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Gewinnung von regenerativer Energie aus Biomasse– Chancen, Risiken, Stand der Technik

K.-H. Rosenwinkel, D. Weichgrebe, L. Hinken

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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

Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012

Seite 3Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012


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 % CH4, CO2, H2S, N2, NH3, H2

Biomethan Bioerdgas Bioethanol (Ethylalkohol: C2H6O) Biodiesel (Rapsöl + Methanol: Fettsäuremethylester)


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 %)

[BMU, 2012]

[AGEE-Stat]

Anteil erneuerbarer Energien 2011 [%]am gesamten Primärenergieverbrauch2 10,9am gesamten Endenergieverbrauch 12,2am gesamten Stromverbrauch 20,0an der gesamten Wärmebereitstellung 10,4am gesamten Kraftstoffverbrauch1 5,6



[BMU, 2012]

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Überblick und Einführung: Erneuerbare Energien in Deutschland - Strom


EEG 1. Novelle

2. Novelle 3. Novelle

BMU, 2011

Wasserkraft

Windenergie

Photovoltaik

Bioenergie

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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]


Stand der Bioenergie in Deutschland - Überblick

[BMU, 2011]

fest

flüssig

gasförmig

StromN

utzu

ng v

on B

iom

asse

Erze

ugun

g vo

n

Wärme

Kraftstoffen

Brennwerte [kWh/kg]Holz 4 - 4,5Ethanol 7,44Methan 15,41

≙10 kWh/m³(GWP: 25 kg CO2e/kg)

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Stand der Bioenergie in Deutschland - Überblick


TWh/a kWh/(E·a)Bedarf 610

(528)7.500

(6.400)Erneuerbare Energien 122

(62,5)1.500(758)

anteilig Biomasse (30,3 %)

37(13,5)

455(163)

anteilig Biogas (an EE)(14,4 %)

18(2,5)

220(30)

Langfristiges Potential für Strom aus Biomasse ~60 727Δ Strom aus Biomasse 23 272

kWh/(E·a)Primärenergie 47.750Elektrischer Strom 7.500anteilig Haushalt (Stand: 2007) ~1.723anteilig Wasserversorgung 66anteilig Abwasserreinigung 40

Energiebereitstellung 2011 in Deutschland - Elektrische Energie

(Angaben in Klammern: Stand 2005)


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)

[BMU, 2011]*Industrieabwasser, Küchenabfall

*

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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/(haa)


Stand der Bioenergie in Deutschland - Biogene Festbrennstoffe

Energieerzeugung aus biogenen Festbrennstoffen [BMU, 2011]

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Stand der Bioenergie in Deutschland - Biogene Festbrennstoffe


Entwicklung des Primärenergiebedarfs (Quelle: Prof. Fouad)

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Biogas(Vergärung von Gülle, nachwachsenden Rohstoffen und industriellen Nebenprodukten) Strom- und Wärme

(BHKW, Dampfkessel) = 35 - 95 %

Aufbereitung zu Biomethan/Bioerdgas (Einspeisung Gasnetz) = 80 - 90 %


Stand der Bioenergie in Deutschland - Biogas

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Stand der Bioenergie in Deutschland - Biogas

[DMK, 2009]Planung, Bayern: - Vergärung von Gülle in kleinen Anlagen mit Leistung von < 75 kWel- insgesamt: 2.000 MWel zusätzliche Leistung > 26.500 neue Anlagen [HAZ, 29.05.2012]

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Biokraftstoffe Bioethanol

(Zuckern, Stärke)

Pflanzenöle (Raps, Ölpalme (Import))

Biodiesel (Umesterungvon Pflanzenöl)

BtL-Kraftstoffe (Biomass to Liquid, noch in der Entwicklung)


Stand der Bioenergie in Deutschland - Biokraftstoffe

[BMU, 2011]


3. Bakteriengruppe(methanogene

Bakterien)

Methan

Methanogene-Phase

Umsetzung der

Zwischen-produkte

zu Methan

2. Bakteriengruppe(acetogene Bakterien

Essigsäure (Acetat)

Acetogene-Phase

1. Bakteriengruppe(acidogene Bakterien)

H2

Bruchstücke und gelöste Polmere

org. Säuren AlkoholeEssigsäure

Hydolyse-Phase

Versäuerungs- Phase

Saure Gärung

CO2

Polymere Substrate (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiß)

Grundlagen & Verfahrenstechnik

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Kriterium UnterscheidungsmerkmaleAnzahl der Prozessstufen Einstufig, Zweistufig,

MehrstufigProzesstemperatur Psychrophil, Mesophil,

ThermophilArt der Beschickung Diskontinuierlich,

Quasikontinuierlich, Kontinuierlich

Trockensubstanzgehalt der Substrate

Nassvergärung, Trockenvergärung

Trockenvergärung

Landwirtschaftliche Biogasanlage

Nassvergärung

volldurchmischtes System

Liegender Plug-FlowFermenterFa. Borsig Energy

Einteilung der Verfahren zur Biogaserzeugung aus festen Substraten


Prozess NassfermentationTrockenfermentation

8812

Reaktor-system

stehendliegendkombiniert

> 9024

Prozess-stufen

einstufigzweistufig(Fermenter + Nachgärer)

mehrstufig

3062

8

Prozess-temperatur

mesophil (≈ 35°C)thermophil (≈ 55°C)kombiniert

8664

InstallierteKapazität

< 250 kWel

~ 250 kWel

~ 300 kWel

~ 500 kWel

> 500 kWel

1234172512

betrachtete Anlagen: 413Angaben in % (Handbuch Biogas FNR, 2010)

NaWaRo; 80%

Wirtschafts-dünger; 11%

organische Abfälle; 9%

Energiebezogener Substrateinsatz in Biogasanlagen (DBFZ, 2011)


GrassilageMaissilage Roggen GPS

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Allgemeiner Aufbau einer Biogasanlage


Grundlagen & Verfahrenstechnik - Schlammstabilisierung

Klärwerk Hamburg Köhlbrandhöft mit Schlammfaulung und Biogasgewinnung aus anaerober Vergärung

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Chancen & Risiken der Bioenergie – EffizienzsteigerungNutzung der Pansenbiozönose zur Hydrolyse und Versäuerung zur Cellulosevergärung


0

50

100

150

200

0 1 2 3 4 5 6 7time [d]

met

hane

yie

ld [

L N/k

g oD

M]

Rusitec VDI 4630

Seite 2525

Rohstoff (48 %)

Betriebsstoffe, Hilfsstoffe, Bau und

Abriss (0,5 %)

Transport (3 %)

Ethanol-Ertrag (67 %)Prozessenergie

(21 %)

Zusätzlicher Energiebedarf bei herkömmlichen Verfahren (22 %)

DDGS-Ertrag (11 %)

Zusätzlicher Energieertragbei Wilkening-

Verfahren(22 %)

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

Bedarf (% vom Input) Ertrag (% vom Output)

[MJ/

m³ E

than

ol]

Energiebilanz des Wilkening-Verfahrens im Vergleich zuherkömmlichen Verfahren (ohneEnergiegehalt Rohstoff)

Energiebilanz des Wilkening-Verfahrens im Vergleich zuherkömmlichen Verfahren (ohneEnergiegehalt Rohstoff)

Chancen & Risiken der Bioenergie – EffizienzsteigerungBioethanolherstellung

Energiebedarf für Herstellung [%]

Energieertrag derProdukte [%]

Rohstoff-erzeugung

(48 %)

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Potentiale erneuerbarer Energien


Energiequelle SpezifischerEnergieertrag [kWh/(m²a)]

[-]

Sonneneinstrahlung D 1.000 1Photovoltaik 80 0,08Bioenergie Mais Thermisch 6 0,006

Strom 2 0,002Holz Thermisch 3 0,003

Strom 1 0,001

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28Elektrische Energiebereitstellung und Potentiale aus Biomasse (kWh/a)

Bereitstellung

2010

Potential (bei ηel= 40 %)

Abfallverbrennung (nur tw.Bio..) 77 ~ 100Vergärung von Restoffen, Exkremente, Einstreu, Abf(Güllepotential )

61 ~200

(80)Klärgas, Deponiegas 21,5 30

Anaerobe Abwasserbehandlung

- (40)

Küchenabfall - 15Fest- und Flüssigbrennstoff 157,6

727Biogas Nawaro 214∑ 531,1 1072 (1192)

Energiepotentiale in Deutschland

Wärmepotential Abwasser bei ∆ T = 2 °C = 100 kWh/P.a


Potentiale erneuerbarer Energien

Struktur des Primärenergieverbrauchs im Leitszenario 2008 nach Energieträgern (Wirkungsgradmethode)

[Nitsch, Leitstudie, 2008]

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Chancen & Risiken der Bioenergie – unmittelbare Risiken

Bodenerosion, N2O Störfall im Reaktor (Bersten, Feuer) Methanemissionen Treibhausgasemission & Explosions- und Brandgefahr

H2S-Emissionen:im Rohbiogas > 1.000 ppm möglich


H2S: < 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)

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Chancen & Risiken der Bioenergie – Keime

Studie zum mikrobiologischen Risikopotenzial von Biogasanlagen (Gesamtkeimzahl, spezielle Untersuchungen auf: pathogene Clostridien, Clostridiumbotulinum 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]

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Chancen & Risiken der Bioenergie – Flächennutzung


Nachwachsende Rohstoffe: Anbau in Deutschland [ha]2011: 2 Mio. ha ≙ 20.000 km²

Nachwachsende Rohstoffe: Anbau in Deutschland [ha]2011: 2 Mio. ha ≙ 20.000 km²

Maisanbau, insgesamt

Energiepflanzenanbau

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Quelle: Höher (2011)

gesamte Ackerfläche in Niedersachen: ~ 1,8 Mio. ha

Stilllegungsfläche: Reduzierung von ~ 150 000 ha (2001) auf etwa 0



2 Mio. ha (fast 17 % der Ackerfläche) wurden 2011für 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 36



≈16 MWh


Bei einer Strecke von 25.000 km/a ergibt sich einTreibstoffverbrauch von ~ 1.500 L/a, was einemWasserverbrauch von i.M. 6.000 m³/a entspricht.

Bei einer reinen Deckung des Stromverbrauchs imHaushalt durch Biogas ergibt sich ein Wasserbedarfzwischen 120-750 m³/a.

0,9-9 m³ Wasser/L Bioethanol

3-20 m³ Wasser/L Biodiesel

0,07-0,44 m³ Wasser/kWh Strom

Chancen & Risiken der Bioenergie – Wasserbedarf

[Rosenwinkel et al., 2012]

Internationale Bandbreite

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Chancen & Risiken der Bioenergie – Wasser- und Nährstoffbilanzen im Maisanbau


in den Sommermonaten besteht Bewässerungsbedarfin den Sommermonaten besteht Bewässerungsbedarf

0

20

40

60

80

100

120

140

Jan

FebMärz April MaiJu

niJu

liAugSep

t.OktNov.Dez

.

Niederschlag HannoverWasserbedarf Mais

0

50

100

150

200

250

N P2O5 K2O CaONährstoff

kg/h

a

Nährstoffbedarf als Gärrest zurückgeführt Düngebedarf

[Schmied, 2004]

Hohe Rückführung von Phosphor, Kalium und Calcium durch Gärrestaufbringung

Hohe Rückführung von Phosphor, Kalium und Calcium durch Gärrestaufbringung


Chancen & Risiken der Bioenergie – Eintrag in Oberflächengewässern und Grundwässern

[Umweltbundesamt, 2009]

Seite 40

Chancen & Risiken der Bioenergie – Treibhausgasemissionen(Biokraftstoffe)


Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung (2009)

Seite 41

Chancen & Risiken der Bioenergie – Speicherung


Eggersmann

Gasspeicherung: 1 m³ Methan• Heizwert: 10 kWh/m³CH4 10 kWh Primärenergie

Substratspeicherung:1 m³ CCM (Corn Crop Mix)• CH4-Ertrag: 350 L/kg TS• Feststoffgehalt: 320 g TS/kg FM• Dichte, CCM: 0,75 t/m³• Heizwert: 10 kWh/m³CH4 840 kWh Primärenergie

Notwendiges Speichervolumen

Bei der Gasspeicherung ist ein 84 mal höheres Speichervolumen notwendig!

Seite 4242

AnbauflächeLandwirt.

Biogasanlage Hillverse

Klärwerk Steinhof

Produktion

ZurVerregnung

Erdgas

BHKW 2 MWel

BS-Energy

elektrische Energie

Nahwärmenetz

Heizwerk Ölpen

Wärme

Weitere dezentrale Biogasanlagen (optional)

20 k

m G

asle

itung

Chancen & Risiken der Bioenergie - Dezentrale Biogasanlagen: Beispiel Braunschweig

Gemeinsames Projekt vom Abwasserverband Braunschweig (AVBS), Landwirten aus der Region und dem Energieversorger BS Energy Braunschweig

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Beitrag zur Transformation der Energieversorgung Strom, Wärme, Kraftstoff (Steigerung von 6 % auf 11 %) Nutzung für Spitzenlast und Speicherung möglich


Zusammenfassung & Ausblick

Effizienzsteigerung notwendig stärkere Nutzung von Abfällen/Nebenprodukten regionale Gesamtkonzepte (Biomasse, Wind, Solar) Bedarfsreduzierung notwendig

Nahrungsmittelkonkurrenz Wasserbedarf, Grundwasserbelastung Treibhausgasemissionen


Zusammenfassung & Ausblick - Zum Vergleich ….

Anzahl der Biogasanlagen in China

Verschiedene Kleinst-Anlagen in China & Indien

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