1 Matiz IER 7SK-2017 - energetische-biomassenutzung.de · Statistisches Bundesamt (Land- und Forstwirtschaft, Fischerei, Fachserie 3 Reihe 3). • Die Bundesregierung (2014): Roadmap

27.11.2017Universität Stuttgart 1

IER Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung

Landwirtschaftliche multifunktionale Produktsysteme in derBioökonomie mit und ohne Nutzungskaskaden –ein lebenszyklusbasierter Vergleich

Natalia MatizLudger Eltrop

Marlies Härdtlein

7. Statuskonferenz Energetische

Biomassenutzung

Leipzig, 21.11.17

1. Hintergrund: die Multifunktionalität von Biomasse

2. Forschungsfrage

3. Erarbeitete Methode: Berücksichtigung der Verdrängungs- und Substitutionseffekte in

biobasierten, multifunktionalen Produktsystemen

4. Fallstudie „Körnermais zu 4Fs in Baden-Württemberg“

5. Fazit

21.11.2017IER Universität Stuttgart 2

Inhalt


Hintergrund: die Multifunktionalität von Biomasse

1

Mögliche Verdrängungseffekte, wenn Biomasse in einem Marktsegment genutzt wird:

Die Nachfrage nach Produkten in anderen Marktsegmenten wird

a. durch Biomasseimport oder

b. durch (fossile) Alternativprodukten gedeckt.4

Einsatz in verschiedenen Marktsegmenten

Die Nutzungspfade von Biomasse


21.11.2017 5

Die Koppel- und Kaskadennutzung von Biomasse

www.swissmilk.ch

Biomasse: Körnermais

Stoffliches

Kaskadenprodukt

www.wand-und-beet.de

www.biotuete.eu

Bio-basiertes Endprodukt:

Tüte aus Biokunststoff

Koppelprodukt: Maisglutenfutterwww.alibaba.comwww.dreamstime.com

Koppelprodukt: Stroh

www.manfred-schauble.de

Energetisches

Kaskadenprodukt

Forschungsfrage2


Wie sollen die zwei Aspekte der Multifunktionalität von Biomasse, d.h. der

Einsatz in verschiedenen Marktsegmenten und die Koppel- und

Kaskadennutzung, in der Modellierung, Analyse und Bewertung

landwirtschaftlicher Produktsysteme berücksichtigt werden?


Forschungsfrage

Erarbeitete Methode: Berücksichtigung der Verdrängungs- und Substitutionseffekte in biobasierten Produktsystemen

3


21.11.2017 9

Methode zur Berücksichtigung der Verdrängungs- und Substitutionseffekte in biobasierten, multifunktionalen Produktsystemen basierend auf dem entscheidungsorientierten Life Cycle Assessment („consequential LCA“)

Koppelprodukt

geändert nach „Roadmap Bioraffinerien“, Die Bundesregierung (2014)

Substituierbare Märkte

Substituierbare Märkte

SubstitutionseffekteVerdrängungseffekte

Unbediente Märkte

UnbedienteMärkte

End-of-life

Saat-gut

Nutzung

Anbau

Prozess

Kaskaden-produkt

Nutzung

Nutzungsphase

End-of-life

Koppelprodukt

Nahrungs-/Futtermittel/stoffliches/ energetisches Produkt

Endprodukt Endprodukt

Systemgrenze

Fallstudie „Körnermais zu 4Fs in Baden-Württemberg“

4


Mögliche Verfahrensrouten und Endprodukte aus einem Hektar Körnermais

8,0 tDM/ha

102,6 GJNE/ha 5,3 t/ha 3,5 t/ha 65,6 GJ/ha

eigene Berechnungen nach ecoinvent (2016), FNR (2014), KTBL (2012, 2014), Wu et al. 2016, Würdinger et al. (2002) u.a. 11

Funktionelle Einheiten

21.11.2017 12

Verdrängungseffekte: Analyse möglicher marginalen Lieferanten für den Rohstoff Körnermais in Deutschland nach Pizzol und Scotti (2016)

Wirkungsindikator für Klimawandel, IPCC AR5 100, excl biogenic carbonAgrifootprint Datenbank: Blonk Consultants (2015)

BR: ~+60%

BE: ~-30%

Analyse mit Daten aus FAOSTAT (2017)

• Deutsche Handelspartner von

Körnermais 1998-2013.

• Produktionsmengen von Körnermais.

