Biomethan als Kraftstoff: Eine Einordnung

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1 Karlsruher Institut für Technologie Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse Biomethan als Kraftstoff: Eine Einordnung Dr. Gunnar Kappler, Dr. Ludwig Leible, Dipl.-Ing. Stefan Kälber Die Bioenergie nimmt aufgrund der bedeutenden Rohstoffpotenziale, der vielfältigen Nutzungsmöglichkeiten und der damit einhergehenden Bedeutung für die Energiewirtschaft und den Klimaschutz eine besondere Rolle bei der Energiewende ein. Unter den Konversions- und Nutzungsmöglichkeiten wird derzeit dem Biomethan Bio-Erdgas bzw. vielfach auch als Substitute Natural Gas (SNG) bezeichnet von Seiten der Forschung, den Energieversorgern und der Politik erhöhte Aufmerksamkeit geschenkt. Durch die örtliche und zeitliche Entkopplung von Produktion und Nutzung als Energieträger bietet Biomethan vielfältige Möglichkeiten einer verbesserten Handhabung. Neben den unterschiedlichen Optionen der Biomassekonversion (biochemisch, thermochemisch) und Weiterverarbeitung weist Biomethan ein hohes Potenzial für eine effizientere Nutzung der Biomasse auf. So stehen durch die Aufbereitung des biochemisch gewonnenen Biogases bzw. des thermochemisch (Vergasung) gewonnenen Rohgases auf Erdgasqualität und deren Einspeisung in das bestehende Erdgasnetz, dem Biomethan prinzipiell alle Speichermöglichkeiten sowie Verteil-, Vertriebs- bzw. Verwendungspfade offen, die für das fossile Erdgas bekannt sind. Durch die bedarfsorientierte Bereitstellung ergeben sich insbesondere auch für den Mobilitätssektor flexible Nutzungsmöglichkeiten. Im Rahmen der Bioenergieforschungsplattform Baden-Württemberg wurde eine systemanalytische Untersuchung der Technologien und Pfade zur Erzeugung biogener Gase durchgeführt, ausgehend von der Biomassebereitstellung bis zur Substitution fossiler Energieträger durch die energetische Nutzung des Bio-Erdgases. Dabei wurde bei den Bereitstellungsprozessen für biogene Gase je nach Beschaffenheit der eingesetzten Biomasse zwischen einem thermo- und einem biochemischen Bereitstellungspfad unterschieden. Nach entsprechender Gasaufbereitung erfolgt dann die Einspeisung des Biomethans in das Erdgasnetz und anschließend dessen Nutzung zur Wärme- und Strombereitstellung bzw. als Kraftstoff. Die Aufarbeitung von Biogas bzw. der Rohgase zu Biomethan ist ein sehr aufwändiger Prozess, was im Vergleich zur klassischen energetischen Nutzung des Biomasse vor Ort zum einen zu zusätzlichen Kosten, insbesondere aber auch zu einem zusätzlichen Prozessenergiebedarf führt. Aufgrund des geschilderten Zusammenhangs resultieren bei den betrachteten Biogas- und Vergasungsanlagen Biomethan-Kosten frei Erdgasleitung von 80 bzw. 105 /MWhHi [1]. Die Aufbereitung von Biogas zu Biomethan und dessen Einspeisung hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Derzeit wird von 130 (Stand11/2013) [2] der rd in Deutschland betriebenen Biogasanlagen Biogas bzw. Biomethan ins Erdgasnetz eingespeist, d.h. eine thermochemische Bereitstellung ist noch nicht realisiert. Das im Integrierten Energie- und

