Kongress Bioethanol als Kraftstoff Studie Innovationen bei der Bioethanolerzeugung Vorstellung der...

Kongress „Bioethanol als Kraftstoff“

Studie „Innovationen bei der Bioethanolerzeugung“Vorstellung der Ergebnisse

Bonn, 2. Mai 2005

Dr. Norbert Schmitz Weissenburgstr. 53D-50670 KölnTel.: +49-2219727232e-mail: [email protected]

© meó Consulting Team Seite 2

Das Team


Inhaltsübersicht

Zielsetzung und Gegenstand der Studie

Analyse vorliegender Studien

1

2

3 Neue Energie- und Treibhausgasbilanzen

Zum Vergleich: Bioethanolerzeugung in Brasilien4


Zielsetzung und Gegenstand der Studie1


Die Studie ermittelt Auswirkungen von Innovationen bei der Bioethanolerzeugung auf Energie- und Treibhausgasbilanzen

• Die Studie baut auf “Bioethanol in Deutschland” (FNR-Schriftenreihe “Nachwachsende Rohstoffe”) auf. Bei der Erstellung dieser Studie wurde offenbar, dass in vielen Publikationen zu Energie- und Treibhausgasbilanzen noch von veralteten Daten und Annahmen ausgegangen wurde und folglich die Ergebnisse nicht die tatsächlichen Verhältnisse in der Praxis widerspiegelten

• Eine systematische Analyse vorliegender Studien bildet den Ausgangspunkt der Arbeiten. 29 Studien zu Energie- und Treibhausgasbilanzen wurden in die Untersuchung einbezogen

• Eine Analyse der Nachfrage- und Angebotsentwicklung im europäischen Bioethanolmarkt mit der sich daraus ergebenden Wettbewerbsdynamik schließt die Untersuchung ab

• Kern der Untersuchung ist die Erstellung von Energie- und Treibhausgasbilanzen für in der Praxis betriebene Anlagen sowie für Zukunftskonzepte. Für neun europäische Anlagenkonzepte wurden Bilanzen erstellt

• Die europäischen Bilanzen wurden sodann mit brasilianischen Werten verglichen. Dabei wurde auch das Potenzial der brasilianischen Ethanolindustrie ermittelt

Dr. Norbert Schmitz


Analyse vorliegender Studien2


Negative Energiebilanzen in älteren Studien haben ablehnende Haltungen gegenüber Bioethanol verursacht

Fossiler Energieeinsatz bei der Ethanolproduktion aus Weizen und Zuckerrüben (in MJ/l)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006

2008

2010

2012

2014

Jahr

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J/l)

Weizen Zuckerrüben

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Referenzwert Energiegehalt Ethanol: 21,2 MJ/l

Quelle: Bioethanol in Deutschland


Alle analysierten Studien gehen heute von Nettoenergie-gewinnen bei der Bioethanolerzeugung aus

0

10

20

30

En

erg

ieg

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MJ/

l

Weizen Zuckerrüben Mais RME Zuckerrohr


Energiegewinn bei der Bioethanolerzeugung in ausgewählten Studien


Die Treibhausgaseinsparungen liegen bei den meisten Studien zwischen 0,5 und 1,5 kg CO2-Äquivalente /Liter Ethanol

0

0,5

1

1,5

2

2,5

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Eth

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l

Weizen Zuckerrüben Mais RME Zuckerrohr

Nettotreibhausgasbilanzen - Ergebnisse aus ausgewählten Studien


Die Varianz der Ergebnisse bei vorliegenden Studien zu Energie- und Treibhausgasbilanzen ist groß

Faktoren, die die Treibhausgasbilanzierung der Bioethanolerzeugung und –verwendung entscheidend beeinflussen können

