Energiewende aus Sicht der Wissenschaft 100% Erneuerbare Energien notwendig und realisierbar!

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1 Energiewende aus Sicht der Wissenschaft 100% Erneuerbare Energien notwendig und realisierbar! Michael Nelles VDI-Tagung Die Energiewende in unserem Land am in Rostock Inhalt 1. Kurzvorstellung von: - Lehrstuhl Abfall- und Stoffstromwirtschaft an der Uni Rostock - Deutsches Biomasseforschungszentrum (DBFZ) in Leipzig - Forschungsverbund Erneuerbare Energien (FVEE) - Strategierat Wirtschaft-Wissenschaft Mecklenburg-Vorpommern Zukunftsfeld Energie 2. Grundlegende Anmerkungen zur Energie- und Rohstoffwende - Globale und nationale Herausforderungen - Stand der globalen und nationalen Energiewende 3. Smart Bioenergy energetische und integrierte stoffliche Nutzung von Biomasse im künftigen Energiesystem 2 1

2 Agrar- und Umweltwissenschaftlichen Fakultät Lehrstuhl Abfall- und Stoffstromwirtschaft Abfallwirtschaft/Abfalltechnik Internationale Umweltschutzprojekte Bioenergie 3 Organisationsstruktur MINISTERIEN IM AUFSICHTSRAT DES DBFZ: BMEL: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft BMBF: Bundesministerium für Bildung und Forschung BMUB: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit BMVI: Bundesministerium für Verkehr und Digitale Infrastruktur BMWi: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie SMUL: Sächsisches Staatsministerium für Umwelt und Landwirtschaft 4 2

3 Bremerhaven Hameln Berlin Potsdam Energie -bereitstellung Effiziente Energienutzung Energiewandlung und -speicherung Wuppertal Jülich Kassel Köln Leipzig Energiesystem und -netze Würzburg Transformationsforschung Erlangen Saarbrücken Karlsruhe Stuttgart München Freiburg FVEE-Jahrestagung Innovationen für die Energiewende am 8. und 9. November 2017 in Berlin ( 5 Strategierat Wirtschaft-Wissenschaft Mecklenburg- Vorpommern Zukunftsfeld Energie Wissenschaftliche Leitung/Sprecher: Prof. Thomas Luschtinetz (HS Stralsund) Prof. Michael Nelles (Uni Rostock) Prof. Martin Wollensak (HS Wismar) F&E-Verbundforschungsprojekt: Förderung: 5 Mio. Laufzeit Energie Quelle: IHK Schwerin Gesundheit 24. REGWA-Energiesymposium - Nutzung Regenerativer Energien und Wasserstofftechnik 9. bis 11. November 2017 Hochschule Stralsund 3

4 Grundlegende Anmerkungen zur Energieund Rohstoffwende 7 Globale Herausforderungen Quelle: Faulstich,

5 Lösungsansatz für Deutschland Wissen Dienstleistungen Kommunikation Infrastrukturen Nachhaltige Industriegesellschaft Naturhaushalt Quelle: Faulstich, 2015 Energiewende 100 % regenerativ AVA Ressourcenwende 100 % Recycling * * Innerhalb 9 thermodynamischer Grenzen Erneuerbare Energien im globalen Energiesystem Einsatz regenerativer Energien zur Deckung des globalen Primärenergieverbrauchs im Jahr 2016 (Gesamt: 556 EJ) Copyright: DBFZ, Globus: bahram7 - Fotolia.com, Datenquelle: Datenquelle: BWK-Artikel: Witt, J.; Magdowski, A.; Janzczik, S., Kaltschmitt, M.: Erneuerbare Energien - Globaler Stand BWK 69, Ausgabe 07/ , S. 6 28, ISSN: X 10 5

