Nachwachsende Rohstoffe Potentiale und Konversionswege zu Biokraftstoffen

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1 Nachwachsende Rohstoffe Potentiale und Konversionswege zu Biokraftstoffen Klaus-Dieter Vorlop, Jörg Michael Greef, Ulf Prüße, Peter Weiland, Thomas Willke Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) Bundesallee 50, D Braunschweig - Telefon: WN

2 Warum nachwachsende Rohstoffe? Bereich: Energie Weitgehend CO 2 neutral Ersatz begrenzter fossiler Rohstoffquellen Landschaftspflege Sicherung und Schaffung von Arbeitsplätzen

3 Biokraftstoffe Was beeinflusst die Entwicklung? Verfügbarkeit fossiler Energieträger Ökonomische Aspekte Politische Rahmenbedingungen (Energie-)Pflanzenerträge Technologische Fortschritte

4 Erdölproduktion Prognosen Billion t US-DOE ODELL 1998, conv. + non-conv., EUR > 800 bln t 3 ODELL 1998, only conv., EUR about 450 bln t 4 CAMPBELL 1997, only conv., EUR about 250 bln t 5 EDWARDS 1997, conv. + non-conv., EUR > 500 bln t 6 EDWARDS 1997, only conv. without NGL, EUR 385 bln t 7 HILLER 1999, only conv., EUR 350 bln t 8 HILLER 1999, conv. + non-conv., EUR 580 bln t 9 Shell 1995,conv. + non-conv., EUR about 600 bln t 10 WEC 1999, conv. + non-conv. EUR = Estimated Ultmative Recovery source: Hiller, K.; Kehrer, P. (2000), Erdöl Erdgas Kohle 116, (9) 427

5 Ziele & Prognosen der USA Bioenergie & Bioprodukte Anteil an der Gesamtproduktion [%] Flüssig-Treibstoffe Organische Chemikalien , * Jahr Quellen: Biomass Research and Development Technical Advisory Comitee - U.S.A * National Research Council U.S.A. 2000

6 Biokraftstoffe u. Politik Was beeinflusst die weitere Entwicklung? Richtlinien, Verordnungen, Gesetze Steuervergünstigungen, -befreiungen Subventionen Forschungsprogramme Handelspolitik (Außenschutz)

7 Biokraftstoffe u. Politik Was passiert in Europa? Deutschland ab 1/2004 Ausdehnung der Steuerbefreiung von Pflanzenöl/Biodiesel auf alle Biokraftstoffe (Biogas, Ethanol, Methanol, Wasserstoff u.a. aus Biomasse) EU 10/003: Neue Richtlinie: 1% Energieeinsparung pro Jahr 7/2003: Österreich will bis 2008 Ökostrom um 78% und bis 2010 Biomasse-Energie um 75% steigern EU 5/2003: Richtlinie: Steigerung der Substitution herkömmlicher Otto- und Dieseltreibstoffe durch Biokraftstoffe um 5,75 %, Mindest-Beimischung 1,75 % bis 2010 UN 9/2002: Umweltgipfel Johannesburg: Ausbau erneuerbarer Energien (EE) vereinbart, EU will EE bis 2010 verdoppeln

8 Flächennutzung in Deutschland 2001 Gesamtfläche: 35.7 Mio. ha Landwirtschaft 29,5% 2,3% 2,4% 53,5% Siedlung, Verkehr Wald Wasser Sonstiges 12,3% Ackerfläche: 11,9 Mio. ha für NaWaRos: 0,85 Mio. ha für NaWaRos mittelfristig nutzbar: 2 Mio. ha Quelle: Statistisches Bundesamt Berlin

