Energieträger der Zukunft? ist vielfältig nutzbar. Bei der direkten Verstromung über ein Blockheizkraftwerk entsteht neben grünem Strom auch Wärme, die z. B. im landwirtschaftlichen Betrieb oder zu Heizzwecken in Bioenergiedörfern genutzt werden kann. Größere Anlagen bereiten oft zu Biomethan auf und speisen es als Bioerdgas in das Erdgasnetz ein. So kann Biomethan dort, wo es benötigt wird, zur kombinierten Strom- und Wärmenutzung, zur ausschließlichen Wärmenutzung oder zum Tanken in Erdgasfahrzeugen zum Einsatz kommen. Biomethan lässt sich in den vorhandenen Erdgasspeichern oder auch begrenzt anlagennah speichern und bedarfsgerecht einsetzen. Ende 21 produzierten in Deutschland ca. 59 Anlagen, in etwa 5 Anlagen wurde Biomethan hergestellt. Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe M1: Vielfältige Nutzung von. Quelle: nach FNR e. V. Blockheizkraftwerk Strom Wärme Gasaufarbeitungsanlage Strom/Wärme Biomethan Erdgasnetz Wärme Gasspeicher Biokraftstoffe anlage ist ein Gasgemisch aus Methan (5 bis 7 Prozent) und anderen Gasen und ist damit Energieträger für die Strom- oder Wärmeerzeugung. Es entsteht, wenn organische Substanzen in feuchter Umgebung und unter Luftabschluss mikrobiell verrotten. Weitere Bestandteile von sind Kohlendioxid, Wasserdampf sowie Spuren von Schwefelwasserstoff, Stickstoff und Wasserstoff. M2: kreislauf. Quelle: nach Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft Fotosynthese HO, O, CO 2 2 2 Sonnenenergie Verbrennung, Energiegewinnung Dung, Mist, Gülle Methangärung NaWaRo Geographie aktuell 6/211 1
Gärrückstände Gärsubstrat anlagen anlage Anlage zur Gewinnung von aus organischen Stoffen. M3: Aufbau und Funktionsweise von anlagen Eine in der Praxis häufig anzutreffende Konfiguration von anlagen auf landwirtschaftlichen Betrieben besteht aus abgedeckter Vorgrube, Fermenter, gegebenenfalls Nach gärer, speicher, Blockheizkraftwerk (BHKW) mit Wärmeverteiler sowie einem Lagerbehälter für den Gärrückstand. Die Gülle wird in der abgedeckten Vorgrube gesammelt und mehrmals täglich in den Fermenter (Gärbehälter) für die erzeugung gepumpt. Methanbildende Bakterien ernähren sich von den eingebrachten Rohstoffen wie Gülle, Maiskörnern, Maissilage, Getreidekörnern u. a. Diese wandeln sie in Kohlendioxid, Wasser und Methan um und scheiden diese Stoffe aus. An dem Vorgang sind mehrere Bakterienarten beteiligt, die die Nahrung stufenweise über Zwischenerzeugnisse zersetzen. Zur Entlastung des biologischen Prozesses, und um eine gleichmäßige Gasproduktion zu erzielen, wird das Gärsubstrat häufig nur bis zu einem Abbau der organischen Substanz von bis zu 6 Prozent im Fermenter belassen. Die letzten Prozente an Gasausbeute werden dann in der Regel in einem Nachgärer realisiert. Aus dem Fermenter und gegebenenfalls dem Nachgärer wird das in einen Folienspeicher geleitet und von dort in ein kontinuierlich arbeitendes Blockheizkraftwerk (BHKW) abgegeben. Dieses produziert Strom für das öffentliche Netz sowie Wärme für den Eigenbedarf der anlage und den Hof. Eine immer wichtiger werdende Alternative ist die Entkopplung von produktion und Verwendung. Dann wird das Rohbiogas durch einen Aufbereitungsprozess auf Erdgasqualität gewaschen und angereichert, um es anschließend als Biomethan in das Erdgasnetz und schließlich in ein BHKW einzuspeisen, dessen Standort eine optimale Wärmenutzung garantiert. Für den Gärrückstand muss eine Lagerkapazität von mindestens 12 Tagen vorgehalten werden. Er