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- 1 -TU DresdenDREWAG-Stiftungslehrstuhl EEEEnEEEErgiewirtschaft / EEEEnergyEEEEconomics

PD Dr. Christian von Hirschhausen

VL Energiewirtschaft, Modul “Erneuerbare Energien”, 08.10.2004EE

Erneuerbare Energien

Part II – Biomasse

Dipl.-Wirt.-Ing. Till Jeske

[email protected]

Energiewirtschaft 1Vorlesung 3.5 Erneuerbare Energien

Technische Universität DresdenDREWAG-Stiftungslehrstuhl EEEEnEEEErgiewirtschaft / EEEEnergyEEEEconomics

E E




Agenda

3.5.1 Klimaschutz und ökonomische Theorien

3.5.2 Grundlagen

3.5.3 Institutioneller Rahmen

3.5.4 Erneuerbare Energiesysteme

3.5.4.1 Wind

3.5.4.2 Biomasse

4.5.4.3 Solar

4.5.4.4 Sonstige (Erdwärme, Wasser)

4.5.4.5 Vergleich

Literatur




Biomasse

1.Eingliederung

2.Physikalische Grundlagen

3.Potenziale und Nutzung

4.Systemtechnische Beschreibung

5.Rechtlicher und institutioneller Rahmen

6.Wirtschaftliche Rahmendaten




Biomasse – Eingliederung




Physikalische Grundlagen




Biomasse – physikalische GrundlagenDefinition Biomasse

Unter dem Begriff Biomasse werden sämtliche Stoffe organischer Herkunft verstanden. Biomasse beinhaltet damit:

•die in der Natur lebende Phyto- und Zoomasse (Pflanzen und Tiere) sowie sämtliche photosynthetisch fixierte Energie

•die daraus resultierenden Rückstände (z.B. tierische Exkremente)

•abgestorbene (aber noch nicht fossile) Phyto- und Zoomasse (z.B. Stroh)

•im weiteren Sinne alle Stoffe, die durch eine technische Umwandlung und/oder eine stoffliche Nutzung entstanden sind bzw. anfallen (z.B. organischer Hausmüll, Pflanzenöl, Alkohol, etc.)

•Abgrenzung der Biomasse erfolgt beim Torf (fossiles Sekundärprodukt der Verottung)

- in Deutschland Torf ≠ Biomasse

- in Schweden Torf = Biomasse




Biomasse – physikalische GrundlagenWandlungsmöglichkeiten in End- bzw. Nutzenergie

Quelle: Kaltschmitt, Hartmann (2001) S. 3





Thermochemische Umwandlung

••VergasungVergasung: Umwandlung des in der Biomasse enthaltenen Kohlenstoffs unter Wärme-und Sauerstoffzugabe in Kohlenmonoxid.

••PyrolysePyrolyse: Umwandlung von fester Biomasse unter Wärmezugabe und Sauerstoffabschluss in flüssige Sekundärenergieträger

••VerkohlungVerkohlung: Teilverbrennung und Zersetzung des Ausgangsstoffes und somit Veredlung. Ähnlicher Prozess wie Vergasung und Pyrolyse, Feststoffanteil maximiert

feste Biomasse

Sekundärenergieträger

Wärme

fest flüssig gas





Physikalisch-chemische Umwandlung

•Alle Möglichkeiten zur Bereitstellung von Energieträgern auf Pflanzenölbasis

•Ausgangsmaterial: ölhaltige Biomassen (Rapssaat, Sonnenblumensaat)

•Trennung der flüssigen von der Ölphase unter Einwirkung mechanischer Energie

•Produkt: Pflanzenöl; Weitervarbeitet: PME, RME

ölhaltige Biomasse


Druck

RME Pflanzenöl PME





Biochemische Umwandlung

•Umwandlung der Biomasse in Sekundär-, End- und Nutzenergie durch Zuhilfenahme von Mikroorganismen �� biologische Prozesse

•Zucker-, stärke- und cellulosehaltige Biomasse kann mit Hefen durch alkoholischeGärung zu Ethanol verarbeitet werden

•flüssige und feste Biomassen können unter Luftabschluss (anaerob) mit bestimmten Bakterien abgebaut werden �� Endprodukt Biogas

zuckerhaltige Biomasse


Mikroorganismen

Ethanol

sonst. Biomasse


Biogas




Biomasse – physikalische GrundlagenBiomasseentstehung

Bildung und Zusammensetzung der Pflanzensubstanz Aufbau von Photosyntheseprodukten und ihr Abbau

