Biotreibstoffe im Überblick - Technologische und umweltbezogene Herausforderungen für Biotreibstoffe

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1 Biotreibstoffe im Überblick - Technologische und umweltbezogene Herausforderungen für Biotreibstoffe Dipl.-Ing. Dr. Gerfried Jungmeier, Joanneum Research Essen oder Fahren? - Biofuels und Technologieentwicklung" 27. Juni 2007, 15:00-19:30; Wartingersaal des Steiermärkischen Landesarchivs, Karmeliterplatz 3, 8010 Graz;

2 Einfluss des Menschen auf die Atmosphäre Source: IPCC 2007

3 Beobachtete Klimaveränderungen in den letzten 150 Jahren Source: IPCC 2007

4 Treibhausgas-Emissionen Verkehrssektor in Österreich - 24 Mio. t/a aus dem Verkehr - 31% Anteil an den österreichischen Gesamtemissionen - 87% Zunahme zwischen 1990/2004 Autofahren ist der Klimakiller Nr. 1!, Zitat BM Pröll, 19. Juni 2007, St. Pölten Quelle: Emissionstrends , Ein Überblick über die österreichischen Verursacher von Luftschadstoffen mit Datenstand 2006, Umweltbundesamt GmbH, Wien 2006

5 Inhalt Wie kann es weitergehen? Was sind Biotreibstoffe der Zukunft? Technologien Chancen für Biotreib- Stoffe der Zukunft? Umwelt Warum Biotreibstoffe der Zukunft?

6 Energie-Versorgungssicherheit Jänner 2006 WEC: S64/Figure 15 Dezember 2006 Source: WEC 2000

7 Globale Herausforderungen

8 Begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energieträger statische Reichweiten Jahr Erdöl konventionell konventionell + nicht konv. Erdgas konventionell konventionell + nicht konv Reserven Ressourcen Hartkohle Weichbraunkohle Uran >500 >1000 Zeit [a] Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften, Reserven, Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen, 2002

9 Immission: Feinstaub Source: Umweltbundesamt 2005

10 Die Herausforderungen Erhöhung der Energieversorgungs-Sicherheit z.b. Nutzung heimischer Energieträger Reduktion der lokalen Schadstoffe z.b. Feinstaub, Stickoxide Reduktion der Treibhausgas-Emissionen, z.b. Kyoto-Ziel: minus 13% im Jahr 2010 bzgl (Weitere) Erhöhung der Nutzung erneuerbarer Energie z.b. Biotreibstoffe, Wasserkraft Erhöhung der Energieeffizienz bei Energieumwandlung, z.b. Hybrid-Fahrzeuge Energie-Sparen Reduktion des Nutzenergieeinsatzes bei gleicher Energiedienstleistung, z.b. öffentl. Verkehr statt MIV

12 Die Treibstoffe der Zukunft Biotreibstoffe Pflanzenöl Biodiesel Bioethanol Biogas Synthetische (Bio)Treibstoffe Wasserstoff Erdgas Elektrische Energie

13 Rohstoffe für Treibstoffe der Zukunft B i o m a s s e Landwirtschaft Organische Reststoffe Forstwirtschaft Pflanzenöl Biodiesel Bioethanol Biogas Synthetische (Bio)Treibstoffe Erdgas Wasserstoff Wasserkraft, Wind, Photovoltaik Erdgas Elektrische Energie

14 Fahrzeuge für Treibstoffe der Zukunft Pflanzenöl Biodiesel Synthetische Biotreibstoffe Bioethanol Pflanzenöl-Fahrzeug Diesel-Fahrzeug Benzin-Fahrzeug Mehrheitdes heutigen&zukünftigen Fahrzeugbestandes Biogas Erdgas Wasserstoff Erdgas-Fahrzeug Wasserstoff-Fahrzeug Elektrische Energie Elektro-Fahrzeug

15 Stand der Technik Labor Technologie-Entwicklung und Markteinführung Process developing unit PDU Pilotanlage Demoanlage Kommerzielle Anlage

