Biogene Treibstoffe Mobilität der Zukunft

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1 Biogene Treibstoffe Mobilität der Zukunft Ringvorlesung Umwelt und Technik Gummersbach Dipl.-Ing. Karin Arnold Wuppertal Institut für Klima, Energie, Umwelt GmbH Forschungsgruppe Zukünftige Energie- und Mobilitätsstrukturen

2 Einführung:das Wissenschaftsunternehmen WI Präsident: Prof. Dr. Peter Hennicke Gründung: 1991 unter der Leitung von Prof. Dr. Ernst Ulrich von Weizsäcker Rechtsform: GmbH, Non-Profit-Organisation; Mitglied im Wissenschaftszentrum NRW Eigentümer: Land Nordrhein-Westfalen Personal: über 150 Beschäftigte, multidisziplinär Projekte: Projekte pro Jahr Budgetplan 2004: 2,9 Mio. Euro Landesförderung (mit stark abnehmender Tendenz) 5,4 Mio. Euro von Drittmittelgebern (UN, EU, Ministerien, Wirtschaft, NGOs)16 Folie 2

3 Einführung: das Forschungskonzept des WI Forschungsgruppen, Fokusprojekte, Querprojekte Zukünftige Energie- und Mobilitätsstrukturen Fokusprojekte: Neue Energieträger und Kraftstoffe Energie- und verkehrssparende Siedlungsstrukturen FG1 Energie-, Verkehrs- und Klimapolitik Fokusprojekte: Institutionen/Akteure im Mehrebenensystem Diffusion erfolgreicher Politikund Projektansätze FG2 Querprojekte Nachhaltigkeitsszenarien Globalisierung und Nachhaltigkeit Öko-Suffizienz und Lebensqualität Stoffströme und Ressourcenmanagement Fokusprojekte: Steigerung der Ressourcenproduktivität ohne Verlagerung der Umweltbelastung Integrierte Bewertung von Flächennutzung und Stoffströmen FG3 Nachhaltiges Produzieren und Konsumieren Fokusprojekte: Ressourceneffizienz und Beschäftigung Nachhaltigkeitsverantwortung entlang von Produktketten FG4 Folie 3

4 Gliederung des Vortrags Einleitung: Mobilität heute und Problemstellung Lösungsansatz: Biokraftstoffe Einordnung ins Gesamtsystem: Rolle des Verkehrs Potenzialbegrenzung Biomasse Resultierende Nutzungskonkurrenzen Fazit und Zusammenfassung Folie 4

5 Mobilität heute: Rahmenbedingungen Vier von fünf Haushalten haben mindestens ein Auto, mehr als ein Viertel ist mehrfach motorisiert. 1,1 Autos pro Haushalt, entspricht 0,7 Autos pro Erwachsenem An einem durchschnittlichen Tag sind 86% der Bevölkerung mobil, es werden über drei Mrd.Personenkilometer zurückgelegt Anstieg seit 1989 um ca. 20% Jeder 10. Weg, der mit dem Auto zurückgelegt wird, endet schon nach weniger als 1 km, nur ca. 30% der Wege sind länger als 10 km. Sieben von zehn Fahrten mit dem Auto werden alleine durchgeführt. Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor TIFF (LZW) benötigt. (Auto-) Mobilität ist ein wichtiger Teil des täglichen Lebens. Folie 5 Quelle: Mobilität in Deutschland, BMVBW 2004

6 Mobilität heute: Problemstellung Versorgungssicherheit Der Verkehrssektor ist mit 97% fast vollständig von einem Energieträger, nämlich Erdöl, abhängig. Diesel 50,0% Daraus ergeben sich Folgen auf drei Ebenen: Otto 48,4% Biokraftstoffe 1,4% LPG /CNG 0,2% Hoher CO 2 - Ausstoß Endlichkeit der Ressource und Importabhängigkeit Steigende Energiepreise Klimaschutz Versorgungssicherheit Wettbewerbsfähigkeit (Auto-) Mobilität heute ist nicht nachhaltig. Der Bedarf an Mobilität muss an zukünftige Rahmenbedingungen angepasst werden. Folie 6 Quelle: NHS Fortschrittsbericht Perspektiven für Deutschland

7 Mobilität heute: Problemstellung CO 2 Emissionen Mio t CO Der CO 2 -Ausstoß des Straßenverkehrs hat sich seit 1960 verfünffacht. Gleichzeitig ist der Anteil des Verkehrssektors an den klimarelevanten CO 2 -Emissionen in den letzten 40 Jahren auf ein Fünftel der Gesamtemissionen angestiegen, obwohl technische Maßnahmen, den spezifischen CO 2- Ausstoß pro gefahrenen Kilometer vermindert haben. Der Trend immer weiter steigender CO 2 Emissionen muss umgekehrt werden. Folie 7

