Kohlenstoffkreislauf, Treibhausgaseffekt und Bioenergie Rolf Thauer Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie Mit-Koordinator der Leopoldina Stellungnahme Bioenergie: Möglichkeiten und Grenzen

10-12-12

Leopoldina Stellungnahme: Bioenergie: Möglichkeiten und Grenzen Eines der Ziele der Nutzung von Bioenergie (Biogas, Biodiesel, Bioethanol, Holz) ist die Reduktion von Treibhausgas Emissionen relative zur Verwendung von fossilen Brennstoffen (Kohle, Öl, Erdgas).

Ergebnis der Analys: Um die Emissionen von Treibhausgasen zu reduzieren, eignet sich der Ausbau der Bioenergie (Bioethanol, Biodiesel, Biogas) nur sehr bedingt.

Eines der wichtigsten Argumente ist: -

Die Emissionen von Treibhausgasen, die mit der intensiven Landwirtschaft einhergehen, sind sehr viel höher als noch vor Jahren eingeschätzt.

24. Okt. 14. Okt. 4. Okt. 24. Sep. 14. Sep. 4. Sep. 25. Aug. 15. Aug. 1983

1986

1989

1992

1995

1998

2001

Harvest of Riesling with 65 °Oe in the last three decade s in Rheinlandpfalz

2004

2007

Sun

107 W/m2

342 W/m2

Solar constant 1370 W/m2

235 W/m2

21% O2 und 78% N2 67 W/m2 by atmosphere and 168 W/m2 by the earth surface

235 W/m2

Infrared light

235 W/m2

Atmosphere without green house gases

T = - 18°C

Sun

107 W/m2

342 W/m2

235 W/m2

21% O2 und 78% N2 67 W/m2 by atmosphere and 168 W/m2 by the earth surface

235 W/m2*

154 W/m2

Atmosphere with green house gases

absorbed by green house gases

389 W/m2

T = 15°C ΔT = 33oC

Green house effect (2010) Sun

natural

anthropogenic

152.4 W/m2 + 1.6 W/m2

107 W/m2

342 W/m2

70 % H2O

70% CO2

20 % CO2

20% CH4

4 % Ozone

7% N2O

235 W/m2 6 % CH4

21% O2 und 78% N2 67 W/m2 by atmosphere and 168 W/m2 by the earth surface

235 W/m2

154 W/m2

others

Atmosphere with green house gases

absorbed by green house gases

389 W/m2

T = 15°C ΔT = 33oC

Green house effect (2010) Sun

natural

anthropogenic

152.4 W/m2 + 1.6 W/m2

107 W/m2

342 W/m2

70 % H2O

70% CO2

20 % CO2

20% CH4

4 % Ozone

7% N2O

235 W/m2 6 % CH4

21% O2 und 78% N2 67 W/m2 by atmosphere and 168 W/m2 by the earth surface

235 W/m2

154 W/m2

others

Atmosphere with green house gases

absorbed by green house gases

389 W/m2

T = 15°C ΔT = 33oC

CO2 concentration in the atmosphere (ppm)

390.9 CO2 is an effective GHG

Emissions are from fossil fuel combustion and from agriculture

The increase of CO2 in the atmosphere in ppm measured on Mauna Loa auf Hawaii. The annual fluctuations reflect differences between summer and winter in CO2 fixation.

Since the industrial revolution the CO2 concentration in the atmosphere has increased. Anthropogenic emissions are from fossil fuel combustion and agriculture

817

NPP = 60GtC/yr

CO2

121.6

7.9

60 4,000

1,580

Storage in GtC Fluxes in GtC/yr

Deutschland: > 500 gC pro m2 und Jahr CO2 Emissionen, inklusive der aus fossilen Brennstoffen

CO2 Emissionen nach Abzug der Emissionen aus fossilen Brennstoffen

Schulze et al., 2009

CO2 is not the only greenhouse gas produced. Since the beginning of the industrial revolution also the CH4 and N2O concentrations in the atmosphere have increased

817

NPP = 60GtC/yr

CH4

N2 O

CO2 7.9

300 l pro Tag

From Brock 1978

Ca. 4% des in Biomasse eingebauten Stickstoffs wird als N2O freigesetzt. Bisher wurden 1% angenommen

CO2 Biomass

N2O, CH4 CO2

Fertilisers

C,N,P,S metals etc.

Mineral nutrients Nitrogen fixation - Nitrification-Denitrification

Intensive Landwirtschaft ist mit der Emission von N2O und CH4 assoziiert.