16 Stand der Technik Fermentativer Biowasserstoff Biomethanol MTG-Benzin Bio-DME HTU-Biotreibstoff Biobutanol (ligno)zelluloses Bioethanol Biogas Synthetisches Erdgas Direktverflüssigung mit Katalysator Fischer-Tropsch (FT)-Treibstoff hydro-treated Biodiesel Pflanzenöl Biodiesel Bioethanol Labor Technologie-Entwicklung und Markteinführung Process developing unit PDU Pilotanlage Demoanlage Kommerzielle Anlage

18 Lebenszyklusanalyse (LCA) Lebenszyklusanalyse ist eine Methode zur Abschätzung der Stoff- und Energieflüsse eines Produktes (z.b. Transportdienstleistung), zur Berechnung der Umweltauswirkungen im Verlauf des Lebensweges eines Produktes Rohstoff d.h. von der Wiege bis zur Bahre Ziel Treibhausgas- Emissionen [g/pkw-km] d.h. Kohlendioxid (CO 2 ), Methan (CH 4 ), Lachgas (N 2 O) *) Produktion Anwendung Entsorgung *) 1 kg CO 2 = 1 kg CO 2 -Äq; 1 kg CH 4 = 23 kg CO 2 -Äq; 1 kg N 2 O = 296 kg CO 2 -Äq)

19 Umweltbewertung Bioenergie-System Schwach steigender atmosphärischer Kohlenstoffgehalt Kohlenstoff- Fixierung Nebenprodukte Kohlenstoff- Oxidation Fossiles Energiesystem Stark steigender atmosphärischer Kohlenstoffgehalt Lebenszyklusanalyse nach ISO Ökobilanz Standard Methodology von IEA Task 38 Greenhouse Gas Balances of Bioenergy systems Empfehlungen von COST Action E31 Life Cycle Assessment of Forestry and Forest Products Erneuerbare Biomasse- Kohlenstoff- Lagerstätte Emissionen fossile Hilfsenergie Anbau Aufbereitung Biomasse Treibstoff Biomasse Ernte Ernte Transport Transport Umwandlung in Fahrzeugen fossile Hilfsenergie fossile Energieträger Gewinnung Transport Aufbereitung Lagerung Fossiler Treibstoff Umwandlung in Fahrzeugen Abnehmende fossile Kohlenstoff- Lagerstätte Emissionen fossile Hilfsenergie Nebenprodukte Einheitliche internationalanerkannte Methode verfügbar Kohlenstoff-Fluß Transportdienstleistungen von Personen und Gütern Energie-Fluß ief00005

20 Referenznutzungen Fläche bzw. Biomasse Was geschieht auf der landwirtschaftlichen Fläche, wenn keine Rohstoffe für Biotreibstoffe angebaut werden? Brache Weideland Futter- bzw. Nahrungsmittelproduktion Aufforstung Was geschieht mit der Biomasse, wenn sie nicht für Biotreibstoffe verwendet wird? Stehenlassen Natürlicher Abbau Kompostierung Deponierung Stoffliche Nutzung

21 Lebenszyklusanalyse PKW-Bioethanol Hilfsenergie und -stoffe Anbau und Ernte Rohstoffe Hilfsenergie und -stoffe Transport Rohstoffe Hilfsenergie und -stoffe Erzeugung Bioethanol Bioethanol *) Hilfsenergie und -stoffe Verteilung Bioethanol Hilfsenergie und -stoffe Erzeugung DDGS DDGS *) Hilfsenergie und -stoffe PKW-Bioethanol Hilfsenergie und -stoffe Verteilung DDGS Transportdienstleistung Futtermittel *)"Distiller's Dried Grains with Solubles ; Massenverhältnis: Bioethanol:DDGS = 1:1

