Chancen und Grenzen der energetischen …...DBZF - Studie BIOPOT • Über 90 Einzelbiomassen • ~...
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Chancen und Grenzen der energetischen Biomassenutzung
Martin Dotzauer
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26. FfE-Fachtagung
06.04.2017 München
Agenda
2
Struktur der energetischen Biomassenutzung
Status der energetischen Biomassenutzung
SWOT-Analyse: Bioenergie in der Zukunft
• Stärken
• Schwächen
• Chancen
• Risiken
• Ergänzungen
Metastudie AEE
Ausblick
Struktur von Biomassekonversionsketten
3
Konversion Rohstoff(e) Endenergie(n)
Nebenprodukte
& Reststoffe
Hilfsenergie
Struktur - Konversionstechnologien
4
• Biochemische Konversion
• Alkoholische Gärung (Bioethanol)
• Anaerobe Fermentation (Biogas)
• Thermochemische Konversion
• Verbrennung (Wärme- und Dampferzeugung)
• Biomassevergasung (Synthese- oder Brenngas)
• Physikochemische Konversion
• Umesterung / Hydrierung (Biokraftstoffe)
• Fischer-Tropsch-Synthese (biobasierte synthetische Kraftstoffe)
Struktur - Rohstoffbasis
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• Abfall- und Reststoffe
• Landwirtschaft: Gülle, Mist, Stroh
• Kommunal: Braune Tonne, Garten- und Parkabfälle, Altholz
• Industrie: Trester, Sägespäne, Schalen
• Anbaubiomasse
• Silagen (Mais, Gras, Getreide) für Biogas
• Getreide (Roggen, Weizen) für Bioethanol
• Ölsaaten (Raps) für Biodiesel
Status - Energiebereitstellung und Potentiale
6 Quelle: Primärenergieverbrauch - nach AGEE-Stat 2015, Potentiale – BMVBS 2010 (Energiepflanzen, Exkremente), Zeller et al. 2011 (Stroh),
Destatis (Außenhandel), DBFZ 2013 (Bioabfall und Grünabfälle)
0
200
400
600
800
1.000
1.200
Bruttostromerzeugung Endenergie Wärme & Kälte Endenergie Verkehr
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TWh
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Anteile der Bioenergie in den Sektoren (2015)
Bioenergie andere EE fossile Energie
Status - Energiebereitstellung
7 Quelle: DBFZ 2017, nach Zahlen des BMWi (Erneuerbare Energien in Zahlen, 2016)
Quelle: BMWi, 2016: http://www.erneuerbare-energien.de
Status - Wirtschaftliche Impulse
8
Status und Perspektive - Smarte Bioenergie
9 Quelle: angepasst nach „Smart Bioenergy“ Concept © DBFZ / UFZ / Springer Verlag, 2015
SWOT-Analyse: Bioenergie in der Zukunft
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• Leitfrage: (Bio-) Brennstoffe nur noch als Lückenfüller?
• Übersetzung: Sollte Bioenergie zukünftig nur noch bedarfsgerecht
eingesetzt werden?
• Allgemeine Annahmen zur zukünftigen Entwicklung des Energiesystems:
• Weitgehende „Dekarbonisierung“ aller Sektoren bis 2050
• Erhöhung der Energieeffizienz
• Zunehmende Sektorkopplung (Strom für Wärme und Mobilität)
• Daraus folgt zunehmende Dominanz strombasierter Anwendungen
• Der Anteil der volatilen Stromerzeugung (Wind, PV) nimmt zu
• Welchen Chancen und Grenzen hat Bioenergie in zukünftigen Systemen?
