Lebenszyklusanalyse und Humusbilanzierung als Methoden zur Beurteilung der ökologischen Verträglichkeit von Bioethanol der 2.

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1 Lebenszyklusanalyse und Humusbilanzierung als Methoden zur Beurteilung der ökologischen Verträglichkeit von Bioethanol der 2. Generation Karin Fazeni Johannes Lindorfer Horst Steinmüller Präsentation am 13. Februar Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz

2 ÜBERBLICK Zentrale Fragestellung Life Cycle Assessment Methode Systemgrenzen Das Tool BIOGRACE zur THG-Bilanzierung Angewandte Allokationsmethoden im Rahmen der Sachbilanzierung Ergebnisse der Lebenszyklusanalyse Grundlagen der Humusbilanzierung Ablauf und Ergebnisse der Humusbilanzierung 2 8. Internationale Energiewirtschaftstagung

3 ZENTRALE FRAGESTELLUNG THG-Bilanz Bioethanolproduktion der 2. Generation aus Stroh mittels Lebenszyklusanalyse (LCA) Vergleich mit fossilem Benzin Anwendung des BIOGRACE Tools Sensitivitätsanalyse der Allokationsmöglichkeiten Untersuchung der agrarökologischen Verträglichkeit der Rohstoffnutzung (Strohabfuhr vom Feld) Prüfung der ökologischen Verträglichkeit der Rohstoffnutzung zusätzlich zur produktbezogenen LCA Anwendung Humusbilanzierung Abschätzung der energetisch verwertbaren Strohmenge für die OÖ Bezirke als Fallbeispiel 3 8. Internationale Energiewirtschaftstagung

4 LIFE CYCLE ASSESSMENT (LCA) METHODE Abbildung 1: LCA-Methode Zieldefinition Methodischer Rahmen gemäß ISO 14040/14044 Zieldefinition: Untersuchungsrahmen Prozesseinheiten Systemgrenzen Betrachtete Flüsse Sachbilanz Interpretation Sachbilanzierung: Datenerhebung Datenvalidierung Zuordnung zu Prozessen Allokation Wirkungsabschätzung Quelle: eigene Darstellung nach ISO ff Impact assessment: Wirkungskategorien Charakterisierungsmodell Interpretation: Evaluierung der Ergebnisse Analyse der Ergebnisse 4

5 SYSTEMGRENZEN Abbildung 2: Systemgrenzen der Untersuchung Quelle: eigene Darstellung o Bioethanol aus Weizen (1. Generation, Erdgas als Prozessenergie) o Bioethanol aus Weizen (1. Generation, Stroh als Prozessenergie) o Vergleichsbasis: fossiles Benzin nach DIN EN Internationale Energiewirtschaftstagung

6 LIFE CYCLE ASSESSMENT TOOLS & METHODEN BIOGRACE o standardisierte Berechnung der THG-Emissionen von Biokraftstoffen für Europa o Annex V der Erneuerbaren Energie Richtlinie (2009/28/EG) definiert Standardwerte für die Berechnung von THG-Emissionen für 22 Produktionsoptionen von Biokraftstoffen o Inkludiert Rohstoffanbau, Produktion & Distribution 6 Source:

7 ALLOKATIONSMETHODEN Die gewählte Allokationsmethode ist ausschlaggebend für das Sachbilanzergebnis Für die vorliegende Untersuchung wurden 4 Allokationsmethoden untersucht: Keine Allokation: Inputs und Outputs werden zu 100 % dem Weizenkorn zugerechnet. Allokation nach Masse: Basis ist ein Weizenkornertrag von 6,4 t/ha und ein Strohertrag von 5,1 t/ha. Folglich werden 44 % der Inputs und Outputs dem Weizenstroh zugerechnet. Allokation nach Marktwert: Ausgangsbasis ist ein Weizenpreis von 199 /t und ein Strohpreis in Höhe von 70 /t. 26 % der Inputs und Outputs werden dem Weizenstroh zugeordnet. Allokation nach Heizwert: Basis ist ein Heizwert von 17 MJ/kg Weizen und 17,2 MJ/kg Stroh. Rund 50 % der Inputs und Outputs werden dem Stroh zugeordnet. 7

8 ERGEBNISSE DER LEBENSZYKLUSANALYSE 60 CO2-Äquivalente in g/mjethanol ,9 20,7 13,6 27,1 34,1 51,3 44,2 50,3 Abbildung 3: THG-Emissionen der Bioethanolproduktion aus Stroh % auf Korn alloziert nach Masse alloziert nach Marktwert alloziert Nach Heizwert allokiert 100 % auf Korn alloziert nach Masse alloziert nach Marktwert alloziert Nach Heizwert alloziert Stroh-KWK Erdgas-KWK Quelle: eigene Darstellung Tabelle 1: THG- Emissionen der Bioethanolproduktion aus Stroh und Einsparung gegenüber fossilem Benzin Stroh-KWK Allokation Energiebereitstellung Treibhausgasemissionsreduktion gegenüber dem Referenzsystem fossilem Benzin [%] Treibhausgasemissionen CO2-Äquivalente [g/mjethanol] 100 % auf Korn alloziert 95% 3,9 nach Masse alloziert 75% 20,7 nach Marktwert alloziert 84% 13,6 nach Heizwert alloziert 68% 27,1 Erdgas-KWK 100 % auf Korn alloziert 59% 34,1 nach Masse alloziert 39% 51,3 nach Marktwert alloziert 47% 44,2 8 nach Heizwert alloziert 40% 50,3

9 GRUNDLAGEN DER HUMUSBILANZIERUNG Ermittlung der energetisch nutzbaren Strohmenge unter agrarökologischen Gesichtspunkten Stroh ist wichtiges organisches Material für den Humusaufbau Langfristiger Erhalt der Bodenfruchtbarkeit muss gesichert werden Anwendung VDLUFA-Methode Angabe von oberen und unteren Werten sowohl für Humusbedarf und Humusreproduktion Negativer Humussaldo = Humusabbau und Gefährdung der Bodenfruchtbarkeit Positiver Humussaldo = Humusaufbau und langfristiger Erhalt der Bodenfruchtbarkeit Agrarstatistik als Basis für die Humusbilanzierung auf Bezirksebene Anbauflächen auf Bezirksebene (spezifisch nach Kulturarten) Durchschnittliche Getreideerträge 9

10 HUMUSBILANZIERUNG - VORGANGSWEISE Statistik Getreideanbaufläche [ha] Spezifische Fruchtfolge [ha je Kulturart] Humusbedarf [kg Humus-C/ha] Abbildung 4: Methode zur Getreideerträge [t/ha] Korn-Stroh-Verhältnis Strohertrag [t/ha] Abschätzung der energetisch verwertbaren Strohmenge Getreidemenge [t] Strohmenge [t] Humusreproduktion durch Stroh [t Humus-C] Positive Humusbilanz Mögliche Strohabfuhr Gesamte Humusreproduktion durch Stroh [t Humus-C] [+] Humusreproduktion durch organische Düngung -Wirtschaftsdünger Gesamter Humusbedarf für Getreidekulturen [t Humus-C] [+] [+] [=] Humusreproduktion durch Fruchtfolge -Zwischenfrüchte -Leguminosen Humusbilanz [kg Humus-C/ ha] Negative Humusbilanz Keine Strohabfuhr möglich 10 Quelle: eigene Darstellung Ermittlung der energetisch nutzbaren Strohmenge auf Basis einer Humusbilanz

11 ERGEBNISSE Abbildung 5: Energetisch verwertbare Strohmenge und Zusammenhang mit der Agrarstruktur Insgesamt stehen gemäß der Abschätzung rund t Stroh für die energetische Nutzung in OÖ zur Verfügung. Rund 37 % des gesamten Strohanfalls in OÖ Quelle: eigene Berechnungen und eigene Darstellung Tabelle 2: Energetisch verwertbare Strohmenge auf Bezirksebene energetisch verwertbares Stroh [t/a] Anteil energetisch verwertbares Stroh am gesamten Strohaufkomm en [%] Braunau % Eferding % Freistadt % Gmunden % Grieskirchen % Kirchdorf % Linz-Land % Linz Stadt % Perg % Ried % Rohrbach % Schärding % Steyr Land % Steyr Stadt 508 0% Urfahr- Umgebung % Vöcklabruck % Wels Land % Wels Stadt % 11

12 LIMITIERUNGEN DER STUDIE o Genaueste Ermittlung einer Humusbilanz nur auf Basis einzelner Agrarbetriebe möglich. o Bodenart, Klima und Bewirtschaftungstechnik konnten nicht berücksichtigt werden, da auf Bezirksebene zu ungenau. o Tatsächliche Wirtschaftsdüngerausbringung sowie Ausbringung anderer organischer Materialien anhand von Literatur abgeschätzt. o Einstreumengen nicht nach Haltungssystemen differenziert ermittelt. o Humusbilanz ist Momentaufnahme ohne dynamische Vorgänge beim Humusaufbau. o Aufgrund der Unsicherheiten Verzicht auf Darstellung der Auswirkungen auf die C-Bindung im Boden. 12

