Biomasse für Nahrung, Industrierohstoffe und Energie

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1 Technische Universität Hamburg-Harburg Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft Biomasse für Nahrung, Industrierohstoffe und Energie - Magisches Dreieck oder unlösbarer Zielkonflikt? - Martin Kaltschmitt Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE) Eissendorfer Str. 40, D Hamburg,

2 Inhalt o Biomassemärkte o Zwischenfazit o Lösungsansätze o Schlussbetrachtung

3 Biomassemärkte - Entwicklung spez. Nahrungsmittelnachfrage - Nahrungsmittelverbaruch Nahrungsmittelverbrauch in in kj/(person Tag) Tag) Daten nach FAO.org Welt Entwicklungsländer Naher Osten und Nordafrika Subsahara Afrika Südamerika und Karibik Ostasien Südasien Industriestaaten Schwellenländer

4 Biomassemärkte - Landwirtschaftliche Nutzflächen Dauerkulturen Nutzflächen in ha Weiden Anbaufläche Source: data base FAOSTAT, 2011

5 Biomassemärkte - Prod. & Verbr. ausgew. Stärkepflanzen - Source: FAO 2011

6 Biomassemärkte - Zukünftige Entwicklung spez. Nachfrage - Nahrungsmittelverbaruch in kj/(person Tag) Welt Entwicklungsländer Naher Osten und Nordafrika Subsahara Afrika Südamerika und Karibik Ostasien Südasien Industriestaaten Schwellenländer Daten nach FAO.org

7 Biomassemärkte - Zuk. Entwickl. Nahrungsmittel (134 St.) - Veränderung in % Quelle: Zeddies / Uni Hohenheim 2008

8 Biomassemärkte - Biomasseeinsatz als Rohstoff (Cotton) - Globale Nachfrage nach Textilfasern Quelle: Cotton Council International

9 Biomassemärkte - Biomasseeinsatz als Rohstoff (Plastics) - Beispiel: Marktentwicklung für biomassebasierte Kunststoffe Quelle: PRO-BIP 2009 / Shen et al / Uni Utrecht

10 Biomassemärkte - Nutzung als Energieträger - Global: ca. 560 EJ (2010) 21% 26% 5% Öl Gas Kohle Kernenergie Wasserkraft Biomasse 6% 32% 10%

11 Biomassemärkte - Entwicklung der Energienachfrage - Quelle: BP Energy Outlook 2011 Keine Berücksichtigung der nicht-kommerziellen Biomasse

12 Zwischenfazit obiomasse wird außer als Nahrungs- und Futtermittel auch als nachwachsender Rohstoff und als Energieträger nachgefragt. oalle Märkte wachsen deutlich bei global begrenzter Landfläche. okonkurrenzen um das begrenzte und schwankende Biomasseaufkommen sind damit möglich; potenziell steigende Preise sind eine Konsequenz. odamit nimmt die Notwendigkeit zu, die begrenzte Biomasse möglichst vollständig und hocheffizient zu nutzen und mit der verfügbaren Biomasse möglichst viele (Teil-)Märkte parallel zu bedienen. odies kann nur durch Maßnahmen im Verlauf der gesamten Bereitstellungskette realisiert werden; d. h. Ausweitung der Flächen- und Biomasseressourcenbasis, effizientere Biomassebereitstellung und -nutzung, integrierte und optimierte Produktions- und Nutzungskonzepte.

13 Lösungsansätze - Ausweitung Ressourcenbasis - 1. Nutzung organischer Abfälle / Rückstände / Nebenprodukte 2. Ausweitung der Anbauflächen o Nutzbarmachung bisher ungenutzten Landes o Nutzung von marginalem / degradiertem Land o intensivere Nutzung bereits genutzten Landes 3. Höhere flächenspezifische Agrarproduktion o weiterentwickelte Pflanzen o verbesserte landwirtschaftliche Produktionsmethoden 4. Höhere flächenspezifische Forstproduktion o weiterentwickelte Pflanzen o verbessertes forstwirtschaftliches Management 5. Nutzung der Süß- / Salzwasserressourcen (Algen)

14 Lösungsansätze - Bessere Nutzung vorhandenen Landes - Quelle: Daten nach FAO 2011 Global ist ein erhebliches, tendenziell aber abnehmendes, Potenzial ungenutzter landwirtschaftlicher Flächen verfügbar. Aufgrund einer Vielzahl an Restriktionen sind diese Flächen aber nur schwer erschließbar. Stilllegung im Mittel 2004 bis 2009

15 o Die Höhere Erträge Erträge der heute primär genutzten landwirtschaftlichen Kulturpflanzen wurden in "Neue" der Vergangenheit Pflanzen deutlich zur gesteigert. Auch zukünftig bei vorhandenen dürften sie Energiebereitstellung weiter zunehmen. Offen ist, wo die Grenzen des Wachstums Kulturpflanzen liegen und wann sie erreicht werden. o Für Pflanzen zur ausschließlichen energetischen Nutzung sind noch erhebliche Fortschritte zu erwarten, da die Maximierung des flächenspezifischen Energieertrags in der Vergangenheit kein Optimierungskriterium der Pflanzenzüchtung war. Weizenertrag in Deutschland (Bsp.) Lösungsansätze - Bessere Kulturpflanzen - o Bessere Pflanzen benötigen oft entsprechend angepasste (high-tech) Produktionsmaßnahmen. Das dafür benötigte Know-how und die notwendige Technik sind nicht zwingend überall vorhanden. Source: KWS Saat AG 2008