8 Lösungsansatz - Alternative Kraftstoffe Motivation und Treiber / Ansatz auf vielen Ebenen: Versorgungssicherheit Verbreiterung der Ressourcenbasis Umweltschutz (lokale Emissionen) Klima- und Ressourcenschutz Kosten bzw. Wirtschaftlichkeit Politik (Industrie, Technologie, Forschung ) Positive Stoff- und Systemeigenschaften Image- /Akzeptanz-Aspekte Folie 8

9 Ein Aspekt zukünftiger Mobilität: Welche Kraftstoffe werden/wollen wir in Zukunft tanken? * EU-Zielvorgaben Diesel Benzin Synth. Diesel GTL/BTL Biodiesel RME Pflanzenöl Bio-KS: 8 % (2020)*? Ethanol Erdgas CNG 10 % (2020)* Bio- Methanol Bio-Methan Wasserstoff CGH 2 Wasserstoff LH 2 H 2 : 5 % (2020)* Abkürzungen: RME=Raps-Methyl-Ester; GTL/BTL=Gas/Biomass-To-Liquids; CNG/LNG=Compressed/Liquefied Natural Gas; BCMG=Bio-Compressed Methane Gas; CGH2/LH2=Compressed gaseous/liquefied Hydrogen Folie 9

10 Biokraftstoffe der ersten Generation: Pflanzenöl (PPO) und Biodiesel (RME) Rohstoff: Ölpflanzen, in D vor allem Raps (Sonstige: Sonnenblume, Soja, Palmöl,...) Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor TIFF (LZW) benötigt. Verwendung: Pflanzenöl: in adaptierten Motoren, Ventile und Düsen umrüsten Biodiesel: kann bis zu einigen Prozentpunkten ohne merkbare Probleme zum fossilen Diesel beigemischt werden Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor TIFF (LZW) benötigt. Folie 10

11 Biokraftstoffe der ersten Generation: Produktion von Pflanzenöl (PPO) und Biodiesel (RME) kg Saat In Ölmühle abgepresst: 610 kg Press- Kuchen 12 kg Restfett 40 kg Wasser 360 kg RME 369 l RME 332 l Diesel 360 kg Öl Vorreinigung Umesterung* 39 kg Glycerin 39 kg Methanol Nebenprodukte: Presskuchen (PPO, RME): kann als hochwertiges Tierfutter verwendet werden Glycerin: fällt bei der Umesterung zu ca. 11% an; kann derzeit am chem. / Pharmazeutischen Markt abgesetzt werden und erzielt ökonomisch und ökologische Gutschriften, aufgrund derer sich RME besser darstellt als PPO. * In Gegenwart von Natron oder Kalilauge als Katalysator, Prozess läuft bei Raumtemperatur bei geringem technischen Aufwand ab Folie 11

12 Biokraftstoffe der ersten Generation: Ethanol Rohstoff: Zucker- und Stärkepflanzen, z.b. Zuckerrüben, Weizen, Kartoffeln (Brasilien: Zuckerrohr) Zukünftig auch aus Lignozellulose, z.b. Holz, Stroh,.. Erweiterung der Rohstoffbasis, gesteigerte Erträge Am Markt nicht vor 2015 erwartet, erste Pilotverfahren werden von der Firma Iogen (Kanada) getestet Verwendung: Als Additiv ETBE (45 % Ethanol, 55% Isobutylen) Direkt als Kraftstoff Bioethanol als Beimischung zu fossilem Otto-Kraftstoff: Beimischung 5% (E5) Beimischung 85% (E85) Folie 12

13 Biokraftstoffe der ersten Generation: Produktion von Ethanol aus Zuckerrüben Alkoholgehalt Fermentation % Destillation % Rektifikation > 96 % Absolutierung > 99,7 % Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor TIFF (LZW) benötigt. Folie 13 Quelle: KWS Saar AG

14 Biokraftstoffe der zweiten Generation: Biomass-to-Liquid (BTL) Rohstoff: feste Biomasse zur Vergasung Holz Stroh Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor TIFF (LZW) benötigt. Verwendung: BTL gilt als hochwertiger Designer-Kraftstoff, da in der Fischer-Tropsch-Synthese die Eigenschaften des Kraftstoffs nach Bedarf eingestellt werden können => Verringerung der Abgas- und Russpartikelemissionen erwartet Choren Industries GmbH Folie 14

