Ökologische Bilanzierung und Effizienzanalyse von Praxis-Biogasanlagen

Transkript

1 Ökologische Bilanzierung und Effizienzanalyse von Praxis-Biogasanlagen Helmut Döhler, Ursula Roth, Anke Niebaum, KTBL e.v., Bartningstraße 49, Darmstadt Thomas Amon, Universität für Bodenkultur (BOKU), Wien Georg Friedl TUM Weihenstephan, Freising 10. Biomassetagung Vielfalt der Biomassenutzung am 04. und in Birkenfeld

2 Was erwartet Sie? Ein kurzer Blick zurück Landwirtschaft als Klimakiller Deutschland? Die wichtigsten Quellen der Landwirtschaft und mögliche Stellschrauben zur THG -Minderung Landwirtschaftliche Biogasanlagen als Klimaschützer? Methode CO2- Bilanz und Einsparungspotenzial am Beispiel von 6 Anlagen in Europa (EU-Projekt Agro Biogas ) Auswirkung von Effizienzsteigerungsmaßnahmen Zusammenfassung und Fazit

3 Der KTBL-Blick zurück erste KTBL- Veröffentlichung Biogas 50er Jahre Betreuung von Pilot Biogasanlagen in Hessen und Bayern 1982 KTBL Schrift Fortschritte bei Biogas Koordinierung BMBF Projekt Gülleaufber.u. -verwertung (der Meilenstein zur professionellen Biogasanlage) 1994 KTBL Schrift Kofermentation (die ersten Gasertragsstandards) 1999 Expo-2000-Projekt Biogasbetankung ÖPNV 1990 bis. Politikberatung (EEG-NawaRo-Gülle-Bonus,div. Projekte ) 2002/4 Handreichung Biogas 2007 Veröffentlichung 1. Auflage Faustzahlen Biogas 2006 EU-Projekt Agro-Biogas Kongress KTBL / FNR Biogas Stand und Perspektiven 2010 Pilotprojekt Zuckerrübenvergärung /

4 Klimagasemissionen der deutschen Landwirtschaft und Anteil an den Gesamtemissionen (Döhler & Dämmgen 2009) Emissionen (Mio t CO 2 -Äquivalente) Quelle CO 2 CH 4 N 2 O Summe Verdauung Nutztiere - 18,3-18,3 Wirtschaftsdünger tierischer Herkunft - 5,0 3,1 8,1 Bodennutzung und Düngung 42,4-0,6 42,4 84,2 Bodenkalkung 1, ,7 Energiebedingte Emissionen (z.b. Kraftstoffe) 6,7 0,0 0,1 6,8 N-Düngerherstellung 5,2 0,3 8,6 14,1 Summe Landwirtschaft 56,0 23,0 54,2 133,2 Summe alle Sektoren 885,9 51,4 66,4 1003,7 Anteil der Landwirtschaft an der Gesamtemission 6,3 44,7 81,6 13,3

5 Minderungsstrategien - die scheinbar wichtigsten Stellschrauben- C- und N- Ausscheidungen von Nutztieren CH 4 - und N- Emissionen bei der Entstehung und Lagerung von Wirtschaftsdüngern CO 2 Emissionen bei der Bodennutzung N Emissionen bei der Bodennutzung

6 Klimagasemissionen der deutschen Landwirtschaft und Anteil an den Gesamtemissionen (Döhler & Dämmgen 2009) Emissionen (Mio t CO 2 -Äquivalente) Quelle CO 2 CH 4 N 2 O Summe Verdauung Nutztiere ,3% - 18,3 Wirtschaftsdünger tierischer Herkunft ,0% 3,1 8,1 Bodennutzung und Düngung ,4% - 0,6 +100?% 42,4 84,2 Bodenkalkung 1, ,7 Energiebedingte Emissionen (z.b. Kraftstoffe) 6,7 0,0 0,1 6,8 N-Düngerherstellung 5,2 0,3 8,6 14,1 Summe Landwirtschaft 56, , ,2 133,2 109 Summe alle Sektoren 885,9 51,4 66,4 1003,7 Anteil der Landwirtschaft an der Gesamtemission 6,3 44,7 81,6-13,3 2,8 %

7 Minderungsstrategien - die scheinbar wichtigsten Stellschrauben- C- und N- Ausscheidungen von Nutztieren CH 4 - und N- Emissionen bei der Entstehung und Lagerung von Wirtschaftsdüngern CH 4 - und N- Emissionen bei der Erzeugung von reg. Energien aus Biomasse und Wirtschaftsdüngern CO 2 Emissionen bei der Bodennutzung N Emissionen bei der Bodennutzung

