20.12.2010

Lizenz zum Brennen

Pferdemist als Brennstoff? Wir zeigen Ihnen, wie's geht.

Die Idee, Pferdemist als Heizmaterial zu verwenden, ist nicht neu – doch bisher fehlte es an exakten Daten, die solches in der Praxis auch problemlos erlauben würden. Nun wurde der Brennstoff Pferdemist eingehend untersucht – mit dem Fazit: unter gewissen Bedingungen kann er wertvoller Biomassebrennstoff sein.

Jährlich fallen in Österreich 120.000 Tonnen Pferdemist mit Spaneinstreu an – genug, um eine Kleinstadt mit Heizwärme zu versorgen.
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Dass Pferdemist ein Problemstoff ist, wurde bereits mehrmals erörtert, auch die Lösung, den Mist, vermischt mit der Einstreu als Brennmaterial zu nutzen, wurde bereits vorgestellt (Pferderevue 11/2004). Doch alle „Mistheizungen“, die bisher in Österreich in Betrieb gegangen sind, hatten ein gemeinsames Problem: Pferdemist ist als Brennstoff nicht zugelassen und verursacht aufgrund seiner hohen Feuchte oftmals Probleme beim Verbrennen. Da die Entsorgung des Pferdemistes (worunter wir den Mist samt Urin und Einstreu sowie etwaige Verunreinigungen durch Futterreste etc. verstehen) zunehmend ein Problem wird und für Pferdeställe auch eine finanzielle Belastung darstellt und auch die Kosten für fossile Brennstoffe rasant gestiegen sind, lag es nahe, sich näher mit der potentiellen Lösung „Mistheizung“ zu beschäftigen. Zu diesem Zweck fanden sich im Jahr 2007 die wichtigsten Interessensgruppen unter Leitung des Österreichischen Forschungsinstituts (ofi) zu einem gemeinsamen Projekt zusammen, um haltbare Grundlagen zu erarbeiten. Im Rahmen des einjährigen Forschungsprojektes „Horsepower“ arbeiteten Streu- und Kesselhersteller, Stallbesitzer und Gemeinden, Energiedienstleister und Selbstversorger gemeinsam daran, den Weg für die alternative Nutzung von Pferdemist – die Verbrennung in Biomasse-Feuerungsanlagen – zu bereiten. Nicht zuletzt ist dies auch ein Beitrag zum international vereinbarten Ziel, die Energieversorgung durch erneuerbare Rohstoffe zu forcieren (Klimaschutzmassnahmen). Nach einem jahrelangen Boom bei Biomasseverbrennungsanlagen wurde 2007 ein starker Rückgang um 29 % der neu installierten Kessel (>100 kW) beobachtet. Dies war vor allem auf die kurzzeitige Unterversorgung und die damit verbundene Verteuerung der Biomassebrennstoffe im Winter 2006/2007 zurückzuführen – mit ein Grund, nach Alternativen zu Hackschnitzel, Holzpellets und Co. Ausschau zu halten. Ein neues Material kann jedoch nur dann ohne Bedenken als Brennstoff eingesetzt werden, wenn seine Eigenschaften ausreichend bekannt sind. Erst dann können Kesselhersteller, Anlagenbetreiber und Behörden die Chancen und Risken des Einsatzes des neuen Brennstoffes abwägen. Ein wichtiger Punkt dabei: können die mit Pferdemist betriebenen Anlagen die Emissions- Grenzwerte einhalten? Um sich ein Urteil über den Brennstoff Pferdemist bilden zu können, wurde dieser mit den Normwerten von Hackgut verglichen. Anders als bei Hackschnitzeln handelt es sich bei Pferdemist um eine feuchte, nicht rieselfähige Biomasse, die meist unabhängig von der Jahreszeit kontinuierlich anfällt. Der Wert eines Brennstoffes wird wesentlich durch den Heizwert bestimmt, dieser ist beim Mist, speziell in trockenem Zustand, fast so hoch wie der von Hackgut.

Energie für eine Kleinstadt

Schätzungen nach werden in Österreich ca. 100.000 (Quelle: PferdAustria) Pferde gehalten, europaweit sind es rund fünf Millionen (Quelle: Eurostat 2003). In Österreich wird größtenteils Stroh als Einstreu eingesetzt, die steigenden Verkaufszahlen (plus 40 %) von Spänestreu zeigen jedoch den Bedarf an diesen Streuprodukten. Den Verkaufszahlen von Späneeinstreu nach und der Annahme entsprechend, dass die Gewichtsrelation Späne zu Exkrementen ca. 1 : 5 ist, fällt in Österreich derzeit eine Menge von über 120.000 Tonnen Pferdemist mit Späneeinstreu pro Jahr an, Tendenz steigend. Multipliziert man den Heizwert von Pferdemist im Rohzustand (max. 6,4 MJ/kg) mit der oben angeführten Menge, gehen der Biomasse-Energiegewinnung jährlich rund 770 Terajoule (1 Terajoule = 1012 J) an Energie verloren. Das entspricht dem jährlichen Energieverbrauch von einer Kleinstadt mit 25.000 EinwohnerInnen (Quelle: www.3sat.de/ nano/news/53231/ index.html). Die Voraussetzungen einer Biomasseverbrennungsanlage waren schon im Vorfeld bekannt, die Unbekannte Pferdemist musste jedoch erst erforscht werden. Dazu wurde vom ofi eine umfangreiche Potentialanalyse bezüglich der Brennstoffqualitäten durchgeführt. Was viele Pioniere aus eigener Erfahrung kannten, wurde nun wissenschaftlich belegt: Eine realistische Chance als Biomassebrennstoff hat nur Mist, bei dem Einstreu auf Holzbasis zum Einsatz kam. Zu groß stellen sich aus heutiger Sicht beim herkömmlichen Stroh die Probleme beim Handling bzw. der Verbrennung dar. Bei dieser Biomasse ist weiterhin der Einsatz als Dünger zu bevorzugen.

Zwei Lösungsansätze

Die künftigen „Brennstoffproduzenten“ gliedern sich in zwei Gruppen: Ställe mit eigenem Energiebedarf, die ihren Mist selbst verbrennen möchten, und Ställe, deren Energiebedarf so gering ist, dass sich die Investition in eine Verbrennungsanlage nicht lohnt. Da es sich hier um Gruppen mit völlig unterschiedlichen Bedürfnissen handelt, mussten auch zwei unterschiedliche Lösungsansätze untersucht werden: Zum einen die zentrale Möglichkeit der Verbrennung in mittleren und großen Biomassekraftwerken (>1 MW), die zur Nahwärmeversorgung bzw. Stromerzeugung dienen. Zum anderen die dezentrale Nutzung zur Produktion von Wärme für den Eigenbedarf des Stalles. Eine zentrale Lösung bietet sich vor allem für Reitställe an, die einen geringen Energiebedarf haben. Wird z. B. Wärme nur für die Bereitstellung von Warmwasser, das Eisfreihalten der Wasserleitungen im Winter bzw. die Heizung kleiner Räume benötigt, rechnet sich die Investition in eine Biomasseheizung meist nicht. In diesem Fall kann eine Kooperation mit einem nahe liegenden Biomasse-Heizwerk eingegangen werden. Bei Anlagen, die rein für den Einsatz von hochwertigem Hackgut konzipiert sind, wird eine Verbrennung von Pferdemist wahrscheinlich nicht möglich sein. Immer mehr Nahwärmeanlagen werden jedoch auch für kritischere Brennstoffe eingerichtet.

Mistheizung Pferdemistkomponenten Analyse © Pferderevue

Analyse der Komponenten von Pferdemist: Die Ergebnisse können naturgemäß schwanken und sind als Richtwerte zu verstehen.
© Pferderevue

Brennstoffqualität

Jeder, der den Pferdealltag kennt, kann sich vorstellen, dass die Zusammensetzung von Mist durch Haltungsart, Fütterungs- und Putzgewohnheit beeinflusst wird. Pferdemist mit Einstreu auf Holzbasis stellt einen verunreinigten Holzbrennstoff dar, dessen variierende Bestandteile folgende sind:

Einstreu auf Holzbasis
Exkremente (Urin und Kot des Pferdes)
Heu (Reste der Pferdefütterung)
Tierhaare – vor allem im Fellwechsel (Frühjahr und Herbst)
sonstige Verunreinigungen, z.B. Erde, Steine etc. (durch Abäpfeln von Paddocks und Koppeln)

