Optimierung von Erzeugung und Verbrauch

Transkript

1 THG Bilanz von Biomethan Upstream, Downstream: Optimierung von Erzeugung und Verbrauch Biogasplattform, 1. Workshop Berlin Karin Arnold Forschungsgruppe Zukünftige Energie- und Mobilitätsstrukturen

2 Treibhausgasemissionen und Treibhausgasvermeidung Auch Bioenergie ist nicht CO 2 -frei, sondern nur CO 2 -arm. Es gibt eine Vielzahl von Ökobilanzen der verschiedenen Bioenergiepfade, die Schwachstellen und damit Optimierungspotenzial aufzeigen. Entscheidend ist letztendlich die praktische Ausführung und der Betrieb der Anlage. Entscheidend für den Schutz von Klima und Umwelt ist aber nicht aussschliesslich, wie viel Treibhausgase (THG) durch Bioenergie freigesetzt werden entscheidend ist auch der Einsatz der Bioenergie. Durch den Einsatz von regenerativen Energieträgern müssen fossile Energien ersetzt werden - nur dann kommt es zu einer Vermeidung von Treibhausgasemissionen. Damit ist die Kenntnis des fossilen Referenzsystems von wesentlicher Bedeutung, wenn Bioenergie als Klimaschutz-Instrument eingesetzt werden soll. Es geht beim Klimaschutz um die Vermeidung von Treibhausgasen. 1

3 Biomethan: Optimierungspotenzial durch Anlagentechnik Der Fokus der Präsentation und derzugrunde liegenden Arbeiten liegt auf großmaßstäblichen, industrialisierten Biogas-Anlagen zur Einspeisung ins Erdgasnetz. Daher ist die Anlage nach dem Stand der Technik bereits eine sehr effiziente Anlage mit geringen Emissionen. Kleinere und eher landwirtschaftlich geprägte Biogasanlagen können teilweise nicht in gleicher Weise betrieben werden, was zu höheren THG Emissionen führen kann. Energie- versorgung BGA und Aufbereitung Schnittstelle Gasnetzeinspeisung Substratbereitstellung (inkl. Transport) Vorlager/ Silierung Fermentation Aufbereitung Gärrest (Lager, Transport, Ausbringung) 2

4 Auslegungs-Parameter: Stand der Technik und Sensitivität THG Emissionen können durch indirekte Effekte (Energieversorgung, landwirtschaftliche Vorkette) und direkte Leckage von Methan entstehen. Diese können im Reaktor selbst und im Gärrestlager auftreten, wenn dieses nicht abgedeckt ist. Zudem kann es in der Aufbereitungsanlage zu Leckagen kommen. Für industrielle Anlagen (zur Einspeisung) sind geschlossene Gärrestlager und Aftertreatment in der Aufbereitung vorgeschrieben und werden auch in der Regel so installiert. Aufgrund der hohen Klimarelevanz werden die Auswirkungen in der Sensivitätsanalyse dargestellt. Sensitivitäts-Analyse für Stand der Technik: Variante 1: erhöhte Methanemissionen aus dem Reaktor (1,5% instead of 1%) Variante 2: erhöhter Methanschlupf in der PSA (no after treatment; 2% instead of 0,01%) Variante 3: Gärrestlager nicht komplett geschlossen (moderate Emissionen von 2,5% des Gases) 26 April 2011 Quelle: WI,

5 Ergebnis der THG-Bilanz: Stand der Technik und Sensitivitäts-Analyse 97,3 109,2 133,8 158,7 Alle Varianten zeigen den Einfluss von direkten Methanemissionen. 26 April 2011 Quelle: WI,

6 Biomethan: Optimierungspotenzial durch Anlagentechnik In Absprache mit Anlagenbetreibern ist die Anlage nach dem Stand der Technik zu einer optimierten Technik weiterentwickelt worden. Die Unterschiede zwischen beiden Konfigurationen sind im Wesentlichen: weniger Verluste in der Silierung bessere Rohgasausbeute weniger Methanschlupf im Fermenter 5

7 Biomethan: Optimierungspotenzial durch Anlagentechnik Parameter Kombination aus geringeren Silierverlusten und höherem Rohgasertrag führt zu höherem Ertrag pro Hektar 6

8 Ergebnis der THG-Bilanz: Stand der Technik und optimierte Technik Die THG Emissionen können mit heutiger optimierter Technik um rund 30% reduziert werden. Quelle: WI,

9 Bereitstellung von Biomethan: Zwischenfazit Aufgrund der hohen Klimawirksamkeit von Methan kommt eventuellen Leckagen hohe Bedeutung zu. Gasverluste gilt es zu minimieren; Gärrestlager sind selbstverständlich abzudecken. Hoher Rohgasertrag pro Hektar (als Produkt aus Feldertrag und Gasausbeute) führt zu geringen spezifischen Aufwendungen der Vorkette. Dabei hat Mais deutliche Vorteile vor anderen Substraten; es existiert aber durchaus eine Vielzahl an Alternativen, die in regional angepassten Fruchtfolgen zufriedenstellende THG- Bilanzen aufweisen. Bei weitgehend optimierter Technik kommt der Substratauswahl hohe Bedeutung zu. 8

