Gewinnung von regenerativer Energie aus Biomasse Chancen, Risiken, Stand der Technik K.-H. Rosenwinkel, D. Weichgrebe, L. Hinken
Gliederung Überblick und Einführung: Definitionen Erneuerbare Energien in Deutschland Entwicklung der Bioenergie Grundlagen & Verfahrenstechnik Innovationen Potentiale der Bioenergie in Deutschland Chancen & Risiken der Bioenergie Zusammenfassung & Ausblick Seite 2
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Überblick und Einführung: Definitionen Primärenergie: natürlich vorkommende Energieformen oder -quellen (z.b. Kohle, Gas oder Wind) Endenergie: nach Abzug von Transport- und Umwandlungsverlusten (Wärme, Strom) Biogas (Deponie-/Klärgas): Vergärung von Biomasse, Methananteil: 50-80 % CH 4, CO 2, H 2 S, N 2, NH 3, H 2 Biomethan Bioerdgas Bioethanol (Ethylalkohol: C 2 H 6 O) Biodiesel (Rapsöl + Methanol: Fettsäuremethylester) Seite 4
Überblick und Einführung: Erneuerbare Energien in Deutschland Gesamter Primärenergieverbrauch 2010 in Deutschland: 14.044 PJ (~3.900 TWh) Endenergieverbrauch: 9.060 PJ (~2.500 TWh) (Anteil Raumwärme & Warmwasser: 35 %) [AGEE-Stat] Anteil erneuerbarer Energien 2011 [%] am gesamten Primärenergieverbrauch 2 10,9 am gesamten Endenergieverbrauch 12,2 am gesamten Stromverbrauch 20,0 an der gesamten Wärmebereitstellung 10,4 am gesamten Kraftstoffverbrauch 1 5,6 [BMU, 2012] Seite 5
Überblick und Einführung: Erneuerbare Energien in Deutschland [BMU, 2012] Seite 6
Überblick und Einführung: Erneuerbare Energien in Deutschland - Strom 2. Novelle 3. Novelle Bioenergie EEG 1. Novelle Photovoltaik Windenergie Wasserkraft BMU, 2011 Seite 7
Überblick und Einführung: Erneuerbare Energien in Deutschland Energiepolitische Ziele bis 2020 Anteil an der Stromversorgung: von 20 % auf 30 % Anteil von Biokraftstoffen: 7 % Netto-Treibhausgasreduzierung (Steigerung von 5,6 % auf 12 % energetisch) Anteil an der Wärmeproduktion: Steigerung von 10,4 % auf 14 % [BMU & BMELV, 2010] Seite 8
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Stand der Bioenergie in Deutschland - Überblick Nutzung von Biomasse fest flüssig gasförmig Erzeugung von Strom Wärme Kraftstoffen Brennwerte [kwh/kg] Holz 4-4,5 Ethanol 7,44 Methan 15,41 10 kwh/m³ (GWP: 25 kg CO 2 e/kg) [BMU, 2011] Seite 10
Stand der Bioenergie in Deutschland - Überblick Energiebereitstellung 2011 in Deutschland - Elektrische Energie TWh/a Bedarf 610 (528) Erneuerbare Energien 122 (62,5) anteilig Biomasse (30,3 %) anteilig Biogas (an EE) (14,4 %) 37 (13,5) 18 (2,5) kwh/(e a) 7.500 (6.400) 1.500 (758) 455 (163) 220 (30) Langfristiges Potential für Strom aus Biomasse ~60 727 Δ Strom aus Biomasse 23 272 kwh/(e a) Primärenergie 47.750 Elektrischer Strom 7.500 anteilig Haushalt (Stand: 2007) ~1.723 anteilig Wasserversorgung 66 anteilig Abwasserreinigung 40 (Angaben in Klammern: Stand 2005) Seite 11
Stand der Bioenergie in Deutschland - Überblick, Elektrische Energie Rohstoffe: Holz (Rest- und Altholz, auch Kurzumtriebsholz), Stroh Nachwachsende Rohstoffe Abfall (+ Schlamm, Gülle) industrielle Nebenprodukte Prozesse: Verbrennung Vergärung (Biogas) alkoholische Gärung (Ethanol) Vergasung & Synthese (BTL - biomass to liquid) Umesterung (Biodiesel) * *Industrieabwasser, Küchenabfall [BMU, 2011] Seite 12