2 Klimaprogramm definierte Ziel, eine jährliche Biogaseinspeisung in Höhe von 6 % des deutschen Erdgasverbrauchs (ca. 6 Mrd. m3/a NTP) bis 2020 zu realisieren dürfte kaum erreicht werden, da Ende 2013 dieser Anteil bei lediglich 0,5 % lag [2]. So könnte mit Blick auf das große Potenzial an lignocellulosereichen biogenen Reststoffen in Deutschland, das teilweise noch ungenutzt ist, auch die thermochemische Bereitstellung von Biomethan über die Vergasung der Biomasse verstärkt in Betracht gezogen werden. Aufgrund der zunehmenden Belastung der Umwelt durch den Verkehr, wird nach Lösungen gesucht, die schädlichen Auswirkungen der konventionellen fossilen Kraftstoffe Benzin und Diesel zu verringern. Vor dem Hintergrund des Klimaschutzes, der Luftreinhaltung und Rohstoffdiversifizierung stellt hierbei der Einsatz von Erdgas und somit von Biomethan als Kraftstoff eine aussichtsreiche Alternative dar. Doch wurden im Verkehrssektor im Jahr 2013 lediglich rund 0,3 % des gesamten Erdgasabsatzes eingesetzt. Der Anteil an Biomethan in diesem für den Verkehr eingesetzten Erdgas liegt derzeit bei rund 5 % [2] [3]. Dabei lassen sich durch die Beimischung von Biomethan ohne jedwede technische Modifikation insbesondere die Emissionsvorteile von erdgasbetriebenen Fahrzeugen weiter ausbauen. Besonders interessant erscheint hierbei auch ein Blick auf das Potenzial, welches der Einsatz von Biomethan in dem als besonders umweltbelastenden Güterverkehr bieten könnte. In Deutschland sind derzeit über 900 Erdgastankstellen in Betrieb. Dabei kann bereits an 180 Tankstellen auf 100 % Biomethan bzw. an ca. 320 Erdgastankstellen Bio-Erdgas mit einer Zumischung von 5 bis 100 % getankt werden. Deutschland ist das europäische Land mit der zweithöchsten Anzahl von CNG/Erdgastankstellen [4]. Biomethan kann problemlos in erdgasbetriebenen Pkw eingesetzt werden, mit nur geringen Einschränkungen bei Reichweite und Komfort. Trotzdem führen Erdgasfahrzeuge in der Diskussion um umweltverträgliche Mobilität im Vergleich zu den intensiv beforschten Hybridund Elektroautos aktuell ein Schattendasein und dies, obwohl sie seit vielen Jahren in Serie produziert werden. Zur Einordnung: In Deutschland belief sich der Anteil an Erdgasautos im Jahr 2013 mit knapp Pkw lediglich auf ca. 0,2 % des gesamten Fahrzeugbestandes. Im Zeitraum von Januar bis Dezember 2013 wurden in Deutschland erdgasbetriebene Personenkraftwagen zugelassen, was einen Anteil von etwa 0,3 % der gesamten Pkw- Zulassungen ausmacht [5]. Der insgesamt geringe Bestand an Erdgasautos, trotz vorhandener Serienreife und deutlich niedrigerer Kraftstoffkosten, erklärt sich unter anderem auch durch irrationale Sicherheitsbedenken und durch Informationsdefizite die hinsichtlich des Kostenvorteils von Erdgas gegenüber konventionellen Kraftstoffen bestehen. Mit der Zielstellung, den Marktanteil von Erdgasfahrzeugen zu steigern, haben sich einzelne Fahrzeughersteller und Teile der Energiewirtschaft zur Initiative Erdgasmobilität zusammengeschlossen. Diese deklariert, nicht nur das Angebot an Erdgasfahrzeugen und Erdgastankstellen auszuweiten, sondern auch den Anteil an beigemischtem Bio-Erdgas im Kraftstoff Erdgas auf mindestens 20 % bis zum Jahr 2015 zu steigern. Wie bereits dargelegt, dürfte diese Zielformulierung utopisch sein. Aus Sicht dieses Bündnisses sollten in jedem Falle die energiepolitischen Rahmenbedingungen verbessert werden [6]. Anhand des exemplarisch ausgewählten Allzweck-Fahrzeugs Opel Zafira (angenommene Jahresfahrleistung km) wurde die Nutzung von Biomethan als Kraftstoff genauer untersucht. Dabei wurde dem Biomethan neben fossilem Erdgas auch Diesel und biogener Fischer-Tropsch (FT)-Diesel gegenübergestellt und anhand der Kosten und THG-Emissionen diskutiert. FT-Diesel kann ebenfalls aus Biomasse hergestellt und ohne technische Änderungen

