vorlesung 2009 biomasse2
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Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Regenerative Energietechnik II
Biomasse Teil 2From trash to cash
Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Thermal Biological Physical
Combustion Gasification Pyrolysis
Heat Fuel Gases (CO + H2)
Liquids
Pretreatment
Fermentation
Ethanol
Hydrolysis
(Heat & Pressure)
Liquids
No AirPartial airExcess air AnaerobeVergärung
CH4
H2
Prinzipielle Pfade der Biomassekonversion
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Ergiebigkeit tierischer Exkremente pro Tag (Anhaltswerte)
Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Ergiebigkeit und Gärdauer für das Vergären
landwirtschaftlicher Produkte
Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Einfluss der Temperatur auf die Gasproduktion von kommunalem Klärschlamm
Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Summenkurve der Biogasproduktion für Tierkot bei verschiedenen Temperaturen
Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Schematischer Zusammenhang zwischen den Kenngrößen der Biogaserzeugung bei kontinuierlicher Beschickung
Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Schema einer kontinuierlich arbeitenden Biogasanlage
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Anzahl der Biogasanlagen in Deutschland
•Allein die Zahl der Biogasanlagen in China wird mit ca. 5 Millionen und in Indien mit ca. 3 Millionen angegeben. Die Mehrheit der installierten Anlagen weis t Leistungen im Kleinstbereich (ca. 1 kWth) zur Versorgung von landwirtschaftlichen Haushalten bzw. im kleinen Bereich (ca. 5 – 30 kWth) zur Energieversorgung von Dorfgemeinschaften etc. auf.
•Insgesamt waren Ende 2006 in Deutschland etwa 3.500 Biogas-anlagen mit zusammen-genommen etwa 1.100 MWel in Betrieb.
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Einspeisung von Biomethan ins Erdgasnetz
Quelle: Stadtwerke Aachen
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Gegenüberstellung des nutzbaren biochemischen Biogaspotentials und der Aufnahmekapazität des Erdgasnetzes einschließ-lich Biogasanlagen Ausbauszenario
Quelle: Ramesohl et al., BWK Bd. 58 (2006) Nr.5, 63-68
•Erdgasabsatz in Deutschland: 904,27 TWh/a (2002).
•Davon werden 676,76 TWh/a über die Ortsgasversorger an die Endverbraucher abgegeben.
•PEV 2006: 14.464 PJ bzw. 4.020 TWh.
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Erlöse aus der Nutzung von Biomasse
10,40 ct/kWh
16,90 ct/kWh
19,90 ct/kWh
21,50 ct/kWh
Summe aus EEG
0,00 ct/kWh2,00 ct/kWh2,00 ct/kWh2,00 ct/kWhInnovationsbonus
2,00 ct/kWh2,00 ct/kWh2,00 ct/kWh2,00 ct/kWhKWK-Bonus
0,00 ct/kWh4,00 ct/kWh6,00 ct/kWh6,00 ct/kWhNaWaRo-Bonus
8,40 ct/kWh8,90 ct/kWh9,90 ct/kWh11,50 ct/kWhMindestvergütung nach EEG
Anlagen bis 20 MWel
Anlagen bis 5 MWel
Anlagen bis 500 kWel
Anlagen bis 150 kWel
Art der Vergütung
•NaWaRo: Nachwachsende Rohstoffe; KWK: Kraft-Wärme-Kopplung; EEG: Erneuerbare Energien Gesetz
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Der Technologie-Bonus in Höhe von 2 ct/kWh für Strom aus Biomasse wird gewährt, soweit er mit den im Folgenden genannten Verfahren oder Techniken erzeugt wird:
Thermochemische Vergasung, Trockenfermentation, Biogasaufbereitung auf Erdgasqualität, Brennstoffzellen, Gasturbinen, Dampfmotoren, Organic-Rankine-Anlagen (ORC-Anlagen), Mehrstoffgemischanlagen (insb. Kalina-Cycle-Anlage), Stirling-Motoren
und
soweit die Anlage in Kraft-Wärme-Kopplung betrieben wird (d.h.: ohne KWK kein Technologie-Bonus!)
Technologie-Bonus gilt nur für den Leistungsbereich bis 5 MW !
Technologie-Bonus wird nur einmal gewährt, auch wenn mehrere der oben genannten Verfahren oder Techniken zum Einsatz kommen.
Technologiebonus
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Quelle: Ramesohl et al., BWK Bd. 58 (2006) Nr. 3, 45-49
Stromgestehungskosten und zu erwartende Erlöse ausNawaro Biogasanlagen
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Entwicklung des Biogaspotentials in Deutschland bis 2030
•Der hier ausgewiesene Unterschied von minimaler und maximaler Methanproduktion resultiert aus einer Variation der Ernteertragssteigerung zwischen 1% und 3% pro Jahr, während für den Mittelwert eine jährliche Ernte-ertragssteigerung von 2% pro Jahr angesetzt wurde.
Quelle: Ramesohl et al., BWK Bd. 58 (2006) Nr. 3, 45-49
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Spezifische Kosten der Biogaserzeugung, -aufbereitungund Einspeisung
Quelle: Ramesohl et al., BWK Bd. 58 (2006) Nr.5, 63-68
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Grubengas,aktives Bergwerk
Grubengas,stillgelegtes Bergwerk
Deponiegas Klärgas Biogas Holzgas ** Erdgas
HauptkomponentenMethan [% vol] 25 - 60 40 - 75 45 - 60 55 - 70 55 - 70 0 - 3 88,5Kohlenmonoxid [% vol] < 1 -- -- -- -- 15 - 18 --Wasserstoff [% vol] < 0,05 -- -- 0 - 1,5 0 - 1 5 - 9 --Sauerstoff [% vol] 5 - 15 < 1 0 - 2 0 - 1,5 0 - 2 -- --Stickstoff [% vol] 40 - 50 1 - 15 0 - 5 0 - 7 45 - 48 5Kohlendioxid [% vol] < 5 10 - 15 30 - 40 25 - 35 25 - 35 12 - 13 --SpurenstoffeSumme Silizium (Siloxane) [mg/m³i.N.CH4]* k.A. k.A. bis zu 100 bis zu 150 -- * 4 --Summe Fluor [mg/m³i.N.CH4] < 1 * 5 5 - 13 1 - 5 -- * 4 --Summe Chlor [mg/m³i.N.CH4] < 1 * 5 -- 5 - 50 1 - 5 -- * 4 --Summe Schwefel [mg/m³i.N.CH4] < 1 * 5 -- 0 - 1.000 20 - 2.500 20 - 2.500 * 4 --Benzol [mg/m³i.N.CH4] < 0,05 * 5 k.A. 0 - 5 0 - 5 -- --Toluol [mg/m³i.N.CH4] < 0,05 * 5 k.A. 0 - 50 0 - 10 -- --Xylol [mg/m³i.N.CH4] < 0,05 * 5 k.A. 0 - 50 0 -10 -- --höhere Kohlenwasserst. C2 - Cn [mg/m³i.N.CH4] 0 - 300 0 - 100 -- --halogenierte Kohlenwasserst. [mg/m³i.N.CH4] 0 - 150 0 - 100 -- --Ethan [% vol] < 1 < 1 4,7Propan [% vol] < 1 < 1 1,6Butan [% vol] < 1 < 1 0,2Summe BTX [mg/m³i.N.] 1500 -2500Summe PAK [mg/m³i.N.] 2000 - 4500Sonstigesrelative Feuchte [%] 70 - 100 100 90 - 100 90 - 100 0 - 20Wasserdampf [%] 10 - 15Heizwert Hu [kWh/m³ i.N.] 2,5 - 6 4 - 7,5 4,5 - 6 5,5 - 7 5,5 - 7 0,9 - 1,5 10,1k.A. keine Angaben * * * vom Vergasungsverfahren abhängig* mg/m³ bezogen auf Normzustand und 100 % CH 4 * 4 Abhängig von der Eingangsfracht* * Werte der UMSICHT-Anlage (Atmosphärische ZWS mit Luft), alle Gaswerte auf Rohgas bezogen * 5 % vol
Quelle: Fraunhofer Institut UMSICHT, Oberhausen
Typische Zusammensetzung von Brenngasen regenerativen Ursprungs
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Kategorien von Biomasse
• Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle umfassen schon vorhandene Stoffe bzw. Stoffströme, die einer energetischen Verwendung zugeführt werden.
Grundsätzlich lassen sich die beiden Arten Rückstände und Energiepflanzen unterschieden:
§ Holzartige Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle (u.a. Waldrestholz, Schwachholz, Altholz, Industrierestholz, Landschaftspflegeholz).
§ Halmgutartige Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle (u.a. Stroh- und Landschaftspflegematerial).
§ Sonstige Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle (d.h. Exkremente und Ernterückstände, Abfälle aus Gewerbe und Industrie, organische Siedlungsabfälle)
• Im Gegensatz dazu werden Energiepflanzen (ein- oder mehrjährige Kulturen) direkt für eine energetische Nutzung auf landwirtschaftlichen Flächen angebaut. Sie zählen zu den nachwachsenden Rohstoffen (Nawaro), deren Verfügbarkeit im Wesentlichen durch das Flächenangebot und die Ernteerträge bestimmt sind.
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Energie aus Biomasse: Flächenkonkurrenz
• Die zukünftige Entwicklung von Biomassepotentialen wird maßgeblich durch die Entwicklung der Anbauflächen bestimmt.
• Die landwirtschaftliche Ackerfläche in Deutschland liegt bei ca. 12 Mio. ha.
• Die sog. Stilllegungsflächen belaufen sich auf 1,2 Mio. ha, von denen ein Teil für die Anpflanzung von nachwachsenden Rohstoffen verwendet werden kann.
• Prinzipiell sind die betrachteten Flächen zur Produktion von Pflanzen vielfältig nutzbar:
§ thermochemische Nutzung (z.B. Holz aus Kurz-Umtriebs-Plantagen) durch Verbrennung und Vergasung,
§ bio-chemische Nutzung (z.B. Mais, Getreide) durch Vergärung zu Biogas,
§ physikalisch-chemische Umwandlung (Raps, Zuckerrüben, Weizen),
§ sonstige stoffliche Nutzung (Bioschmierstoffe, Automobilindustrie, Dämmstoffe, Farben, Lacke, biologisch abbaubare Werkstoffe).
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Übersicht der technischen Biomassepotentiale in Deutschland (2005)
Quelle: Ramesohl et al., Studie: Analyse und Bewertung der Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse
•PEV 2006: 14.464 PJ bzw. 4.020 TWh.
Jahr 2005
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Annahme der Entwicklung der verfügbaren Flächen
Quelle: Ramesohl et al., Studie: Analyse und Bewertung der Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse
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Entwicklung der Energiepotentiale nachwachsender Rohstoffe (NaWaRo) bis zum Jahr 2030
• Energieträgerpotential Biogene Festbrennstoffe: 289 Mrd. kWh/a (2020) bzw. 344 Mrd. kWh/a (2030).
• Energieträgerpotential Energieträger nach Umwandlung zu Biogas: 116,2 Mrd. kWh/a (2020) bzw. 163,2 Mrd. kWh/a (2030).
• Zum Vergleich PEV Deutschland 2006: 14.464 PJ bzw. 4.020 TWh.
Mit den Daten der vorhergehenden Folie ergeben sich somit folgende Potentiale:
Quelle: Ramesohl et al., Studie: Analyse und Bewertung der Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse
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Windkraft
Wasserkraft
Biomasse
davon feste Biomasse, einschl. biogener Abfall
davon Biogas
davon flüssige Biomasse
Deponie- und Klärgas
Photovoltaik
Geothermie
Summe Strom
1,1
16,7
10,2
1,9
2,0
72,7
Str
om
Endenergiebereitstellung aus erneuerbaren Energien
30,5
5,4
21,6
Beitrag der erneuerbaren Energien zur Energiebereitstellung in Deutschland 2006
0,0004
[TWh] = (Mrd. kWh)
vorläufige Angaben, teilweise geschätzt , Stand März 2007
Quellen: BMU nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien - Statistik (AGEE-Stat); Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW); Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (AGEB);
Statistisches Bundesamt (StBA); Bundesverband Solarindustrie (BSW); ISET Kassel; Institut für Energetik und Umwelt (IE); Verband der Elektrizitätswirtschaft (VDEW)
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Biomasse
davon feste Biomasse, einschl. biogener Abfall
davon flüssige Biomasse
davon biogene gasförmige Brennstoffe
Solarthermie
tiefe Geothermie
oberflächennahe Geothermie
Summe Wärme
83,9
89,4
1,0
3,4
5,4
Wär
me
Endenergiebereitstellung aus erneuerbaren Energien
1,9
0,1
77,6
Beitrag der erneuerbaren Energien zur Energiebereitstellung in Deutschland 2006
[TWh] = (Mrd. kWh)
vorläufige Angaben, teilweise geschätzt, Stand März 2007
Quellen: BMU nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien - Statistik (AGEE-Stat); Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW); Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (AGEB);
Statistisches Bundesamt (StBA); Bundesverband Solarindustrie (BSW); ISET Kassel ; Institut für Energetik und Umwelt (IE); Verband der Elektrizitätswirtschaft (VDEW)
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Vereinfachtes Schema der Äthanolgewinnung aus verschiedenen Biomassen
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Hauptbestandteile der Biomasse
O
OO
OH
OH
OH
HOHO
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OH
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OO
OH
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O
OO
OH
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OH
HOHO
OHO
OHO
HO
H3CO
OH
OCH3
OCH3
O
O
O
OH
OCH3
OCH3
H3CO
OO
HO
H3CO
HO
OCH3
OCH3
OHO
HO
H3CO
OH
OCH3
OCH3O
O
OH
OCH3
OCH3
OCH3
O
O
O
OH
HO
O
O
O
O
OH
HO
OH
OH
O
O
O
OH
HO
OH
OH
O
O
O
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HO
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OH
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HOHO
OHO
O
OO
OH
OH
OH
HOHO
OHO
Lignin: 15-25%
Zellulose: 38-50%
Hemizellulose: 23-32%
§ Komplexe aromatische Struktur§ Hoher Energieinhalt§ Bewirkt durch Einlagerung in die
Zellulosematrix die Verholzung pflanzlicher Zellen
§ Polysaccharid, welches nicht nur aus Glukoseketten, sondern aus weiteren Zuckern (C5- und C6-Zucker) besteht
§ Polysaccharid, welches aus reinen Glukoseketten (C6H12O6) besteht, die durch Wasserstoffbindung zusammen-gehalten werden§ Wichtiger Rohstoff der chem. Industrie
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Gärungsverlauf eines diskontinuierlichen Prozesses der Äthanolerzeugung
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Fließschema für kontinuierliche Gärung zur Äthanolerzeugung aus Biomasse
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Blockschema eines Produktionsprozesses für Äthanol aus Zuckerrohr
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Schema der Gewinnung von Bioethanol aus Zuckerrohr
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Gewinnung von Bioalkohol und Biogas (Zuckerfabrik Ochsenfurt in Franken)
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Endenergiebedarf der Äthanolherstellung und Energieinhalt der Abfallstoffe in MJ / l Äthanol