8 Methodischer Ansatz zur Berechnung von Emissionen und Emissionsminderungskosten Methodischer Ansatz 'ecological footprint' nach Lebensweganalyse ISO und First examples Grunddaten nach ecoinvent (Swiss Centre for Life Cycle Inventories) Modellierung der Mechanisierung und des Transports auf Basis KTBL-Datenbank Bilanzen / Indikatoren Kosten / Leistungen / Gewinne / Renten Energie Input / Output CO 2 eq Emissionen CO 2 eq Minderungs- Vermeidungskosten

9 Methodischer Ansatz Emissionsminderungskosten Klimagas Footprint First examples CO 2 eq Emissionen Monetärer Footprint Invest, Kosten, Benefits,. CO 2 eq - Minderungskosten reale Gestehungskosten Biogasstrom MINUS fossile Strom-/(Wärme)gestehungskosten

10 Referenzen und Annahmen Referenzen Strom Wärme N 2 O-Emissionen aus der Energiepflanzenproduktion Diffuse Emissionen (default-werte) Leckagen Methanschlupf BHKW Methanemissionen aus dem Gärrestlager Gutschrift Emissionsminderung aus Wirtschaftsdünger nationaler fossiler Strommix nationale fossile Wärmequelle D, AUS, I: Heizöl DK: Erdgas 1 % des applizierten N (IPCC 2006) (% of produced methane) 1,0 % des erzeugten Methans 0,5 % des erzeugten Methans 1,4 % (mehrstufige Prozessführung) 3,7 % (einstufige Prozessführung) 10 % des pot. CH 4 bei Festmist 15 % des pot. CH 4 bei Gülle (UBA 2002, nach IPCC)

11 Wichtige Kenndaten der Demonstrationsanlagen NaWaRo-Anlagen Biogasanlage A (Österreich) B (Italien) C (Deutschland) Installierte Leistung 1 MW el 1,1 MW el 1,2 MW el Energieerzeugung mio kwh el/th Strom 8,4 8,8 7,0 Wärmenutzung (% prod. Wärme) 6,0 60 % 1,65 22 % 5,0 60 % Eingesetzte Substrate Wirtschaftsdünger 60 % FM-Input 30 % FM-Input 30 % FM-Input Nachwachsende Rohstoffe 40% 70% 60% Reststoffe < 1% keine Futterreste Gärrestlagerabdeckung gasdicht offen teilweise gasdicht Restmethangehalt (% prod. CH4) 0 % 3,8 % (gemessen) 0,3% Maßnahme zur Effizienzsteigerung Substitution von NawaRos durch Glycerin Gasdichte Abdeckung des Gärrestlagers Optimierung der Substratzufuhr

12 Wichtige Kenndaten der Demonstrationsanlagen Reststoff-Anlagen Biogasanlage D (Deutschland) E (Dänemark) F (Deutschland) Installierte Leistung 1,4 MW el 2,4 MW el 1,5 MW el Energieerzeugung mio kwh el/th Strom 7,9 11,9 9,7 Wärmenutzung (% prod. Wärme) 1,8 25 % % 1,75 20 % Eingesetzte Substrate Wirtschaftsdünger 90 % FM-Input 20 % FM-Input 55 % FM-Input Nachwachsende Rohstoffe % Reststoffe Futterreste Fleisch- und Fischabfälle, Molke Bleicherde, Kartoffelstärke, Fette Gärrestlagerabdeckung offen offen teilweise gasdicht Restmethangehalt (% prod. CH4) 1,4 % 1,4 % 0,3% Maßnahme zur Effizienzsteigerung Trocknung landw. Produkte Thermo-Druck- Hydrolyse --

13 Klimagasemissionen Biogaserzeugung 0,35 Diffuse Emissionen (nicht gasdichtes Endlager) 0,3 Diffuse Emissionen (Schlupf BHKW + Leckagen) 0,25 Betriebsmittel (Prozessenergie) kg CO2eq / kwhel 0,2 0,15 Transport (Substrate, Gärrest) Betriebsmittel Transport (Substrate, Gärrest) Erstellung Maschinen Biomasseproduktion N2O 0,1 Anbau Substrate ohne N2O (bis Feldrand) 0,05 Betriebsmittel Anlage Werkstoffe Anlage 0 A