Stand der Bioenergie in Deutschland - Biogene Festbrennstoffe Biogene Festbrennstoffe - Strom und Wärme (Rest- und Altholz, auch Kurzumtriebsholz und Stroh) Strom- und Wärmeerzeugung in Biomassekraftwerken, -heizwerken und -heizkraftwerke Nutzung: 53 Mio. m³ Holz (energetisch) 77 Mio. m³ Holz (stofflich) Waldfläche in Deutschland: 11 Mio. ha notwendiger Zuwachs: 11,8 m³/(ha a) Energieerzeugung aus biogenen Festbrennstoffen [BMU, 2011] Seite 13
Stand der Bioenergie in Deutschland - Biogene Festbrennstoffe Entwicklung des Primärenergiebedarfs (Quelle: Prof. Fouad) Seite 14
Stand der Bioenergie in Deutschland - Biogas Biogas (Vergärung von Gülle, nachwachsenden Rohstoffen und industriellen Nebenprodukten) Strom- und Wärme (BHKW, Dampfkessel) = 35-95 % Aufbereitung zu Biomethan/Bioerdgas (Einspeisung Gasnetz) = 80-90 % Seite 15
Stand der Bioenergie in Deutschland - Biogas [DMK, 2009] Planung, Bayern: - Vergärung von Gülle in kleinen Anlagen mit Leistung von < 75 kw el - insgesamt: 2.000 MW el zusätzliche Leistung > 26.500 neue Anlagen [HAZ, 29.05.2012] Seite 16
Stand der Bioenergie in Deutschland - Biokraftstoffe Biokraftstoffe Bioethanol (Zuckern, Stärke) Pflanzenöle (Raps, Ölpalme (Import)) Biodiesel (Umesterung von Pflanzenöl) BtL-Kraftstoffe (Biomass to Liquid, noch in der Entwicklung) [BMU, 2011] Seite 17
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Grundlagen & Verfahrenstechnik 1. Bakteriengruppe (acidogene Bakterien) Polymere Substrate (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiß) Bruchstücke und gelöste Polmere Hydolyse- Phase Saure Gärung Versäuerungs -Phase 2. Bakteriengruppe (acetogene Bakterien 3. Bakteriengruppe (methanogene Bakterien) H 2 CO 2 org. Säuren Essigsäure Essigsäure (Acetat) Alkohole Acetogene- Phase Methanogene- Phase Umsetzung der Zwischenprodukte zu Methan Methan Seite 19
Grundlagen & Verfahrenstechnik Einteilung der Verfahren zur Biogaserzeugung aus festen Substraten Kriterium Anzahl der Prozessstufen Prozesstemperatur Art der Beschickung Trockensubstanzgehalt der Substrate Nassvergärung Unterscheidungsmerkmale Einstufig, Zweistufig, Mehrstufig Psychrophil, Mesophil, Thermophil Diskontinuierlich, Quasikontinuierlich, Kontinuierlich Nassvergärung, Trockenvergärung Trockenvergärung Landwirtschaftliche Biogasanlage volldurchmischtes System Liegender Plug-Flow Fermenter Fa. Borsig Energy Seite 20
Grundlagen & Verfahrenstechnik Prozess Nassfermentation Trockenfermentation 88 12 Reaktor- stehend > 90 organische Abfälle; 9% Wirtschaftsdünger; 11% system Prozess- liegend kombiniert einstufig 2 4 30 stufen zweistufig 62 (Fermenter + Nachgärer) NaWaRo; 80% Prozess- mehrstufig mesophil ( 35 C) 8 86 temperatur thermophil ( 55 C) 6 Energiebezogener Substrateinsatz in Biogasanlagen (DBFZ, 2011) Installierte kombiniert < 250 kw el 4 12 Kapazität ~ 250 kw el 34 ~ 300 kw el 17 ~ 500 kw el 25 > 500 kw el 12 Maissilage Grassilage Roggen GPS betrachtete Anlagen: 413 Angaben in % (Handbuch Biogas FNR, 2010) Seite 21
Grundlagen & Verfahrenstechnik Allgemeiner Aufbau einer Biogasanlage Seite 22
Grundlagen & Verfahrenstechnik - Schlammstabilisierung Klärwerk Hamburg Köhlbrandhöft mit Schlammfaulung und Biogasgewinnung aus anaerober Vergärung Seite 23
