IfaS 13. Biomasse-Tagung, 12./13. November 2013, Umwelt-Campus Birkenfeld

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Carsten Martin
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November 2013, Umwelt-Campus Birkenfeld Hintergrund Weiterer Ausbau der Erneuerbaren Energien - und damit auch der

1 Energie-, Klima- und Ökobilanzen landwirtschaftlicher Biogasanlagen Ursula Roth, Helmut Döhler, Stefan Hartmann, Uwe Häußermann, Monika Stadelmann, Bernd Wirth, Sebastian Wulf IfaS 13. Biomasse-Tagung, 12./13. November 2013, Umwelt-Campus Birkenfeld Hintergrund Weiterer Ausbau der Erneuerbaren Energien - und damit auch der Biogasproduktion Diskussion um Nachhaltigkeit der Biogasproduktion Betrachtung typischer Anlagen auf Basis EEG 2012 Maisdeckel, Mindestwärmenutzung, Sondervergütung kleine Gülleanlagen 1

Methodischer Ansatz Lebensweganalyse ökologischer Footprint' der Biogasproduktion und -konversion nach ISO 14040 und 14044 Grunddaten nach ecoinvent (Swiss Centre for Life Cycle Inventories) und FFE

2 Methodischer Ansatz Lebensweganalyse ökologischer Footprint' der Biogasproduktion und -konversion nach ISO und Grunddaten nach ecoinvent (Swiss Centre for Life Cycle Inventories) und FFE (Forschungsstelle für Energiewirtschaft) Produktions- und Transportverfahren auf Basis der KTBL- Datenbank Indikatoren Treibhausgasemissionen (THG; kg CO 2 eq je kwh el ) Energie-Input / -Output Referenzen und Annahmen Referenzen Strom: fossilerstrommix Wärme: Heizöl N 2 O-Emissionen aus der Energiepflanzenproduktion (direkt und indirekt) Diffuse Emissionen 1 kg CO 2 eq/kwh th insg. 1,37 % des applizierten N (IPCC 2006) (% des erzeugten Methan) Leckagen 1,0 % Methanschlupf BHKW % Restmethanemissionen Gärrestlager Emissionsminderung durch Wirtschaftsdüngernutzung keine (gasdicht) (IPCC 2006, KTBL 2010) Rindergülle 10 % des pot. CH 4 2

Referenzen und Annahmen Referenzen Strom: fossilerstrommix Wärme: Heizöl N 2 O-Emissionen aus der Energiepflanzenproduktion (direkt und indirekt) Diffuse Emissionen 1 kg CO 2 eq/kwh th insg.

Kenndaten Modellanlagen Anlagentyp WSD NawaRo installierte Leistung 75 kw el 150 kw el 500 kw el 1 MW el Substrate (% FM-Input) Rindergülle (RG) 80 % 30 % 20 % 0 % Maissilage (MS) 20 % 60 %

Wärme) extern 2 30 % 40 % WSD: Wirtschaftsdünger GPS: Ganzpflanzensilage Zündstrahlmotor X X - - 1 Berücksichtigung nur des NawaRo-bedingten Anteils am Gärresttransport (Gülleanteil: Tierhaltung) 2

3 Kenndaten Modellanlagen Anlagentyp WSD NawaRo installierte Leistung 75 kw el 150 kw el 500 kw el 1 MW el Substrate (% FM-Input) Rindergülle (RG) 80 % 30 % 20 % 0 % Maissilage (MS) 20 % 60 % Getreide-GPS 0 % 10 % 34 % Grassilage 0 % 0 % 10 % 6 % Transportentfernung NawaRo, Gärrest 1 1 km 2 km 4 km 5 km Rindergülle kein Transport (betriebseigene Gülle) Wärmenutzung (% der prod. Wärme) extern 2 30 % 40 % WSD: Wirtschaftsdünger GPS: Ganzpflanzensilage Zündstrahlmotor X X Berücksichtigung nur des NawaRo-bedingten Anteils am Gärresttransport (Gülleanteil: Tierhaltung) 2 zusätzlich 25 % für Fermenterbeheizung Stromgestehungskosten (ohne Wärmeeinnahmen) 35 Gülle Energiepflanzen 30 sonstige Kosten 25 Arbeitskosten Anlagenbetrieb Ct / kwh el Reparaturen und Wartung Betriebsmittel 10 Substrate 5 Kostendegression Kapitalkosten 0 75 kw* 150 kw* 500 kw 1 MW * Zündstrahlmotor 3