15 Biokraftstoffe der zweiten Generation: BTL Synthesegaserzeugung nach Carbo-V -Verfahren Folie 15

16 Gasförmige Biokraftstoffe: Biogas und SNG Rohstoff: Biogas: alle fermentierbaren Biomassen (alle feuchten Nawaros, z.b. Mais) SNG: feste Biomasse zur Vergasung (Holz, Stroh, etc.) Verbreiterung der Rohstoffbasis, nicht mehr Beschränkung auf Energiepflanzenanbau Verwendung: nach Aufbereitung kein Unterschied im Methan feststellbar analog zum CNG im Fahrzeug; Einspeisung ins bestehende Erdgasnetz Folie 16

17 Gasförmige Biokraftstoffe: Biogas Folie 17

18 Gasförmige Biokraftstoffe: Synthetic Natural Gas (SNG) Allotherme Wirbelschicht-Dampfvergasung Prinzip FICFB (Fast Internal Circulating Fluidized Bed) Güssing (Österreich), 8 MW th Folie 18

19 Eingrenzung der Bewertungsebenen: Welche Aspekte tragen zur Entscheidungsfindung bei? Ökologisch Sozioökonomisch Klimaschutz Umweltschutz Versorgungssicherheit, Ressourcenschonung Stärkung der Regionalwirtschaft Minderung von THG-Emissionen Boden- und Gewässerschutz Verringerung der Importabhängigkeit durch Nutzung heimischer Ressourcen Lokale Beschäftigungseffekte und Wertschöpfung Stärkung des ländlichen Raumes Ökonomisch Stärkung des Industrie-/ Technologiestandortes Lokale Beteiligung an F&E Ansiedlung spezifischer Kompetenzen Wettbewerbsfähigkeit Konkurrenz zu anderen (biogenen) Kraftstoffen Folie 19

20 Die Rolle des Verkehrs im Energiesystem Notwendige Substitution der Erzeugungslücke GuD Emissionszuwachs in der Stromerzeugung durch Ersatz fehlender REG- Anteile: 420 g CO2äq./kWh REG Begrenzte Verfügbarkeit der Biomasse Anteil REG (Biomasse) Erzeugung von Biokraftstoffen Anteil fossile Erzeugung BKS Anteil kon. Treibstoffe Emissionsminderung im Verkehr: 188 g CO2äq./kWh REG Stromsystem Verkehr Die Wechselwirkungen im Energiesystem erfordern eine Bilanzierung der Einsatzeffizienz von regenerativen Energieträgern. Folie 20

21 Die Rolle des Verkehrs im Energiesystem Notwendige Substitution der Erzeugungslücke Begrenzte Verfügbarkeit der Anteil Biomasse REG (Biomasse) GuD Erzeugung von Biokraftstoffen Emissionszuwachs in der Stromerzeugung durch Ersatz fehlender REG- Anteile: 420 g CO2äq./kWh REG Anteil fossile Erzeugung BKS Anteil kon. Treibstoffe Emissionsminderung im Verkehr: 188 g CO2äq./kWh REG Stromsystem Verkehr Eine isolierte Sicht des Verkehrs führt zu falschen Schlüssen - die Nettoemissionen aus Systemsicht zählen! Folie 21

22 Potenziale Gesamte landwirtschaftliche Fläche in D: ca. 12 Mio. ha Für Alternativnutzung verfügbar: in 2006 ca. 13% der Fläche für 2007 rund 17% erwartet Davon Raps für Biodiesel: ca.1,4 Mio. ha Tsd. ha Annahmen zur zukünftig verfügbaren Fläche: Flächenbedarf zur Nahrungsmittelproduktion nimmt durch Bevölkerungsrückgang und steigende Pflanzenerträge ab Klimawandel verringert Produktivität der Fläche (Dürre) Raps Energiepflanzen Ethanol stofflich Biomasse ist ein Nachwachsender Rohstoff; trotzdem ist das jährlich verfügbare Potenzial begrenzt. Es muss daher so effizient wie möglich eingesetzt werden. Die Rohstoffe der Biokraftstoffproduktion sind fast ausschließlich Produkte aus dem gezielten Anbau von Energiepflanzen. Das Potenzial ist damit direkt von der verfügbaren Anbaufläche abhängig. Folie 22

23 Ökologische Bewertung: Durch welchen Rohstoff lässt sich am meisten Kraftstoff anbauen? BG-Nawaro SNG-KUP Gasförmige Kraftstoffe (Biogas, SNG) liefern die höchsten Energieerträge pro Hektar Anbaufläche. BTL (Energiegras) BTL (KUP) Je nach Einsatzstoff und Prozessführung sind die Ausbeuten der BTL-Pfade mit den gasförmigen Kraftstoffen vergleichbar. EtOH-Z EtOH-W RME GJ/ha*a Die Biokraftstoffe der ersten Generation, RME und Ethanol, sind weniger effizient. Zuckerrüben als Rohstoff liefern höhere Ethanolerträge als Weizen. Folie 23 Quelle: WI, FZJ, 2006

24 Anbau Holz Vergärung Vergasung Verbrennung flüssige Energieträger Gasförmige Energieträger Strom Wärme feste Energieträger Übersicht über Biomasse-Nutzungspfade Wie können die begrenzten Ressourcen am Besten eingesetzt werden? Waldrestholz, Landschaftspflege Ungenutzter Zuwachs Kraftwerk (Mitverbrennung)? Reststoffe Flächenkonkurrenz Industrierestholz, Altholz Landwirtschaftl. Reststoffe (Stroh) Landwirtschaftl. Reststoffe (Gülle) kommunale Reststoffe Mais Getreide Zuckerrübe Ölpflanzen KUP Energiegras Ethanolproduktion Methanisierung Fischer- Tropsch- Synthese Veresterung Heizkraftwerk (Mitverbrennung) BHKW Heizwerk Gastherme Holz-Heizung Bio-/ Synthesegas Ethanol RME BTL Kraftstoff?? Welcher Sektor soll bedient werden? Folie 24 Quelle: WI, FZJ, 2006

25 Ökologisch- Ökonomische Bewertung: Methodik Û ct /kwh fue 20 Biofuels Bio additive fossil fuels Bilanzierung über die gesamte Bereitstellungskette Kumulierter Energie Aufwand (KEA) 0-5 PPO RME EtOH- SB EtOH-W ETBE SB ETBE W Diesel Petrol CNG Capital costs Operating costs Feedstock costs Distribution total Credit => auch für Kosten und Emissionen anwendbar Folie 25 Quelle: WI, FZJ, 2006

26 Ökologisch- Ökonomische Bewertung: Methodik fossiler Kraftstoff RME Ethanol-W Ethanol-ZR Biogas BTL / GJ Kraftsto Abgleich der biogenen Pfade mit den fossilen Referenztechnologien: Strom aus dem deutschen Kraftwerkspark Wärmebereitstellung mit Gas- bzw Öl- Brennwerttechnik Fossile Kraftstoffe: Benzin und Diesel Bilanzierung der kumulierten Aufwendungen über die Bereitstellungspfade: Energie THG Emissionen Kosten Im Ergebnis werden die Mehrkosten und THG Minderungen der biogenen Nutzungspfade gegenüber den fossilen Substitutionstechnologien aufgezeigt. Folie 26 Quelle: WI, FZJ, 2006

27 Ökologisch- Ökonomische Bewertung Wie können die begrenzten Ressourcen am sinnvollsten eingesetzt werden? 1000 Mögl. hohe THG Minderung spezifische THG Minderung [g CO2 äqu./ kwh EE] Wärme SNG zentral RME SNG dezentral Holz (Stroh) HKW Kraftstoffe BG BTL Holz, zentral BTL Holz, dezentral Ethanol Differenzkosten [ct/kwh] Mögl. geringe Mehrkosten Biogas BHKW Folie 27 Quelle: WI, FZJ, 2006

28 Ökologisch- Ökonomische Bewertung Wie können die begrenzten Ressourcen am sinnvollsten eingesetzt werden? spezifische THG Minderung [g CO2 äqu./ kwh EE] Wärme Holz: Strom und Wärme gasförmige BKS flüssige BKS Differenzkosten [ct/kwh] Biogas: Strom und Wärme Sowohl ökologisch als auch ökonomisch ist die KWK- Verstromung von Holz bei Nutzung der Abwärme die beste Option. Die Nutzung von Biogas ist aufgrund der relativ hohen Substratkosten und der Umwandlung im BHKW deutlich teurer. Wärme- und Kraftstoffoptionen erzielen ähnliche THG Minderungen, die Mehrkosten für die Kraftstoffpfade sind aber höher. Die gasförmigen Biokraftstoffe sind ökonomisch günstiger als die flüssigen; die Infrastruktur ist aber noch nicht vorhanden. Die KWK-Verstromung von Holz bei Nutzung der Abwärme ist die beste Option. Diesem Nutzungspfad sind aber strukturelle Grenzen (Vorhandensein geeigneter Wärmenetze) gesetzt. Folie 28 Quelle: WI, FZJ, 2006