9 Nachwachsende Rohstoffe für Biokraftstoffe Flächenproduktivität und Kosten Landwirtschaftliche Produktion Ertrag [dt/ha] Preis [ /dt] Produktpreis [ /ha] Erlös für Anbauer [ ] (inkl. Flächenbeihilfe) Rohstoffbedarf Produktion pro ha Energieertrag [kwh/ha] Rohstoffkosten pro kwh Winterraps Nutzbare Energie nach Rohstoffumwandlung 2,9 kg/l Öl 1200 l Öl ,4 Cent Getreide ,8 kg/l Ethanol 2500 l Ethanol ,7 Cent Zuckerrüben 600 3, kg/L Ethanol 6000 L Ethanol ,8 Cent Energiemais Literatur 1000 (30 % TS) ,3 kg/m 3 Biogas m 3 Biogas ,95 Cent eigene Daten , ,3 Energieinhalte: 1 L Ethanol = 6,0 kwh, 1 m 3 Biogas = 5,5 kwh Quelle: Moerschner u. Fischer, DLG-Mitteilungen 5/2003 u. eigene Daten

10 Anbaufläche und Ertrag Winterraps in Deutschland 1999 Zahlen = Erträge in dt/ha 36,1 35,2 39,7 36,8 40,5 33,2 Anbaufläche in ha , k.a. 33,0 35,8 38,5 34,0 Gesamt-Anbaufläche: ha Durchschnittsertrag: 36,3 dt/ha 30,8 34,2 33,5 Quelle: Statistisches Bundesamt Berlin/SAATEN-UNION GmbH

11 Anbaufläche und Ertrag Winterweizen in Deutschland 1999 Zahlen = Erträge in dt/ha 92,0 77,3 88,4 66,2 81,7 87,3 Anbaufläche in ha k.a. 68,1 77,3 73,5 70,5 Gesamt-Anbaufläche: ha Durchschnittsertrag: 76,4 dt/ha 63,5 63,4 64,4 Quelle: Statistisches Bundesamt Berlin/SAATEN-UNION GmbH

12 Anbaufläche und Ertrag Roggen in Deutschland 1999 Zahlen = Erträge in dt/ha 67,6 65,8 64,6 47,9 62,9 68,3 Anbaufläche in ha k.a. 58,5 57,5 67,9 57,1 Gesamt-Anbaufläche: ha Durchschnittsertrag: 57,9 dt/ha 55,5 52,4 50,9 Quelle: Statistisches Bundesamt Berlin/SAATEN-UNION GmbH

13 Anbaufläche und Ertrag Zuckerrüben in Deutschland Erträge in dt/ha (Durchschnitt ) Anbaufläche in ha Gesamt-Anbaufläche: ha Durchschnittsertrag: Zuckererzeugung: 617 dt/ha 4,340,886 t k.a Quelle: WVZ/VDZ/Südzucker AG

14 Anbaufläche und Ertrag Energiemais (Silomais) in Deutschland Zahlen = Erträge in dt/ha Anbaufläche in ha k.a Gesamt-Anbaufläche: ha Durchschnittsertrag: 435 dt/ha Quelle: Statistisches Bundesamt Berlin/SAATEN-UNION GmbH

15 Biomasse zur Energieerzeugung Potenziale und gegenwärtige Nutzung in Deutschland Kaltschmitt 11/2003

16 Biomasse zur Energieerzeugung Rohstoffpotenziale im Vergleich Lignocellulose-haltige Biomassen Zucker-, Stärke-, Öl-haltige Biomassen Biomassen mit hohem Wasseranteil Kaltschmitt 11/2003

17 Nachwachsende Rohstoffe Biokraftstoffe und Kraftstoffadditive Biodiesel Ethanol ETBE, DEC Aceton-Butanol-Ethanol Biogas Methanol Fischer-Tropsch-Kraftstoffe Bergius-Pier-Kraftstoffe?