Pferdemist besteht aus Streu, Kot, Urin und Futterresten wie Heu.
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Der Bestandteil Einstreu war relativ einfach zu definieren. Mit der Unterstützung der österreichischen Streuhersteller gelang es, die erste Norm für Pferdestreu zu erarbeiten (siehe Pferderevue 12/2007), in der auch die Brennstoffeigenschaften berücksichtigt werden.
Die Definition der restlichen Komponenten war schon schwieriger. Sehr viele Faktoren haben Einfluss auf die Brennstoffeigenschaften. Die wichtigsten Parameter, bezogen auf diese Qualitäten, wurden als Best case- und Worst case-Szenarien beschrieben, wobei die Realität meist dazwischen liegt (siehe obenstehende Tabelle).
Am kritischsten zu bewerten ist wahrscheinlich die chemische Zusammensetzung des Pferdemistes. Sie zeigt naturgemäß Unterschiede bei wichtigen Verbrennungsparametern im Vergleich zu reinem, hochwertigen Hackgut. Gegenüber anderen biogenen Brennstoffen (z. B. Rinde, Waldhackgut u. ä.) sind die Analysewerte von Mist aber durchaus vergleichbar. Macht man sich die kritischen Parameter bewusst und bezieht diese in den Planungsprozess einer Heizanlage mit ein, so sind sie mit relativ einfachen verfahrenstechnischen Maßnahmen beherrschbar.

Wassergehalt: Eine wesentliche Funktion der Pferdeeinstreu ist die Aufnahme von Pferdeurin, um die Box trocken zu halten. Naturgemäß ist Pferdemist somit überwiegend nass. Der Wassergehalt im Mist kann, je nach Lagerung, bis zu 70 % betragen und übersteigt somit den von waldfrischem Hackgut (45–60 %). Wird der Mist direkt ohne Vorbehandlung (z. B. Trocknung) eingesetzt, muss die Verbrennungsanlage und die Einrichtungen für die Brennstoffzufuhr für einen sehr hohen Wassergehalt ausgelegt sein. Um Betriebsstörungen weitgehend auszuschließen, sollte von einer Co-Verbrennung mit Hackgut ausgegangen werden, die eine Beimischung von max. 50 Gew.-% Mist nicht überschreitet. Für den Anfahrvorgang einer Anlage ist feuchtes Brennmaterial grundsätzlich nicht geeignet.

Aschegehalt: In den Pferdeexkrementen sind aschebildende, mineralische Komponenten, die die Rückstände einer Verbrennung bilden, angereichert. Zusätzlich kann es bei Verunreinigung des Mistes mit Erde zu einer Erhöhung der mineralischen Komponenten kommen. Bei der Verbrennung von Pferdemist ist daher auf eine entsprechende Kapazität der Ascheaustragung zu achten. Der hohe Aschegehalt wird, verglichen mit dem Dauerbetrieb mit Hackgut, zu erhöhtem Reinigungsaufwand (Ascheentleerung) führen. Die resultierende Asche hat jedoch einen hohen Kalium- und Phosphorgehalt und ist daher als Dünger bestens geeignet.

Ascheschmelzverhalten: Das Ascheschmelzverhalten kennzeichnet die Neigung eines Brennstoffes, bei der Verbrennung große Klumpen zu bilden bzw. sich an den Wänden des Feuerraumes anzubacken. Die Analyse des Pferdemistes zeigt, daß der Ascheerweichungspunkt und die Fließtemperatur im Bereich von Holz liegen. Die Erweichungstemperatur liegt deutlich über 1.000° C, daher sollte es im Verbrennungsprozess zu keinen Störungen aufgrund von Ascheerweichungen kommen. Auch im Praxisversuch konnte keine erhöhte Schlackebildung beobachtet werden.

Korrosion: Die Bestandteile im Mist, die korrosiv wirken (Chlor, Schwefel, Stickstoff) sind im Vergleich zu Hackgut erhöht. Beim unbehandelten, feuchten Brennstoff gilt: je kleiner der Anteil an Verunreinigungen (Pferdeäpfel, Futterreste), desto geringer ist die korrossive Wirkung der Mischung. Insbesondere der Gehalt von Chlor kann zu einer erhöhten Korrosion führen. Dieser Wert sollte vor einer Verwendung von Pferdemist als Brennstoff bei einer ausreichend großen Probenanzahl analysiert werden. So ist es möglich, die maximale Beimischung festzulegen, die die maximal zulässige Chlorkonzentration gemäß Brennstoffanforderung des Anlagenherstellers nicht übersteigen darf. Bei einer feuchten Brennstoffmischung mit einem Pferdemistanteil von über 50 Gew.-% ist mit einem höheren Anlagenverschleiß und auch mit Überschreitungen der vorgegebenen Emissionsgrenzwerte (NOx) zu rechnen.

Mistheizung Einflussfaktoren Brennstoffqualität © Pferderevue

Einflussfaktoren auf die Brennstoffqualität: Die Tabelle sollte eine Darstellung des schlechtesten Falls und des Idealfalls sein, nicht unbedingt eine Praxisanleitung – die Infos dienen der Verbesserung der Brennstoffeigenschaften – jeder Schritt in diese Richtung ist gut.
© Pferderevue

Genehmigung einer Anlage

Um eine „Mistheizung“ genehmigen zu lassen, muss der Pferdemist als verunreinigte Biomasse deklariert und anerkannt sein.

Laut Gesetz (AWG) entscheidet derzeit die Art des Stallbetriebes, ob Pferdemist als Abfall gilt oder nicht, wobei zwischen einem landwirtschaftlichen Betrieb (Mist ist kein Abfall) und einem Reitbetrieb, der kein landwirtschaftlicher Betrieb ist (Mist ist Abfall) unterschieden wird. Im schlimmsten Fall ist der Betrieb keine Landwirtschaft und hat keine eigenen Flächen. Hier müsste der Mist als Abfall entsorgt werden, was nicht nur erhebliche Kosten verursacht, sondern auch eine Verschwendung von Ressourcen bedeutet. Neu ist der Weg, den Mist als verunreinigte Biomasse (Holz) zu betrachten und ihn in einer Biomasseverbrennungsanlage thermisch zu nutzen. Es gibt bereits zwei genehmigte Anlagen dieser Art in Österreich. Die Genehmigung von neuen „Mistheizungen“ wird derzeit abhängig vom Bundesland sehr unterschiedlich behandelt. Fakt ist, dass es sich um Hackgutheizungen handelt, die mit verunreinigter Biomasse betrieben werden. Durch umfangreiche Emissionsmessungen bei den bestehenden Anlagen konnte gezeigt werden, dass die Grenzwerte beim Einsatz von trockenem Mist eingehalten und sogar signifikant unterschritten werden. Im Vorfeld der Genehmigung ist die Kommunikation mit Behörden und AnrainerInnen besonders wichtig. Gelingt es nicht, den Mist als verunreinigte Biomasse zu definieren, so muss er als Abfall eingestuft werden, d. h. es geht bei der Verbrennung um reine Entsorgung ohne das Ziel der Substitution von fossilen Energieträgern. In diesem Fall spricht man von Abfallbehandlung – und man ist mit den Auflagen der Müllverbrennung konfrontiert d. h. mit unverhältnismäßig hohen Investitionen. Wie schon erwähnt, gibt es in Österreich bereits zwei genehmigte Anlagen, bei deren Genehmigung Pferdemist als verunreinigte Biomasse definiert wurde und somit als solche eingesetzt werden darf. Weitere Anlagen sind bereits in Planung.

Trockener Pferdemist hat in etwa denselben Heizwert wie hochwertige Hackschnitzel und kann als Biomassebrennstoff gelten.
© Angelika Rubick