22 Vergleich Lebenszyklusanalyse PKW-Bioethanol und PKW-Benzin Bioethanol Referenzsystem Benzin Anbau und Ernte Rohstoff Fläche Förderung Rohöl Brache Transport Rohstoff Bioethanol-Anlage Bioethanol DDGS Futtermittel Transport Rohöl Raffinerie Verteilung Bioethanol PKW-Bioethanol Import Futtermittel Verteilung Benzin Benzin PKW-Benzin Transportdienstleistung

23 Vergleich Lebenszyklusanalyse PKW-Bioethanol und PKW-Benzin Bioethanol Referenzsystem Benzin Anbau und Ernte Rohstoff Transport Rohstoff Bioethanol-Anlage Bioethanol Verteilung Bioethanol PKW-Bioethanol Anbau/Ernte Nahrungsmittel DDGS Fläche Nahrungsmittel Futtermittel Anbau/Ernte Nahrungsmittel Import Futtermittel Förderung Rohöl Transport Rohöl Raffinerie Verteilung Benzin Benzin PKW-Benzin Transportdienstleistung

24 Bioethanol Treibhausgas-Emissionen Bioethanol Zuckerrüben (Öl für Prozessenergie) % Bioethanol Zuckerrüben (Erdgas für Prozessenergie) % Bioethanol Zuckerrüben (Stroh für Prozessenergie) % Bioethanol Mais (Öl für Prozessenergie) % Bioethanol Mais (Erdgas für Prozessenergie) Bioethanol Mais (Stroh für Prozessenergie) % - 55% CO2 CH4 N2O Benzin 263 Joanneum Research/TU-Graz, 2003, Treibhausgas-Emissionen [g CO 2 -Äq/PKW-km]

25 Treibhausgas (CO 2 -Äq.)-Emissionen der Einzelprozesse (Erdgas Prozessenergie) Bioethanol PKW 12% Verteilung Bioethanol (inkl. Tankstelle) 2% Anbau und Ernte Rohstoff 42% Bioethanolanlage 43% Joanneum Research/TU-Graz, 2003, 2006 Transport Rohstoff 1%

26 Sektorale Treibhausgas-Emissionen von PKW mit Bioethanol Zum Vergleich: Bei Benzin-PKW fallen etwa 80% im Verkehrssektor an Verkehrs-Sektor 5% Landwirtschafts- Sektor 28% Ein Teil der Emissionen fällt im Ausland an Industrie-Sektor 67% Fazit Bioethanol verschiebt Treibhausgas-Emissionen vom Verkehrs- in den Industrie-Sektor

27 Vergleich: Biodiesel mit mineralischem Diesel Biodiesel Anbau und Ernte Transport Presskuchen Pressen Verestern Pflanzenöl *) Verteilung Glycerin Fahrzeug *) 1kg Öl mit 2kg Presskuchen Transport-Dienstleistung

28 Vergleich: Biodiesel mit mineralischem Diesel Biodiesel Anbau und Ernte Referenzsystem Diesel Rohölförderung Transport Presskuchen Pressen Pflanzenöl *) Transport Raffination Verestern Verteilung Glycerin Verteilung Fahrzeug Fahrzeug *) 1kg Öl mit 2kg Presskuchen Transport-Dienstleistung

29 Vergleich: Biodiesel mit mineralischem Diesel Biodiesel Anbau und Ernte Fläche Referenzsystem Diesel Brache Rohölförderung Transport Presskuchen Pressen Pflanzenöl *) Transport Raffination Verestern Verteilung Glycerin Verteilung Fahrzeug Fahrzeug *) 1kg Öl mit 2kg Presskuchen Transport-Dienstleistung

30 Vergleich: Biodiesel mit mineralischem Diesel Biodiesel Anbau und Ernte Fläche Referenzsystem Diesel Brache Rohölförderung Transport Transport Pressen Presskuchen Tierfutter Soja-Produktion Raffination Pflanzenöl *) Verestern Verteilung Glycerin Verteilung Fahrzeug Fahrzeug *) 1kg Öl mit 2kg Presskuchen Transport-Dienstleistung

