RESOURCES Institut für Wasser, Energie und Nachhaltigkeit

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1 RESOURCES Institut für Wasser, Energie und Nachhaltigkeit Einflussfaktoren auf LCA- Ergebnisse am Beispiel von Biomethan und Öko-Wasserstoff J. Pucker, M. Beermann Graz,

2 2 INHALT TEIL 1 1. Hintergrundinformationen 2. LCA-Projekte zu Biogas & Biomethan 3. Ausgewählte Ergebnisse 4. Zusammenfassung Teil 1

3 3 Entwicklung von Treibhausgasemissionen per Sektor , weltweit Biogas/Biomethan Quelle: IPCC

4 4 Treibhausgasemissionen in der Landwirtschaft Sektor Landwirtschaft 9,1% der gesamten Treibhausgasemissionen (ohne LULUCF) (2011) 76% der gesamten N 2 O-Emissionen Düngereinsatz auf landwirtschaftlichen Flächen 66% der gesamten CH 4 -Emissionen Verdauungsvorgänge in Rindermägen Güllemanagement

5 5 INHALT TEIL 1 1. Hintergrundinformationen 2. LCA-Projekte zu Biogas & Biomethan 3. Ausgewählte Ergebnisse 4. Zusammenfassung Teil 1

6 6 LCA Projekte zu Biogas/Biomethan Ökobilanz Biogas Erfolgsfaktoren zur nachhaltigen Nutzung der Biogastechnologie am Beispiel ausgewählter Biogasanlagen Projektteam: Biogas Gesamtbewertung Agrarische, ökologische, ökonomische und sozialwissenschaftliche Gesamtbewertung von Biomethan aus dem Gasnetz als Kraftstoff und in stationären Anwendungen Projektteam: Die Projekte wurden aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms ENERGIE DER ZUKUNFT durchgeführt.

7 7 Projekt-Übersicht Untersuchte Systeme Biogas Produktion Biogas Verwendung Produkte Rohstoffe Ökobilanz Biogas 6 Biogasanlagen im Betrieb 0,4 bis 3,6 Mio. Nm³/a 5 x BHKW 1 x Aufbereitung + Einspeisung, Wärme, Treibstoff Biogas Gesamtbewertung Ökol. Bewertung 15 Biomethanszenarien 0,9 bis 12,4 Mio. Nm³/a Aufbereitung & Einspeisung, Wärme, Treibstoff Kombinationen aus Energiepflanzen, Zwischenfrüchten, Gras, Gülle, Abfällen

8 8 Biogas & Biomethan- Nutzungspfade inkl. Erdgasreferenz Bereitstellung gasförmiger Brennstoffe Anwendung gasförmiger Brennstoffe Fahrzeug Transport Tankstelle Erdgas Förderung Erdgas Aufbereitung Transport Erdgas Heizung Wärme Biomethan Gasnetz Heizkraftwerk Wärmenetz Aufbereitung, Einspeisung Transport Biogas Rohstoff Biogasanlage Entschwefelung Biogas Gereinigtes Kraftwerk Biogas BHKW netz Biogas

9 9 Untersuchte Umweltwirkungen Treibhausgasemissionen CO 2, CH 4, N 2 O in CO 2 -Äq. Fossiler Primärenergiebedarf Versauerung SO 2, NO x, NH 3 in SO 2 -Äq. Staubemissionen Bodennahe Ozonbildung CO, CH 4, NMVOC, NO x in C 2 H 4 -Äq.

10 Bioenergiesysteme Referenzsystem mit fossiler Energie 10 Sammlung Reststoffe Konv. Produktherstellung Rohstofftransport Umwandlung Standard-Datensatz (Öko-Institut, Darmstadt) Datensatz GEMIS-Österreich (Umweltbundesamt, Wien) Produkte aus Datensätze von JOANNEUM RESEARCH Projektspezifische Daten Verteilung Verwendung Anbau Biomasse Ökobilanz Biogas: Daten aus dem realen Anlagenbetrieb Produkte aus BiogasGesamtbewertung: Bioenergiesystem Daten ermittelt für Szenarien, abgeleitet von realen Anlagen Literaturdaten Systemmodellierung & Berechnung der Umweltauswirkungen Konv. Produkt-mit GEMIS Version 4.5. herstellung Reststoffe Fläche Referenznutzung Energiedienstleistung Referenz- LCA-Tool & Datenbasis nutzung 4.5 Fossile Ressource Gewinnung Transport Umwandlung Verteilung Verwendung