wird als Dünger zu einem für das Pflanzenwachstum optimalen Zeitpunkt auf dem Acker ausgebracht. Ein derartiges Anlagenkonzept ist eine Nassvergärung mit quasi kontinuierlicher Beschickung. Daneben gibt es noch Nassvergärungen mit diskontinuierlicher Beschickung, d. h. es existieren mindestens zwei Fermenter, die abwechselnd vollgefüllt und dann für die Prozessdauer nicht mehr geöffnet werden. Trockenvergärungen sind derzeit in der Entwicklung. Sie arbeiten mit einem festen Substrat (bis zu 5 Prozent Feststoffe) in einem Behälter, bei dem die austretende Flüssigkeit kontinuierlich das Substrat von oben benetzt. Quelle: FIZ Karlsruhe. BINE Informationsdienst, Bonn (Hrsg.):. BasisEnergie 16 M4: Die Baustelle einer anlage im brandenburgischen Sieversdorf (Oder- Spree), aufgenommen am 29.4.211. Quelle: picture-alliance/zb/patrick Pleuel M5: Schema einer anlage. Quelle: nach FNR e. V. Blockheizkraftwerk Wohnhäuser Stall Abwärme Gülle oder Mist Nachwachsende Rohstoffe und Reststoffe Prozesswärme Faulbehälter mit Folienspeicher Energiepflanzen Gasmotor Generator Lagerbehälter für Gärrückstände landwirtschaftliche Nutzung (z. B. Dünger) 1. Erläutern Sie die Bedeutung und die Nutzungsmöglichkeiten von. (M1) 2. Erklären Sie den kreislauf. (M2) 3. Erklären Sie Aufbau und Funktionsweise einer anlage. (M3, M4, M5) 2 Geographie aktuell 6/211
Vor- und Nachteile von M6: Der Landwirt wird zum Energiewirt Prof. Dr. Gienapp von der Landesforschungsanstalt für Landwirtschaft und Fischerei Mecklenburg-Vorpommern ist überzeugt, dass auf der Suche nach einer nachhaltigen Energieversorgung für das 21. Jahrhundert die Nutzung von Biomasse zur Energiegewinnung eine herausragende Stellung einnehmen wird. Damit wird die Biomasseerzeugung neben der Nahrungsmittelproduktion zu einem weiteren Standbein der Landwirtschaft. Diese Neuorientierung in der Agrarproduktion schafft zusätzliche Arbeitsplätze, sichert die Existenz der Landwirte und bereichert die ländlichen Räume. Für den Landwirt bietet sich eine neue Perspektive an: Der Landwirt wird zum Energiewirt. Die Gewinnung von aus Biomasse bringt neben oben genannten weitere Vorteile aber auch eine Reihe von Nachteilen. Die CO 2 -Bilanz ist weitgehend neutral und das im enthaltene Methan lässt sich nach seiner Trennung in Tanks speichern, als Kraftstoff nutzen oder in die Gasversorgungsnetze einspeisen. Die eingesetzten Ausgangsstoffe sind dauerhaft verfügbar und nicht vom Wetter (Windkraft, Sonnenenergie) abhängig. Da in der Regel organische Abfälle, Dung, Gülle und NaWaRo aus dem eigenen Betrieb Verwendung finden, entfallen weite Transporte. Die nach der Vergärung zurückbleibenden Reststoffe werden als organischer Dünger wieder in den Stoffkreislauf eingebracht und können von den Pflanzen besser als vorher aufgenommen werden. Diese Dünger verursachen bei ihrer Ausbringung eine viel geringere Geruchsbelästigung. M7: Strom aus. Quelle: nach FNR e. V. Ein Hektar Mais deckt den Jahresbedarf von fünf Haushalten. 