Energie- und Treibhausgasbilanz sowie Flächenbedarf von erneuerbaren Kraftstoffen

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1 BAG Energie Juni 2008 Energie- und Treibhausgasbilanz sowie Flächenbedarf von erneuerbaren Kraftstoffen Berlin, 13. Juni 2008 Werner Weindorf Ludwig-Bölkow-Systemtechnik, Ottobrunn

2 Überblick Alternative Kraftstoffe Kriterien für die Nachhaltigkeit von Biokraftstoffen Berücksichtigung von Nebenprodukten am Beispiel RME Ausgewählte Produktionsverfahren für Biokraftstoffe der 2. Generation Treibhausgasemissionen Well-to-Wheel CO 2 -Emissionen aufgrund der Änderung der Landnutzung am Beispiel Palmöl Flächenbedarf verschiedener alternativer Kraftstoffe Zusammenfassung 2

3 Alternative Kraftstoffe 3

4 Alternative Kraftstoffe Heute verfügbare Alternativen Pflanzenölmethylester (Biodiesel) Natives Pflanzenöl Bioethanol aus Zuckerrüben, Zuckerrohr, Weizen, Mais Erdgas Strom [Leichtfahrzeuge, Zweiräder eingeschränkte Reichweite] Weitere, in Zukunft verfügbare Alternativen Synthetische Kohlenwasserstoffe aus Biomasse (BTL) Bioethanol aus Lignocellulose (Holz, Stroh) Aufbereitetes Biogas ( Compressed Methane Gas aus Biogas) Wasserstoff (CGH 2, LH 2 ) 4

5 Kriterien für die Nachhaltigkeit von Biokraftstoffen 5

6 Kriterien für die Nachhaltigkeit von Biokraftstoffen LBST certification nomenclature Area Theme Subject 1. Environmental 1.1 Climate GHG balance Carbon sinks 1.2 Biodiversity Biodiversity 1.3 Local environmental effects Air quality Soil quality, erosion Water quality and resources management 2. Social 2.1 Social well-being Social well-being of employees and local population Health and safety Pay and conditions for employees, trade unions No child employment No discrimination Women's rights 3. Economic 3.1 Local economic effects Local prosperity 3.2 Economic sustainability Long-term economic and financial viability 4. Other 4.1 Competition with food/ other indirect effects of Food competition land use change 4.2 Governance Transparency, stakeholder participation Compliance with applicable laws, regulations and customary rights Land use rights Documentation, implementation, monitoring Training Environmental and Social Impact Assessment for Planning and Implementation Continuous improvement in social and environmental aspects Criteria conformance and corrective action 4.3 Good Agricultural Practice Minimum level of maintenance Integrated pest management Use of agrochemicals Waste reduction, recycling, re-use, disposal 4.4 Biotechnology Genetically modified organisms 6

7 Berücksichtigung von Nebenprodukten 7

8 RME: Berücksichtigung des Nebenprodukts Rapsschrot Anbau Sojabohnen Ölmühle Sojaöl (Lebensmittel) Anbau Raps Rapsschrot Ölmühle Rapsöl 8 Rapsöl für RME (Energieträger) Sojaschrot (Viehfutter) Hauptprodukt: Rapsöl Nebenprodukt: Rapsschrot Hauptprodukt: Sojaschrot Nebenprodukt: Sojaöl Sonnenblumenschrot Sojabohnen Anbau Sonnenblumen Sojaschrot Rapskörner Referenzsystem Referenzsystem Ölmühle

9 RME: Berücksichtigung des Nebenprodukts Glyzerin (1) Umesterung RME (Zielprodukt) Glyzerin (Nebenprodukt) Substitution Gutschrift Konventionelle Glyzerin-Bereitstellung Glyzerin (Zielprodukt) 9

10 RME: Berücksichtigung des Nebenprodukts Glyzerin (2) Der Markt für Glyzerin ist gesättigt, d.h. kein konventionelles Glyzerin wird mehr produziert, das ersetzt werden könnte. Umesterung RME (Zielprodukt) Glyzerin (Nebenprodukt) Propylenglykol Substitution Gutschrift Konventionelle Propylenglykolproduktion Propylenglykol (Zielprodukt) 10

11 Ausgewählte Produktionspfade für Biokraftstoffe 11

12 Biokraftstoffe auf Basis komprimierten Methans Biogasanlage (Vergärung) Vergärbare Biomasse (z.b. Biomüll, Grasschnitt, Mais-GP) Methan CO 2 Netz Wärme Gasmotor Spülgas Druckwechseladsorption oder Druckwasserwäsche Z.B. Kompogas (Schweiz) Verdichtung CMG (> 96% Methan) 12

13 Ethanol aus lignocellulosehaltiger Biomasse (z.b. Stroh) Biomasse (Holz, Stroh) Vorbehandlung Hydrolyse Cellulase- Produktion Fermentation Dampf Destillation Absolutierung Ethanol: 99.7% Fest-/Flüssig- Abtrennung Flüssige Stoffe: Rückführung oder Zuführung zur Kläranlage Firmen: Iogen Feststoffe (Lignin) KWK-Anlage Dampf Strom η % Asche 13

14 Biomass-to-Liquids (BTL) über Fischer-Tropsch-Synthese Biomasse (Holz, Stroh) Vergasung Gasreinigung ggf. CO-Shift CO, H 2 FT-Synthese (250 C, 2,5 MPa) Flash- Stufe C 1 -C 4 Trennstufe Wasser H 2 C 1 -C 4 Wasserdampf/Luft schwere Paraffine Naphtha Firmen: Choren CUTEC Kerosin Gasöl (Diesel) Hydrocracking Rektifikation ( C, 3-5 MPa) η 42 % 14 Bild: Shell

15 Biomass-to-Liquids (BTL) über die Methanol-Route Biomasse (Holz, Stroh) Vergasung Gasreinigung ggf. CO-Shift CO, H 2 Methanolsynthese Wasserdampf/Luft Methanol Olefinproduktion Olefinoligomerisierung H 2 C 3 -C 4 Benzin (ROZ 92) Hydrierung Kerosin Gasöl (Diesel) Wasser Kohlenwasserstoff-Rückführung Rektifikation Firmen: Lurgi Kohlenwasserstoff-Rückführung MtSynfuels-Prozess η 42 % 15

16 H 2 aus Biomasse über Vergasung Heizung Wärmeträger Abgas Gestufte Reformierung Brennerabgas Wasser Reformer Kompressor Dampf Wärmeträger Produktgas Pyrolysegas Quench Kondensat PSA Bild: Weindorf/LBST Biomasse Pyrolysereaktor Wärmeträger Koks Brenner Luft Spülgas (zum Gasmotor) η 50 % (H 2 maximal) Rein-Wasserstoff Firmen: D.M.2 16

17 Treibhausgasemissionen Well-to-Wheel 17

18 Treibhausgasemissionen Well-to-Wheel (hybrid) Verbrennungsmotor Biokraftstoffe NExBTL Palmöl Malaysia (ohne Änderung der Landnutzung) Gutschrift für Strom mit Landnutzungsänderung Brennstoffzelle N2O CH4 CO2 Wasserstoff [g CO2-Äquivalent/km] -50 Benzin aus Rohöl Diesel aus Rohöl BTL Kurzumtrieb (FT Synthese) Ethanol Weizen Braunkohle Ethanol Weizen Biogas* Ethanol Kurzumtrieb CMG Biogas (Biomüll) CMG Biogas (Tierexkremente) RME (Propylenglycol-Subst.) RME (Glyzerin-Subst.) Pflanzenöl Raps CGH2 Kurzumtrieb (ohne KWK) CGH2 Kurzumtrieb (mit KWK)** CGH2 Wind LH2 Wind Referenzfahrzeug: VW Golf * Ökologisches Gesamtkonzept mit Rückführung der Reststoffe auf die Ackerflächen ** Wärme aus Vergasungsanlage und Gasmotor wird in ein Nahwärmenetz eingespeist 18

19 CO 2 -Emissionen aufgrund der Änderung der Landnutzung am Beispiel Palmöl grain.org 19

20 Treibhausgasemissionen durch Ölpalm-Plantagen in Indonesien Bereitstellung und -Nutzung von Palmöl aus Ölpalmplantagen auf Torfböden ( Peatlands ): Durch Zersetzungsvorgänge im Boden werden 70 bis 100 t CO 2 pro ha und Jahr emittiert 1). In Indonesien werden pro ha und Jahr im Mittel etwa 4,1 t Öl erzeugt 2). Der untere Heizwert von Palmöl beträgt etwa 37 GJ/t Somit wird alleine durch Zersetzungsvorgänge im Boden 5 bis 8 mal so viel CO 2 freigesetzt wie bei der Bereitstellung und Nutzung (Verbrennung) von Dieselkraftstoff aus Rohöl. Mit Berücksichtigung von Torfbränden ergeben bis zu 25 mal so hohe CO 2 -Emissionen wie bei der Bereitstellung und Nutzung von Dieselkraftstoff auf Basis von Rohöl 3). 1) Hooijer, A., Silvius, M., Wösten, H. and Page, S PEAT-CO2, Assessment of CO2 emissions from drained peatlands in SE Asia. Delft Hydraulics report Q3943 (2006); 2) Ertrag in Indonesien nach FAO 2006: 18,5 t Fresh Fruit Bunches (FFB) pro ha und Jahr; 225 kg Ölt FFB 3) Siegert, F., zitiert in Süddeutsche Zeitung, 11. April

21 Treibhausgasemissionen durch Ölpalm-Plantagen in Indonesien Treibhausgasemissionen [Mio. t CO2-Äquivalent/a] CO2 aus Bränden von Torfwäldern und-böden CO2 aus Torfböden aufgrund Ä nderung der Landnutzung CO2, CH4, N2O, HFCs, PFCs, SF6 0 1) 2) 3) 3) 4) 4) 3) USA EU-25 China Indonesien Rußland Japan Indien Quellen: 1) U.S. Environment Protection Agency (EPA), April ) European Environmental Agency (EEA), ) November ) UNFCCC,

22 Flächenbedarf verschiedener alternativer Kraftstoffe 22

23 Substitution des Erdölverbrauchs der Welt durch Palmöl? Quelle Ölertrag Realität FAO ) MPOC ) Schrimpff 2003 Ölertrag 3,0-3,7 t/(ha a) 9,2 t /(ha a) Erdölverbrauch Welt ) Mtoe Mtoe 20 N Hu (Palmöl) 37 MJ/kg 37 MJ/kg Hu (Erdöl) 42 MJ/kg 42 MJ/kg Flächenbedarf Landfläche Afrika Mio. ha 2954 Mio. ha 500 Mio. ha 2954 Mio. ha Ölpalme: >1600 mm Regen/a (z. Vgl. UK: mm/a) C ganzjährig Anteil 42-51% 17% 20 S Ackerfläche Afrika Anteil Ackerfläche 206 Mio. ha 7% Quelle Bild: RSS Remote Sensing Solutions, Potsdam, ) FAO 2006: 13,5 Fresh Fruit Bunches (FFB) pro ha und Jahr, 225 kg Öl/(t FFB) 2) Basiron, Y., MPOC, published in Global Oils & Fats Business Magazine Vol 3 Issue 2, ) IEA Statistics Edition

24 Flächenerträge für verschiedene erneuerbare Kraftstoffe Annahmen H 2 : Anteil Fläche PV-Module: 33% Ertrag [GJ KS /(ha a)] Solare Einstrahlung: 900 kwh/(m 2 a) Wirkungsgrad PV-Module: 15% Performance Ratio (PR): 75% Wirkungsgrad CGH 2 -Bereitstellung: 60% Wirkungsgrad LH 2 -Bereitstellung: 54% 4,6 Windkraftanlagen/km kw/windkraftanlage Jahresvollbenutzungsdauer WKA: 1800 h/a Palmöl Indonesien Bandbreite *) *) 0 Biodiesel (RME) Ethanol aus Weizen Ethanol aus Kurzumtrieb Methan aus Biogas BTL CGH2 aus Kurzumtrieb LH2 aus Kurzumtrieb CGH2 aus PV LH2 aus PV CGH2 Wind LH2 Wind *) mehr als 99% der Landfläche steht weiterhin für andere Zwecke zur Verfügung (z.b. Landwirtschaft) 24

25 Flächenausnutzung Reichweite von einem Hektar Fläche Source: LBST for EHA/DWV, Hydrogen & Renewables,

26 Potenzial REG-Strom EU-27 Wasserkraft Wind offshore Wind onshore Geothermische Kraftwerke Meeresenergie (Wellen, Strömung) Solarthermische Kraftwerke Photovoltaik (2) Stromverbrauch EU (1) 100% des Biomassepotenzials wird für die Stromerzeugung verwendet (keine Biokraftstoffe, Wärme aus Bioenergie nur über KWK) Stromverbrauch EU (1) Ölpflanzen Energiepflanzen für Biogas Strom [TWh/a] Strom [TWh/a] Kurzumtrieb Biogas Reststoffe Reststroh Waldenergieholz, Restholz Stromverbrauch EU min max (1) IEA Statistics, 2006 (2) Dachflächen (2/3 der geeigneten Dachfläche) und Freiflächen (0.1% der Landfläche) 0 Stromverbrauch EU min max min max min max Kurzumtrieb+ Anbau-Biogas+ Pflanzenöl+ Analyse: Ludwig-Bölkow-Systemtechnik 26

27 Potenzial Mischkulturen (5-gliedrige Fruchtfolge) Ölertrag [kg/ha] Kraftstoffbedarf [kg/ha] Ölertrag (Überschuss) [kg/ha] Klee ohne/mit Raps Winterweizen mit Leindotter Erbsen-Saflor Mais-Sonnenblume Öllein-Leindotter Fruchtfolge gesamt Fruchtfolge gesamt pro Jahr (6,19-7,92 GJ/ha) (4,46-4,61 GJ/ha) (1,73-3,31 GJ/a) Quelle: Paulsen, H., M., Institut für ökologischen Landbau, Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL): Fruchtfolgegestaltung im Ökobetrieb zur Erlangung einer Treibstoffautarkie; 2004 Ackerfläche Deutschland: 12 Mio. ha 21 bis 40 PJ Pflanzenöl pro Jahr, wenn die gesamte Ackerfläche mit der oben angegebenen Fruchtfolge bebaut werden würde 1,0 bis 1,8% des derzeitigen Kraftstoffbedarfs (ca PJ/a), ohne Berücksichtigung der derzeitigen stofflichen Nutzung und ohne des Bedarfs von Pflanzenölen für Lebensmittel 27

28 Strom wird zur Primärenergie Die Energie-Zukunft ist Strom dominiert Strom als Primärenergie (Sonne, Wind, Wasser) Biomasse, Geothermie Fossile Energieträger Strom Regenerativer Strom hat andere Eigenschaften als fossile Energieträger: schwerer speicherbar starrere Kopplung zwischen Erzeugung und Verbrauch 28

29 Zusammenfassung 29

30 Die Treibhausgasemissionen von Biokraftstoffen variieren, je nach Produktionsverfahren, von Null bis über konventionellem Benzin oder Diesel Die Treibhausgasemissionen von Palmöl auf Torfböden (z.b. in Indonesien) sind bis zu Faktor 25 höher als bei konventionellem Diesel Die Erträge und Potenziale von Biokraftstoffen, insbesondere von Palmöl, werden stark überschätzt Auf der gleichen Fläche können auf Strom basierte Kraftstoffe bis zu Faktor 10 mehr Energie liefern als Biomasse basierte Kraftstoffe enzin aus Rohöl Diesel aus Rohöl eb (FT Synthese) eizen Braunkohle l Weizen Biogas* anol Kurzumtrieb Biogas (Biomüll) (Tierexkremente) ylenglycol-subst.) (Glyzerin-Subst.) Pflanzenöl Raps trieb (ohne KWK) trieb (mit KWK)** CGH2 Wind LH2 Wind N2O CH4 CO2 [Mio. t CO2-Äquivalent/a] CO2 aus Bränden von Torfwäldern und-böden CO2 aus Torfböden aufgrund Änderung der Landnutzung CO2, CH4, N2O, HFCs, PFCs, SF6 USA EU-25 China Indonesien Rußland Japan Indien Ertrag [GJKS/(ha a)] Biodiesel (RME) Ethanol aus Weizen Ethanol aus Kurzumtrieb Methan aus Biogas BTL CGH2 aus Kurzumtrieb LH2 aus Kurzumtrieb CGH2 aus PV LH2 aus PV CGH2 Wind LH2 Wind Zusammenfassung 30

31 Weiterführende Webseiten Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH: Webseite von ASPO Deutschland: Studien der Energy Watch Group: Wasserstoff- und Brennstoffzellen Info: (H2 Fahrzeuge) (H2 Tankstellen) (H2 news) 31