Gewinnung und Verwertung von Biomasse Forschungsgruppe NawaRo

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1 Gewinnung und Verwertung von Biomasse Forschungsgruppe NawaRo Prof. Dr.-Ing. F. Beneke 4. Regionale Energiekonferenz Südwestthüringen Suhl, Forum 2: Lokale Ansätze und Potenziale 1

2 Inhalt >>> Gewinnung und Verwertung von Biomasse Forschungsgruppe NawaRo <<< Biomassenutzung in der Region einige grundlegende Gedanken Forschungsgruppe NawaRo an der Hochschule Schmalkalden 2

3 Biomasse als Energie- und Rohstofflieferant Energie Kraft Wärme Mobilität Energiepflanzen? Biomasse allgemein? Bild: Claas 3

4 Biomasse ist gespeicherte Sonnenenergie Jährliche Biomasse(neu)bildung 100 % Biomassebildung = 8x Weltenergiebedarf 100 Quelle für Rohstoffe, Energie, Nahrung, Futtermittel Biomass generation (on average, worldwide) 5-15 t atro /(ha a) Aber: landwirtschaftliche Nutzfläche liefert nur 6 % der jährlichen Biomasse (Kleemann und Meliß, 1988) Konflikte bei der Landnutzung? à beschränkte z.b. Teller Ressource oder Tank? Bild: forstbw Weltenergiebedarf Quelle: US National Renewable Energy Laboratory, 1997 In Fraunhofer UMSICHT

5 Biomasse ist gespeicherte Sonnenenergie Jährliche Biomasse(neu)bildung Photosynthese: 1, t/jahr Biomassebestand: t Biomassenutzung [%] nach Braun/Laaber 2006 Ackerland: liefert 6 % der jährlichen Biomasse à beschränkte Ressource, regionale Unterschiede natürliche Kreisläufe; 96 für energetische Zwecke; 1 Papier und Zellstoff, Naturfasern; 1 Nahrung und Futtermittel; 2 5

6 Globale Flächennutzung Potenziale und Trends 6

7 Verfügbarkeit von Biomasse als Energieträger à Fläche begrenzt problemlose Steigerung der Anbauflächen nicht machbar à Alternative? mehr Biomasse durch mehr Fläche kann das Problem nicht lösen (s.o.) Getreideanbau: Spreu und Kurzstroh (Bild: Rumpler) à Verfügbare Mengen erhöhen und intensiver nutzen: Reststoffe, Kaskadennutzung (zuerst stofflich, dann energetisch), Koppelprodukte. 7

8 Biomasse Nutzung vorhandener Stoffe/Stoffströme Wo findet sich zusätzlich nutzbare Biomasse? Straßenbegleitgrün Laub Grasschnitt aus privatem Bereich Waldrestholz weitere Bilder: Microsoft, Viking, Zormaier/Waldwissen, Mercedes-Benz 8

9 Biomasse: Landschaftspflegematerial Bergung als Voraussetzung der Nutzung Nutzung des Materials erfordert eine wirtschaftliche Bergung unter teilweise schwierigen Voraussetzungen Mulch- und Bergetechnik Standardtechnik nicht auf allen Standorten möglich Übergang fließend Sonderformen (spezielle Technik) Aufnahme des Materials, Bergung? Bilder: AEBI-Schmidt 9

10 Ziel: Intensivere Nutzung verfügbarer nachwachsender Rohstoffe Frage für den Maschinenbau: Welche Maschinen sind erforderlich? Produkt / Anwendung Biomasse / Pflanze Prozess / Verarbeitung Wie umsetzen? Bilder: Schweizer Bauer, ETS THIERART 10

11 Nawaro-Verfahrensketten komplexe Zusammenhänge Verschiedene Pflanzen Verschiedene Merkmale Wo / wie nutzen? Welche Art der Nutzung (stofflich, energetisch)? Biomasse / Pflanze komplexer Zusammenhang Prozess / Verarbeitung Produkt / Anwendung Verschiedene Anwendungen/ Nutzungsmöglichkeiten Verschiedene Anforderungen Verschiedene Eigenschaften Welche Biomasse dazu nutzbar? Verschiedene Wege von der Pflanze zum Produkt Unterschiedlich viele Schritte Technische Umsetzung der Schritte? 11

12 Energieversorgung heute und morgen Fragen vor dem Hintergrund begrenzter fossiler Ressourcen hat die Suche nach alternativen Energiequellen begonnen Umweltauswirkungen rücken zunehmend in den Fokus Fragen Lokale Energieversorgung mit lokalen Energiequellen? Denken und Handeln in Kreisläufen? Energiemix mit Biomasse (ggf. als Basis) möglich? Hierzu erforderlich Entsprechende Produkte Unternehmen, die diese Produkte herstellen und sich in den o.g. Bereichen engagieren à Regionale Wirtschaft 12

13 Regionaler Ansatz mögliche Ziele einer lokalen Energieversorgung Ziele (ideal) Hohe Versorgungssicherheit Wirtschaftlich Optimaler Nutzen aus bestehenden Ressourcen Geschlossene Ketten Keine Abfälle übrig Nachhaltig Umweltgerecht Optimale Standortnutzung bei Anbau Keine Konkurrenz Teller / Tank Flexibles (Vorgehens-)Modell + regional anpassbar Lokale Umsetzung Ableitung Handlungsmöglichkeiten: Was wäre ideal? Wie weit ist eine Annäherung an den idealen Zustand möglich? Welche Möglichkeiten bestehen lokal? Was muss noch aufgebaut werden? Wo muss noch geforscht werden? 13

14 Aufgabe: (Innovations-) Potenziale finden Zunehmende Bedeutung von dezentraler Energiebereitstellung durch nachwachsende Rohstoffe Steigerung der Effizienz der Energieerzeugung und -verwendung gleiches gilt auch für die stoffliche Verwendung von Biomasse à Hightech-Strategie Bundesregierung: Schwerpunktsetzung u.a. auf erneuerbaren Energien / Nawaro à EU-Ziele: bis 2020 insgesamt 20 % der Energie aus erneuerbaren Energien à Kommunen: Ausbau erneuerbarer Energiequellen (vgl. 100% EE-Kongress, Kassel 2010) 14

15 Biomasse zur energetischen Nutzung Vision: Regionale Erzeugung und Nutzung von Biomasse für Energiebereitstellung à Wie umsetzen? à Wer ist betroffen, bzw. wer leistet welchen Beitrag? à Wie tragfähige Konzepte erstellen, welche Anwendungsketten? à Vergleich von Biomasse mit anderen erneuerbaren Energieträgern? Bild: 15

16 Gefundene Potenziale nutzbar machen Problem: Verfügbarkeit technischer Lösungen Zur Nutzung von Potenzialen bei der Biomasse-Verwendung sind technische Lösungen erforderlich Aber: diese sind noch nicht durchgängig vorhanden oder nicht optimal oder kaum überschaubar Anwendungsketten sind nicht durchgängig beschrieben à Entwicklungsbedarf bei Produkten und Prozessen (Innovation) à Angepasst an die Kreisläufe (Anwendungsketten) 16

17 Regionale Biomassenutzung, z. B. Bioenergiehof Betrachtungsebenen globale Betrachtung Konzept / Methode à Nutzen (für Planung) lokale Anwendung lokales Biomasseangebot lokale Anwendung à Nutzen (für Anwender) Verfahren, (Technik-) Bausteine / Baugruppen à Nutzen (für Hersteller der Technikbausteine) Bild: Beneke 2010 (Hochschule Schmalkalden), geändert 17

18 Energetische Nutzung von Biomasse Wie umsetzen? Energiepflanzen Ernterückstände organ. Nebenprodukte organische Abfälle Miscanthus, Triticale usw. Stroh, Waldrestholz usw. Gülle, Industrierestholz usw. Klärschlamm, Schlachthofabfälle usw. Ernte, Sammeln Aufbereitung Transport Lagerung Thermochemische Umwandlung Physikalisch-chemische Umwandlung Biochemische Umwandlung Verkohlung Vergasung Pyrolyse Pressling/Extraktion Umesterung Alkoholgärung Anaerob. Abbau Aerober Abbau Festbrennstoff Kohle Produktgas Pyrolyseöl Pflanzenöl PME Ethanol Biogas fester Brennstoff gasf. Brennstoff flüssiger Brennstoff Verbrennung Elektrische Energie (Brennstoffzelle) Kraft Thermische Energie Thermisch-mechanische Umwandlung Wärme Quelle: FNR