14 Klimagasemissionen Biogaserzeugung 0,7 0,6 0,5 Energiepflanzen Diffuse Emissionen (nicht gasdichtes Endlager) Diffuse Emissionen (Schlupf BHKW + Leckagen) Betriebsmittel (Prozessenergie) kg CO2eq / kwhel 0,4 0,3 0,2 Transport (Substrate, Gärrest) Betriebsmittel Transport (Substrate, Gärrest) Erstellung Maschinen Biomasseproduktion N2O Anbau Substrate ohne N2O (bis Feldrand) 0,1 Betriebsmittel Anlage 0 A B C Werkstoffe Anlage

15 Klimagasemissionen Biogaserzeugung 0,7 0,6 Energiepflanzen Reststoffe Diffuse Emissionen (nicht gasdichtes Endlager) Diffuse Emissionen (Schlupf BHKW + Leckagen) 0,5 Betriebsmittel (Prozessenergie) kg CO2eq / kwhel 0,4 0,3 0,2 Transport (Substrate, Gärrest) Betriebsmittel Transport (Substrate, Gärrest) Erstellung Maschinen Biomasseproduktion N2O Anbau Substrate ohne N2O (bis Feldrand) 0,1 Betriebsmittel Anlage 0 A B C D E F Werkstoffe Anlage

16 Klimagasbilanz Biogasanlagen 1,6 1,4 1,2 Minderemissionen durch WD-Nutzung 1,0 0,8 Gutschrift Ersatz fossile Wärme kg CO 2 eq / kwh el 0,6 0,4 0,2 0,78 Gutschrift Ersatz fossiler Strom 0,0 Emissionen Biogasstrom -0,2-0,4 Netto-Einsparung -0,6-0,8 A

17 Klimagasbilanz Biogasanlagen 1,6 1,4 Minderemissionen durch WD-Nutzung 1,2 Gutschrift Ersatz fossile Wärme 1,0 Gutschrift Ersatz fossiler Strom 0,8 Emissionen Biogasstrom kg CO 2 eq / kwh el 0,6 0,4 0,2 0,78 0,34 0,74 Netto-Einsparung 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8 Energiepflanzen A B C

18 Klimagasbilanz Biogasanlagen 1,6 1,4 Minderemissionen durch WD-Nutzung 1,2 Gutschrift Ersatz fossile Wärme 1,0 Gutschrift Ersatz fossiler Strom 0,8 Emissionen Biogasstrom kg CO 2 eq / kwh el 0,6 0,4 0,2 0,78 0,34 0,74 0,87 1,26 0,66 Netto-Einsparung 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8 Energiepflanzen Reststoffe A B C D E F

19 CO 2 -Emissionsminderungskosten 1,6 Minderemissionen durch WD-Nutzung 1,4 1,2 Gutschrift Ersatz fossile Wärme 1,0 Gutschrift Ersatz fossiler Strom 0,8 Emissionen Biogasstrom kg CO 2 eq / kwh el 0,6 0,4 0,2 0,78 0,34 0,74 0,87 1,26 0,66 Netto-Einsparung 0,0-0,2-0,4-0,6-0, Energiepflanzen Reststoffe A B C D E F

20 Effekt von Maßnahmen zur Steigerung der Effizienz von Biogasanlagen auf Klimagasbilanz 3 Beispiele Biogasanlage BGA B Maßnahme zur Effizienzsteigerung (demo) Gasdichte Abdeckung des Gärrestlagers BGA C Optimierung der Substratzufuhr (Quickmix ) BGA D Wärmeauskoppelung und Trocknung landwirtschaftlicher Produkte

21 Maßnahmen zur Effizienzsteigerung und Klimagasbilanz 1,6 1,4 Minderemissionen durch WD-Nutzung 1,2 Gutschrift Ersatz fossile Wärme 1,0 Gutschrift Ersatz fossiler Strom 0,8 Emissionen Biogasstrom kg CO 2 eq / kwh el 0,6 0,4 0,2 0,34 0,53 Netto-Einsparung 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8 BGA B B status B demo

22 Maßnahmen zur Effizienzsteigerung und Klimagasbilanz 1,6 1,4 Minderemissionen durch WD-Nutzung 1,2 Gutschrift Ersatz fossile Wärme 1,0 Gutschrift Ersatz fossiler Strom 0,8 Emissionen Biogasstrom kg CO 2 eq / kwh el 0,6 0,4 0,2 0,34 0,53 0,74 0,69 Netto-Einsparung 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8 BGA B BGA C B status B demo C status C demo

