Kriterien für eine effiziente und nachhaltige Technologieentwicklung

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1 Kriterien für eine effiziente und nachhaltige Technologieentwicklung Dr.-Ing. Matthias Gaderer , Leipzig 1 Gliederung 1. nachhaltig 2. effizient CO 2,, 3. wirtschaftlich, 4. Risiko Realisierung, Technikfolgen, 5. ganzheitliches Bild..., Ökoeffizienz, 6. Zusammenfassung und Diskussion Dr.-Ing. Matthias Gaderer 2

2 Dezentrale Herstellung von synthetischem Erdgas (SNG) aus dem Produktgas eines allotherm betriebenen Biomasse-Vergasers (Verbundvorhaben 03KB FLUHKE - Flugstromvergasung mit Biokohlen aus der hydrothermalen Karbonisierung zur dezentralen Energiebereitstellung von Strom- und Wärme mit einem Motor-BHKW (Verbundvorhaben) 03KB074B Dr.-Ing. Matthias Gaderer 3 CO 2 Bilanz der Prozesskette (Emission) Anaerobe Fermentation von Biomasse zu Biogas Treibhausgasemissionen CO 2 - Bilanz CO 2Äquivalent /MWh el/th t CO2 - Äquivalent/Jahr Emissionen Gutschriften zusätzliche Emissionen bei Betrieb ohne Notfackel (4.) zusätzliche Emissionen bei nicht abgedecktem Endlager (6.) für den Gärrest 1. Bau und Betrieb & 3. Gasverlust durch Folie (Gaslagerung) 2. Substratanbau und Bereitstellung 4. Gasfreisetzung bei Motorstillstand ohne Fackel 5. Methanschlupf bei der Verbrennung im Motor 6. Endlager ohne Abdeckung (Restgaspotenzial) für Methan 5% 7. Ausbringung der Gärreste 8. Gutschrift Mineraldüngerersatz 9. Gutschrift Minderung Methan gegenüber Gülle 10. Gutschrift Abwärmenutzung Gebäude 11. Gutschrift Stromerzeugung

3 CO 2 Bilanz der Prozesskette (Emission) 5 Alternativen Bewertungsmethoden der Nachhaltigkeit von Prozessketten Kumulierte Energieaufwand (KEA) KEA KNRA KREA Kumulierte nicht regenerativer Energieaufwand (KNRA) Kumulierte regenerativer Energieaufwand (KREA) Kumulierte Energieverbrauch (KEV) alle nicht regenerativen Aufwendungen für die Gewinnung, Aufbereitung und den Transport sowie den fossilen Brennstoff selbst Der Wert beinhaltet alle regenerativen Aufwendungen für die Gewinnung, Aufbereitung und den Transport sowie einen regenerativen Brennstoff (z. B. Biomasse) schließt die nicht energetisch genutzten und Entsorgung von Produkten aus Erntefaktor (EF) η W KNRA η W KNRA W η 6

4 Alternativen Bewertungsmethoden der Nachhaltigkeit von Prozessketten Bereitstellungsgrad, Bereitstellungsnutzungsgrad ( ) η W KEA genutzten Energie (W zum gesamten regenerativen und nicht regenerativen Energieaufwand (KEA) Energierückholzeit (t ER ) t t η t Lebensdauer Sustainable Process Index (SPI) Erdoberfläche als Basisdimension und solare Exergie (Vergleichswerte) 7 Produktion von RME Feldarbeit Dünger Pflanzenschutz 17,9 % 100% Rapskörner Prozessenergie 6,4 % Prozessenergie 12,2 % RME 65,5 % Rapsschrot Verluste und Rückstände Erntefaktor: Berücksichtigt nur nichtregenerativen Energieaufwand Bereitstellungsnutzungsgrad: Berücksichtigt nicht-regenerativen und regenerativen Energieaufwand Erntefaktor RME: 179 % Erntefaktor Diesel: 87 % aber: Bereitstellungsnutzungsgrad RME: 48 % Bereitstellungsnutzungsgrad Diesel: 87 % 8