29 Potenzialbegrenzung: Sind Importe eine Lösung? Import von Biokraftstoff oder Rohstoffen Z.B. Ethanol aus Brasilien, Palmöl aus Malaysia, Indonesien Holz aus Estland Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor TIFF (LZW) benötigt. Auswirkungen auf das Öko-System: Abholzung von Regenwald, direkt oder spätestens über Sekundärflächen Soziale Aspekte: Ausbeutung, Vertreibung indigener Völker Verdrängung von Nahrungsmittel-Anbau und Wasser Vermeidung ökologisch/sozial unverträgliche Importstrukturen für Biokraftstoffe Kritierien/Standards erforderlich! Folie 29

30 Beimischung zum fossilen Kraftstoff: das Biokraftstoffquotengesetz Seit dem gilt die Beimischungspflicht für Biokraftstoffe zum konventionellen Kraftstoff für die Mineralölwirtschaft. Gleichzeit wird die Steuerbegünstigung für Biokraftstoffe abgeschafft. Es sind getrennte Quoten für Benzin und Diesel vorgesehen: Beimischung zum Diesel: 4,4 % ab 2007 (bereits ##% in 2006 erreicht) Benzin: 2 % in 2007, 3% bis 2010 Gesamtquote: mindestens 5,7 % in 2009 (6% in 2010) Biodiesel als Reinkraftstoff wird bereits seit August 2006 besteuert, PPO als Reinkraftstoff wird ab 2008 voll besteuert. Beide bleiben im Landwirtschaftsektor unbesteuert, der Landwirt muss sich allerdings die Steuer rückerstatten lassen. Biokraftstoffe der zweiten Generation (BTL, Ethanol aus Lignozellulose) bleiben vorerst bis 2015 unbesteuert, Biogas wird in Anlehnung an CNG (#bis 2009?) ebenfalls nicht besteuert. Folie 30

31 Beimischung zum fossilen Kraftstoff: das Biokraftstoffquotengesetz 50 ct/l PPO RME Folie 31

32 Fazit: der Verkehrssektor im Gesamtsystem Der Verkehrssektor kann nicht losgelöst vom gesamten Energiesystem betrachtet werden, im Gegenteil ist ein ganzheitlicher Lösungsansatz erforderlich. Für eine effektive Minderungsstrategie muss aber auch der Verkehr seinen entsprechenden Beitrag leisten. Wesentliche Ansätze im Verkehrssektor sind Vermeidung und Verlagerung von Verkehr durch nachhaltige Mobilitätsstrukturen Optimierung durch Effizienzsteigerung und technische Maßnahmen zur CO 2 Reduktion Alternative Kraftstoffe Unter den alternativen Kraftstoffen kann Erdgas im direkten Einsatz (CNG) durch Absenkung der lokalen Emissionen und damit verbundenen (begrenzten) Klimaschutzbeitrag insbesondere im Übergangszeitraum eine Rolle spielen. Die Nutzung von CNG trägt zur Diversifizierung des Kraftstoffmix bei und öffnet den Markt für andere gasförmige Kraftstoffe wie Biogas (langfristig auch Wasserstoff). Folie 32

33 Fazit: Lösungsansatz Biokraftstoffe Biomasse ist ein nachwachsender Rohstoff, trotzdem ist das jährliche Potenzial begrenzt. Die verfügbare Biomasse sollte daher möglichst effektiv eingesetzt werden. Die Bewertung der Nutzungspfade erfolgt auf mehreren Ebenen. Eine Biokraftstoffstrategie muss in übergeordnete Strategien zur Nutzung der Bioenergien und - ressourcen eingebunden werden (inkl. der stofflichen Nutzung) Biokraftstoffe sind nicht die vorteilhafteste Option: Weder ökologisch noch ökonomisch Auch nicht bei Energieausbeute (Energieerträge pro Hektar Anbaufläche Flächenbegrenzung als limitierender Faktor). Aber Diversifizierung der Rohstoffbasis, Versorgungssicherheit Flächennutzung für Energiepflanzenanbau muss ökologisch nachhaltig ausgebaut werden (Naturschutzanforderungen, Öko-Landbau etc.) erst mittel-/langfristig steigende Flächenverfügbarkeit Vermeidung von Umweltbelastungen durch intensiven Energiepflanzenanbau ( Gesamt- Ökobilanz, Boden-/Gewässerschutz, Artenschutz, Nährstoffkreisläufe, etc.) Folie 33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Karin Arnold Forschungsgruppe I Zukünftige Energie- und Mobilitätsstrukturen Tel (-198 Fax) karin.arnold@wupperinst.org