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Forschungszentrum Jülichin der Helmholtz-Gemeinschaft
Bewertung von Verfahren zur Herstellung flüssiger synthetischer Kraftstoffe aus Biomasse
* Forschungszentrum Jülich GmbH, D-52425 Jülich
** Wuppertal Institut für Klima, Energie, Umwelt GmbH, Wuppertal
Thomas Grube*, Karin Arnold**, Reinhard Menzer*, Ralf Peters*, Stephan Ramesohl**
Beitrag zur Konferenz
„Rohholzmanagement in Deutschland“22. – 23. März 2007, Hannover Congress Centrum
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 2 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Analysemethoden im Bereich der Verfahrens- und SystemanalyseÖkobilanz (DIN EN ISO 14040)
Bewertung der Umweltverträglichkeit des Lebensweges von Produkten und Dienstleistungen
Festlegung von Ziel und Unter-suchungsrahmen
Sachbilanz
Wirkungs-abschätzung
Auswertung
Handlungsempfehlungenfür zukünftige technische Optionen
IEF-3: Punktuelle AufgabenstellungenPrimärenergie Emissionen Materialien Kosten
Well-to-Tank und Well-to-WheelBilanzierung (KRAKE)
Technologie-Benchmarking für Brennstoffzellensysteme
Dynamische Simulation von Fahrzeugantrieben (SIMBA)
Simulation von Prozessen der Energietechnik
Nutzerkosten(KOSTEX)
Kosten der Bereitstellung von Kraftstoffen
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 3 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Überblick
Einführung: Pkw-Antriebe und Kraftstoffe der Zukunft
Biomasse: Verfügbarkeit und Kosten
Verfahrensanalyse der BTL-Kraftstoffproduktion
Zusammenfassung und Optionen
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 4 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Pkw-Antriebe und Kraftstoffe im WettbewerbZielsetzung: Verringerung von Primärenergieträgereinsatz und Emissionen
Antriebssysteme im Wettbewerb
Weiterentwickelte Verbrennungsmotoren (VM)
Hybride (VM und Elektroantrieb)
Elektroantriebe mit Brennstoffzellen
Elektroantriebe mit Batterien
Kraftstoffe im Wettbewerb (zusätzlich zu Benzin und Diesel)
Mittelfristig: Synthesegasstämmige Kraftstoffe aus Biomasse (BTL), Erdgas (GTL)oder Kohle (CTL), Alkohole, C.NG, H2 (fossile und regenerative Basis)
Langfristig: H2 und Biokraftstoffe (BTL, Alkohole) mit regenerativerPrimärenergiebasis
Ein Mix aus verschiedenen Kraftstoffen und Antrieben ist wahrscheinlich
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 5 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Kraftstoffe der Zukunft nach FVS [2004]
C.NG … Druckerdgas DME … Dimethylether FT … Fischer-Tropsch L.NG … FlüssigerdgasREG-Strom … Strom aus erneuerbarer Energie
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 6 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Der ideale Kraftstoff (nach WARNECKE [2005])
Lokale Rohstoffbasis
„Unerschöpflich“
Keine Klimagas-
emissionen
Hohe„Leistung“
Der ideale Kraftstoff
Lokale „Null-Emissionen“
Wettbewerbs-fähige Kosten
Geeignet für große Reich-
weiten
Geringe Infrastruktur-
anforderungen
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 7 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Einführungsszenario alternativer Kraftstoffe in der EUAlle Angaben in %
23,005,0010,008,002020
14,002,005,007,002015
7,752,005,752010
2,002,002005
GesamtWasserstoffErdgasBiokraftstoffeJahr
Quellen: KOM [2001a] Grünbuch Energieversorgungssicherheit KOM [2001b] Weißbuch Verkehrspolitik bis 2010EU [2003] EU-Kraftstoffrichtlinie 20/30/EG
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 8 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Biomasse-Nutzungspfade Quelle: nach Wuppertalinstitut
Wieviel fossile Energie kann ersetzt werden?
Welche Mengen an Treibhausgasen können vermieden werden?
