Biomasse als Basis einer neuen regionalen Energieversorgungsstruktur: Potenziale, Techniken, Kosten

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1 Biomasse als Basis einer neuen regionalen Energieversorgungsstruktur: Potenziale, Techniken, Kosten Jörg Schindler, Werner Weindorf 1. Aachener Anwenderforum für Bioenergienutzung in Stadt und Region Aachen, 29. April 2003 L-B- Systemtechnik GmbH Ottobrunn

2 Energetische Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse Wärme Biomasse Strom Kraftstoffe

3 Biogas aus Gräsern: die unterschätzte Energiequelle! Ein Schwerpunkt dieser Präsentation: Nutzung zur Stromerzeugung sowie für Kraftstoffe möglich Dezentrale Anlagentechnik Große Potenziale zur Energiegewinnung Ökologisch vorteilhaft Perspektivisch ergeben sich vielfältige technische und wirtschaftliche Möglichkeiten bei Nutzung des bestehenden Erdgasnetzes

4 Kraftstoffe aus Erneuerbaren Energiequellen Strom Wind Wasserkraft Solarstrahlung Geothermie Wasserstoff Methanol Synfuel Biomasse Biomasse zur Vergärung Lignocellulose CMG Ethanol Zuckerpflanzen Ölpflanzen Pflanzenöl/RME

5 Biokraftstoffe: CMG (Compressed Methane Gas) aus Biogas Vergärbare Biomasse (z.b. Biomüll, Grasschnitt) Biogasanlage (Vergärung) Methan CO 2 Netz Wärme Gasmotor Spülgas Druckwechseladsorption (DWA) Z.B. Kompogas (Schweiz) Verdichtung CMG (> 96% Methan)

6 Mögliche Stromerzeugung via Biogas aus Gräsern Typische Anlagengrößen und notwendige Flächen P el (el) Fläche Strommenge kw % ha kwh el /a kwh el /ha/a 60 26, , , , , Annahmen Biomasseertrag je Fläche Spezifischer Biogasertrag aus Biomasse Unterer Heizwert H u (Biogas) Jahresvollbenutzungsdauer der Anlage 15 t TS/ha/a 0,45 Nm 3 /kg TS 6,5 kwh/nm 3 Biogas h/a Wirkungsgrade der Gasmotoren nach: Pro-2 Anlagentechnik GmbH in Willich

7 Biogas aus Gräsern: Nutzung in einer MCFC (stationär) Elektrische Wirkungsgrade MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) Synthesegas 42% Erdgas 52% Biogas 54% Quelle: MTU 2000 Gründe für den höheren Wirkungsgrad der Biogasnutzung in der MCFC: Die Interne Reformierung wird mit Wärme aus der MCFC (650 C) angetrieben Carbonat-Ionen (CO 3 2-) sind die Ladungsträger, daher ist CO 2 erforderlich (und im Biogas vorhanden)

8 Biogas aus Gräsern: Nutzung in einer MCFC (stationär) Strom (Hilfsenergie): 17 kw Biogasanlage Biogas (CH 4, CO 2 ) Strom netto: 283 kw (Einspeisung ins Netz) Wärme: 85 kw (Heizung Fermenter) MCFC (Hot Module) Wärmeauskopplung (optional) (elektrisch) 51% (bezogen auf den unteren Heizwert des rohen Biogases)

9 Biokraftstoffe: CGH 2 (Compressed Gaseous Hydrogen) aus Biogas Vergärbare Biomasse (z.b. Biomüll, Grasschnitt) Spülgas Biogasanlage (Vergärung) Methan Dampfreformer CO, Wasserstoff Tankstelle mit Dampfreformer in Japan (Toho Gas, Tokai, Japan) CO-Shift Druckwechseladsorption (DWA) Verdichtung Druckwasserstoff (für 70 MPa FZ-Tanks)

10 Biogas aus Gräsern: Gaseinspeisung Einspeisung von Methan ins Erdgasnetz, Entnahme aus dem Erdgasnetz Erdgasnetz Wohgebäude *) BHKW *) Biogasanlage CNG-Tankstelle (Kompogas) CGH 2 -Tankstelle *) mit Reformer (Toho Gas, Tokai, Japan) *) bisher nur Erdgas Vorraussetzung: Gaseinspeisegesetz

