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
Seite 4Ringvorlesung „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)
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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
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Überblick und Einführung: Erneuerbare Energien in Deutschland
[BMU, 2012]
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Überblick und Einführung: Erneuerbare Energien in Deutschland - Strom
Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
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 %
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Überblick und Einführung: Erneuerbare Energien in Deutschland
[BMU & BMELV, 2010]
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Seite 10Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
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
Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
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)
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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)
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Stand der Bioenergie in Deutschland - Biogene Festbrennstoffe
Energieerzeugung aus biogenen Festbrennstoffen [BMU, 2011]
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Stand der Bioenergie in Deutschland - Biogene Festbrennstoffe
Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
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 %
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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)
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Stand der Bioenergie in Deutschland - Biokraftstoffe
[BMU, 2011]
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Seite 19Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
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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Grundlagen & Verfahrenstechnik
Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
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
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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)
Grundlagen & Verfahrenstechnik
GrassilageMaissilage Roggen GPS
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Grundlagen & Verfahrenstechnik
Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
Allgemeiner Aufbau einer Biogasanlage
Seite 23Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
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
Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
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
Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
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
Seite 29Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
Potentiale erneuerbarer Energien
Struktur des Primärenergieverbrauchs im Leitszenario 2008 nach Energieträgern (Wirkungsgradmethode)
[Nitsch, Leitstudie, 2008]
Seite 30Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
Seite 31
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
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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)
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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
Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
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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Chancen & Risiken der Bioenergie – Flächennutzung
Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
Quelle: Höher (2011)
gesamte Ackerfläche in Niedersachen: ~ 1,8 Mio. ha
Stilllegungsfläche: Reduzierung von ~ 150 000 ha (2001) auf etwa 0
Seite 35Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
Chancen & Risiken der Bioenergie – Flächennutzung
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
Chancen & Risiken der Bioenergie – Flächennutzung
Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
≈16 MWh
Seite 37Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
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
Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
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
Seite 39Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
Chancen & Risiken der Bioenergie – Eintrag in Oberflächengewässern und Grundwässern
[Umweltbundesamt, 2009]
Seite 40
Chancen & Risiken der Bioenergie – Treibhausgasemissionen(Biokraftstoffe)
Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung (2009)
Seite 41
Chancen & Risiken der Bioenergie – Speicherung
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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!
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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
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Zusammenfassung & Ausblick
Effizienzsteigerung notwendig stärkere Nutzung von Abfällen/Nebenprodukten regionale Gesamtkonzepte (Biomasse, Wind, Solar) Bedarfsreduzierung notwendig
Nahrungsmittelkonkurrenz Wasserbedarf, Grundwasserbelastung Treibhausgasemissionen
Seite 44Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012
Zusammenfassung & Ausblick - Zum Vergleich ….
Anzahl der Biogasanlagen in China
Verschiedene Kleinst-Anlagen in China & Indien
Seite 45Ringvorlesung „Transformation des Energiesystems“, 06.06.2012