Effizienz, Nachhaltigkeit und Potenziale der energetischen Biomassenutzung Energietechnik-Seminar VDI-Arbeitskreis Energietechnik und Lehrstuhl Energiesysteme der TU München

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik TUM Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. München 20.10.2008

Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner










22

Effizienz Energiepolitische Rahmenbedingungen Biomassenutzung Feste Biomasse Biogas Biokraftstoffe Zusammenfassung

Nutzungspfade der Biomasse Primärenergie

Nachwachsende Rohstoffe

Ernterückstände

Organische Nebenprodukte

Organische Abfälle

Reststoffe

Energetische Nutzung

Physikalisch-Chemische Umwandlung (Pressung, Extraktion, Umesterung)

Sekundärenergie

Fester Brennstoff Holz

Biochemische Umwandlung (Vergärung, Fermentation)

Thermochemische Umwandlung (Pyrolyse, Vergasung, BtL)

Flüssiger Brennstoff

Gasförmiger Brennstoff

Pflanzenöl, RME, Ethanol, Pyrolyseöl, Synthetischer Kraftstoff

Biogas, Produktgas

Thermisch-mechanische Wandlung, Chemische Wandlung

Endenergie 33

Kraft, Strom, Wärme

Berechnung eines Einzelprozesses, Beispiel Zuckerrübe (Energie) Feldarbeit 2,4 MWh (3,4%) Saatgut 0,1 MWh (0,1%)

Zuckerrüben 70,3 MWh (100%)

Düngemittel 2,0 MWh (2,9%) Pflanzenschutzmittel 0,3 MWh (0,4%) Betriebsmittel 0,5 MWh (0,7%) KRA = KNRA = KEA = g = EF =

100,0 % 7,5 % 107,5 % 93,0 % 13,3

Feldarbeit ohne Blattbergung

(alle Energieangaben bezogen auf 1 ha) Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner

© IfE, 43 - 158 - D - 03 Verluste 5,3 MWh (7,5%) Zuckerrüben vom Feld 70,3 MWh (100%)

Energiefluss-Diagramm für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug FELDARBEIT 8.5% DÜNGEMITTEL 5.4% PFLANZENSCHUTZMITTEL 0.1% SAATGUT 0.6% BETRIEBSMITTEL 1.9%

MISCANTHUS 432.7%

FELDARBEIT

LAGERUNG U. TRANSPORT 4.3%

MISC. 428.4%

BETRIEBSMITTEL 0.8%

VERLUSTE 20.9%

TRANSPORT UND LAGERUNG PROZESSENERGIE 88.2% MISC. 420.0%

VERLUSTE 13.5%

BETRIEBSMITTEL 4.4% BETRIEBSSTOFFE 0.3% ENTSORGUNG 0.1% WASSERSTOFFERZEUGUNG VERLUSTE 205.5%

STROM UND BRENNSTOFF 166.6% H2 307.7% BETRIEBSMITTEL 21.7% SPEICHERUNG UND VERTEILUNG GH2 307.7%

KNRA = 45 kWh/100km (460%) KEA = 82 kWh/100km (833%)

PEFC-FAHRZEUG 37107E99 VERLUSTE 207.7% FAHRENERGIE 100.0% (34 MJ/100 km)

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VERLUSTE 188.3%

Energetische Bilanzierung der Ethanolbereitstellung 350 % 300

Bereitstellungsnutzungsgrad Erntefaktor mit Koppelprodukten Erntefaktor ohne Koppelprodukte

250

© IfE, 43 - 177 - F - 03

200 150 100 50 0 Rohstoff: Roggen Kraftstoff: Ethanol

Mais Ethanol

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Weizen Ethanol

Rüben Ethanol

Mais ETBE

Rohöl Benzin

Raps RME

Streckenbezogene Treibhausgasemissionen 25

kg THG/100 km

20

Fahrzeug Kraftstoffgewinnung und -verteilung Bereitstellung der Rohstoffe

© IfE, 43 - 187 - D - 04

15

10

5

0 Rohstoff: Kraftstoff:

Mais Raps Mais ETBE15 Biodiesel Ethanol

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Roggen Ethanol

Weizen Ethanol

Rüben Ethanol

Rohöl Benzin

Kosten der Ethanolbereitstellung 1,4

€/LiterBenzinäquivalent

1,2 1,0 0,8

Rohstoffkosten (Max) Rohstoffkosten (Min) Kraftstoffgewinnung Seetransport Zoll Steuern Verteilung

© IfE, 43 - 188 - F - 03

0,6 0,4 0,2

0,0 Rohstoff: Roggen Mais Weizen Rüben Mais Rohöl Weltmarkt Kraftstoff: Ethanol Ethanol Ethanol Ethanol ETBE Benzin Ethanol unvergällt Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner










99

Effizienz Energiepolitische Rahmenbedingungen Biomassenutzung Feste Biomasse Biogas Biokraftstoffe Zusammenfassung

Der Weg zum Integrierten Energie- und Klimaprogramm

Deutschland

ÖkoSteuer (1999)

Selbstverpflichtung (2001)

EnWGNovelle (2005)

KernenergieNovelle (2002) TEHG / ZuG (2004)

KWKG (2000)

KWKModG (2002)

EEG (2000)

PVVorschaltG (2003)

EU

EE-RL (2001)

2. ElektrizitätsBinnenmarktRL (2003)

EnEV(2006)

RL Besteuerung Energieerzeugnisse (2003)

EnEV

BImSchG

IEKP

Entwurf Energieeffizienz (2003)

Entwurf Versorgungssicherheit (2003)

KWK-RL (2004)

Zeit 1 10 0

Biomasseverordnung

GasnetzzugangsV EnWGEEWärmeG

VO Gas (2003)

Emissionshandels-RL (2003) VO Stromhandel (2003)

BImSchV

EEG

EEGNovelle (2004)

BiomasseVO (2001)

2. ErdgasBinnenmarkt RL (2003)

KWKGesetz

Einige wesentliche Inhalte des IEKP 21 Gesetze und Verordnungen geschaffen oder novelliert Schwerpunkte und Ziele
Ausbau des Anteils der Erneuerbaren Energien Stromerzeugung: 25-30 % durch Erneuerbare Energien in 2020 (EEG) Wärmeerzeugung: 14 % durch Erneuerbare Energien in 2020 (EEWärmeG)
Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung Verdopplung des Anteils der Kraft-Wärme-Kopplung an der Stromerzeugung bis 2020 auf 25% (KWK-Gesetz)
Gebäudesanierung Steigerung der Anforderungen an Energieeffizienz von neuen und sanierten Gebäuden ab 2009 um 30% (EnEV)

1 11 1


Gasnetzzugang Erleichterung und Förderung der Biogaseinspeisung mit dem Ziel 10% Biogaseinspeisung bis 2030










1 12 2

Effizienz Energiepolitische Rahmenbedingungen Biomassenutzung Feste Biomasse Biogas Biokraftstoffe Zusammenfassung

Anbaufläche

1 13 3

Quelle: Metastudie: Sondergutachten des Sachverständigenrates für Umweltfragen, 2007.

Hektarerträge

Wärme KWK  KUP Wärme (Verbrennung)  KUP KWK (Vergasung)  Biogas KWK (Mais)  Biogas KWK (Gras)  Raps KWK

1 14 4

Treibstoffe  Biogas Treibstoff (Mais)  Biogas Treibstoff (Gras)  Zuckerrübe Treibstoff (EtOH)  KUP BtL  Raps Treibstoff (Diesel)  Getreide Treibstoff (EtOH)

Strom  KUP Strom (Zufeuerung)  Biogas Strom (Mais)  Biogas Strom (Gras)  Raps Strom

Quelle: Metastudie: Sondergutachten des Sachverständigenrates für Umweltfragen, 2007.

Reststoffpotenzial

1 15 5

Quelle: Metastudie: Sondergutachten des Sachverständigenrates für Umweltfragen, 2007.

Entwicklung der Strom- und Wärmebereitstellung

Wärme-/Strombereitstellung in TWh

90 80

Wärme aus biogenem Anteil des Abfalls

Wärme aus Biomasse

Strom aus Biomasse

70 60 50 40 30 20 10 0 1995

1 16 6

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

Quelle: BMU, Erneuerbare Energie in Zahlen nationale und internationale Entwicklung 2007

2004

2005

2006

Heutige Nutzung ausgewählter erneuerbarer Energien

biogener Anteil des Abfalls 21% Festbrennstoffe 37% Deponiegas 6%

Stromproduktion 2006: 17,6 TWh

biogener Anteil des Abfalls 6% gasförmige Brennstoffe 4% flüssige Brennstoffe 2%

Wärmeerzeugung 2006: 84,3 TWh

Festbrennstoffe (Allg. Versorgung) 3%

Klärgas 5%

Biogas 24%

flüssige Brennstoffe 7%

Gesamte Stromproduktion 2006: 610 TWh

Festbrennstoffe (Industrie) 13%

Gesamte Wärmeproduktion 2006: 1.490 TWh

Quelle: BMU, Erneuerbare Energie in Zahlen nationale und internationale Entwicklung 2007 1 17 7

Festbrennstoffe (Haushalte) 72%










1 18 8

Effizienz Energiepolitische Rahmenbedingungen Biomassenutzung Feste Biomasse Biogas Biokraftstoffe Zusammenfassung

Feste Biomasse: Technik

1 19 9

Biomassefraktionen Holz- und halmartige Biomasse, Getreide (Holzreststoffe, Kurzumtriebsplantagen, Stroh) Aufbereitung Ernten, Sammeln, Zerkleinern, Pressen Nutzung Cofiring (Dampfturbinenprozess), Hausbrand, Dezentrale Heiz- und Heizkraftwerke (Dampfturbinenprozess, Vergasung) Jährliche Hektarerträge Waldrestholz 4 MWh/(ha) Kurzumtrieb 51 MWh/(ha) Getreideganzpflanzen 51 MWh/(ha) Getreidekörner 27 MWh/(ha) Miscanthus 61 MWh/(ha) Stroh 18-24 MWh/(ha)

Holz: Verwendung und Potenziale Verwendung in Mio. Fm. 6,4 16,8 40 Holzschliff u. Zellstoff Holzwerkstoffe Sägeindustrie

Verwendung 2002 81,7 Mio. Fm Potenzialreserve 40 Mio. Fm

Sonst. stoffl. Verw. Energetisch > 1 MW Energetisch < 1MW

29,9

Hausbrand Potenzialreserve

12,3 3,4

2 20 0

9,8

3

Quelle: Prof. Mantau: Holzreststoffbilanz Deutschland, Bestandsaufnahme 2002, Universität Hamburg

IEKP-Maßnahme 2: Ausbau der Erneuerbaren Energien im Strombereich Ziel des Entwurfs eines Gesetzes zur Neuregelung des Rechts der Erneuerbaren Energien im Strombereich ist es, den Anteil Erneuerbarer Energien an der Stromversorgung bis zum Jahr 2020 auf 25 bis 30 Prozent zu erhöhen und danach kontinuierlich weiter zu erhöhen. Photovoltaik 0,3% Biomasse 2%

Windkraft 9%

2006 Bruttostromerzeugung 636 TWh

Braunkohle 24% Erdgas 12%

Biomassebedarf1): 750 PJ/a

2 21 1

Steinkohlen 35% IEKP-Ziel 2020 Bruttostromerzeugung 671 TWh

Kernenergie 3%

Kernenergie 27%

Flächenbedarf2):

Sonstige 1%

Wasserkraft 5%

Wasserkraft 4% Windkraft 5%

Photovoltaik 1% Biomasse 11%

Sonstige 5% Steinkohle 21%

Erdgas 21%

(117 % der heutigen Nutzung)

4,4 Mio. ha (26 % der landwirtschaftlichen Nutzfläche)

1) Biomasse nach Umwandlung in Sekundärenergieträger Biogas, Biokraftstoff oder Festbrennstoff 2) Flächenbedarf für Energiepflanzen ohne Nutzung vorhandener Reststoffpotenziale

Braunkohlen 14%










2 22 2

Effizienz Energiepolitische Rahmenbedingungen Biomassenutzung Feste Biomasse Biogas Biokraftstoffe Zusammenfassung

Biogas: Technik Biomassefraktionen Organische Abfälle, Reststoffe aus der Viehhaltung, pflanzliche Reststoffe, Ganzpflanzen Prozess Nass- oder Trockenvergärung, Entschwefelung, Trocknung, Aufbereitung Nutzung Dezentrale Kraft- und Heizkraftwerke (Gasmotor) Gaserträge Gülle ~ 170 kWh/t Frischmasse (FM) Mist ~ 370 kWh/t FM Bioabfall ~ 600 kWh/t FM Roggen ~ 850 kWh/t FM Gras ~ 930 kWh/t FM Mais ~ 1050 kWh/t FM 2 23 3