18 Marktanteile verschiedener Kraftstoffe Entwicklung aus Sicht der Industrie Bio-/BTL-Diesel und EtOH/ETBE überwiegend als Beimischung Quelle: DaimlerChrysler 2003

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20 Biodiesel aus Raps Herstellung Raps RME-Produktion Rapsaat Rapsöl 90 % Biodiesel 10 % Glycerin Nebenprodukte Ölmühle Rapsschrot Rapskuchen

21 Biodiesel Produktionskapazität in Deutschland t/a Daten: UFOP 7/2003

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23 Biokonversion nachwachsender Rohstoffe Ethanol Stärke (Getreide, Mais) CO 2 Zucker, Melasse (Zuckerrübe, Zuckerrohr) Ethanol Treibstoffzusatz Cellulose, Hemicellulose (Holz, Stroh,Abfallbiomasse) Fermentation

24 Immobilisierung in der Biotechnologie Beispiel: Ethanol Kugeloberfläche Biotreibstoff Weizen Mikroorganismen x 100 Zuckerrübe HOCH 2 HO O O HOH 2 C O HO OH OH O HO OH O HOH 2 C O H 2 C O HOH 2 C O O O HO OH HO OH HO Stärke, Saccharose HOCH 2 O HO O OH O OH O CH 2 OH immobilisierte Hefen oder Bakterien (Biokatalysator) HO CH 2 CH 3 Ethanol

25 Biokonversion nachwachsender Rohstoffe ABE (Aceton, Butanol, Ethanol) Stärke (Getreide, Mais) 15-20% Aceton Reststoffe ABE Treibstoffzusatz 70-80% Butanol 5-10% Ethanol Cellulose, Hemicellulose (Holz, Stroh, Abfallbiomasse) Fermentation Clostridium spp.

26 Ethanol-Fermentation: Biokatalysator Hefen oder Bakterien? freie Zellen immobilisierte Zellen Mikroorganismus Aktivität [kg EtOH/(kg BTM h)] Aktivität [kg EtOH/(m 3 Kat h)] Produktivität [kg EtOH/(m 3 h)] Hefe Saccharomyces cerevisiae Bakterium Zymomonas mobilis

27 Ethanol-Fermentation: Pilotanlage Immobilisate, kontinuierlich, 3-stufig BMA-Starcosa 2003

28 Ethanol-Fermentation: Anlagen-Vergleich konventionell - Immobilisate Konventionelle Fermentation Separator Biomasse Rückführung Nährsalze Melasse 6 x 200 m 3 Ethanol Puffer Anlagenkonzept mit Immobilisaten Separator Ethanol Quelle: BMA-Starcosa 2001 Anlagenkapazität: Liter EtOH / 24 h Nährsalze Puffer Melasse 3 x 60 m 3

29 Herstellung von ETBE Rohstoff: Weizen oder Rüben Erdöl Weizen Rüben Raffination Mahlen Verzuckerung Fermentation Destillation Waschen Extraktion Fermentation Destillation Isobuten 55 % + 45 % Ethanol Benzin 85 % + ETBE 15 % Benzin mit hoher Oktanzahl und geringen Emissionen Zuckerindustrie 125 (2000) Nr. 9, 730, verändert

30 Herstellung von DEC Rohstoff: Weizen oder Rüben Erdöl Raffination Erdgas Kohle Synthesegas Biomasse Weizen Rüben Vergasung Mahlen Verzuckerung Fermentation Destillation Waschen Extraktion Fermentation Destillation H 2 CO 22 % + 78 % Ethanol Benzin DEC 85 % + 15 % Benzin mit hoher Oktanzahl und geringen Emissionen

31 Aceton-Butanol-Ethanol

32 ABE Aktuelle Leistungsdaten und Probleme Bekannte Technologie, Erfahrungen liegen vor Potentielle Nutzung von Reststoffen (auch cellulosehaltige) Höherwertige Nebenprodukte (Aceton, Ethanol, H 2 ) nutzbar Derzeit ca. 13 g/l Butanol, noch optimierbar Prozessoptimierung (Substratspektrum, Ausbeute, Produktivität, Aufarbeitung) läuft zurzeit im Pilotmaßstab Probleme Produkthemmung niedrige Ausbeuten, Produktkonzentrationen Prozessinstabilität (Degeneration, Phagen) Produktaufarbeitung Vollständige Nutzung aller Nebenprodukte

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34 Biogasanlagen in Deutschland 2000 Anzahl * 2000* Jahr * Schätzung Quelle: Fachverband: Biogas und eigene Daten

