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Forschungszentrum Jülichin der Helmholtz-Gemeinschaft

Bewertung von Verfahren zur Herstellung flüssiger synthetischer Kraftstoffe aus Biomasse

* Forschungszentrum Jülich GmbH, D-52425 Jülich

** Wuppertal Institut für Klima, Energie, Umwelt GmbH, Wuppertal

Thomas Grube*, Karin Arnold**, Reinhard Menzer*, Ralf Peters*, Stephan Ramesohl**

Beitrag zur Konferenz

„Rohholzmanagement in Deutschland“22. – 23. März 2007, Hannover Congress Centrum

Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft

Bild 2 / 24Institut für Energieforschung: Brennstoffzellen (IEF-3)

Analysemethoden im Bereich der Verfahrens- und SystemanalyseÖkobilanz (DIN EN ISO 14040)

Bewertung der Umweltverträglichkeit des Lebensweges von Produkten und Dienstleistungen

Festlegung von Ziel und Unter-suchungsrahmen

Sachbilanz

Wirkungs-abschätzung

Auswertung

Handlungsempfehlungenfür zukünftige technische Optionen

IEF-3: Punktuelle AufgabenstellungenPrimärenergie Emissionen Materialien Kosten

Well-to-Tank und Well-to-WheelBilanzierung (KRAKE)

Technologie-Benchmarking für Brennstoffzellensysteme

Dynamische Simulation von Fahrzeugantrieben (SIMBA)

Simulation von Prozessen der Energietechnik

Nutzerkosten(KOSTEX)

Kosten der Bereitstellung von Kraftstoffen



Überblick

Einführung: Pkw-Antriebe und Kraftstoffe der Zukunft

Biomasse: Verfügbarkeit und Kosten

Verfahrensanalyse der BTL-Kraftstoffproduktion

Zusammenfassung und Optionen



Pkw-Antriebe und Kraftstoffe im WettbewerbZielsetzung: Verringerung von Primärenergieträgereinsatz und Emissionen

Antriebssysteme im Wettbewerb

Weiterentwickelte Verbrennungsmotoren (VM)

Hybride (VM und Elektroantrieb)

Elektroantriebe mit Brennstoffzellen

Elektroantriebe mit Batterien

Kraftstoffe im Wettbewerb (zusätzlich zu Benzin und Diesel)

Mittelfristig: Synthesegasstämmige Kraftstoffe aus Biomasse (BTL), Erdgas (GTL)oder Kohle (CTL), Alkohole, C.NG, H2 (fossile und regenerative Basis)

Langfristig: H2 und Biokraftstoffe (BTL, Alkohole) mit regenerativerPrimärenergiebasis

Ein Mix aus verschiedenen Kraftstoffen und Antrieben ist wahrscheinlich



Kraftstoffe der Zukunft nach FVS [2004]

C.NG … Druckerdgas DME … Dimethylether FT … Fischer-Tropsch L.NG … FlüssigerdgasREG-Strom … Strom aus erneuerbarer Energie



Der ideale Kraftstoff (nach WARNECKE [2005])

Lokale Rohstoffbasis

„Unerschöpflich“

Keine Klimagas-

emissionen

Hohe„Leistung“

Der ideale Kraftstoff

Lokale „Null-Emissionen“

Wettbewerbs-fähige Kosten

Geeignet für große Reich-

weiten

Geringe Infrastruktur-

anforderungen



Einführungsszenario alternativer Kraftstoffe in der EUAlle Angaben in %

23,005,0010,008,002020

14,002,005,007,002015

7,752,005,752010

2,002,002005

GesamtWasserstoffErdgasBiokraftstoffeJahr

Quellen: KOM [2001a] Grünbuch Energieversorgungssicherheit KOM [2001b] Weißbuch Verkehrspolitik bis 2010EU [2003] EU-Kraftstoffrichtlinie 20/30/EG



Biomasse-Nutzungspfade Quelle: nach Wuppertalinstitut

Wieviel fossile Energie kann ersetzt werden?