1ha Anlagenzahl Installierte el. Leistung in MW Netto-Stromproduktion in MWh/Jahr Anteil am Stromverbrauch in % Umsatzvolumen in Arbeitsplätze Zu Geruchsbelästigungen der näheren Umgebung von anlagen kann es durch den normalen Betrieb der Anlage, aber vor allem bei Störungen oder Havarien kommen. Ein wesentlicher Nachteil dieser Anlagen ist der trotz Förderung hohe Investitionsaufwand, den der Bauer allein tragen muss. Ihm wird dafür vom Staat als Anreiz ein hoher Abnahmepreis für den Strom garantiert, den die Stromanbieter 2 Jahre lang zahlen müssen. Diese Mehrkosten werden die Stromlieferer auf die Kunden umlegen. Nachteilig wirkt sich auch der geringe Wirkungsgrad heutiger Anlagen aus. Er beträgt ca. 2 %, die in Strom umgesetzt werden und 8 % entfallen auf Abwärme. Ein Teil dieser Abwärme wird für den Produktionsprozess verbraucht und der Rest kann als Warmwasserenergie eingesetzt werden dafür müssen allerdings geeignete Abnehmer in der Nähe vorhanden sein. Umweltverbände befürchten, dass der verstärkte Anbau von Energiepflanzen zu Monokulturen mit ihren bekannten Gefährdungen, zur Vermaisung, zum Heizen mit Weizen führen könnte. Die Nutzung landwirtschaftlicher Flächen für den Anbau von Energiepflanzen u. a. für Autokraftstoffe bei weltweit schrumpfenden Anbauflächen, wachsender Weltbevölkerung und derzeit 8 Millionen hungernder Menschen wirft aber auch ethisch-moralische Fragen auf. Forscher der OECD und der FAO prognostizieren für die nächsten Jahre höhere Lebensmittelpreise, die sich vor allem auf die Armen der Welt katastrophal auswirken werden. M8: -Branchenzahlen Deutschlands auf einen Blick. Quelle: Fachverband e. V. Ende 21 Prognose 211 5 95 2 291 14,8 Mio. 2,46 5,1 Mrd. 39 1 7 2 728 17,8 Mio. 3,1 5,9 Mrd. 44 5 5. Wie groß ist ein Hektar? 6. Kommentieren Sie die in M6 bis M8 aufgeführten Vor- und Nachteile des neuen Energieträgers. Nehmen Sie Stellung. Geographie aktuell 6/211 3
Basisdaten Deutschland Die theoretische Gasmenge aus Bio-, Klär- und Deponiegas beträgt in Deutschland jährlich ca. 23 bis 24 Mrd. m 3, was einem nutzbaren Energiepotenzial von rund 417 Petajoule (116 TWh) entspricht. Dabei leistet das mögliche aufkommen des landwirtschaftlichen Sektors mit ca. 85 % den größten Beitrag. Die potenziellen Gaserträge können zur Stromund/oder Wärmeerzeugung eingesetzt werden. M9: Entwicklung der Anzahl anlagen und der gesamten installierten elektrischen Leistung in Megawatt [MW]. Quelle: nach FNR e. V., DBFZ (21), FvB (21) 6 5 4 3 2 1 EEG 1. Novelle EEG 2. Novelle EEG 23 4671 installierte elektrische Leistung 21 168 176 665 136 143 85 499 375 1724 33 1232 1435 269 1 24 22 2 18 16 14 12 1 8 6 4 49 78 111 16 19 247 2 1999 2 21 22 23 24 25 26 27 28 29 21* *Prognose M1: Anzahl anlagen und installierte elektrische Leistung [MW] nach Ländern (Stand 6/211). Quelle: nach Fachverband Anlagenzahl 22 2 18 16 14 12 1 22, 8 6 4 2 7 Baden-Württemberg 548,2 23 Bayern Brandenburg 12, Hamburg Hessen 56, 162, 41,4 27 19 1, 1 18 Meckl.-Vorpommern 173 Niedersachsen 432 Nordrhein-Westfalen 171,8 42, Rheinland-Pfalz Saarland installierte elektrische Leistung 81,7 Sachsen 118, 19 5,9 18 228 11 Sachsen-Anhalt 152, 35 Schleswig-Holstein 58 6 5 4 3 2 85,4 1 183 Thüringen installierte elektrische Leistung [MW ] el installierte elektrische Leistung [MW] M11: Einsparung von CO 2-Emissionen durch 29. Quelle: nach FNR e. V. CO 2 -Vermeidung durch Strom aus Wärme aus Bioenergie gesamt CH 4 -Vermeidung durch nutzung pro Jahr M12: Energie aus Biomasse. Quelle: nach FNR e. V. Tierische Exkremente und Einstreu 96,5 PJ/a Ernterückstände aus der Landwirtschaft 13,7 PJ/a Energiepflanzen auf 2 Mio. ha 236 PJ/a Landschaftspflegematerial 12 PJ/a CO 2 in Mio. t 6,59 2,21 58,4 ca. 2, Abfälle aus Industrie/ Gewerbe 9,3 PJ/a Deponie 18 PJ/a Abwasser 19,5 PJ/a Org. Siedlungsabfälle 12,5 PJ/a Auf der Homepage der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe werden aufbereitete Lehr- und Schülermaterialien angeboten, die kostenlos abgegeben werden (1 Porto). http://www.nachwachsende rohstoffe.de/service/bildung-schule/ lehrmaterialien/schule/ 8. Werten Sie die Diagramme M9 und M1 aus und erläutern Sie die quantitative Entwicklung und räumliche Verteilung von anlagen in Deutschland. 4 Geographie aktuell 6/211
