Chancen und Grenzen der energetischen Biomassenutzung

Martin Dotzauer

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26. FfE-Fachtagung

06.04.2017 München

Agenda

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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)

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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

11

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

12

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

16

• 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

17

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

19

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

30.000

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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 24 48 72 96 120 144 168

Leis

tun

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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

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www.dbfz.de

Smart Bioenergy – Innovationen für eine nachhaltige Zukunft

Ansprechpartner

M.Sc. Martin, Dotzauer

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