Einfluss der Lagerung

Im Rahmen des Projektes wurde ein Langzeitversuch unternommen, der die Veränderung der Brennstoffeigenschaften des Pferdemistes bei längerer Lagerung zeigen sollte. Die Analysen weisen erwartungsgemäß starke Schwankungen auf, was vor allem auf die unterschiedlichen Witterungsbedingungen und die biologische Aktivität zurückzuführen ist. Als Bestätigung derRichtigkeit des Versuchs bzw. der Analysen wurde der jeweilige Einfluss dieser beiden Faktoren analytisch bzw. rechnerisch abgezogen. Der so ermittelte wasser- und aschefreie Heizwert (waf) zeigt einen konstanten Verlauf, die Ergebnisse sind also glaubhaft (siehe nebenstehendes Diagramm). Deutlich ist die kontinuierliche Abnahme des Heizwertes im Anlieferungszustand (roh) erkennbar. Da der Mist ohne Schutz im Freien gelagert wurde, ist der Wassergehalt von den Witterungsbedingungen abhängig, bewegt sich aber immer zwischen 55 % und 75 %. Wird der Einfluss des Wassergehalts vom Heizwert abgezogen, also der Heizwert wasserfrei (wf) betrachtet, zeigt sich der Einfluss des biologischen Abbaus. Als biologische Zersetzung wird der Vorgang bezeichnet, durch den organisches Material zuerst humifiziert und anschließen mineralisiert wird. Dieser Prozess bildet sich in der Zunahme des Aschegehalts ab. Für unseren Versuch bedeutet dies: je weiter fortgeschritten die biologische Zersetzung des organischen Materials ist, desto niedriger ist der Heizwert und desto höher der Aschegehalt. Besondere Bedeutung bekommt diese Entwicklung, wenn der Pferdemist im feuchten Zustand gelagert wird. Auch wenn er anschließend getrocknet wird, bleibt der Aschegehalt relativ hoch. Nur die Trocknung des frischen Mistes stoppt den Abbauprozess und erhält somit die guten Brennstoffeigenschaften.

Mistheizung Vergleich Pferdemist Brennstoffe © Pferderevue

Vergleich von Pferdemist mit herkömmlichen Brennstoffen
© Pferderevue

Preiswürdige Forschungsergebnisse

Das gemeinsame Forschungsprojekt der RTS Trocknungstechnik GmbH und des Österreichischen Forschungsinstituts wurde bereits mit zwei Preisen ausgezeichnet.

Am 3. November wurde der RTS Trocknungstechnik GmbH und dem Österreichischen Forschungsinstitut (ofi) in Wien der Kooperationspreis ACRAward 2008 für Chemie und Technik (ofi) für patentierte Mistwärme verliehen. Am 8. November gab es dann in Klagenfurt für die RTS-Pferdemisttrocknung als Draufgabe noch den Forschungs- und Innovationspreis des Landes Kärnten 2008, die höchste Auszeichnung des Landes (2. Rang). Seit Mitte Juni 2008 ist die erste RTS-Pferdemisttrocknungsanlage in Betrieb. Sie befindet sich im Reitsportzentrum Maria Wörth/Reifnitz/St.Anna (www.rszmw.at) und kann dort besichtigt werden. Der Pferdemist wird mit der Einstreu aus der Pferdebox angesaugt und in den RTS-Pferdemisttrocknungscontainer eingeblasen, dort automatisch verteilt, getrocknet und ausgetragen und in den Brennstoffbunker einer angrenzenden Hackschnitzelheizung geliefert. Der trockene Pferdemist samt Einstreu ist Energielieferant für Warmwasser und für die Raumbeheizung. In einem RTSContainer kann täglich der Mist von bis zu 50 Pferden getrocknet werden. In der Jahresenergiebilanz entspricht der Mist von zehn Pferden (angenommen: 50 kg Feuchtware/Tag und Pferd = 25 kg Trockenmist je Pferd) 30.000 Liter Heizöl, ein Pferd kann einen Haushalt mit 24.000 kWh/Jahr versorgen, was 2.400 Liter Heizöl enstpricht. Die CO2-Einsparung je Pferd beträgt bei Ganzjahresbestallung fünf Tonnen (Quelle: RTS).

Einsatz in der Praxis

Im Rahmen von „Horsepower“ wurden die verbrennungstechnischen Eigenschaften von Mist und die entstehenden Emissionen in einem Praxisversuch in einem größeren Biomassekraftwerk (10 MW) genau analysiert. Es zeigte sich, dass „Mist im laufenden Betrieb ohne Probleme einsetzbar ist“, so der Anlagenbetreiber. „Der Ausbrand erfolgt vollständig.“ Besonders vorteilhaft wirken sich bei diesen Anlagen die robuste Dimensionierung der Brennstoff-Eintragsvorrichtungen und die gesetzlich vorgeschriebene Abgasreinigung aus. Mittlere und große Biomasseanlagen haben einen großen Brennstoffverbrauch. Um den Steuerungsaufwand möglichst gering zu halten, sollte der Brennstoff für den kontinuierlichen Betrieb möglichst gleichbleibende Eigenschaften haben. Soll Pferdemist eingesetzt werden, kann dies direkt (nass) geschehen, allerdings als Mischung mit Hackgut (max. 50 : 50 Gew.-%). Zu Beginn von „Horsepower“ erschien der Einsatz von Mist in Kleinanlagen (150–500 kW) – also die dezentrale Lösung – unrealistisch. Mehrere Anlagen, in denen dieser Brennstoff bereits verwendet wird, wurden analysiert. Das Ergebnis war eindeutig: Kleine Biomassekessel können, wenn überhaupt, nur mit erheblichem Aufwand mit feuchtem Mist betrieben werden. Der Stallbetreiber wird auf diese Weise zum Anlagenbetreiber, der rund um die Uhr auf Störungen reagieren muss. Vor allem der hohe Wassergehalt des Brennstoffes Mist ist die Ursache von Problemen und verhindert den automatischen Betrieb. Das Ziel, den gesamten Mist sinnvoll zur Energiegewinnung einzusetzen, konnte allein mit der vorhandenen Technik nicht erreicht werden. Die einzige Lösung war meist die Zumischung von erheblichen Anteilen an trockenem Hackgut, die jedoch mit Zusatzkosten verbunden war.

Mistheizung Misttrocknung © Angelika Rubick

Automatische Vortrocknung des Pferdemists im Trocknungscontainer von RTS
© Angelika Rubick

Die Lösung: Mist vortrocknen

Bald wurde klar: um eine praktikable Möglichkeit bieten zu können, muss der Mist vorbehandelt, also getrocknet werden. Eine automatisierte Methode wurde von einem der Projektpartner, der Firma RTS Trocknungstechnik GmbH entwickelt. Deren „Containerlösung“ bietet einen vorinstallierten Trockner, der speziell für Pferdemist konzipiert ist. Im kontinuierlichen Betrieb wird der Mist von bis zu 50 Pferden mit einem Teil der Wärme aus der Verbrennung getrocknet. Die Restfeuchte des getrockneten Brennstoffes beträgt ca. 10 %. Der automatische Betrieb ist damit gewährleistet, und ein weiterer Vorteil kann genutzt werden: Der Brennstoff wird lagerfähig, da bei einem so geringen Wassergehalt keine biologischen Abbauvorgänge mehr stattfinden. Somit kann optimal auf den unterschiedlichen Wärmebedarf im Sommer und im Winter reagiert werden. Der im Sommer getrocknete, aber nicht benötigte Mist kann ohne Qualitätsverlust und Geruchsbelästigung gelagert werden. Derzeit laufen Versuche für die Brikettierung, um Platz zu sparen. Ein weiterer Vorteil: Durch eine Trocknungsanlage herrscht zusätzlich Bedarf an Energie, dadurch kann der Biomassekessel im Volllastbetrieb laufen, was die Lebensdauer des Kessels positiv beeinflusst.

Mistheizung Grossheizung © Angelika Rubick

Die Zukunft

Durch „Horsepower“ konnte wissenschaftlich bewiesen werden, dass unter gewissen Voraussetzungen Pferdemist als Biomassebrennstoff eingesetzt werden kann. Der automatische Betrieb ist möglich, und die vorgeschriebenen Grenzwerte werden eingehalten. Zu wünschen bleibt, dass vor allem die Behörde bei der Genehmigung von Biomasseanlagen die Projektergebnisse in ihren Entscheidungsprozess mit einbezieht. Das Potential ist da, es muss nur noch genutzt werden.

Kontakt und Projektmanagement

DI Angelika Rubick,
ofi – Forschungsinstitut,
Tel.: 01/7981601-590,
E-Mail: angelika.rubick@ofi.at

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Dieser Artikel ist in der Ausgabe 1/2009 erschienen. Alle Artikel aus 20 Jahren Pferderevue können Pferderevue-Abonnenten in unserem Archiv kostenlos nachlesen.

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Autor:

red. Pferderevue

20.12.2010