CO2 = 390,000 ppb

1,813

CH4 has 25 fold higher GHG potential than CO2

Zunahme des Methangehalts in der Atmosphäre seit 1979. Quelle der Abbildung: Synthesis Report Climate Change: Global Risks, Challenges & Decisions. Copenhagen 2009, 10-12 March.

About 50% of European CH4 emissions are from agriculture

Increase of the methane concentration in the atmosphere since 1979. Synthesis Report Climate Change: Global Risks, Challenges & Decisions. Copenhagen 2009, 10-12 March.

324 N2O has 300 fold higher GHG potential than CO2 About 70% of European N2O emissions are from agriculture

Increase in N2O in the troposphere since 1978.

Biogene Methanquellen

Biogene N2O Quellen

Deutschland: ca 100 gC eq. CH4 and N2O Emissionen pro m2 und Jahr

Schulze et al., 2009

Die Landwirtschaft in Deutschland ist zu etwa 20% an der Gesamttreibhausgas-Bilanz beteiligt.

Die Treibhausgas Emissionen von Äckern, Wiesen und Wäldern sind unterschiedlich Tabelle 1.4 in Langfassung

.

Forests Forest -32% Grassland Grasslands -26% Cropland Croplands +4%

+26% +46% +38%

CO2 or CO2 -equivalents or CO2 -equivalents -100% -100%

+100% +(100-x)%

CO2 fixed into harvested biomass

+100%

-100%

Plant Biomass

Greenhouse gas emissions associated with agriculture and forestry in EU-25

Forests Forest -32% Grassland Grasslands -26% Cropland Croplands +4%

+26% +46% +38%

CO2 or CO2 -equivalents or CO2 -equivalents -100% -100%

+100% +(100-x)%

CO2 fixed into harvested biomass

+100%

CO2 released upon remineralization

-100%

Plant Biomass

Greenhouse gas emissions associated with agriculture and forestry in EU-25

Forests Forest -32% Grassland Grasslands -26% Cropland Croplands +4%

+26% +46% +38%

+ 3% + 7% +11%

CO2 orCO CO22or -equivalents CO2 -equivalents -100% -100%

+100% +(100-x)%

CO2 CO2 fixed released into harfrom fossil fuels required vested biomass for land management, fertilizers, pesticides and transport +100%

CO2 released Upon remineralization

-100%

Plant Biomass

Greenhouse gas emissions associated with agriculture and forestry in EU-25 Schulze et al., 2009

Forests Forest -32%+22% +26% Grassland Grasslands -26%+38% +46% Cropland Croplands +4% +27% +38% N2O and CH4 released during biomass growth and CO2 from harvest rests

+ 3% + 7% +11%

CO2 orCO CO22or -equivalents CO2 -equivalents -100% -100%

CO2 released from fossil fuels required for land management, fertilizers, pesticides and transport

+100% +(100-x)%

CO2 fixed into harvested biomass

+100%

CO2 released upon remineralization

-100%

Plant Biomass

Greenhouse gas emissions associated with agriculture and forestry in EU-25 Schulze et al., 2009

Forests Forest -32% +22%+26% + 3% -32% Grassland -26% +38% +46% + 7% Grasslands -26% Cropland + 4% +27% +38% +11% Croplands +4% CO2 released from (+) or incorporated into (-) soil carbon

N2O and CH4 release d during biomass growth and CO2 from harvest rests

CO2 orCO CO22or -equivalents CO2 -equivalents -100% -100%

CO2 released from fossil fuels required for land management, fertilizers, pesticides and transport

+100% +(100-x)%

CO2 fixed into harvested biomass

CO2 released upon remineralization

+100%

-100%

Plant Biomass

Greenhouse gas emissions associated with agriculture and forestry in EU-25 Schulze et al., 2009

Forests Forest -32% -32% +22%+26% + 3% ∑ -7% CO2 or CO CO2 2-equivalents or CO2 -equivalents Grassland Grasslands -26% -26% +38% +46% + 7% ∑ +20% -100% +100% +(100-x)% Cropland Croplands + 4% +4% +27% +38% +11% Σ +42% -100% CO2 released from (+) or incorporated into (-) soil carbon

N2O and CH4 released during biomass growth and CO2 from harvest rests

CO2 released from fossil fuels required for land management, fertilizers, pesticides and transport

CO2 fixed into harvested biomass

+100%

CO2 released upon remineralization

-100%

Plant Biomass

Greenhouse gas emissions associated with agriculture and forestry in EU-25 Schulze et al., 2009

Forests Forest -32% -32% +22%+26% + 3% ∑ -7% CO2 or CO CO2 2-equivalents oder CO2 -Äquivalente Grassland Grasslands -26% -26% +38% +46% + 7% ∑ +20% -100% +100% +(100-x)% Cropland Croplands + 4% +4% +27% +38% +11% Σ +42% -100% CO2 released from (+) or incorporated into (-) soil carbon

N2O and CH4 released during biomass growth and CO2 from harvest rests

CO2 released from fossil fuels required for land management, fertilizers, peticides and transport

CO2 fixed into harvested Biomass

CO2 released upon remineralization

Biofuel

+100%

20% Switch grass >10% Biogas

Table 1.3. CO2 release due to fossil energy input

-100%

Plant Biomass

Greenhouse gas emissions associated with intensive agriculture and with biomass conversion into bioenergy in EU-25

Greenhouse gas emissions associated with land use change in EU-25

Forests Grassland Cropland

Eq. CO2 -7% +20% +42%

Greenhouse gas emissions associated with land use change in EU-25

Direct land use change (LUC) Forests Grassland Cropland

Eq. CO2 -7% +20% +42%

Forests

→

Cropland: 48% + > 1000% (decrease in carbon stock)

Grassland → Cropland : 22% + > 100% (decrease in carbon stock)

Greenhouse gas emissions associated with land use change in EU-25

Direct land use change (LUC) Forests Grassland Cropland

Eq. CO2 -7% +20% +42%

Forests

→

Grassland →

Cropland: 48% + > 1000% (decrease in carbon stock) Cropland 22% + > 100% (decrease in carbon stock)

Indirect land use change (ILUC) Cropland →

Cropland

← Forests or Grassland

Die intensiv bewirtschafteten Äcker sind die Hauptquellen der biogenen Treibhausgas-Emissionen Landnutzungsänderungen (direkte und indirekte) müssen bei Treibhausgasbilanzen berücksichtigt werden.

Die Verfügbarkeit von Biomasse als Energiequelle ist global und lokal begrenzt

Terrestrische NPP

= 60 GtC pro Jahr ≙ 2,400 x 1018 J pro Jahr

Globale Nettoprimärproduktion (NPPo) im Jahr 2000

Globaler Primärenergieverbrauch = 500 x 1018 J pro Jahr

Terrestrische NPP

= 60 GtC pro Jahr ≙ 2,400 x 1018 J pro Jahr

Globale Nettoprimärproduktion (NPPo) im Jahr 2000

Globaler Primärenergieverbrauch = 500 x 1018 J pro Jahr

≙ 200 x 1018 J pro Jahr

NPP in Deutschland = 0.21 GtC pro Jahr ≙ 7.8 x 1018 J pro Jahr

Deutscher Primärenergieverbrauch = 14 x 1018 J pro Jahr

Net primary production (NPP) and primary-energy consumption in Germany in the year 2010. NPP

Calorific value

Million t C yr-1

1018 J yr-1

NPP (above and belowground)

210

7.8

NPP (aboveground) a)

160

5.9

NPP harvested and grazed

93

3.5

- Vegetal food for humans

10

0.4

- Animal feed including 20 million t C yr-1 grazed

53

2

- Industrial wood and firewood b)

14

0.5

- Other uses c)

10

0.4

Cereal and rape straw d)

20

0.7

Primary-energy consumption (total)

14

Primary energy from biomass products (2010)

30

1

- Solid fuels (mainly wood)

14

0.5

- Biogas f)

0.2

- Liquid biofuels (biodiesel and bioethanol)

0.2

- Renewable wastes including land fill gas

0.1

Net primary production (NPP) and primary-energy consumption in Germany in the year 2010. NPP

Calorific value

Million t C yr-1

1018 J yr-1

NPP (above and belowground)

210

7.8

NPP (aboveground) a)

160

5.9

NPP harvested and grazed

93

3.5

- Vegetal food for humans

10

0.4

- Animal feed including 20 million t C yr-1 grazed

53

2

- Industrial wood and firewood b)

14

0.5

- Other uses c)

10

0.4

Cereal and rape straw d)

20

0.7

Primary-energy consumption (total)

14

Primary energy from biomass products (2010)

30

1

- Solid fuels (mainly wood)

14

0.5

- Biogas f)

0.2

- Liquid biofuels (biodiesel and bioethanol)

0.2

- Renewable wastes including land fill gas

0.1

Deutschland verwendet 4 x mehr Primärenergie als der kalorische Gegenwert von 100% der geernteten und geweideten NPP

Net primary production (NPP) and primary-energy consumption in Germany in the year 2010. NPP

Calorific value

Million t C yr-1

1018 J yr-1

NPP (above and belowground)

210

7.8

NPP (aboveground) a)

160

5.9

NPP harvested and grazed

93

3.5

- Vegetal food for humans

10

0.4

- Animal feed including 20 million t C yr-1 grazed

53

2

- Industrial wood and firewood b)

14

0.5

- Other uses c)

10

0.4

Cereal and rape straw d)

20

0.7

Primary-energy consumption (total)

14

Primary energy from biomass products (2010)

30

1

- Solid fuels (mainly wood)

14

0.5

- Biogas f)

0.2

- Liquid biofuels (biodiesel and bioethanol)

0.2

- Renewable wastes including land fill gas

0.1

7% von Deutschlands Primärenergieverbrauch werden durch Bioenergie abgedeckt. Dies ist nur über Importe möglich.

In Deutschland 2010 vom Menschen vereinnahmte NPP

NPP Million t C yr-1

NPP (above and belowground)

210

NPP (above and below ground) appropriated from within Germany

120

NPP (above and belowground) appropriated

70

from abroad via imports Embodied NPP

190

In Deutschland 2010 vom Menschen vereinnahmte NPP

NPP Million t C yr-1

NPP (above and belowground)

210 (100%)

NPP (above and below ground) appropriated from within Germany NPP (above and belowground) appropriated

120 (57%) 70

from abroad via imports Embodied NPP

190

In Deutschland werden bereits 57% der jährlich nachwachsenden pflanzlichen Biomasse vom Menschen vereinnahmt. Alle übrigen Lebewesen müssen sich in den Rest teilen. Eine Ausweitung ist aus ökologischer Sicht nicht vertretbar

In Deutschland 2010 vom Menschen vereinnahmte NPP

NPP Million t C yr-1

NPP (above and belowground)

210

NPP (above and below ground) appropriated from within Germany

120 (63%)

NPP (above and belowground) appropriated from abroad via imports Embodied NPP

70 (37%) 190 (100%)

Deutschland vereinnahmt ca. 190 Million t C pro Jahr an nachwachsender Biomasse, von denen 70 Million t C pro Jahr außerhalb von Deutschland heranwachsen. Daher muss Deutschland 37% der vereinnahmten Biomasse importieren.

Die Verwendung von Biomasse als Energiequelle hat nur eine geringe Flächeneffizienz

Sun

107 W/m2

Biodiesel < 0.2 W/m2

342 W/m2

CO2 0.67

235 W/m2

155 W/m2

W/m2

Atmosphere with green house gases

absorbed by green house gases

Terrestrial Biomass (650 C m-2a-1)

Solar constant 1370 W/m2

235 W/m2

389 W/m2

T = 15°C ΔT = 33oC

Sun

Solar constant 1370 W/m2

Windenergie >2 W/m2 Photovoltaik > 5 W/m2 107 W/m2

Biodiesel < 0.2 W/m2

342 W/m2

CO2 0.67

155 W/m2

W/m2

Atmosphere with green house gases

absorbed by green house gases

Terrestrial Biomass (650 C m-2a-1)

235 W/m2

235 W/m2

389 W/m2

T = 15°C ΔT = 33oC

Wichtigste Empfehlung:

Um die Emissionen von Treibhausgasen zu reduzieren, sollte Deutschland nicht den weiteren Ausbau von Bioenergie (Bioethanol, Biodiesel, Biogas) anstreben, Drei der Argumente waren: - Die Emissionen von Treibhausgasen, die mit der intensiven Landwirtschaft einhergehen, sind sehr viel höher als noch vor Jahren eingeschätzt. - Die Verfügbarkeit von Biomasse als Energiequelle ist global und lokal Begrenzt. - Die Flächeneffizienz von Bioenergie ist sehr viel niedriger als die von anderen Erneuerbaren Energien.

