Jahrestagung der DPG, Arbeitskreis Energie (AKE) Erlangen, 5.-7. März 2018 (K)eine Wende ohne Bioenergie? Die Rolle der Biomasse in unserer künftigen Energiewirtschaft Jürgen Karl Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
1. Der Holzweg Klimaretter oder ökologisches Desaster? Warum die Politik sich von der Bioenergie abwendet Die Rolle der Bioenergie in der Stromversorgung 2. Kosten und welchen Beitrag leistet die Bioenergie heute? Bioenergie im Strom- und Wärmemarkt Kostenstruktur von Bioenergie-Anlagen 3. Biomasse für chemische Speicher Speicheraufgaben für Energiewende und Mobilität Designerkraftstoffe und chemische Speicher aus Biomasse 4. Biomasse oder Wind & PV? Power-to-Gas und Power-to-Liquids Die Globalisierung der Energiewende Folie 2
1. Der Holzweg Klimaretter oder ökologisches Desaster? Folie 3 Warum die Politik sich von der Bioenergie abwendet Die Rolle der Bioenergie in der Stromversorgung
Aus der Geschichte der der Energiewende Biomasse galt lange als die wichtigste und richtigste Energieform für die Energiewende Folie 4
Aus der Geschichte der der Energiewende Diskussionspunkt Nahrungsmittel-Konkurrenz ( Teller oder Tank? ) Biomassenutzung führt zu steigenden Lebensmittelpreisen Nahrungsmittel -Konkurrenz reduziert die für die Lebensmittel verfügbaren Flächen Folie 5
Aus der Geschichte der der Energiewende Abholzung führte bereits im Mittelalter zum Verlust der Wälder Europas Palmölimporte forcierten die Brandrodung in Malaysia Diskussionspunkt Abholzung der Wälder der Erde Folie 6
Aus der Geschichte der der Energiewende Leopoldina -Studie Bioenergie: Möglichkeiten und Grenzen Um den Verbrauch von fossilen Brennstoffen und die Emissionen von Treibhausgasen zu reduzieren, sollte Deutschland nicht den weiteren Ausbau von Bioenergie anstreben... Folie 7 aber: Bioenergie meint nicht (nur) Energiepflanzen
onshore ofshore Das Erneuerbare- Energien-Gesetz Novelle des EEG 2014: Gesetz definiert einen Ausbaukorridor geplanter Zubau Wind 3,2 x geplanter Zubau Sonne 2,1 x jährlich jährlich geplanter Zubau Biomasse 0,08 x jährlich Folie 8
1. Fluktuierende politische Einschätzungen bremsen die Bioenergie derzeit massiv Folie 9
Bioenergie in der Stromversorgung? - unser Kraftwerkspark 541 TWh 614 TWh Defizite aufgrund von Stilllegungen in den nächsten 10 Jahren: Deutschland - 257 TWh (42%) Frankreich - 360 TWh (66%) 60 Jahre 50 40 30 die nächsten 10 Jahre stillgelegt (reguläre) Betriebsdauer *) 40 Jahre *) Spezifikation der Auslegung in Bau (Gas, Kohle, Kernenergie) Deutschland ca. + 9 TWh Frankreich ca. + 16 TWh Ausbaukorridor erneuerbare Energien + 113 TWh (18%) 20 10 Kernenergie Braunkohle Steinkohle Erdgas Öl 8 6 4 2 Deutschland Sources: http://globalenergyobservatory.org https://www.iaea.org/pris, Kraftwerksliste BNetzA Energiedaten BMWi and others 0 2 4 6 Frankreich 8 GW Folie 10