19 Das Problem ist die Komplexität Systemtechnik: große Anzahl von Elementen + große Anzahl von Beziehungen = hoher Komplexitätsgrad Problem Biomassenutzung: Alles hängt von allem ab. 19

20 Forschungsgruppe Produktentwicklung Prof. Dr.- Ing. F. Beneke Fakultät Maschinenbau, Professur Produktentwicklung / Konstruktion FPE Forschungsgruppe Produktentwicklung Forschungsgruppe Produktentwicklung Arbeitsfeld Nachwachsende Rohstoffe (NawaRo) Arbeitsfeld Rapid Technologien (RT) Arbeitsfeld condition monitoring (CoMon) Arbeitsfeld Produktentwicklung (PE) 20

21 Produktentwicklung / Konstruktion Prof. Dr.- Ing. F. Beneke Prof. Dr.-Ing. Frank Beneke - Leitung - Dipl.-Ing., MBA Reinhold Brummel - Doktorand extern - B. Eng. Sebastian Hartwig - Akustische Maschinendiagnostik, Energiegarten - B. Eng. Madlen Himmel-Saar - ThZM / FG Additive Fertigung - M. Eng. Alexander Kißling - ThZM / FG Additive Fertigung - B. Eng. Luise Merbach - Akustische Maschinendiagnostik, Energiegarten - M. Sc. Katja Schreiber - NeMAS, FGN - B. Eng. Martin Schweigel - Energieautarke Farm, akustische Maschinendiagnostik - Peter Spieß - NeMAS - Dr.-Ing. Christian Walther - Akustische Maschinendiagnostik - 21

22 Zusammengefasst Möglichkeiten, Richtungen und Anforderungen für die zukünftige Biomassenutzung führen zu anspruchsvollen Fragestellungen und komplexen Aufgaben. Aber neue Wege und damit auch neue Produkte können dadurch entstehen. Ansatzpunkte für den Maschinenbau wurden hergeleitet und sind aktuell in der Bearbeitung. Foto: Beneke 22

23 Fazit: Biomassenutzung verschiedene Sichtweisen und Ansprüche Wem nutzt eine ganzheitliche Sichtweise und die Nutzung neuer Potenziale? z.b. Landwirtschaft à Erzeugung von Biomasse Auswahl Pflanzen Auswahl Standorte Erforderliche Flächen / Größe Eingesetzte Technik Lieferkette / Logistik Märkte / Preise Eigene Weiterverarbeitung oder Verkauf Biomasse Industrie à Technik für Anbau, Ernte Verarbeitung und Nutzung von Biomasse Marktgängige Produkte Neuentwicklung oder Weiterentwicklung / Anpassung? Neue Anwendungsfelder erschließen Probleme (des Kunden) verstehen und lösen Bestehende Technik / Lösungsansätze integrieren Verbraucher à Versorgung / Versorgungssicherheit Energieversorger (z.b. Stadtwerke) à Regionale Versorgungsstrukturen Verarbeiter / Hersteller von Biomassebasierten Produkten Marktgängige Produkte Neuentwicklung oder Weiterentwicklung / Anpassung? Neue Anwendungsfelder erschließen Probleme (des Kunden) verstehen und lösen Verarbeitungsprozesse aufbauen / optimieren Erforderliche Verfahrensschritte / Zwischenschritte 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 2012 Product Development / Design UAS Schmalkalden, Faculty of Mechanical Engineering 24 Foto: Beneke

25 Gewinnung und Verwertung von Biomasse Forschungsgruppe NawaRo Prof. Dr.-Ing. F. Beneke 4. Regionale Energiekonferenz Südwestthüringen Suhl, Forum 2: Lokale Ansätze und Potenziale 25