Verknüpfung von Stoffstromanalyse und Ökobilanz am Beispiel eines Stoff- und Energiestrommodells für Deutschland

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1 Verknüpfung von Stoffstromanalyse und Ökobilanz am Beispiel eines Stoff- und Energiestrommodells für Deutschland Andreas Uihlein, Institut für technische Chemie - Zentralabteilung für technikbedingte Stoffströme Tel.: andreas.uihlein@itc-zts.fzk.de Im Rahmen einer Untersuchung zum Kohlenstoffmanagement wurden Stoff- und Energieströme in Deutschland ermittelt und in einem Modell abgebildet. Das Hauptaugenmerk liegt auf der ganzheitlichen Modellierung konkurrierender Möglichkeiten der energetischen und stofflichen Nutzung von Kohlenstoffquellen zur Senkung der CO 2 -Emissionen in Deutschland. Die Potenziale eines systematischen Kohlenstoffmanagements zur Senkung der CO 2 -Emissionen innerhalb des Bilanzrahmens Deutschland sollen mit Hilfe dieses Modells analysiert und dargestellt werden. Zur Erfassung der Reduktionspotenziale von CO 2 -Emissionen durch gezieltes Kohlenstoffmanagement, d.h. durch die Steuerung und Optimierung von Kohlenstoffströmen, soll analysiert werden, wo Einflussmöglichkeiten auf die Kohlenstoffströme bzw. die Nutzung bestimmter Verfahren bestehen. Es soll untersucht werden, ob eine Lenkung von Kohlenstoffströmen verwirklicht werden kann, und welche Steuerungsmöglichkeiten hierfür zur Verfügung stehen oder entwickelt werden können. Hierbei ist zu beachten, dass der Beitrag der Kohlendioxid-Emissionen an den gesamten Emissionen von Treibhaugasen in Deutschland knapp 90% ausmacht, die Beiträge anderer Treibhausgase wie z.b. CH 4 oder N 2 O aber nicht zu vernachlässigen sind. Insbesondere bei der Nutzung von Anbau-Biomasse zur stofflichen und energetischen Nutzung ist es unerlässlich, die Emissionen aller Treibhausgase zu erfassen. Eine Optimierung des Systems lediglich hinsichtlich der CO 2 -Emissionen kann somit eventuell zu erhöhten Emissionen der anderen Treibhausgase führen. Hinzu kommt, dass neben den Auswirkungen auf das Treibhausgaspotenzial auch die Auswirkungen der Optimierung auf andere Umweltwirkungskategorien (Verbrauch fossiler Ressourcen, Versauerung, Eutrophierung, usw.) zu beachten sind. Um diese Auswirkungen berücksichtigen zu können, wird dem Stoff- und Energiestrom-Modell eine Ökobilanz-Wirkungsabschätzung hinzugefügt. Hierzu werden für alle im Modell abgebildeten Stoffströme und Energieflüsse die Umweltauswirkungen berechnet bzw. aus Literaturquellen entnommen, wobei als funktionelle Einheit jeweils 1 kg bzw. 1 TJ des Stoff- bzw. Energiestroms angenommen wird. Die Umweltauswirkungen werden dann mit den Stoff- und Energieströmen multipliziert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Verknüpfung von Stoffstromanalyse und Ökobilanz bzw. Wirkungsabschätzung möglich, durch verschiedene Schwierigkeiten wie zum Beispiel unvollständige Datensätze oder unterschiedliche Systemgrenzen bzw. Systemdefinitionen nicht immer einfach ist. Es lassen sich aber durch die Verknüpfung von Stoffstromanalyse und Ökobilanz zusätzlich zu den Ergebnissen der Stoffstromanalyse - die sich im vorliegende Fall auf Kohlenstoffströme und CO 2 -Emissionen konzentriert - wertvolle Erkenntnisse bezüglich weiterer Umweltauswirkungen der betrachteten Stoffströme und Energieflüsse gewinnen.