11 Wassertoff-Tankstellen für Druckwasserstoff (CGH 2 ) CGH 2 -Tankstelle mit Wasserstofferzeugung via Elektrolyse mit PV-Strom Honda Research and Development Center Torrance, Kalifornien, USA, 2001 CGH 2 -Tankstelle mit Wasserstofferzeugung via Dampfreformierung von Erdgas (auch für Biogas möglich) Toho Gas, Tokai, Japan 2002

12 Biogas aus Gräsern: Realisierte Anlagen Gemeinschaftsbiogasanlage Josef Priedl/Gerhard Eigner, Burgenland, Österreich Einsatzstoff: Sudangras Ertrag: 25 t TS /ha/a (zweimalige Ernte) 10 t TS /ha/a (einmalige Ernte) Biogasproduktion: 0,450-0,500 Nm 3 /kg TS Biogasverwertung: BHKW (115 kw el ) Biogasanlage Ludwig Müller, Kärnten, Österreich Einsatzstoff: vorhandenes Gras-Leguminosengemisch Ertrag: t TS /ha/a (mehrmaliger Schnitt) Biogasproduktion: 0,450 Nm 3 /kg TS Biogasverwertung: BHKW (30 kw el )

13 Biogas aus Gräsern: Realisierte Anlagen Biogasanlage Martin Schulze, Brandenburg, Deutschland Einsatzstoff: Roggensilage Ertrag: 35 t Silage/ha/a Biogasproduktion: Nm 3 Biogas/ha/a Fläche: 150 ha Biogasverwertung: BHKW ( 2 Mio kwh/a) Nutzung der Abwärme des BHKW zur Deckkung des Wämebedarfs der Biogasanalage selbts und zur Trocknung von Arznei- und Heilpflanzen, die auf einen Teil der Flächen angebaut werden Vergärung zusammen mit Gemüseabfällen, Preßschnitzeln und Trester

14 Biogas aus Gräsern: Realisierte Anlagen Gemeinschaftsbiogasanalge St. Martin, Burgenland, Österreich Einsatzstoff: Sudangras (teilweise direkt, teilweise als Silage) Biogasproduktion: Nm 3 /a Biogasverwertung: BHKW (160 kw el )

15 Biogas aus Gräsern: Potenziale (Biogas brutto) Graspflanze t TS /ha/a Nm 3 4) /kg TS GJ/ha/a Quelle Sudangras 1) 25 0, [Graf 2001] Sudangras 2) 10 0, [Graf 2001] Grasschnitt 3) , [Graf 2001] Gras (Bandbreiten) , [Graf 2001] Grasschnitt , [Kopetz 2002] Roggen (Silage) 172 [Biogas 2003] 1) Gemeinschaftsanlage Priedl/Eigner, zweimalige Ernte pro Jahr 2) Gemeinschaftsanlage Priedl/Eigner, Sudangras als Nachfolgefrucht von Wintergetreide 3) Biogasanlage Müller, im Winter Grassilage, im Sommer reiner Grünschnitt, mehrere Schnitte pro Jahr 4) Mittlerer Heizwert des Biogases: H u = 23,4 MJ/Nm 3 Quellen: [Graf 2001] Graf, W.: Kraftwerk Wiese, Strom und Wärme aus Gras; zweite erweiterte Auflage; 2001; ISBN [Kopetz 2002], Kopetz, H., Landeskammer für Land- und Forstwirtschaft Steiermark, Österreich, Juli 2002 [Biogas 2003] Biogasanlage in Brandenburg;

16 Biogas aus Gräsern: Potenziale (CMG, netto) (Wirkungsgrad der Erzeugung von CMG - Compressed Methane Gas - aus Biogas: 67,6%) Graspflanze GJ Biogas /ha/a GJ CMG /ha/a Quelle Sudangras 1) [Graf 2001] Sudangras 2) [Graf 2001] Grasschnitt 3) [Graf 2001] Gras (Bandbreiten) [Graf 2001] Grasschnitt [Kopetz 2002] Roggen (Silage) [Biogas 2003] 1) Gemeinschaftsanlage Priedl/Eigner, zweimalige Ernte pro Jahr 2) Gemeinschaftsanlage Priedl/Eigner, Sudangras als Nachfolgefrucht von Wintergetreide 3) Biogasanlage Müller, im Winter Grassilage, im Sommer reiner Grünschnitt, mehrere Schnitte pro Jahr Zum Vergleich RME-Ertrag (Deutschland) GJ/ha/a (Winterraps) [Kaltschmitt 2001] GJ/ha/a (Winterraps, Deutschland) [FfE 1998], für EU 5% weniger

17 Biogas aus Gräsern: Potenziale für Wasserstoff (CGH 2, netto) (Wirkungsgrad CGH 2 aus Biogas: 44,4%) Graspflanze GJ Biogas /ha/a GJ CGH2 /ha/a Quelle Sudangras 1) [Graf 2001] Sudangras 2) [Graf 2001] Grasschnitt 3) [Graf 2001] Gras (Bandbreiten) [Graf 2001] Grasschnitt [Kopetz 2002] Roggen (Silage) [Biogas 2003] 1) Gemeinschaftsanlage Priedl/Eigner, zweimalige Ernte pro Jahr 2) Gemeinschaftsanlage Priedl/Eigner, Sudangras als Nachfolgefrucht von Wintergetreide 3) Biogasanlage Müller, im Winter Grassilage, im Sommer reiner Grünschnitt, mehrere Schnitte pro Jahr Zum Vergleich RME-Ertrag (Deutschland) GJ/ha/a (Winterraps) [Kaltschmitt 2001] GJ/ha/a (Winterraps, Deutschland) [FfE 1998], für EU 5% weniger

18 Biogas aus Gräsern: Ökologische Aspekte Gedüngt wird mit der ausgegorenen Biomasse (dadurch ergibt sich ein geschlossener Kreislauf) Kein Einsatz von Mineraldünger, dadurch keine Emissionen aus der Düngermittelbereitstellung und niedrigere Emissionen von N 2 O (Lachgas) aufgrund niedrigerer Nitratauswaschung. Kein Einsatz von Pestiziden Geringe Bodenverdichtung, da Einsatz leichter Maschinen (dadurch u.a. reicheres Bodenleben, niedrigere N 2 O-Emissionen*) Keine Fruchtfolgerestriktionen (weil Grünland), im Gegensatz zu anderen Pflanzen wie z.b. Raps * Bei verdichteten Böden wurden um bis zu Faktor 40 höhere N 2 O-Emissionen gegenüber nicht verdichtete Böden gemessen [Georg-August-Universität Göttingen 2001]

19 N 2 O-Emissionen: Vergleich CMG aus Gräsern mit RME (nach IPCC) Annahme: Direkte N 2 O-Emissionen bei Grünland wie bei Ackerland N 2 O-Emissionen [g/kwh KS ] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 141 kg synthetischer N-Dünger 3 kg aus Rapsstroh, netto *) 101 kg synthetischer N-Dünger 43 kg aus Rapsstroh Indirekt aus Herstellung synth. N-Dünger Indirekt aus Auswaschung Indirekt aus NOx und NH3 Direkt 101 kg N-Dünger organisch (Mist/Gülle) 43 kg (Rapsstroh) 101 kg N-Dünger organisch (Rapsschrot) 43 kg (Rapsstroh) 0 CMG (Gras) RME RME RME RME konventionell kontrolliert biologisch (kba) *) Referenzsystem: Gründüngung mit Leguminosen (40 kg) (=> 43 kg aus Rapsstroh - 40 kg aus Leguminosen = 3 kg)

20 Potenziale von Ölpflanzen: Grenzen wegen Fruchtfolgerestriktionen Im konventionellem Landbau sollen Raps und Sonnenblumen einen Anteil von nicht mehr als 20-25% in der Fruchtfolge einnehmen. => Obere Grenze für die verfügbare Anbaufläche in der EU: ca. 19 Mio. ha Im ökologischen Landbau sollen der Anteil von Raps und Sonnenblumen in der Fruchtfolge nicht mehr als 14-17% => Obere Grenze für die verfügbare Anbaufläche in der EU: ca. 13 Mio. ha Basis der Rechnung ist eine Ackerfläche in der EU von 77 Mio. ha Quellen: Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie, Februar 1999; Kaltschmitt 2001

21 Ölpflanzen: Anbau in Mischkulturen (z.b. Leindotter) Pflanzen werden zusammen mit anderen Nutzpflanzen angebaut Ertrag: l Pflanzenöl/ha/a 2,9-5,6 GJ/ha Kumulierter Energieaufwand im konventionellen Anbau ca GJ/ha/a *) Kumulierter Energieaufwand im ökologischen Anbau ca. 6,8 GJ/ha/a *) (davon 2,0 GJ/ha/a *) für Treib- und Schmierstoffe) => Ölertrag kann einen erheblichen Beitrag zum Energiebedarf einer ökologisch ausgerichteten Landwirtschaft decken => Eine vollständige Substitution des Treibstoff- und Schmierstoffbedarfs in der Landwirtschaft wäre möglich (aber nicht mehr) *) Zukunftsfähiges Deutschland, Studie des Wuppertal Instituts für Klima, Umwelt, Energie GmbH; Birkhäuser Verlag 1996, S. 318

22 Technische Potenziale Kraftstoffe aus Biomasse in der EU ( Bandbreite ) TWh/a Schienenverkehr Binnenschiffahrt Zivile Luftfahrt Straßenverkehr Potenziale zeigen mögliche Altermativen und können nicht addiert werden. Verfügbare Fläche für Energiepflanzen in der EU: 3,3-26,4 Mio ha Anbau (schnellwachsende Bäume) Anbau (Gräser) Restholz, Reststroh Nicht mehr als 25% der Ackerfläche möglich (max. 19 Mio ha Ölpflanzen) 500 Via Biogas 0 Demand min max min max min max min max min max min max 2) (Transport) ) Biogas (Methan) Wasserstoff (Druck) Methanol Synfuel Pflanzenöl Ethanol aus Lignocellulose 1) Quelle: IEA-Statistics ) Butto (ohne Berücksichtigung des Energieaufwandes für die Bereitstellung), Ölertrag: GJ/ha/a (Raps, Sonnenblumen)

23 Technische Potenziale Kraftstoffe aus Biomasse in der EU ( sinnvoll ) TWh/a Schienenverkehr Binnenschiffahrt Zivile Luftfahrt Straßenverkehr Potenziale zeigen mögliche Altermativen und können nicht addiert werden. Verfügbare Fläche für Energiepflanzen in der EU: 7.2 Mio ha 1500 Anbau (schnellwachsende Bäume) 1000 Anbau (Gräser) Restholz, Reststroh 500 Via Biogas 0 Demand min max min max min max min max min max min max 2) (Transport) ) Biogas (Methan) Wasserstoff (Druck) Methanol Synfuel Pflanzenöl Ethanol aus Lignocellulose 1) Quelle: IEA-Statistics ) Butto (ohne Berücksichtigung des Energieaufwandes für die Bereitstellung), Ölertrag: GJ/ha/a (Raps, Sonnenblumen)

24 Spezifische Hektarerträge verschiedener Kraftstoffe aus Biomasse (brutto) [GJ/ha/a] Bruttowerte (Kraftstoffoutput ohne Berücksichtigung des externen Energieeinsatzes und ohne Gutschriften für Nebenprodukte) Synfuel: Diesel, Kerosin, Naphtha Bandbreite 0 CMG-Biogas Methanol-Kurzumtrieb Synfuel-Kurzumtrieb CGH2-Kurzumtrieb Ethanol-Zuckerrüben CGH2-Biogas Ethanol-Kurzumtrieb LH2-Kurzumtrieb Pflanzenöl RME Quellen: Biofuels 2000; DM2 2001; FfE 1998; Graskraft 2000; Haldor Topsoe 1998; NREL 1999; UBA 1999; UET 2001; Kaltschmitt 2001

25 Spezifische Hektarerträge verschiedener Kraftstoffe aus Biomasse (netto) Nettowerte (Primärenergie-Substitution) Synfuel: Diesel, Kerosin, Naphtha [GJ/ha/a] Bandbreite 0 CMG-Biogas Methanol-Kurzumtrieb Synfuel-Kurzumtrieb CGH2-Kurzumtrieb Ethanol-Zuckerrüben CGH2-Biogas Ethanol-Kurzumtrieb LH2-Kurzumtrieb Pflanzenöl RME RME: oberer Wert: Nebenprodukt Glycerin verdrängt konventionell hergestelltes Glycerin Quellen: Biofuels 2000; DM2 2001; FfE 1998; Graskraft 2000; Haldor Topsoe 1998; NREL 1999; UBA 1999; UET 2001; Wuppertal 1999

26 Spezifische Hektarerträge verschiedener Kraftstoffe umgerechnet in FZ-km/a Wasserstoff: FC Methanol, Ethanol: FPFC CMG, Synfuel, Pflanzenöl, RME: DI-ICE Bandbreite 0 CMG-Biogas Methanol-Kurzumtrieb Synfuel-Kurzumtrieb CGH2-Kurzumtrieb Ethanol-Zuckerrüben CGH2-Biogas Ethanol-Kurzumtrieb LH2-Kurzumtrieb Pflanzenöl RME Referenzfahrzeug: Opel Zafira [km/ha/a]

27 Anzahl PKW, die pro ha Anbaufläche versorgt werden können Wasserstoff: CMG, Synfuel, Pflanzenöl, RME: DI-ICE FC Methanol, Ethanol: FPFC Bandbreite 0 CMG-Biogas Methanol-Kurzumtrieb Synfuel-Kurzumtrieb CGH2-Kurzumtrieb Ethanol-Zuckerrüben CGH2-Biogas Ethanol-Kurzumtrieb LH2-Kurzumtrieb Pflanzenöl RME Referenzfahrzeug: Opel Zafira Jahresfahrleistung: km [PKW/ha]

28 Kraftstoffkosten bezogen auf 1 Liter Benzineinheit (H u = 8,9 kwh/l) 300 Benzin/Diesel Ohne Steuern Mit Steuern 100 US$/barrel (ohne Steuern) CGH 2 aus Erdgas (onsite SR): EtOH (Zuckerrüben) 370 g/kwh 0.62 EUR/l BE ) CO 2 -Äquivalent [g/kwh] Rapsöl EtOH (Restholz) MeOH (Restholz) FT-Diesel (Restholz) CMG (Biogas aus Biomüll) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 CGH 2 (Restholz) RME FT-Diesel (Kurzumtrieb) CMG (Biogas aus Grünschnitt) CGH 2 (Biogas aus Grünschnitt) CGH 2 (Wind) LH 2 (Wind) LH 2 (SOT) LH 2 (Restholz) Kraftstoffkosten [EUR/l BE ]

29 Kraftstoffkosten bezogen auf den gefahrenen km 200 Benzin/Diesel Ohne Steuern 100 US$/barrel (ohne Steuern) Mit Steuern CGH2, LH2: FC Ethanol, Methanol: FPFC Diesel, RME, Rapsöl, FT-Diesel: ICE (Diesel) Benzin, CMG: ICE (Otto) CO 2 -Äquivalent [g/km] 100 EtOH (Zuckerrüben) CGH 2 (Erdgas) FT-Diesel (Restholz) EtOH (Restholz) RME Rapsöl FT-Diesel (Kurzumtrieb) CMG (Biogas aus Grünschnitt) MeOH (Restholz) CGH 2 (Biogas aus Grünschnitt) 0 0 0,03 0,06 0,09 CGH 2 (Restholz) CGH 2 (Wind) LH 2 (Restholz) Kraftstoffkosten [EUR/km] LH 2 (Wind) LH 2 (SOT) CMG (Biogas aus Biomüll)

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