Seminar zur Vortragsreihe Neue Entwicklungen auf den Energiemärkten. Abstract zum Vortrag Ökobilanz von Bioethanol

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1 Technische Universität Berlin Institut für Energietechnik Fachgebiet Energiesysteme Prof. Erdmann Seminar zur Vortragsreihe Neue Entwicklungen auf den Energiemärkten Abstract zum Vortrag Ökobilanz von Bioethanol Eingereicht von: Gregor Wehinger Energie- und Verfahrenstechnik Matrikel-Nr.: Betreuer: Dipl-Ing. Boris Heinz Berlin, 16. Jan. 2009

2 Motivation Bioethanol als Ersatzstoff für Ottokraftstoffe wurde in der letzten Zeit sehr intensiv diskutiert und das nicht nur in Expertenkreisen sondern auch breit in den Massenmedien. Die Diskussionspunkte hierbei umfassen unter anderem die CO 2 - Belastung, die einhergeht mit der Produktion von biogenen Treibstoffen, die Treibhausgasemissionen und der wohl emotionalste aber gleichzeitig fachlich am schwierigsten zu fassende Punkt der sozialen Verträglichkeit der Umstellung von Nahrungsmittel- auf Energiepflanzenanbau. Um Bioethanol sachlich und auch fachlich neutral zu bewerten, lohnt es sich mit einer Ökobilanz sich dieser Thematik zu nähern. Ökobilanz Die Ökobilanz wird gemäß ISO & als Zusammenstellung und Beurteilung der Input- und Outputflüsse und der potentiellen Umweltwirkungen eines Produktsystems im Verlauf seines Lebensweges definiert. Hierbei müssen folgende Schritte durchlaufen werden: Die Festlegung des Ziels und des Untersuchungsrahmens. Darunter fallen auch die Festlegung der Verwendung der Ökobilanz und der Definition des Lebenswegs des zu untersuchenden Produkts. Der nächste Schritt umfasst die Sachbilanz. Hierbei sollen die relevanten Stoff- und Energieströme sowie der Ressourcenbedarf abgesteckt werden. Danach werden in der Wirkbilanz die möglichen Auswirkungen auf die Umwelt zusammengefasst, wobei hier schon eine Einteilung in verschiedene Wirkungskategorien vorgenommen wird (z.b. Emissionen, Treibhausgase, etc.). In der anschließenden Bewertung werden die Umweltauswirkungen aufgrund der Zielsetzung interpretiert und anhand derer Schlussfolgerungen und Empfehlungen formuliert. Jede Ökobilanz bedarf einer kritischen Nachprüfung. EMPA-Studie Die Grundlage des Vortrags zur Ökobilanz von Bioethanol bildet die Studie Ökobilanz von Energieprodukten - Ökologische Bewertung von Biotreibstoffen, die von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) erstellt wurde. Diese ist eine schweizerische Institution, die Teil des ETH-Bereichs ist. Die Studie wurde im Mai 2007 erstellt und gibt einen umfangreichen Überblick über die

3 Biotreibstoff-Thematik. Die Studie wurde streng nach Ökobilanz-Richtlinien durchgeführt. Ziel der Studie ist eine handlungsorientierte Analyse der Umweltauswirkungen von biogenen Energieträgern sowie eine ökologische Gesamtbilanz vorzulegen. In dieser Präsentation möchte ich mich jedoch lediglich auf den Aspekt des Bioethanols beziehen. Näher soll vor allem auf die beiden Punkte Produktion und Nutzung als Treibstoff sowie Bewertung der Bereitstellung von Bioethanol eingegangen werden. Zusammenfassend dient der Blick auf den Vergleich von Kilometerleistung pro Hektar und Treibhausgasbelastung pro Hektar für verschiedene Energiepflanzen, sowie der Vergleich mit anderen Studien, die ähnliche Rohstoffe untersucht haben. Der erste untersuchte Aspekt die Produktion und Nutzung als Treibstoff setzt sich zum Ziel einen ökologischen Vergleich der verschiedenen in- und ausländischen Prozessketten zur Herstellung von biogenen Treibstoffen zu liefern. Die Systemgrenze wird hierbei als cradle-to-gate festgelegt, sprich von der Einsaat bis nach der Produktion des Bioethanols. Die Nutzung der Biotreibstoffe wird hier nicht berücksichtigt. Zusammenfassend dienen bei der Ökobilanz die Methode des Ecoindicator 99, eine international anerkannte Bewertungsmethode, sowie die UBP 06- Methode, die auf die ökologische Knappheit eingeht, auch Umweltbelastungspunkte- Methode genannt. Abbildung 1: Aggegierte Bewertung der Produktion von 1 MJ Bio-Ethanol mit dem Ecoindicator 99 und UBP 06