Wie ist die Einordnung in eine übergeordnete Energiestrategie?
Welche Konkurrenznutzungen sind zur berücksichtigen?
Sind strukturelle Hemmnisse zu berücksichtigen?
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 9 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Herkunft und Mengenpotential halmgut- und holzartigerBiomasserohstoffe in Deutschland (nach KALTSCHMITT et. al [2003])
KUP … Kurzumtriebsplantagen, TM … Trockenmasse
Abschläge berücksichtigen, dass nicht die Gesamtmengen energetisch genutzt werden können.
Ein Mischanbau aus den angegebenen Energiepflanzen auf 2 Mio. ha Fläche führt zu 122 PJ/ a gemäß Abbildung links.
58
72
96
122
130
140
178
4
0 100 200 300 400
Landschafts-pflegeholz
Industrie-restholz
Stroh
Altholz
Energie-pflanzenanbau
Schwachholz
Waldholz (zus. nutzbar)
Wald-restholz
Techn. Potential von Biomasserohstoffen [PJ/ a]
800Summe [PJ/ a]:
10
12
9
0 2 4 6 8 10 12 14
KUP
Getreide-pflanzen
Energie-gräser
Flächenerträge für Energiepflanzenanbau [tTM/ (ha a)]
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 10 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Biomassepotential für NRW: Summenbildung über RohstoffkategorienSumme über einzelne Holzkategorien: ca. 42 PJ/a
Strohpotenzial (Getreide und Raps): ca. 6,5 PJ/a
Summe aus Biomasse-Reststoffen: ca. 48,5 PJ/a
Mögliches zusätzliches Potenzial aus Anbau (nicht additiv):
Entweder aus KUP (9 t/ha, 23 GJ/t) max. 23 PJ/a
Oder aus Energiegras(12 t/ha, 17 GJ/t) max. 29 PJ/a
Damit insgesamt
71,5 PJ/a (incl. KUP) bzw.
76,5 PJ/a (incl. Energiegras)
Das energetisch bewertete Potential an Biomasse-Reststoffen in NRW liegt bei ca. 50 PJ/a. Es kann durch Energiepflanzenanbau um ca. 50% auf ca. 70 PJ/a gesteigert werden.
0 10 20 30 40 50
ungenutzter Zuwachs
Schwachholz
Landschafts-Pflege
Industrie-Restholz
Altholz
Summe Holz
Stroh (Getreide, Raps)
KUP
Energiegras
PJ/aKUP … Kurzumtriebsplantagen
Theoretisches Potential
Technisches Potential
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Bild 11 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Kosten halmgut- und holzartiger Biomasserohstoffe in Deutschland(verschiedene Quellen)
KUP … Kurzumtriebsplantagen
Angegebene Werte ohne Transportkosten, die deutlich von den Transportentfernungen abhängen
Zum Teil erhebliche Bandbreiten der Biomassekosten (angegeben sind obere und untere Grenzen gemäß Studiendaten)
Kosten für Altholz je nach Art auch mit Gutschrift zu bewerten
Werte nach BLOCK [2005], CONCAWE [2005], LEIBLE [2005], WIESE [2004]
2,1
2,7
2,7
2,8
2,9
3,0
2,3
0 1 2 3 4 5 6
Altholz
Getreidepflanzen
Holzhackschnitzel
Industrie-restholz
Wald-restholz
Stroh
Schwachholz
KUP
Biomassekosten [EUR/GJ]
1,3
3,2
3,5
2,9
4,4
5,8
4,0
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 12 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
BTL-Verfahren
Untersuchungsrahmen: 3 Verfahren (A, B und C) zur Vergasung von Holz oder Stroh; Fischer-Tropsch-Synthese
Vorgehen:
Massen- und Energiebilanzierung mit Pro/II – spezifisch für 1 t/h Einsatzstoff
Absicherung der Ergebnisse in Gesprächen mit Verfahrensentwicklern
Gegebenenfalls Bandbreitendarstellung der Ergebnisse