SWOT-Analyse: energetische
Biomassenutzung in der Zukunft
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Beispiele für Ansatzpunkte für Einflüsse entlang der Konversionspfade
Konversions-
technologie Rohstoff Endenergie
• Preise
• Verfügbarkeiten
• Nachhaltigkeits-
anforderungen
• Investkosten
• Auflagen
• Wirkungsgrade
• Regelbarkeit
• Bereitsstellungskosten
• Substituierbarkeit
• Qualitäten
SWOT: Stärken & Schwächen - Rohstoffe
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Stärken:
• technisch nutzbares Abfall-
spektrum sehr groß
• Anbaubiomasse liefert
hochkalorische Energieträger
• Nutzung von Extensivkulturen
(ökol. Vorrangflächen, KUP)
• Nutzungsoption für minder-
wertige Holzsortimente und
Sägeneben-produkte
Schwächen:
• Steigende Nachhaltigkeits-
anforderungen
• Quantitativ begrenzte Potentiale
• Logistische Begrenzung für die
Erschließbarkeit von Reststoffen
• Konkurrenz zu anderen
Nutzungsoptionen: Lebens-
Futtermittel & Bio-Rohstoffe
SWOT: Stärken & Schwächen – Konversion
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Stärken:
• Sehr flexible Bereitstellung von
Strom, Wärme und Mobilität
• Sehr gut in Kaskadennutzungs-
system integrierbar (stoffliche-
und energetische Nutzung)
• Sehr hohes Niveau der
Technologieentwicklung im
internationalen Vergleich
Schwächen:
• Kostensenkungspotential relativ
gering ggü. Wind, PV, Speichern
• Limitierte Rohstoffpotentiale
begrenzen die Technologien
• Endenergie wird oft über eine
Verbrennung bereit gestellt
Emissionproblematiken
SWOT: Stärken & Schwächen – Endenergie
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Stärken:
• Strom: Flexibler Ausgleich von
Residuallastschwankungen oder
Bereitstellung von Regelenergie
• THG-arme Bereitstellung von
thermischer Spitzenlast
• Komfortwärme (Kamin)
• Kraftstoffe für schlecht
elektrifizierbare Anwendungen
(z.B. Flug-, Scherlastverkehr)
Schwächen:
• Vergleichsweise hohe
Stromgestehungskosten
• Überangebot an Flexibilitäts-
optionen im Stromsektor (noch)
• Ohne Einpreisung externer
Kosten nur in einigen
Anwendungen konkurrenzfähig
SWOT: Stärken & Schwächen - Substrate
15 Quelle: eigene Abbildung, © 2016 DBFZ
SWOT: Stärken & Schwächen - Potentiale
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• Reststoffpotentiale aus der
DBZF - Studie BIOPOT
• Über 90 Einzelbiomassen
• ~ 67 Mio. t TS in Nutzung
• ~30 Mio. t TS
ungenutztes Potential
Quelle: Brosowski et.al., 2015 Biomassepotentiale von Rest- und Abfallstoffen
SWOT: Chancen & Risiken - Rohstoffe
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Chancen:
• Digitalisierung ermöglicht
effiziente Erschließung von Rest-
und Abfallstoffen
• Stärkere Erschließung landwirt-
schaftliche Reststoffe (Stroh)
• Kaskadennutzung, stoffliche
und energetische Nutzung
Risiken:
• Politische Ziele zur Abfall-
reduktion (Nahrungsmittel)
• Extensivierung der Landwirt-
schaft vermindert Flächenertrag
und erhöht Konkurrenz
• Klimabedingte Ertragsrisiken
vermindern das langfristig
verfügbare Biomassepotential
SWOT: Chancen & Risiken - Konversion
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Chancen:
• Flexibilisierung Schlüssel zur
Systemintegration im
Stromsektor
• Hocheffiziente Anlagen können
gezielt Lastspitzen bereitstellen
(Strom und Wärme)
• Sektorkopplung: erneuerbares
H2 in Biokonversionsketten
(biogene Kohlenstoffquellen)
Risiken:
• Konkurrenz im Stromsystem
gegenüber anderen
Flexibilitätsoptionen
• Konkurrenz im Wärmesektor
gegenüber Wärmepumpen &
Solarthermie
SWOT: Chancen & Risiken - Endenergie
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Chancen:
• Biogener Strom: Doppelnutzen
von (erneuerbarer) Arbeit und
(flexibler) Leistung
• Thermische Spitzenlastkessel
generieren keinen zusätzlichen
