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

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1 000

1 200

1 400

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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

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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

nerg

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J/a)

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Ausblick Europa (4) Bedeutung der Reststoffnutzung (2010 / EU15)

„Advanced Renewable Energy Strategy“

-400

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Pot

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B DK D FIN F GR UK IRL I L NL A P SP S

Ende

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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

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ARS 2010

-1500-1000

-5000

50010001500200025003000350040004500

Szenario Mobilisierung der Rück. Saldo

Ende

nerg

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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