ZuFa 1-10

Question 1

Landwirtschaftliche Biomasse:

Accepted Answer

 Biomasse = organischer Herkunft (kohlenstoffhaltig)-> lebende sowie abgestorbene Phyto- und Zoomasse + daraus resultierende Rückstände + Stoffe die durch eine technische Umwandlung anfallen Primäre Biomasse = nutzt direkt Sonnenenergie durch Photosynthese Sekundäre Biomasse = Umbau in höhere Organismen Tertiäre Biomasse = durch technische Weiterverarbeitung-> Fossile Energieträger sind dann die Sekundärprodukte der Verrottung (zB. Torf)

Question 2

Wandlung in Nutzenergie damit folgende Eigenschaften vorhanden sind:

Accepted Answer

 Energiedichte Handhabung Speicher- und Transporteigenschaften Umweltverträglichkeit Substitution fossiler Energieträger Nebenprodukte und Rückstände verwertbar

Question 3

 Thermochemische Umwandlung von Energieträgern in Nutzenergie

Accepted Answer

feste Bioenergieträger in feste/flüssige/gasförmige Sekundärenergieträger umgewandelt -> Transport, Energiedichte, biochemische Eigenschaften -> durch langsame und schnelle Pyrolyse, Vergasung, Verbrennung

Question 4

Physikalisch-chemische Umwandlung von Energieträgern in Nutzenergie

Accepted Answer

Abtrennen der Ölphase von der restlichen Biomasse -> Bei Dieselmotoren und Heizkraftwerken: Anpassen der Eigenschaften vom Pflanzenöl -> durch thermochemische Veredelungsverfahren: Extraktion durch Mechanisches Auspressen 1) Aus Biomasse wird durch physischen Druck Öl extrahiert (flüssiger Sekundärenergieträger) 2) Aus ölhaltigem Presskuchen wird durch Lösungsmittel und anschließend Destillation Öl und Extraktionsschrot (dient als Futtermittel) extrahiert -> in Dieselmotoren, Blockheizkraftwerken Extraktion durch Lösungsmittel

Question 5

Biochemische Umwandlung von Energieträgern in Nutzenergie:

Accepted Answer

durch Mikroorganismen -> Ethanol, Butanol und Methan dienen als Treibstoffe in Ottomotoren/Gasmotoren, Verbrennungsanlagen -> Verfahren: Alkoholische Gärung zB. Durch Zugabe von Hefe und anschließende Destillation (flüssiger Sekundärenergieträger - Alkohole) durch Biokatalysatoren können unterschiedliche Alkohole hergestellt werden Anaerobe Fermentation mikrobielle und anaerobe Fermentation durch Bakterienstämme (wasserdampfgesättigtes Mischgas mit ~60% Methan) und anschließend Gasaufbereitung (gasförmiger Sekundärenergieträger – Methan) -> Aufbereitung und Einspeisung in das Gasnetz; Nutzung der freigesetzten Wärme für Wärmepumpen und Fernwärme

Question 6

Energiebegriff

Accepted Answer

Energie = Fähigkeit eines Systems äußere Wirkung hervorzubringen und damit Arbeit zu verrichten: Kraft, Wärme und Licht Energieformen/Nutzungswege: mechanische & thermische, chemische, Kern-, Strahlungsenergie Primärenergie kann mit Verlusten in Sekundärenergie und diese weiter in Endenergie (oder direkt von Primärenergie zu Endenergie) umgewandelt werden. -> Verluste beim Verbraucher -> Nutzenergie (=Wärme, Kraft, Licht)Vorräte und Quellen: Fossile Vorräte = Energieträger die sich in vergangenen Zeiten durch geologische, geophysikalische, biologische Prozesse gebildet haben -> biogene und mineralische Rezente Vorräte = bilden sich in der gegenwärtigen Zeit (zB. Biomasse oder potentielle Energie von Wasser)

Question 7

Energiepotenzial

Accepted Answer

Theoretisches -> Technisches -> Wirtschaftliches -> Erschließbares -> Nachhaltiges (Deckt einen Teil von Technisch bis Erschließbar ab, aber halbiert Erschließbar nochmal)Biomasse Potenzial  Holzartig (aus Waldbewirtschaftung, Holzverarbeitung, außerhalb von Wäldern zB. Baumschnitt) -> am meisten in Nordamerika Halmgutartig (aus Landwirtschaft, Weiterverarbeitung landwirtschaftlicher Produkte) -> am meisten in Asien sonstige (Tierexkremente, organischer Abfall der industriellen Verarbeitung) -> am meisten in Asien Energiepflanzen am meisten in Afrika-> derzeit 50% des nachhaltig verfügbaren Potentials benutzt -> oft schlechte Effizienz und hohe Emissionen -> nachhaltig verfügbare Biomasse = 20% des Primärenergieverbrauch => es gibt keine Alternative zur Begrenzung des Energieverbrauchs/Kopf (er steight aber, v.a. in Asien, Afrika, Lateinamerika, mittlerer Osten) -> Ziel: effiziente Nutzung + erneuerbare Energien

Question 8

Energienutzung:

Accepted Answer

 Für Wärmebereitstellung wird verwendet: biogene Festbrennstoffe (Pellets, Scheitholz, Hackgut), Brenngas, Pflanzenöl/Ethanol Für Stromerzeugung: Feste Biomasse, fossile Energieträger, Biogas, Pflanzenöl/Ethanol Für Kraftstoffbereitstellung: Bioethanol (Zuckerrohr, Getreide, Mais), Biodiesel/Pflanzenöl

Question 9

Ziele der Nutzung von Biomasse

Accepted Answer

 Landwirtschaft= Verminderung der Überschussproduktion-> EU Flächenstillegung zur Begrenzung der Getreideproduktion (1988/89 freiwillig und ab 1992 obligatorisch; '93 Stillegungssatz von 15% … 2005 von 5%; 2007 Abschaffung der obligatorischen Stillegung)= Existenzsicherung von Bauern= Bodenfruchtbarkeit bewahren= Funktion im ländlichen Raum bewahren-> in Ö. ist die Fläche (Acker- und Grünland) der limitierende Faktor bei der Produktion Volkswirtschaft= Erneuerbare Energien aus pflanzlichen Ernteprodukten= Rohstoff- und Energieversorgung= Arbeitsplätze= Innovation Umwelt= Umweltbelastungen vermindern (CO2 und Schadgase)= Müll verringern

Question 10

Gesamtbiomasse 2008

Accepted Answer

10 Mrd. t-> 74% Futtermittel ->18% Nahrungsmittel -> Restliche 8% Nachwachsende Rohstoffe

Question 11

Biomasseentstehung: Aquatische Primärproduzenten:

Accepted Answer

 Organismen: Algen (!), Cyanobakterien Technische Nutzung: Algen und Cyamobakterien kultivieren (brauchen nur CO2 und anorganische Nährstoffe)

Question 12

Biomasseentstehung, Terrestrische Primärproduzenten:

Accepted Answer

 Organismen: ->Land = Moose, Samenpflanzen, Farne ->Wald = Nackt- und Bedecktsamer ->Landwirtschaft = einjährige Pflanzen wie Gräser, Leguminosen, Gemüsefrüchte, Rüben Technische Nutzung: aus Land- und Forstwirtschaft: gesamte Pflanze/ bestimmte Komponente/ bestimmte Inhaltsstoffe

Question 13

Aufbau und Zusammensetzung der Biomasse

Accepted Answer

C, O und H sind Hauptbestandteile der Pflanzensubstanz (= in allen organischen Verbindungen) -> 90% der organischen Substanz aus Kohlenhydrate: Strukturkohlenhydrate (zB. Zellulose), Speicherkohlenhydrate (zB. Stärke) Lipide Proteine->Restliche 10%:Stickstoff: großer Einfluss auf Qualität und Ertrag (natürliches Vorkommen für Kulturpflanzen nicht ausreichend) Mangel hat Folgen bei Stoffwechsel -> wichtig als Baustein für Proteine, Vitamine und Nukleinsäuren Phosphor: Bildung von ATP (also wichtig für Energiehaushalt) Kalium: reguliert Wasserhaushalt (osmotisches Potential) Kalzium: aktiviert Enzyme Schwefel: in Aminosäure (für Proteine) Eisen: in allen Häm-haltigen Enzymen (Elektronentransport während Photosynthese)

Question 14

Biochemische Zusammensetzung von Biomasse:

Accepted Answer

6 CO2 + 6 H2O -> C6H12O6 + 6 O2 alle Bausteine bestehen aus reduziertem atmosphärischem CO2-> Primäre Metabolite (im Primärstoffwechsel produziert: Kohlenhydrate, Lipide, Proteine, Nucleinsäuren)-> Sekundäre Metabolite (im Sekundärstoffwechsel synthetisiert: Lignin, Zellulose, Phenole, Terpenoide)Metabolite des pflanzlichen Stoffwechsels:* Zucker -Einteilung nach Anzahl der C-Atome (Pentose 5, Hexose 6) -Einteilung nach Anzahl der Zuckermoleküle (Mono-, Di-, Oligosaccharide) -> wichtigster ist Disaccharid = Saccharose (Transportform und Speicherform)* Stärke -aus 1-4-verknüpften α-D-Glucosemolekülen-aus wasserlöslichem Amylopetktin (70-90%) und wasserlöslicher Amylose (10-30%) -als Reservestoff (Samen, Knollen, Zwiebeln, Rhizomen)* Zellulose -aus D-Glucose-Molekülen die durch eine 1,4 β-glykosidische Bindung verbunden sind; -Wasserstoffbrücken bewirken helicale Konfiguration-Fibrillen bewirken hohe Reisfestigkeit-quasi-kristalline Struktur bewirkt Stabilität*Lignin -Polymer aus Phenyl-Propan-Derivaten aufgebaut (radikalische Polymerisation); -erhöht mechanische Festigkeit von Zellwänden -> im Holzteil (Xylem)*Fette und Öle -Ester des dreiwertigen Alkohols Glycerin mit drei Fettsäureresten; -Strukturlipide und Speicherlipide*Proteine -aus Aminosäuren und Peptidbindungen; = Enzym, bindet Pigmente, Baustein für Zytoskelett, Abwehrsystem und Reservestoff; -Proteine bestimmen ob der neu assimilierte C-Stoff für Wachstum, als Reservestoff oder zur Abwehr verwendet wird!

Question 15

Biomassesynthese:

Accepted Answer

Makromoleküle (Proteine, Fette, Nukleinsäuren, Vitamine) müssen aus Zucker energieaufwendig synthetisiert werden -> benötigte Elektronen e- für die Einbindung eines C-Atoms in Glucose = 4, Fettsäure = 6, Protein= 6-8 Zusammensetzung der Biomasse beeinflusst Biomassebildung -> mit selber Photosyntheseleistung kann in fettreicher/proteinreicher Biomasse weniger organische Masse hergestellt werden

Question 16

Landwirtschaftliche Produktionssysteme, natürliche Standortfaktoren:

Accepted Answer

 Lichteinstrahlung: Beleuchtungsstärke beeinflusst die CO2-Aufnahme -> logarithmisch steigend Temperatur: beeinflusst Photosynthese, Atmung, Transpiration; zB. C3-Pflanzen ~20°, C4-Pflanzen >30°; Transpiration kann Blatttemperatur um 10° senken -> ermöglicht Überleben bei 55° Wasser:-Wasserdefizit (Wasserabgabe > Wasseraufnahme) bei starker Transpiration, geringer Wasserverfügbarkeit, gehemmtem Stoffwechsel -> Pflanze begrenzt Nährstoffaufnahme oder schließt Stomata um Wasserverdunstung zu senken, hemmt allerdings CO2-Aufnahme (-> ineffiziente Energieumwandlung) Boden und Nährstoffe -Boden (durch Verwitterung der Erdkruste mit Mikroorganismen): besteht aus anorganischen Partikel (Mineralien), chemischen Bestandteilen (Chemie von mineralisch und makromolekuraren organischen Stoffen) und lebenden Organismen (Abbau der organischen Kohlenstoffreaktion)

Question 17

Landwirtschaftliche Biomasse:

Accepted Answer

Energiepflanzen (direkt zur Energiegewinnung produziert)vs.Rückstände, Nebenprodukte, Abfälle (fallen bei Produktion zusätzlich an)

Question 18

Ackerbauliche Grundlagen, Standortfaktoren:

Accepted Answer

Temperatur und Niederschlagweitere Faktoren: Art/Sorte der Kulturpflanze, Bodenbearbeitung, Aussaattechnik, Düngung,Pflanzenschutz, Beregnung, Erntemaßnahmen

Question 19

Ackerbauliche Grundlagen, Fruchtfolgegestaltung:

Accepted Answer

= geplanter Anbauzyklus annueller Pflanzen auf einen Schlag -> um die Bodenfruchtbarkeit zu erhalten/erneuern-> keine Einfelderwirtschaft (5 Jahre kein Fruchtwechsel)

Question 20

Ackerbauliche Grundlagen, Anbausystem:

Accepted Answer

abhängig von Produktionsziel (Energiepflanze vs. Nahrungs- & Futtermittel) -> Sortenwahl,Saatstärke, Düngung, Pflanzenschutz, Erntetermin,… GrünlandanbausystemEU-Umbruchverbot von Grünland zu Ackerbau-> Wirtschaftsgrünland: hoher Ertrag energiereicher Biomasse (im Frühjahr als Tiernahrung; später für Biogasanlagen)vs.-> Extensiv-Biotop-Grünland (Landschaftspflegecharakter): Natur- und Biodiversitätsschutz, Ernte von Heu zur thermischen Verwertung (stärkere Lignifizierung wegen späterer Mahd –> nicht als Futter oder Biogas) Acker-AnbauanbausystemEnergiepflanzen und/oder Nahrungs- & Futtermittel; in Mitteleuropa einjährige, vor allem;Hauptfrucht: Mais, Raps, GetreideWinterzwischenfrucht: Winterroggen, Winterweizen, Wintergerste, Triticale-> Fruchtfolgen für Energiepflanzen: -Hoher Fruchtartenanteil in der Region -Kleiner Anteil einer Fruchtart in der Fruchtfolge -ständige Bodendeckung (durch Wintergetreide) -Zwischenfrüchte und mehrjährige Kulturen -Erosionshemmende Früchte Agroforstsystem= mehrere Pflanzenarten gleichzeitig produzieren= landwirtschaftliche Nutzung und Holzzuwachs gleichzeitig -Silvopastorale Systeme: Baum/Strauch gleichzeitig mit Tier/Futterpflanze (Grünland) -Silvoarable Systeme: Baum/Strauch gleichzeitig mit einjähriger Nutzung zwischen Baumreihen (Acker)

Question 21

Ackerbauliche Grundlagen, Einflussfaktoren im Produktionssystem

Accepted Answer

 Bodenbearbeitung und Bestellung: auflockern, Ernterückstände und Dünger einarbeiten, Unkräuter bekämpfen, Saatvorbereitung -> je nach Bodenzustand und Pflanzenanspruch variiert Zeitpunkt und Verfahren Düngung und Nährstoffkreislauf:Düngung = Maßnahmen die direkt Nährstoffzufuhr oder Boden verbessern (Kalk, organische Substanz, Mineraldünger), alle Nährstoffe meist ausreichend, außer: -Stickstoff (stärkster Einfluss, Massenwachstum -> durch Stickstofffixierung) -Phosphor -Kalium -Magnesium -Kalzium (Bodenfruchtbarkeit, beeinflusst pH-Wert) -> Minimumgesetz-> mineralische Elemente: 14 essentiell und weitere nützlich -> nicht-mineralische Elemente: C,O,H werden für Photosynthese gebraucht (CO2 und H2O) Pflanzenschutzmaßnahmen: verhindern Begleitflora, Schädlings- und Krankheitsbefall (sonst verminderter Ertrag, Qualität, unerwünschte Beschaffenheit), Maßnahmen:.......-Fruchtfolge (nicht Pflanzen mit selben Krankheitsrisiken).......-Bearbeitungsmaßnahmen (Erntereste einbringen).......-Chemische Bekämpfung (Herbizide, Insektizide, Fungizide).......-Mechanische Bekämpfung (Hacken).......-Biologische Bekämpfung (Parasiten gegen Schädlinge) Beregnung:Bewässerungsbedürftigkeit = Wassermangel Bewässerungswürdigkeit = Maßzahl ob Zusatzbewässerung Gewinn bringen würde Erntemaßnahmen: Anteil und Qualität für energetische Nutzung abhängig vom Ernteverfahren (fruchtarten- und verwendungsspezifisch), Erntezeitpunkt ist entscheidend

Question 22

Qualitätsmerkmale von Bioenergieträgern (11)