5 Biogasproduktion 18,2 % Betriebsstoffe Wärmebedarf (23,8 %) Strombedarf (3,8 %) NaWaRo 25,2 % 100 % Biomasse 23,6 % ungenutzte Biomasse 7,2 % Verluste 16,4 % Abwärme Stromüberschuss 46,5 % Verluste Erntefaktor Biogas = 25,2/(18,2%) = 138 % Bereitstellungsgrad Biogas = 25,2/(100+18,2) = 21,31% 9 Fazit Nachhaltigkeit CO 2 -äquivalent Werte sind Transparent und verständlich Offene Fragen: - Versauerung von Böden das SO 2 -Äquivalent - Wasserbedarf - Toxizität - Flächenbedarf Andere Bewertungen erscheinen schwer verständlich (hoher Erklärungsbedarf) - Erntefaktor - Bereitstellungsgrad - Energierückholzeit 10

6 Optimierung des Prozessverlauf (Wirkungsgrad) Biomassevergasung und Methanisierung Wirkungsgrade Kaltgas-Wirkungsgrad (Vergaser) Ausbeute, C-Umwandlungsgrad KG m Biomasse n m LHV CH 4 CH 4 n C, Biomasse SNG LHV SNG m Biomasse LHV H 2 H 2 Kraft-Wärme-Kopplung η, P, Q Q, η, η, 11 Kraft-Wärme-Kopplung Berechnungsmethoden Exergetische Wirkungsgrad Wärme und Strom/chemische Energie über Exergie E, ä η Q η 1 T, T ä, T, T, T, ln T, /T, m... mittel R... Rücklauf V Vorlauf Finnische Methode THG-Methode IEA- und Wirkungsgrad- Methode Kalorische Methode Vergleich gegenüber der getrennten Erzeugung statt THG-Emissionsfaktoren der kompletten Lebenswege verwendet Beide basieren auf den Wirkungsgraden der KWK-Erzeugungsanlage Aufteilung der eingesetzten Brennstoffenergien nach dem Verhältnis der entstehenden Wärme- wie Strommengen 12

7 IEA- und Wirkungsgrad-Methode α Allokationsfaktor Wärme α Allokationsfaktor Elektrizität Q, α Q Q,... Brennstoffanteil Elektrizität Q... Brennstoffanteil gesamt α α 1 Q, = α Q Q,... Brennstoffanteil Wärme Q... Brennstoffanteil gesamt Wirkungsgradmethode η thermischer Wirkungsgrad η elektrischer Wirkungsgrad η α 1 α η η IEA Methode (International Energy Agency) η α 1 α η η 13 Kraft-Wärme-Kopplung Berechnungsmethoden - Vergleich 14

8 Fazit Effizienz Wirkungsgrade sind Transparent Jedoch beachten - brutto, netto (mit ohne Eigenverbrauch) - Heizwert Basis Hu (selten Ho, USA) Für KWK verschiedenen Bewertungsmethoden verfügbar - Exergie im technischen Bereich üblich - Da diese jedoch nicht die vorteilhafteste Methode ist, sind auch andere in Verwendung (z. B. IEA). 15 Teil der Nachhaltigkeit ist die Wirtschaftlichkeit VDI 2067 dynamisch überschaubar im Umfang teilweise intransparent in der Dynamik gute Vergleichbarkeit gleicher Systeme größerer Aufwand Cash-Flow Aus der G&V,damit verständlich für Banken unübersichtlich bei großen Projekten, daher fehleranfällig verständliches und transparentes Ergebnis 16

9 Teil der Nachhaltigkeit ist die Wirtschaftlichkeit Cash-Flow Beispiel Photovoltaikanlage 100 kw-peak kumulierter Cash-Flow Leistung 100 kw Kosten pro kw Peak /kw Vollaststunden 980 h Gesamtkosten Einstrahlung W/m²K Betriebskosten 2 % von Invest Wirkungsgrad 14 % EEG Erlös 30,06 Cent/kWhel spezifische Flächenleistung 140 W/m² Jahresstromproduktion kwh Flächenbedarf 714 m² Jahresertrag /a Kostensteigerung 3 % Jahr Anschaffungskosten Ausgaben A Betriebskosten Einnahmen E EEG Zeitwert Cash Flow (Zeitwert-CF = E-A) Gesamtkapitalrendite 10,42% interner Zinssatz 7,42% nach Kapitalzinsen (3 %) Abzinsungn auf den heutigen Wert Kalkulationszinssatz i 3,00% Abzinsungsfunktion 1,000 0,971 0,943 0,915 0,888 0,863 0,837 Barwert Cash Flow (EÜ) Kapitalwert > 0 d.h. Gewinn kumulierte Barwert Cash Flow Teil der Nachhaltigkeit ist die Wirtschaftlichkeit Cash-Flow Beispiel Photovoltaikanlage 100 kw-peak kumulierter Cash-Flow Leistung 100 kw Kosten pro kw Peak /kw Vollaststunden 980 h Gesamtkosten Einstrahlung W/m²K Betriebskosten 2 % von Invest Wirkungsgrad 14 % EEG Erlös 30,06 Cent/kWhel spezifische Flächenleistung 140 W/m² Jahresstromproduktion kwh Flächenbedarf 714 m² Jahresertrag /a Kostensteigerung 3 % Jahr Anschaffungskosten Ausgaben A Betriebskosten Einnahmen E EEG Zeitwert Cash Flow (Zeitwert-CF = E-A) Gesamtkapitalrendite 10,42% interner Zinssatz 7,42% nach Kapitalzinsen (3 %) Abzinsungn auf den heutigen Wert Kalkulationszinssatz i 3,00% Abzinsungsfunktion 1,000 0,971 0,943 0,915 0,888 0,863 0,837 Barwert Cash Flow (EÜ) Kapitalwert > 0 d.h. Gewinn kumulierte Barwert Cash Flow

10 Cash-Flow mit Zinszahlung Beispiel Photovoltaikanlage 100 kw-peak mit Zinskosten Leistung 100 kw Kosten pro kw Peak /kw Vollaststunden 980 h Gesamtkosten Einstrahlung W/m²K EEG Erlös 30,06 Cent/kWhel Wirkungsgrad 14 % Jahresstromproduktion kwh spezifische Flächenleistung 140 W/m² Jahresertrag /a Flächenbedarf 714 m² Kapitalwertmethode Jahr Anschaffungskosten Zinsen aus Annuitätsrechnung Tilgung aus Annuitätenrechnung Kostensteigerung 3,00 % Weitere Kosten Einnahmen E EEG Zeitwert Cash Flow (Zeitwert-CF = E-A) Gesamtkapitalrendite 7,02% interner Zinssatz Abzinsungn auf den heutigen Wert Kalkulationszinssatz i 3,00% Abzinsungsfunktion 1,000 0,971 0,943 0,915 0,888 0,863 0,837 Barwert Cash Flow (EÜ) Kapitalwert kumulierte Barwert Cash Flow Zeitperiode T 20 Jahre Annuitätsfaktor a 0, Zinssatz z 3,00 % Annuität Kredit Zinsen Cash-Flow mit Zinszahlung Beispiel Photovoltaikanlage 100 kw-peak mit Zinskosten Leistung 100 kw Kosten pro kw Peak /kw Vollaststunden 980 h Gesamtkosten Einstrahlung W/m²K EEG Erlös 30,06 Cent/kWhel Wirkungsgrad 14 % Jahresstromproduktion kwh spezifische Flächenleistung 140 W/m² Jahresertrag /a Flächenbedarf 714 m² Kapitalwertmethode Jahr Anschaffungskosten Zinsen aus Annuitätsrechnung Tilgung aus Annuitätenrechnung Kostensteigerung 3,00 % Weitere Kosten Einnahmen E EEG Zeitwert Cash Flow (Zeitwert-CF = E-A) Gesamtkapitalrendite 7,02% interner Zinssatz Abzinsungn auf den heutigen Wert Kalkulationszinssatz i 3,00% Abzinsungsfunktion 1,000 0,971 0,943 0,915 0,888 0,863 0,837 Barwert Cash Flow (EÜ) Kapitalwert kumulierte Barwert Cash Flow Zeitperiode T 20 Jahre Annuitätsfaktor a 0, Zinssatz z 3,00 % Annuität Kredit Zinsen

11 CO 2 -Vermeidungskosen CO 2 -Vermeidungskosten Bio SNG-BHKW gegenüber Erdgas-BHKW gegenüber Einzelerzeugung Mehrkosten SNG /y /y gegenüber Erdgas BHKW 698 t CO 2 äqu./jahr 912 t CO 2 äqu./jahr CO 2 Vermeidungskosten direkt 27 /Tonne CO 2 59 /Tonne CO 2 Vermiedenen externe Kosten maximal (UBA) -72 /Tonne CO 2-72 /Tonne CO 2 minimal (Priess et al.) -24,1 /Tonne CO 2-24,1 /Tonne CO 2 Summe Vermeidungskosten volkswirtschaftlich min -45 /Tonne CO 2-13 /Tonne CO 2 Vermeidungskosten volkswirtschaftlich max 3 /Tonne CO 2 35 /Tonne CO 2 UBA (2007) Ökonomische Bewertung von Umweltschäden. Methodenkonvention zur Schätzung externer Umweltkosten. Dessau. PREISS, P., et al. (2008), Social costs of innovative electricity generation technologies in the present and in Kraftwerkstechnisches Kolloquium Bewertung Nachhaltigkeit, Effizienz und Risiko Parameter Nachhaltigkeit CO 2, äq. Versauerung Wasserverbrauch Flächenbedarf Langzeitfolgen Effizienz technisch Wirkungsgrad Betriebssicherheit Flexibilität (Wärme/Strom), ect. Komplexität - Risiko Anzahl Wärmeübertrager (Komplexität) Anzahl Medien im System Anzahl Konversionen von Medien Verfügbarkeit des Energieträgers Rückbau Anlage Wirtschaftlichkeit Brennstoffqualität und Kosten Wirtschaftlichkeit (Rendite, ect.) Investitionshürde (Finanzierbarkeit) Abhängig von staatliche Subvention Abhängig von Kosten anderer Energieträger Entsorgungsaufwand Reststoffe 22

12 Ökologisch- Ökonomisch+ Effizient = Ökoeffizienz Ökoeffizienz-Analyse Bewertung der Umweltfaktoren Life Cycle Assessment Ökobilanz nach DIN EN ISO ff Ökoeffizienz-Analyse. Aktuelle Grundlagenstudie Moderne Heizsysteme im Vergleich. 23 Ökologisch- Ökonomisch+ Effizient = Ökoeffizienz Ökoeffizienz-Analyse Darstellung der Ökoeffizienz & Kosten hohe Ökoeffizienz gut geringe Ökoeffizienz schlecht teuer kostengünstig Bildquelle: Wingas, Ökoeffizienz-Analyse. Aktuelle Grundlagenstudie Moderne Heizsysteme im Vergleich. 24

13 Zusammenfassung Nachhaltigkeit CO 2, äq. /MWh Ökonomie VDI 2067 Cash Flow Effizienz & Exergie Risiko Komplexität & Betrieb Dr.-Ing. Matthias Gaderer Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Dr. M. Gaderer 25