35 Methanausbeuten verschiedener Pflanzen Hackfrüchte Getreide Grünpflanzen m 3 /(ha a) m 3 /t OTM Futterrüben + Blätter Kartoffel Mais Weizen Gerste Raps Weidelgras Luzerne Klee Markstammkohl

36 Energie aus nachwachsenden Rohstoffen Biogas Rohstoffe Gasheizkessel NaWaRo Biogas Entschwefelung Wärme Motor-BHKW Gülle Gasaufbereitung Reformierung Strom, Wärme Brennstoffzelle Biogasanlage Reststoffe Nebenprodukte Lebensmittel- Agrarindustrie, z.b. Fette Gasaufbereitung Kompression Strom, Wärme Drucklagererung Treibstoff

37 Biogas als Kraftstoff Qualitätsanforderungen Kraftstoff (Biogas) Methan [Vol.-%] Kohlendioxid [Vol.-%] Sauerstoff [Vol.-%] Schwefelwasserstoff [mg/nm 3 ] Staubpartikel [µm] Feuchte > 96 < 3 < 0,5 < 5 < 1 Taupunkt: -30 C

38 Biogas-Aufbereitung typische Prozessstufen Biogas als Kraftstoff Wasser Feinpartikel H 2 S H 2 S, NH 3, Cl-Verb. CO 2 Verdichtung Biogas Trocknung Filtration Entschwefelung Feinreinigung Methananreicherung Rohbiogas Reformierung H 2 Wasserstoff als Kraftstoff (Brennstoffzelle)

39 Wasserstoff aus Biogas FAL Pilotanlagen Gasreinigung u.wasserstofferzeugung Biogaserzeugung

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41 Methanol-Synthese Rohstoffe, Herstellung, Produkt Holz, Restholz, Stroh Synthesegas Vergasung Energiepflanzen Katalysator Methanol Biogas

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43 Fischer-Tropsch-Kraftstoffe Rohstoffe, Herstellung, Produkt Holz, Restholz, Stroh Synthesegas Vergasung Energiepflanzen FT-Synthese derzeit: Flüssigkraftstoffe 1 t Holz 100 L Diesel zukünftig: Biogas 1 t Holz 210 L Diesel

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45 Bergius-Pier-Kraftstoffe Rohstoffe, Herstellung, Produkt Holz, Restholz, Stroh Synthesegas Vergasung Hydrierung (Flüssigphase) synthetisches Benzin Raps Energiepflanzen

46 Anforderungen an Biokraftstoffe Rohstoff, Produktion, Qualität Rohstoffe preiswert verfügbar Wassergehalt je nach Biokraftstoff Produktion Energieausbeute CO 2 -Einsparung Abfall,-Nebenprodukte Aufarbeitung Produkt & Qualität Transport & Lagerung ausschließliche Nutzung oder Beimischung Biokraftstoff oder Bioadditiv Qualitätssicherung Motorverträglichkeit Einhaltung gesetzlicher Vorgaben

47 Biogene und fossile Kraftstoffe im Vergleich Herstellungskosten und CO 2 -Einsparung Kraftstoff Produktionskosten [ /L] Produktionskosten [ /L D.equ.**] Energiefaktor: Output biogen Input fossil ohne Nebenprodukte CO 2 -Einsparung gegenüber Diesel [%] ohne Nebenprodukte Benzin/Diesel aus Erdöl 0,25-0,27 0,25-0,27 0,83/0,91 (nur fossil) - Ethanol aus Mais* ca. 0,23 ca. 0,4 0,9-6,4 Methanol aus Pappelholz 0,32-0,52 0,7-1,2 5,7 ca 83 Biodiesel aus Rapsöl 0,27-0,45 0,3-0,5 3,1 ca. 68 BTL-Diesel aus Restholz 0,5-0,7 0,53-0,74 > 10 > 90 * inkl. Agrarsubventionen, ** Dieselkraftstoffequivalent Quelle: DaimlerChrysler 2003, verändert

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