Nachhaltigkeitsaspekte von Bioraffinerie-Konzepten: Ergebnisse von BioCouple

Beitrag zum 52. Tutzing-Symposion „Ein Jahr Bioraffinerie-Roadmap: Wo steht Deutschland im internationalen Vergleich?“

9. – 12. Juni 2013, Evangelische Akademie Schloss Tutzing

Uwe R. FritscheWissenschaftlicher Leiter, IINAS

Internationales Institut für Nachhaltigkeitsanalysen und Strategien

• Kernfragen: Stellen Bioraffinerie-Konzepte Energie und Stoffe gekoppelt und effizient bereit ?Integration in vorhandene Energie- und Stoffstrom-systeme (bis 2030)?

• Bearbeitung:

• gefördert im Rahmen des Förderprogramms

Das Verbundprojekt BioCouple

durch

http://www.energetische-biomassenutzung.de/fileadmin/user_upload/Downloads/Endberichte/Endbericht_BioCouple.pdf

Vorgehen in BioCouple

• Datenkompilierung für 2020 und 2030 (gesamte Lebenswege): – Treibhausgase (CO2-Äquivalente)– Luftschadstoffe (SO2eq und PM10)– kumulierter nichterneuerbarer Primärenergie-Verbrauch

(KEV)

• Vergleich Umwelt- und Kostenbilanzen von Bioraffinerie-Konzepten mit Referenzsystemen

• Szenario 2030 für Deutschland: wie viele Bioraffinerien, kumulierte Effekte?

• Offene Forschungsfragen

Bioraffineriekonzepte und Produkte

• Typ I: Ein-Plattform (C6-Zucker) für Bioethanol und Tierfutter aus stärkehaltigem Getreide

• Typ II: Ein-Plattform (Öl) für Biodiesel, Tierfutter und Glycerin aus ölhaltigen Pflanzensamen

• Typ III: Ein-Plattform (Synthesegas) für synthetische Biokraftstoffe, Strom und Naphtha aus Restholz/KUP

• Typ IV: Drei-Plattform (C5-/C6-Zucker und Lignin) für Bioethanol und Chemikalien (Phenolen) aus Stroh

• Typ V: Zwei-Plattform “grüne” Bioraffinerie für Strom, Dämmstoffe, faserverstärkte Kunststoffe und Düngemittel aus Gras

Bioraffinerietypen 2020/2030

Typ I II III IV VEnergetisches Hauptprodukt

Ethanol aus Weizen

Biodiesel aus Rapssaat

BtL aus Holz Ethanol aus Stroh

Strom aus Grassilage &

ReststoffeEnergiegehalt Input [MWh/a]

1.100.0001.100.000

4.000.0004.000.000

3.900.0008.000.000

1.700.0002.000.000

50.00050.000

Energiegehalt Input [t/a]

240.000240.000

580.000580.000

1.100.0002.150.000

440.000520.000

45.00045.000

Energiegehalt Output [MWh/a]

680.000720.000

2.500.0002.600.000

1.700.0004.000.000

750.0001.000.000

10.30011.500

Leistung Input / Output [MW]

140 14085 90

490 490310 330

520 1000230 500

230 250100 125

6,2 6,21,3 1,4

Effizienz % [Hauptprodukt]

61% 65%[Ethanol]

63 % 67 %[Biodiesel]

44 % 50 %[FT-Diesel]

43 % 50 %[Ethanol]

21 % 23 %[Strom]

Typ. Auslastung (h/a) und Jahre (a)

8000 800020 20

8000 800020 20

7500 800020 20

7500 800015 20

8000 800020 20

Datenmodellierung mit GEMIS

Energie Stoffe Transporte

technische DatenEmissionsdatenKostendatenBeschäftigung

Datenbank und Computermodell frei verfügbar: www.gemis.de

Referenzsysteme 2020

Quelle: GEMIS; Daten inklusive Allokation (z.B. Raffinerien)

g/MJend Strom Benzin Diesel Naphta FuttermittelCO2-Äquivalente 105 86 81 14 17 - davon CO2 99 85 77 14 7SO2-Äquivalente 0,18 0,09 0,29 0,05 0,22 - davon SO2 0,06 0,03 0,03 0,03 0,02 - davon NOx 0,13 0,07 0,36 0,03 0,05 - Staub (PM10) 0,01 0,00 0,02 0,00 0,01KEVnichterneuerbar 1,40 1,16 1,09 1,2 0,1Preis €2010/GJ 26,2 45,6 34,7 14,5 11,8

g/kg Sojaschrot Glyzerin HDPE Phenol Steinwolle N-DüngerCO2-Äquivalente 402 8512 2382 1976 931 7485 - davon CO2 381 7935 2373 1986 841 2847SO2-Äquivalente 3,98 15,38 6,70 5,73 2,62 28,22 - davon SO2 2,09 7,09 1,43 1,19 1,80 4,39 - davon NOx 2,66 10,31 7,65 6,66 1,13 16,00 - Staub (PM10) 0,24 0,81 0,54 0,46 0,30 2,45KEVnichterneuerbar 5,23 121,7 11,8 8,6 10,7 50,0Preis €2010/t 200 250 1350 1250 2000 1500

Referenzsysteme 2030

Quelle: GEMIS; Daten inklusive Allokation (z.B. Raffinerien)

g/MJend Strom Benzin Diesel Naphta FuttermittelCO2-Äquivalente 63 82 72 14 16 - davon CO2 58 80 70 14 7SO2-Äquivalente 0,14 0,10 0,31 0,06 0,21 - davon SO2 0,06 0,04 0,03 0,04 0,02 - davon NOx 0,10 0,08 0,39 0,03 0,05 - Staub (PM10) 0,01 0,01 0,02 0,00 0,01KEVnichterneuerbar 0,71 1,11 1,04 1,2 0,1Preis €2010/GJ 28,0 50,3 35,7 17,5 12,8

g/kg Sojaschrot Glyzerin HDPE Phenol Steinwolle N-DüngerCO2-Äquivalente 402 8041 2367 1984 845 7453 - davon CO2 381 7540 2360 1995 789 2819SO2-Äquivalente 3,98 12,78 7,26 6,06 2,21 28,33 - davon SO2 2,09 5,38 1,88 1,45 1,55 4,43 - davon NOx 2,66 9,51 7,78 6,75 0,94 16,15 - Staub (PM10) 0,24 0,66 0,58 0,49 0,16 2,47KEVnichterneuerbar 5,23 119,2 11,7 8,8 9,6 49,8Preis €2010/t 240 375 1600 1500 2400 1800

Bioraffinerien 2020: Outputs

Quelle: GEMIS und Daten UMSICHT; Typ IIIa = Waldrestholz, Typ IIIb = KUP-HolzDaten für Brutto-Bilanzierung (keine Gutschrift oder Allokation), d.h. kein Quervergleich zwischen Bioraffinerietypen möglich aufgrund großer Unterschiede bei jeweiligen Koppelprodukten und -mengen

Kenngröße Einheit Typ I Typ II Typ IIIa Typ IIIb Typ IV Typ VTHG g CO2-Äq./MJ 54,7 55,7 4,4 13,8 2,6 60,8

g CO2/MJ 35,9 28,3 4,1 8,5 2,6 57,6Luftschadstoffe g SO2-Äq./MJ 0,2 0,5 0,0 0,0 0,0 0,1

g SO2/MJ 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0g NOx/MJ 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1

g PM10/MJ 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0KEVnichterneuerbar MJprimär/MJ 0,6 0,5 0,1 0,1 0,0 0,8Bereitstellungskosten €cent2010/MJ 2,5 3,4 3,3 4,8 3,7 8,7Koppelprodukte Einheit EtOH RME BtL BtL EtOH Strom Referenz

Strom MJ/MJ 0,05 0,05 Strom-MixNaphta MJ/MJ 0,19 0,19 RaffinerieDDGS MJ/MJ 0,82 Futtermix

Rapskuchen g/MJ 39,56 SojaschrotDüngemittel g/MJ 0,30 N-DüngerDämmstoffe g/MJ 0,04 Mineralwolle

Glyzerin g/MJ 2,70 ChemieGFK g/MJ 0,07 HDPE

Lignin g/MJ 0,01 Phenole

Bioraffinerien 2030: Outputs

Quelle: GEMIS und Daten UMSICHT; Typ IIIa = Waldrestholz, Typ IIIb = KUP-HolzDaten für Brutto-Bilanzierung (keine Gutschrift oder Allokation), d.h. kein Quervergleich zwischen Bioraffinerietypen möglich aufgrund großer Unterschiede bei jeweiligen Koppelprodukten und -mengen

