Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion (IIP) Lehrstuhl für Energiewirtschaft Ökologische und energetische Analyse von Co-Vergärungsanlagen David Balussou Econogy Forum Linz, 09. November 2011 Platzhalter für Bild www.kit.edu
Gliederung Allgemeine Methodik zur ökologischen und energetischen Analyse Ganzheitlichen Stoffstromanalyse: Sach- und Energiebilanz Festlegung der analysierten Nutzungspfade Sachbilanz (mithilfe von Super Pro Designer) Energiebilanz (Sankey-Digramme) Berechnung von kumulierten Energieaufwände sowie THG-Bilanzen Ergebnisse zur Berechnung von Kumulierten Energieaufwände (KEA) Ergebnisse zur Berechnung von THG-Bilanzen Zusammenfassung 2
Allgemeine Methodik Definition der Nutzungspfade sowie der Systemgrenzen Daten: Sachbilanz der jeweiligen Prozesskette mithilfe von Super Pro Designer Ableitung von Energiebilanzen (im Form von Sankey-Diagramme) Berechnung von kumulierten Energieaufwände für die jeweiligen Nutzungspfade - Von den Anlagenbetreiber - Von Projektpartner - Aus einer Literaturrecherche - Eigene Annahmen Ermittlung von THG-Bilanzen für die jeweiligen Nutzungspfade 3
Ganzheitliche Stoffstromanalyse: Sach- und Energiebilanz Fünf analysierte Nutzungspfade (Basis: existierenden Co- Vergärungsanlagen in kontinuierlichen Betrieb) zur Strom- und Wärmerzeugung sowie Biomethaneinspeisung A: Vor Ort Biogasverstromung in BHKWs B: Dezentrale Verstromung des Biomethans in BHKWs 1: Bioabfall und Klärschlamm Nutzungspfad A1-2: Klärschlamm und Fette Nutzungspfad A2-3: Bioabfall und Gülle Nutzungspfad A3-4: Maissilage und Getreide Nutzungspfad A4 Nutzungspfad B4 Mit Betrachtung des Nährstoffkreislaufs: Energiemenge in N,- P- und K-Dünger in Substrate sowie in Gärreste 4
Ganzheitliche Stoffstromanalyse: Sach- und Energiebilanz Chemische Zusammensetzung der Biomasse-Inpustoffe: Maissilage: 8708 t/a Verteilung (% Masse) Trockensubstanz (TS) 35 % Organischen Trockensubstanz (ots) 33,6% Chemische Zusammensetzung Asche: 1,57 % Glukose:23,2% Fette: 0,69 % NFDS: 7,46 % Protein: 2,08 % Wasser: 65 % Getreide/GPS: 458 t/a Verteilung (% Masse) Trockensubstanz (TS) 40,6 % Organischen Trockensubstanz (ots) 38,1 % Chemische Zusammensetzung Asche : 1,4 % Glukose : 30 % Fette : 1,4 % NFDS: 2,8% Protein : 5 % Wasser: 59,4 % 5
Ganzheitliche Stoffstromanalyse: Sach- und Energiebilanz Modellierung der Vergärungsstufe: 3 Grundreaktionen: - Abbau der Glukose Chemische Gleichung - Hydrolyse der Fette (Lipide) - Hydrolyse der Proteinen Referenz Moleküle Referenz Wachstums Modell *Ks: Monod Konstanten, k: Reaktionsgeschwindigkeitskontanten Spezifierte Werte für Konstanten* Monod k = 26 h -1 Ks = 35 mg/l Monod k = 0,19 h -1 Ks =1270 mg/l Monod k = 0,83 h -1 Ks = 500 mg/l 6
7 Ganzheitliche Stoffstromanalyse: Sach- und Energiebilanz (Beispiel A4)
Ganzheitliche Stoffstromanalyse: Sach- und Energiebilanz Darstellung der Energiebilanz in Form von Sankey-Diagramme (Beispiel: Anlage A4) Mit Annahmen zur Energieinhalt der Inputstoffe und der Gärrest, sowie Biogasheizwert 8
