernteter Tonne Trockenmasse ist die Ballenlinie der Häckselgutlinie überlegen. Aufgrund der geringeren Transportdichte steigt der erforderliche Arbeitszeitbedarf je Tonne Erntegut bei der Häcksellinie mit zunehmender Transportentfernung stärker an als bei der Ballenlinie. Der Produzent ist bestrebt Erntegut entsprechender Qualität mit möglichst geringen Ernte-, Transport- und Lagerkosten anbieten bzw. selbst verwerten zu können. Bis zu einer mittleren Transportentfernung (Feld Lagerplatz) von rund 6 km fallen unter den gewählten Rahmenbedingungen bei der Häckselgutlinie die geringsten Kosten an. Von 6 bis 14 km Transportentfernung bewegen sich die Kosten der Häckselgut- und Ballenlinie in derselben Größenordnung. Ab 14 km Transportentfernung ist die Ballenlinie der Häckselgutlinie kostenmäßig überlegen. Um die Energiedichte von losem Miscanthushäckselgut zu erhöhen, wurden mit Hilfe einer Brikettierpresse der dänischen Firma Nielsen A/S mit der Typenbezeichnung BP 3200 automatic Briketts (22 kW) erzeugt.

Zusammenfassung

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Bei der Brikettierpresse war eine konische Matrize mit einem Durchmesser von 44 mm und einer Länge von 150 mm im Einsatz. Zur Aufbereitung des Häckselgutes war der Brikettierpresse eine Gruber Hammermühle mit der Typenbezeichnung EB 2000 vorgeschaltet, welche von einem 11-kW-E-Motor angetrieben wurde. Die Hammermühle wurde über eine frequenzgesteuerte Förderschnecke von einem Vorratsbehälter mit Rührwerk beschickt. Aus Miscanthushäckselgut mit einer theoretischen Häcksellänge von 7 mm, das ohne Nachzerkleinerung in der vorgeschalteten Hammermühle der Brikettierpresse zugeführt wurde, konnten keine formstabilen Briketts produziert werden. Deshalb wurde die Hammermühle mit Rundlochsieben mit einem Lochdurchmesser von 8 bzw. 12 mm ausgestattet. Erwartungsgemäß war der Aufbereitungsgrad bei Verwendung des 8-mmRundlochsiebes höher als bei Einsatz des 12-mm-Rundlochsiebes. Das verwendete Rundlochsieb in der Hammermühle hatte keinen signifikanten Einfluss auf den erzielten Massenstrom durch die Brikettieranlage. Bei Verwendung von Häckselgut mit einer theoretischen Häcksellänge von 7 mm wurde ein Massenstrom von rund 530 kg/h erreicht. Wurde 24-mm-Häckselgut verwendet, sank er auf Grund des Erreichens der Auslastungsgrenze der Hammermühle auf rund 380 kg/h. Beim 7-mm-Häckselgut war die Temperatur an der Matrize der begrenzende Faktor. Obwohl beim 24-mm-Häckselgut die Hammermühle an ihrer Auslastungsgrenze arbeitete, war der Leistungsbedarf der gesamten Anlage geringer als beim 7-mm-Häckselgut, da die Brikettierpresse beim 24mm-Häckselgut auf Grund des geringeren Massenstromes signifikant weniger Leistung aufnahm. Die unterschiedlichen Rundlochsiebe in der Hammermühle verursachten keinen Unterschied in der Leistungsaufnahme. Der spezifische Energiebedarf der Brikettieranlage war beim 24-mm-Häckselgut signifikant höher als beim 7mm-Häckselgut. Die unterschiedlichen Rundlochsiebe in der Hammermühle verursachten keinen Unterschied im spezifischen Energiebedarf. Die erzielten mittleren Schüttdichten der Miscanthusbriketts lagen in Abhängigkeit von der eingestellten Häcksellänge des Feldhäckslers und dem Grad der Aufbereitung durch die Hammermühle zwischen 535 und 570 kg FM/m³. Häckselgut, das in der Hammermühle mit einem 12-mm-Rundlochsieb aufbereitet wurde, erzielte nach der Brikettierung eine signifikant höhere Schüttdichte als das mit dem 8-mm-Rundlochsieb aufbereitete. Vergleicht man die Schüttdichte der Briketts aus 7-mm-Häckselgut mit jener aus 24-mmHäckselgut, so wiesen erstere die signifikant höhere mittlere Schüttdichte auf. Ursache hierfür könnte der geringere Massenstrom durch die Anlage sein. In Summe ist der direkte Energiebedarf für das Häckseln und Brikettieren bei einer Häcksellänge von 7 mm bzw. 24 mm annähernd gleich. Das bedeutet für die Praxis, dass beim Häckseln eingesparte Energie in Form von Diesel durch vermehrten Stromverbrauch der Brikettieranlage vorgeschalteten Mühle ausgeglichen wird. In Summe ist mit einem direkten Energieverbrauch von formstabilen Miscanthusbriketts von 84 bis 90 kWh/t FM zu rechnen, wobei bei 24 mm Häcksellänge der direkte Energieverbrauch tendenziell geringer war.