2 Verknüpfung von Stoffstromanalyse und Ökobilanz am Beispiel eines Stoff- und Energiestrommodells für Deutschland Andreas Uihlein 1. Ökobilanz-Werkstatt des Netzwerks Lebenszyklusdaten Juni 2005, Bad Urach Einleitung Überblick über das Modell Problemstellung Schlussfolgerungen 2

3 Die Treibhausgas-Emissionen in Deutschland sollen bis zum Jahr 2012 im Vergleich zu 1990 um 21% gemindert werden (Kyoto-Protokoll) Eine Senkung um 40% bis zum Jahr 2020 wird angestrebt (Koalitionsvertrag) Bis 2002 wurde eine Reduktion um 19% erreicht. Der überwiegende Anteil der Reduktionen (80%) wurde vor 1995 erzielt; die Minderungen fallen in den letzten Jahren geringer aus (2003: nur 0,6%) Einleitung Einleitung 3 Bei weiterhin geringen Reduktionen könnte das Minderungsziel von 21% verfehlt werden Angesichts der Schwierigkeiten bei der Erfüllung der aktuellen Reduktionsziele vor allem aber hinsichtlich der zukünftigen sind weitere Anstrengungen nötig Ansatzpunkte zur Erweiterung der vorhandenen Klimaschutzmaßnahmen müssen entwickelt werden Einleitung Einleitung 4

4 Ganzheitliche Modellierung konkurrierender Möglichkeiten der energetischen und stofflichen Nutzung von Kohlenstoffquellen Bestimmung der Potenziale des systematischen Kohlenstoffmanagements zur Senkung der CO 2 -Emissionen in Deutschland Einleitung 5 Einleitung Überblick über das Modell Problemstellung Schlussfolgerungen 6

5 Atmosphäre Deutschland Anthroposphäre Energie Private Haushalte & Konsum Verkehr & Transport Verarbeitendes Gewerbe Import/Export Bergbau, Steine, Erden Land- und Forstwirtschaft Abfall & Reststoffe Lithosphäre Überblick über das Modell 7 Subkategorie Stoffstrom Kategorie Öl Anzahl Rohöl Stoffströme Steinkohle Steinkohle Pflanzliche Rohstoffe und Produkte Steinkohlenkoks 49 Steinkohlenbriketts Tierische Rohstoffe und Produkte Braunkohle Braunkohle 25 Braunkohlenkoks Produkte des verarbeitenden Gewerbes Braunkohlenbriketts 79 Energieträger Staub- und Wirbelschichtkohle 24 Gas Erd- und Erdölgas Gruben- und Klärgas Abfälle und Reststoffe 23 Raffinerie- und Kokereigas Steine und Erden Flüssiggas 10 Kraftstoffe RME Emissionen und Assimilation Flugturbinenkraftstoff 8 Flugbenzin Gesamt Wärme Raumwärme Prozesswärme Fernwärme Überblick über das Modell 8

6 Atmosphäre Deutschland Kraftstoffe Kraftstoffe Elektrizität Gas Gas Elektrizität Kraftstoffe Gas Anthroposphäre Öl Elektrizität Steine, Erden Energie Private Haushalte & Konsum Verkehr & Transport Verarbeitendes Ölförderung Kohle Gas Gewerbe Steine & Erden Import/Export Bergbau, Steine, Erden Rohöl Elektrizität C01 Onshore_Öl_D Prozesswärme Öl Land- und Forstwirtschaft Emissionen Rohöl Emissionen CO 2 CH 4 Steinkohle Braunkohle Abfall & Gas Reststoffe Steine, Erden CO Heizöl, schwer C20 Wärme_Kessel_HS Lithosphäre NMHC Staub Überblick über das Modell 9 Atmosphäre Deutschland Anthroposphäre Energie Private Haushalte & Konsum Verkehr & Transport Verarbeitendes Gewerbe Import/Export Bergbau, Steine, Erden Land- und Forstwirtschaft Abfall & Reststoffe Lithosphäre 500 Mio. t Überblick über das Modell 10

7 Atmosphäre Deutschland Anthroposphäre Energie Private Haushalte & Konsum Verkehr & Transport Verarbeitendes Gewerbe Import/Export Bergbau, Steine, Erden Land- und Forstwirtschaft Abfall & Reststoffe Lithosphäre 100 Mio. t C Überblick über das Modell 11 Einleitung Überblick über das Modell Problemstellung Schlussfolgerungen 12

8 CO 2 macht 90% der Treibhausgasemissionen in Deutschland aus Andere Treibhausgase (z.b. CH 4 und N 2 O) sind nicht zu vernachlässigen Optimierung hinsichtlich CO 2 kann zu erhöhten Emissionen anderer Treibhausgase führen CH 4 und N 2 O sind deshalb im Modell enthalten Problemstellung ,0% 102,5% 100,0% 97,5% 95,0% 92,5% 90,0% Problemstellung Stroh - Elektrizität Stroh - SynFuel Raps - Biodiesel Raps - Schmieröl * Treibhausgase: Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid (Bezug: CO 2 -Äquivalente) CO 2 CH 4 N 2 O Treibhausgase * 14