Quelle: FNR, Biogas, Basisdaten Deutschland, 2008

Biogasanlagen in Deutschland

Anlagenanzahl

3.500

1.600

Anzahl inst. Leistung

1.400

3.000

1.200

2.500

1.000 EEG

1. Novelle EEG

2.000

800

1.500

600

1.000

400

500

200

0

0 1999

2 24 4

2000

Quelle: FNR, Biogas, Basisdaten Deutschland, 2008

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

Installierte el. Leistung in MW

4.000

IEKP-Maßnahme 9: Einspeiseregelung für Biogas in Erdgasnetze Bis zum Jahr 2030 kann in Deutschland ein Biogaspotenzial erschlossen werden, das 10 % des derzeitigen Erdgasverbrauchs entspricht. Bis zum Jahr 2020 sollen bereits 6 % erreicht werden. Um die vorhandenen Potenziale wirtschaftlich zu erschließen, bedarf es der Konkretisierung und Ergänzung des vorhandenen Rechtsrahmens. • Zielvorgabe 2020 Anteil Biogas: 6 %. • Erdgaseinsatz 2006 913 TWh (3290 PJ) primärenergetisch (BMWI 07)

Biomassebedarf1): 197 PJ/a Flächenbedarf2):

( 31 % der heutigen Nutzung)

1,8 Mio. ha ( 11 % der landwirtschaftlichen Nutzfläche)

1) Biomasse nach Umwandlung in Sekundärenergieträger Biogas, Biokraftstoff oder Festbrennstoff 2) Flächenbedarf für Energiepflanzen ohne Nutzung vorhandener Reststoffpotenziale (1000 PJ) Heutige Biomassenutzung 640 PJ, Mais (110 GJ/ha) 2 25 5










2 26 6

Effizienz Energiepolitische Rahmenbedingungen Biomassenutzung Feste Biomasse Biogas Biokraftstoffe Zusammenfassung

Biokraftstoffe: Techniken Biokraftstoffe der 1. Generation Nutzung nur der Samen und Früchte, hohe Nahrungsmittelkonkurrenz

Pflanzenöl

(Kraftstoffertrag: 1.420 l Dieseläquivalent/ha)

Ölhaltige Samen (Raps, Palmkerne)

Pressen, Extraktion

Pflanzenöl

Kraftstoff, Basis für RME

Biodiesel, RME (Kraftstoffertrag: 1.410 l Dieseläquivalent/ha) Pflanzenöl

Bioethanol

Umesterung (mit Methanol)

Biodiesel

Kraftstoff

(Kraftstoffertrag: 1.660 l Benzinäquivalent/ha)

Zucker-, stärkehaltige Biomasse (Mais, Kartoffeln, Getreide, Rüben)

Vergärung

Alkoholanreicherung

Bioethanol

Kraftstoff

Biokraftstoffe der 2. Generation Nutzung von holzhaltiger Biomasse und Reststoffen, geringere Nahrungsmittel- oder Stoffkonkurrenz

BtL - Biomass to Liquid (Kraftstoffertrag: bis 3.910 l Dieseläquivalent/ha) Feste Biomasse

thermische Vergasung

Synthesegas

Gasreinigung

Syntheseschritt

Kraftstoff

Bioethanol aus Lignocellulose Lignocellulose 2 27 7

Aufspaltung der Zellulose in Polysaccharide

Quelle: Biomassenutzung in Bayern FfE 2006; Klimaschutz durch Biomasse Sondergutachten 2007

Weiterer Prozessablauf wie bei Bioethanol

Kraftstoffbereitstellung in TWh

45 6,0%

40 Bioethanol

Pflanzenöl

Biodiesel

Summe Kraftstoffe

35

5,0%

30 4,0%

25

3,0%

20 15

2,0%

10 1,0%

5 0

0,0% 1995

2 28 8

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

Quelle: Erneuerbare Energie in Zahlen, nationale und internationale Entwicklung, BMU, 2007

2003

2004

2005

2006

Anteil am gesamten Kraftstoffabsatz 2005

Entwicklung der Biokraftstoffnutzung

IEKP-Maßnahme 17: Ausbau von Biokraftstoffen Das Gesetz sieht vor, dass die Treibhausgasemissionen, die aus dem Verbrauch der Kraftstoffe entstehen, stufenweise reduziert werden. Im Jahr 2020 müssen die Emissionen der Treibstoffe um 10% niedriger als bei fossilen Kraftstoffen liegen. Im Ergebnis führt dies schätzungsweise zu einem Biokraftstoffanteil von etwa 17% (energetisch) am gesamten Treibstoffverbrauch. […] verstärkte Nutzung von Biokraftstoffen der zweiten Generation bei gleichzeitiger Sicherstellung des nachhaltigen Anbaus von Rohstoffen für die Biokraftstoffherstellung. Quelle: IEKP, Hintergrundpapier, BMWi, BMU, 2007

• Gesetzgebung Anpassung des BiokraftstoffquotenG Anpassung der KraftstoffqualitätsVO Biomassebedarf1): 390 PJ/a (61 % der heutigen Nutzung) Flächenbedarf2): Kraftstoff der 1. Generation: 7,8 Mio. ha (45% der landwirtschaftlichen Nutzfläche) Kraftstoff der 2.Generation: 3,0 Mio. ha (18% der landwirtschaftlichen Nutzfläche) 1) Biomasse als Sekundärenergieträger Biokraftstoff 2 29 9

2) Flächenbedarf für Energiepflanzen ohne Nutzung vorhandener Reststoffpotenziale (1000 PJ) Heutige Biomassenutzung 640 PJ, BTL (130 GJ/ha) - Pflanzenöl (50 GJ/ha)

Biokraftstoffe: Wirtschaftlichkeit Preisvergleich Biokraftstoffe 2006

3 30 0

Quelle: FNR, Daten und Fakten zu nachwachsenden Rohstoffen, 2007










3 31 1

Effizienz Energiepolitische Rahmenbedingungen Biomassenutzung Feste Biomasse Biogas Biokraftstoffe Zusammenfassung

IEKP-Anforderungen Land- und forstwirtschaftliche Betriebsflächen in Deutschland in Mio. ha (2005) 1,5 2,7

Flächenbedarf bei heimischer Bioenergiedeckung1) in Mio. ha 1,2 0,8 feste Biomasse 2) Biogaserzeugung

1,4 Energiepflanzen

4,9

Biokraftstoff 3)

Dauergrünland

4,0

Getreide 1,8

Betriebsfläche 18,8 Mio. ha

Flächenbedarf für Energiepflanzen 6,0 Mio. ha

Mais Kartoffeln Zuckerrüben

0,4

Futterpflanzen

0,3

Waldfläche

0,4

12,8

Energiepflanzen Sonstige Dauergrünland 6,8 Quelle:Stat. Bundesamt, 2006

Getreide Mais

Quelle: eigene Berechnungen

Kartoffeln

feste Biomasse 2)

Zuckerrüben Futterpflanzen

Biogaserzeugung

Waldfläche

Biokraftstoff 3)

Sonstige

4,0

Nicht-energetische Nutzung

Zur Erreichung der IEKP-Ziele sind Importe unumgänglich. 3 32 2

Nicht-energetische Nutzung

1) Bei gleichzeitiger Nutzung des techn. Reststoffpotenzials (1000 PJ) 2) Biogaserzeugung aus 50% Gülle, 50% Maissilage 3) Biokraftstoffe aus 33% BTL, 33% Bioethanol, 33% Biodiesel

Rückwirkungen auf Lebensmittelpreise Gründe für steigende Lebensmittelpreise:
Wachsende Weltbevölkerung, sinkende Anbauflächen.
Verluste an Agrarland durch Dürren, Fluten, Stürme, Erosion.
Wandel der Essgewohnheiten: Viehwirtschaft benötigt 7 bis 10 Mal mehr Nutzfläche als Getreideanbau.
Die Weltbank verlangt von Entwicklungsländern Marktreformen, etwa Schutzzölle abzuschaffen, was der lokalen Landwirtschaft oft massiv schadet.
Steigender Öl- und Düngerpreis, Konkurrenz mit nachwachsende Rohstoffe.

3 33 3

Energetische Biomassenutzung trägt als ein Faktor zu Verteuerung von Lebensmitteln bei. Politische und gesellschaftliche Bewegung gegen Biomasse kann entstehen.

Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung:  Energie- und Emissionsbilanz biogener Energieträger in der Regel günstig  Weiteres Optimierungspotenzial gegeben  Konkurrenzfähigkeit heute gegenüber Importen und fossilen Kraftstoffen aufgrund von Förderung  Koppelprodukte häufig entscheidend für die Wirtschaftlichkeit  Weltmarkt und Bedarf stark expandierend, politisch gefördert  Bioethanol und Biodiesel derzeit weltweit wichtigste Biokraftstoffe  In Deutschland übersteigt der Kraftstoffbedarf das Potenzial bei weitem

Ausblick:  Neue Rohstoffe wie LCB für Ethanol und erweitertes Ölpflanzenspektrum als kurzfristige Option  Butanol, Wasserstoff und Fischer-Tropsch-Kraftstoffe als langfristige Option Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner