Biokraftstoffe der ersten und zweiten Generation

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1 Tobias Bühler Biokraftstoffe der ersten und zweiten Generation Eine umwelt- und innovationsökonomische Potentialanalyse Reihe Nachhaltigkeit Band 28 Diplomica Verlag

2 Bühler, Tobias: Biokraftstoffe der ersten und zweiten Generation. Eine umweltund innovationsökonomische Potentialanalyse, Hamburg, Diplomica Verlag GmbH ISBN: Diplomica Verlag GmbH, Hamburg 2010 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbiblithek: Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Die Informationen in diesem Werk wurden mit Sorgfalt erarbeitet. Dennoch können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden und die Diplomica GmbH, die Autoren oder Übersetzer übernehmen keine juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für evtl. verbliebene fehlerhafte Angaben und deren Folgen.

3 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis... 7 Tabellenverzeichnis...8 Abkürzungsverzeichnis Einleitung Ausgangslage Zielsetzung Vorgehensweise Thematische Abgrenzung Räumliche Abgrenzung Abgrenzung hinsichtlich der Nutzung Erneuerbare Energien Nachhaltigkeit Primärenergieverbrauch in Deutschland Biokraftstoffe unter den erneuerbaren Energien Definitionen Energieträger Biomasse Kraftstoffe Biokraftstoffe Erste Generation Zweite Generation Gründe für die Bereitstellung von Biokraftstoffen Versorgungssicherheit Klimaschutz Nachhaltige Energiebereitstellung Biomassepotential Nutzungsmöglichkeiten Entwicklung der Anbauflächen Politische und rechtliche Rahmenbedingungen Europäische Gesetzgebung Nationale Gesetzgebung Energiesteuergesetz Biokraftstoffquotengesetz Zertifizierung von Biokraftstoffen... 40

4 8. Profile ausgewählter Biokraftstoffe Pflanzenöl Biodiesel Bioethanol aus Zucker und Stärke Biogas/Biomethan Ethanol aus Zellulose Synthetische Biokraftstoffe Wasserstoff aus Biomasse Umweltökonomische Potentialanalyse Relevante Vergleichs- und Bewertungskriterien Bruttokraftstoffertrag/Flächenproduktivität Nettoenergieertrag Erzeugungspotential Produktionskosten Wettbewerbsfähigkeit Treibhausgasemissionen Kosten der Treibhausgasvermeidung Gesamtwirtschaftliche Effekte der Biokraftstoffproduktion in Deutschland Einkommens- und Beschäftigungseffekte Flächenkonkurrenz Flächenbindung und Rohstoffbedarf Steuerausfall durch die Biokraftstoffverwendung Innovationsökonomische Potentialanalyse Begriffserklärung Innovation Technologiepolitik in Deutschland Stand der Technik Bioliq-Prozess des Forschungszentrums Karlsruhe SunFuel der Firma Choren Industries GmbH EcoEthanol der Iogen Corporation Wasserstoff & Brennstoffzellen Patentschutz Kritische Würdigung Fazit Literaturverzeichnis...107

5 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: CO 2 Emissionen nach Sektoren in Prozent (2005) Abbildung 2: Struktur des Primärenergieverbrauchs 2006 in Deutschland in Prozent Abbildung 3: Bedeutung der Biokraftstoffe unter den erneuerbaren Energien 2006 in Prozent Abbildung 4: Von der Biomasse zum Kraftstoff Abbildung 5: Die zehn größten Förderländer Abbildung 6: Die zehn größten Verbraucherländer Abbildung 7: Das Energiedreieck Anforderungen an eine nachhaltige Energieversorgung Abbildung 8: Möglichkeiten der Energiebereitstellung aus Biomasse Abbildung 9: Entwicklung des Anbaus von Rohstoffpflanzen Abbildung 10: Nachhaltigkeitszertifikate Abbildung 11: Pflanzenölgewinnung in Anlagen im kleinen Leistungsbereich Abbildung 12: Umesterung von Rapsöl zu Biodiesel Abbildung 13: DIN-Plakette und das Qualitätssiegel der AGQM Abbildung 14: Nutzergruppen von Biodiesel in 1000 Tonnen Abbildung 15: Herstellungsprozess von Bioethanol Abbildung 16: Herstellung von Bioethanol aus Zellulose Abbildung 17: Verfahrensschema zur Herstellung von BtL-Kraftstoffen Abbildung 18: Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse Abbildung 19: Direkte und indirekte Energieumwandlung Abbildung 20: Bruttokraftstofferträge von Biokraftstoffen in GJ/ha Abbildung 21: Kraftstoff-Erträge je Hektar Abbildung 22: Nettoenergieerträge von Biokraftstoffen in GJ/ha Abbildung 23: Prognose des Mineralölverbrauchs in Deutschland bis Abbildung 24: Rohstoffkosten für die Biodieselproduktion im Jahr Abbildung 25: Preisvergleich Biokraftstoffe Abbildung 26: Supply Chain von Biokraftstoffen Abbildung 27: Flächennutzung in Deutschland in Millionen Hektar Abbildung 28: Verwendungskonkurrenz zwischen Biokraftstoffen und Nahrungsmitteln Abbildung 29: Der Innovationsprozess erneuerbarer Energien Abbildung 30: Verbreitungsmuster ökologischer Innovationen Abbildung 31: Verfahrensschritte des bioliq-verfahrens Abbildung 32: Verfahrensschema des Carbo-V-Verfahrens Abbildung 33: Vereinfachtes Verfahrensschema des Iogen-Prozesses

6 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Leitlinien für eine nachhaltige Energieversorgung...30 Tabelle 2: Übersicht über die Herkunft von Biomasse...33 Tabelle 3: Mindestanteile von Biokraftstoffen...37 Tabelle 4: Eigenschaften von Pflanzenölen...45 Tabelle 5: Eigenschaften von Biodiesel...46 Tabelle 6: Eigenschaften von Bioethanol...50 Tabelle 7: Rohstofferträge zur Herstellung von Bioethanol...50 Tabelle 8: Eigenschaften von Biomethan...52 Tabelle 9: Erzeugung beziehungsweise Erzeugungspotentiale von Biokraftstoffen...69 Tabelle 10: Produktionskosten für Biokraftstoffe Tabelle 11: Break-Even-Point von Biokraftstoffen in US-Dollar/Barrel...75 Tabelle 12: Treibhausgasemissionen bei biogenen Kraftstoffen...78 Tabelle 13: Vermeidungskosten von Biokraftstoffen...79 Tabelle 14: Beschäftigung durch Biomasse- und Biokraftstoffbereitstellung in Deutschland Tabelle 15: Flächenbedarf zur Erreichung des EU-Ziels in Deutschland bei einer Produktion ausschließlich mit deutschen Rohstoffen

7 Abkürzungsverzeichnis C Grad Celsius AGQM Arbeitsgemeinschaft Qualitätsmanagement Biodiesel e.v. B5 Biodiesel, Ziffer gibt den Biodieselanteil an BMELV Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz BMU Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit BtL Biomass-to-Liquid BZ Brennstoffzelle bzw. beziehungsweise ca. Circa CtL Coal-to-Liquid CO 2 Kohlenstoffdioxid (chemische Formel) d. h. das heißt DIN Deutsches Institut für Normung DME Dimethylether E5, E85 Bioethanol, Ziffer gibt den Bioethanolanteil an EEG Erneuerbare-Energien-Gesetz ETBE Ethyl-Tertiär-Butyl-Ether etc. et cetera FAME Fetty Acid Methyl Ester FFVs Flexible Fuel Vehicles FNR Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe FT Fischer-Tropsch GJ Giga Joule GtL Gas-to-Liquid ha Hektar H 2 Wasserstoff (chemische Formel) H 2 O Wasser (chemische Formel) IEA Internationale Energieagentur k.a. keine Angabe kg Kilogramm km/h Kilometer pro Stunde KW Kilowatt KWK Kraft-Wärme-Kopplung l Liter m 3 Kubikmeter MTBE Methyl-Tertiär-Butyl-Ether MW Megawatt O 2 Sauerstoff (chemische Formel) O/I-Verhältnis Output/Input-Verhältnis RME Rapsmetyhlester S. Seite t Tonne THG Treibhausgase UFOP Union zur Förderung von Öl- und Proteinpflanzen vgl. vergleiche z. B. zum Beispiel 9

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9 1. Einleitung Der Energiesektor befindet sich in einer Phase des Wandels. Die bestehenden Strukturen, basierend auf einer zentralistischen Energieversorgung mit fossilen Energieträgern, werden zunehmend in Frage gestellt. Der weltweit steigende Energiebedarf, ausgelöst durch Bevölkerungswachstum, Industrialisierung und Globalisierung, kann allein durch Mineralöl und Nuklearenergie nicht mehr gedeckt werden. Lag der tägliche Ölbedarf im Jahr 2007 noch bei 83 Millionen Barrel, so werden Schätzungen der internationalen Energieagentur zufolge 2010 bereits 90 Millionen Barrel benötigt. 1 Neben der Abnahme fossiler Ressourcen rufen die bei deren Verwendung entstehenden Emissionen erhebliche Klimaprobleme hervor. Hinzu kommt, dass sich die Mineralölreserven größtenteils in politisch instabilen Ländern befinden, in denen es aufgrund von Krisen oder Bürgerkriegen immer wieder zu einem eingeschränkten Ölangebot kommt. Aus energiepolitischer Sicht ist daher ein Umdenken hin zu erneuerbaren Energien erforderlich. Gerade der Verkehrsbereich, insbesondere der motorisierte Straßenverkehr, ist nahezu vollständig abhängig von fossilen Energieträgern und trägt erheblich zu den heutigen CO 2 - Emissionen bei (vgl. Abbildung 1). 12,9 Energiewirtschaft 14,2 5,7 45,5 Verkehr Gewerbe, Handel, Dienstleistungen Haushalte 20,6 Verarbeitendes Gewerbe Abbildung 1: CO 2 -Emissionen nach Sektoren in Prozent (2005) (Eigene Darstellung nach: Bräuninger, Leschus & Vöpel 2007, S. 6) 1 Vgl. Arte TV (Hrsg.)

10 Um dem Klimawandel entgegenzuwirken und die Versorgungssicherheit zu gewährleisten, stehen seit geraumer Zeit Biokraftstoffe im Blick der Aufmerksamkeit. Stets positive Energiebilanzen und eine Bereitstellung durch die Verwertung erneuerbarer Rohstoffe sollen zur Lösung der erwähnten Probleme fossiler Energien beitragen. Die Vor- und Nachteile der verschiedenen Biokraftstoffe werden in Fachkreisen allerdings kontrovers diskutiert und in den Medien meist unzureichend wiedergegeben. Negative Schlagzeilen wie Biokraftstoffe forcieren den Hunger in der Welt, Biokraftstoffe verursachen die Rodung des Regenwaldes oder Biokraftstoffe führen zu steigenden Lebensmittelpreisen 2 versuchen, auf mögliche Probleme hinzuweisen. Deshalb ist es dienlich, die einzelnen Biokraftstoffe einer eingehenden, kritischen Betrachtung zu unterziehen, um Möglichkeiten und Grenzen für deren Einsatz zu erkennen und sie auf ihre Praxistauglichkeit hin überprüfen zu können Ausgangslage Das Angebot an biogenen Kraftstoffen nimmt in den letzten Jahren weltweit erheblich zu. Weitreichende Fördermaßnahmen tragen dazu bei, Biokraftstoffe allmählich marktrelevant und ein Substitut für fossile Kraftstoffe werden zu lassen. Folgende Zielsetzungen unterstützen eine vermehrte Produktion: Reduktion von Treibhausgasemissionen, Schonung von nichterneuerbaren Ressourcen, Verringerung der Erdölnutzung, Erhöhung der Energieversorgungssicherheit, Minderung der Rohölabhängigkeit, Diversifizierung der Energiematrix, Unterstützung des Agrarsektors und Förderung des ländlichen Raums Vgl. Widmann, Remmele & Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit 2008, S: 3 Vgl. Henke 2005, S: 4 12

11 1.2. Zielsetzung Auf Grund der dargestellten Problematik ist es das Ziel dieser Studie, die vielversprechenden Möglichkeiten einer Biokraftstoffnutzung verständlich und nachvollziehbar darzustellen. Um eine sachliche Einordnung gegenwärtiger und zukünftiger Kraftstoffoptionen realisieren zu können, werden daher mittels ausgewählter Vergleichs- und Bewertungskriterien die Potentiale der einzelnen Biokraftstoffe abgeschätzt. Die derzeit im Wirtschaftskreislauf primär genutzten konventionellen Energien werden dort, wo es sinnvoll ist, als Referenzverfahren herangezogen Vorgehensweise Zu Beginn dieser Ausarbeitung erfolgt eine thematische Abgrenzung, die verdeutlicht, wie im weiteren Verlauf das Thema behandelt wird. Anschließend wird der Oberbegriff Biokraftstoff in das Feld der erneuerbaren Energien eingeordnet und wichtige Begriffe werden zum besseren Verständnis definiert. Des Weiteren werden Gründe für die Biokraftstoffproduktion erörtert sowie die gesetzlichen Rahmenbedingungen erläutert. In Kapitel acht findet eine Charakterisierung ausgewählter Biokraftstoffe statt, um bereits erste Erkenntnisse bezüglich ihrer Eignung als Kraftstoffe zu erhalten. Im Anschluss daran werden mit Hilfe aussagekräftiger Kriterien eine Analyse des umweltökonomischen Potentials und die Effekte der Biokraftstoffproduktion auf die Volkswirtschaft dargestellt. Das nächste Kapitel umfasst den derzeitigen Technologiestand sowie die zukünftigen Möglichkeiten und Grenzen der weiteren Entwicklung. Abschließend bringt der Autor nach einer kritischen Würdigung seine persönliche Einschätzung zum Ausdruck. 13

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