13 SCHLUSSFOLGERUNGEN I Ergebnisse für die oberösterreichischen Bezirke decken sich gut mit jenen der europäischen Literatur. Quelle Leible et al.2003 Kaltschmitt et al.2003 BMU 2004 Simon 2006 BE 2007 Warsitza 2008 IE 2008 IFEU Energetisch nutzbarer Anteil 37-52% 20% 20-33% bis 35% 25% 37-60% 10-30% 33% Quelle: Institut für Energie- und Umweltforschung (IFEU) Heidelberg GmbH (2008) Nachhaltig nutzbares Getreidestroh in Deutschland, Positionspapier. Rohstoffverfügbarkeit für Biokraftstoffe der 2. Generation bisher kaum evaluiert und diskutiert. Starker Einflussfaktor auf Economy of Scale (Einzugsgebiet & Logistik eines Rohstoffs mit relativ geringer Energiedichte) Azyklische Strohabfuhr könnte Ansprüchen an eine ökologische Rohstoffverfügbarkeit genügen. Humifizierung muss in niederschlagsarmen Gebieten sichergestellt werden. 13

14 SCHLUSSFOLGERUNGEN II THG-Emissionen der Biokraftstoffproduktion stark von der gewählten Allokationsmethode abhängig. Stroh ist als Rohstoff zur energetischen Nutzung nicht unbegrenzt verfügbar. Konkurrenzsituationen können sich vor allem in anderen Bereichen der Landwirtschaft ergeben (Tierhaltung). Stroh ist ein wichtiges organisches Substrat zur Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit durch Einarbeitung am Feld. Die LCA berücksichtigt die Restriktion der Rohstoffverfügbarkeit in Hinblick auf den Erhalt der Bodenfruchtbarkeit nicht. Für die Abschätzung der Strohverfügbarkeit sowie zur Standortauswahl sollte eine Humusbilanz eingesetzt werden. Forschungsbedarf besteht vor allem bei der Erfassung und Integration der Faktoren Bodenbeschaffenheit, Klima sowie C- Speicherung im Boden bei gebietsbezogenen Humusbilanzen. 14

15 LITERATUR 1. ISO Lindorfer, J., Steinmüller, H., Fazeni, K., Beehong, C. C. (2012) Abschlussbericht zu F&E Auftrag im Rahmen des BMBF-Verbundprojekts Bioenergie 2021-Biofuels 2021-Innovative Biokraftstoffe aus der Bioraffinerie der Zukunft, TP BIOGRACE. Vereinheitlichte Berechnungen der Treibhausgasemissionen von Biotreibstoffen in Europa. 4. Richtlinie 2009/28/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23.April 2009 zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen und zur Änderung und der anschließenden Aufhebung der Richtlinien 2001/77/EG und 2003/30/EG. 5. VDLUFA (2004) Humusbilanzierung. Methode zur Beurteilung und Messung der Humusversorgung von Ackerland. 6. Fritsche, U. et al (2004): Stoffstromanalyse zur nachhaltigen energetischen Nutzung von Biomasse. Verbundprojekt gefördert vom BMU im Rahmen des ZIP. Projektträger FZ Jülich. 7. Galler, J. (2009): Wirtschaftsdünger. Anfall, Lagerung, Verwertung, Umwelt. Landwirtschaftskammer Salzburg, 1. Auflage. 8. Amon, B. et al (2007): Tierhaltung und Wirtschaftsdüngermanagement in Österreich. Univerität für Bodenkutur Wien. 9. Dissemond, H. und Zaussinger, A. (o.j.): Stroh-ein nachwachsender Rohstoff für die energetische Nutzung. Universität für Bodenkultur Wien. 10. Krumphuber, Ch. (o.j.): Humusgehalte und Humusaufbau. Kohlenstoffbindung durch die Landwirtschaft. Landwirtschaftskammer Oberösterreich. 11. Siehe: C-Sequestrierung in landwirtschaftlich genutzten Böden. Humuswirtschaft & Kompost aktuell 1/ Leithold, G. (o.j.): Humusversorgung im ökologischen Landbau: Analyse und Bewertung des Humushaushaltes mit Hilfe von Humusbilanzen. 13. Hüttel, R. et al (2008): Humusversorgung von Böden in Deutschland. Forschungsprojekt im Auftrag des Umweltbundesamtes. Förderkennzeichen

16 Danke für die Aufmerksamkeit! Kontakt Karin Fazeni Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Altenberger Strasse Linz Tel: Fax: fazeni@energieinstitut-linz.at 16