16 Lösungsansätze - Energie: Effizientere Bereitst. & Nutzung - 1. Effizientere Biomassebereitstellung / geringere Lagerungsverluste 2. Höhere Umwandlungswirkungsgrade durch Maximierung der Biomasseausnutzung und Minimierung der Verluste 3. Kaskadennutzung zur vollständigen Ausnutzung der in der Biomasse vorhandenen Energie 4. Verbesserte Konzepte zur Nutzung der bereitgestellten Energie (z.b. Polygenerationsansatz; d.h. Variabilität zwischen verschiedenen Energieprodukten wie beispielsweise Biomethan, Strom und Wärme) 5. Integrierte Konzepte zur kombinierten Nutzung der Biomasse für Nahrung, Rohstoff und Energie (d. h. Bioraffinerieansatz)

17 Wirkungsgrad 100 % Kohlenmonoxidemission mg/nm³ bei 13 % O Lösungsansätze - Höhere Wirkungsgrade - Vergleich Reduktion der CO-Emissionen CO-Emissionen Reduktion um den Faktor Wirkungsgrade Erhöhung um den Faktor 1,5 bis 1, Verbesserung der Wirkungsgrade Quelle: BLT Wieselburg Jahr Jahr

18 Lösungsansätze - Integrierte Konzepte - Fernwärme-Vorlauf Fernwärme-Rücklauf BIOMASSE Vergaser Zyklon Brennkammer Produktgasfilter Produktgaswäscher Produktgasgebläse Dampfüberhitzer Rauchgaskühler Produktgaskühler Rauchgasfilter Luftkühler Abgaskühlereaktor Synthese- Durch eine flexible Polygeneration Gasmotor (d.h. die gekoppelte Synthesegasfilter Erzeugung Nachbrennkammer Biodiesel mehrerer Endenergieträger mit variierenden Anteilen) kann die Produktgaserhitzer E Brennstoffausnutzung verbessert und das gesamte Energiebereitstellungssystem deutlich effizienter gestaltet Auskoppelung Rauchgas- Methanisierung werden. Fernwärme- Produktgasrückführgebläse gebläse Luftvorwärmer Verbrennungsluft Motoraggregat Kamin Erdgas G Motorkühler Produktgaskompressor Katalysator Gasreinigung Verdampfer Luftkühler G ÖKOGAS Gasaufbereitung CO 2 Turbine Dampf Gaserzeugung und -reinigung ASCHE Fernwärme- Spitzenkessel Fernwärme-Vorlauf Fernwärme-Rücklauf Thermoöl-Vorlauf Thermoöl-Rücklauf Produktgas Synthesegas Rauchgas, Abgas ORC-Kreislauf Wäscher-Kreislauf ORC-Prozess Kondensator

19 Lösungsansätze - Integrierte Nutzung (d.h. Bioraffinerie) - o Ziel ist die möglichst vollständige Nutzung beliebiger organischer Stoffe (d.h. Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle; Energiepflanzen) zur kombinierten Erzeugung unterschiedlicher Produkte (d.h. Food, Non-Food, Energie); d.h. es gibt eine Vielzahl unterschiedlichster Bioraffinerien. o Das Konzept ist technologieoffen und kann beliebige thermisch und/oder biologisch katalysierter Konversionsstufen beinhalten, die mit dem Ziel einer Effizienzmaximierung und einer Minimierung des Abfallaufkommens kombiniert sein können. o Damit sollen sehr unterschiedliche Märkte, die bisher (weitgehend) unabhängig voneinander versorgt werden, parallel mit einer (komplexen) Konversionsanlage bedient werden unter Generierung technischer, ökonomischer und ökologischer Vorteile.

20 Schlussbetrachtung o Biomasse wurde im Verlauf der gesamten Menschheitsgeschichte als Nahrungsmittel, als Industrierohstoff und als Energieträger genutzt. Und die sich daraus ergebenden Zielkonflikte wurden mit unterschiedlichem Erfolg gelöst. o Mit zunehmender Weltbevölkerung, größerem Wohlstand, höheren Umwelt- und Nachhaltigkeitsstandards sowie steigender Energieintensität nehmen die Zielkonflikte aufgrund einer a priori gegebenen Ressourcenbegrenztheit zwingend zu. o Sie lassen sich aber minimieren; wesentliche Maßnahmen sind: Ausweitung der Ressourcenbasis Effizientere Bereitstellung und Nutzung Horizontal und vertikal integrierte Konversionspfade (Bioraffinerie) o Derartige Maßnahmen müssen in der Praxis erprobt und implementiert werden; dies muss F&E-seitig unterstützt werden. o Greifen diese Maßnahmen, kann die Biomasse auch zukünftig in allen Märkten (Nahrung, Rohstoffe, Energie) einen steigenden Beitrag leisten (--> magisches Dreieck).

21 Biomasse für Nahrung, Industrierohstoffe und Energie - Magisches Dreieck oder unlösbarer Zielkonflikt? - Technische Universität Hamburg-Harburg Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE) Eissendorfer Str. 40; D Hamburg Tel. / Fax: / 2315 Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt

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