Schriftenreihe Nachwachsende Rohstoffe" Band 3 2. Auflage -vollständige Neubearbeitung Biomasse als erneuerbarer Energieträger Eine technische, ökologische und ökonomische Analyse im Kontext der übrigen erneuerbaren Energien H. Hartmann M. Kaltschmitt (Hrsg.) 2002 Landwirtschaftsverlag GmbH 48084 Münster
Inhalt Inhalt 1 Einleitung und Zielsetzung 11, 1.1 Ausgangslage und Zielstellung 11 1.2 Energiesystem Deutschland. 16 1.2.1 Energiewirtschaftliche Grundbegriffe und Definitionen.. 16 1.2.2 Energieverbrauch, Verbrauchstruktur und Ressourcen... 20 1.3 Definitionen und Referenzsysteme 24 1.3.1 Versorgungsaufgaben 24 1.3.2 Konventionelle Vergleichssysteme (fossile Referenzanlagen) 27 2 Grundlagen des erneuerbaren Energieangebots 32, IRIS LEWANDOWSKI 2.1 Energiequellen und globale Energiebilanz 32 2.2 Regeneratives Energieangebot 40 2.2.1 Biomasse 40 2.2.2 Solarstrahlung 49 2.2.3 Windenergie.\ 53 2.2.4 Wasserkraft 61 2.2.5 Umgebungswärme 67 2.2.6 Erdwärme 69 3 Techniken und Verfahren 74 3.1 Biomassebereitstellung und Nutzung 74 3.1.1 Bereitstellung von Festbrennstoffen 75 3.1.1.1 Durchforstungs- und Waldrestholz 76 3.1.1.2 Holznebenprodukte und Holzabfälle 81 < 3.1.1.3 Schnellwachsende Baumarten 5 (Kurzumtriebsplantagen) 83 ' 3.1.1.4 Stroh 87 3.1.1.5 Getreideganzpflanzen 89 f 3.1.1.6 Miscanthus 93
Biomasse als erneuerbarer Energieträger 3.1.2 Nachernteverfahren bei Festbrennstoffen 97 3.1.2.1 Aufbereitung 97 3.1.2.2 Transport 104 3.1.2.3 Lagerung und Trocknung 106 / 3.1.3 Bereitstellung und Gewinnung biogener Kraftstoffe 113 / 3.1.3.1 Ölgewinnung 114 3.1.3.2 Weiterverarbeitung zu Kraftstoffen 116 3.1.4 Ethanolerzeugung 118 3.1.4.1 Rohstoffe 118 3.1.4.2 Ethanolherstellung.' 121 3.1.5 Biogaserzeugung '. 123 3.1.5.1 Prozesskenndaten und Einflussgrößen 123 3.1.5.2 Verfahrenstechnik 124 /3.1.6 Energetische Umwandlung von Festbrennstoffen 130 3.1.6.1 Brennstoffeigenschaften 130 / 3.1.6.2 Verbrennung 137 / N 3.1.6.3 Vergasung 158 3.1.6.4 Pyrolyse und Verkohlung 166, 3.1.7 Energetische Umwandlung von biogenen Kraftstoffen. 171! 3.1.7.1 Kraftstoffeigenschaften 171 ; 3.1.7.2 Nutzung als Kraftstoff 174 3.1.7.3 Nutzung als Brennstoff 179 3.1.8 Energetische Umwandlung von Biogas 180 3.1.8.1 Gaseigenschaften 180 3.1.8.2 Gasnutzung 181 3.2 Solarthermische Wärmenutzung 184 3.2.1 Systemtechnische Beschreibung 184 3.2.2.Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche 191 3.3 Photovoltaische Stromerzeugung 197 3.3.1 Systemtechnische Beschreibung 197 3.3.2 Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche 204 3.4 Windkraftnutzung 207 3.4.1 Systemtechnische Beschreibung 207 3.4.2 Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche 213
Inhalt 3.5 Wasserkraftnutzung 216 3.5.1 Systemtechnische Beschreibung 216 3.5.2 Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche 223 3.6 Nutzung der Umgebungswärme 225 3.6.1 Systemtechnische Beschreibung 225 3.6.2 Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche 232 3.7 Geothermische Erdwärmenutzung 236, SILKE ROGGE 3.7.1 Systemtechnische Beschreibung hydrothermaler Erdwärmenutzung 236 3.7.2 Systemtechnische Beschreibung tiefer Sonden 242 3.7.3 Systemtechnische Beschreibung der Erdwärmenutzung durch HDR-Technologie 244 3.7.4 Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche hydrothermaler Erdwärmenutzung 246 3.7.5 Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche tiefer Sonden 247 3.7.6 Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche der HDR-Technologie 248 3.8 Zusammenfassende Gegenüberstellung 249, Ökologische Analyse (I) - Lebenszyklusbetrachtungen 255 JOHANNES MOERSCHNER, TORSTEN MARHEINKE, LUDGER ELTROP 4.1 Methodische Grundlägen 255 4.2 Biomassenutzung 264 4.2.1 Biogene Festbrennstoffe zur Wärmebereitstellung 264 4.2.2 Biogene Festbrennstoffe zur Strombereitstellung 282 4.2.3 Biogene Kraftstoffe 286 4.2.4 Biogas 294 4.3 Solarthermische Wärmenutzung 298 4.4 Photovoltaische Stromerzeugung 307 4.5 Windenergienutzung 310 4.6 Wasserkraftnutzung 313 4.7 Nutzung von Umgebungswärme 317
Biomasse als erneuerbarer Energieträger 4.8 Hydrothermale Erdwärmenutzung 319 4.9 Zusammenfassende Gegenüberstellung 325 I 4.9.1 Bereitstellung thermischer Energie 325 ' 4.9.2 Bereitstellung und Nutzung von biogenen Kraftstoffen 339 4.9.3 Bereitstellung elektrischer Energie 341 I 4.9.4 Kritische Schlussbemerkungen 351 Ökologische Analyse (II) - lokale Umwelteffekte 353 5.1 Vorbemerkungen : 353 5.1.1 Allgemeines 353 5.1.2 Gasförmige Emissionen 355 5.2 Biomasse-Brennstoffe 358 5.2.1 Rohstoffproduktion (Anbau) 359, ACHIM WEISKE 5.2.1.1 Erosion 359 5.2.1.2 Bodenverdichtung 362 5.2.1.3 Humuserhalt.' 364 5.2.1.4 Beitrag zur Gülleverwertung.-. 365 5.2.1.5 Toleranz gegenüber Unkräutern, Ungräsern und Krankheiten 366 5.2.1.6 Pflanzenschutzmittelanwendung 367 5.2.1.7 Biodiversität : 368 5.2.1.8 Nährstoffeintrag in Grundwasser und Gewässer 370 5.2.1.9 N 2 O-Emissionen 372 5.2.1.10 Beitrag zur Kulturlandschaft und zum Erholungswert 374 5.2.1.11 Wasserverbrauch 375 5.2.1.12 Spezifischer Flächenbedarf 377 5.2.1.13 Spezifischer Stickstoffbedarf 378 5.2.2 Nachernteverfahren 379, SVEN SCHNEIDER, ACHIM WEISE 5.2.2.1 Transport 380 5.2.2.2 Lagerung 381 5.2.2.3 Aufbereitung und Handhabung 385
Inhalt 5.2.3 Energetische Umwandlung (Festbrennstoffe) 386, SVEN SCHNEIDER ' 5.2.3.1 Bedeutung der Emissionsparameter und ihre Wirkungen 387 5.2.3.2 Emissionsrelevante Brennstoffinhaltsstoffe 395 5.2.3.3 Vergleich der Emissionen von Feuerungsanlagen 400 5.2.3.4 Verbrennungsrückstände (Aschen, Schlacken).. 414 5.2.4 Gewinnung und Verwertung von Biokraftstoffen 420, NICOLLE FRÖHLICH 5.2.4.1 Umweltaspekte der Gewinnung bzw. Aufbereitung 420 5.2.4.2 Gewässergefährdung durch den Kraftstoff7^7424~ 5.2.4.3 Biologische Abbaubarkeit 426 5.2.4.4 Explosionsrisiken 427 5.2.4.5 Schadstoffemission bei -> der Kraftstoffverwertung 428 5.2.4.6 Geruchsbelästigung 439 5.2.5 Biogaserzeugung und -nutzung 440 SVEN SCHNEIDER, 5.2.6 Zusammenfassung der lokalen Umwelteffekte von Biomasse 445 5.3 Solarthermische Wärmebereitstellung 452 5.4 Photovoltaische Stromerzeugung 454 5.5 Windtechnische Stromerzeugung 458 5.6 Stromerzeugung aus Wasserkraft 465 5.7 Nutzung der Umgebungswärme 470 5.8 Nutzung der Geothermie 475 5.8.1 Hydrothermale Erdwärmenutzung 475 5.8.2 Tiefe Erdwärmesonden 478 5.8.3 Technik der geothermischen Stromerzeugung 480
Biomasse als erneuerbarer Energieträger 5.9 Zusammenfassende Gegenüberstellung 482, 6 Ökonomische Analyse 484 6.1 Grundlagen der Kostenanalyse 484 6.2 Kosten der Energiegewinnung aus Biomasse 486 6.2.1 Datenbasis und Grundannahmen 486 6.2.2 Bereitstellungskosten für Festbrennstoffe 492 6.2.2.1 Waldhackguterzeugung 492 6.2.2.2 Kurzumtriebsplantagenholz (Pappeln) 495 6.2.2.3 Getreidestroh 497 6.2.2.4 Getreide-Ganzpflanzen (Triticale) 498 6.2.2.5 Miscanthus 500 6.2.2.6 Preise marktgängiger biogener Festbrennstoffe (Scheitholz und Pellets) 502 6.2.3 Bereitstellungskosten für biogene Kraftstoffe 503 6.2.3.1 Rapserzeugung und Pflanzenölbereitstellung... 503 6.2.3.2 Rapsölmethylester 505 6.2.3.3 Bioethanol 507 6.2.4 Wärmebereitstellungskosten mit Festbrennstoffen 508 6.2.4.1 Wärmebereitstellung in Kleinanlagen 509 6.2.4.2 Wärmebereitstellung in Heizwerken und Nahwärmesystemen 514 6.2.5 Strombereitstellungskosten aus Festbrennstoffen 522 6.2.6 Kosten der Biogasgewinnung und Nutzung 523 6.3 Kosten der solarthermischen Wärmenutzung 527 SVEN SCHNEIDER 6.4 Kosten der photovoltaischen Stromerzeugung 531 SVEN SCHNEIDER 6.5 Kosten der Windenergienutzung 534 SVEN SCHNEIDER 6.6 Kosten der Wasserkraftnutzung 539 SVEN SCHNEIDER
Inhalt 6.7 Kosten der Erdwärmenutzung 541 GERD SCHRÖDER, SILKE ROGGE 6.7.1 Oberflächennahe Erdwärmenutzung 541 6.7.2 Hydrothermale Erdwärmenutzung 544 6.7.3 Erdwärmenutzung mit tiefen Sonden 547 6.7.4 Erdwärmenutzung mit HDR-Technik 550 6.8 Zusammenfassende Gegenüberstellung 554 6.8.1 Bereitstellungskosten für Brenn- und Kraftstoffe 554 6.8.2 Wärmegestehungskosten 556 6.8.3 Stromerzeugungskosten 560 7 Potenziale und Nutzung 564 7.1 Grundlagen der Potenzialabschätzung 564 s 7.2 Biomasse, 567 7.2.1 Potenziale von Rückständen, Nebenprodukten und Abfällen 567 7.2.1.1 Stroh 567 7.2.1.2 Forstliche Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle 572 7.2.1.3 Industrierestholz 578 7.2.1.4 Landschaftspflegeholz und andere Hölzer 581 7.2.1.5 Gebrauchtholz 582 7.2.1.6 Biogas 584 7.2.1.7 Klärgas 595 7.2.1.8 Deponiegas 597 7.2.1.9 Zusammenfassung 599 7.2.2 Energiepflanzen 601 7.2.2.1 -Pflanzenölgewinnung 602 7.2.2.2 Festbrennstoffgewinnung 602 7.2.2.3 Biogasgewinnung 603 7.2.2.4 Zusammenfassung 604 7.2.3 Derzeitige Nutzung 605 7.3 Solarthermische Wärmenutzung 609 7.3.1 Potenzial 609 7.3.2 Derzeitige Nutzung 614
Biomasse als erneuerbarer Energieträger 7A Photovoltaische Stromerzeugung 615 7.4.1 Potenzial 616 7.4.2 Derzeitige Nutzung 619 7.5 Windenergienutzung 620 7.5.1 Potenzial.. 620 7.5.2 Derzeitige Nutzung 625 7.6 Wasserkraftnutzung 626 7.6.1 Potenziale 626 7.6.2 Derzeitige Nutzung -. 628 7.7 Nutzung der Umgebungswärme 629 7.7.1 Potenziale 629 7.7.2 Derzeitige Nutzung 631 7.8 Erdwärmenutzung 633 7.8.1 Potenziale 633 7.8.1.1 Tiefe Erdwärmesonden 633 7.8.1.2 Hydrothermale Erdwärmenutzung 635 7.8.1.3 HDR-Technik 638 7.8.2 Derzeitige Nutzung 640 7.9 Zusammenfassende Gegenüberstellung, 642 7.9.1 Stromerzeugung : 643 7.9.2 Wärme 645 7.9.3 Primärenergie 648 8 Gesamtzusammenfassung 649, 9 Quellenverzeichnis 659 Energieeinheiten und Umrechnungsfaktoren 692 10