Stromerzeugung in GW Unsere Stromerzeugung im Jahr 2027 100 80 PV 2017 Pumpspeicher 2027 Folie 11 60 40 20 0 Wind Wasserkraft Kohle, Gas Öl Nuklear Biomasse KW40 2.10. - 8.10.2017 onshore offshore Projektion 2.10. - 8.10.2027 Annahmen: Zubau Erneuerbare lt. Ausbaukorridor der Bundesregierung Zeitverfügbarkeit konventionelle Kraftwerke 90% Rentenalter konventioneller Kraftwerke 40 Jahre Merit-Order gilt weiter Keine Steigerung des Stromverbrauchs
Stromerzeugung in GW Unsere Stromerzeugung im Jahr 2027 100 80 PV 2017 Pumpspeicher 2027 Defizit 2027 60 Wind onshore 40 20 Kohle, Gas, Öl Gas, Öl in Bau/Planung offshore Steinkohle Folie 12 0 Nuklear Biomasse Wasserkraft KW48 27.11. - 3.12.2017 Braunkohle Projektion mit Bioenergie 27.11. - 3.12.2027 Biomasse Projektion ohne Bioenergie 27.11. - 3.12.2027
Unsere Stromerzeugung im Jahr 2027 Die noch verfügbaren konventionellen Kraftwerke laufen kontinuierlich in Volllast Strombedarf kann trotzdem nicht mehr gedeckt werden onshore 2027 Defizit 2027 max. Leistungsdefizit: mit Bioenergie Folie 13 ohne Bioenergie -16,5 GW - 21,6 GW Arbeitsdefizit: mit Bioenergie ohne Bioenergie - 452 GWh - 862 GWh *) ca. 10 Mio. Tesla S Batterien ca. 23 x alle dt. Pumpspeicherkraftwerke *) offshore Gas, Öl in Bau/Planung Steinkohle Braunkohle Biomasse Projektion mit Bioenergie 27.11. - 3.12.2027 Projektion ohne Bioenergie 27.11. - 3.12.2027
1. 2. Fluktuierende politische Einschätzungen bremsen die Bioenergie derzeit massiv Ohne Biomasse wird die Versorgungssituation in ein paar Jahren noch deutlich spannender Folie 14
2. Kosten und welchen Beitrag leistet die Bioenergie heute? Bioenergie im Strom- und Wärmemarkt Kostenstruktur von Bioenergie-Anlagen Folie 15
Was leistet Bioenergie heute? Deutschland Stand 2016 Biomasse 8,4% Anteil Primärenergie Erneuerbare insgesamt: 12,6% 7,8% Stromerzeugung 29,0% Quelle BMWI Energiedaten, Stand 23.1.2018, http://www.bmwi.de/navigation/de/themen/energiedaten.html Folie 16 Biomasse liefert heute in Deutschland den größten Primärenergie-Beitrag aller Erneuerbaren Energien Grund: der hohen Anteil an der Wärmeerzeugung
Status Quo - Stromerzeugung mit Biomasse im Jahr 2016 biogener Anteil des Mülls Biomasse (Heiz-)kraftwerke ca. 700 Anlagen (davon ca. 400 Holzvergaser) inst. Leistung ca. 1.600 MW el Deponiegas Klärgas 0,4 TWh 1.4 TWh 5.9 TWh 10.8 TWh Flüssige Biomasse 0,5 TWh 31.9 TWh Biogasanlagen ca. 9000 Anlagen inst. Leistung 5.400 MW el Folie 17 Im Jahr 2016 wurden 50,9 TWh (von 649 TWh) Strom aus Biomasse produziert 2/3 des Stroms stammt aus Biogasanlagen
Was leistet Bioenergie heute? Deutschland Stand 2016 Biomasse 8,4% Anteil Primärenergie Erneuerbare insgesamt: 12,6% 7,8% Stromerzeugung 29,0% 10,4% Wärme 13,0% Quelle BMWI Energiedaten, Stand 23.1.2018, http://www.bmwi.de/navigation/de/themen/energiedaten.html Biomasse liefert heute in Deutschland den größten Primärenergie-Beitrag aller Erneuerbaren Energien Folie 18