Berechnung von kumulierten Energieaufwände Gemäß VDI Richtlinie 4600: KEA = KEAH + KEAE + KEAN - KEAH (Herstellung): vernachlässigbar im Vergleich zu KEAN (Nutzung): Siehe LfL Studie [Effenberger et al. 2007] : Biogastechnologie zur umweltverträglichen Flüssigmistverwertung und Energiegewinnung in Wasserschtuzgebieten (2007) KEAH = KEA (Bautechnik + Maschinentechnik + Betriebsstoffe) - KEAE (Entsorgung): vernachlässigbar im Vergleich zu KEAN (Nutzung): [Effenberger] Belastungen für: - Gebäudeabbruch (Abbruch der Fermenter und Fundamente) - Transporte (Transport von Beton zur Weiterverwertung, Transport von brennbarer Stoffe zur Müllverbrennungsanlage, sowie Transport der Metalle zur Aufbereitung) Gutschriften für: - Stahl und NE-Metalle-Wiederverwertung (stoffliche Wiederverwertung) - Thermische Verwertung in Müllverbrennungsanlage 9
Berechnung von kumulierten Energieaufwände KEAN = KEA nicht Erneuerbare + KEA Biomasse Prozessbedingte KEA nicht Erneuerbare zur Strom- und Wärmeerzeugung: Belastungen: - Anbau Substrate (Benutzung von spez. KEA in TJ/kg für N-, P-, K-Dünger, Radlader, Vorkette Diesel, Boden aus [ProBas]) - Transport Substrate und Gärrest (Bestimmung von Dieselverbräuche sowie Benutzung von spez. KEA für Transportprozesse aus [ProBas]) Gutschriften: -Wärmenutzung sowie Gärrestverwertung: thermische Verwertung oder stoffliche Nutzung Kumulierten Energieaufwandes für den Ressourcenverbrauch Biomasse (KEA Biomasse ): KEA Biomasse : Berechnung durch den Energieinhalt der eingesetzten Biomasse (18 MJ/kg ots, nach [Leible et al. 2003] ) im Verhältnis zur erzeugten Nettostrommenge. 10
Berechnung von kumulierten Energieaufwände Vergleich von kumulierten Energieaufwände (nicht Erneuerbare): Spezifischer kumulierter Primärenergieaufwand von -1,81 kwh/kwh Nettostromerzeugung (Nutzungspfad A1) bis -0,14 kwh/kwh Nettostromerzeugung (Nutzungspfad B4). Im Vergleich: - Erdgasbetriebenen GuD-Kraftwerk: 2,05 kwh/kwh Nettostromerzeugung - Steinkohlekraftwerk: 2,7 kwh/kwh Nettostromerzeugung Die Stromerzeugung in Co-Vergärungsanlagen führt zu einer deutlichen Einsparung an fossilen Primärenergieträgern 11
Berechnung von THG-Bilanzen Methodik zur Ermittlung von THG-Bilanzen - Berechnungen von CO 2 -Äquivalente je nach Teilschritte: Berücksichtigung von Belastungen (Anbau Substrate, Transport, Strom- und Wärmebedarf, Emissionen am Gärrestlager, Methanschlupf) und Gutschriften (Gärrest-, Gülle- und Wärmenutzung) - Benutzung von Emissionsfaktoren für CO 2, CH 4 und N 2 O (aus ProBas), sowie benötigte Energiemenge (aus den Energiebilanzen) für die einzelnen Teilschritte - Ableitung von CO 2 -Äquivalente mithilfe von Global Warming Potentials für CO 2 fossil (GWP=1), für CH 4 (GWP=23) und für N 2 O (GWP=296) [Fritsche, 2010] - Berechnung von spez. CO 2 -Äquivalente in g CO 2 -Äq/kWhel Nettostrom - Berücksichtigung von 2 Szenarien als Beispiel für den Nutzungspfad Bioabfall/Gülle : mit Gärrestlagerabdeckung (Methanemissionen in Höhe von 1 % der im Reaktor gebildeten Methanmenge) und ohne Gärrestlagerabdeckung (Methanemissionen in Höhe von 10 %) 12
Berechnung von THG-Bilanzen Spezifischen Treibhausgaspotenzial von -572 g CO 2 -Äq./kWhel Nettostromerzeugung (Nutzungspfad A1) bis 87 g CO 2 -Äq./kWhel Nettostromerzeugung (Nutzungspfad B4). 13 Vergleich: - Steinkohlekraftwerk ca. 1 000 g CO 2 -Äq./kWhel Nettostromerzeugung [Koch] - Erdgasbetriebenen GuD-Kraftwerk ca. 440 g CO 2 -Äq./kWhel [Koch] Die Stromerzeugung in Co-Vergärungsanlagen führt zu einer deutlichen Reduzierung der Treibhausgasbelastung
Zusammenfassung Aus energetischer Sicht : Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen (Maissilage und Getreide) am energieintensivsten, besonders im Fall einer dezentralen Verstromung des eingespeisten Biomethans. Aus ökologischer Sicht sind die Bioabfallanlagentypen die vorteilhafttesten, da keine Belastungen für die Substratherstellung einfließen. Wichtiger Einfluss der Gärrestlagerabdeckung auf die gesamte THG-Bilanz Die Gülleausbringung als Gärrest leistet einen positiven Beitrag (Güllegutschrift) mit Blick auf die Reduktion der THG-Vermeidungskosten. Weiteren Schritt: andere Endnutzungsoptionen für das eingespeiste Biomethan (Biomethan als gasförmiger Kraftstoff in Form von Bio-CNG sowie Einsatz von Biomethan als Wärmequelle in Gasthermen) sollen analysiert werden Andere Substratkombinationen sollen dazu bewertet werden (z.b. Einsatz von Zuckerrüben für die Biogaserzeugung oder Biomethanerzeugung aus Bioabfall). 14
15 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Literatur [Effenberger et al. 2007] Effenberger M., Gronauer A., Bachmaier J.: Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben Biogastechnologie zur umweltverträglichen Flüssigmistverwertung und Energiegewinnung in Wasserschtuzgebieten, 2007 [Fritsche et al. 2007] Fritsche U. R., Rausch L., Schmidt K.: Treibhausgasemissionen und Vermeidungskosten der nuklearen, fossilen und erneuerbare Strombereitstellung-Arbeitspapier, 2007 [Koch, M., 2007]: Dissertation: Ökologische und ökonomische Bewertung von Co-Vergärungsanlagen und deren Standortwahl, 128-129 Universitätsverlag Karlsruhe (2009) [Konstantin, 2009] Konstantin P.: Praxisbuch Energiewirtschaft. Energieumwandlung, -transport und-beschaffung im liberalisierten Markt; 2. Aufl., Berlin, Heidelberg 2009 [ProBas] Prozessorientierte Basisdaten für Umweltmanagementinstrumente Datenbank Umweltbundesamt und Öko- Institut e.v. [Leible et al. 2003] Leible L., Arlt A., Fürniß B., Kälber S., Kappler G., Lange S., Nieke E., Rösch Ch., Wintzer D.: Bereitstellung und energetische Nutzung organischer Rest- und Abfallstoffe sowie Nebenprodukte als Einkommensalternative für die Land- und Forstwirtschaft - Möglichkeiten, Chancen und Ziele; Karlsruhe: Forschungszentrum Karlsruhe 2003 [Solomon et al. 2007] Solomon S., Qin D., Manning M,. Chen Z., Marquis M., Averyt K.B., Tignor M., Miller H.L,: Climate Change 2007: The physical Science Basis. Contribution of working group I to the Fourth Assessment. Report of the Intergovernmental Panel on climate Change. Cambridge University Press, Cambrige, United Kingdom and New-York, NY, USA, 2007 [Stenull, 2010] Stenull M., Nachhaltigkeitsstrategie Baden-Württemberg Forum für nachhaltige Biogaserzeugung in Baden Württemberg, Beitrag zur Arbeitsgruppe 3 Systemanalyse Teil Klimaschutz/Treibhausgasemissionen 16