Gewinnung von regenerativer Energie aus Biomasse Chancen, Risiken, Stand der Technik. K.-H. Rosenwinkel, D. Weichgrebe, L. Hinken

Transkript

1 Gewinnung von regenerativer Energie aus Biomasse Chancen, Risiken, Stand der Technik K.-H. Rosenwinkel, D. Weichgrebe, L. Hinken

2 Gliederung Überblick und Einführung: Definitionen Erneuerbare Energien in Deutschland Entwicklung der Bioenergie Grundlagen & Verfahrenstechnik Innovationen Potentiale der Bioenergie in Deutschland Chancen & Risiken der Bioenergie Zusammenfassung & Ausblick Seite 2

3 Seite 3

4 Überblick und Einführung: Definitionen Primärenergie: natürlich vorkommende Energieformen oder -quellen (z.b. Kohle, Gas oder Wind) Endenergie: nach Abzug von Transport- und Umwandlungsverlusten (Wärme, Strom) Biogas (Deponie-/Klärgas): Vergärung von Biomasse, Methananteil: % CH 4, CO 2, H 2 S, N 2, NH 3, H 2 Biomethan Bioerdgas Bioethanol (Ethylalkohol: C 2 H 6 O) Biodiesel (Rapsöl + Methanol: Fettsäuremethylester) Seite 4

5 Überblick und Einführung: Erneuerbare Energien in Deutschland Gesamter Primärenergieverbrauch 2010 in Deutschland: PJ (~3.900 TWh) Endenergieverbrauch: PJ (~2.500 TWh) (Anteil Raumwärme & Warmwasser: 35 %) [AGEE-Stat] Anteil erneuerbarer Energien 2011 [%] am gesamten Primärenergieverbrauch 2 10,9 am gesamten Endenergieverbrauch 12,2 am gesamten Stromverbrauch 20,0 an der gesamten Wärmebereitstellung 10,4 am gesamten Kraftstoffverbrauch 1 5,6 [BMU, 2012] Seite 5

6 Überblick und Einführung: Erneuerbare Energien in Deutschland [BMU, 2012] Seite 6

7 Überblick und Einführung: Erneuerbare Energien in Deutschland - Strom 2. Novelle 3. Novelle Bioenergie EEG 1. Novelle Photovoltaik Windenergie Wasserkraft BMU, 2011 Seite 7

8 Überblick und Einführung: Erneuerbare Energien in Deutschland Energiepolitische Ziele bis 2020 Anteil an der Stromversorgung: von 20 % auf 30 % Anteil von Biokraftstoffen: 7 % Netto-Treibhausgasreduzierung (Steigerung von 5,6 % auf 12 % energetisch) Anteil an der Wärmeproduktion: Steigerung von 10,4 % auf 14 % [BMU & BMELV, 2010] Seite 8

9 Seite 9

10 Stand der Bioenergie in Deutschland - Überblick Nutzung von Biomasse fest flüssig gasförmig Erzeugung von Strom Wärme Kraftstoffen Brennwerte [kwh/kg] Holz 4-4,5 Ethanol 7,44 Methan 15,41 10 kwh/m³ (GWP: 25 kg CO 2 e/kg) [BMU, 2011] Seite 10

11 Stand der Bioenergie in Deutschland - Überblick Energiebereitstellung 2011 in Deutschland - Elektrische Energie TWh/a Bedarf 610 (528) Erneuerbare Energien 122 (62,5) anteilig Biomasse (30,3 %) anteilig Biogas (an EE) (14,4 %) 37 (13,5) 18 (2,5) kwh/(e a) (6.400) (758) 455 (163) 220 (30) Langfristiges Potential für Strom aus Biomasse ~ Δ Strom aus Biomasse kwh/(e a) Primärenergie Elektrischer Strom anteilig Haushalt (Stand: 2007) ~1.723 anteilig Wasserversorgung 66 anteilig Abwasserreinigung 40 (Angaben in Klammern: Stand 2005) Seite 11

12 Stand der Bioenergie in Deutschland - Überblick, Elektrische Energie Rohstoffe: Holz (Rest- und Altholz, auch Kurzumtriebsholz), Stroh Nachwachsende Rohstoffe Abfall (+ Schlamm, Gülle) industrielle Nebenprodukte Prozesse: Verbrennung Vergärung (Biogas) alkoholische Gärung (Ethanol) Vergasung & Synthese (BTL - biomass to liquid) Umesterung (Biodiesel) * *Industrieabwasser, Küchenabfall [BMU, 2011] Seite 12