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Quellenverzeichnis

5.

QUELLENVERZEICHNIS

[1]

Deetz, R. (2009): Asche- und Silicatgehalt von Einjahrespflanzen in Abhängigkeit vom phänologischen Entwicklungsstadium. Diplomarbeit, Eigenverlag, 16225 Eberswalde, Germany.

[2]

DLG (2011): Durchsatzleistung und Kraftstoffverbrauch im Mais. DLG-Prüfbericht 5432F, Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft e.V., 64823 Groß-Umstadt, Germany.

[3]

European Committee for Standardization (2004): CEN/TS 14774-2:2004: Solid biofuels - Methods for the determination of moisture content - Oven dry method - Part 2: Total moisture - Simplified method, European Committee for Standardization, Brussels.

[4]

European Committee for Standardization (2005): CEN/TS 15103:2005 Solid biofuels - Methods for the determination of bulk density, European Committee for Standardization, Brussels.

[5]

European Committee for Standardization (2006): CEN/TS 15149-1:2006: Solid biofuels - Methods for the determination of particle size distribution - Part 1: Oscillating screen method using sieve apertures of 3.15 mm and above. European Committee for Standardization, Brussels.

[6]

Handler, F. und E. Blumauer (2010): Optimierung von Verfahren für die Bewirtschaftung von Kurzumtriebsflächen. Forschungsbericht Nr. 52, BLT - Biomass | Logistics | Technology, HBLFA Francisco Josephinum, Austria.

[7]

Handler, F. und E. Blumauer (2008): Bei der Ernte muss die Logistik stimmen. Sonderbeilage, Der Fortschrittliche Landwirt, Heft 15/2008, Landwirt Agrarmedien GmbH, 8010 Graz, Austria.

[8]

KTBL (2011) http://www.ktbl.de/index.php?id=796&type=98 2011-03-24

[9]

Krick, B. (2005): Moderne Strohballenpressen und deren Optimierung für den Strohballenbau. FB 6: Forschungslabor für Experimentelles Bauen, Universität Kassel. (http://www.unikassel.de/fb11/agrartechnik/Fachgebiet/bilder/krick/Plakat%20Moderne%20Pressen,Verbesserung%2 080%20cm.pdf)

[10]

Reinhold, G. und T. Graf (2002): Betriebswirtschaftliche Richtwerte zur Faserhanfproduktion. Thüringer Ministerium für Landwirtschaft, Naturschutz und Umwelt. (http://www.tll.de/ainfo/pdf/hanf0805.pdf).

[11]

Röhricht, C. (2008): Miscanthus sinensis. Informationsschrift, 3. Auflage, Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie, 01326 Dresden, Germany.

[12]

TFZ (2009): Miscanthus als Nachwachsender Rohstoff. Berichte aus dem TFZ 18. Technologie- und Förderzentrum für Nachwachsende Rohstoffe (TFZ), 94315 Straubing, Germany.

Abbildungsverzeichnis

6.

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ABBILDUNGSVERZEICHNIS

Abbildung 1:

Feldhäcksler mit reihenunabhängigem Maisvorsatz in der losen Häckselgutkette ..................9

Abbildung 2:

Zweiphasige Ernte mit Feldhäcksler mit offenem Trommelboden (oben) und Großpackenpresse (unten) .....................................................................................................10

Abbildung 3:

Zusammenhang zwischen Ertrag und Massenstrom durch den Feldhäcksler ....................... 12

Abbildung 4:

Zusammenhang zwischen der Nennleistung des Feldhäckslers und dem erzielten Massenstrom bei Silomais, angewelktem Gras und Miscanthus ...........................................13

Abbildung 5:

Zusammenhang zwischen Ertrag und möglicher Fahrgeschwindigkeit des Feldhäckslers mit 305 kW Nennleistung, 4,5 m theoretischer Arbeitsbreite und 14 mm eingestellter Häcksellänge beim Häckseln von Miscanthus .......................................................................14

Abbildung 6:

Große Ernterestmengen waren zum Teil von den reihenunabhängigen Maisgebissen vor Verlassen des Miscanthusfeldes zu entfernen .................................................................16

Abbildung 7:

Beseitigung einer Verstopfung in einem stark lagernden Miscanthusbestand ....................... 17

Abbildung 8:

Mehrjährige Miscanthusfläche im Bezirk Amstetten 2009 ohne Blütenstände und 2010 mit Blütenständen unmittelbar vor der Ernte ..........................................................................18

Abbildung 9:

Häckslerfahrer beim Freimachen des blockierten Reinigungsflügels.....................................19

Abbildung 10: Reinigung eines stark verschmutzten Luftfilters des Feldhäckslers am Feld ......................... 19 Abbildung 11: Zusammenhang zwischen zurückgelegtem Häckselweg und erzielter Schüttdichte des Miscanthushäckselgutes .........................................................................................................21 Abbildung 12: Einlagerung von Miscanthushäckselgut im überdachten Fahrsilo mit anschließender Verdichtung mit Walztraktor mit aufgebauter Kippmulde ....................................................... 21 Abbildung 13: Claas Jaguar 980 mit 570 kW Nennleistung und Claas Orbis 750 Schneidwerk beim Miscanthushäckseln ...............................................................................................................22 Abbildung 14: Erzielter Massenstrom durch den Feldhäcksler in Abhängigkeit von der Häcksellänge (ohne Nebenzeiten) ................................................................................................................23 Abbildung 15: Treibstoffverbrauch beim Häckseln von Miscanthus in Abhängigkeit von der eingestellten Häcksellänge .....................................................................................................24 Abbildung 16: Erzielte Schüttdichte bei Miscanthushäckselgut in Abhängigkeit von der eingestellten Häcksellänge .......................................................................................................................... 25 Abbildung 17: Zusammenhang zwischen Miscanthusertrag und Massenstrom durch den Feldhäcksler bei offenem Trommelboden ....................................................................................................27 Abbildung 18: Zusammenhang zwischen Miscanthusertrag und gemessener Fahrgeschwindigkeit beim Häckseln mit offenem Trommelboden ...........................................................................27 Abbildung 19: Blick auf die Häckseltrommel mit halben Messersatz ............................................................ 28 Abbildung 20: Großpackenpresse beim Pressen von im Schwad abgelegtem Miscanthushäckselgut ........30 Abbildung 21: Zusammenhang zwischen Schwadmasse und erzieltem Massenstrom durch die Großpackenpresse .................................................................................................................30 Abbildung 22: Zusammenhang zwischen Schwadstärke und erzielter Fahrgeschwindigkeit beim Pressen ...................................................................................................................................31 Abbildung 23: Stoppelhöhe ............................................................................................................................ 32

