Biomasse als erneuerbarer Energieträger

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1 Schriftenreihe Nachwachsende Rohstoffe" Band 3 2. Auflage -vollständige Neubearbeitung Biomasse als erneuerbarer Energieträger Eine technische, ökologische und ökonomische Analyse im Kontext der übrigen erneuerbaren Energien H. Hartmann M. Kaltschmitt (Hrsg.) 2002 Landwirtschaftsverlag GmbH Münster

2 Inhalt Inhalt 1 Einleitung und Zielsetzung 11, 1.1 Ausgangslage und Zielstellung Energiesystem Deutschland Energiewirtschaftliche Grundbegriffe und Definitionen Energieverbrauch, Verbrauchstruktur und Ressourcen Definitionen und Referenzsysteme Versorgungsaufgaben Konventionelle Vergleichssysteme (fossile Referenzanlagen) 27 2 Grundlagen des erneuerbaren Energieangebots 32, IRIS LEWANDOWSKI 2.1 Energiequellen und globale Energiebilanz Regeneratives Energieangebot Biomasse Solarstrahlung Windenergie.\ Wasserkraft Umgebungswärme Erdwärme 69 3 Techniken und Verfahren Biomassebereitstellung und Nutzung Bereitstellung von Festbrennstoffen Durchforstungs- und Waldrestholz Holznebenprodukte und Holzabfälle 81 < Schnellwachsende Baumarten 5 (Kurzumtriebsplantagen) 83 ' Stroh Getreideganzpflanzen 89 f Miscanthus 93

3 Biomasse als erneuerbarer Energieträger Nachernteverfahren bei Festbrennstoffen Aufbereitung Transport Lagerung und Trocknung 106 / Bereitstellung und Gewinnung biogener Kraftstoffe 113 / Ölgewinnung Weiterverarbeitung zu Kraftstoffen Ethanolerzeugung Rohstoffe Ethanolherstellung.' Biogaserzeugung ' Prozesskenndaten und Einflussgrößen Verfahrenstechnik 124 /3.1.6 Energetische Umwandlung von Festbrennstoffen Brennstoffeigenschaften 130 / Verbrennung 137 / N Vergasung Pyrolyse und Verkohlung 166, Energetische Umwandlung von biogenen Kraftstoffen. 171! Kraftstoffeigenschaften 171 ; Nutzung als Kraftstoff Nutzung als Brennstoff Energetische Umwandlung von Biogas Gaseigenschaften Gasnutzung Solarthermische Wärmenutzung Systemtechnische Beschreibung Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche Photovoltaische Stromerzeugung Systemtechnische Beschreibung Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche Windkraftnutzung Systemtechnische Beschreibung Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche 213

4 Inhalt 3.5 Wasserkraftnutzung Systemtechnische Beschreibung Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche Nutzung der Umgebungswärme Systemtechnische Beschreibung Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche Geothermische Erdwärmenutzung 236, SILKE ROGGE Systemtechnische Beschreibung hydrothermaler Erdwärmenutzung Systemtechnische Beschreibung tiefer Sonden Systemtechnische Beschreibung der Erdwärmenutzung durch HDR-Technologie Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche hydrothermaler Erdwärmenutzung Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche tiefer Sonden Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche der HDR-Technologie Zusammenfassende Gegenüberstellung 249, Ökologische Analyse (I) - Lebenszyklusbetrachtungen 255 JOHANNES MOERSCHNER, TORSTEN MARHEINKE, LUDGER ELTROP 4.1 Methodische Grundlägen Biomassenutzung Biogene Festbrennstoffe zur Wärmebereitstellung Biogene Festbrennstoffe zur Strombereitstellung Biogene Kraftstoffe Biogas Solarthermische Wärmenutzung Photovoltaische Stromerzeugung Windenergienutzung Wasserkraftnutzung Nutzung von Umgebungswärme 317

5 Biomasse als erneuerbarer Energieträger 4.8 Hydrothermale Erdwärmenutzung Zusammenfassende Gegenüberstellung 325 I Bereitstellung thermischer Energie 325 ' Bereitstellung und Nutzung von biogenen Kraftstoffen Bereitstellung elektrischer Energie 341 I Kritische Schlussbemerkungen 351 Ökologische Analyse (II) - lokale Umwelteffekte Vorbemerkungen : Allgemeines Gasförmige Emissionen Biomasse-Brennstoffe Rohstoffproduktion (Anbau) 359, ACHIM WEISKE Erosion Bodenverdichtung Humuserhalt.' Beitrag zur Gülleverwertung Toleranz gegenüber Unkräutern, Ungräsern und Krankheiten Pflanzenschutzmittelanwendung Biodiversität : Nährstoffeintrag in Grundwasser und Gewässer N 2 O-Emissionen Beitrag zur Kulturlandschaft und zum Erholungswert Wasserverbrauch Spezifischer Flächenbedarf Spezifischer Stickstoffbedarf Nachernteverfahren 379, SVEN SCHNEIDER, ACHIM WEISE Transport Lagerung Aufbereitung und Handhabung 385

6 Inhalt Energetische Umwandlung (Festbrennstoffe) 386, SVEN SCHNEIDER ' Bedeutung der Emissionsparameter und ihre Wirkungen Emissionsrelevante Brennstoffinhaltsstoffe Vergleich der Emissionen von Feuerungsanlagen Verbrennungsrückstände (Aschen, Schlacken) Gewinnung und Verwertung von Biokraftstoffen 420, NICOLLE FRÖHLICH Umweltaspekte der Gewinnung bzw. Aufbereitung Gewässergefährdung durch den Kraftstoff7^7424~ Biologische Abbaubarkeit Explosionsrisiken Schadstoffemission bei -> der Kraftstoffverwertung Geruchsbelästigung Biogaserzeugung und -nutzung 440 SVEN SCHNEIDER, Zusammenfassung der lokalen Umwelteffekte von Biomasse Solarthermische Wärmebereitstellung Photovoltaische Stromerzeugung Windtechnische Stromerzeugung Stromerzeugung aus Wasserkraft Nutzung der Umgebungswärme Nutzung der Geothermie Hydrothermale Erdwärmenutzung Tiefe Erdwärmesonden Technik der geothermischen Stromerzeugung 480

7 Biomasse als erneuerbarer Energieträger 5.9 Zusammenfassende Gegenüberstellung 482, 6 Ökonomische Analyse Grundlagen der Kostenanalyse Kosten der Energiegewinnung aus Biomasse Datenbasis und Grundannahmen Bereitstellungskosten für Festbrennstoffe Waldhackguterzeugung Kurzumtriebsplantagenholz (Pappeln) Getreidestroh Getreide-Ganzpflanzen (Triticale) Miscanthus Preise marktgängiger biogener Festbrennstoffe (Scheitholz und Pellets) Bereitstellungskosten für biogene Kraftstoffe Rapserzeugung und Pflanzenölbereitstellung Rapsölmethylester Bioethanol Wärmebereitstellungskosten mit Festbrennstoffen Wärmebereitstellung in Kleinanlagen Wärmebereitstellung in Heizwerken und Nahwärmesystemen Strombereitstellungskosten aus Festbrennstoffen Kosten der Biogasgewinnung und Nutzung Kosten der solarthermischen Wärmenutzung 527 SVEN SCHNEIDER 6.4 Kosten der photovoltaischen Stromerzeugung 531 SVEN SCHNEIDER 6.5 Kosten der Windenergienutzung 534 SVEN SCHNEIDER 6.6 Kosten der Wasserkraftnutzung 539 SVEN SCHNEIDER

8 Inhalt 6.7 Kosten der Erdwärmenutzung 541 GERD SCHRÖDER, SILKE ROGGE Oberflächennahe Erdwärmenutzung Hydrothermale Erdwärmenutzung Erdwärmenutzung mit tiefen Sonden Erdwärmenutzung mit HDR-Technik Zusammenfassende Gegenüberstellung Bereitstellungskosten für Brenn- und Kraftstoffe Wärmegestehungskosten Stromerzeugungskosten Potenziale und Nutzung Grundlagen der Potenzialabschätzung 564 s 7.2 Biomasse, Potenziale von Rückständen, Nebenprodukten und Abfällen Stroh Forstliche Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle Industrierestholz Landschaftspflegeholz und andere Hölzer Gebrauchtholz Biogas Klärgas Deponiegas Zusammenfassung Energiepflanzen Pflanzenölgewinnung Festbrennstoffgewinnung Biogasgewinnung Zusammenfassung Derzeitige Nutzung Solarthermische Wärmenutzung Potenzial Derzeitige Nutzung 614

9 Biomasse als erneuerbarer Energieträger 7A Photovoltaische Stromerzeugung Potenzial Derzeitige Nutzung Windenergienutzung Potenzial Derzeitige Nutzung Wasserkraftnutzung Potenziale Derzeitige Nutzung Nutzung der Umgebungswärme Potenziale Derzeitige Nutzung Erdwärmenutzung Potenziale Tiefe Erdwärmesonden Hydrothermale Erdwärmenutzung HDR-Technik Derzeitige Nutzung Zusammenfassende Gegenüberstellung, Stromerzeugung : Wärme Primärenergie Gesamtzusammenfassung 649, 9 Quellenverzeichnis 659 Energieeinheiten und Umrechnungsfaktoren