9 Neben dem Treibhauseffekt sollen weitere Umweltauswirkungen erfasst werden (z.b. Ozonabbau, Versauerung, Eutrophierung) Diese Zusatzinformationen sollen möglichst einfach in das Modell integriert werden können Problemstellung 15 Einleitung Überblick über das Modell Problemstellung Schlussfolgerungen 16

10 Verknüpfung des Modells mit einer Ökobilanz-Wirkungsabschätzung Materialstrom [kg] oder Energiefluss [TJ] in Modell enthalten EcoIndicator99 [Pts/kg, Pts/TJ] aus Literaturquellen Multiplikation ergibt Umweltauswirkungen von Materialstrom bzw. Energiefluss 17 Aussagen über Umweltschädlichkeit der Stoffströme und Energieflüsse (wo treten die größten Umweltauswirkungen auf?) Bei Optimierung hinsichtlich CO 2 -Emission: evtl. gegensätzliche Effekte in anderen Wirkungskategorien. Gewählte Methode ist einfach; schneller als Erfassung weiterer Emissionsfaktoren (oft nicht vorhanden) und Berechnung von Umweltauswirkungen 18

11 Schwierigkeiten und Probleme 1. Auswahl der Literaturquelle(-n)? 2. Auswahl der Prozesse bzw. Materialien? 3. Aufwand Auswahl der Literaturquelle(-n)? EcoIndicator Manual (ca. 170 einzelne Werte/Produkte) Berechnung über Umberto & Umberto Standard Database (ca Prozesse) Berechnung über Umberto & EcoInvent Database (>2.500 Prozesse) 20

12 300% 250% [EcoInd99 Pts] 200% 150% 100% 50% 0% Strom [MJ] Diesel [kg] Ammoniak [kg] ABS [kg] Papier [kg] Umberto Standard Umberto EcoInvent EcoInd Manual Auswahl der Literaturquelle(-n)? Die EcoIndicator99-Werte der Literaturquellen unterscheiden sich zum Teil deutlich Alle EcoIndicator99-Werte sollten aus einer Literaturquelle entnommen werden Es wurde die Berechnung über Umberto & EcoInvent Database gewählt 22

13 2. Auswahl der Prozesse bzw. Materialien? Verschiedene Stufen in Prozesskette Benzin, bleifrei, ab Raffinerie (RER) Raffinerieprozess exkl. Bereitstellung von Prozesswärme, inkl. Abwasserbehandlung, prozessbedingte Emissionen und direkte Einleitungen in Gewässer: 208,62 mpts/kg Benzin, bleifrei, ab Regionallager (RER) Vorkette + Transport von Produkt ab Raffinerie zum Verbraucher. Betrieb von Lagertanks und Tankstellen. Emissionen durch Verdunstung: 211,23 mpts/kg Auswahl der Prozesse bzw. Materialien? Importe bzw. Import-Mix Rohöl, Produktion RME, ab Ferntransport (RER) Förderung und Transport von Rohöl zu Raffinerie in Europa inkl. Emissionen durch Handling und Verdunstung: 170,61 mpts/kg Rohöl, ab Produktion onshore (RME) Förderung von Rohöl inkl. Nutzung von Energie, Infrastruktur und Emissionen: 158,33 mpts/kg Rohöl, ab Produktion offshore (GB) Förderung von Rohöl inkl. Nutzung von Energie, Infrastruktur und Emissionen, Transport per Pipeline zur Küste: 156,97 mpts/kg 24

14 2. Auswahl der Prozesse bzw. Materialien? Mehrere Materialien in Datenbank Raffineriegas, ab Raffinerie (RER) Raffinerieprozess exkl. Bereitstellung von Prozesswärme, inkl. Abwasserbehandlung, prozessbedingte Emissionen und direkte Einleitungen in Gewässer: 201,11 mpts/kg Koksofengas, ab Werk (DE) Förderung von Rohöl inkl. Nutzung von Energie, Infrastruktur und Emissionen: 76,62 mpts/kg Auswahl der Prozesse bzw. Materialien? Kein vorhandener Prozess Flüssiggas Wurde wie Raffinerie- und Kokereigas angenommen Gruben- und Klärgas Wurde wie Raffinerie- und Kokereigas angenommen Waldrestholz Wurde wie Schwachholz angenommen 26