Accepted Answer

 chemisch-stoffliche Eigenschaften: Wassergehalt, Inhaltsstoffe, Störstoffgehalt, Pilzsporen/Krankheitserreger, Abbaubarkeit, Gasbildungspotential, Silierverhalten physikalisch-mechanische Eigenschaften: Lagerungsdichte, Teilchendichte, Größenverteilung, Feinanteil, spezifische Oberfläche, Temperatur/Wärmekapazität, Viskosität, Abriebfestigkeit Energieinhalt: massenspezifisch -> Heizwert HW von Maissilage, Rapssaat, Festmist zu niedrig für thermische Nutzung; Biomassebereitstellung muss Inhaltsstoffe und somit Eigenschaften kennzeichnen Inhaltstoffe: zB. Elementgehalt, Stoffgruppe, Aschegehalt -> beeinflusst HW, Emissionen, Rückstandsverwertung Wassergehalt: -> beeinflusst HW, Lagerfähigkeit, Abbauverluste, Selbstentzündung, Transportfähigkeit Erntezeitfenster: Zeitplanung um Trockenaufwand [Trocknungsaufwand?] und Vorgaben des Pflanzenbaus zu optimieren; technische, ökonomische und ökologische Probleme Lagerung: wenn Ernte nicht mit Biomassenutzung (Bedarf) zusammenfällt -> Lagerung abhängig von: Angebot, Nachfrage, Infrastruktur, Auslastung von Anlagen; Problem: Abbau und Umbau während Lagerung, Selbstentzündung, Biomasseverluste Transport: abhängig von Entfernung (Traktor, LKW, Bahn, Schiff), physikalisch-mechanischen Eigenschaften (Volumen, Gewicht, Schütt-/Stückgut), chemisch-stofflichen Eigenschaften (toxisch, Geruchsemission, kunststofflösend) Dichte bestimmt Transportaufwand, Lagerungsaufwand, Umsetzungskinetik (in Energie); Brennstoffdichte ist eher von mechanischer Aufbereitung abhängig Qualitätsmanagement: -> Produktqualität der Festbrennstoffe (bei biogenen Festbrennstoffen liegt Schwerpunkt auf Sicherung der Brennstoffqualität) -> Qualität der Leistungserbringung = Effektivität der Prozesse (Rückverfolgbarkeit, Dokumentation, Qualitätsnachweise, kostengünstige Bereitstellung) Einflussfaktoren auf das Bereitstellungssystem: Bereitstellungssystem = muss geforderten Brennstoff pünktlich und sicher liefern, abhängig von: -> Biomassebedarf der Anlagen (variiert je nach Biomassenutzungstechnologie)-> Flächenbedarf des Anbaus -> Transportwürdigkeit (Kriterien sind Heizwert, Transportdichte und Lagerfähigkeit)-> Einzugsgebiete des Transports (je nach Größe der Anlage kann aus unterschiedlich roßem Radius Biobrennstoff eingezogen werden)

Question 23

Landwirtschaftlich produzierte ligno-zellulose-haltige Pflanzen

Accepted Answer

Lignozellulose-Pflanzen = wesentlicher Anteil der von ihnen gebildeten und potenziell energetisch genutzten Biomasse besteht aus unterschiedlichen Anteilen von Zellulose, Lignin und Hemizellulose

Question 24

Landwirtschaftlich produzierte ligno-zellulose-haltige Pflanzen, schnellwachsende Baumarten (Weide, Pappel)

Accepted Answer

o energierelevante Eigenschaften:enthalten unabhängig vom Erntezeitpunkt 50% Wassero Standort und Anbau:ausreichende Wasserversorgung ist besonders wichtig -> ungeeignet: sandige, leichte Böden -> geeignet: Ufergebüsche und Auenwälder (haben Grundwasseranschluss)o Nutzung und Ertrag:1. Jahr: 1,5 m / 4. Jahr: 7m hochSchnitt = Ernte: alle 3-4 Jahre im Jänner oder FebruarNutzung: 25-30 Jahreo Ökologische Aspekte:- Schädlings- und Krankheitsrisiko steigt mit zunehmender Anbaugröße- Hoher Wasserverbrauch+ geringer Düngereinsatz+ Bodenruhe verbessert Bodenfruchtbarkeit + Förderung von Bodenlebewesen weil keine mechanische Belastung durch Bodenbearbeitung + Deckung für Wildtiere weil späte Ernte und seltener Schnitto Holz aus Kurzumtriebsplantagen:Modifizierte landwirtschaftliche Erntemaschinen statt Technik aus Forstwirtschaft (ZB. Feldhäcksler, Mähhäcksler, modifizierter Zuckerrohrernter)Bereitstellung des Hackgutes aus Bündel-Linien oder Hackgut-Linien

Energie aus Rohstoffen der Land- und Forstwirtschaft (Fach) / ZuFa 1-10 (Lektion)