3 in konventionellen Dieselfahrzeugen eingesetzt werden. Die jährlichen Kosten der Pkw wurden im Total Cost of Ownership (TCO) Ansatz vergleichend gegenübergestellt. Die zugrunde gelegten Kraftstoffkosten waren jeweils Tankstellenpreise, jedoch ohne Berücksichtigung von Mehrwert- und Kraftstoffsteuer. Es zeigte sich, dass bei einer Betrachtung ohne Steuern die TCO pro Jahr bei biogenen Kraftstoffen um ca % höher sind als die des jeweiligen fossilen Kraftstoffs (Bio-Erdgas 5.307, Erdgas 4.710, FT-Diesel 5.322, Diesel ). Im Vergleich der biogenen Kraftstoffe untereinander sind die TCO fast gleich hoch: Bio-Erdgas: und FT-Diesel: [7]. Hinsichtlich der über die gesamte Lebensdauer betrachteten THG-Emissionen für das ausgewählte Fahrzeug zeigt sich, dass die Pkw-Produktion bei ausschließlicher Nutzung fossiler Kraftstoffe für ca. 10 % der gesamten THG-Emissionen verantwortlich ist. Bei Betrachtung der biogenen Kraftstoffe hingegen machen diese Emissionen bis zu 50 % der gesamten THG- Emissionen aus. So emittiert das mit Biomethan betriebene Fahrzeug insgesamt rund kg CO2-Äq. und im Vergleich dazu das mit fossilem Erdgas betriebene rund kg CO2-Äq. pro Jahr, bei einer Jahresfahrleistung von km [7]. Zudem zeigten die Analysen, dass die THG-Emissionen der Biomethan-Bereitstellung höher liegen als die von FT-Diesel. Dies liegt an den zusätzlichen THG-Emissionen, die mit der Biomethan-Kompression auf 200 bar an der Tankstelle verbunden sind. Insbesondere aber an der anteilig zugrunde gelegten Bereitstellung über Biogas aus Silomais. Bei Verzicht auf die Bereitstellung von Biomethan über Biogas, würden sich die THG-Emissionen pro MWhHi von 37 auf 16 kg CO2-Äq. vermindern. Anzumerken ist ferner, dass die Emissionen von fossilem Erdgas deutlich niedriger sind als die von fossilem Diesel. Jedenfalls ermöglichen biogene Kraftstoffe in allen Fällen deutliche THG-Einsparungen gegenüber fossilen Kraftstoffen [7]. Unter ökonomischen und umweltrelevanten Gesichtspunkten scheint Erdgas (Biomethan) auch ein vielversprechender Kraftstoff für den Einsatz im Güterverkehr zu sein. Im Rahmen einer am ITAS durchgeführten Untersuchung wurden die aktuell verfügbaren Erdgasantriebstechnologien und deren Einsatzmöglichkeiten im Nutzfahrzeugbereich unter techno-ökonomischen und umweltrelevanten Gesichtspunkten betrachtet, und mit dem konventionellen Dieselantrieb verglichen. Dazu wurde sowohl ein am Markt verfügbarer Erdgas-Lkw als auch ein Erdgas-Bus ausgewählt und mit dem jeweils entsprechenden äquivalenten Diesel-Referenzfahrzeug verglichen. Hierbei ergab für die untersuchten Fahrzeuge, dass die jeweiligen Erdgasvarianten aktuell, insbesondere aufgrund der Steuerermäßigung des Kraftstoffs, einen Kostenvorteil gegenüber den Diesel-Referenzmodellen haben. Hinsichtlich der CO2-Emissionen liegen bei