6 Erneuerbare Energien im nationalen Energiesystem Einsatz regenerativer Energien zur Deckung des nationalen Primärenergieverbrauchs im Jahr 2016 (Gesamt: 13 EJ) Copyright: DBFZ, 2017, Datenquelle: BWK-Artikel: Lenz, V.; Müller-Langer, F.; Denysenko, V., Daniel-Gromke, J.; Rensberg, N.; Rönsch, C., Janczik, S., Kaltschmitt, M.: Erneuerbare Energien. BWK 69, Ausgabe 05/2017, S , ISSN: X 11 Smart Bioenergy energetische und integrierte stoffliche Nutzung von Biomasse im künftigen Energiesystem 12 6

7 Nationale Nutzung und Biomassepotenziale Aktuelle Nutzung Potenziale Landwirtschaftliche Biomasse Energiepflanzen einschl. Grünland, Stroh, Tierische Exkremente Reststoffe und Abfälle Industrierestholz, Altholz, Bio- und Grünabfälle, Landschaftspflegematerial, Industrielle Reststoffe Bandbreite forstwirtschaftliche BM Forstwirtschaftliche Biomasse Energieholz,Waldrestholz Nutzung: nach AGEE-Stat 2013 (PEV berechnet nach Wirkungsgradmethode), Potenziale: BMVBS 2010 (Energiepflanzen, Exkremente), Zeller et al (Stroh), Destatis (Außenhandelsstatistik 2011), DBFZ 2013 (Bio- und Grünabfälle, industrielle Reststoffe, unveröffentlicht) (Hinweis: Fehlende Jahre wurden durch Fortschreibung der Einzelergebnisse ermittelt Quelle: Brosowski et al Fokus: Rest und Abfallstoffe Biomassepotenziale von Rest- und Abfallstoffen und deren aktuelle Nutzung Status quo in Deutschland 77 Einzelbiomassen wurden berücksichtigt Zeitbezüge nicht einheitlich 151,1 Mio. t TS Theoretisches Potenzial - 43,1 Mio. t TS nicht nutzbar (Restriktionen) - 09,7 Mio. t TS unklare Datenlage = 98,4 Mio. t TS Technisches Potenzial - 29,7 Mio. t TS Stoffliche Nutzung - 26,9 Mio. t TS Energetische Nutzung - 07,3 Mio. t TS Stoffl. oder energ. Nutzung - 03,5 Mio. t TS Nutzung unklar = 30,9 Mio. t TS Ungenutztes Potenzial (Abweichungen durch Rundung) Quelle: Brosowski et al

8 Biogene Abfälle und Reststoffe in Deutschland 541 PJ + X durch Effizienzsteigerung 448 PJ 989 PJ Primärenergie Quelle: Brosowski et al. 2015, Bild: morchella/fotolia.com 15 Wege von Biomasse ins Energiesystem Copyright: DBFZ,

9 Die Biomasse in der Ökonomie Copyright: DBFZ, Unsere Vision: Smart Bioenergy Sichere, saubere, integrierte und intelligente Bioenergienutzung für ein nachhaltiges Wirtschaftssystem Integrierte, konkurrenzfreie und bedarfsgerechte Energiebereitstellung Koppelproduktion biobasierter Energieträger Entwicklung hocheffizienter und sauberer Technologien Vollumfassendes Nachhaltigkeitsmonitoring Optimale Wertschöpfungsketten aus Biomasse ZIEL: Eine klimaneutrale Bioökonomie auf Basis erneuerbarer Ressourcen 18 9

10 Entwicklungsstufen zur smarten Bioenergie Fotos/Grafik: DBFZ nach Daniela Thrän (Hrsg.): Smart Bioenergy, Springer Die Forschungsschwerpunkte des DBFZ 20 10