Konversion

– Anlagengröße– Verfahren, Technologien– Energiekonzept– Bewertung der

Kuppelprodukte

Landwirtschaftliche Produktion

– Annahmen über energetische Aufwendungen für Düngemittelproduktion

– Düngemitteleinsatz– Erträge– Referenzsystem– Bewertung der

Kuppelprodukte

Verwendung als Kraftstoff

– Substitutionsverhältnis zwischen Bioethanol und Benzin


3 Neue Energie- und Treibhausgasbilanzen


Neue Energie- und Treibhausgasbilanzen wurden auf Basis der Verbrauchswerte führender europäischer Ethanolerzeuger ermittelt


Neben bestehenden Anlagen wurden in der Entwicklung befindliche Konzepte für die Bilanzierung herangezogen

Unternehmen Kapazität Rohstoff Relevanz für Studie

Landwirt-schaftlicheBrenner

9.000 m³– Getreide

(Raps)

Landwirtschaftliche Kleinanlagen vs. Industrieanlagen

176.000 m³(Bioetanol Galicia)

– Getreide– Weinalkohol

Europäischer Bioethanol-Marktführer

90.000 m³– Melasse– C-Stärke

Führende Position im europäischen traditionellen Markt; Sidestream-Verarbeitung

50.000 m³– Getreide (primär

Weizen)

Führender Bioethanol-Produzent in Skandinavien; mittlere An-lagengröße, Energieversorgung

30.000 m³

60.000 m³

– Melasse– Getreide (alle Sorten)

Status quo Deutschland und in-novatives Verfahren mit signifi-kanter Energieeinsparung

90.000 m³– Zuckerrüben Zuckerbasierte Anlage

220.000 m³– Weizenstroh Verwendung ligno-

zellulosehaltiger Rohstoffe


Der Ökobilanzierung wurde eine Prozesskettenanalyse zugrunde gelegt

Rohstoffanbau EnergieträgerTransport

Bau derAnlage

Hilfs- /Betriebs-Stoffe

Strom

Neben-produkte

Abbau derAnlage

Transport Wandlunga. d. Anlage

Bau derAnlage

Ethanol

Neben-produkte

Abbau derAnlage


Ablaufschema Bioetanol Galicia

Getreide (Gerste, Weizen)

Hammermühle Mixer Jet-Kocher DampfMehl Maische

Destillation u.Entwässerung

Fermentation/Verzuckerung

Verflüssigung

TrocknerVerdampferDekanter

Maische

heißes Wasser

Wasser

Maische

Wasser

Fermentierte Maische

CO2

Luft

Lutter- Wasser

Ethanol

Kondensat

Dampf

DDGS„Ecoproteina“

Schlempe

Sirup

Feste Phase

FlüssigePhase

Flüssige Phase

Kondensat

Zugabe Enzyme

Fermentierte Maische

Die Konversion hat bei der Ökobilanzierung einen großen Einfluß auf das Ergebnis


Bei den in der Studie berücksichtigten Zukunftskonzepten werden unterschiedliche Ansätze verfolgt

Unternehmen Ansatz

– Konzept der Universität Stuttgart in Zusammenarbeit mit landwirtschaftlichen Brennern– Ziel: keine industrielle Ethanolerzeugung sondern nachhaltige Produktionsalternativen

in landwirtschaftlichen Betrieben. Rohstoff kann weitgehend aus dem Umfeld der Konversionsanlage bezogen werden

– Anaerobe Getreideschlempeaufarbeitung ist wesentliches Element des Konzepts. Verzicht auf Schlempetrocknung. Biogasproduktion aus Schlempe und Raps/Maissilage

– Getreide (alle Sorten) als Rohstoff– Senkung des Investitions- und Energiebedarfs für die Behandlung des Nachprodukts

DDGS. Reduzierung des Energieverbrauchs in der Konversion durch veränderte Verfahrensschritte. Entlastung des Prozesses und Reduzierung des apparativen Aufwands

– Methanisierung der Schlempe im Hochleistungsreaktor. Erzeugung eines hochwertigen DDGS oder Nutzung der getrockneten Schlempe zur Energieerzeugung