Welche Mengen an Treibhausgasen können vermieden werden?

Wie ist die Einordnung in eine übergeordnete Energiestrategie?

Welche Konkurrenznutzungen sind zur berücksichtigen?

Sind strukturelle Hemmnisse zu berücksichtigen?



Herkunft und Mengenpotential halmgut- und holzartigerBiomasserohstoffe in Deutschland (nach KALTSCHMITT et. al [2003])

KUP … Kurzumtriebsplantagen, TM … Trockenmasse

Abschläge berücksichtigen, dass nicht die Gesamtmengen energetisch genutzt werden können.

Ein Mischanbau aus den angegebenen Energiepflanzen auf 2 Mio. ha Fläche führt zu 122 PJ/ a gemäß Abbildung links.

58

72

96

122

130

140

178

4

0 100 200 300 400

Landschafts-pflegeholz

Industrie-restholz

Stroh

Altholz

Energie-pflanzenanbau

Schwachholz

Waldholz (zus. nutzbar)

Wald-restholz

Techn. Potential von Biomasserohstoffen [PJ/ a]

800Summe [PJ/ a]:

10

12

9

0 2 4 6 8 10 12 14

KUP

Getreide-pflanzen

Energie-gräser

Flächenerträge für Energiepflanzenanbau [tTM/ (ha a)]



Biomassepotential für NRW: Summenbildung über RohstoffkategorienSumme über einzelne Holzkategorien: ca. 42 PJ/a

Strohpotenzial (Getreide und Raps): ca. 6,5 PJ/a

Summe aus Biomasse-Reststoffen: ca. 48,5 PJ/a

Mögliches zusätzliches Potenzial aus Anbau (nicht additiv):

Entweder aus KUP (9 t/ha, 23 GJ/t) max. 23 PJ/a

Oder aus Energiegras(12 t/ha, 17 GJ/t) max. 29 PJ/a

Damit insgesamt

71,5 PJ/a (incl. KUP) bzw.

76,5 PJ/a (incl. Energiegras)

Das energetisch bewertete Potential an Biomasse-Reststoffen in NRW liegt bei ca. 50 PJ/a. Es kann durch Energiepflanzenanbau um ca. 50% auf ca. 70 PJ/a gesteigert werden.

0 10 20 30 40 50

ungenutzter Zuwachs

Schwachholz

Landschafts-Pflege

Industrie-Restholz

Altholz

Summe Holz

Stroh (Getreide, Raps)

KUP

Energiegras

PJ/aKUP … Kurzumtriebsplantagen

Theoretisches Potential

Technisches Potential



Kosten halmgut- und holzartiger Biomasserohstoffe in Deutschland(verschiedene Quellen)

KUP … Kurzumtriebsplantagen

Angegebene Werte ohne Transportkosten, die deutlich von den Transportentfernungen abhängen

Zum Teil erhebliche Bandbreiten der Biomassekosten (angegeben sind obere und untere Grenzen gemäß Studiendaten)

Kosten für Altholz je nach Art auch mit Gutschrift zu bewerten

Werte nach BLOCK [2005], CONCAWE [2005], LEIBLE [2005], WIESE [2004]

2,1

2,7

2,7

2,8

2,9

3,0

2,3

0 1 2 3 4 5 6

Altholz

Getreidepflanzen

Holzhackschnitzel

Industrie-restholz

Wald-restholz

Stroh

Schwachholz

KUP

Biomassekosten [EUR/GJ]

1,3

3,2

3,5

2,9

4,4

5,8

4,0



BTL-Verfahren

Untersuchungsrahmen: 3 Verfahren (A, B und C) zur Vergasung von Holz oder Stroh; Fischer-Tropsch-Synthese

Vorgehen:

Massen- und Energiebilanzierung mit Pro/II – spezifisch für 1 t/h Einsatzstoff

Absicherung der Ergebnisse in Gesprächen mit Verfahrensentwicklern

Gegebenenfalls Bandbreitendarstellung der Ergebnisse

Bewertung des Strombezugs mit Deutschem Strommix (Primärenergie und Treibhausgasemissionen)

Skalierungsvarianten: 100 MWth 186‘000 t/a (Holz) 196‘000 t/a (Stroh)500 MWth 929‘000 t/a (Holz) 978‘000 t/a (Stroh)

festeBiomasse

Biomasse-aufbereitung

Biomasse-vergasung

Kraftstoff-synthese

Produkt-aufbereitung

Rohgas-aufbereitung

Hilfsprozesse

Kraftstoffe

Bren

nsto

ff

Rohg

as

Syng

as

FT-P

rodu

kt



Xylowatt (14)Wiener Neustadt (13)

Vermont (12)Värnamo (11)UMSICHT (10)SVZ (Methanol) (9)Harboore (8)Güssing (7)

FZK (6)Domsland (5)DENARO (4)Carbo-V® (3)Blauer Turm (2)Arbre (1)

Σ: 14

Σ: 4

Σ: 10

Σ: 7

Σ: 3

Σ: 6

Σ: 4

Σ: 5

Wirbelschichtverfahren Mehrstufige VerfahrenFestbettverfahren

Atmosphärisch

Erhöhter Druck

Wärmebereitstellung

Allotherm

Autotherm

Luft

Sauerstoff

Wasserdampf

Vergasungsmittel

Betriebsdruck

1

1

1

2

2

2

3

3

3

3

5

?

5

6

6

6

7

7

7

8

?

8

9

9

9

9

10

10

10

11

11

11

12

12

?

13

?

13

14

?

14

25 8 9 13 14 1 7 10 12 3 611

4

4

4

4

Verfahren zur Vergasung von fester Biomasse (erweitert nach HOFBAUER [2003])



Verfahrensanalyse der Synthesegaserzeugung und nachfolgender FT-Synthese (Einsatzstoff: Holz, Verfahren B)

FT … Fischer-TropschNTV … NiedertemperaturvergaserHTV … HochtemperaturvergaserWT … WärmetauscherPSA … DruckwechseladsorptionLPG … Flüssiggas



Zusammenführung der Ergebnisse aus der Verfahrensanalyse(Einsatzstoff: Holz)

Verfahren B führt mit größerer Sicherheit zu hoher Ausbeute und Wirkungsgrad. Es wird im Folgenden als Referenz weiterverwendet.

Verfahren A: höherer Wert mit Fischer-Tropsch-Katalysatoren erreichbar, die neben CO + H2 auch weitere Komponenten des Synthesegasgemisches verwerten.

Mitteldestillatausbeute Einsatzstoff: Holz

153,6

153,6

126,1

112,9

68,8

0 40 80 120 160

Verfahren A

Verfahren B

Verfahren C

Mitteldestillatausbeute [kg/tBiomasse]

optimistischkonservativ

WirkungsgradeEinsatzstoff: Holz

49%

48%

43%

37%

43%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%

Verfahren A

Verfahren B

Verfahren C

Gesamtwirkungsgrad [--]

optimistischkonservativ



Abschätzung der Kraftstoffkosten (nach ARNOLD [2006])

Grundlage bildet detaillierte Kostenaufstellung für BTL-Anlagen nach TIJMENSEN [2000]

Wesentliche Annahmen:

Anlagenverfügbarkeit: 90 %

Abschreibungszeitraum: 15 Jahre

Kalkulationszinsfuß: 8 %

Gewinnaufschlag: 10 %

Rohstoffkosten:

Holz: 50 EUR/t

Stroh: 60 EUR/t

Transport: 100 MWth 11 EUR/t 500 MWth 22 EUR/t

Allokation der Kostenarten nach dem Heizwert Annahme: alle Produkte sind auch zum errechneten Preis absetzbar.

Abhängigkeit der spezifischen Anlageninvestition von der Anlagenkapazität und Vergleich

mit GTL-Anlagen

0

40

80

120

160

200

240

280

320

360

100 1.000 10.000 100.000

Kapazität bezogen auf Dieselproduktion [bbl/d]

Spe

zif.

Inve

stiti

on [k

EUR

/ bbl

/d]

0

400

800

1.200

1.600

Spe

zif.

Inve

stiti

on [k

EUR

/MW

th]

BTL-Daten (diese Arbeit)

GTL-Daten (Literatur)

bbl/d … Barrel (159 l) pro Tag, BTL … Biomass-to-liquid, GTL … Gas-to-liquid



Sensitivität der Bereitstellungskosten von Diesel aus BTL-Prozessen(Einsatzstoff: Holz, Ausbeute entsprechend Verfahren B)

Verdoppelung der Biomassekosten (50 auf 100 EUR/t):Kraftstoffkosten steigen um 29 %.

Sensitivität bezüglich der Biomassekosten: 50 EUR/t und 100 EUR/t

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Verfahren B Holz (50 EUR/t)

500 MWth

Verfahren B Holz (100 EUR/t)

500 MWthK

oste

nver

teilu

ng

Mehrwertsteuer

Logistikkosten

KalkulatorischerGewinn

Elektrizität

Betriebskosten(O&M, ohne Strom)

Kapitalkosten derBTL-Anlage

Biomasse (freiAnbieter)

0,85 1,09[EUR/l]

Sensitivität bezüglich der Anlagenkapazität: 100 MWth und 500 MWth

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Verfahren B Holz

100 MWth

Verfahren B Holz

500 MWth

Kost

enve

rteilu

ng

Mehrwertsteuer

Logistikkosten

KalkulatorischerGewinn

Elektrizität

Betriebskosten(O&M, ohne Strom)

Kapitalkosten derBTL-Anlage

Biomasse (freiAnbieter)

0,91 0,85EUR/l

Erhöhung der Anlagenkapazität (100 auf 500 MWth): Kraftstoffkosten sinken um 7 %.



„Konkurrenznutzungen“ für biogene Energieträger

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Differenzkosten [ct/kWh]

spe

zifi

sch

e T

HG

Min

de

run

g [

g C

O2

äq

u./

kW

h E

E]

Holz: Strom und Wärme Biogas: Strom

und Wärme

Wärme

flüssige BKS

gasförmige BKS

BKS … Biokraftstoffe, THG … Treibhausgasemissionen

Möglichst geringe Mehrkosten

Mög

lichs

t hoh

e TH

G-M

inde

rung



Spezifische Mehrkosten und Treibhausgasminderung der Kraftstoffsubstitution, Studienmittelwerte (nach GRUBE [2006])

Die Analyse der Daten zeigt unterschiedliche Mehrkosten und THG-Reduktionspotentiale als Mittelwerte. Tatsächliche Werte sind stark abhängig vom spezifischen Verfahrensweg, der jeweiligen Bewertung

der Nebenprodukte sowie der zugehörigen Logistik.

RME … Rapsölmethylester, THG … Treibhausgas, BTL … Biomass-to-Liquid

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50

Spezifische Kraftstoff-Mehrkosten [EUR/GJ]

Spez

ifisc

he T

HG

-Ein

spar

ung

(Ber

eits

tellu

ng u

nd N

utzu

ng) [

g/M

J]

Ethanol substituiert BenzinRME substituiert DieselBTL-Diesel substituiert Diesel

0 100 200 300 400 500 600

Ethanol substituiert

Benzin

RME substituiert

Diesel

BTL-Diesel substituiert

Diesel

Kosten der THG-Minderung [EUR/tCO2-äquiv]

Schraffiert: Werte nach FZJ [2006]a) Rübenschnitzel

als Brennstoffb) Rübenschnitzel

als Futtermittel

a)

b)

a) b)



Zusammenfassung und Optionen (I)

International werden Fragen der Kraftstoffinfrastruktur in Verbindung mit

weiterentwickelten Pkw-Antrieben intensiv bearbeitet.