Anteil Erneuerbarer Energieträger für die Bereitstellung von Nutzwärme in Deutschland 2014 Quelle: Energiedaten des BMWI, 2016 Wärmebedarf insgesamt 4637 PJ Handel, Dienstleistung und Gewerbe 11,6% 489 PJ in 2015 Prozesswärme Wärmeerzeugung aus Erdgas Warmwasser Raumwärme 2104 PJ indirekt *) Private Haushalte 45,4 % Industrie Wärmeerzeugung aus Erneuerbaren Energien 12,5 % davon ca. 23% Großfeueungen und KWK-Anlagen ca. 54% Kleinfeuerungen *) Strom/Fernwärme aus Erdgas Folie 19
Kleinfeuerungen < 100 kw Hackschnitzelheizungen ca. 11.000 Anlagen 565 MW FWL 3,6 PJ 17,6 PJ Pelletheizungen ca. 155.000 Anlagen 2.900 MW FWL 206 PJ bzw. 62,7 TWh 16,2 PJ Scheitholzheizungen ca. 90.000 Anlagen 2.650 MW FWL Scheitholz-Kaminöfen ca. 15 Mio. Anlagen Folie 20 der überwiegende Anteil der Einzelfeuerungen sind nach wie vor Scheitholzöfen Mit Pellets könnten noch große erschlossen werden Stand 2011 Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien, Holzenergie in Deutschland, 2014
Was leistet Bioenergie heute? Deutschland Stand 2016 Erneuerbare 29,0% Biomasse insgesamt: 12,6% 13,0% 5,2% 8,4% 7,8% 10,4% 5,2% Anteil Primärenergie Stromerzeugung Wärme Kraftstoffe davon Energiepflanzen < 5% ca. 4,8 % < 1 % 5,2 % Folie 21 Quelle BMWI Energiedaten, Stand 23.1.2018, http://www.bmwi.de/navigation/de/themen/energiedaten.html Biomasse liefert heute in Deutschland den größten Primärenergie-Beitrag aller Erneuerbaren Energien ca. 2/3 der Bioenergie stammt derzeit aus Energiepflanzen, ca. 1/3 aus Holz und Abfällen
Betriebskosten (Personal, 25 Service, Wartung) 20 Investkosten 30 15 10 Marktpreis Kernproblem Wirtschaftlichkeit und Biomassepreise Folie 22 Source: http://biogas.fnr.de/daten-und-fakten/faustzahlen/ 5 0 75 kw Anlage mit Gülle Stromerzeugungskosten in ct/kwh 500 kw Anlage mit Mais Silage Wirtschaftlichkeit hängt entscheidend von Substrat/Holzpreisen ab ohne Förderung sind Bioenergieanlagen aufgrund hoher Biomassepreise nicht wettbewerbsfähig 2027 erhalten etwa 50% der Anlagen keine Förderung mehr Instandhaltung Personal Versicherungen etc. Hilfsstoffe Wartung Brennstoff Hackschnitzel Holzheizkraftwerk OPEX fix Substratkosten verbrauchsgebunden CAPEX 250 200 150 100 50 0 Holzhackschnitzelpreise in pro Tonne Holzpreis atro Holzpreis w = 35% Rinde w = 35% steigenden KUPs w = 35% Landschafts pflegematerial w = 35% Streuung ± 50%
3. Biomasse für chemische Speicher Speicheraufgaben für Energiewende und Mobilität Designerkraftstoffe und chemische Speicher aus Biomasse Folie 23
Herausforderung Mobilität Professor Franz Fischer Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr Der große Vorteil, den der Besitz flüssiger Betriebsstoffe, also des Erdöles und der aus ihm herstellbaren Produkte für die wirtschaftliche und politische Überlegenheit des betreffenden Staates bietet, hat zu einem intensiven Wettbewerb um die Erdölquellen der Welt geführt. Es ist anzunehmen, daß die Sieger in diesem Kampfe um das Erdöl anderen Ländern nicht mehr davon abgeben werden als von ihrem jeweiligen Überfluß. Letztere sind deshalb in erster Linie erzwungen, Wege zu suchen, auf denen sie sich das Erdöl und seine Bestandteile ersetzen können. Folie 24 (Franz Fischer, in Die Umwandlung der Kohle in Öle, 1923)
Herausforderung Stromspeicherung Speicheraufgaben: Grundlastfähige Speicher (z.b. Batterien) Spitzenlastfähige Speicher (z.b. Hochtemperaturspeicher, Pumpspeicherkraftwerke) Systeme mit großen Speicherkapazitäten (Second Generation Fuels bzw. Chemische Speicher) 3 strategische Speicher 1 Große Speicher (Second Generation Fuels) Dauerhafte Speicherung von PV und Wind in existierenden Gasnetzen Grundlastfähige Speicher Effiziente Speicher effiziente Speicher z.b. Batterien, CAES oder Pumpspeicher Spitzenlastfähige Speicher Hochdynamische Speicher hoher Leistung z.b. durch Nutzung bestehender Kraftwerks- Infrastruktur 2 Spitzenlast- Speicher Folie 25
Folie 26 Herausforderung Stromspeicherung Speicheraufgaben: Grundlastfähige Speicher (z.b. Batterien) Spitzenlastfähige Speicher (z.b. Hochtemperaturspeicher, Pumpspeicherkraftwerke) Systeme mit großen Speicherkapazitäten (Second Generation Fuels bzw. Chemische Speicher) 100% 80% 60% 40% 20% 0% 1 effiziente Speicher Zielgröße: =100% 2 Spitzenlast- Speicher Zielgröße: 20 GW 1,5 Mio. Batterien 15.000 Batterien 100 Anlagen 1 Anlage 3 strategische Speicher Zielgröße: 20 TWh existierende Gaskraftwerke 1,5 Mio. Batterien existierende Gasspeicher 100 Anlagen
1. 2. Fluktuierende politische Einschätzungen bremsen die Bioenergie derzeit massiv Ohne Biomasse wird die Versorgungssituation in ein paar Jahren noch deutlich spannender 3. Synthetische Treibstoffe / chemische Energiespeicher sind Schlüsseltechnologien für Energiewende und Mobilität Folie 27
Beispiele für Second Generation Fuels: 1. Step: Thermsiche Vergasung Substitute Natural Gas (SNG) Erzeugung von synthetischem Erdgas ("Methanisierung") CH x O y + H 2 O (Biomasse) gasification CO + 3 H 2 + CO 2, H 2 O, etc. CO CH 4 2. Step: Methanisierung + 3 + hydrogenation H 2 O, CO 2, hydrogen heat Folie 28
Prozesskette zur Erzeugung synthetische Treibstoffe 1. Vergasung Syngas production Hydrogen production Rohgas Biomasse Folie 29
Forschungsfragen Holz-Vergasung Notwendig sind kleine, dezentral nutzbare Vergasungstechnologien idealerweise mit (druckaufgeladener) Wasserdampf-Vergasung Holzvergasung mit Sauerstoff ( partielle Oxidation ) Holzvergasung mit Wasserdampf ( allotherme Vergasung ) Folie 30 100 kw Heatpipe Reformer
Prozesskette zur Erzeugung synthetische Treibstoffe 1. Vergasung Syngas production Hydrogen production 2. Gasreinigung Syngas cleaning Rohgas Biomasse Particle removal Desulphurization Tar scrubbing Conditioning stochiometry and excess steam Syngas Folie 31
Forschungsfragen Gasreinigung Prozess entspricht derzeit weitgehend den für Kohle realisierten Prozessen für Biomasse viel zu kompliziert und teuer Vergaser Feinreinigung Beispiel: Erdgas aus Holz GoBiGas-Anlage, Göteborg Kaltgasreinigung (Partikel, Teere) Einstellen der Stöchiometrie (H 2 /CO=3) Folie 32 CO 2 - Entfernung adiabate Methanisierung