23 Maßnahmen zur Effizienzsteigerung und Klimagasbilanz 1,6 1,4 Minderemissionen durch WD-Nutzung 1,2 Gutschrift Ersatz fossile Wärme 1,0 Gutschrift Ersatz fossiler Strom 0,8 Emissionen Biogasstrom kg CO 2 eq / kwh el 0,6 0,4 0,2 0,34 0,53 0,74 0,69 0,87 1,08 Netto-Einsparung 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8 BGA B BGA C BGA D B status B demo C status C demo D status D demo

24 CO 2 -Emissionsminderungskosten 1,6 1,4 Minderemissionen durch WD-Nutzung 1,2 Gutschrift Ersatz fossile Wärme 1,0 Gutschrift Ersatz fossiler Strom 0,8 Emissionen Biogasstrom kg CO 2 eq / kwh el 0,6 0,4 0,2 0,34 0,53 0,74 0,69 0,87 1,08 Netto-Einsparung 0,0-0, ,4-0,6-0,8 BGA B BGA C BGA D B status B demo C status C demo D status D demo

25 Flächenanspruch 2010 und Flächenpotenzial ausgehend vom Nahrungsmittelbedarf der Bevölkerung Klärschlamm NawaRo stoffl. EE Kraftsstoffe EE Strom und Wärme Naturschutz Infrastruktur Flächenpotenzial Variante 0,2 ha Variante 0,18 ha Flächenbedarf status quo Variante 0, 15 ha Flächenbedarf zukünftig SZ 1 Flächenbedarf zukünftig SZ 2

26 Flächenanspruch 2020 und Flächenpotenzial ausgehend vom Nahrungsmittelbedarf der Bevölkerung Klärschlamm NawaRo stoffl. EE Kraftsstoffe EE Strom und Wärme Naturschutz Infrastruktur Flächenpotenzial Variante 0,2 ha Variante 0,18 ha Flächenbedarf status quo Variante 0, 15 ha Flächenbedarf zukünftig SZ 1 Flächenbedarf zukünftig SZ 2 SZ 1:Infrastruktur/2; Naturschutz x 2; Sprit x 1,5; Biogas KWK x 1; Biomethan=Ziel Reg D SZ 2:Infrastrukturx1; Naturschutz x 4; Sprit x 1,5; Biogas KWK x 2; Biomethan=Ziel Reg D; NawaRo stofflich x 2

27 Flächenanspruch 2020 und Flächenpotenzial ausgehend vom Nahrungsmittelbedarf der Bevölkerung Klärschlamm NawaRo stoffl. EE Kraftsstoffe EE Strom und Wärme Naturschutz Infrastruktur Flächenpotenzial Variante 0,2 ha Variante 0,18 ha Flächenbedarf status quo Variante 0, 15 ha Flächenbedarf zukünftig SZ 1 Flächenbedarf zukünftig SZ 2 SZ 1:Infrastruktur/2; Naturschutz x 2; Sprit x 1,5; Biogas KWK x 1; Biomethan=Ziel Reg D SZ 2:Infrastrukturx1; Naturschutz x 4; Sprit x 1,5; Biogas KWK x 2; Biomethan=Ziel Reg D; NawaRo stofflich x 2

28 Zusammenfassung und Fazit Die Landwirtschaft in Deutschland hat begrenzte Möglichkeiten, zum signifikanten Klimaschützer zu werden. Die Minderungsmöglichkeiten in der Nahrungsmittel-Produktion sind eher gering. Potenziale liegen in der optimierten EE Produktion Energieerzeugung durch landwirtschaftliche Biogasanlagen kann bei Nutzung von Wirtschaftsdüngern und der Nutzung der BHKW-Abwärme und effizienter Rohstofferzeugung sowie -Nutzung (Minimierung Methanverluste) ein ökologisch und volkswirtschaftlich nutzbringendes Konzept darstellen Potenziale zur Effizienzsteigerung und Verbesserung der Klimagasbilanzen sind vorhanden Die KWK ist zu bevorzugen (Biogas aus Energiepflanzen ist zum Verheizen zu schade) Unsere Biogasbranche hat keinen ökologischen Freibrief. Biogaserzeugung um jeden Preis kann nicht der Weg der Zukunft sein Das Minderungspotenzial für THG entspricht etwa 2% der nationalen Emissionen und etwa 15 % der derzeitigen Emissionen der deutschen Landwirtschaft