31 Vergleich: Biodiesel mit mineralischem Diesel Biodiesel Anbau und Ernte Fläche Referenzsystem Diesel Brache Rohölförderung Transport Presskuchen Pressen Verestern Pflanzenöl *) Tierfutter Transport Soja-Produktion Raffination syn. Glycerin-Produktion Verteilung Glycerin Chem. Rohstoff Verteilung Fahrzeug Fahrzeug *) 1kg Öl mit 2kg Presskuchen Transport-Dienstleistung

32 Vergleich Bioethanol, Biodiesel mit Benzin und Diesel Biodiesel Sonnenblumen Biodiesel Raps CO2 CH4 N2O Biodiesel Diesel 203 Benzin 263 Bioethanol Mais (Erdgas für Prozessenergie) Bioethanol Zuckerrüben (Erdgas für Prozessenergie) Bioethanol Joanneum Research/TU-Graz Treibhausgas-Emissionen [g CO 2 -Äq/PKW-km] 2003, 2006

33 Vergleich Bioethanol, Biodiesel mit Benzin und Diesel Biodiesel Sonnenblumen Biodiesel Raps 65-68% % CO2 CH4 N2O Biodiesel Diesel 203 Benzin 263 Bioethanol Mais (Erdgas für Prozessenergie) Bioethanol Zuckerrüben (Erdgas für Prozessenergie) Bioethanol Joanneum Research/TU-Graz Treibhausgas-Emissionen [g CO 2 -Äq/PKW-km] 2003, 2006

34 Umweltbewertung: Autofahren mit Technologie von morgen Biogas elektrische Energie synthetischer Biotreibstoff Öko-Wasserstoff 35 Bioethanol 49 Biodiesel 60 Diesel 154 Erdgas Benzin Treibhausgas-Emissionen [g CO 2 -Äquivalent/PKW-km]

35 Bewertungsaspekte für Treibstoffe der Zukunft Herstellung Rohstoffe bzw. Energieträger Lokale Emissionen Treibstoff der Zukunft Nutzung in Fahrzeugen Flächenbedarf Treibhausgas- Emissionen/Einsparpotentiale

36 Treibstoff Treibstoffe der Zukunft im Vergleich zu Diesel und Benzin Nutzung bestehender Infrastruktur Fahrzeuge Lokale Emissionen Pflanzenöl - o o Biodiesel o o o + + o Bioethanol o o o Biogas - o o Kilometerkosten Treibstofferzeugung Treibhausgasemissionen Synthetische Biotreibstoffe HTU-Biotreibstoff o - o o -- o Wasserstoff Elektrische Energie Entwicklungsstand Umwelt - o Erdgas - o o o + o Vergleich zu Diesel und Benzin: ++ viel besser, + besser, o gleich, - schlechter, -- viel schlechter

37 Einschub: Beispiele zu Biotreibstoff-Aktivitäten in der Steiermark

38 Biodiesel Busse in Graz / Steiermark Grazer Stadtwerke AG Verkehrsbetriebe

39 Biogas - und Entsorgungszentrum Leoben / Steiermark Kommunale und gewerbliche Abfallstoffe Stoffliche Verwertung Blumendünger Landschaftsbau Strom Biogas als Erdgassubstitut Biogas als Kraftstoff Biogas- Direktversorgung

40 Machbarkeitstudie Holz-Biotreibstoff- Zentrum in der Steiermark Holz Biotreibstoff Strom Wärme Graz Polygeneration + FT-Diesel Demonstrationsanlage + Holz-Bioethanol Design Demonstrationsanlage