Weitere Argumente sind: - Auf Grund der begrenzten Verfügbarkeit von Biomasse kann seine Verwendung als Energiequelle mit deren Verwendung als Nahrungsmittel und zu industriellen Zwecken in Konkurrenz treten (Teller-Tank Diskussion). . Der Verlust von Biodiversität und Bodenfertilität sowie die Verunreinigung von Gewässern sind erhebliche Umweltschäden, die mit der intensiven Landwirtschaft einhergehen können. Dies ist z.B. aus den Einträgen von Nitrat ins Grundwasser ablesbar. - Die Verfügbarkeit von Phosphat als Düngemittel ist begrenzt. Peak Phosphat wird für etwa 2050 vorausgesagt. - In vielen Gegenden der Welt werden hohe landwirtschaftliche Erträge nur mit Bewässerung erzielt. Ein Drittel der globalen Produktion von Lebensmitteln erfolgt auf bewässerten Flächen. Die Landwirtschaft ist global der größte Wasserverbraucher.

Dagegen wird in der Stellungnahme die Verwendung von Biomasse-Abfällen wie Gülle und Nahrungsmittelresten als Energiequelle sehr positiv gesehen, wenn auch damit nur wenige Prozente des deutschen Primärenergieverbrauchs abgedeckt werden können. Einschränkend muss allerdings gesagt sein, dass die Vermeidung von Abfällen im Nahrungssektor wichtiger ist als deren energetische Nutzung. Ebenfalls positiv gesehen wird die Tatsache, dass sich Biomasse und deren Produkte gut speichern lassen und so Energie mit hoher Dichte bevorratet werden kann, was im Falle von anderen erneuerbaren Energien wie Photovoltaik und Windenergie bisher nicht möglich ist.

Bei Abwägung aller Punkte kommt die Stellungnahme zu dem Schluss, dass die Probleme überwiegen und dass deshalb in Ländern wie Deutschland mit hoher Bevölkerungsdichte die Bioenergie nicht weiter ausgebaut werden sollte. Die Stellungnahme des UmweltBundesAmtes geht in seinen Forderungen deutlich weiter. Stattdessen wird empfohlen, stärker auf Einsparungen von Energie und Abfällen und auf die Erhöhung der Energienutzungseffizienz und eine Reduktion der Intensität der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung zu setzen.

- An der Erarbeitung der Stellungnahme waren 24 Wissenschaftler (darunter ausländische Kollegen) beteiligt. - Nach Fertigstellung wurde sie in einem Peer Review Verfahren von 9 Experten begutachtet. - Nach Einarbeitung der Gutachterhinweise wurde die Stellungnahme vom Präsidium der Leopoldina verabschiedet. - Die Stellungnahme ist im Juli 2012 erschienen. - Es gibt eine deutschsprachige Kurzfassung (20 Seiten) und eine englischsprachige Langfassung (120 Seiten).

Ich bedanke mich bei Ihnen für die Aufmerksamkeit

Die weltweite Strahlungsbilanz, wie sie im IPCC Bericht 3 Kap. 1.2.1 veröffentlicht ist

Nature 474, 151-152 (2011)

Figure 2. Direct effects of switching from gasoline to biofuels that use existing crops—no change in emissions. Searchinger (2010)

Figure 1. Effect of switching from gasoline to biofuels grown on otherwise unproductive land—reduced atmospheric CO2 through increased plant growth. Searchinger (2010)

Maize Silage

Anaerobic Bacteria

CO 2 Archaea H2 HCOOH CH 3 COOH

CH4

817

CO2 121.6

7.9

60 4,000

1,580

Storage in GtC Fluxes in GtC/yr

Leopoldina Stellungnahme Bioenergie – Möglichkeiten und Grenzen

Im Mittelpunkt der Analyse steht der Befund, dass 2010 etwa 7% des Primärenergieverbrauchs in Deutschland durch Biomasse abgedeckt wurden. Es wird ausgeführt, dass die Verwendung von Biomasse als Energiequelle im Umfang von 7% nur durch erhebliche Importe von Biomasse oder Biomasseprodukten möglich war. Es wird ferner ausgeführt, dass eine Erhöhung des inländischen und ausländischen Anteils auf Grund der folgenden 8 Punkte nicht ohne Probleme ist.

Leopoldina Stellungnahme: Bioenergie: Möglichkeiten und Grenzen Wichtigste Schlussfolgerung Um die Emissionen von Treibhausgasen zu reduzieren, eignet sich der Ausbau der Bioenergie (Bioethanol, Biodiesel, Biogas) nur sehr bedingt.

Deshalb sollte Deutschland verstärkt setzen auf : - Einsparungen von Energie und die Erhöhung der Energienutzungseffizienz - andere erneuerbaren Energiequellen (z. B. Windenergie), und - eine Reduktion der Intensität der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung.