Ökobilanzwerkstatt 2011

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1 Ökobilanzwerkstatt 2011 Kraftstoffgewinnung aus Biomasse - Systemanalytische Untersuchung thermochemischer Verfahren Martin Henßler Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart

2 Hintergrund Thermochemische Verfahren (Schnellpyrolyse, Verkohlung und Vergasung) zur Kraftstoffgewinnung aus Biomasse befinden sich noch in der Pilotphase wenige Anlagen, die über mehrere Jahre betrieben wurden (z.b.: Demo Anlage Güssing, CHOREN Alpha Anlage) geringe Datengrundlage Unsicherheiten u.a. bei der Ausbeute und Zusammensetzung der Produkte (Slurry, Kohle, Syngas) der jährlichen Betriebsstunden, Kosten, etc. Martin Henßler Ökobilanzwerkstatt September

3 Zielsetzung Analyse und Identifizierung der energetischen Biomassenutzung in innovativen thermo-chemischen Anlagen im Hinblick auf deren technischen, ökonomischen und ökologischen Eigenschaften anhand einer LCA/LCC. Unsicherheiten: Ermittlung der Parameter, welche Auswirkungen auf die THG-Emissionen bzw. Kosten haben, anhand einer Sensitivitätsanalyse ( Monte-Carlo-Simulation) Darstellung der Entwicklungsmöglichkeiten der untersuchten Techniken im Energiesystem Deutschland bis zum Jahr 2030 (TIMES) und der damit verbundenen i. Beiträge zur Minderung der Treibhausgasemissionen, ii. iii. der Substitution fossiler Energieträger und der gesamtwirtschaftlichen Kosten anhand einer Szenariobetrachtung Martin Henßler Ökobilanzwerkstatt September

4 Vorgehensweise / Methode Auswahl Biomasse und Konversionsverfahren: Definition der Prozessketten LCA /LCC 1. Festlegung des Bilanzierungsrahmens / Systemgrenzen 2. Sachbilanz 3. Wirkungsabschätzung Analyse und Bewertung der Prozessketten. Vergleich mit einem Referenzsystem (technisch, ökonomisch, ökologisch). Sensitivitätsanalyse / Monte-Carlo-Simulation Systemische Bewertung der Nutzungspfade im Energiesystem Deutschland (TIMES) Vergleich und Zusammenführung der Ergebnisse Martin Henßler Ökobilanzwerkstatt September

5 Energiegewinnung aus Biomasse Energiepflanzen Chinaschilf,Triticale usw. Aufbereiten (pressen, trocknen, anfeuchten, vermischen, usw Ernterückstände Stroh, Waldrestholz usw. Org. Nebenprodukte Gülle, Industrierestholz usw. Ernten, Sammeln, Verfügbarmachen Transport (LKW, Traktor, Förderband, Rohrleitung, Schiff, usw.) Organ. Abfälle Klärschlamm Schlachthofabfälle usw. Lagerung (Tank, Flachlager, Feldmiete, usw.) stoffl. Nutzung fester BS thermochemische Konversion phys.-chem. Konv. biochemische Konversion Direkte Verbr. Verkohlung/ Schnellpyrolyse Kohle/ Slurry Vergasung Synthesegas Verflüssigung Pyrolyseöl Methanol Pressung/Extraktion Umesterung Alkoholgärung Anaerob. Abbau Pflanzen- PME öl Ethanol Biogas enzym. Abbau Aerober Abbau Vergasung gasförm. BS. flüssiger Brennstoff Kompost Verbrennung Synthese Verbrennung Diesel, Gasoline, SNG, H elektrische Energie mechanische Energie thermische Energie Quelle: nach Eltrop: Vorlesung EE II Martin Henßler Ökobilanzwerkstatt September

6 Auswahl Prozessketten KUP Referenzsystem: Konventionelle Produktion von H 2 (Erdgas), CNG, Diesel, Benzin MW 500 MW AER Aufbereitung H 2 Methanisation Fischer-Tropsch vkm SNG BSZ Diesel, DM Gasoline Stroh Carbo-V Aufbereitung H 2 BSZ Waldrestholz Methanisation SNG BSZ: Brennstoffzelle : Ottomotor DM: Dieselmotor MW bioliq (Schnellpyrolyse) HTC bioliqsyncrude AVA cleancoal 500 MW Flugstromvergaser Fischer-Tropsch Aufbereitung H 2 Methanisation Diesel, DM Gasoline Martin Henßler Ökobilanzwerkstatt September SNG BSZ

7 LCA: bioliq - Slurry Produktion Quelle: nach Lange, 2007: Systemanalytische Untersuchung zur Schnellpyrolyse als Prozessschritt bei der Produktion von Synthesekraftstoffen aus Stroh und Waldrestholz Optional Dampfturbine Martin Henßler Ökobilanzwerkstatt September

8 Sensitivitätsanalyse / Monte-Carlo-Simulation Sensitivitätsanalyse Betrachtung eines Punktwertes (Literatur) in einem vorgegebenen Spektrum Bereits untersucht (THG-Emissionen, Schnellpyrolyse) Stroh-Aufkommensdichte nur geringe Wahl des Transportmediums Auswirkungen Abwärme Nutzung (ORC) Bedarf an elektrischer Energie Ausbeute Slurry Weitere Ausbeute Pyrolysegas Bereitstellungskosten Biomasse Transportkosten Anlagenkosten Personalkosten Verbrauch Erdgas (Schnellpyrolyse von Stroh) Umstellung auf Biogas? Ausbeute: Kohle, Syngas, H 2, SNG, Diesel, Benzin etc. Ermittlung der Parameter, welche Auswirkungen auf die THG-Emissionen bzw. Kosten haben Monte-Carlo-Simulation Technik zur Simulation der Realität mittels variabler Verteilungen anstatt von Punktwerten (Sensitivitätsanalyse) Ermittlung der Verteilung Programm (z.b. Crystall Ball) generiert Szenarien unter Zuhilfenahme von Zufallszahlen Quelle: Martin Henßler Ökobilanzwerkstatt September

9 Sensitivitätsanalyse el. Leistungsbedarf Schnellpyrolyse THG-Emissionen Gutschriften Aufwendungen 25 km LKW, 50 % Wärmenutzung (ORC), P el : kw (-20 %) - 9,1 % 25 km LKW, 50 % Wärmenutzung (ORC), P el : kw BM Bereitstellung Verbrauch el. Energie Trocknung/Sandheizer Sonstige Strom ORC Wärme ORC 25 km LKW, 50 % Wärmenutzung (ORC), P el : kw (+20 %) + 9,1 % -40% -20% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% Martin Henßler Ökobilanzwerkstatt September

10 Systemische Bewertung - TIMES Zusammenführung der Ergebnisse i. LCA ii. iii. LCC Sensitivitätsanalyse Auswahl der bevorzugten Ketten Lernkurven: Ermittlung der Lernpotenziale (2030) i. Aufsplittung der Prozesse, um mögliche Lernpotenziale hinsichtlich 1. Kosten Komponente a 2. Effizienzsteigerung zu ermitteln Prozess Komponente b ii. Alternativ (bei schlechter Datengrundlage) Definition der Kosten und Effizienzsteigerungen der betrachteten Ketten, um gesetzte Ziele hinsichtlich der THG-Minderung zu erreichen. Martin Henßler Ökobilanzwerkstatt September

11 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt Martin Henßler Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) Abteilung Systemanalyse und Erneuerbare Energien (SEE) Universität Stuttgart Hessbrühlstr. 49a Stuttgart Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) Martin Henßler Ökobilanzwerkstatt September