Bewertung des Strombezugs mit Deutschem Strommix (Primärenergie und Treibhausgasemissionen)
Skalierungsvarianten: 100 MWth 186‘000 t/a (Holz) 196‘000 t/a (Stroh)500 MWth 929‘000 t/a (Holz) 978‘000 t/a (Stroh)
festeBiomasse
Biomasse-aufbereitung
Biomasse-vergasung
Kraftstoff-synthese
Produkt-aufbereitung
Rohgas-aufbereitung
Hilfsprozesse
Kraftstoffe
Bren
nsto
ff
Rohg
as
Syng
as
FT-P
rodu
kt
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 13 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Xylowatt (14)Wiener Neustadt (13)
Vermont (12)Värnamo (11)UMSICHT (10)SVZ (Methanol) (9)Harboore (8)Güssing (7)
FZK (6)Domsland (5)DENARO (4)Carbo-V® (3)Blauer Turm (2)Arbre (1)
Σ: 14
Σ: 4
Σ: 10
Σ: 7
Σ: 3
Σ: 6
Σ: 4
Σ: 5
Wirbelschichtverfahren Mehrstufige VerfahrenFestbettverfahren
Atmosphärisch
Erhöhter Druck
Wärmebereitstellung
Allotherm
Autotherm
Luft
Sauerstoff
Wasserdampf
Vergasungsmittel
Betriebsdruck
1
1
1
2
2
2
3
3
3
3
5
?
5
6
6
6
7
7
7
8
?
8
9
9
9
9
10
10
10
11
11
11
12
12
?
13
?
13
14
?
14
25 8 9 13 14 1 7 10 12 3 611
4
4
4
4
Verfahren zur Vergasung von fester Biomasse (erweitert nach HOFBAUER [2003])
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 14 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Verfahrensanalyse der Synthesegaserzeugung und nachfolgender FT-Synthese (Einsatzstoff: Holz, Verfahren B)
FT … Fischer-TropschNTV … NiedertemperaturvergaserHTV … HochtemperaturvergaserWT … WärmetauscherPSA … DruckwechseladsorptionLPG … Flüssiggas
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 15 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Zusammenführung der Ergebnisse aus der Verfahrensanalyse(Einsatzstoff: Holz)
Verfahren B führt mit größerer Sicherheit zu hoher Ausbeute und Wirkungsgrad. Es wird im Folgenden als Referenz weiterverwendet.
Verfahren A: höherer Wert mit Fischer-Tropsch-Katalysatoren erreichbar, die neben CO + H2 auch weitere Komponenten des Synthesegasgemisches verwerten.
Mitteldestillatausbeute Einsatzstoff: Holz
153,6
153,6
126,1
112,9
68,8
0 40 80 120 160
Verfahren A
Verfahren B
Verfahren C
Mitteldestillatausbeute [kg/tBiomasse]
optimistischkonservativ
WirkungsgradeEinsatzstoff: Holz
49%
48%
43%
37%
43%
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%
Verfahren A
Verfahren B
Verfahren C
Gesamtwirkungsgrad [--]
optimistischkonservativ
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 16 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Abschätzung der Kraftstoffkosten (nach ARNOLD [2006])
Grundlage bildet detaillierte Kostenaufstellung für BTL-Anlagen nach TIJMENSEN [2000]
Wesentliche Annahmen:
Anlagenverfügbarkeit: 90 %
Abschreibungszeitraum: 15 Jahre
Kalkulationszinsfuß: 8 %
Gewinnaufschlag: 10 %
Rohstoffkosten:
Holz: 50 EUR/t
Stroh: 60 EUR/t
Transport: 100 MWth 11 EUR/t 500 MWth 22 EUR/t
Allokation der Kostenarten nach dem Heizwert Annahme: alle Produkte sind auch zum errechneten Preis absetzbar.
Abhängigkeit der spezifischen Anlageninvestition von der Anlagenkapazität und Vergleich
mit GTL-Anlagen
0
40
80
120
160
200
240
280
320
360
100 1.000 10.000 100.000
Kapazität bezogen auf Dieselproduktion [bbl/d]
Spe
zif.