einer ausschließlichen Tank-to-Wheel -Betrachtung Erdgas- und Dieselvarianten nahezu auf gleichem Niveau, wobei der Emissionsvorteil von Erdgas durch den Effizienzvorteil des Dieselantriebs kompensiert wird. Unter Berücksichtigung von Well-to-Tank -Emissionen und weiterer mit dem Einsatz des Kraftstoffs verbundenen Schadstoffemissionen dürfte sich allerdings ein anderes Bild ergeben. Dennoch wird, bedingt durch die größere Reichweite und die beachtliche Effizienz, auch in naher Zukunft der Diesel- der Hauptantrieb im Nutzfahrzeugverkehr bleiben. Demnach böten sich Erdgasnutzfahrzeuge vor allem für den Einsatz im Verteilerverkehr oder in kommunalen Dienstleistungen (Stadtbusse, Müllsammelfahrzeuge etc.) an, da hier die geringere Reichweite keine Rolle spielt und Erdgasfahrzeuge deutlich leiser sind als Dieselfahrzeuge, was einen enormen Vorteil im urbanen Verkehr bieten kann. Im Bereich der See- bzw. Binnenschifffahrt spielt Erdgas (Biomethan) als Treibstoff bis dato ausschließlich in den weltweit verkehrenden LNG-Tankern, die als Alternative zum Erdgas-

4 Pipelinetransport eingesetzt werden, eine wichtige Rolle. Hinsichtlich der Binnenschifffahrt sind in Europa lediglich vereinzelt mit Erdgas betriebene Schiffe in Betrieb, in Deutschland hingegen bislang noch kein einziges. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen einer am ITAS durchgeführten Analyse, der aktuelle Stand der Nutzung von Erdgas als Treibstoffalternative in der deutschen Binnenschifffahrt untersucht. Da in Deutschland aktuell kein mit Erdgas betriebenes Binnenschiff existiert, wurde für die techno-ökonomische Analyse als Referenz ein im Einsatz befindliches, mit Diesel betriebenes Transportschiff ausgewählt und modellhaft auf den Betrieb mit zwei auf dem Markt befindlichen Erdgas-Motoren umgerüstet. Diese Antriebsvarianten wurden einander unter umweltrelevanten und techno-ökonomischen Gesichtspunkten gegenübergestellt und bewertet. Die techno-ökonomische Analyse ergab, dass das auf Ottomotor-Technik basierende Erdgas-Konzept einen deutlichen Kostenvorteil gegenüber dem Diesel-Konzept hat. Das Dual-Fuel-Konzept gestaltet sich im direkten Kostenvergleich mit dem Diesel-Konzept, aufgrund des hohen Treibstoffverbrauchs, am unwirtschaftlichsten. Beide Erdgas-Konzepte, das Dual-Fuel- und das Ottomotor-Konzept, waren jedoch hinsichtlich der CO2-Emissionen bei Tank-To-Wheel-Betrachtung vorteilhafter, als das mit Diesel betriebene Äquivalent. Als Fazit lässt sich festhalten, dass es sich sowohl unter ökonomischen als auch emissionsrelevanten Gesichtspunkten lohnen kann, ein Binnenschiff auf LNG-Erdgas-Betrieb mit Gas- Ottomotor umzurüsten. Im Falle einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauches der Dual-Fuel-Motoren, erscheint auch eine Umrüstung auf dieses Konzept wirtschaftlich zu sein. Dabei ist von Vorteil, dass der Dual-Fuel-Motor auch ausschließlich mit Diesel betrieben werden kann und dadurch von LNG-Terminals unabhängig ist. Letztlich muss gewährleistet sein, dass trotz Zuladungsverlust durch das zusätzliche Gewicht des aufwendigen LNG-Tank- und Zuleitungssystems der Betrieb des Schiffs, insbesondere durch einen niedrigeren Treibstoffverbrauch, rentabel bleibt. Dazu sollten allerdings die Kosten für