– Herstellung von „EcoEthanol“ aus Weizenstroh (patentiertes Verfahren)– Produktion in Großanlagen (für 220.000 m³-Anlage werden 800.000 t Stroh benötigt)– Enzymatischer Aufschluss der Zellulose. In der Hydrolyse verwandeln Enzyme

(Trichoderma reesi) Zellulose in Glukose. Zuckerwasser wird in Fermentationsbehältern zu Ethanol konvertiert. Konzentration in konventioneller Rektifikation

– Lignin wird vom Zuckerwasser separiert und als Brennstoff für die Erzeugung von Dampf verwendet. Einsatz fossiler Energie für die Konversion nicht erforderlich


Der kumulierte Primärenergieaufwand ist bei existierenden Anlagen ähnlich hoch, signifikante Verbesserungen gibt es bei den Konzepten

Kumulierter Primärenergieaufwand je Liter Ethanol

-20

-10

0

10

20

30

40

MJ

Bau und Abriss Anlage

Betriebs- und Hilfsstoffe

BereitstellungProzessenergieTransport

Rohstoff

Gutschrift Dünger

Gutschrift für Wärme

GutschriftStromeinspeisungGutschrift DDGS,VinasseSumme

S 14,8 S 14,6 S 12,3 S 14,6 S 6,7 S 2,0 S -0,1 S 5,5 S 1,1



Die höchsten Treibhausgasemissionen gibt es bei der Rübensaft/Braunkohle-Anlage, die niedrigsten werden bei Getreide/Biogas und Stroh erwartet

Treibhausgasemissionen je Liter Ethanol

-1,50

-1,00

-0,50

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

kg C

O 2-Ä

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Bau und Abriss Anlage

Betriebs- und Hilfsstoffe

BereitstellungProzessenergieTransport

Rohstoff

Gutschrift für Dünger

Gutschrift für Wärme

GutschriftStromeinspeisungGutschrift DDGS,VinasseSumme

S 1,0 S 1,6 S 0,8 S 1,1 S 0,7 S 0,4 S 0,7 S 0,3 S 0,04


Zum Vergleich: Bioethanolerzeugung in Brasilien4


Zuckerrohr wird in Brasilien noch überwiegend manuell geerntet


Typische brasilianische Zucker- und Ethanolfabrik:Cresciumal, Leme, State of Sao Paulo


Die erforderliche Energie für die Konversion kann aus der Bagasse gewonnen werden


Im Durchschnitt verarbeiten die brasilianischen Ethanolanlagen 13.000 t/d Zuckerrohr


Der Zuckerrohranbau ist im Staat Sao Paulo konzentriert


Brasilien verfügt über ein gewaltiges landwirtschaftliches Expansionspotenzial

Quelle: FAOStat Quelle: FAOStat

Quelle: FAOStat Quelle: F.O. Licht

Zuckerrohranbaufläche

Zuckerrohrproduktion Ethanolproduktion

Landwirtschaftliche Nutzfläche


Die technologische Evolution in der brasilianischen Zucker- und Ethanolindustrie kann in fünf Phasen unterteilt werden

Kapazitätserweiterungen(Verarbeitungskapazität pro Tag)

1

Verbesserung der Ethanolausbeute(Liter Ethanol /Tonne Zuckerrohr)

2

Zeit

Produktivität

3

3

Höhere Energieausbeute ausZuckerrohr

(Bessere Verwertung von Bagasse und Schlempe)

4

Optimierung der Nebenproduktverwertung

(Bessere Verwertung von Bagasse, Schlempe und Stroh)

5

Integrierte Nahrungsmittel- und Energieerzeugungs-

anlage


Seit Beginn der Bioethanolerzeugung hat die brasilianische Zucker- und Ethanolindustrie beträchtliche technologische Fortschritte erzielt

Quelle: Angaben der Fa. Dedini, Copersucar

Verarbeitungskapazität (Tonnen Zuckerrohr pro Tag)

5.500

Fermentationszeit (Stunden)

24

Ethanolgehalt der Maische (°GL)

7,5

Ethanolertrag(Liter / Tonne Zuckerrohr)

66

13.000

4 - 6

10

86

Dampfverbrauch Ethanol(kg/ Liter azeotropes Ethanol) 3,4

Überschüssige Bagasse(% des Fabrikbedarfs)

bis 8

3 – 5

bis 78

Beginn des Proalcool-Programms (1975)

2004Ausgewählte Kennzahlen

Ausbeute (% des im Rohr enthaltenen Zuckers)

93 97

Methangewinnung aus Schlem-pe (Nm³ pro Liter Ethanol)

- 0,1

Schlempeanfall(Liter pro Liter Ethanol)

13 0,8


Mit neuen Technologien sollen zukünftig auch aus Bagasse und Stroh Ethanol gewonnen werden

Rohr Annahme /Aufbereitung

Extraktion Zucker-gewinnung

ÁLCOHOLEthanol-

gewinnung

Zucker

Elektrizitäts-erzeugung

(TURBO-GENERATOR))

Dampfer-zeugung(Kessel)

BAGASSE

SURPLUS BAGASSE BAGASSEHYDROLYSE

HYDRO

Saft

PRODUCT FLOW

HIGH PRESSURE STEAM FLOW (DRIVING PURPOSE)

LOW PRESSURE STEAM FLOW (THERMAL PURPOSE)

Stroh BAGASSE

Ethanol

Schlempe

Melasse

Quelle: Dedini, Piracicaba


Die durchschnittlichen Kosten der Ethanolerzeugung sind mit wachsender Erfahrung deutlich gesunken

Quelle: J. Goldemberg


Energie- und Treibhausgasbilanz der Usina Santa Adélia im Vergleich zur Macedo-Studie

kumulierter Primär-energieaufwand [MJ / l]

Macedo-studie

Usina Santa Adélia

Bereitstellung Rohstoff 1,79a) 1,73a)

Transport zur Mühle (20 km) 0,48a) 0,47a)

Betriebs- und Hilfsstoffe 0,07a) 0,02b)

Bau und Abriss Anlage 0,49a) 0,49a)

Bereitstellung Prozessenergie 0,00a) 0,00b)

Gutschrift Stromproduktion(85% Wasserkraft, 11% Öl, 4% Nuklear)

-- -1,09b)

Transport nach Deutschland (10.000 km)

0,65c) 0,65c)

Summe (MJ/l) 3,48 2,27

a): Datengrundlage Studie Macedo (2003)b): eigene Berechnungen auf Basis der Angaben der Usina Santa Adélia, Brasilc): Datengrundlage EcoInvent

Kumulierter Primärenergieaufwand

Treihausgasemissionen [kg CO2 Äquiv./l]

Macedo-studie

Usina Santa Adélia

Bereitstellung Rohstoff 0,30a) 0,29a)

Transport zur Mühle (20 km) 0,07a) 0,07a)

Betriebs- und Hilfsstoffe 0,01a) 0,00b)

Bau und Abriss Anlage 0,04a) 0,05a)

Bereitstellung Prozessenergie 0,00a) 0,00b)

Gutschrift Stromproduktion(85% Wasserkraft, 11% Öl, 4% Nuklear)

-- -0,05b)

Transport nach Deutschland (10.000 km)

0,04c) 0,04c)

Summe (kg CO2 Äquiv./l) 0,46 0,40

Kumulierte Treibhausgasemissionen


FFVs sind sehr erfolgreich im Markt. Darüber hinaus wird Ethanol auch dem Diesel beigemischt

Ethanolverbrauch im brasilianischen Kraftstoffmarkt

Anteil FFV an Pkw-Neuzulassungen

0

200.000

400.000

600.000

800.000

1.000.000

1.200.000

1.400.000

1.600.000

1.800.000

2.000.000

PK

W-Z

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2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Gasohol Ethanol Flex Fuel


Die brasilianische Inlandsmarkt für Bioethanol wird wesentlich durch fünf Faktoren beeinflußt