13 Stand der Bioenergie in Deutschland - Biogene Festbrennstoffe Biogene Festbrennstoffe - Strom und Wärme (Rest- und Altholz, auch Kurzumtriebsholz und Stroh) Strom- und Wärmeerzeugung in Biomassekraftwerken, -heizwerken und -heizkraftwerke Nutzung: 53 Mio. m³ Holz (energetisch) 77 Mio. m³ Holz (stofflich) Waldfläche in Deutschland: 11 Mio. ha notwendiger Zuwachs: 11,8 m³/(ha a) Energieerzeugung aus biogenen Festbrennstoffen [BMU, 2011] Seite 13

14 Stand der Bioenergie in Deutschland - Biogene Festbrennstoffe Entwicklung des Primärenergiebedarfs (Quelle: Prof. Fouad) Seite 14

15 Stand der Bioenergie in Deutschland - Biogas Biogas (Vergärung von Gülle, nachwachsenden Rohstoffen und industriellen Nebenprodukten) Strom- und Wärme (BHKW, Dampfkessel) = % Aufbereitung zu Biomethan/Bioerdgas (Einspeisung Gasnetz) = % Seite 15

16 Stand der Bioenergie in Deutschland - Biogas [DMK, 2009] Planung, Bayern: - Vergärung von Gülle in kleinen Anlagen mit Leistung von < 75 kw el - insgesamt: MW el zusätzliche Leistung > neue Anlagen [HAZ, ] Seite 16

17 Stand der Bioenergie in Deutschland - Biokraftstoffe Biokraftstoffe Bioethanol (Zuckern, Stärke) Pflanzenöle (Raps, Ölpalme (Import)) Biodiesel (Umesterung von Pflanzenöl) BtL-Kraftstoffe (Biomass to Liquid, noch in der Entwicklung) [BMU, 2011] Seite 17

18 Seite 18

19 Grundlagen & Verfahrenstechnik 1. Bakteriengruppe (acidogene Bakterien) Polymere Substrate (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiß) Bruchstücke und gelöste Polmere Hydolyse- Phase Saure Gärung Versäuerungs -Phase 2. Bakteriengruppe (acetogene Bakterien 3. Bakteriengruppe (methanogene Bakterien) H 2 CO 2 org. Säuren Essigsäure Essigsäure (Acetat) Alkohole Acetogene- Phase Methanogene- Phase Umsetzung der Zwischenprodukte zu Methan Methan Seite 19

20 Grundlagen & Verfahrenstechnik Einteilung der Verfahren zur Biogaserzeugung aus festen Substraten Kriterium Anzahl der Prozessstufen Prozesstemperatur Art der Beschickung Trockensubstanzgehalt der Substrate Nassvergärung Unterscheidungsmerkmale Einstufig, Zweistufig, Mehrstufig Psychrophil, Mesophil, Thermophil Diskontinuierlich, Quasikontinuierlich, Kontinuierlich Nassvergärung, Trockenvergärung Trockenvergärung Landwirtschaftliche Biogasanlage volldurchmischtes System Liegender Plug-Flow Fermenter Fa. Borsig Energy Seite 20

21 Grundlagen & Verfahrenstechnik Prozess Nassfermentation Trockenfermentation Reaktor- stehend > 90 organische Abfälle; 9% Wirtschaftsdünger; 11% system Prozess- liegend kombiniert einstufig stufen zweistufig 62 (Fermenter + Nachgärer) NaWaRo; 80% Prozess- mehrstufig mesophil ( 35 C) 8 86 temperatur thermophil ( 55 C) 6 Energiebezogener Substrateinsatz in Biogasanlagen (DBFZ, 2011) Installierte kombiniert < 250 kw el 4 12 Kapazität ~ 250 kw el 34 ~ 300 kw el 17 ~ 500 kw el 25 > 500 kw el 12 Maissilage Grassilage Roggen GPS betrachtete Anlagen: 413 Angaben in % (Handbuch Biogas FNR, 2010) Seite 21

22 Grundlagen & Verfahrenstechnik Allgemeiner Aufbau einer Biogasanlage Seite 22

23 Grundlagen & Verfahrenstechnik - Schlammstabilisierung Klärwerk Hamburg Köhlbrandhöft mit Schlammfaulung und Biogasgewinnung aus anaerober Vergärung Seite 23

24 Chancen & Risiken der Bioenergie Effizienzsteigerung Nutzung der Pansenbiozönose zur Hydrolyse und Versäuerung zur Cellulosevergärung methane yield [ LN/kg odm] Rusitec VDI time [d] Seite 24

25 Chancen & Risiken der Bioenergie Effizienzsteigerung Bioethanolherstellung [MJ/m³ Ethanol] Energiebilanz des Wilkening- Verfahrens im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren (ohne Energiegehalt Rohstoff) Zusätzlicher Energiebedarf bei herkömmlichen Verfahren (22 %) Prozessenergie (21 %) Rohstofferzeugung (48 %) Rohstoff (48 %) Bedarf Energiebedarf (% vom Input) für Herstellung [%] Transport (3 %) Betriebsstoffe, Hilfsstoffe, Bau und Abriss (0,5 %) Zusätzlicher Energieertrag bei Wilkening- Verfahren (22 %) DDGS-Ertrag (11 %) Ethanol-Ertrag (67 %) Ertrag Energieertrag (% vom Output) der Produkte [%] 25 Seite 25

26 Seite 26

27 Potentiale erneuerbarer Energien Energiequelle Spezifischer Energieertrag [kwh/(m² a)] Sonneneinstrahlung D Photovoltaik 80 0,08 Bioenergie Mais Thermisch 6 0,006 Strom 2 0,002 Holz Thermisch 3 0,003 Strom 1 0,001 [-] Seite 27

28 Energiepotentiale in Deutschland Elektrische Energiebereitstellung und Potentiale aus Biomasse (kwh/a) Bereitstellu ng 2010 Potential (bei η el = 40 %) Abfallverbrennung (nur tw.bio..) 77 ~ 100 Vergärung von Restoffen, Exkremente, Einstreu, Abf (Güllepotential ) 61 ~200 (80) Klärgas, Deponiegas 21,5 30 Anaerobe - (40) Abwasserbehandlung Küchenabfall - 15 Fest- und Flüssigbrennstoff 157,6 Biogas Nawaro , (1192) Wärmepotential Abwasser bei T = 2 C = 100 kwh/p.a 28 Seite 28

29 Potentiale erneuerbarer Energien Struktur des Primärenergieverbrauchs im Leitszenario 2008 nach Energieträgern (Wirkungsgradmethode) [Nitsch, Leitstudie, 2008] Seite 29

30 Seite 30

31 Chancen & Risiken der Bioenergie unmittelbare Risiken Bodenerosion, N2O Störfall im Reaktor (Bersten, Feuer) Methanemissionen Treibhausgasemission & Explosions- und Brandgefahr H 2 S-Emissionen: im Rohbiogas > ppm möglich H 2 S: < 100 ppm: Vergiftungserscheinungen nach mehreren Stunden > 100 ppm: Vergiftungserscheinungen < 1 Stunde 500 ppm: lebensgefährlich in 30 Minuten ppm: lebensgefährlich in wenigen Minuten ppm: tödlich in wenigen Sekunden Biogasanlage Uchte, Brand in BHKW- Gebäude (MT) Biogasanlage Schlieven, Brand in Lagerhalle, (FFw Parchim) Seite 31

32 Chancen & Risiken der Bioenergie Keime Studie zum mikrobiologischen Risikopotenzial von Biogasanlagen (Gesamtkeimzahl, spezielle Untersuchungen auf: pathogene Clostridien, Clostridium botulinum inkl. Toxinnachweis, Salmonellen, pathogene E. coli und andere) Kein Nachweis von Neurotoxin produzierendem Cl. botulinum in Gärsubstraten und -resten Kein Nachweis von Salmonellen und pathogenen E. coli in Gärsubstraten und -resten [Breves, 2011] Seite 32

33 Chancen & Risiken der Bioenergie Flächennutzung Maisanbau, insgesamt Nachwachsende Rohstoffe: Anbau in Deutschland [ha] 2011: 2 Mio. ha km² Energiepflanzenanbau Seite 33

34 Chancen & Risiken der Bioenergie Flächennutzung gesamte Ackerfläche in Niedersachen: ~ 1,8 Mio. ha Stilllegungsfläche: Reduzierung von ~ ha (2001) auf etwa 0 Quelle: Höher (2011) Seite 34

35 Chancen & Risiken der Bioenergie Flächennutzung 2 Mio. ha (fast 17 % der Ackerfläche) wurden 2011 für den Anbau von Energiepflanzen genutzt ha für die Biodieselproduktion ha für die Biogaserzeugung ha für die Bioethanolherstellung außerdem: ha für den Anbau nachwachsender Rohstoffe für die stoffliche Verwertung (Industriepflanzen) Ab 2020 könnten für die Produktion nachwachsender Rohstoffe 2,5 bis 4 Mio. ha landwirtschaftliche Nutzfläche genutzt werden. Seite 35

36 Chancen & Risiken der Bioenergie Flächennutzung 16 MWh Seite 36

37 Chancen & Risiken der Bioenergie Wasserbedarf Internationale Bandbreite 3-20 m³ Wasser/L Biodiesel 0,9-9 m³ Wasser/L Bioethanol 0,07-0,44 m³ Wasser/kWh Strom [Rosenwinkel et al., 2012] Bei einer Strecke von km/a ergibt sich ein Treibstoffverbrauch von ~ L/a, was einem Wasserverbrauch von i.m m³/a entspricht. Bei einer reinen Deckung des Stromverbrauchs im Haushalt durch Biogas ergibt sich ein Wasserbedarf zwischen m³/a. Seite 37

38 Chancen & Risiken der Bioenergie Wasser- und Nährstoffbilanzen im Maisanbau Niederschlag Hannover Wasserbedarf Mais in den Sommermonaten besteht Bewässerungsbedarf Nährstoffbedarf als Gärrest zurückgeführt Düngebedarf Jan Feb März April Mai Juni Juli Aug Sept. Okt Nov. Dez. kg/ha Hohe Rückführung von Phosphor, Kalium und Calcium durch Gärrestaufbringung 50 0 N P2O5 K2O CaO Nährstoff [Schmied, 2004] Seite 38

39 Chancen & Risiken der Bioenergie Eintrag in Oberflächengewässern und Grundwässern [Umweltbundesamt, 2009] Seite 39

40 Chancen & Risiken der Bioenergie Treibhausgasemissionen (Biokraftstoffe) Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung (2009) Seite 40

41 Chancen & Risiken der Bioenergie Speicherung Gasspeicherung: 1 m³ Methan Heizwert: 10 kwh/m³ CH4 10 kwh Primärenergie Substratspeicherung: 1 m³ CCM (Corn Crop Mix) CH 4 -Ertrag: 350 L/kg TS Feststoffgehalt: 320 g TS/kg FM Dichte, CCM: 0,75 t/m³ Heizwert: 10 kwh/m³ CH4 840 kwh Primärenergie Notwendiges Speichervolumen Eggersmann Bei der Gasspeicherung ist ein 84 mal höheres Speichervolumen notwendig! Seite 41

42 Chancen & Risiken der Bioenergie - Dezentrale Biogasanlagen: Beispiel Braunschweig Anbaufläche Zur Verregnung Klärwerk Steinhof Landwirt. Biogasanlage Hillverse Produktion Heizwerk Ölpen 20 km Gasleitung BHKW 2 MW el elektrische Energie Weitere dezentrale Biogasanlagen (optional) BS- Energy Erdgas Wärme Gemeinsames Projekt vom Abwasserverband Braunschweig (AVBS), Landwirten aus der Region und dem Energieversorger BS Energy Braunschweig 42 Nahwärmenetz Seite 42

43 Zusammenfassung & Ausblick Beitrag zur Transformation der Energieversorgung Strom, Wärme, Kraftstoff (Steigerung von 6 % auf 11 %) Nutzung für Spitzenlast und Speicherung möglich Effizienzsteigerung notwendig stärkere Nutzung von Abfällen/Nebenprodukten regionale Gesamtkonzepte (Biomasse, Wind, Solar) Bedarfsreduzierung notwendig Nahrungsmittelkonkurrenz Wasserbedarf, Grundwasserbelastung Treibhausgasemissionen Seite 43

44 Zusammenfassung & Ausblick - Zum Vergleich. Anzahl der Biogasanlagen in China Verschiedene Kleinst-Anlagen in China & Indien Seite 44

45 Seite 45