Emissionen (II): Minimierung der Treibhausgas- und Ammoniakemissionen in der Schweinehaltung

Die Geschwindigkeit des Übergangs von Gasen aus der flüssigen Phase in die Atmosphäre ist proportional zur Differenz zwischen der Konzentration in der flüssigen Phase und der Konzentration, die der Stoff hätte, wenn er sich im Gleichgewicht mit der Gasphase befände. Die Gleichgewichtskonzentration ist die Konzentration, bei der kein Übergang in den anderen Aggregatzustand, d. h. keine Emission, stattfindet. Ein schlecht lösliches Gas (niedrige Gleichgewichtskonzentration, wie im Fall von CH4) wird schnell in die Gasphase entweichen, während ein gut lösliches Gas (wie im Fall von NH3) hohe Konzentrationen in der flüssigen Phase aufrechterhalten kann, ohne dass es zu Emissionen kommt.

Nicht der gesamte Ammoniumstickstoff liegt in Form von NH3 vor, sondern meist in Form von nichtflüchtigem NH4+. Sinkt der pH-Wert oder die Temperatur, liegt mehr Stickstoff in Form von NH4+ vor und es verbleibt mehr ammoniakalischer Stickstoff (Summe aus NH3 und NH4+) im flüssigen Medium. Steigt die NH3-Konzentration in der Gasphase über der Gülle über die in der Atmosphäre üblichen Werte an, so steigt auch die Gleichgewichtskonzentration in der Flüssigkeit an. Bei einem pH-Wert von 7, einer Temperatur von 20 °C und einer Konzentration von 50 ppm NH3 in der Gasphase über der Gülle beträgt die Gleichgewichtskonzentration von Ammoniumstickstoff in der Flüssigkeit 5.260 mg N/l, während diese Gleichgewichtskonzentration bei einem pH-Wert von 8 nur 540 mg N/l beträgt. Zur Vermeidung von Emissionen und zur Aufrechterhaltung höherer Konzentrationen in flüssigen Medien ist ein pH-Wert von 7 besser als ein pH-Wert von 8. Noch besser wäre ein pH-Wert unter 7. Je niedriger die NH3-Konzentration in der Luftschicht über der Gülleoberfläche ist (durchschnittliche Konzentration in der Erdatmosphäre 1-5 ppb), desto niedriger ist die Gleichgewichtskonzentration und desto schneller erfolgt die Emission. Dies ist der Fall bei Wind oder anderen speziellen Phänomenen der Gasausbreitung. Eine auch nur leichte Abdeckung der Güllelagune zur Verhinderung der Ausbreitung oder zur Verringerung der Austauschfläche zwischen Flüssigkeit und Gas führt zu einer Verringerung der NH3-Emissionen. Anders verhält es sich mit CH4, das in jedem Fall in die Atmosphäre entweicht, es sei denn, die Abdeckung der Güllelagune ist vollkommen luftdicht.

Die CH4-Emissionen hängen von der Zeit ab, in der anaerobe Mikroorganismen organisches Material zersetzen, deren Aktivität mit der Temperatur zunimmt. Die Abbildung unten zeigt die CH4-Emissionsfaktoren gemäß den IPCC-Leitlinien 2019 (Intergovernmental Panel on Climate Change) für feuchte oder trockene gemäßigte und warme Klimazonen. Gemäßigte Klimazonen sind durch Jahresdurchschnittstemperaturen zwischen 15 °C und 25 °C gekennzeichnet. Warme Klimazonen weisen höhere Temperaturen auf. Die IPCC-Leitlinien weisen darauf hin, dass bei der Abschätzung der Emissionen aus den Güllegruben unter den Spaltenböden die Umweltbedingungen im Stall, also eine warme, feuchte Umgebung, und nicht die Außenbedingungen zu berücksichtigen sind. Letzteres wurde experimentell nachgewiesen. Allein die schnellstmögliche Verbringung der Gülle aus den Ställen in eine Güllelagune im Freien kann die Emissionen reduzieren, z. B. von 57 % auf 24 % bei einer Lagerung von 3 Monaten (s. Abbildung).

Zur Vermeidung von NH3-Emissionen können verschiedene Verfahren eingesetzt werden, die hier in der Reihenfolge ihrer Priorität aufgeführt werden:

1. Verbessern Sie das Futter und die Verdaulichkeit von Proteinen und Aminosäuren. Je höher die Futtereffizienz, desto niedriger ist die Stickstoffkonzentration in der Gülle und desto geringer sind die Emissionsraten.
2. Entfernen Sie die Gülle aus den Güllegruben der Ställe so schnell wie möglich, d. h. täglich statt wöchentlich und lieber alle 6 Stunden statt alle 24 Stunden. Obwohl die IPCC-Leitlinien die durchschnittlichen Stickstoffemissionswerte für Güllegruben unter Spaltenböden auf 25 % (Bereich 15 - 30 %) und für Güllelagunen im Freien ohne Schwimmschicht auf 48 % (Bereich 15 - 60 %) schätzen, ermöglicht die Güllelagune eine Abdeckung und Vermeidung von Emissionen (laut IPCC-Leitlinien eine Reduzierung auf 3 - 12 %), was in Güllegruben nicht möglich ist. Außerdem wird verhindert, dass die Tiere Ammoniak einatmen, was sich positiv auf die Gesundheit und die Produktion auswirkt.
3. Decken Sie die Güllelagunen im Freien mit einem Material ab, das die Kontaktfläche zwischen der Oberfläche der gelagerten Gülle und der Atmosphäre verringert, zum Beispiel mit festen Schwimmkörpern, die sich mosaikartig aneinanderfügen, so dass die Oberfläche der Gülle vollständig bedeckt ist. Die Abdeckung der Güllelagune mit einer undurchlässigen Membran verhindert auch die Emission von CH4, einem Gas, das sich unter der Membran sammelt und dann in regelmäßigen Abständen mit einer Gasfackel, in einem Kessel oder zur Energieerzeugung verbrannt werden muss, damit die Membran nicht durch Überdruck reißt. Dieser Überdruck wird nie durch NH3 verursacht, da die Emission dieses Gases aufhört, sobald die Gleichgewichtskonzentration zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase erreicht ist.
4. Senken Sie den pH-Wert der Gülle auf Werte unter 7 durch Zugabe von Säure und Einsatz speziell dafür entwickelter Geräte. Es gibt auch Geräte für die Ansäuerung von Gülletransport- und Ausbringungsbehältern, um NH3-Verluste während der Ausbringung zu vermeiden.

Zur Vermeidung von CH4-Emissionen können die folgenden Verfahren eingesetzt werden:

1. Verbessern Sie die Verdaulichkeit des Futters und vermeiden Sie Futterverluste durch Gülle. Obwohl noch keine gesicherten Erkenntnisse vorliegen, sollte eine höhere Futtereffizienz zu einem geringeren Energiepotenzial der flüchtigen Feststoffe in der Gülle und damit zu einem geringeren Emissionspotenzial Bo führen.
2. Entfernen Sie die Gülle so schnell wie möglich aus den Güllegruben. Wie aus der Abbildung hervorgeht, hat dieses Vorgehen einen erheblichen Einfluss auf die Verringerung der CH4-Emissionen.
3. Führen Sie nach dem Entfernen der Gülle aus den Ställen so bald wie möglich eine Fest-Flüssig-Trennung durch. Der gesammelte Feststoffanteil weist laut IPCC aufgrund der darin enthaltenen flüchtigen Feststoffe Emissionen von ca. 4 - 5 % Bo auf und der Flüssiganteil emittiert entsprechend dem in der Abbildung dargestellten Wert, wobei die Emissionen aufgrund der geringeren Konzentration an flüchtigen Feststoffen aber niedriger sind.
4. Decken Sie die externe Güllelagune mit einer undurchlässigen Membran ab, um eine Freisetzung in die Atmosphäre zu verhindern. Eine solche Güllelagune muss so ausgelegt sein, dass sie sich nie vollständig entleert, um das Eindringen von Luft zu verhindern, und sie muss mit Sicherheitsvorrichtungen zur Vermeidung von Überdruck sowie mit einer Fackel zur regelmäßigen Verbrennung der angesammelten Gase ausgestattet sein. Eine bessere Alternative ist die Verwendung von Gas als Brennstoff für den Kessel.
5. Planen Sie eine individuelle oder kollektive Biogasanlage, die das Gas als Energiequelle nutzt. Die Gülle sollte der Anlage so schnell wie möglich zugeführt werden, um ihr volles Energiepotenzial auszuschöpfen. Die Gärreste in der Güllelagune müssen abgedeckt werden, um NH3-Emissionen zu vermeiden, da die Konzentration an Ammoniumstickstoff durch den Eiweißabbau höher ist als in der ursprünglichen Gülle.