Thermische Biomassenutzung

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1 IEWT 2013 Thermische Biomassenutzung Michael Harasek Technische Universität Wien Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften Fernwärmetage 2014 Linz, 12.März 2014

2 Inhalt Energie aus Biomasse Rohstoffportfolio Rohstoffverfügbarkeit - Situation in Österreich Konversionstechnologien Kosten & Wirtschaftlichkeit Aktuelle und zukünftige Entwicklungen Prozessintegration / stoffliche Nutzung Bioraffinerien Kopplung der Stromproduktion mit der Biomassenutzung / Power-To-Gas Zusammenfassung 2

3 Biomasse - Rohstoffbasis Biomasse - Rohstoffbasis Abfälle Reststoffe Lokal erzeugte Biomasse International gehandelte Biomasse Organische Abfälle (Biotonne, Speisereste Klärschlamm Landwirtschaftliche Abfälle aus der Tirhaltung (Gülle, Stallmist) Holzabfälle Schwarzlauge Bagasse Abfälle aus der Lebensmittelproduktion Reststoffe aus der landwirtschaftlichen Produktion (Stroh) Reststoffe aus der Waldholzproduktion Rundholz Energiepflanzen (Mais, Getreide, Zuckerhirse, ) Rundholz Hackschnitzel Biomasse Pellets (Holz, Stroh, ) Biomethan Pyrolyse-Öle Rohstoffkosten: Negativ bis 0 /GJ Rohstoffkosten: 0 bis 3 /GJ Rohstoffkosten: 3 bis 6 /GJ Rohstoffkosten: 6 bis 9 /GJ Anlagengrößen: 0,5 50 MW(el) Anlagengrößen: 0,5 50 MW(el) Anlagengrößen: 1 bis 50 MW(el) Anlagengrößen: > 10 MW(el) Beispiele verschiedener Bioenergie-Rohstoffe mit typischen Kosten und Anlagengrößen (international) Quelle: IEA (2012) 3

4 Biomasse-Zusammensetzung und -verwendung C-H-O-Dreiecksdiagramm einiger Brennstoffe [ Σ(C,H,O) = 100 Massenprozent ] Quelle: Farago (2012) 4

5 Globale Bereitstellung von Primär-Bioenergie Quelle: IEA (2012) Entwicklung der globalen Primär-Bioenergie Produktion ( ) 5

6 Stromproduktion aus Biomasse Globale Perspektive Quelle: IEA (2012) Entwicklung der globalen Stromproduktion aus Biomasse ( ) 6

7 Strom aus Biomasse IEA Zukunftsszenario Quelle: IEA (2012) Bis 2050 schätzt IEA, dass jährlich 2460 TWh aus Biomasse und Bioabfällen/Reststoffen produziert werden, 5x soviel wie

8 Wärme aus Bioenergien IEA Zukunftsszenario Quelle: IEA (2012) Endenergieverbrauch Bioenergie für Wärmebereitstellung im Gebäudesektor OECD Europa stabil, Asien/China rückläufig 8

9 Rohstoff-Preisentwicklung in Österreich Quelle: Österreichischer Biomasseverband (2014) Biomasse-Rohstoffpreise stabil; Pelletspreise zeigen höhere Dynamik. 9

10 Biomasse-Verfügbarkeit in Österreich Quelle: BMWFJ (2010) Nationaler Aktionsplan 2010 für erneuerbare Energie für Österreich (NREAP-AT) 10

11 Biomassebereitstellung Holz in Österreich Quelle: Österreichische Energieagentur (2012) 11

12 Anteil des weltweiten Handels mit Biomasse (2020) Bioethanol Pflanzenöle Biomasse 7% gehandelte Treibstoffe/Öle 5% gehandelte Biomasse 88% lokal genützte Biomasse 100% = TWh prognostizierter weltweiter Gesamtenergieverbrauch 2020 Zukünftige Handelsrouten für Biomasse und Biotreibstoffe (2020) 12

13 Biotreibstoffe Rohstoffe Zwischenprodukte Umwandlung Einjährige Pflanzen Zuckerrohr Getreide Ölsaaten Gräser etc Bäume / mehrjährige Hartholz Weichholz Marine Biomasse Mikroalgen Makroalgen Fette, Öle Stärke Zucker Zellulose Hemizellulose Lignin Chemisch Umesterung Polymerisation Biochemisch Fermentation Enzymatische Hydrolyse Thermochemischl Fischer-Tropsch Pyrolyse Vergasung Raffination Reinigung Bio-jet fuel Biodiesel Alkohole Biogas Kohlenwasserstoffe Natürliche Öle Chemikalien Weitere Umwandlungstechnologien Abfälle Haushalte Industrie Landwirtschaft Verbrennung Stromerzeugung Prozessabfälle 13

14 Biomasse / Bioenergie - Fakten Bioenergie Bioenergie umfasst mehr als 10% des globalen Primärenergiebedarfs Primär-Bioenergiebedarf > 50 EJ (Ende 2011) Biomassenutzung: 86% für Koch- Heiz und Kühlzwecke (lediglich 25% moderne Bioenergie) 10,5% für die Stromerzeugung 3,5% für Treibstoffnutzung Strom aus Biomasse 70 GW Biomasse-basierte Stromerzeugungskapazität (Ende 2011), mehr als 65 GW (2010) Stromproduktion sowohl mit reiner Stromerzeugung als auch in Blockheizkraftwerken (zum Teil Ko-Feuerung) (EU im Jahr 2010: 36 % Strom, 64 % BHKWs) 88 % des Strom aus fester Biomasse (US, EU, Brazil, China) Quelle: Renewable Energy Policy Network for the 21st Century (2012) 14

15 Herausforderungen und Trends Konsequenzen der Richtlinien zur Reduktion von Treibhausgas- Emissionen und zur Diversifizierung der Energieversorgung Steigender Bedarf für Treibstoffe aus Biomasse Lokale Produktion kann Bedarf nicht decken Steigender internationaler Handel mit Bio-Treibstoffen Großflächige Pflanzungen in tropischen & subtropischen Regionen (häufig Investitionen multinationaler Konzerne) Steigende Anlagengrößen zur Stromproduktion aus Biomasse in den letzten Jahren: z.b. 20 MW 750 MW in GB (Umbau/Erweiterung eines Kohlekraftwerks) Trend wird beschleunigt durch Entwicklung im Bereich der Co-Feuerung Lokal genutzte Biomasse :: international gehandelte Biomasse Neue Herausforderungen Sicherstellung der Nachhaltigkeit moderner Bioenergie-Verfahren Lokale Bioenergienutzung entwickeln 15

16 Biomassenutzung - Verfahren Biomassenutzung Biochemische Verfahren Thermochemische Verfahren Anaerobe Verfahren (Biogas) Pyrolyse Verbrennung Aerobe Verfahren Fermentationen (Alkohol, Milchsäure etc.) Vergasung Dampf Luft Luft / Sauerstoffanreicherung Luft / Sauerstoff CLC - Verfahren Überkritisches Wasser Potential für thermische Nutzung Verflüssigung 16

17 Biomassenutzungsoptionen Technologiestatus verschiedener Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomasse Quelle: Bauen et al. (2009), IEA (2012) 17

18 Skaleneffekte für verschiedene Bioenergie Technologien Heizung (Kessel) Blockheizkraftwerk (Kessel + Dampfturbine) Blockheizkraftwerk (Gasmotor) Blockheizkraftwerk (Dieselmotor) Ko-Feuerung in Kohlekraftwerken (Kessel + Dampfturbine) Anlagengröße klein mittel groß klein mittel groß klein mittel groß klein mittel groß Leistungsbereich kwth kwth kwth 1-10 MWe MWe MWe 0,1-0,25 MWe 0,25-1 MWe 1-2 MWe 0,1-0,75 MWe 0,75-1,5 MWe 1,5-5 MWe Thermischer Wirkungsgrad 80-85% 85-87% 87-93% 63-70% 59-63% 52-59% 25 35% 30 40% 46-50% 45-50% 44-45% Elektrischer Wirkungsgrad 13-21% 21-26% 26-35% 31-33% 33-38% 38-40% 37-42% 42-44% 44-45% nur groß MWe 50-52% 35-43% Quelle: adaptiert aus Ecofys, EU-Project TREN/A2/ (2010) 18

19 Biomasse-Verbrennung Rostfeuerungsanlagen, Wirbelschichtanlagen Dampfturbinen Blockheizkraftwerke mit gleichzeitiger Erzeugung von Strom und Wärme (meist stromgeführt) Große Anlagen > 100 MW el 19

20 Lignozellulosische Biomasse: Zellstoff + Elektrizität Fray Bentos Pulp Mill erzeugt 200 MW el. (10% des Jahresbedarfs von Uruguay) + 1 Mt/a Eucalyptus Zellstoff 20

21 Biomassevergasung Entwicklung der Biomassevergasungtechnologie TU Wien Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik FICFB Vergaser heute DFB Vergaser 21

22 Biomassevergasung Polygeneration-Konzepte Quelle: P.Basu, Academic Press (2010) Produktgas als Synthese-Rohstoff Bio-SNG-Anlage 22

23 Biomasse-Vergasung Metso Wirbelschichtvergaser 2013 Inbetriebnahme der größten Anlage weltweit (140 MWth) Co-Feuerung mit Kohle (550 MWth) / 40% Reduktion des Kohleverbrauchs Agnion Heatpipe Reformer Technologie für kleine Leistungen (z.b. 0,5-1 MW el ) 23

24 Zusammenfassung Biomass-to-Grid ist mehr als Strom! Biomasse zur reinen Wärmeproduktion mittelfristig rückläufig Abfälle / Reststoffe! Kaskadische Biomassenutzung wird an Bedeutung gewinnen Wärme als Nebenprodukt (Bioraffinerien, Treibstoffe) Konversionstechnologien (thermo-/ biochemisch) je nach Rohstoff-eigenschaften Der Anteil der Stromproduktion aus Biomasse an der globalen Energieproduktion steigt Wärmespeicherkonzepte und Power-To-Gas- Technologien werden als Energiespeicherkonzepte an Bedeutung gewinnen 24

25 Herzlichen Dank für Interesse! Kontakt: DI Dr. Michael Harasek Technische Universität Wien Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften Getreidemarkt 9/166 A-1060 Wien T: michael.harasek@tuwien.ac.at