10 Einsatz von Bioenergie: vielfältige Optionen Unter den erneuerbaren Energieen ist Bioenergie die einzige, die flexibel in den drei Bereichen der Strom-, Wärme- und Kraftstoffbereitstellung einsetzbar ist. Dasselbe gilt für den Energieträger Biomethan. Der Einsatz in jedem der drei Bereiche hat seine spezifischen Vorteile. Das gilt inbesondere dann, wenn die Bewertung des besten Einsatzes nicht nur auf dem höchstmöglichen Klimaschutzbeitrag beruht. Strom: Bio-Strom ist besser regelbar als anderer REG-Strom Wärme: für viele Mieter derzeit die einzige Option auf reg. Wärme Kraftstoff: hohe Abhängigkeit von (importiertem) Öl Wir haben viele Probleme: das größte davon ist der Klimaschutz, aber eben nicht das einzige. Es geht darum, möglichst große Synergieeffekte auszuschöpfen. Die Bewertung von Bioenergiepfaden sollte möglichst vieldimensional sein. 9

11 Einsatz von Biomethan: was wird ersetzt? Sicht auf die heutige Situation in Deutschland Kraftstoff: Dominierend im Kraftstoffsektor sind die konventionellen, fossilen Kraftstoffe Diesel und Benzin. Trotzdem wird Biomethan als Kraftstoff wahrscheinlich vor allem Erdgas als Kraftstoff ersetzen, da ein Gasmotor Vorraussetzung ist. Wärme: Bei der Betrachtung der Wärmesektors ausserhalb der KWK ist Biomethan vor allem da attraktiv, wo die reinen Kosten nicht die einzige Rolle spielen. Auch hier ist der Ersatz von Erdgas die naheliegendste Option. Strom: KWK Derzeit wird davon ausgegangen [BMU, 2008: EE in Zahlen], dass Biogas überwiegend Mittel- (Steinkohle) und Spitzenlastkraftwerke (Erdgas) ersetzt. Stromanteil: siehe oben Zusätzliche Wärmegutschrift für Prozesswärme, Ersatz von Mix nach [BMU, 2008] 10

12 Treibhausgas-Emissionen verschiedener Energieträger 20. März

13 Einsatz von Biomethan: was wird ersetzt? Sicht auf die heutige Situation in Deutschland Aufgrund der Struktur der Energiebereitstellung ist die Verstromung besser als reine Wärme- oder Kraftstoffnutzung; bei KWK ist der Abstand noch höher. 550 g THG/kWh 350 g THG/kWh 150 g THG/kWh Direkter Vergleich (Wärme, Kraftstoff) Vergleich Stromsektor 12

14 Nutzungspfade für Biogas: Wirkungsgrade im Vergleich Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien, FNR, ifeu, 1/

15 Nutzungspfade für Biogas: Klimaschutzbeitrag im Vergleich Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien, FNR, ifeu, 1/

16 Ausblick: wie ändert sich dieses Bild in den kommenden Jahren? Bei den dargestellten Aussagen handelt es sich bisher ausschließlich um Momentaufnahmen, die vor dem Hintergrund des derzeitigen deutschen Energiesystems getroffen werden. Biomethananlagen haben aber eine Laufzeit, die einen Blick auf die nächsten Jahre durchaus notwendig machen eine mindestens mittelfristige Einsatzstrategie ist notwendig. Dazu ist es notwendig, die zu erwartenden Änderungen sowohl auf der Angebotsseite bei der Erzeugung von Biomethan, als auch auf der Nachfrageseite im Energiesystem zu berücksichtigen. Wie verändern sich die Rahmenbedingungen, die durch das Energiesystem gegeben werden, im Ausblick bis 2030 / 2050? Wo kann durch den Einsatz von Biogas / Bioenergie der größte Effekt erreicht werden? Welche Einsatzpriorität leitet sich daraus für die verschiedenen Anwendungen ab? 15

17 Das Gesamtsystem bis Emissionen nach Sektoren Entwicklung nach Leitstudie 2010 Klimaschutz ernstgenommen: 80 90% Minderung der Treibhausgasemissionen in Deutschland bis 2050 Quelle: BMU Leitstudie Ausbau EE,

18 Anwendungspfade für Biomethan: THG Einsparung in den verschiedenen Sektoren Einsatz in KWK verbindet Einsparungen aus Strom- und Wärme- Sektor effizienteste Nutzung auch im Ausblick Durch Effizienzsteigerung und den vermehrten Einsatz erneuerbarer Energien wird die THG-Minderung durch Biomethan im Ausblick geringer. Über die Verstromung (bzw. KWK-Nutzung) werden weiterhin die größten Minderungen erzielt. 17

19 Zusammenfassung und Fazit Bereits heute steht eine effiziente Technik zur Bereitstellung von Biomethan zur Einspeisung zur Verfügung. Mit heutiger optimierter Technik können die THG Emissionen von Biomethan jedoch um rund ein Drittel gesenkt werden. Für Erdgas werden aufgrund geänderter Lieferstrukturen und bedingungen im Zeitverlauf höhere THG-Emissionen sowie Preise erwartet. Biomethan wird daher im direkten Vergleich ökologisch und ökonomisch attraktiver. Zahlreiche Untersuchungen belegen, dass die THG Minderung bei Erzeugung von Strom bzw. KWK-Strom durch Biomethan verglichen mit den anderen Anwendungen am höchsten sind. An dieser Einsatz-Priorität wird sich auch im Ausblick bis 2030 und darüber hinaus nichts ändern. 18

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Wuppertal Paper 182 (A. Vetter & K. Arnold) Klima- und Umwelteffekte von Biomethan: Anlagentechnik und Substratauswahl Dipl.-Ing. Karin Arnold Forschungsgruppe I Zukünftige Energie- und Mobilitätsstrukturen Tel (-198 Fax) karin.arnold@wupperinst.org