4 Abbildung 1 zeigt die hier untersuchten Rohstoffe und bewertet diese nach den oben beschriebenen Methoden, wobei die funktionelle Einheit 1 MJ Energiegehalt des jeweiligen Energieträgers ab Werk gilt. Man kann erkennen, dass Holz, Gras und Molke sehr gute Werte besitzen. Jedoch muss angefügt werden, dass diese Verfahren nur geringe Mengen an Bioethanol liefern. Zuckerrohr und Zuckerrohr- Melasse aus Brasilien, sowie die beiden Zuckerrüben-Verfahren aus schweizerischen Rohstoffen liefern ebenfalls akzeptable Werte. Äußerst schlecht schneidet hingegen die Gewinnung von Bioethanol aus Kartoffeln und Roggen aus den nicht-deutschen EU-Staaten ab. Gründe hierfür liegen in der Produktion der Rohstoffe. Besonders Düngemittel-intensive Bewirtschaftung schlägt sich negativ auf die Bewertung aus. Die größten Emissionen sind bei der Rohstoff-Bereitstellung zu finden, sprich bei der landwirtschaftlichen Produktion. Die CO 2 -Emissionen machen jeweils den größten Anteil an den THG-Emissionen aus, gefolgt von Lachgas, das bei den Düngemittel-intensiven Kulturen fast ebenso relevant ist. Die Zielsetzung der Bewertung der Bereitstellung von Bioethanol liegt in der Darstellung der Umweltbelastungen von in Schweiz produzierten Alternativen gegenüber den importierten analogen Alternativen. Die Systemgrenze ist hierbei from-well-to-tank festgelegt, sprich vom Anbau bis zur Tankstelle. Abbildung 2: Treibhausgasemissionen, aufgetrennt in Produktion sowie den Transport zur Tankstelle Abbildung 2 vergleicht verschiedene Ethanol-Zusammensetzungen aus unterschiedlichen Regionen, die an die schweizerischen Tankstellen transportiert werden. Ethanol CH setzt sich aus einem Rohstoff-Mix zusammen, wobei alle betrachteten Rohstoffe aus schweizerischem Anbau kommen. Ethanol aus China (ProdCN) setzt sich lediglich aus der Gewinnung mit Hirse zusammen. Bei der europäischen (ProdRER) geht man von Roggen aus, wohingegen bei der USamerikanischen (ProdUS) Mais der alleinige Rohstoff darstellt. Letztlich dient bei der

5 brasilianischen Produktion (ProdBR) Zuckerrohr als Rohstoff. Als allgemeines Ergebnis kann festgehalten werden, dass der Transport des Bioethanols nur einen geringen Anteil an den Treibhausgas-Emissionen ausmacht. Der Hauptteil liegt folglich in der Bereitstellung des Rohstoffs, also in der Produktion, und nicht so sehr in der verfahrenstechnischen Komponente. Die Gewinnung von Bioethanol aus brasilianischer Produktion weist die besten Werte auf. Am schlechtesten schneidet die Produktion aus europäischer Produktion ab. Der brasilianische Anteil weist ein deutlich geringes THP für den Transport auf als z.b. US-Ethanol, da der Transport innerhalb von Brasilien hauptsächlich über eine Pipline erfolgt. Ein Blick auf den Vergleich von Kilometerleistung pro Hektar und Treibhausgasbelastung pro Hektar (Abb. 3) für verschiedene Energiepflanzen zeigt, dass nur wenige Rohstoffe zur Bioethanol-Herstellung eine positive Bilanz aufweisen und gleichzeitig eine hohe Kilometerleistung. Hierzu gehört die Zuckerrübe, Zuckerrohr, und Zuckerhirse. Abbildung 3: Zweidimensionale Darstellung von Kilometerleistung pro Hektar und Treibhausgasbelastung pro Hektar für verschiedene Energiepflanzen Bioethanol aus Körnermais und Kartoffeln kommen nach dieser Betrachtung nicht in Frage, da die Treibhausgas-Emissionen im Vergleich zur Kilometerleistung unverhältnismäßig groß sind.

6 Eine weitere Abbildung verdeutlicht den Vergleich der Treibhausgasemissionen mit anderen Studien, concawe- sowie die VIEWLS-Studie. Abbildung 4: Vergleich der Treibhausgasemissionen aus dieser Studie mit den Ergebnissen zweier Metastudien Als Referenz gelten hierbei die konventionellen Treibstoffe Diesel, Benzin und Erdgas. Augetragen sind lediglich Ethanol aus Zuckerrüben, Roggen, Mais und Zuckerrohr, da die anderen Rohstoffe nicht in den Vergleichsstudien untersucht wurden. Zusammenfassend kann man anfügen, dass lediglich der Rohstoff Zuckerrohr deutlich günstigere Werte bezüglich der Treibhausgas-Emissionen aufweisen kann. Alle anderen Rohstoffe erzielen nur ähnliche oder mit gewissen Annahmen, das symbolisieren die Balken, sogar schlechtere Werte als die konventionellen Treibstoffe. Das Fazit lautet, dass biogene Treibstoffe im Verbund mit anderen erneuerbaren Energieformen eine nicht zu vernachlässigende Rolle in der zukünftigen Energieversorgung spielen. Jedoch lassen sich mit biogenen Energieträgern allein die Energieprobleme nicht lösen. Wenn die verfügbare Biomasse aber effizient und umweltfreundlich in Energie transformiert wird, gleichzeitig der Verbrauch gesenkt und die Energieeffizienz erhöht wird, stellt das ein Lösungsansatz dar. Zudem muss immer zwischen einzelnen Rohstoffen und Verfahren unterschieden werden, wenn von Bioethanol gesprochen wird, da sonst die Gefahr der Generalisierung besteht.