Inve
stiti
on [k
EUR
/ bbl
/d]
0
400
800
1.200
1.600
Spe
zif.
Inve
stiti
on [k
EUR
/MW
th]
BTL-Daten (diese Arbeit)
GTL-Daten (Literatur)
bbl/d … Barrel (159 l) pro Tag, BTL … Biomass-to-liquid, GTL … Gas-to-liquid
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 17 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Sensitivität der Bereitstellungskosten von Diesel aus BTL-Prozessen(Einsatzstoff: Holz, Ausbeute entsprechend Verfahren B)
Verdoppelung der Biomassekosten (50 auf 100 EUR/t):Kraftstoffkosten steigen um 29 %.
Sensitivität bezüglich der Biomassekosten: 50 EUR/t und 100 EUR/t
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Verfahren B Holz (50 EUR/t)
500 MWth
Verfahren B Holz (100 EUR/t)
500 MWthK
oste
nver
teilu
ng
Mehrwertsteuer
Logistikkosten
KalkulatorischerGewinn
Elektrizität
Betriebskosten(O&M, ohne Strom)
Kapitalkosten derBTL-Anlage
Biomasse (freiAnbieter)
0,85 1,09[EUR/l]
Sensitivität bezüglich der Anlagenkapazität: 100 MWth und 500 MWth
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Verfahren B Holz
100 MWth
Verfahren B Holz
500 MWth
Kost
enve
rteilu
ng
Mehrwertsteuer
Logistikkosten
KalkulatorischerGewinn
Elektrizität
Betriebskosten(O&M, ohne Strom)
Kapitalkosten derBTL-Anlage
Biomasse (freiAnbieter)
0,91 0,85EUR/l
Erhöhung der Anlagenkapazität (100 auf 500 MWth): Kraftstoffkosten sinken um 7 %.
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 18 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
„Konkurrenznutzungen“ für biogene Energieträger
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Differenzkosten [ct/kWh]
spe
zifi
sch
e T
HG
Min
de
run
g [
g C
O2
äq
u./
kW
h E
E]
Holz: Strom und Wärme Biogas: Strom
und Wärme
Wärme
flüssige BKS
gasförmige BKS
BKS … Biokraftstoffe, THG … Treibhausgasemissionen
Möglichst geringe Mehrkosten
Mög
lichs
t hoh
e TH
G-M
inde
rung
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 19 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Spezifische Mehrkosten und Treibhausgasminderung der Kraftstoffsubstitution, Studienmittelwerte (nach GRUBE [2006])
Die Analyse der Daten zeigt unterschiedliche Mehrkosten und THG-Reduktionspotentiale als Mittelwerte. Tatsächliche Werte sind stark abhängig vom spezifischen Verfahrensweg, der jeweiligen Bewertung
der Nebenprodukte sowie der zugehörigen Logistik.
RME … Rapsölmethylester, THG … Treibhausgas, BTL … Biomass-to-Liquid
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50
Spezifische Kraftstoff-Mehrkosten [EUR/GJ]
Spez
ifisc
he T
HG
-Ein
spar
ung
(Ber
eits
tellu
ng u
nd N
utzu
ng) [
g/M
J]
Ethanol substituiert BenzinRME substituiert DieselBTL-Diesel substituiert Diesel
0 100 200 300 400 500 600
Ethanol substituiert
Benzin
RME substituiert
Diesel
BTL-Diesel substituiert
Diesel
Kosten der THG-Minderung [EUR/tCO2-äquiv]
Schraffiert: Werte nach FZJ [2006]a) Rübenschnitzel
als Brennstoffb) Rübenschnitzel
als Futtermittel
a)
b)
a) b)
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 20 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Zusammenfassung und Optionen (I)
International werden Fragen der Kraftstoffinfrastruktur in Verbindung mit
weiterentwickelten Pkw-Antrieben intensiv bearbeitet.
Bereitstellungskosten konventioneller Energieträger steigen langfristig durch sinkende
Rohölqualität und -verfügbarkeit.