11 11 INHALT TEIL 1 1. Hintergrundinformationen 2. LCA-Projekte zu Biogas & Biomethan 3. Ausgewählte Ergebnisse 4. Zusammenfassung Teil 1

12 12 Beispiel 1 52% Energiepflanzen + 39% Gülle + 9% Reststoffe Rohstoff Maissilage, Maiskornsilage, Schweinegülle, Zuckerrübenreste, Gemüseabfälle, verdorbenes Getreide Biogasproduktion BHKW Wärme t FM /a 3,6 Mio. Nm³/a kw elektrisch kw thermisch MWh/a MWh/a 30% werden genutzt Projekt: Ökobilanz Biogas

13 Biogas 52% Energiepflanzen+ 39% Gülle + 9% Reststoffe Anbau Mais Fläche Fossiles Referenzsystem : Erdgas; Wärme: Heizöl Anbau Mais 13 Sammlung Rübenschnitte Rübenschnitt Natürl. Abbau am Feld Rohölförderung Rohgasförderung Transport Lagerung & Vorbehandlung Sammlung Gemüseabfall Weizen (verdorben) Sammlung Gülle Mineral. Dünger Reststoffe Gülle Lagerung Kompostierung Ausbringung Transport Raffinerie Aufbereitung Transport Gärrest Wärmenetz netz BHKW Biogaserzeugung Gärrest Bestehender Anbau mit höheren Erträgen Import Körnermais Dünger Futter Transport Ölheizung GuD- Kraftwerk netz + Wärme 0,77 MWh + 0,23 MWh

14 14 Beispiel 1: THG-Emissionen Vergleich zu Referenzsystemen + 4-fach - 70%

15 15 Beispiel 1 Variation von CH 4 & N 2 O bei Gärrestlagerung - 20% + 14%

16 16 Beispiel 2 100% Energiepflanzen Rohstoff Maissilage, Grassilage, Kleesilage, Grünschnittgetreide, Sonnenblumen-Mais-Gemisch Biogasproduktion BHKW Wärme t FM /a 2 Mio. Nm³/a 526 kw elektrisch 563 kw thermisch MWh/a MWh/a 35% werden genutzt Projekt: Ökobilanz Biogas

17 Anbau Mais (GPS) Mais-Sonnenblumen Grünschnittgetreide Kleesilage Biogas 100% Energiepflanzen Fläche Fossiles Referenzsystem : Erdgas; Wärme: Heizöl Anbau Körnermais Rohölförderung Erdgasförderung 17 Sammlung Grassilage Naturschutzflächen keine Aufbereitung Transport Transport Transport Gärreste Lagerung + Vorbehandlung Biogaserzeugung Bestehender Anbau mit höheren Erträgen Maisimport Futter Raffinerie Transport GuD- Kraftwerk BHKW Wärmenetz netz Ölheizung netz + Wärme 0,71 MWh + 0,29 MWh

18 18 Beispiel 2: THG-Emissionen Vergleich zu Referenzsystemen -20% -60% 6,5-fach

19 19 Beispiel 2: THG-Emissionen Prozessschritte

20 20 Beispiel 2 Variation von N 2 O bei Gärrestaufbringung -56% +47%

21 21 Beispiel 3 Biomethan als Treibstoff 5 von 15 untersuchten Biomethanerzeugungspfade 20 Nm³/h_25% Schweinegülle+75% Rindergülle * zukünftige Technologie Projekt: BiogasGesamtbewertung

22 22 Biomethan als Kraftstoff Treibhausgasemissionen Reduktion im Vergleich zu Erdgas: -60 bis -380% 20 Nm³/h_25% Schweinegülle + 75% Rindergülle -522

23 23 INHALT TEIL 1 1. Hintergrundinformationen 2. LCA-Projekte zu Biogas & Biomethan 3. Ausgewählte Ergebnisse 4. Zusammenfassung Teil 1

24 24 Zusammenfassung Biogas- und Biomethansysteme reduzierten THG- Emissionen im Vergleich zu fossilen Referenzsystemen in allen untersuchten Fällen Einflussfaktoren auf die Höhe der Treibhausgasreduktion: Rohstoff Einsparung bei Gülle höher als bei Energiepflanzen Bei Reststoffen ist das Einsparungspotential abhängig von der Referenznutzung Direkte N 2 O-Emissionen bei der Aufbringung von Gärresten und mineralischem Dünger CH 4 - & N 2 O-Emissionen bei der Lagerung der Gärreste

25 25 LCA-Einflussfaktoren Wasserstoff für Transportdienstleistungen Hypothesen: Nutzungsphase des Fahrzeugs ist entscheidend, bestimmt durch: Fahrzeug-Energieverbrauch (Messungen, Modelle, Annahmen) Energieträger und -umwandlung (Wahl des Energiesystems, Messungen, Modelle, Annahmen) Fahrzeugherstellung + EoL haben im Verhältnis größeren Anteil, wenn in der Nutzung erneuerbare Energie eingesetzt wird

26 LCA-Einflussfaktoren am Beispiel ausgewählter Systeme - Wasserstoff für Transportdienstleistungen Feste Biomasse Wasser, Wind, Sonne Biogener Gärstoff(mix) Vergasung Biogasanlage Erdgas Förderung MIX Erneuerbar + Fossil + Sonstige H2-Synthese erzeugung (zentral, dezentral) Aufbereitung erzeugung (zentral) erzeugung (zentral, dezentral) H2 Biomethan Methan Erdgasnetz netz HS Elektrolyse (zentral) Reformierung (zentral) H2 H2-Netz netz NS Elektrolyse (dezentral) H2-Verdichtung + Trailer/Bündel Reformierung (dezentral) (H2-Verdichtung +) Tankstelle Transportdienstleistung (Bsp Logistik-Fahrzeug)

27 27 LCA-Einflussfaktoren Wasserstoff: Energieträger und -umwandlung Vorgelagerte Erzeugung der Sekundärenergieträger (Elektrolyse) und Biomethan (Reformierung) Umwandlungsverluste der H2-Erzeugungspfade Hilfsenergiebedarf und -energieträger (z.b. für Reformer, H2-Verdichtung)

28 Ergdas UCTE- Mix Biogas Reststoffe Biogas - Energie pflanzen AT- Mix Wasserkraft PV Windkraft 28 LCA-Einflussfaktor Vorgelagerte Erzeugung und Biomethan 26 H2 43 H Elektrolyse zentral (alkalisch,70% WG) H2-Verdichtung in Flaschenbündel 300 bar (Hilfsstrom Verdichter wie Elektrolyse) H H H2 714 H2 H Reformer zentral (80% WG) H2-Verdichtung in Flaschenbündel 300 bar (Hilfsstrom Verdichter wie ) 480 H Treibhausgas-Emissionen [g CO 2 -Äq./kWh]

29 Ergdas Biogas Rest-stoffe Biogas - Energie pflanzen UCTE- Mix Windkraft AT- Mix PV Wasser -kraft 29 LCA-Einflussfaktor Vorgelagerte Erzeugung und Biomethan 26 H2 43 H2 H Elektrolyse zentral (alkalisch,70% WG) H2-Verdichtung in Flaschenbündel 300 bar (Hilfsstrom Verdichter wie Elektrolyse) 257 H H2 714 (k. Wärme) 76 (25% Wärme) 17 H2 (k. Wärme) (25% Wärme) Reformer zentral (80% WG) H2-Verdichtung in Flaschenbündel 300 bar (Hilfsstrom Verdichter wie ) H H Treibhausgas-Emissionen [g CO 2 -Äq./kWh]

30 Ergdas Biogas - Energie pflanzen AT- Mix PV Wasser-kraft 30 LCA-Einflussfaktor Umwandlungsverluste zentral/dezentral H2 zentral H2 dezentral H2 zentral H2 dezentral H2 zentral H2 dezentral H2 zentral H2 dezentral H2 zentral H2 dezentral Reformer zentral (80% WG) Reformer dezentral (50% WG) H2-Verdichtung in Flaschenbündel 300 bar (Hilfsstrom dezentral/zentral ~ Faktor 5) Elektrolyse zentral (70% WG) Elektrolyse dezentral (50% WG) H2-Verdichtung in Flaschenbündel 300 bar (Hilfsstrom dezentral/zentral ~ Faktor 4) Treibhausgas-Emissionen [g CO 2 -Äq./kWh]

31 Biogas - Energie pflanzen Wasser-kraft 31 LCA-Einflussfaktor Hilfsenergiebedarf und -energieträger H2 zentral, Hilfsstrom WK 56 H2 zentral, Hilfsstrom AT-Mix H2 dezentral, Hilfsstrom WK Elektrolyse zentral (70% WG) Elektrolyse dezentral (50% WG) H2-Verdichtung in Flaschenbündel 300 bar (Hilfsstrom dezentral/zentral ~ Faktor 4) ( ) H2 dezentral, Hilfsstrom AT-Mix 267 H2 zentral, Hilfsstrom BG 33 H2 zentral, Hilfsstrom AT-Mix H2 dezentral, Hilfsstrom BG Reformer zentral (80% WG) Reformer dezentral (50% WG) H2-Verdichtung in Flaschenbündel 300 bar (Hilfsstrom dezentral/zentral ~ Faktor 5) H2 dezentral, Hilfsstrom AT-Mix Treibhausgas-Emissionen [g CO 2 -Äq./kWh]

32 32 LCA-Einflussfaktoren Wasserstoff Beispiel Logistik-Transportdienstleistung E-Log-BioFleet Logistikfahrzeuge mit Brennstoffzellen-Range Extender

33 33 LCA-Einflussfaktoren Wasserstoff Beispiel Logistik-Transportdienstleistung E-Log-BioFleet Logistikfahrzeug mit Brennstoffzellen-Range Extender 1 HyLOG-Fleet-Zelle (PEM-BZ, H2-Tank, Li-Batterie) (>10.000h) ersetzt bis zu 4 Blei-Batterien

34 Treibhausgas-Emissionen je Stunde Fahrzeugbetrieb g CO2-Äq/h 34 LCA-Einflussfaktoren Wasserstoff Fahrzeugherstellung % -33 % HyLOG-Cell Batterie (Blei) Elektronik+E-Motor Basis-Fahrzeug Batterie- Fahrzeug Batterie- Fahrzeug E-LOG-Biofleet- Fahrzeug E-LOG-Biofleet- Fahrzeug Lebensdauer: Batterie h Batterie h HyLOG-Cell h HyLOG-Cell > h

35 Treibhausgas-Emissionen je Stunde Fahrzeugbetrieb g CO2-Äq/h LCA-Einflussfaktoren Wasserstoff Logistik-Transportdienstleistung Biomethan aus Energiepflanzen-Mix Dezentrale Biomethan-Reformierung Hilfsstrom H2-Infrastruktur aus Wasserkraft Wasserstoff aus Erdgas Wasserstoff aus Wasserkraft- Wasserstoff aus Biomethan aus EU-Mix aus Österreich-Mix aus Wasserkraft Fahrzeugherstellung 0

36 36 LCA-Einflussfaktoren Wasserstoff Schlussfolgerungen und Ausblick Große Vielfalt an Wasserstoff-Erzeugungsoptionen und Energieträgern ergibt große Bandbreite an LCA- Ergebnissen Hilfsstrombedarf für dezentrale Wasserstofferzeugung maßgeblich Erneuerbare Energieträger im Gesamtenergiesystem sicherstellen (Dezentrale) Wasserstofftechnologien haben noch großes Entwicklungspotential bei den Umwandlungsverlusten und Hilfsenergiebedarf (z.b. Druckelektrolyse) Einsatz Wasserstoff im Intra-Logistiksektor als früher H2- BZ-Anwendungsbereich getrieben v.a. durch Produktivitätssteigerungspotential der Fuhrparknutzung (Ökologische) Sinnhaftigkeit vom individuellen Einsatzfall abhängig

37 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit RESOURCES Institut für Wasser, Energie und Nachhaltigkeit Elisabethstraße 18/II 8010 Graz, Austria