Quelle: Kaltschmitt, Hartmann (2001) S. 36 u. 40




Biomasse – physikalische GrundlagenBiomassestoffbilanz und Einflussfaktoren

Stoffbilanz einer Pflanzengruppe Einflussfaktoren auf die Biomasseentstehung





Biomasse – physikalische Grundlagenzeitliche und räumliche Angebotsunterschiede

Massezuwachs versch. Feldpflanzen im Jahr Ertragsniveau von Winterweizen und –Raps in D





Biomasse – physikalische GrundlagenWichtigste Nutzungsmöglichkeiten

•Brennholz

- Unter Beachtung von Nachhaltigkeitskriterien

•Waldrestholz

•Industrierestholz

•Altholz

•Stroh, halmgutartige Biomasse

•Biogas (inkl. Klär- und Deponiegas)

•Energiepflanzen

- Mais, Getreide, Gras• Biomasseertrag ca.:

- schnellwachsende Gräser• Biomasseertrag ca.:

- schnellwachsende Baumarten aus kurzumtriebsplantagen (Pappeln und Weiden)• Biomasseertrag ca.:




Potentiale und Nutzung




Biomasse – Potentiale und NutzungEU 15 – Anteile der Nutzung am Potential

Quelle: Leitfaden Bioenergie, Kaltschmitt et al. (2001)




Biomasse – Potentiale und NutzungAnteilige Potentiale Deutschland

1,56,314212919Summe

0,02,700400Energiepflanzen

0,11,01116145Biogas (ink. Klär- und Deponiegas)

0,00,733104Stroh

0,00,01517sonst. holzartige Biomasse

0,10,6151281Altholz

0,30,31004040Industrieholz

0,40,93955142Waldrestholz

0,6n.a.n.a.85n.a.Brennholz

[%][%][%][PJ/a][PJ/a]

PEVPEVPotential

Nutzung/Potential/Nutzung/NutzungPotentialeBiomassefraktion





Systemtechnische Beschreibung




Biomasse – systemtechnische BeschreibungVerfügbarmachen von Biomasse

Energiepflanzen – Ernterückstände – organische Nebenprodukte/Abfälle

Ernten – Sammeln - Verfügbarmachen

Aufbereiten

Pressen – Trocknen – Anfeuchten – Vermischen – etc.

Transport

Lkw – Traktor – Förderband – Rohrleitung – Schiff – etc.

Lagerung

Tank – Flachlager – Silo – Feldmiete – etc.




Systemtechnische BeschreibungKonversionsarten




Biomasse – systemtechnische BeschreibungStrom und Wärme aus Biomasse




Systemtechnische BeschreibungVerbrennung




Biomasse – systemtechnische BeschreibungDirekte thermische Umwandlung (Verbrennung)

Rostfeuerung Wirbelschichtfeuerung





Biomasse – systemtechnische BeschreibungVerbrennung – Schema Biomasseheizkraftwerk

Quelle: www.bmhkw.de




Systemtechnische BeschreibungCo-Utilisation




Biomasse – systemtechnische BeschreibungNutzung von Biomasse mit fossilen Energieträgern





Biomasse – systemtechnische BeschreibungCo – Utilisation Konzept 1

Konzept 1

- Biomasse und fossile Energieträger werden in der selben Konversionsanlage thermochemisch umgewandelt

- zuvor entsprechende Aufbereitung der Komponenten

- Prozessergebnis thermische Energie oder Sekundärenergieträger (z.B. Produktgas bei der Vergasung oder Pyrolyseöl bei der Pyrolyse)

- Asche und Produktreste fallen gemeinsam an und sind nicht mehr trennbar

- die gemeinsam produzierte(n) Energie(träger) können in einem zweiten Umwandlungsschritt in elektrische Energie umgewandelt werden

• thermische Energie z.B. im Wärme-Kraft-Kreisprozess

• Pyrolyseöl z.B. in einem Motor oder Turbine

- End- und Zwischenprodukte können nicht mehr getrennt zugeordnet werden

- Beispiele:• Mitverbrennung von Biomassen in kohlegefeuerten Großkraftwerken

• Verfeuerung biogener Festbrennstoffe unter Zufeuerung von Heizöl oder Erdgas in Stützbrennern (häufig in holzverarbeitender Industrie)

• gemeinsame Vergasung bzw. Pyrolyse von biogenen und fossilen Brennstoffen haben bisher keine praktische Bedeutung erlangt





Konzept 2

- Biomasse und fossile Energieträger werden weitgehend unabhängig thermochemisch umgewandelt