Prozesskette zur Erzeugung synthetische Treibstoffe 1. Vergasung 2. Gasreinigung 3. Synthese Syngas production Hydrogen production Rohgas Syngas cleaning Catalytic synthesis Biological synthesis Second Generation Fuel Biomasse Particle removal Desulphurization Tar scrubbing Conditioning stochiometry and excess steam Syngas Catalytic synthesis with defined pressure and temperature Folie 33
Forschungsfragen Synthese gebraucht werden kostengünstige und robuste Katalysatoren und flexible Reaktorkonzepte Problem: teure (Nickel-)Katalysatoren werden von Kohlenstoff/Teeren, Schwefel und Hot-Spots zerstört Katalysator vor und nach Methanisierungsversuchen Carbon Fibers (Nanotubes) Folie 34
4. Biomasse oder Wind & PV? Power-to-Gas und Power-to-Liquids Die Globalisierung der Energiewende Folie 35
Weitere Beispiele für Second Generation Fuels: Power-to-Gas 1. Step: Elektrolysis H 2 O Strom H 2 + ½ O 2 2. Step: Sabatier-Reaktion Katalysator CO 2 + 4 H 2 CH 4 + 2 H 2 O Power-to- Liquids CO + 2 CO syngas + 2,2 H 2 4 H 2 Fischer-Tropsch Diesel Dimethylether (DME) CH 3 -O-CH 3 + H 2 O + 2 H 2 O Folie 36 LOHCs + hydrierte H 2 LOHCs
Weitere Beispiele für Second Generation Fuels: Kern-Problem: Chemische Energiespeicher ( Second Generation Fuels ) sind notwendig, um große Mengen Erneuerbarer Energien speichern zu können Die strategische Speicherung großer Energiemengen wird (im Bilanzkreis Deutschland) wohl nie wirtschaftlich Die Lösung: chemische Speicher machen Erneuerbare Energien transportierbar! Folie 37
Prof. Gilberto Jannuzzi, São Paolo isenec, RLS Session, Nürnberg 12.7.2016 Folie 38
Prof. Gilberto Jannuzzi, São Paolo isenec, RLS Session, Nürnberg 12.7.2017 Folie 39
Ausblick: weitere Beispiele für Second Generation Fuels: Vorlesung Die Lösung: chemische Speicher machen Erneuerbare Energien transportierbar! Folie 40
Bioenergie für künftige Energiesysteme Unser künftiges Energiesystem braucht (chemische?) Speicher! Chemische Speicher brauchen Wasserstoff und Kohlenstoff Wasserstoff Kohlenstoff chem. Speicher H 2 CO 2 C x H y Folie 41
Drying Bioenergie für künftige Energiesysteme Biogene Synthesegase und Elektrolyse-Wasserstoff lassen sich ideal kombinieren durch die Kombination ergeben sich hohe Anlagenauslastungen und flexible Speicherkonzepte Wind, PV power Elektrolyser Low heat demand and / or excess electricity Leimert, et. al. (2018). Combining the Heatpipe Reformer technology with hydrogen-intensified methanation for production of synthetic natural gas. Applied Energy, 217, 37-46. H 2 Hydrogen intensified Methanation SNG CH 4 > 90% Natural gas grid storage Biomass gasification Syngas Cold gas cleaning clean syngas CHP with gas engine Folie 42 High heat and electricity demand
1. 2. Fluktuierende politische Einschätzungen bremsen die Bioenergie derzeit massiv Ohne Biomasse wird die Versorgungssituation in ein paar Jahren noch deutlich spannender 3. 4. Synthetische Treibstoffe / chemische Energiespeicher sind Schlüsseltechnologien für Energiewende und Mobilität und: Biomasse ist der Hidden Champion der Energiewende und ergänzt Wind, Wasser und Photovoltaik ideal Folie 43