Bereitstellungskosten konventioneller Energieträger steigen langfristig durch sinkende

Rohölqualität und -verfügbarkeit.

Bereitstellungskosten für neue Kraft- und Brennstoffe müssen sorgfältig und als

Funktion des Substitutionszieles analysiert werden.

RME und Ethanol sind mengenmäßig begrenzt. Die Kosten/Nutzen-Bilanz ist abhängig

von Bereitstellungspfaden, der Nebenproduktbewertung und den Umwelteigenschaften

(u.a. N2O-Emissionen).



Zusammenfassung und Option (II)

GTL- und BTL-Prozesse liefern hochwertige Kraftstoffe.

Die THG-Bilanz für GTL-Kraftstoff ist ungünstiger als für Diesel und Erdgas.

BTL-Kraftstoff mit niedrigeren THG-Emissionen bei begrenztem Substitutionspotential auf.

Bisher sind nur wenige Pilot-Anlagen zur Herstellung von BTL-Kraftstoffen in Betrieb.

Angaben für Wirkungsgrad, Emissionen und Kosten müssen im industriellen Maßstab bestätigt werden.



Zusammenfassung und Option (III)

Für BTL geeignete Rohgase sind teer- und stickstoffarm und haben eine hohe H2- und CO-Ausbeute.

Die Vergasung unter erhöhtem Druck ist vorteilhaft.

Anlagenkapazitäten werden im Vergleich zu GTL deutlich geringer ausfallen.

BTL-Verfahren auf Basis der FT-Synthese führen zu Produktmix aus unterschiedlichen Kohlenwasserstoff-Fraktionen, der heute zu etwa 75% aus Mitteldestillaten besteht.

Bereitstellungskosten von BTL Kraftstoffen liegen nach Literaturangaben im Bereich von bis zu 27 EUR/GJ an. (CONCAWE [2005], THIJMENSEN [2002])



Zusammenfassung und Option (IV)

Das Rohstoffpotential in NRW kann inklusive der Möglichkeiten des Energiepflanzenanbaus mit maximal 70 PJ pro Jahr angegeben werden.

Eine Abschätzung der Rohstoffverfügbarkeit für BTL setzt die Berücksichtigung der Nutzungskonkurrenzen voraus.

Unter den getroffenen Annahmen ließen sich derzeit wenige Prozentpunkte am Kraftstoffbedarf in NRW mit BTL decken.

Wie können die begrenzten Ressourcen am sinnvollsten eingesetzt werden?

Maximaler Flächenertrag: Gasförmige Biokraftstoffe mit Vorteilen gegenüber flüssigen Biokraftstoffen

Klimaschutzbeitrag: Holzverstromung unter der Voraussetzung einer sehr hohen Abwärmenutzung (setzt Ausbau von Fern-/Nahwärmesystemen voraus).

Treibhausgasemissionen: BTL und SNG im Rahmen der Datenunsicherheit vergleichbar.

Weitere Aspekte der Bewertung: sonstige Umweltwirkungen, Nährstoffkreisläufe



Kontakt und StudienverfügbarkeitThomas Grube, Reinhard Menzer, Ralf PetersInstitut für Energieforschung – Brennstoffzellen, IEF-3, Forschungszentrum Jülich GmbH, D-52425 JülichTel.: +49 (2461) 61-5 398 (-6 695 Fax)E-Mail: [email protected]

www.fz-juelich.de\iwv\iwv3

Karin Arnold, Stephan Ramesohl (Projektleitung bei der Erstellung der Studie)Forschungsgruppe „Zukünftige Energie- und Mobilitätsstrukturen“ Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, EnergiePostfach 10 04 80, D-42004 WuppertalTel.: +49 (202) 2492 -286 (-198 Fax)E-Mail: [email protected]

http://www.wupperinst.org

Studie „Strategische Bewertung der Perspektiven für synthetische Kraftstoffe auf Biomasse-Basis in NRW“ verfügbar unter: http://www.kraftstoffe-der-zukunft.de/index.php?module=download

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