Bioenergie im Kontext der erneuerbaren Energien in Deutschland

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1 Technische Universität Hamburg-Harburg Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft Bioenergie im Kontext der erneuerbaren Energien in Deutschland - Stand und Perspektiven - Martin Kaltschmitt Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft, Technische Universität Hamburg-Harburg, Eissendorfer Str. 40, D-273 Hamburg, Herausforderungen Klimaschutz Pasterzegletscher 1

2 Energiebedingte CO 2 -Emissionen in Mt/a Herausforderungen Klimaschutz Herausforderungen Klimaschutz 2

3 Herausforderungen Versorgungssicherheit Quelle: BGR 5 Herausforderungen Versorgungssicherheit Quelle: BGR Die Versorgung Deutschlands mit fossilen Energieträgern ist gekennzeichnet durch: - steigende Abhängigkeit von wenigen Anbietern aus tendenziell politisch instabilen Staaten, - oligopol- bzw. monopolartige Strukturen am Markt, - tendenziell deutlich steigende Preise, - längerfristig zunehmende Verknappung. 6 3

4 Inhalt odeutsches Energiesystem o o Wärme o Strom o Kraftstoffe obiomasseverfügbarkeit obiomasse und Hunger oschlussbemerkungen Deutsches Energiesystem Summe 2011 Primärenergieverbrauch PJ Wasser- Andere und Erneuerbare Windkraft 9% 2% Sonstiges 2% Kernenergie 9% Mineralöl 34% Erdgas 20% Braunkohle 12% Steinkohle 12% 4

5 Deutsches Energiesystem Endenergie aus regenerativen Energien 2011 bzw PJ Stromerzeugung allgemein

6 Stromerzeugung Biomasse 2011 bzw. 133 PJ - Biogas - 6

7 Anlagenanzahl [ ] Leistung [MW] - Strom aus Biogas - Potenzielle Stromerzeugung ca. 20,3 TWh (2011) Tatsächliche Stromerzeugung ca. 19,0 TWh (2011) Größer 500 kw 70 kw bis 500 kw bis 70 kw Leistung * 0 Stand Strom aus Biogas - 7

8 Anlagenanzahl [ ] Leistung [MW] Biomasse im Energiesystem - Biogene Festbrennstoffe - Biomasse im Energiesystem Stromerzeugung - aus ca. biogenen 8,7 TWh Festbrennstoffen (2011, nur EEG-Anlagen) Größer 5 MW Größer 0,5 bis 5 MW bis 0,5 MW Leistung

9 Stand 20 Biomasse im Energiesystem - Strom aus biogenen Festbrennstoffen - Wärmeerzeugung allgemein 2011 bzw. 498 PJ 9

10 Wärmeerzeugung Biomasse 2011 bzw. 455 PJ Biogene Festbrennstoffe

11 Holzpellets in t/a Pelletproduktion Kapazität und Absatz [Mio. t/a] Entwicklung des Pelletmarktes 3 Pelletproduktionskapazität in Dtl. Pelletproduktion 2 Inlandsverbrauch 1 0 Entwicklung des Pelletmarktes Kapazität in t/a Produktion in t/a inländischer Gesamtverbrauch in t/a Kleinverbrauchermarkt in t/a 0 DBFZ 2011 DE AT IT SE DK FI BE NL UK PL PT FR CA RU US 11

12 Anlagenzahlen [00] Pelletinlandsverbrauch [Mio. t/a] Biogene Festbrennstoffe Wärme aus Pellets Jährlicher Zubau an Pelletanlagen Gesamtzahl der Pelletanlagen Inlandsverbrauch

13 Kraftstoffe allgemein 2011 bzw. 124 PJ Biodiesel 13

14 Bioethanol Quelle: CropEnergies 2006 Biomethan als Kraftstoff 14

15 Ethanolproduktion global in Mio. t Biokraftstoffe Nutzung Biokraftstoffe Nutzung Andere Kanada China Europa Brasilien USA 52,09 57,62 67,18 69, ,51 14,57 16,21 19,23 22,52 24,75 30,78 39,07 Zum Vergleich: Biodiesel Schätzung Quelle: DBFZ 2011 auf Basis F.O.Licht s World Ethanol and Biofuels Report Vol. 9, No.16 15

16 Zwischenfazit o Biomasse trägt heute merklich zur Deckung der Energienachfrage in Deutschland (und Europa) bei und das im Strom-, Wärme- und Kraftstoffmarkt o Im Vergleich der regenerativen Energien untereinander leistet Biomasse insgesamt über 70 %; sehr hohe Beiträge liefert sie im Wärmeund insbesondere im Kraftstoffmarkt o Biomasse trägt mit rund der Hälfte zu den knapp 130 Mio. t Klimagasminderung durch regenerative Energien bei (davon ca. 70 Mio. t CO 2 - Äq. durch EEG-vergüteten Strom) o Alle Bioenergiemärkte außer dem Kraftstoffmarkt waren die letzten Jahre durch erhebliche Wachstumsraten gekennzeichnet; insbesondere infolge der (politischen) Energiewende sind die Weichen im Hinblick auf ein weiteres Wachstum gestellt o Damit drängt sich u. a. aufgrund der Teller-oder-Tank-Diskussion zwingend die Frage nach der Verfügbarkeit der benötigten Biomasseressourcen in und für Deutschland immer mehr in den Vordergrund Biomasseverfügbarkeit Magisches Dreieck der Biomassemärkte Nutzung als Nahrungsmittel Energetische Nutzung Stoffliche Nutzung... und a priori begrenzt verfügbare Anbauflächen! 16

17 Veränderung in % Biomasseverfügbarkeit Entwickl. Nahrungsmittelnachfrage (134 St.) Quelle: Zeddies / Uni Hohenheim 2008 Biomasseverfügbarkeit Biomasseeinsatz als Rohstoff (Beispiele) Globale Nachfrage nach Textilfasern Quelle: Cotton Council International 17

18 Biomasseverfügbarkeit Biomasseeinsatz als Rohstoff (Beispiele) Beispiel: Marktentwicklung für biomassebasierte Kunststoffe Quelle: PRO-BIP 2009 / Shen et al / Uni Utrecht Biomasseverfügbarkeit Entwicklung der Energienachfrage Quelle: BP Energy Outlook 2011 Keine Berücksichtigung der nicht-kommerziellen Biomasse 18

19 Lösungsansätze - Ausweitung Ressourcenbasis - 1. Nutzung organischer Abfälle / Rückstände / Nebenprodukte 2. Ausweitung der Anbauflächen o Nutzbarmachung bisher ungenutzten Landes o Nutzung von marginalem / degradiertem Land o intensivere Nutzung bereits genutzten Landes 3. Höhere flächenspezifische Agrarproduktion o weiterentwickelte Pflanzen o verbesserte landwirtschaftliche Produktionsmethoden 4. Höhere flächenspezifische Forstproduktion o weiterentwickelte Pflanzen o verbessertes forstwirtschaftliches Management 5. Nutzung der Süß- / Salzwasserressourcen (Algen) Höhere Erträge bei vorhandenen Kulturpflanzen F&E-Herausforderungen BM - Bessere Kulturpflanzen und -produktion - Weizenertrag in Deutschland (Bsp.) 19

20 F&E-Herausforderungen BM - Bessere Kulturpflanzen und -produktion - "Neue" Pflanzen zur Energiebereitstellung F&E-Herausforderungen BM - Bessere Kulturpflanzen und -produktion - o Steigerung der Erträge und der Ertragssicherheit der heute primär genutzten landwirtschaftlichen Kulturpflanzen o Entwicklung und Kommerzialisierung "neuer" und an ungünstigere Bedingungen angepasster Kulturpflanzen, welche die Flexibilität der Produzenten ausweiten und nicht einengen o Verbessertes, nachhaltiges Produktionsmanagement unter Berücksichtigung u. a. des lokalen Klimas, der Bodengegebenheiten und des Ausbildung der Produzenten o Entwicklung von effizienten, nachhaltigen Produktionsmethoden für die parallele Erzeugung von Nahrungs-, Futter- und Lignocellulosepflanzen auf gleicher Fläche unter Generierung von Synergieeffekten Source: KWS Saat AG

21 Wirkungsgrad Kohlenmonoxidemission F&E-Herausforderungen BM Emission CO - Effizientere Umwandlung mg/nm³ bei % O Jahr Quelle: BLT Wieselburg Reduktion der CO-Emissionen Entwicklung F&E-Herausforderungen des Wirkungsgrades BM von Biomassefeuerungen - Effizientere Umwandlung ( ) - 0 % 90 Quelle: BLT Wieselburg Verbesserung der Wirkungsgrade Jahr 21

22 Wirkungsgrad Kohlenmonoxidemission Wirkungsgrad Kohlenmonoxidemission 0 % Entwicklung F&E-Herausforderungen des Wirkungsgrades BM von Emission CO Biomassefeuerungen - Effizientere Umwandlung ( ) mg/nm³ bei % O Vergleich CO-Emissionen Reduktion um den Faktor Wirkungsgrade Erhöhung um den Faktor 1,5 bis 1, Verbesserung der Wirkungsgrade Quelle: BLT Wieselburg Reduktion der CO-Emissionen Jahr Jahr Entwicklung F&E-Herausforderungen des Wirkungsgrades BM von Emission CO Biomassefeuerungen - Effizientere Umwandlung ( ) % mg/nm³ bei % O (a) Weiter Verbesserung 12000Vergleich der 1980 Wirkungs-/Nutzungsgrade 20 von 70 Biomassekonversionsanlagen CO-Emissionen Reduktion (insb. um Nicht-Industriestaaten) den Faktor (b) Reduzierung Wirkungsgrade der Umweltauswirkungen Erhöhung um den Faktor (u. a. 1,5 luftgetragene bis 1,7 60 Emissionen 8000 wie z. B. Feinstaub, NO x, Lärm, Gerüche) (c) 50 Entwicklung 6000 optimierter Bereitstellungsketten (d. h. effizientere Nutzung der in der Fläche anfallenden Biomasse zur Deckung der Energienachfrage Verbesserung auch in Ballungszentren) der (d) Weitergehende 2000 Schließung der (Nähr-)Stoffkreisläufe Wirkungsgrade Quelle: BLT Wieselburg Reduktion der CO-Emissionen Jahr Jahr 22

23 F&E-Herausforderungen BM - Integrierte Konzepte - F&E-Herausforderungen BM - Integrierte Konzepte - Durch eine flexible Polygeneration (d. h. die gekoppelte Erzeugung mehrerer Endenergieträger mit variierenden Anteilen) kann die Brennstoffausnutzung verbessert und das gesamte Energiebereitstellungssystem effizienter gestaltet werden. Sinngemäß gilt dies auch für die Biomasse-Kaskadennutzung in Bioraffinerien (d. h. gemeinsame Erzeugung mit flexiblen Anteilen von Nahrungsmitteln, Produkten zur stofflichen Nutzung und Energie) 23

24 Biomasse und Hunger - Hintergrund - o Staaten / Gebiete, die forciert Bioenergie nutzen, haben i. Allg. keine (signifikanten) Probleme mit Hunger (z. B. Brasilien, USA). o In Staaten / Gebieten mit Nahrungsmittelknappheit hat diese meist andere Gründe; u. a. politische Instabilitäten (Kriege) / mangelnde Sicherheit, widrige meteorologische Bedingungen (Missernten), Überbevölkerung / ungleiche Landverteilung bzw. -nutzung, Unterkapitalisierung der Landwirtschaft / (staatlich festgelegte) zu geringe Erzeugerpreise, mangelnde Ausbildung der Bauern, unzureichende Infrastrukturen. o Konkurrenz zwischen unterschiedlichen Märkten (Nahrung, stofflich, Energie) besteht nicht um Biomasse, sondern max. um die Fläche. o Ein Energiepflanzenanbau mit nicht als Nahrung nutzbaren Pflanzen verschärft das Problem, da (a) diese Pflanzen oft ertragsschwächer und -unsicherer sind und dadurch mehr Flächen benötigt werden, die dann der Nahrungsmittelproduktion entzogen werden, und (b) bei Missernten diese Biomasse im Nahrungsmittelsektor nicht nutzbar ist. Biomasse und Hunger - Lösungsansatz heute - Energie Stoffliche Nutzung Nahrung Globale Ressourenbasis 24

25 Biomasse und Hunger - Lösungsansatz Konzept - Energie Stoffliche Nutzung Nahrung Konzepte sind denkbar, mit denen die potenzielle Nutzungskonkurrenz zwischen unterschiedlichen Fossile Biomassemärkten unter Verbesserung der Rohstoffe Versorgungssicherheit mit Nahrungsmitteln (food security) minimiert werden kann. Globale Ressourenbasis Schlussbemerkungen o Biomasse trägt heute merklich global und national zur Deckung der Energienachfrage bei; und dieser Anteil wird bei hohen und potenziell weiter steigenden Energiepreisen zunehmen o Biomasse wird aber auch in anderen Märkte eingesetzt, in denen sie nicht direkt substituierbar ist; auch diese Märkte wachsen deutlich o Konkurrenzen um das aufgrund der begrenzten Produktionsfläche nicht beliebig vermehrbare Biomasseaufkommen sind damit möglich o Deshalb müssen entsprechende Maßnahmen implementiert werden, um dieser Entwicklung gegenzusteuern; d. h. Ausweitung der Biomasseressourcenbasis, effizientere Biomassebereitstellung und -nutzung, integrierte und optimierte Produktions- und Nutzungskonzepte, Anpassung der globalen Marktmechanismen mit dem Ziel der Verbesserung der Versorgungssicherheit mit Nahrungsmitteln o Werden derartige Maßnahmen implementiert, hat Biomasse das Potenzial, merklich zur klimaneutralen Deckung der Energienachfrage beizutragen und gleichzeitig andere Märkte zu stützen 25

26 Bioenergie im Kontext der erneuerbaren Energien in Deutschland - Stand und Perspektiven - Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE), Technische Universität Hamburg-Harburg Eissendorfer Str. 40; D-273 Hamburg Tel. / Fax: / 2315 Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt 26