Brasilianischer Inlandsmarktfür Bioethanol

Ölpreisentwicklung

Hat unmittelbaren Einfluß auf Preisverhältnis Benzin zu Ethanol und damit auf die Wettbewerbsfähigkeit

Erlöse für Zuckerexporte

Attraktive Zuckerweltmarktpreise sowie Devaluierung der Währung führen zu verstärkten Zuckerex-porten, zu Lasten von Ethanol

Internationale Marktentwicklung

Politische Initiativen zur verstärkten Nutzung von Bio-ethanol führen zu einer wach-

senden Importnachfrage in zahlreichen Ländern

Weitere Verwendungs-möglichkeiten Ethanol

Brasilien entwickelt derzeit Diesel-Ethanol-

gemische

Relative Wettbewerbsstärke von Zuckerrohr

Brasilien ist führender Exporteur von zahlreichen landwirtschaftlichen Rohstoffen. Die

Opportunitätskosten werden die Produktionsentscheidungen wesentlich

beeinflussen


Ethanol verbessert die Leistungsmerkmale des Kraftstoffs

Quelle: Anfavea

103

,3 %

110

,0 %

102

,1 % 10

6,4

%

103

,2 %

105

,3 %

95,5

%

89,3

%

105

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129

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0

20

40

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140

Leistung Drehmoment Höchstgeschw. Beschleunigung(0-100 kmh)

Verbrauch(L/100km)

Benzin 0% Gasohol 22% Ethanol 100%

Leistungsmerkmale von Benzin, Benzin-Ethanolgemischen und reinem Ethanolkraftstoff


Stärken und Schwächen der brasilianischen Ethanolindustrie

– Global ist Brasilien in einer führenden Kostenposition bei der Herstellung von Ethanol. Wettbewerbsfähig mit fossilen Kraftstoffen

– Weltweit führender Exporteur von Ethanol– Große Kapazitäten und Kapazitätsreserven– Langjährige Produktionserfahrungen– Weitere Produktivitätssteigerungen von 1-2%

p.a. erwartet– Bioethanol bereits seit fast 30 Jahren im Lande

verwendet– Wachsende Nachfrage im Heimatmarkt

aufgrund von Änderungen in der Fahrzeugflotte(Flexible Fuel)

– Sehr gute Energie- und Treibhausgasbilanzen

Stärken

– Produktionsvolumen abhängig von der Ent-wicklung des Weltzuckermarktes. Markt ist volatil

– Produktionsvolumen in erheblichem Maße abhängig von Wetterbedingungen

– Am Markt erzielte Preise teilweise nicht kostendeckend

– Leistungsfähigkeit der Produzenten stark unterschiedlich ausgeprägt

– Hohe Logistikkosten, logistische Probleme– Langfristige Auswirkungen der Monokulturen

unklar– Kapital für Ausbau der Kapazitäten nur bedingt

vorhanden

Schwächen


Zusammenfassender Vergleich Ethanolproduktion in Brasilien und in Deutschland

Rohstoffe ZuckerrohrGetreide (Weizen, Roggen, Triticale),

Zuckerrüben, (Kartoffeln)

Produktions-kapazität

Ca. 17 Mio. m³Ca. 300.000 in 2004, ca. 900.000 m³ in 2005

Produktion in 2003

14,4 Mio. m³ Ca. 280.000 m³

Produktions-kosten

Ca. 0,20 bis 0,25 US$/Liter, bei schlechteren Anlagen bis 0,30 US$

Ca. 0,45 - 0,50 €/Liter

Nettoenergie-gewinn 18 MJ/Liter

Derzeit etwa 7 MJ/Liter, mit neuen Technologien zwischen

15,7 und 21,3 MJ/Liter

Brasilien Deutschland

Treibhausgas- einsparung

2 – 2,8 kg CO2-Äquivalente /Liter Ethanol

Derzeit zwischen 1 und 1,5 kg, mit neuen Technologien zwischen 1,5

und 2,15 kg CO2-Äquivalente

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