Bereitstellungskosten für neue Kraft- und Brennstoffe müssen sorgfältig und als
Funktion des Substitutionszieles analysiert werden.
RME und Ethanol sind mengenmäßig begrenzt. Die Kosten/Nutzen-Bilanz ist abhängig
von Bereitstellungspfaden, der Nebenproduktbewertung und den Umwelteigenschaften
(u.a. N2O-Emissionen).
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 21 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Zusammenfassung und Option (II)
GTL- und BTL-Prozesse liefern hochwertige Kraftstoffe.
Die THG-Bilanz für GTL-Kraftstoff ist ungünstiger als für Diesel und Erdgas.
BTL-Kraftstoff mit niedrigeren THG-Emissionen bei begrenztem Substitutionspotential auf.
Bisher sind nur wenige Pilot-Anlagen zur Herstellung von BTL-Kraftstoffen in Betrieb.
Angaben für Wirkungsgrad, Emissionen und Kosten müssen im industriellen Maßstab bestätigt werden.
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 22 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Zusammenfassung und Option (III)
Für BTL geeignete Rohgase sind teer- und stickstoffarm und haben eine hohe H2- und CO-Ausbeute.
Die Vergasung unter erhöhtem Druck ist vorteilhaft.
Anlagenkapazitäten werden im Vergleich zu GTL deutlich geringer ausfallen.
BTL-Verfahren auf Basis der FT-Synthese führen zu Produktmix aus unterschiedlichen Kohlenwasserstoff-Fraktionen, der heute zu etwa 75% aus Mitteldestillaten besteht.
Bereitstellungskosten von BTL Kraftstoffen liegen nach Literaturangaben im Bereich von bis zu 27 EUR/GJ an. (CONCAWE [2005], THIJMENSEN [2002])
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 23 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Zusammenfassung und Option (IV)
Das Rohstoffpotential in NRW kann inklusive der Möglichkeiten des Energiepflanzenanbaus mit maximal 70 PJ pro Jahr angegeben werden.
Eine Abschätzung der Rohstoffverfügbarkeit für BTL setzt die Berücksichtigung der Nutzungskonkurrenzen voraus.
Unter den getroffenen Annahmen ließen sich derzeit wenige Prozentpunkte am Kraftstoffbedarf in NRW mit BTL decken.
Wie können die begrenzten Ressourcen am sinnvollsten eingesetzt werden?
Maximaler Flächenertrag: Gasförmige Biokraftstoffe mit Vorteilen gegenüber flüssigen Biokraftstoffen
Klimaschutzbeitrag: Holzverstromung unter der Voraussetzung einer sehr hohen Abwärmenutzung (setzt Ausbau von Fern-/Nahwärmesystemen voraus).
Treibhausgasemissionen: BTL und SNG im Rahmen der Datenunsicherheit vergleichbar.
Weitere Aspekte der Bewertung: sonstige Umweltwirkungen, Nährstoffkreisläufe
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft
Bild 24 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)
Kontakt und StudienverfügbarkeitThomas Grube, Reinhard Menzer, Ralf PetersInstitut für Energieforschung – Brennstoffzellen, IEF-3, Forschungszentrum Jülich GmbH, D-52425 JülichTel.: +49 (2461) 61-5 398 (-6 695 Fax)E-Mail: th.grube@fz-juelich.de
www.fz-juelich.de\iwv\iwv3
Karin Arnold, Stephan Ramesohl (Projektleitung bei der Erstellung der Studie)Forschungsgruppe „Zukünftige Energie- und Mobilitätsstrukturen“ Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, EnergiePostfach 10 04 80, D-42004 WuppertalTel.: +49 (202) 2492 -286 (-198 Fax)E-Mail: karin.arnold@wupperinst.org
http://www.wupperinst.org
Studie „Strategische Bewertung der Perspektiven für synthetische Kraftstoffe auf Biomasse-Basis in NRW“ verfügbar unter: http://www.kraftstoffe-der-zukunft.de/index.php?module=download
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