11 Systembeitrag von Biomasse Smarte Bioenergienutzung wird in kleinen, sehr präzise geregelten Anlagen ein Baustein für die Integrierten Versorgungssysteme sein und zur nachhaltigen Energieversorgung von morgen beitragen können. (Prof. Dr. Daniela Thrän, DBFZ/UFZ/Universität Leipzig) Zielsetzung des Forschungsschwerpunkts Analyse und Diskussion des quantitativen und qualitativen Beitrags der Biomasse im zukünftigen Energiesystem Zukünftige Anforderungen an Bioenergietechnologien als Voraussetzung der Systemintegration Zusammenspiel der Bioenergiesektoren im Energiesystem der Zukunft Gabriele Jepsen /Fotolia.com Wichtige Projektreferenzen (Auswahl): Meilensteine für die Entwicklung einer nachhaltigen Bioenergiestrategie ( Meilensteine 2030) Begleitforschung des Bundeswettbewerbes Bioenergie-Regionen Ermittlung eines technisch-ökonomisch optimierten Betriebs von flexiblen Biogasanlagen ( OptFlex) 21 Systembeitrag von Biomasse Praxisrelevante Ergebnisse - Projekt OptFlex Die Flexibilität von Biogasanlagen liefert wertvolle Stromprodukte (z.b. für die Strombörse EPEX und Regelenergie) Die optimale Betriebs- und Vermarktungsstrategie hängt vor allem von der Anlagenstruktur (BHKW s, Gasspeicher) und der Wärmeauskopplung ab Die Flexibilisierung von Bestandsanlagen kann sich auszahlen 60 EPEX Stundenkontrakte Bilder: DBFZ

12 Anaerobe Verfahren Biogasanlagen müssen hinsichtlich ihrer Substrate und der Bioenergiebereitstellung flexibler werden. Nur dann werden sie auch in Zukunft einen wesentlichen Beitrag zur Sicherung der Energieversorgung leisten können. (Dr. Jan Liebetrau, DBFZ) Zielsetzung des Forschungsschwerpunkts Flexibilisierung in Bezug auf Substrate und Prozessführung Prozessüberwachung und -regelung Emissionsminderung Effizienzsteigerung und Kostensenkung Koppelung von stofflicher und energetischer Biomassenutzung DBFZ Wichtige Projektreferenzen (Auswahl): Bioenergie-Flexibilisierung als regionale Ausgleichsoption im deutschen Stromnetz (Regiobalance) Betriebsbedingte Emissionen an Biogasanlagen (BetEmBGA) Potenziale zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von Biogasanlagen - Energetische Effizienz von Repoweringmaßnahmen Bild: DBFZ 23 Neue Methoden zur Prozessüberwachung Kretzschmar (DBFZ) Calculated acetate concentration followed by the sensor signal. The concentration step chosen for calculation was 0 to 0.5 mmol L -1 acetate, flow rate of 1mL min -1 Kretzschmar et. al. in prep. Kretzschmar (DBFZ) 24 12

13 Flexible Strombereitstellung aus Biogas Ansätze Quelle: angepasst nach Barchmann et. al (subm.) Stromnetz BHKW 2 BHKW 1 Gasspeicher 2 Fütterungsmanagement Gärrestlager Gasspeicher Wärmenetz Wärmespeicher Fermenter Gärsubstrat Quelle: angepasst nach Krautz, Prozessregelung von Biogasanlagen Mauky et al. in prep. Mauky et al. in prep. Bild: DBFZ 26 13

14 Beispiel CAPACIDY Von der Biogasanlage von heute Biomasse BHKW Biogasfermenter Netzeinspeisung Dünger Dekanter DBFZ: Maria Braune, Björn Schinkel; UFZ: Heike Sträuber 27 Beispiel CAPACIDY zur Bioraffinerie der Zukunft Biomasse BHKW Biogasfermenter Netzeinspeisung Dünger Dekanter DBFZ: Maria Braune, Björn Schinkel; UFZ: Heike Sträuber Extraktion Chemische Industrie 28 14

