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Institut für Energetik und Umwelt, Torgauer Str. 116, D-04347 Leipzig, info@ie-leipzig.de
Forschung, Entwicklung, Dienstleistung für
- Energie - Wasser - Umwelt
Institut für Energetik und Umwelt
Institute for Energy and Environment
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Biomasse – Übersicht Nutzungspfade
Daniela Thrän, Martin Kaltschmitt
Wirtschaftliche Perspektiven erneuerbarer Energien & EnergieeffizienzEvangelische Akademie Tutzing14. Und 15. April 2005
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Inhalt
Einsatzstoffe und EndenergieträgerNutzungspfade
Thermochemische KonversionBiochemische KonversionPhysikalisch-chemische KonversionZusammenfassung der Nutzungspfade
Bedeutung heute und morgenAusblick EuropaZusammenfassung und Schlussfolgerungen
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Einsatzstoffe und Endenergieträger (1)Übersicht
Pyrolyseöl,Methanol
Synthesegas,Schwachgas
Kohle
Ver-kohlung
Ver-flüssigung
Ver-gasung
Thermochemische Umwandlung
Kraft Wärme
Energiepflanzen Rückstände Nebenprodukte Abfälle
Ernte, Sammeln, Verfügbarmachen
Aufbereitung Lagerung Transport
Ethanol Biogas
Anaerob.Abbau
Alkohol-gärung
AeroberAbbau
Biochemische Umwandlung
Verbrennung
PMEPflanzen-öl
Umesterung
Pressung/Extraktion
Phys.-chem.Umw.
gasförm.Brennst.
flüssiger Brennstofffester Brennstoff
(Quelle: Kaltschmitt, Thrän 2003)
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Einsatzstoffe und Endenergieträger (2)Potenziale und Instrumente
Technisches Brennstoffpotenzial:gegenwärtig ca. 1200 PJ/a (Deponie- / Klärgas)
Anderes BiogasLandwirt. Biogas (hpts. Gülle)
Stroh
Landschaftpfl., Gras
Altholz /Industrierestholz
Waldrestholz
Energiepflanzen
EEG Mineralölsteuer-befreiung
Investitionsbeihilfen und Kredite
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Pyrolyseöl,Methanol
Synthesegas,Schwachgas
Kohle
Ver-kohlung
Ver-flüssigung
Ver-gasung
Thermochemische Umwandlung
Kraft Wärme
Energiepflanzen Rückstände Nebenprodukte Abfälle
Ernte, Sammeln, Verfügbarmachen
Aufbereitung Lagerung Transport
Ethanol Biogas
Anaerob.Abbau
Alkohol-gärung
AeroberAbbau
Biochemische Umwandlung
Verbrennung
PMEPflanzen-öl
Umesterung
Pressung/Extraktion
Phys.-chem.Umw.
gasförm.Brennst.
flüssiger Brennstofffester Brennstoff
(Quelle: Kaltschmitt, Thrän 2003)
Thermochemische Konversion (1)Übersicht
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Thermochemische Konversion (2)Technologien
Brenngas
Umwandlung
Bio -masse
Verbrennung
Vergasung
Dampfkraftanlage(Dampfturbine, -motor)
/-
GasturbineGuD Anlage
Brennstoffzelle
Stirlingmotorgeschl. Gasturbine
- -Gas Otto Motor
(BHKW)
Wärme und
Strom
Dampf, Heißwasser
Schwel -gas
ORC-Anlage(Thermoöl Zwischenkreis)
Thermoöl
Brenngas
Abgas
Dampf
Brenngas
Fischer-Tropsch-Synthese
Brenngas Kraftstoff
Brenngas
Umwandlung Arbeitsmaschine/ Prozess
Bio -masse
Verbrennung
Vergasung
Dampfkraftanlage(Dampfturbine, -motor)
/-
GasturbineGuD AnlageGasturbineGuD Anlage
Brennstoffzelle
Stirlingmotorgeschl. Gasturbine
- -Gas Otto Motor
(BHKW)Gas Otto Motor
(BHKW)
WärmeDampf, Heißwasser
Schwel -gas
ORC-Anlage(Thermoöl Zwischenkreis)
Thermoöl
Brenngas
Abgas
Dampf
Brenngas
Fischer-Tropsch-Synthese
Brenngas Kraftstoff
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0102030405060708090
100110120
2000 2001 2002 2003 2004
Anl
agen
anza
hl [–
]
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Leis
tung
[MW
]
Kleiner als 5 MW Größer als 5 MW
Leistung
Biogene Festbrennstoffe
Thermochemische Konversion (3)Stromerzeugung aus Biomasse
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Thermochemische Konversion (4) Angebotscharakteristik von EE-Strom
norm. Erzeugung
Windtechnische Stromerzeugung
Photovoltaische Stromerzeugung
Stromerzeugung aus Wasserkraft
Zeit in Tagen im Jahresverlauf Zeit in Stunden im Wochenverlauf
Biomassebasierte und geothermische Stromerzeugung
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Thermochemische Konversion (4)Wärmeerzeugung aus Biomasse
7,5 Mio. Kamin-, Kachel-, Holzöfen, Beistellherde und Kamine(davon 25.000 Pelletheizungen)180.000 Zentralheizungen70.000 Kessel bei Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (GHD)
910 Anlagen in der Industrie
Größter Deckungsbeitrag unter den Erneuerbaren Energien
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Thermochemische Konversion (5)BTL-Kraftstoffe (Sunfuels) - Schema
Gasreinigung/-aufbereitung
Synthese (FT, DME etc.)
Brennstoffkonditionierung
Vergasung
Aufbereitung
Sunfuel
Holz / Stroh
Sehr gute Kraftstoff-eigenschaften!
Sehr große Anlagen!
(1 Mio. t Holz/a)
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Thermochemische Konversion (6)Umfang der thermischen Biomassenutzung
0 10 20 30 40 50
Nutzung
Potenzial
Mio. t/a
Haushalte GHD
Industrie
Strom
Waldrestholz Schwachholz zus. Zuwachs LPfH Altholz
Industrierestholz
WG=15%; Hu=15,5 MJ/kg
Stroh etc.
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Biochemische Konversion (1)Übersicht
Pyrolyseöl,Methanol
Synthesegas,Schwachgas
Kohle
Ver-kohlung
Ver-flüssigung
Ver-gasung
Thermochemische Umwandlung
Kraft Wärme
Energiepflanzen Rückstände Nebenprodukte Abfälle
Ernte, Sammeln, Verfügbarmachen
Aufbereitung Lagerung Transport
Ethanol Biogas
Anaerob.Abbau
Alkohol-gärung
AeroberAbbau
Biochemische Umwandlung
Verbrennung
PMEPflanzen-öl
Umesterung
Pressung/Extraktion
Phys.-chem.Umw.
gasförm.Brennst.
flüssiger Brennstofffester Brennstoff
(Quelle: Kaltschmitt, Thrän 2003)
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Biochemische Konversion (2)Biogastechnologie
GülleorganischeAbfälle
Wärme
1 Stallanlagen2 Güllegrube 3 Sammelbehälter 4 Hygienisierungstank5 Biogasreaktor6 Gasspeicher 7 Blockheizkraftwerk8 Güllelagerbehälter 9 Ackerfläche
23 4
7
8
Biogas
Faulschlamm
Strom 5
6
91
Erdgas-netz
Energiepflanzen
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0
200
400
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1 000
1 200
1 400
1 600
1 800
2 000
2 200
1999 2000 2001 2002 2003 2004
Anla
gena
nzah
l [–]
020406080100120140160180200220240260
Leis
tung
[MW
]
Größer als 500 kW 70 kW bis 500 kW Kleiner als 70 kW Leistung
Biogas
Biochemische Konversion (3)Stromerzeugung aus Biogas
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Biochemische Konversion (4)Umfang der Biogasnutzung
0 50 100 150 200 250
Nutzung
Potenzial(Rückstände)
Mio. t/a
Strom
Tierische Rückstände ErnterückständeOrg. Siedlungsabf.
WG: i.d.R. 70-90%
Lpf.Industrie
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Biochemische Konversion (5)Ethanoltechnologie
Vermahlung
Verflüssigung
Verzuckerung
Fermentation
Destillation
Separation
Trocknung
Maischebereit.
Hefebereitung
Eindampfung
Getreide
Wasserα-Amylase
Dünnschlempe
CO2
Ethanol (zur Absolutierung)
Trockenschlempe(DDGS)
Glucoamylase
Schlempefeststoffe
Glucoamylase
verdichtete Brüden
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Physikalisch-chemische Konversion (1)Übersicht
Pyrolyseöl,Methanol
Synthesegas,Schwachgas
Kohle
Ver-kohlung
Ver-flüssigung
Ver-gasung
Thermochemische Umwandlung
Kraft Wärme
Energiepflanzen Rückstände Nebenprodukte Abfälle
Ernte, Sammeln, Verfügbarmachen
Aufbereitung Lagerung Transport
Ethanol Biogas
Anaerob.Abbau
Alkohol-gärung
AeroberAbbau
Biochemische Umwandlung
Verbrennung
PMEPflanzen-öl
Umesterung
Pressung/Extraktion
Phys.-chem.Umw.
gasförm.Brennst.
flüssiger Brennstofffester Brennstoff
(Quelle: Kaltschmitt, Thrän 2003)
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Vorpressung (Expeller)
Konditionierung
Zerkleinerung / Riffelung
Schälung
Reinigung
Schalen und ggf. zur Schrotbeimischung
Verunreinigungen Ölsaat
Pressrohöl Presskuchen
Riffeln / Flockieren
Schrot-Entbenzinierung Miscelladestillation
Extraktion
Miscella (Öl/Hexan)Extraktionsschrot
Extraktionsrohöl Trocknung
Kühlung
Hexan
Extraktionsschrot Pflanzenöl
Filtern
Trocknen
Pressrohöl
Raffination
Physikalisch-chemische Konversion (2)Technologie
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0
200
400
600
800
1 000
1 200
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
Pro
dukt
ions
kapa
zitä
t bzw
. Abs
atz
[1 0
00 t/
a]
Jährlich installierte Kapazität Gesamte installierte Kapazität Biodieselabsatz
Biodiesel
Physikalisch-chemische Konversion (3)Biodieselkapazitäten und -absatz
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Zusammenfassung der Nutzungspfade (1)Technischer Stand
Biogas – Tankstellen
BTL – FischerTropsch
Biogas – Einspeisung
PME/BiodieselPhysikalisch-che.Bioethanol (Lignozellulose)Bioethanol (Zucker/Stärke)Biogas – HydrogenBiogas – GTL
Biogas – Strom (andere)Biogas – Strom (BHKW)Bio-chemischBTL – Hydrgen
Strom (andere)Strom (Vergasung+Gast.)Strom (ORC)Strom (GuD)Wärme (Verbrennung)Thermo-chemisch
F&EPilotanlageMarktetab.Anwendungsbereich
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Zusammenfassung der Nutzungspfade (2)Margen für Brennstoffkosten und Instrumente
Heat
100 MW
10 MW
1 MW
100 kW
10 kW
Anl
agen
größ
e
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60Marge für Brennstoffkosten in €/Tonne in 2000 (Europäische Technologien / Deutsche Instrumente)
BTL
KWK
Wärme
BTL
Strom
KWK
Strom
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Zusammenfassung der Anwendung (3)Einordnung der verschiedenen Pfade
Wärme Strom Kraftstoff
Wirkungsgrade ca. 90% 20-36% ca.50%
Alternativen WärmepumpeGeothermieSolarthermie
WindWasserGeothermiePhotovoltaik...
Wasserstoff
⌧Technik prinzipiell vorhanden€ Wirtschaftlichkeit in vielen Fällen gegeben (*erwartet durch EEG Novelle)
Entwicklung der Potenziale
Altholz ⌧ €Stroh ⌧ ⌧
Reststoffe
andere ⌧ ⌧ €Waldholz ⌧ € ⌧ €*
Energiepflanzen ⌧ ⌧ €* ⌧ €
€⌧
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Zusammenfassung der Anwendung (4)Biomasse im Energiesystem
Stärken:Große PotenzialeTeilweise etablierte TechnologienLagerfähigkeit und GrundlastfähigkeitSämtliche Endenergien generierbar
Schwächen:Konkurrenz mit der stofflichen Nutzung möglichTechnologien z.T. noch in der EntwicklungKomplexe Bereitstellungskette Vielfältige Akteure
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Bedeutung heute und morgen (1)- Nutzung 1999 -
230 PJ/a Wärme
Wald-holz
Reststoffe
Energie-pflanzen
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Bedeutung heute und morgen (3)- Nutzung 2004 -
230 PJ/a Wärme
40 PJ/a Strom
46 PJ/a Kraftstoff
Wald-holz
Reststoffe
Energie-pflanzen
Raps
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Bedeutung heute und morgen (4)- Ausbau bis 2010 -
230+ PJ/a Wärme
100 PJ/a Strom
130 PJ/a Kraftstoff
Wald-holz
Reststoffe
Energie-pflanzen
Erwartet:- Ethanol aus Zucker/Stärke- Biogasstrom aus Nawaro- Strom aus Waldrestholz- Mitverbrennung- WÄRMEINSTRUMENT?
Zuckerrüben Getreide Mais Raps
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Bedeutung heute und morgen (5)- Ausbau bis 2020 -
150 PJ/a Strom
130+ PJ/a Kraftstoff
Wald-holz
Reststoffe
Energie-pflanzen
Erwartet:- Anbau von Kurzumtriebsholz- Ethanol aus Lignozellulose- BTL-Kraftstoffe- WÄRMEINSTRUMENT?
230++ PJ/a Wärme
KUPMiscanthusZuckerrüben Getreide Mais Raps
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Bedeutung heute und morgen (6)- Europäische Wechselwirkungen -
130+ PJ/a Kraftstoff
Wald-holz
Reststoffe
Energie-pflanzen
Biomasse in der EU 28:
Deutschland schreitet voran
230++ PJ/a Wärme
150 PJ/a Strom
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Bedeutung heute und morgen (7)- Europäische Wechselwirkungen -
130+ PJ/a Kraftstoff
Wald-holz
Reststoffe
Energie-pflanzen
Biomasse in der EU 28:
Gemeinsamer Ausbau
230++ PJ/a Wärme
150 PJ/a Strom
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Ausblick Europa (1)- Potenziale -
01.0002.0003.0004.0005.0006.0007.0008.0009.000
10.000
2000 2010 2020
Bio
mas
se P
oten
tiale
der
EU
28
(PJ/
a)
Rückstände Ungenutzter Holzzuwachs Energiepflanzen*
* In 2000 nur EU15
? ?
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Ausblick Europa (2)Energiepflanzenanbau und Handelsströme
Rahmenbedingungen für europaweiten Biomasseausbau und internationalen Handel
Biomasseausbau kann im Rahmen unterschiedlicher Energieszenarien unterschiedlich verlaufenModerne Nutzungstechnologien sind europaweit verfügbarReststoffe und Nebenprodukte können kostengünstiger nutzbar gemacht werden als EnergiepflanzenBiomassehandel beschränkt sich auf ausgewählte Sortimente mit ausreichend hoher Energiedichte
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Ausblick Europa (3) Bedeutung der Reststoffnutzung (2010 / EU15)
„Current Policy“
Wärme Strom Kraftstoffe
-400
-200
0
200
400
600
800
Sce
nario
Pot
entia
lBa
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e
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Pot
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lBa
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B DK D FIN F GR UK IRL I L NL A P SP S
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Ausblick Europa (4) Bedeutung der Reststoffnutzung (2010 / EU15)
„Advanced Renewable Energy Strategy“
-400
-200
0
200
400
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800
Sce
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Pot
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lBa
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B DK D FIN F GR UK IRL I L NL A P SP S
Ende
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J/a)
Wärme Strom Kraftstoffe
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Ausblick Europa (5) Bedarf an „handelbarer“ Biomasse für EU 15
Current Policy 2010
-1500-1000
-5000
50010001500200025003000350040004500
Szenario Mobilisierung der Rückst. Saldo
Ende
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J/a)
ARS 2010
-1500-1000
-5000
50010001500200025003000350040004500
Szenario Mobilisierung der Rück. Saldo
Ende
nerg
ie (P
J/a)
Wärme Strom Kraftstoff Wärme Strom Kraftstoff
Bedarf für Biokraftstoffe:3-4 Mio. ha
für Raps, Getreide, Zuckerrüben bzw. KUP/Mehrjährige
Bedarf für Biokraftstoffe:3-4 Mio. ha
für Raps, Getreide, Zuckerrüben bzw. KUP/Mehrjährige
Bedarf für Wärme und Strom:3-4 Mio. ha
für KUP, Ganzpflanzen, Silomais etc.
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Zusammenfassung und Schlussfolgerungen (1)
Deutschland (und Europa) über sehr große und künftig voraussichtlich noch steigende Biomassepotenziale, die über unterschiedliche Konversionspfade nachhaltig nutzbar gemacht werden könnenDie Konversionspfade (und die damit verbundenen Einsatz-stoffe) entscheiden, ob eine dezentrale Nutzung oder eine zentrale Nutzung vorteilhaft ist – dies hat weitreichende Auswirkungen auf Regionalentwicklung, Importoptionen etc.Die Technologien unterscheiden sich zudem in ihrer Reife, den erwarteten Kosten und den Umwelteffekten; teilweise ist noch Technologieförderung notwendig Es gibt Anwendungsbereiche, in denen die Biomassenutzung bereits bei leicht veränderten Rahmenbedingungen (z.B. steigender Ölpreis, CO2-Zertifikate) ökonomisch tragfähig ist
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Zusammenfassung und Schlussfolgerungen (2)
Für den Strom- und Kraftstoffbereich wurden in Deutschland (und Europa) darüber hinaus Instrumente zur Nutzbarma-chung etabliert, für die Wärmenutzung stehen diese noch ausNutzungskonkurrenzen können insbesondere für besonders kostengünstige Biomassesortimente erwartet werdenEinen großen Einfluss auf den Stellenwert der künftigen Biomassenutzung haben energiewirtschaftliche Aspekte(Alternativen zur Bioenergie, Versorgungssicherheit etc.)Zur umfassenden und nachhaltigen Potenzialerschließung in Deutschland sollte ein einheitliches europäisches Vorgehenbeim Biomasseausbau gegeben sein