4 Stromgestehungskosten (ohne Wärmeeinnahmen) 35 Gülle Energiepflanzen 30 sonstige Kosten Sondervergütung kl. Gülleanlagen 25 Arbeitskosten Anlagenbetrieb Ct / kwh el Reparaturen und Wartung Betriebsmittel 10 Substrate 5 Kostendegression Kapitalkosten 0 75 kw* 150 kw* 500 kw 1 MW * Zündstrahlmotor Treibhausgasemissionen Biogaserzeugung 0 5 BHKW-Schlupf und Leckagen 0 Betriebsmittel (Strom, ggf. Zündöl) Transport Substrate und Gärprodukt Energiepflanzenanbau N2O Energiepflanzenanbau ohne N2O kw* * Zündstrahlmotor 4

Kapitalkosten 0 75 kw* 150 kw* 500 kw 1 MW * Zündstrahlmotor Treibhausgasemissionen Biogaserzeugung 0 5 BHKW-Schlupf und Leckagen 0

5 Treibhausgasemissionen Biogasstromerzeugung 0 5 Gülle Energiepflanzen BHKW-Schlupf und Leckagen 0 Betriebsmittel (Strom, ggf. Zündöl) Transport Substrate und Gärprodukt Energiepflanzenanbau N2O Energiepflanzenanbau ohne N2O kw* 150 kw* 500 kw 1 MW * Zündstrahlmotor Treibhausgasbilanz Biogasstromerzeugung kg CO 2 eq/kwh el Wirtschaftsdüngernutzung Ersatz fossile Wärme Anlagenbetrieb (Betriebsm., diffuse Emissionen) Substratbereitstellung und Transport Gülle Energiepflanzen 75 kw* 150 kw* 500 kw 1 MW * Zündstrahlmotor 5

Zündstrahlmotor Treibhausgasbilanz Biogasstromerzeugung - - 2 6 kg CO 2 eq/kwh el 4 5 8 Wirtschaftsdüngernutzung Ersatz fossile Wärme

Treibhausgasbilanz Biogasstromerzeugung - - 2 4 5 8 6 kg CO 2 eq/kwh el Wirtschaftsdüngernutzung Ersatz fossile Wärme Anlagenbetrieb (Betriebsm.

6 Treibhausgasbilanz Biogasstromerzeugung kg CO 2 eq/kwh el Wirtschaftsdüngernutzung Ersatz fossile Wärme Anlagenbetrieb (Betriebsm., diffuse Emissionen) Substratbereitstellung und Transport Gülle Energiepflanzen 75 kw* 150 kw* 500 kw 1 MW * Zündstrahlmotor Sensitivitätsbetrachtung Wärmenutzung Wirtschaftsdüngeranteil Restmethanemissionen 6

, diffuse Emissionen) Substratbereitstellung und Transport - - - Gülle Energiepflanzen 75

7 Wärmenutzungsgrad 6 kg CO 2 eq/kwh el Wirtschaftsdüngernutzung Ersatz fossile Wärme % 60% 75% externe Wärmenutzung 500 kw 20 % Rindergülle 60% Maissilage 10% Getreide-GPS 10 % Grassilage Wärmenutzungsgrad 6 kg CO 2 eq/kwh el Wirtschaftsdüngernutzung Ersatz fossile Wärme Konzepte für ganzjährige - Wärmenutzung nötig! - 45% 60% 75% externe Wärmenutzung 500 kw 20 % Rindergülle 60% Maissilage 10% Getreide-GPS 10 % Grassilage 7

kg CO 2 eq/kwh el 3 7 2 Wirtschaftsdüngernutzung Ersatz fossile Wärme - - - Konzepte für ganzjährige -

8 Wärmenutzungsgrad 6 kg CO 2 eq/kwh el Wirtschaftsdüngernutzung Ersatz fossile Wärme sinnvolle Wärmenutzung: - Ersatz fossiler Ressourcen - (Negativbeispiel: 45% 60% Gärresttrocknung) 75% externe Wärmenutzung 500 kw 20 % Rindergülle 60% Maissilage 10% Getreide-GPS 10 % Grassilage Maximierung Wirtschaftsdüngeranteil % 95% 100% Wirtschaftsdüngeranteil 6 kg CO 2 eq/kwh el Wirtschaftsdüngernutzung Ersatz fossile Wärme 75 kw (Zündstrahlmotor) vorw. Rindergülle Rest Maissilage 8

Maissilage 10% Getreide-GPS 10 % Grassilage Maximierung Wirtschaftsdüngeranteil - - - - - - 2-4 -9 80% 95% 100%

Maximierung Wirtschaftsdüngeranteil - - - - - - Kostenproblematik 2-4 -9 80% 95% 100% Wirtschaftsdüngeranteil 6 kg CO 2 eq/kwh el Wirtschaftsdüngernutzung Ersatz fossile Wärme 75 kw (Zündstrahlmotor)

9 Maximierung Wirtschaftsdüngeranteil Kostenproblematik % 95% 100% Wirtschaftsdüngeranteil 6 kg CO 2 eq/kwh el Wirtschaftsdüngernutzung Ersatz fossile Wärme 75 kw (Zündstrahlmotor) vorw. Rindergülle Rest Maissilage Maximierung Wirtschaftsdüngeranteil 6 kg CO 2 eq/kwh el Kostenproblematik größere Anlagen 2 Praxisbeispiele Ostdeutschland jedoch Potenzial begrenzt 80% 95% 100% Wirtschaftsdüngeranteil Wirtschaftsdüngernutzung Ersatz fossile Wärme 75 kw (Zündstrahlmotor) vorw. Rindergülle Rest Maissilage 9

Rindergülle Rest Maissilage Maximierung Wirtschaftsdüngeranteil 6 kg CO 2 eq/kwh el - - - - - Kostenproblematik größere Anlagen 2

Maximierung Wirtschaftsdüngeranteil 6 kg CO 2 eq/kwh el - - - - - - Kostenproblematik Reststoffnutzung 2 keine / geringe Kosten -4-9 z. T. energiereiche Substrate Entkoppelung von der Fläche!

10 Maximierung Wirtschaftsdüngeranteil 6 kg CO 2 eq/kwh el Kostenproblematik Reststoffnutzung 2 keine / geringe Kosten -4-9 z. T. energiereiche Substrate Entkoppelung von der Fläche!! 80% 95% 100% Wirtschaftsdüngeranteil Wirtschaftsdüngernutzung Ersatz fossile Wärme 75 kw (Zündstrahlmotor) vorw. Rindergülle Rest Maissilage Restmethanemissionen Gärproduktlager % 1,5% 3,0% 4,5% Restmethanemission (% des prod. Methan) 6 kg CO 2 eq/kwh el Wirtschaftsdüngernutzung Ersatz fossile Wärme Restmethan Gärproduktlager Anlagenbetrieb (Betriebsm., diffuse Emissionen) Substratbereitstellung und Transport 500 kw 20 % Rindergülle 60% Maissilage 10% Getreide-GPS 10 % Grassilage 10

Rindergülle Rest Maissilage Restmethanemissionen Gärproduktlager - - - - - 6 9 2 5 % 1,5% 3,0% 4,5% Restmethanemission (% des prod.

Restmethanemissionen Gärproduktlager - - - - - 5 2 9 6 Gleiches gilt für andere Verluste bzw. Emissionsquellen (z. B. iluc) % 1,5% 3,0% 4,5% Restmethanemission (% des prod.

11 Restmethanemissionen Gärproduktlager Gleiches gilt für andere Verluste bzw. Emissionsquellen (z. B. iluc) % 1,5% 3,0% 4,5% Restmethanemission (% des prod. Methan) 6 kg CO 2 eq/kwh el Wirtschaftsdüngernutzung Ersatz fossile Wärme Restmethan Gärproduktlager Anlagenbetrieb (Betriebsm., diffuse Emissionen) Substratbereitstellung und Transport 500 kw 20 % Rindergülle 60% Maissilage 10% Getreide-GPS 10 % Grassilage Ökobilanz der Biogasproduktion Biogas aus Maissilage Biogas aus Rindergülle Biogas aus Maissilage bei hohen Methanverlusten Energieverbrauch Vorteil Nachteil für Biogas für Biogas 10 MJ Vorteil Nachteil 10 MJ Vorteil Nachteil 10 MJ Treibhausgase kg CO 2 eq. kg CO 2 eq. kg CO 2 eq. Eutrophierung g PO 4 eq. g PO 4 eq. g PO 4 eq. Versauerung 10 g SO 2 eq. 10 g SO 2 eq. 10 g SO eq. Fotosmog g ethene eq. g ethene eq. g ethene eq. Lachgas g N 2O g N 2O g N 2O per GJ per GJ per GJ (IFEU 2008) weitere mögliche Indikatoren: Biodiversität, Humuswirkung Für eine umfassende ökologische Beurteilung müssen weitere Faktoren betrachtet werden. 11

, diffuse Emissionen) Substratbereitstellung und Transport 500 kw 20 % Rindergülle 60% Maissilage 10% Getreide-GPS 10 % Grassilage Ökobilanz der Biogasproduktion Biogas aus Maissilage Biogas aus

Fazit Energieerzeugung in landwirtschaftlichen Biogasanlagen kann einen sowohl ökologisch als auch ökonomisch sinnvollen Ansatz darstellen, WENN: Wirtschaftsdünger und / oder Reststoffe genutzt

12 Fazit Energieerzeugung in landwirtschaftlichen Biogasanlagen kann einen sowohl ökologisch als auch ökonomisch sinnvollen Ansatz darstellen, WENN: Wirtschaftsdünger und / oder Reststoffe genutzt werden, die BHKW-Abwärme genutzt wird, eine effiziente Rohstofferzeugung und ausnutzung sichergestellt sind, Methanverluste minimiert werden. Die Neuerungen des EEG 2012 bewirken voraussichtlich nur in geringem Ausmaß eine zusätzliche Treibhausgasvermeidung durch die Biogasstromproduktion. Fazit Auch bei bereits bestehenden Biogasanlagen besteht ein deutliches Potenzial zur Effizienzsteigerung in ökologischer wie auch ökonomischer Hinsicht. Gasverluste auf der Anlage oder zusätzliche Emissionsquellen (z. B. durch Berücksichtigung von indirekter Landnutzungsänderungen durch den Energiepflanzenanbau) erhöhen die Treibhausgasemissionen deutlich. Für eine umfassende ökologische Bewertung der Biogasproduktion sind weitere Faktoren zu berücksichtigen (Energiebilanz, Versauerung, Eutrophierung etc.). 12

Die Neuerungen des EEG 2012 bewirken voraussichtlich nur in geringem Ausmaß eine zusätzliche Treibhausgasvermeidung durch die Biogasstromproduktion.

13 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 13

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