LNG unter denen für Diesel bleiben. Wie die Untersuchungen zur Biomethan-Bereitstellung über Biogas und thermochemisch gewonnenes Rohgas gezeigt haben, ist Biomethan deutlich teurer als fossiles Erdgas, wobei die Produktion von Biomethan über die Vergasung noch demonstriert werden muss. Hinsichtlich des Verkehrssektors bildet der Einsatz von Erdgas bzw. Biomethan sicherlich eine effiziente und schnell realisierbare Möglichkeit zum Übergang hin zu einer zunehmend auf erneuerbare Kraftstoffe gestützten Mobilität. Schließlich zeigen die durchgeführten Untersuchungen, dass der Einsatz von Biomethan im Pkw-Bereich eine aussichtsreiche Möglichkeit darstellt, die THG- Emissionen zu mindern. Während zur Strom- bzw. Wärmebereitstellung auch andere umweltfreundliche Alternativen existieren, ist Biomethan eine der wenigen Möglichkeiten, kurzfristig und zu vertretbaren Kosten deutliche THG-Einsparungen im Verkehrssektor zu erreichen. Im Gegensatz zu FT-Diesel ist Biomethan zudem einer der wenigen Biokraftstoffe der zweiten Generation, der bereits in nennenswerten Mengen am Markt vorhanden ist. Nicht nur im straßengebundenen Personen- und Gütertransport sondern insbesondere im Binnenschiff kann ein verstärkter Einsatz von Biomethan jedoch erst dann erwartet werden, wenn die Betankungs-Infrastruktur deutlich erweitert wird. Insgesamt dürften im Güterverkehr, nicht zuletzt wegen der Reichweiten- und Effizienzvorteile, die Diesel-Motoren weiterhin die bestimmenden Antriebe bleiben. Hierbei könnten flüssige Biokraftstoffe helfen, die Antriebe umweltfreundlicher zu gestalten. Doch kann und wird der Einsatz eines einzelnen spezifischen Kraftstoffs auch zukünftig nicht den Königsweg zur Lösung aller mit dem Verkehr verbundenen Probleme darstellen.

5 Natürlich sind bei der abschließenden Bewertung von Biomethan, insbesondere im Hinblick auf Kosten und möglichem Beitrag zur Minderung der Treibhausgase, immer auch die direkten alternativen energetischen Nutzungsmöglichkeiten zur Wärme- und Stromproduktion mit zu berücksichtigen. Denn wie sich zeigt, ist die Biomethan-Nutzung beim Kleinverbraucher zur Wärmeproduktion wirtschaftlich am ehesten zu realisieren. Literatur: [1] Leible, L.; Kälber, S.; Kappler, G.; Eltrop, L.; Stenull, M.; Lansche, J.; Poboss, N.; Stürmer, B.; Kelm, T.; Köppel, W., 2012: Perspektiven für Bio-Erdgas. Teil I: Bereitstellung aus nasser und trockener Biomasse. BWK (2012)5, S Online verfügbar unter: [ [2] dena (Deutsche Energie-Agentur GmbH), 2013: Brachenbarometer Biomethan. Daten, Fakten und Trends zur Biogaseinspeisung. [3] bdew (Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.v.), 2013: Gasfluss. Von Import und Förderung zum Verbrauch. [4] gibgas, 2014: CNG-Tankstellen in Europa. [ Zugang am: ] [5] KBA (Kraftfahrtbundesamt), 2013: Fahrzeugzulassungen. Neuzulassungen von Kraftfahrzeugen und Kraftfahrzeuganhängern Monatsergebnisse Dezember 2013, FZ8. [6] dena (Deutsche Energie-Agentur), 2014: Initiative Erdgasmobilität, CNG und Biomethan als Kraftstoffe. [ Zugang am: ] [7] Kappler, G.; Hurtig, O.; Kälber, S.; Leible, L., 2012: Perspektiven für Bio-Erdgas. Teil II: Bereitstellung von Wärme, Strom und Kraftstoff. BWK (2012)6, S Online verfügbar unter: [ ] Weiterführende Literatur unter: