Ökobilanz im Rahmen des EU-Interreg Projektes "Biochar: Climate saving soils"

73. Symposium des ANS e.V.

Biokohle – Herstellung, Erzeugung und Bewertung

Donnerstag, 20. September 2012

Umweltforum Berlin

Dipl. Wi.-Ing. Jan-Markus Rödger

HAWK Fakultät Ressourcenmanagement, Göttingen

MSc Environmental Sustainability Jim Hammond

Biochar Research Center, University of Edinburgh

Prof. Dr.-Ing. Achim Loewen

HAWK Fakultät Ressourcenmanagement, Göttingen

Dr. Simon J. Shackley

Biochar Research Center, University of Edinburgh

1. Einführung in die Ökobilanz von Pflanzenkohle - Kernpunkte der Vorgehensweise -

„Eine Ökobilanz (LCA) ist eine über die Normen ISO EN 14040 und 14044 definierte Methode, um Umweltaspekte und –wirkungen von Produktsystemen zu analysieren….Der zentrale Gedanke ist die Analyse von der Wiege bis zur Bahre (cradle-to-grave).“ (Klöpffer et al., 2009)

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1 t Pflanzenkohle * 80 % C * 3,667 CO2/C = 2,93 t CO2

+ Energiegutschrift (thermisch und elektrisch)

+ Weniger CH4 und N2O – Emissionen des Boden

+ verringerte Düngernachfrage

+ Humusaufbau

+ Steigerung der Biomasseerträge

+ Verringerung der Bodenbearbeitung

= ca. 14 t CO2 tPflanzenkohle-1 über 30 a

Keine Ökobilanz und nur die halbe Wahrheit

Bisherige Analyse ergeben folgendes Einsparpotenzial:

221 – 1.320 kg CO2eq tFM-1

442 – 1.650 kg CO2eq tTS-1

762 – 10.685 kg CO2eq tKohle-1

1. Einführung in die Ökobilanz von Pflanzenkohle - Bisherige Umweltbilanzen -

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73. Symposium des ANS e.V. Biokohle im Blick – Herstellung, Einsatz und Bewertung

1. Einführung in die Ökobilanz von Pflanzenkohle - Übertragbarkeit von Analysen -

- Biomassenverfügbarkeit

- Regional unterschiedlich

- Transporte sind mitunter entscheidend

- Prozessführung der Pyrolyse

- u.a. Temperatur, Verweilzeit

- Batch oder kontinuierlich

- Kohlequalitäten unterscheiden sich erheblich

- Stabilitäten

- Gehalte an Kohlenstoff

- Gutschriften

- Wärme- und Strombereitstellung

- Spez. Treibhausgase

- Kohle- oder Erdgassubstitution

- Bodenbeschaffenheit

- Ton, Sand, Lehm

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2. Der Interreg-Ansatz zur Modellierung - Grundlagen -

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Ziel: Ganzheitliches Modell für die Nordseeregion entwickeln: Bereitstellung der verfügbaren Biomassen (z.B. Nutzungskonkurrenz)

Datenakquise von tatsächlichen Pyrolyseanlagen

Einbindung von eigens durchgeführten Feldversuchen

Vorgehensweise: ISO 14040/44 konforme Datensätze erheben (d.h. Einhaltung von div. Vorgaben)

Hilfs- und Betriebsstoffe mit einbinden sowie Infrastruktur

6 Biomassen als geeignete Substrate identifizieren und modellieren

Umfrage an Pflanzenkohlehersteller senden

Qualitativ hochwertiger Herstellungsdaten ermitteln

Einbindung von realen Daten aus den Feldversuchen

Automatische Verknüpfung von Biomasse, Energieströmen und Kohlequalität

Modularer Berechnung von div. Anwendungsbeispielen (z.B. Länderspezifisch)

Fundierte Aussage über das Potenzial des Pflanzenkohleeinsatzes in der Nordseeregion erzielen

Gewählte Substrate im Interreg-Projekt:

Kurzumtriebsholz aus Weide (Hackschnitzel, Pellets)

Holzhackschnitzelmix

Gärrest

Grüne Abfälle (Grünschnitt, Straßenbegleitgrün)

Rapsstroh

2. Der Interreg-Ansatz zur Modellierung - Theoretische Biomasseverfügbarkeit in der Nordseeregion -

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Kriterien:

- Nutzungskonkurrenz - Schwermetallbelastung

- Analysen von Kohlequalitäten - Expertenabschätzung

2. Der Interreg-Ansatz zur Modellierung - Pyrolyseanlagen in Europa -

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Daten basieren auf eine Umfrage, die gemeinsam mit dem Biochar Research Center

der Universität Edinburgh (UKRBC) durchgeführt wurde

Bisher 3 Anlagen (valide Datensätze) eingebunden

Unterschiedliche Datenqualität, d.h. Messmethoden, Expertenabschätzungen

Bei fehlenden Daten wurde auf die Versuchsanlagen des UKBRC zurückgegriffen

Ziel: Abbildung der heutigen Produktion in Europa

Problem: Wie könnten die heutigen Anlagen in ein Modell überführt werden?

Ansatz:

Produktionskapazität der Anlagen (mi)

Technologie-Reifegrad (TRLi)

Verfügbarkeit der Anlagen pro Jahr (AFi)

Lösung: Relativer Beitrag der jeweiligen Anlage zur heutigen Produktion in Europa

Das Modell erfüllt die Vorgaben des Europäischen Pflanzenkohle Zertifiktats (EPZ)

der Fa. bio.inspecta AG

2. Der Interreg-Ansatz zur Modellierung - Nutzungsmöglichkeiten in Europa-

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Tatsächliche Kohlequalitäten im Modell eingepflegt (UKBRC, University Newcastle)

Kohlenstoff Flüchtiger Kohlenstoff Stabilitätsfaktor Energiegehalt SOC-Priming Effekt Stickstoff Phosphor Etc.

Einsatz in der Landwirtschaft

Daten stammen vom Biochar Research Center (Hammond et al., unpublished) CO2, CH4, N2O – Emissionen Biomasseerträge Einspareffekte von Dünger Organischer Kohlenstoffgehalt im Boden

Daten der Interreg-Feldversuche werden in Kürze in das Modell eingebunden

Co-Verbrennung der Produkte auf Basis von strom – oder wärmegeführten

Kohlekraftwerken in 6 Ländern oder der EU-Durchschnittswerte

2. Der Interreg-Ansatz zur Modellierung - Das BAPU - Modell (Best Available Pyrolysis Unit) -

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Berechnung der Treibhausgasbilanzen für:

6 Substrate 3 Pyrolyseanlagen + BAPU-Modell 2 Nutzungswege (Landwirtschaft: Datenbank UKRBC + 6 Feldversuche; Co-

Verbrennung) 6 Länder + EU-Durchschnitt

Jeder Zeit möglich verschiedene Kombinationen zu berechnen

Einbindung von neuen Daten gewünscht und auch auf andere Projekte anwendbar

3. Ökobilanz heutiger und zukünftiger Anwendungen - 3 Beispiele für Gärrest (Schweine- und Rindergülle und Maissilage)

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Trocknung kann durch die bereitgestellte Energie der Pyrolyse nicht gedeckt werden Die gewählte Kohle hat nur geringen Kohlenstoffanteil (ca. 33 %) Separation des Gärrests verringert die Umweltlasten durch die Trocknung deutlich Verstromung führt zu weiteren Einsparungen Anpassung des Pyrolyseprozessen führt zu höheren Erträgen

3. Ökobilanz heutiger und zukünftiger Anwendungen - 3 Beispiele für Kurzumtriebsholz (SRC) -

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Geringer Wassergehalt der Biomasse führt zu einem Überschuss an thermischer Energie

Hoher Kohlenstoffgehalt (84,5 %) trägt maßgeblich zum Einsparpotenzial bei

Steigerung der Kohlenausbeute der Pyrolyse verringert die Wärmegutschrift

Pelletierung verursacht mehr Emissionen in der Herstellung

Gutschriften für thermische und elektrische Energie maximal

3. Ökobilanz heutiger und zukünftiger Anwendungen - 5 Beispiele (Holzhackschnitzel)-

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Geringe Emissionen bei der Herstellung und Bereitstellung der Holzhackschnitzel

Wärmenutzung maßgeblich für positive Bilanz

Steigerung des Biomasseertrages hat nur geringfügigen Einfluss auf die Bilanz

Pyrolyseprozessanpassung (Feste Phase) in Ländern mit „geringen“ spez. THG-Emissionen

Co-Verbrennung „nur“ bis zum Ende der fossilen Kohlenvorkommen sinnvoll (Gutschriften!)

4. Potenzial in der Nordseeregion - Basierend auf der theoretisch verfügbaren Biomasse pro Jahr -

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Insgesamt 28 mio. Tonnen an Biomasse pro Jahr theoretisch verfügbar

Deutschland:

Vermeidung von 0,8 % des gesamten Treibhauspotenzial pro Jahr (Bezugsjahr 2008)

EU-27:

Vermeidung von 0,4 % des gesamten Treibhauspotenzial pro Jahr (Bezugsjahr 2009)

4. Potenzial in der Nordseeregion - Basierend auf der verfügbaren Fläche und Biomasse der NSR-Länder -

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Annahme: 15 t Pflanzenkohle pro Hektar

Gesamte Fläche: 43 mio. Hektar

Pro Jahr können 0,5 mio. Hektar „beliefert“ werden

Insgesamt könnten 1,78 Gt CO2eq auf den verfügbaren Flächen gespeichert werden

5. Zusammenfassung und Ausblick

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Modell basiert auf realen Daten und Langzeitwirkung noch nicht abgebildet

Dezentrale Konzepte (insb. Wärmekonzepte) sind zu bevorzugen

Hoher C-Gehalt maßgeblicher Faktor (Priming Effekt nicht entscheidend)

Steigerung der Biomasse hat nur geringen Einfluss

Regionale Aspekte müssen berücksichtigt werden

Gutschriftenproblematik

Bodenbeschaffenheit und klimatische Bedingungen (z.B. N2O, CH4)

Pflanzenkohlen können zur Vermeidung des Treibhauspotenzials in der Nordseeregion beitragen

Zukünftige Schritte:

Weitere Pflanzenkohlen einbinden

Feldversuche des Interreg-Projektes

Ausweitung der Analysen auf Life cycle Costing

Vermeidungskosten wichtige Kennzahl für die politische Diskussion

Vielen Dank!

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Fakultät Ressourcenmanagement Fachgebiet Nachhaltige Energie- und Umwelttechnik NEUTec

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