Strombedarf in Hochlastphasen
• THG-arme Kraftstoffe für
Nischenanwendungen
Risiken:
• Steigende Effizienz- und
Dämmmaßnahmen verändern
die Wärmelastprofile
sinkende Auslastung
• Biokraftstoffe nicht konkurrenz-
fähig ggü. fossilen Kraftstoffen
Mengengerüst vor allem vom
Quotensystem abhängig
SWOT: Chancen & Risiken - Flexibilisierung
20 Quelle: DBFZ © 2016 , Auf Basis der BNetzA-Kraftwerksliste 2015
sEE ~ 20GW
fEE ~ 89GW
SWOT: Chancen & Risiken - Flexibilisierung
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10.000
20.000
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50.000
60.000
70.000
80.000
90.000
0 24 48 72 96 120 144 168
Leis
tun
g [M
W]
Stunden einer Woche (Mo 00:01 bis So 00:00)
Lastkurven Deutschland vom 31.08.2015 bis 06.09.2015
Residuallast 2
PV
Wind
Bio Grundlast
Last
Annahme alle Anlagen speisen unflexibel ein:
Delta der Extremwerte der Residuallast: 48,3 GW
Varianz im betrachteten 7-Tageszeitraum: 162*106
Quelle: DBFZ © 2017 , Auf Basis Daten der ENTSOE
SWOT: Chancen & Risiken - Flexibilisierung
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0
10000
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30000
40000
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80000
90000
0 24 48 72 96 120 144 168
Leis
tun
g [M
W]
Stunden einer Woche (Mo 00:01 bis So 00:00)
Lastkurven Deutschland vom 31.08.2015 bis 06.09.2015
Residuallast 2'
PV
Wind
BioFlex
Last
Annahme 56% unflexible Arbeit, 44% flexible Arbeit aus Anlagen mit PQ=3,6:
Delta der Extremwerte der Residuallast: 41,0 GW (-18%)
Varianz im betrachteten 7-Tageszeitraum: 140*106 (-16%)
Quelle: DBFZ © 2017 , Auf Basis Daten der ENTSOE
SWOT-Analyse: Ergänzungen
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• Die systemischen Aspekte der Bioenergie lassen sich sowohl sektoral
als auch technologiespezifisch nur ungenau abbilden
• Übergeordnete systemische / volkswirtschaftliche Aspekte:
• Treibhausgasminderung nicht ausschließlich durch direkte Substi-
tution fossiler Energien (z.B. Methanemission aus Güllelagerung)
• Neben der Konkurrenz zu anderen Flexibilitätsoptionen bestehen
auch Synergieeffekte, z.B. Bioenergieanalgen als Langfristspeicher
• Bioenergieanalgen generieren durch die Einbettung in lange
Wertschöpfungsketten Wertschöpfung vor allem im ländlichen Raum
• Zur Umsetzung nationaler Klimaschutzpläne i.S.v. „Paris“ kann
Bioenergie bestimmte Schlüsselfunktionen erfüllen
Metastudie AEE - Strom
24 Quelle: AEE, 2016 , Metaanalyse über Perspektiven fester, flüssiger und gasförmiger Bioenergieträger
Metastudie AEE - Wärme
25 Quelle: AEE, 2016 , Metaanalyse über Perspektiven fester, flüssiger und gasförmiger Bioenergieträger
Metastudie AEE - Kraftstoffe
26 Quelle: AEE, 2016 , Metaanalyse über Perspektiven fester, flüssiger und gasförmiger Bioenergieträger
Zusammenfassung
27
• Biogene Energieträger ähneln fossilen Pendants und können daher
relativ leicht in bestehende Anwendungen integriert werden
• Bioenergie bietet ein großes Potential für die Energiewende ohne
deren Beitrag eine Deckungslücke entsteht
• Das Bioenergiepotential ist durch die Rohstoffpotentiale begrenzt
• Ausschöpfung der Potentiale ist neben ökonomischen Stimuli vor
allem durch politischer Rahmenbedingungen bedingt
• Allokation biogener Energieressourcen zwischen den Sektoren Strom,
Wärme und Mobilität ist ebenfalls abhängig von Ökonomie und Politik
• Forschungsfokus: effiziente und smarte Lösungen im Gesamtsystem
DBFZ Deutsches
Biomasseforschungszentrum
gemeinnützige GmbH
Torgauer Straße 116
D-04347 Leipzig
Tel.: +49 (0)341 2434 – 112
E-Mail: [email protected]
www.dbfz.de
Smart Bioenergy – Innovationen für eine nachhaltige Zukunft
Ansprechpartner
M.Sc. Martin, Dotzauer
Tel. +49 (0)341 2434 – 385
E-Mail: [email protected]