Beispiel: anlage Ökozentrum Vachdorf M13: In der anlage (1) im Ökozentrum Vachdorf können jährlich ca. 4 8 m³ Rindergülle, 4 t Festmist und 5 t Grassilage vergärt werden. Das Gas-Blockheizkraftwerk (3) hat eine installierte Leistung von 19 kw. Die anfallende Abwärme deckt den Wärmebedarf der Verwaltung, der Sozialgebäude und der benachbarten Grundschule (2). Auf 9 Stalldächern wurden 4 74 Solarmodule (4) mit einer installierten Leistung von 83 kwp installiert. Foto: W. Schleberger, Vachdorf 4 M14: Interview mit dem Geschäftsführer der LVV Ökozentrum Werratal/Thür. GmbH Vachdorf Herr Baumann, stellen Sie bitte Ihren Betrieb kurz vor. Herr Baumann: Unser Betrieb ist 199 aus Teilen der ehemaligen LPG hervorgegangen. Wir gehören heute zu einem der flächengrößten Ökolandbetriebe Deutschlands. Der Grundsatz des ökologischen Landbaus bedeutet Wirtschaften im Einklang mit der Natur, dem ursprünglichen Kreislauf von Boden, Pflanzen, Tier und Mensch. Was unterscheidet Ihre anlage von Anlagen in konventionellen Betrieben und wie hoch waren Ihre Investitionen? Herr Baumann: Unsere Anlage ist ein Pilotprojekt in Thüringen: Wir setzen als Substrat für die erzeugung lediglich Material aus dem eigenen Betrieb ein. Neben Gülle und Grassilage sind das Festmist und Futterreste, das ist neu. Die Anlage kostete 1 Mio.. Welche Meinung haben Sie zur Verwendung von Mais, Getreide oder anderen Nahrungsmitteln in anlagen? Herr Baumann: Diese Energieträger sind zwar sehr effizient aber als 1 3 2 wertvolle Lebensmittel werden sie der menschlichen Ernährung ent zogen und das ist aus moralischer und ethischer Sicht fragwürdig. Ihre Anlage wurde im August 21 in Betrieb genommen, warum haben Sie so lange gewartet? Herr Baumann: 29 wurde das Einspeisevergütungsgesetz dahingehend geändert, dass die Produktion von auch für extensiv bewirtschaftete Ökobetriebe rentabel wurde. Welche Unterstützung haben Sie von Land und Bund erhalten? Herr Baumann: Wir erhielten Fördermittel in Höhe von 1 % der Investitionskosten. Im Mai dieses Jahres gab es eine Havarie, was ist passiert? Herr Baumann: Durch den Ausfall einer Pumpe und einer ausbleibenden Störungsmeldung des elektronischen Überwachungssystems kam es zum Überlaufen der Gülle im Fermenter und zum Zusammenbruch der halbkugelförmigen Gashaube. Gab es seit Inbetriebnahme Beschwerden von Anwohnern? Herr Baumann: Nein, auch nach der Havarie nicht. Es gibt deutschlandweit über 7 Bioenergiedörfer. Würde die installierte elektrische Leistung Ihrer und Solaranlage ausreichen, um den Ort Vachdorf (ca. 8 Einwohner) mit Strom zu versorgen? Herr Baumann: Ja, aber diese Lösung wäre sehr kostspielig. Für Spitzenbelastungen und den Havariefall müssten Reserven geschaffen werden. Die Solar- und Windkraftanlagen arbeiten witterungsabhängig. Vorerst denken wir über eine Insellösung für unseren Betrieb nach. M15: Herr Baumann im modernen Laufstall der Milchkühe. Foto: W. Schleberger, Vachdorf 9. Diskutieren Sie mit einem Partner Informationen und Argumente von Herrn Baumann zum Thema. 1. Formulieren Sie Fragen, die Sie Herrn Baumann im Interview gerne gestellt hätten. Geographie aktuell 6/211 5