15 2. Auswahl der Prozesse bzw. Materialien? Unterschiedliche EcoIndicator99-Werte für verschiedene Stufen in der Nutzung Unterschiedliche EcoIndicator99-Werte bei Importen bzw. Import-Mix Zuordnung bei mehreren Prozessen bzw. Materialien Einige Prozesse bzw. Materialien in Datenbank nicht vorhanden Aufwand Berechnung der EcoIndicator99-Werte über Umberto & EcoInvent Database dauert relativ lange Durchschnittlicher Zeitaufwand: 5 Minuten pro Stoffstrom (230 Stoffströme = knapp 3 Tage) Implementierung in Modell anschließend schnell durchzuführen 28

16 Atmosphäre Deutschland Anthroposphäre Energie Private Haushalte & Konsum Verkehr & Transport Verarbeitendes Gewerbe Import/Export Bergbau, Steine, Erden Land- und Forstwirtschaft Abfall & Reststoffe Lithosphäre 100 Mio. t C 29 Atmosphäre Deutschland Anthroposphäre Energie Private Haushalte & Konsum Verkehr & Transport Verarbeitendes Gewerbe Import/Export Bergbau, Steine, Erden Steine und Erden Energieträger Abfall & Land- und Produkte des verarbeitendes Reststoffe Gewerbe Forstwirtschaft Pflanzliche Rohstoffe und Produkte Lithosphäre Steine und Erden Energieträger Produkte des verarbeitendes Gewerbe Pflanzliche Rohstoffe und Produkte 25 Mrd. Pts 30

17 102,0% 101,5% 101,0% 100,5% 100,0% 99,5% 99,0% 98,5% 98,0% Stroh - Elektrizität Stroh - SynFuel Raps - Biodiesel Raps - Schmieröl Treibhausgase * EcoInd99 (Produktion) * Treibhausgase: Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid (Bezug: CO 2 -Äquivalente) ,0% 101,5% 101,0% 100,5% 100,0% 99,5% 99,0% 98,5% 98,0% Stroh - Elektrizität Stroh - SynFuel Raps - Biodiesel Raps - Schmieröl Treibhausgase * EcoInd99 (Produktion) EcoInd99 (Import) * Treibhausgase: Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid (Bezug: CO 2 -Äquivalente) 32

18 Einleitung Überblick über das Modell Problemstellung Schlussfolgerungen 33 Verknüpfung von Stoffstromanalyse mit Ökobilanz-Wirkungsabschätzung ist möglich ist nicht immer einfach kann wertvolle Zusatzinformationen liefern Schlussfolgerungen 34

19 [1.000 t C] Emission und Assimilation Steine und Erden Abfälle und Reststoffe Energieträger Input Produkte des verarbeitendes Gewerbe Tierische Rohstoffe und Produkte Pflanzliche Rohstoffe und Produkte Output Lager Stoffliche Nutzung Energetische Nutzung Produktion [1.000 t C] Abfall & Reststoffe Verkehr & Transport Private Haushalte & Konsum Energie Verarbeitendes Gewerbe Bergbau, Steine, Erden Land- und Forstwirtschaft Input Output Lager Stoffliche Nutzung Energetische Nutzung Produktion 36

20 [Mio. EcoInd99 Pts] Abfall & Reststoffe Verkehr & Transport Private Haushalte & Konsum Energie Verarbeitendes Gewerbe Bergbau, Steine, Erden Land- und Forstwirtschaft Input Output Lager Stoffliche Nutzung Energetische Nutzung Produktion [Mio. EcoInd99 Pts] Emission und Assimilation Steine und Erden Abfälle und Reststoffe Energieträger Input Produkte des verarbeitendes Gewerbe Tierische Rohstoffe und Produkte Pflanzliche Rohstoffe und Produkte Output Lager Stoffliche Nutzung Energetische Nutzung Produktion 38

21 2. Auswahl der Prozesse bzw. Materialien? Verschiedene Stufen in Prozesskette Strom, Hochspannung, ab Netz (D) Übertragung von Strom (Hochspannung) inkl. Verluste und direkte Luftemissionen (Versorgungsmix): 14,59 mpts/mj Strom, Hochspannung, Produktion, ab Netz (D) Übertragung von Strom (Hochspannung) inkl. Verluste und direkte Luftemissionen (Erzeugungsmix): 14,83 mpts/mj Strom, Niederspannung, ab Netz (D) Umwandlung Mittel- auf Niederspannung, Übertragung von Strom (Niederspannung) inkl. Verluste und direkte Luftemissionen (Versorgungsmix): 18,55 mpts/mj 39