15 Verfahren für chemische Bioenergieträger und Kraftstoffe Wichtige Bausteine für die Umsetzung der Ziele der Bioökonomiestrategie sind die Erforschung und Entwicklung innovativer Technologieansätze für möglichst flexibel arbeitende, hocheffiziente und nachhaltige Bioraffineriekonzepte. (Dr. Franziska Müller-Langer, DBFZ) Zielsetzung des Forschungsschwerpunkts Entwicklung beispielhafter HTP-basierter Bioraffinerien zur effizienten Produktion unterschiedlichster Wertprodukte aus Biomasse Erprobung im Technikum Begleitende Technikbewertung Wichtige Projektreferenzen (Auswahl): Flüssige Energieträger aus einer integrierten hydrothermalen Umwandlung von Biomasse Bioraffinerie zur integrierten hydrothermalen Produktion von Brennstoff sowie der Grundchemikalien Phenol und Furan aus Biomasse (HTChem) Konzeptentwicklung zur marktnahen SNG-Produktion (SNG PRO) 29 Beispiele Technische Optionen für SynBioPTx Übersicht Erneuerbare Elektrizität Nachhaltige Biomasse B/PTG Biomass/Power-to-Gas, B/PTL Biomass/Power-to-Liquids, DDGS Dried Distillers Grains with Solubles, FAME Fatty acid methy ester, HVO/HEFA Hydrotreated vegetable oils/esters and fatty acids SynBioPTx DBFZ 09/2016 (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) 30 15

16 Beispiel SynBioPTx / Geschlossene Stoffkreisläufe Erweiterung bestehender Wertschöpfungsketten 31 Verfahren für chemische Bioenergieträger und Kraftstoffe Projektergebnisse Konzeptentwicklung zur marktnahen SNG-Produktion Vergasung Biomasse- Behälter (HTC-Kohle) Synthese Gestehungskosten in ct kwh -1 SNG SNG (Biogenes Erdgas) Treibhausgasemissionen in kg CO 2 -Äq. GJ -1 SNG Fraktionierung Literaturangabe [Rönsch 2011b] Szenario 'Wirkungsgradsteigerung' Szenario 'Kombinierte Optimierung' Szenario 'Entwicklungsstand' Szenario 'Investkostensenkung' 32 16

17 Intelligente Biomasseheiztechnologien Die zukünftige Wärmeversorgung mit biogenen Festbrennstoffen muss viel effizienter, flexibler und besser auf ein erneuerbares Gesamtsystem abgestimmt, also intelligenter smart werden! (Dr. Volker Lenz, DBFZ) Zielsetzung des Forschungsschwerpunkts Aufbereitung von biogenen Rest- und Abfallstoffen sowie Nebenprodukten zu High-End-Brennstoffen hocheffiziente, schnell regelfähige und weitgehend emissionsfreie Biomasse-Wärmeerzeuger Mikro-WKK-Anlagen mit hoher Stromkennzahl und hoher Strombereitstellungsflexibilität (Systemdienstleistungen) Intelligente Regelkonzepte zur optimierte Systemeinbindung von Anlagen zur Energiebereitstellung aus fester Biomasse DBFZ Wichtige Projektreferenzen (Auswahl): Kostengünstige Pelletkessel mit höchster Effizienz und niedrigsten Emissionen (BioMaxEff) Innovatives bedarfsangepasstes Kommunal-Energieträger-Konzept (IbeKet) Versuchsfeld aus verschiedenen, dezentralen Energieerzeugern erneuerbarer Energie (E-Cockpit) Bild: DBFZ 33 Intelligente Biomasseheiztechnologien Die zukünftige Wärmeversorgung mit biogenen Festbrennstoffen muss viel effizienter, flexibler und besser auf ein erneuerbares Gesamtsystem abgestimmt, also intelligenter smart werden! (Dr. Volker Lenz, DBFZ) DBFZ Grafik: DBFZ,

18 SmartBiomassHeat Komponenten für ein vollständig erneuerbares Energiesystem im Gebäudebereich / Quartier! 35 Beispiele Klassische und moderne KWK- Technologien für feste Biomassen Stirling-Motor Klein-Vergaser-BHKW Quelle: DBFZ Quelle: Thermochemical testing ground University Zittau Biomasse ORC Altholz-Kraftwerk Großvergaser Güssing Quelle: DBFZ Quelle: hessenenergie Quelle: DBFZ 36 18

19 DBFZ-Demonstrator: Gegenstrom Holzkohlevergaser mit Moped-Motor Water Char Air Fog / Steam Gasifier Steam Heat Exchanger / Evaporator Steam Trap Heating Filter Air Product Gas Gas Engine M G Exhaust Gas Water Heating Heat Exchanger Bilder: DBFZ DBFZ 2014, Dennis Krüger 37 Katalytische Emissionsminderung Durch die Erforschung und Weiterentwicklung katalytischer Verfahren zur Emissionsminderung an Verbrennungsprozessen von Biomasseenergieträgern lässt sich die notwendige Umweltfreundlichkeit von Bioenergie sicherstellen. (Dr. Ingo Hartmann, DBFZ) Zielsetzung des Forschungsschwerpunkts Katalytisch aktivierte Rußpartikelfilter Katalysatoren für die Minderung von Kohlenwasserstoffen Selektive katalytische Reduktion (SCR) SCR in Kombination mit Staubabscheidung Katalytische Restmethanminderung DBFZ ETE EmTechEngineering GmbH Wichtige Projektreferenzen (Auswahl): Neuartiger emissionsarmer Kaminofen (NEKO) Emissionsarmer Scheitholzvergaserkessel mit integr. Katalysator und optimierter Verbrennungsregelung Demonstration von Verfahren zur kombinierten Reduktion von Stickoxiden und Feinstaub an Biomassefeuerungen (SCR-Filter) Bild: ETE GmbH 38 19

20 Aktueller Stand: NEKO (DBU-Förderung) AZ: 28412/02 Emissionen bei 13 % O 2, im Normzustand Staub unter 10 mg/m³ CO unter 200 mg/m³ VOC (Org.-C) unter 20 mg/m³ 2 Prototypen (baugleich!) Prototyp 1 hat in den USA am Wood Stove Design Challenge teilnehmen (4.-7. Nov. am BNL: Prototyp 2 wird am Feldstandort in Coswig/Dresden bei privatem Betreiber demonstriert (Okt bis Mrz. 2015) Ausgründung am DBFZ (Ingenieurbüro): ETE EmTechEngineering GmbH Homepage: Flyer liegt hier zum Donwload: 39 Zusammenfassung und Ausblick Nationale und globale nachhaltige Entwicklung: - Rohstoffwende (umweltverträglichen Kreislaufwirtschaft) - Energiewende (Energieeinsparung und 100 % Erneuerbare Energien) Wenn Deutschland Vorreiter bei Ressourcen- und Energiewende sowie im Klimaschutz bleiben bzw. wieder werden will, müssen die Weichen in der neuen Legislaturperiode gestellt werden! Die smarte energetische und integrierte stoffliche Nutzung von Biomasse ist ein wichtiger Baustein der Energie- und Rohstoffwende! 40 20

21 Smart Bioenergy Innovationen für eine nachhaltige Zukunft Ansprechpartner Prof. Dr. mont. Michael Nelles Daniel Mayer Prof. Dr.-Ing. Daniela Thrän Dr.-Ing. Jan Liebetrau Dr.-Ing. Volker Lenz Dr.-Ing. Franziska Müller-Langer Dr.rer.nat. Ingo Hartmann DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße 116 D Leipzig Tel.: +49 (0) Fotos: DBFZ, Jan Gutzeit, DREWAG/Peter Schubert (Titelfolie, rechts), Pixabay / CC0 Public Domain 21