Top 10

1.Germany 6. Austria

2. Belgium 7. Poland

3. Netherlands 8. Bulgaria

4. Czech Republic 9. Slovakia

5. Greece 10. Brazil


Substitutionseffekte von Koppel- und Kaskadenprodukten

Koppel- bzw. Kaskaden-produkt

Substitution nach Weidema et al. (2009)

Stroh (Ko) Ausbringung Mist, Mineraldünger

Eiweiß (Ko) Markt für Eiweißfutter

Öl (Ko) Markt für Pflanzenöl

eigene Berechnungen nach ecoinvent (2016), UM-BWL, STALA-BWL (2016), STALA-BWL (2017) u.a.

• Kaskadenprodukte werden als weitere Koppelprodukte bilanziert.• Die Kaskadennutzung leistet auch einen Beitrag zur Reduktion der klimarelevanten Emissionen (~10%).• Die höchste Gutschrift ergibt sich durch die Substitution von Eiweißfuttermittel (~15%-30%).

Wirkungsindikator für Klimawandel, IPCC AR5 100, excl biogenic carbon


Gutschrift Eiweißfuttermittel Gutschrift Kaskade

Gips (Ko) Markt für Gips

Strom (Ka) Strommix BW 2014

Wärme (Ka) Wärmemix BW 2014

-45%

-22%-32%

14

Körnermais zu 4Fs - Betrachtung einfacher funktioneller Einheiten

• Vergleich zwischen den Körnermais-basierten Endprodukten ist nicht möglich.• Aber Vergleich gegenüber (fossilen) Alternativprodukten ist möglich.• Bei der energetischen Kaskadennutzung biobasierter Produkte sind die klimarelevanten

Verbrennungsemissionen biogener Natur. 21.11.2017


+74,3%

+0,3%

+61,8%

eigene Berechnungen nach ecoinvent (2016), UM-BWL, STALA-BWL (2016), STALA-BWL (2017) u.a.


Körnermais zu 4Fs - ein gemeinsamer Nenner: die Fläche

• Die klimarelevanten Emissionen des Rohstoffs Körnermais machen zwischen 37% (PLA) und 96% (Futtermittel) der klimarelevanten Emissionen der Produktsysteme aus.

• Die PLA-Produktion ist mit hohen klimarelevanten Emissionen verbunden (Energieverbrauch).• Durch die Substitution von Eiweißfuttermittel (Schlempe) sind die Netto-Emissionen des Produktsystems

Bioethanol vergleichbar zum Produktsystem Futtermittel.


1521.11.2017

76% 96% 37% 37% 71%

~3x

IER Universität Stuttgart 16

Ergebnisse

Stoffstromanalyse Körnermais zu 4 Fs in BW 2014

• Deckung der Nachfrage an Endprodukten aus

Körnermais in BW 2014: umgerechnet ca. 93.000 ha.

• Insgesamt werden 53% dieses Flächenbedarfs in

BW gedeckt.

• 46% des Flächenanspruchs betrifft Körnermais als

Futtermittel.

• Monitoring von Stoffströmen über gesamte

Produktlebenswege ist empfehlenswert.

eigene Berechnungen nach Destatis (2014), DMK (2017), Härdtlein et al. (2013), STALA-BWL (2016) u.a.

KörnermaisertragBW: 9,6 t FM/haDE: 8,9 t FM/ha

21.11.2017



LCA + Stoffstromanalyse BW 2014

• Auf Basis der aktuellen Stoffströme in BW relativiert sich das Ergebnis für das Produktsystem PLA.

• Die Nutzung von Körnermais als Futtermittel leistet aktuell den höchsten Beitrag zur Wirkungskategorie Klimawandel.

• Trotz prognostizierter Entwicklungen im PLA-Sektor, werden die jährlichen klimarelevanten Emissionen der PLA- deutlich unterhalb der Emissionen der Futtermittel-Produktsysteme bleiben.

eigene Berechnungen nach BLE (2015), Gamer (2017), IfBB (2015), nova Institut (2016), VDGS (2017) u.a.


~180x ~109x

Fazit5


• Ausarbeitung einer Methode basierend

auf dem entscheidungsorientierten LCA

zur Berücksichtigung von Verdrängungs-

und Substitutionseffekten biobasierter,

multifunktionaler Produktsysteme.

• Kaskadenprodukte werden als weitere

Koppelprodukte durch Substitution

bilanziert.

• Die energetische Kaskadennutzung ist

nahezu klimaneutral zu bewerten.

• Die Interpretation und Kommunikation der

Ergebnisse aus LCA erfordert eine

vielschichtige Betrachtung.