- Prozessergebnisse analog Konzept 1

- zwei Konversionsanlagen benötigt

- Asche und Produktabfälle fallen separat an

- Die Einkopplung einer aus biogenen Energieträgern produzierten Sekundärenergieform in den thermochemischen Umwandlungsprozess des fossilen Energieträgers ist an unterschiedlichen Stellen möglich

- Auf Stufe der Sekundärenergieträger können die verschiedenen Energieströme den eingesetzten Primärenergieträgern zugeordnet werden

- Beispiele:• Stromerzeugung in Sammelschienenkraftwerken, in denen unabhängig produzierter

Prozessdampf in Sammelschienen zusammengeführt wird

• Vergasung der Biomasse und anschließende Einspeisung des Produktgases in den Feuerraum eines kohlegefeuerten Kraftwerks, Bedeutung in der Praxis!





Konzept 3

- unterschiedliche Energieträger werden am gleichen Anlagenstandort in jeweils eigenen Konversionsanlagen durch thermochemische Umwandlung vollständig und unabhängig voneinander aufoxidiert

- Prozessergebnisse sind die letztlich gewünschten End- oder Nutzenergien (d.h. Wärme, Strom)

- erst anschließend erfolgt eine Zusammenführung der Energieströme

- Asche und Produktabfälle fallen separat an

- Beispiele:• Nahwärmeversorgung eines Wohngebietes im Winter durch eine Biomasse-gefeuerte

Anlage und eine mit Heizöl betriebene Spitzenlastanlage

• Stromerzeugung in einer holzgefeuerten Anlage mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und in einem mit Erdgas betriebenen Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk (GuD) im gleichen Industriebetrieb




Systemtechnische BeschreibungBiogas




Biomasse – systemtechnische BeschreibungBiogaserzeugung und -Nutzung

•Biogaserzeugung primär aus

- Gülle und festen tierischen Exkrementen (Mist) aus der Landwirtschaft

- Nahrungsmittelreststoffe

- organische Produktionsabfälle

- organische Hausmüllfraktion

- Klärschlamm

- Nachwachsenden Rohstoffen (Gras, Mais, Getreide, Luzerne, etc.)

•Substrate werden gesammelt und aufbereitet in einen Fermenter gegeben

•Je nach Prozessführung wird der Fermenter auf einer bestimmten Temperatur

gehalten (meist 30 – 40°C)

•nach 30 – 60 Tagen Austausch des Substrats (auch kontinuierlich mgl.)

•Das Substrat wird im Fermenter von Mikroorganismen zersetzt, ein Produkt ist

Biogas mit ca. 50 – 70% Methangehalt

•Gas wird anschließend in BHKW oder Brennstoffzelle zu Strom und Wärme

gewandelt





Quelle: farmatic AG





Anaerober Abbau organischen Materials zu Biogas






Nutzungsmöglichkeiten:

•Nassvergärung auf reiner Gülle- und Mistbasis

•Nassvergärung auf Güllebasis + Zugabe von Co-Substraten (NaWaRos, z.B. Mais)

•Nassvergärung mit NaWaRos ohne Gülle

•Trockenvergärung Mist und/oder NaWaRos, sowie organischer Hausmüll

Verfahren:

•kontinuierliches Durchflussverfahren

- Substrat fließt kontinuierlich ab und zu

- mittlere Verweildauern im Fermenter ca. 30 Tage

•Batch-Verfahren

- Substrat wird in Fermenter gefüllt und verweilt bis zur vollständigen Ausfaulung

- anschließend Austausch durch frisches Substrat

- mittlere Verweildauer ca. 30 – 60 Tage





Wichtige Kenngrößen

Energiegehalt Biogas: ca. 6 kWh/m³

Stromkennzahl:

Wirkungsgrad th. BHKW: ca. 65%

Wirkungsgrad el. BHKW: ca. 35%

Gülle Milchkuh:

- ca. 20m³/a

- ca. 245 – 658 m³ Biogas/a

Silomais:

- Biomasseertrag ca. 35 – 45 t/ha/a

- Biogasertrag ca. 180 – 240 m³/t �� 6300 – 10800 m³/ha/a




Systemtechnische BeschreibungBiokraftstoffe




Biomasse – systemtechnische BeschreibungBiomasse-Kraftstoffkonzepte

Biomasse-Kraftstoffkonzepte

unter anderem:

BioEthanol

- aus Ganzpflanzen

- Zucker-, Stärke-, oder Cellulosehaltig

BioDiesel

- aus Raps

- nur Ölsaat

BioFuel

- aus Ganzpflanzen

- theoretisch alle Pflanzen

- vorzugsw. Holz




Systemtechnische BeschreibungBiokraftstoffe aus Ölhaltiger Biomasse




Biomasse – systemtechnische BeschreibungProduktion von Pflanzenölkraftstoffen

Verfahrensschritte zur Herstellung von Biodiesel:

• Herstellung des Rapsöls aus der Rapssaat in

Olmühlen

• Umesterung, d.h. chemische Umwandlung der

Triclyceriden des Pflanzenöls zu Methylestern

- Zugabe eines Katalysators (Natron- oder Kalilauge)

- Zugabe von ca. 10% Methanol

- Energieextensiver Prozess bei Raumtemperatur

• Endprodukte Biodiesel und ca. 10% Glycerin





Quelle: Krahl, Munack (2004)





Stoff- und Ertragsbilanz:





Energiebilanz nach Studien (Input/Output-Verhältnis):

Cabela et al. (1982): 2,7

UBA-Studie (1993): positiv

Scharmer et al. (1994): 3

Kaltschmitt und Reinhardt (1997): positiv

DOE (Department of Energy, USA, 1998): 3,2 (Mineralöldiesel: 0,8)

IEA-Studie (1994): positiv

Grass et al. (1991): 1,9

Herstellungskosten Biodiesel: ca. 0,65 – 0,80 €/l

Potential deutscher landw. Nutzflächen: ca. 5 – 7% des

Kraftstoffbedarfs in D




Systemtechnische BeschreibungBiokraftstoffe - Bioethanol




Biomasse – systemtechnische BeschreibungEthanolerzeugung und Nutzung

Ethanolerzeugung unter Verwendung von Zuckerrüben

Verfahrensschritte:

•Reinigung und Aufbereitung der Rüben

•kombinierter thermischer und mechanischer Aufschluss der Zellen

•Produkte: Rübenschnitzel und Rohsaft (17% Feststoffe, 90% Saccharose)

•Reinigung des Rohsaftes mit Kalkmilch und Kohlensäure

•der Zuckersaft wird anschließend unter Zusatz von Hefen vergoren

•Produkt: 96% Alkohol

•Reinigung bis Ethanolgehalt 100% erreicht





Energiebilanz großtechnischer Energiegewinnung aus Zuckerrüben

Quelle: Igelspacher, Wagner (2004)





Energiebilanz Ethanol (Input/Output-Verhältnis):

Igelspacher und Wagner (2004): 0,7 – 1,9

Cabela et al. (1982): 1,7

spezifische Kraftstoffkosten und Preise in €/l Benzinäquivalent

Quelle: Igelspacher, Wagner (2004)




Biomasse – systemtechnische BeschreibungSunDiesel© - Ökobilanz im Vergleich zu Diesel

am Standort Freiberg

realisiert: ohne externe

Energiezufuhr � geringere

Kraftstoffausbeute

Zukunftszenario: externe

Energiezufuhr regenerativ

erzeugt � höhere

Kraftstoffausbeute

sofort realisierbare Variante: keine

Energiezufuhr von außen jedoch

Zukauf von Prozessgasen Stickstoff

und Sauerstoff (konventionelle

Gewinnung)

Quelle: Volkswagen AG; Daimler Chrysler AG; Choren Industries




Biomasse – systemtechnische BeschreibungSunDiesel© - Pro und Contra

Vorteile:

- besitzt eine hohe Cetanzahl und damit ein deutlich besseres Zündverhalten als konventioneller Diesel

- ist aromaten- und schwefelfrei und führt zu einer deutlichen Reduzierung der Schadstoffemissionen

- kann ohne Anpassung der Infrastruktur und der Antriebssysteme verwendet werden

- ist weitestgehend CO2-neutral

- positive Ökobilanz sowie Input/output-Verhältnis

- Potential EU15: 1/3 des Kraftstoffbedarfs (ohne Einschränkung der Nahrungsmittelproduktion; Institut für Energie und Umwelt, 2004)

- 3facher Kraftstoffertrag pro Agrarfläche i.Vgl. zu Biodiesel

Nachteil:

- Erzeugungskosten hoch: je nach Literaturangabge bzw. Studie in industrieller Großfertigung zwischen 0,43 € und 0,83 €/l (Institut Francais du Petrol, Shell, Imperial College) Angabe Choren Industries (SunDiesel): ca. 0,60 €/l

- Kosten konventioneller Diesel: ca. 0,20 €/l ??




Rechtlicher und institutioneller Rahmen




Biomasse – rechtlicher und institutioneller Rahmen

EEG 2004

Für Strom aus Anlagen mit einer Leistung bis 20 MW, die ausschließlich Biomasse einsetzen

beträgt die Vergütung

1. bis 150 kW: 11,5 Cent/kWh

2. bis 500 kW: 9,9 Cent/kWh

3. bis 5 MW: 8,9 Cent/kWh

4. über 5 MW: 8,4 Cent/kWh

5. bei Nutzung von Altholz (auch teilweise): 3,9 Cent/kWh

- Die Vergütung von 1, und 2 erhöht sich bei Nutzung von Gülle (bzw. Schlempe aus

Brennerei) und/oder Pflanzen (w/o Holz) um 6 Cent/kWh. (3 erhöht sich in diesem Fall um

4 Cent/kWh)

- Die Vergütung von 3 erhöht abweichend von oben bei der Anwendung von Holz um 2,5

Cent/kWh

- Die Vergütungen nach 1-3 erhöhen sich um weitere 2 Cent/kWh soweit es sich um Strom

im Sinne des KWK-Gesetzes handelt

- Werden im Biogasprozess mit KWK (und nur hier!) Innovative Verfahren angewandt (Def.

im Gesetz und lt. BMU), erhöhen sich die Vergütungen nach 1-3 um weitere 2 Cent/kWh




Biomasse – rechtlicher und institutioneller Rahmen

EEG 2004

•jährliche Degression bei Biomasse 1,5% beginnend mit 2005

•als Innovative Verfahren gelten lt. Gesetz:

- Aufbereitung des Biogases auf Erdgasqualität

- Brennstoffzellen

- Gasturbinen

- Dampfmotoren

- Organic-Rankine-Anlagen

- Mehrstoffgemischanlagen

- Kalina-Cycle-Anlagen

- Stirling-Motoren

•daraus folgt eine Höchstvergütung von 21,5 Cent/kWh !




Wirtschaftliche Rahmendaten




Biomasse – Wirtschaftliche RahmendatenAusgaben und Einnahmen

Anschaffungsausgaben (Brutto-Investitionskosten):

- Netto-Investitionskosten

• Bautechnik der Energieversorgung

• Maschinentechnik der Energieversorgung

• Elektro- und Leittechnik der Energieversorgung

• Wärmeverteilung (Nahwärmenetz)

- Nebenkosten für Planung, Genehmigung und Gutachten

- Bauzeitzinsen

- Unvorhergesehenes

Ausgaben des laufenden Betriebs:

- Brennstoffkosten

- Kosten für Wartung und Instandhaltung

- Kosten für Versicherung und Steuern

- Personalkosten

- Kosten für Betriebsmittel (Zuwasser, Strom, etc.) und Ascheentsorgung

Einnahmen des laufenden Betriebs:

- Erlöse aus der Wärme- und/oder Stromabgabe

- Zuschüsse, Zulagen, etc.




Biomasse – Wirtschaftliche RahmendatenBiomasseheizkraftwerk

Beispielszenario: Komplettes Biomasseheizkraftwerk mit

•Biomassekessel

•14 MW Feuerungswäreleistung

•Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik (MSR)

•Gewebefilter

•Wasser/Dampfkreislauf mit Gegendruck-Dampfturbine, 2MWel Leistung

•10 MW Wärmeauskopplung

•errichtet in neu erstelltem Maschinen- und Kesselhaus

•zzgl. Kurzzeitlager für Biomasse

•Brennstoff Ein-, Austrags-, und Beschickungstechnik

•Erschließung




Biomasse – Wirtschaftliche RahmendatenBiomasseheizkraftwerk

•Spezifische Investitionskosten ca. 650 – 850 €/kW

•Stromgestehungskosten ca. 0,05 – 0,12 €/kWh

Mio €Anteil in %Anteil in %Anteil in %Anteil in %Mio €

4 – 810 – 155 – 1020 – 3055 – 65 9 – 12

Heizöl- oder Gasbefeuerte Anlagen

Sonst. Kosten

Elektro-/ Leittechnik

BautechnikMaschinentechnikGesamtkosten der Bioenergieanlage




Biomasse – Wirtschaftliche RahmendatenBrennstoffkosten

Brennstoffkosten von holz- und halmgutartiger Biomasse frei Heizkraftwerk

atro = absolut Trocken; Quelle: Leitfaden Bioenergie

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