Chancen & Risiken der Bioenergie Effizienzsteigerung Nutzung der Pansenbiozönose zur Hydrolyse und Versäuerung zur Cellulosevergärung methane yield [ LN/kg odm] 200 150 100 50 0 Rusitec VDI 4630 0 1 2 3 4 5 6 7 time [d] Seite 24
Chancen & Risiken der Bioenergie Effizienzsteigerung Bioethanolherstellung [MJ/m³ Ethanol] 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 Energiebilanz des Wilkening- Verfahrens im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren (ohne Energiegehalt Rohstoff) Zusätzlicher Energiebedarf bei herkömmlichen Verfahren (22 %) Prozessenergie (21 %) Rohstofferzeugung (48 %) Rohstoff (48 %) Bedarf Energiebedarf (% vom Input) für Herstellung [%] Transport (3 %) Betriebsstoffe, Hilfsstoffe, Bau und Abriss (0,5 %) Zusätzlicher Energieertrag bei Wilkening- Verfahren (22 %) DDGS-Ertrag (11 %) Ethanol-Ertrag (67 %) Ertrag Energieertrag (% vom Output) der Produkte [%] 25 Seite 25
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Potentiale erneuerbarer Energien Energiequelle Spezifischer Energieertrag [kwh/(m² a)] Sonneneinstrahlung D 1.000 1 Photovoltaik 80 0,08 Bioenergie Mais Thermisch 6 0,006 Strom 2 0,002 Holz Thermisch 3 0,003 Strom 1 0,001 [-] Seite 27
Energiepotentiale in Deutschland Elektrische Energiebereitstellung und Potentiale aus Biomasse (kwh/a) Bereitstellu ng 2010 Potential (bei η el = 40 %) Abfallverbrennung (nur tw.bio..) 77 ~ 100 Vergärung von Restoffen, Exkremente, Einstreu, Abf (Güllepotential ) 61 ~200 (80) Klärgas, Deponiegas 21,5 30 Anaerobe - (40) Abwasserbehandlung Küchenabfall - 15 Fest- und Flüssigbrennstoff 157,6 Biogas Nawaro 214 727 531,1 1072 (1192) Wärmepotential Abwasser bei T = 2 C = 100 kwh/p.a 28 Seite 28
Potentiale erneuerbarer Energien Struktur des Primärenergieverbrauchs im Leitszenario 2008 nach Energieträgern (Wirkungsgradmethode) [Nitsch, Leitstudie, 2008] Seite 29
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Chancen & Risiken der Bioenergie unmittelbare Risiken Bodenerosion, N2O Störfall im Reaktor (Bersten, Feuer) Methanemissionen Treibhausgasemission & Explosions- und Brandgefahr H 2 S-Emissionen: im Rohbiogas > 1.000 ppm möglich H 2 S: < 100 ppm: Vergiftungserscheinungen nach mehreren Stunden > 100 ppm: Vergiftungserscheinungen < 1 Stunde 500 ppm: lebensgefährlich in 30 Minuten 1.000 ppm: lebensgefährlich in wenigen Minuten 5.000 ppm: tödlich in wenigen Sekunden Biogasanlage Uchte, Brand in BHKW- Gebäude (MT) Biogasanlage Schlieven, Brand in Lagerhalle, (FFw Parchim) Seite 31
Chancen & Risiken der Bioenergie Keime Studie zum mikrobiologischen Risikopotenzial von Biogasanlagen (Gesamtkeimzahl, spezielle Untersuchungen auf: pathogene Clostridien, Clostridium botulinum inkl. Toxinnachweis, Salmonellen, pathogene E. coli und andere) Kein Nachweis von Neurotoxin produzierendem Cl. botulinum in Gärsubstraten und -resten Kein Nachweis von Salmonellen und pathogenen E. coli in Gärsubstraten und -resten [Breves, 2011] Seite 32
Chancen & Risiken der Bioenergie Flächennutzung Maisanbau, insgesamt Nachwachsende Rohstoffe: Anbau in Deutschland [ha] 2011: 2 Mio. ha 20.000 km² Energiepflanzenanbau Seite 33
Chancen & Risiken der Bioenergie Flächennutzung gesamte Ackerfläche in Niedersachen: ~ 1,8 Mio. ha Stilllegungsfläche: Reduzierung von ~ 150 000 ha (2001) auf etwa 0 Quelle: Höher (2011) Seite 34
Chancen & Risiken der Bioenergie Flächennutzung 2 Mio. ha (fast 17 % der Ackerfläche) wurden 2011 für den Anbau von Energiepflanzen genutzt 910.000 ha für die Biodieselproduktion 800.000 ha für die Biogaserzeugung 250.000 ha für die Bioethanolherstellung außerdem: 300.000 ha für den Anbau nachwachsender Rohstoffe für die stoffliche Verwertung (Industriepflanzen) Ab 2020 könnten für die Produktion nachwachsender Rohstoffe 2,5 bis 4 Mio. ha landwirtschaftliche Nutzfläche genutzt werden. Seite 35
Chancen & Risiken der Bioenergie Flächennutzung 16 MWh Seite 36
Chancen & Risiken der Bioenergie Wasserbedarf Internationale Bandbreite 3-20 m³ Wasser/L Biodiesel 0,9-9 m³ Wasser/L Bioethanol 0,07-0,44 m³ Wasser/kWh Strom [Rosenwinkel et al., 2012] Bei einer Strecke von 25.000 km/a ergibt sich ein Treibstoffverbrauch von ~ 1.500 L/a, was einem Wasserverbrauch von i.m. 6.000 m³/a entspricht. Bei einer reinen Deckung des Stromverbrauchs im Haushalt durch Biogas ergibt sich ein Wasserbedarf zwischen 120-750 m³/a. Seite 37
Chancen & Risiken der Bioenergie Wasser- und Nährstoffbilanzen im Maisanbau 140 120 100 80 Niederschlag Hannover Wasserbedarf Mais in den Sommermonaten besteht Bewässerungsbedarf 60 40 250 Nährstoffbedarf als Gärrest zurückgeführt Düngebedarf 20 200 0 Jan Feb März April Mai Juni Juli Aug Sept. Okt Nov. Dez. kg/ha 150 100 Hohe Rückführung von Phosphor, Kalium und Calcium durch Gärrestaufbringung 50 0 N P2O5 K2O CaO Nährstoff [Schmied, 2004] Seite 38
Chancen & Risiken der Bioenergie Eintrag in Oberflächengewässern und Grundwässern [Umweltbundesamt, 2009] Seite 39
Chancen & Risiken der Bioenergie Treibhausgasemissionen (Biokraftstoffe) Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung (2009) Seite 40
Chancen & Risiken der Bioenergie Speicherung Gasspeicherung: 1 m³ Methan Heizwert: 10 kwh/m³ CH4 10 kwh Primärenergie Substratspeicherung: 1 m³ CCM (Corn Crop Mix) CH 4 -Ertrag: 350 L/kg TS Feststoffgehalt: 320 g TS/kg FM Dichte, CCM: 0,75 t/m³ Heizwert: 10 kwh/m³ CH4 840 kwh Primärenergie Notwendiges Speichervolumen Eggersmann Bei der Gasspeicherung ist ein 84 mal höheres Speichervolumen notwendig! Seite 41
Chancen & Risiken der Bioenergie - Dezentrale Biogasanlagen: Beispiel Braunschweig Anbaufläche Zur Verregnung Klärwerk Steinhof Landwirt. Biogasanlage Hillverse Produktion Heizwerk Ölpen 20 km Gasleitung BHKW 2 MW el elektrische Energie Weitere dezentrale Biogasanlagen (optional) BS- Energy Erdgas Wärme Gemeinsames Projekt vom Abwasserverband Braunschweig (AVBS), Landwirten aus der Region und dem Energieversorger BS Energy Braunschweig 42 Nahwärmenetz Seite 42
Zusammenfassung & Ausblick Beitrag zur Transformation der Energieversorgung Strom, Wärme, Kraftstoff (Steigerung von 6 % auf 11 %) Nutzung für Spitzenlast und Speicherung möglich Effizienzsteigerung notwendig stärkere Nutzung von Abfällen/Nebenprodukten regionale Gesamtkonzepte (Biomasse, Wind, Solar) Bedarfsreduzierung notwendig Nahrungsmittelkonkurrenz Wasserbedarf, Grundwasserbelastung Treibhausgasemissionen Seite 43
Zusammenfassung & Ausblick - Zum Vergleich. Anzahl der Biogasanlagen in China Verschiedene Kleinst-Anlagen in China & Indien Seite 44
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