• Ein zielgerichtetes Monitoring von

Stoffströmen in der Bioökonomie ist

empfehlenswert.

Körnermais zu 4 Fs in BW 2014

• Die Herkunft von Körnermais kann mit

sehr unterschiedlichen klimarelevanten

Emissionen verbunden sein.

• Nur 53% des Flächenbedarfs wird mit

Anbauflächen im Inland gedeckt.

• Änderungen beim Konsumverhalten

können einen wichtigen Beitrag zu einer

nachhaltigen Bioökonomie leisten.

Fazit

21.11.2017 19

E:

T: +49 (0) 711 685-

F: +49 (0) 711 685-

Systemanalyse und Erneuerbare Energien

IER Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung

Heßbrühlstraße 49a 70565

Stuttgart

Natalia Matiz Rubio

878-63

878-83

Fachgruppe Bioenergie

[email protected]


• BLE (2015): Evaluations- und Erfahrungsbericht für das Jahr 2014. Biomassestrom-Nachhaltigkeitsverordnung, Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung. Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung.

Bonn.

• Blonk Consultants (2015): Agri-footprint 2.0.

• BMEL (2014): Nationale Politikstrategie Bioökonomie. Nachwachsende Ressourcen und biotechnologische Verfahren als Basis für Ernährung, Industrie und Energie. Bundesministerium für Ernährung und

Landwirtschaft. Berlin.

• DESTATIS (2014): Landwirtschaftliche Bodennutzung und pflanzliche Erzeugung. 2013. Statistisches Bundesamt (Land- und Forstwirtschaft, Fischerei, Fachserie 3 Reihe 3).

• Die Bundesregierung (2014): Roadmap Bioraffinerien. im Rahmen der Aktionspläne der Bundesregierung zur stofflichen und energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe. Bundesministerium für

Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz; Bundesministerium für Bildung und Forschung; Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit; Bundesministerium für Wirtschaft

und Energie. Berlin.

• DMK (2017): Mais. Deutsches Maiskomitee e.V. Online verfügbar unter www.maiskomitee.de, zuletzt geprüft am 01.02.17.

• ecoinvent (2016): ecoinvent data v3.3. St. Gallen.

• FAOSTAT (2017): Production and Trade Matrix data. www.fao.org/faostat/

• FNR (2014): Basisdaten Bioenergie Deutschland 2014. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. Gülzow-Prüzen.

• Gamer, W. (13.03.17): Besprechung über Maisverbrauch in Baden-Württemberg. Hohenheim, 13.03.17. Gespräch an N. Matiz.

• Härdtlein, Marlies; Eltrop, Ludger; Messner, Jörg; Dederer, Manfred (2013): Schwachstellen-Identifikation und Optimierungspotenziale von Biogasanlagen in Baden-Württemberg. Eine technisch-

ökonomische Analyse auf der Basis einer Befragung von Biogasanlagenbetreibern. Endbericht. Hg. v. Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart. Universität

Stuttgart; Staatliche Biogasberatung Baden-Württemberg.

• IfBB (2015): Biopolymers facts and statistics. 2. Aufl. Hochschule Hannover, Institute for Bioplastics and Biocomposites. Hannover.KTBL (Hg.) (2012): Energiepflanzen. Daten für die Planung des

Energiepflanzenanbaus. Unter Mitarbeit von T. Belau, H. Döhler, H. Eckel, J. Frisch, N. Fröba, M. Funk et al. 2. Aufl. Darmstadt: Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V. (KTBL-

Datensammlung mit Internetangebot).

• KTBL (Hg.) (2014): Betriebsplanung Landwirtschaft 2014/2015. Daten für die Betriebsplanung in der Landwirtschaft. Unter Mitarbeit von J. Frisch, S. Fritzsche, N. Fröba, M. Funk, C. Gaio, E. Grimm et al.

24. Aufl. Darmstadt: Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V. (KTBL-Datensammlung).

• nova Institut (2016): Bio-based Building Blocks and Polymers. Global Capacities and Trends 2016 – 2021. Short version. european bioplastics; nova-Institut GmbH. Hürth.Pizzol, M.; Scotti, M. (2016):

Identifying marginal supplying countries of wood products via trade network analysis. In: Int J Life Cycle Assess 67, S. 474. DOI: 10.1007/s11367-016-1222-6.

• STALA-BWL (2017): Bruttostromerzeugung in Baden-Württemberg seit 2003 nach Herkunft und Energieträgern. Statistisches Landesamt Baden-Württemberg. Online verfügbar unter http://statistik.baden-

wuerttemberg.de/Energie/ErzeugVerwend/EN-BS-HK.jsp, zuletzt geprüft am 01.03.2017.

• UM-BWL; STALA-BWL (2016): Energiebericht 2016. Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg; Statistisches Landesamt Baden-Württemberg. Stuttgart.

• VDGS (2017): Zahlen und Daten zur deutschen Stärke-Industrie, zuletzt geprüft am 06.01.17.

• Weidema, B. P.; Ekvall, T.; Heijungs, R. (2009): Guidelines for application of deepened and broadened LCA. CALCAS project. 2.-0 LCA consultants; Swedish Environmental Research Institute IVL; Leiden

University, Institute of Environmental Science CML.

• Wu, F.; Johnston, L. J.; Urriola, P. E.; Hilbrands, A. M.; Shurson, G. C. (2016): Evaluation of NE predictions and the impact of feeding maize distillers dried grains with solubles (DDGS) with variable NE

content on growth performance and carcass characteristics of growing-finishing pigs. In: Animal Feed Science and Technology 215, S. 105–116. DOI: 10.1016/j.anifeedsci.2016.02.023.

• Würdinger, E.; Roth, U.; Wegener, A.; Peche, R. (2002): Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen: Vergleichende Ökobilanz für Loose-fill-Packmittel aus Stärke bzw. Polystyrol. Bayerisches Institut für

Angewandte Umweltforschung und –technik - BIfA GmbH,. Augsburg.


Literatur

Anhang



Leitgedanken für eine nachhaltige Bioökonomie

• Leitgedanke #2: „Die Nutzungswege von Biomasse sind in

ihren Vernetzungen und Wechselwirkungen zu betrachten, um

Potenziale und Konkurrenzen zu erkennen (…).“

• Leitgedanke #4: „Wo möglich und sinnvoll, ist die Kaskaden-

und Koppelnutzung von Biomasse zu realisieren.“


BMEL (2014)

Die Nationale Politikstrategie Bioökonomie

BMEL (2014)


Einheitliche Betrachtung durch Modellierung der Substitutionseffekte

Koppel- und Kaskadenprodukte


KTBL (2017), Online-Anwendung

Körnermais (Bioethanolproduktion), wendend, gezogene Saatbettbereitung, Saat, konventionell/integriert, Schlaggröße 2 ha, Ertragsniveau mittel, mittlerer Boden, 67-kW-Mechanisierung, Hof-Feld-Entfernung 2 km


Grain Maize

Results validation



Starch

Results validation


Feedstuff

Results validation



PLA

Results validation


Bioethanol

Results validation



Baden-Württemberg 2014

Stoffstromanalyse

Körnermais zu 4Fs ohne Stroh

Körnermais zu 4Fs mit Stroh

• Der gesamte Flächenanspruch aus BW kann

doppelt genutzt werden, wenn der Stroh als

Koppelprodukt betrachtet wird.

• D.h. insgesamt wird 58% der Fläche wird

stofflich genutzt, davon 6% auch für

Lebensmittel, 46% auch für Futtermittel und

1% auch energetisch.

IER Universität Stuttgart 32

Ergebnisse

Stoffstromanalyse Körnermais zu 4 Fs in BW 2014


Modelled Ecoinvent ∆ modelledvsecoinvent

Starch Maize starch, global market

-39,7%

Feedstuff Maize grain, feed, global market

+17,8%

PLA PET, global market

-0,3%

Bioethanol Petrol, EURO 4, incl. combustion

-61,8%

PLA, cascade PET, cascade -74,3%

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Mögliche Alternativprodukte aus der ecoinvent Datenbank

Kombinierte funktionelle Einheit: 5,3 t Stärke + 102,6 GJNE Feedstuff + 3,5 t PLA + 65,6 GJ

Verdrängungseffekte in den 4Fs

• Die energetische Biomassenutzung und die energetische Kaskadennutzung sind mit biogenen Verbrennungsemissionen verbunden, was sich auf die Klimabilanz positiv wirkt.

IER Universität Stuttgart

• Auswertung weitere Umweltwirkungskategorien.

• Erweiterung der Analyse durch das „societal Life Cycle Costing“ zur Vervollständigung

der Nachhaltigkeitsbetrachtung von Produktsystemen.

• Modellierung der Verdrängungseffekte zwischen der Marktsegmente durch

Preisänderungen.


Ausblick

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