Kenngröße Einheit Typ I Typ II Typ IIIa Typ IIIb Typ IV Typ VTHG g CO2-Äq./MJ 52,3 45,2 3,8 12,1 0,1 53,0

g CO2/MJ 34,8 21,5 3,6 7,4 0,2 50,2Luftschadstoffe g SO2-Äq./MJ 0,2 0,4 0,0 0,1 0,0 0,1

g SO2/MJ 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0g NOx/MJ 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1

g PM10/MJ 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0KEVnichterneuerbar MJprimär/MJ 0,6 0,4 0,0 0,1 0,0 0,7Bereitstellungskosten €cent2010/MJ 2,4 3,6 2,4 4,2 2,6 6,8Koppelprodukte Einheit EtOH RME BtL BtL EtOH Strom Referenz

Strom MJ/MJ 0,075 0,075 Strom-MixNaphta MJ/MJ 0,081 0,081 RaffinerieDDGS MJ/MJ 0,82 Futtermix

Rapskuchen g/MJ 39,56 SojaschrotDüngemittel g/MJ 0,27 N-DüngerDämmstoffe g/MJ 0,03 Mineralwolle

Glyzerin g/MJ 2,87 ChemieGFK g/MJ 0,06 HDPE

Lignin g/MJ 0,01 Phenole

Bioraffinerien vs. REF 2020

Bioraffinerien vs. REF 2030

Quelle: Berechnung mit GEMIS; Typ IIIa = Waldrestholz; Typ IIIb = KUP-Holz

Parameter Typ I Typ II Typ IIIa Typ IIIb Typ IV Typ Vg CO2-Äq./MJ -43% -56% -95% -86% -98% -49%g SO2-Äq./MJ 5% -4% -95% -95% -92% -38%

g SO2/MJ -56% -69% -87% -65% -98% -59%g NOx/MJ -25% -77% -96% -88% -89% -20%

g PM10/MJ -28% 29% -51% 54% -83% 10%MJprimär/MJ -50% -71% -96% -92% -97% -44%

€cent2010/MJ -54% -22% -12% 26% -36% 279%

Parameter Typ I Typ II Typ IIIa Typ IIIb Typ IV Typ Vg CO2-Äq./MJ -47% -64% -96% -88% -100% -50%g SO2-Äq./MJ -23% -18% -96% -76% -83% -43%

g SO2/MJ -60% -76% -89% -71% -64% -66%g NOx/MJ -30% -81% -97% -90% -93% -18%

g PM10/MJ -30% 15% -98% -92% -88% -9%MJprimär/MJ -52% -78% -97% -93% -100% -41%

€cent2010/MJ -61% -29% -41% 3% -60% 177%

Jahr 2020

Jahr 2030

Bioraffinerien vs. Referenz

Projektion bis 2030 (ohne Importe)

0

5

10

15

20

25

30

2010 2020 2030

TWh/

a

Typ I (EtOH aus Stärke) Typ II (Biodiesel aus Raps) Typ III (FT-Diesel aus Lignozellulose)

Typ IV(EtOH aus Stroh) Typ V (Strom aus Grünschnitt)

Strategische Bewertung

• BioRaff-Szenario 2030: Einsparung ca. 14 Mio. t CO2eq (= 3%) wenn kein iLUC

• Grenzbetrachtung Syncrude: ca. 35% mehr Einsparung (dann 4% der Emissionen an CO2eq)

• Bioraffinerien leicht kosteneffizienter als „reine“ Linien für Kraftstoffe (aber teurer als Importe)

• BioRaff-Typen III-V jeweils interessant, keine „optimal“ (feedstock/output)

• Bioraffinerien = Ergänzung, nicht Alternative

Offene Fragen

• Mengenverfügbarkeit biogene feedstocks ohne iLUC (Acker-/Grünland) und “low C debt“ (Waldholz)

• Kenndaten Referenzsysteme: Effizienz, Emissionen, Preise

• Kosten: angesetzte Lernkurven für BioRaff-Konzepte realistisch (Typ III)? Praxiswerte (Typen IV + V)!

• Erfahrungen aus laufenden EU-Vorhaben (bis 2014):

• Quantitatives update der „roadmap“ in 2014?

Weitere Informationen & Kontakt

www.iinas.orgKontakt: uf@iinas.org