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Abbildungsverzeichnis

Abbildung 24: Beladen eines Anhängers mit vorgestapelten Quaderballen................................................. 34 Abbildung 25: Arbeitszeitbedarf bei ein- bzw. zweiphasiger Miscanthusernte ............................................. 36 Abbildung 26: Zusammensetzung des Arbeitszeitbedarfes bei ein- bzw. zweiphasiger Miscanthusernte... 37 Abbildung 27: Arbeitszeitbedarf bei einphasiger Miscanthusernte bei stehendem bzw. lagerndem Bestand .................................................................................................................................. 38 Abbildung 28: Auswirkung unterschiedlicher Häcksellänge und Schüttdichte auf den Arbeitszeitbedarf bei einphasiger Miscanthusernte ........................................................................................... 40 Abbildung 29: Ernte-, Transport- und Lagerkosten von Häcksellinie und Ballenlinie ................................... 41 Abbildung 30: Zusammensetzung der Kosten in Abbildung 29 bei einer Feld-Lager-Entfernung von 1 bzw. 10 km ............................................................................................................................. 42 Abbildung 31: Mehrkosten bei lagernden Miscanthusbeständen bei Häcksellinie ....................................... 43 Abbildung 32: Einfluss der Häcksellänge auf die Ernte,- Transport- und Lagerkosten ................................ 44 Abbildung 33: Brikettierpresse der dänischen Firma C.F. Nielsen A/S mit der Typenbezeichnung BP 3200 automatic mit eingebauten Drehstromzählern .............................................................. 45 Abbildung 34: Vorratsbehälter mit Rührwerk und frequenzgesteuerter Förderschnecke ............................. 46 Abbildung 35: offene Hammermühle mit neuen Schlägeln und neuem Rundlochsieb ................................. 47 Abbildung 36: Ende der Auskühlstrecke mit Prallplatte ................................................................................ 47 Abbildung 37: Verteilung der Siebrückstände bei unterschiedlicher Häcksellänge ...................................... 49 Abbildung 38: Siebung des Ausgangsmaterials vor der Presse ................................................................... 50 Abbildung 39: Erzielter Massenstrom bei der Brikettierung in Abhängigkeit von der Häcksellänge und dem Grad der Aufbereitung des Häckselgutes in der vorgeschalteten Hammermühle ........ 51 Abbildung 40: Erforderlicher Leistungsbedarf des Rührwerks, der Mühle, des Vorverdichters und der Brikettierpresse in Abhängigkeit von der Häckselgutlänge und dem Aufbereitungsgrad ...... 52 Abbildung 41: Spezifischer Energieverbrauch bei der Herstellung von Briketts bei unterschiedlicher Häcksellänge und unterschiedlichem Aufbereitungsgrad in der Hammermühle ................... 53 Abbildung 42: Miscanthusbriketts aus nicht aufbereitetem 7-mm-Miscanthushäckselgut............................ 54 Abbildung 43: Erzielte Schüttdichte in Abhängigkeit vom Aufbereitungsgrad des Miscanthushäckselgutes ........................................................................................................ 55 Abbildung 44: Direkter spezifischer Energiebedarf beim Häckseln und Brikettieren in Abhängigkeit vom Aufbereitungsgrad .................................................................................................................. 56

Tabellenverzeichnis

7.

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TABELLENVERZEICHNIS

Tabelle 1:

Arbeitszeitbedarf für Wendevorgänge ......................................................................................... 15

Tabelle 2:

Arbeitszeitbedarf für den Wechsel der Transportgespanne und Rüstarbeiten ............................ 15

Tabelle 3:

Arbeitszeitbedarf für Wendevorgänge mit offenem Trommelboden ............................................28

Tabelle 4:

Stärke des Miscanthusschwades in Abhängigkeit vom Ertrag und der Arbeitsbreite des reihenunabhängigen Maisgebisses ............................................................................................. 31

Tabelle 5:

Arbeitszeitbedarf für Wendevorgänge beim Pressen ..................................................................32

Tabelle 6:

Mittlere Dichte der Miscanthusquaderballen................................................................................33

ISBN 978-3-902451-08-8