42 Zielwerte für Substitution von Diesel und Benzin Treibstoffe der Zukunft Biotreibstoffe 2,5 1) [2% 2) ] 4,3% 1) 5,75% 1) 5,75% 2) [10% 6) ] 7% 3) 8% 3) [10% 5) ] [20% 6) ] 25% 4) Erdgas % 3) 5% 3) 10% 3) >> 10% Wasserstoff % 3) 5% 3) >> 5% Summe 2% 4,3% 5,75% 7,75% 14% 23% [25%] >> 40% 1) Österreichische Biokraftstoff-Verordnung, 4. November ) EU Biotreibstoff-Richtlinie, 2003/30/EG 3) EU Grünbuch Energieversorgungssicherheit, KOM(2000)769 4) Biofuels in the European Union A Vision for 2030 and beyond 5) EU ) Öster. Regierungsprogramm

43 Die zukünftigen Herausforderungen Erhöhung der Energieversorgungs-Sicherheit z.b. Nutzung heimischer Energieträger Reduktion der lokalen Schadstoffe z.b. Feinstaub, Stickoxide Reduktion der Treibhausgas-Emissionen, z.b. Kyoto-Ziel: minus 13% im Jahr 2010 bzgl (Weitere) Erhöhung der Nutzung erneuerbarer Energie z.b. Biotreibstoffe, Wasserkraft Erhöhung der Energieeffizienz bei Energieumwandlung, z.b. Hybrid-Fahrzeuge Energie-Sparen Reduktion des Nutzenergieeinsatzes bei gleicher Energiedienstleistung, z.b. öffentl. Verkehr statt MIV

44 Steigerung der Energieeffizienz bei gleichem Energiedienstleistungs-Bedarf Nutzenergie-Bedarf [PJ/a] Energiesystem Österreich 2004 Licht, EDV Fahrzeuge Raumwärme Prozeßwärme mechansiche Energie 386 Nachhaltiges Energiesystem Österreich 2050

45 Steigerung der Energieeffizienz bei gleichem Energiedienstleistungs-Bedarf Nutzenergie-Bedarf [PJ/a] Energiesystem Österreich 2004 Licht, EDV Fahrzeuge Raumwärme 42% Prozeßwärme mechansiche Energie 386 Reduktion Nachhaltiges Energiesystem Österreich 2050

46 Primärenergie-Bedarf [PJ/a] Reduktion fossile Energie und Erhöhung Erneuerbare Energie sonstige Windkraft Wasserkraft Photovoltaik Solarwärme Biomasse Kohle Erdgas Erdöl 0 Energiesystem Österreich 2004 Nachhaltiges Energiesystem Österreich 2050

47 Primärenergie-Bedarf [PJ/a] Reduktion fossile Energie und Erhöhung Erneuerbare Energie 1395 Reduktion 60% 566 sonstige Windkraft Wasserkraft Photovoltaik Solarwärme Biomasse Kohle Erdgas Erdöl 0 Energiesystem Österreich 2004 Nachhaltiges Energiesystem Österreich 2050

48 Endenergieträger Nachhaltiges Österreichisches Energiesystem 2050 Endenergiebedarf 505 PJ/a (derzeit 1,080 PJ/a) Öko-Wasserstoff 13% 65 PJ/a aus Wasser- u. Windkraft Öko-Wärme 19% feste Biobrennstoffe 21% flüssige Biobrennstoffe 11% Biomasse 35% Öko-Strom 33% gasförmige Biobrennstoffe 3%

49 Endenergieträger Verkehr Nachhaltiges Österreichisches Energiesystem 2050 Nachhaltiger Verkehrsssektor Österreich 117 PJ/a (derzeit 320 PJ/a) Öko-Strom 16% Öko-Wasserstoff 54% flüssige Biobrennstoffe 23% gasförmige Biobrennstoffe 7% Biotreibstoffe 30%

50 Nachhaltig unterwegs in die Zukunft Biodiesel Bus 14 Transport-System Diesel Bus Biodiesel PKW Diesel PKW Treibhausgas-Emissionen pro Personen-Kilometer [g CO 2 -Äquivalent/P-km]

54 Blick in die Zukunft Es liegt an uns, wie es weiter geht! Source: IPCC 2007