Zukunftsfähige Bioenergie und nachhaltige Landnutzung

170 7 Anbau und energetische Nutzung von Biomasse
Kasten 7.2-3
Methodik, Bilanzgrenzen und Berechnung der
Nennwirkungsgradmethode
Im Folgenden wird die Methode zur Berechnung des Nennwirkungsgrades
von Bioenergiepfaden nach VDI 4661 vorgestellt.
Diese Methode ist aus Sicht des WBGU besonders
geeignet, um sektorenübergreifend die Verwendung von
Biomasse in Verkehr, Wärme und Strom zu vergleichen.
Der Wirkungsgrad eines Systems ist definiert als Quotient
aus der nutzbaren abgegebenen Leistung (Nutzen)
und der zugeführten Leistung (Aufwand; VDI, 2000, 2003).
Die Definition von Nutzen und Aufwand ist jeweils abhängig
von der Anwendung und Versorgungsaufgabe (Stiens,
2000). Die Zielenergie ist die gewünschte Energieform
eines Konversionsprozesses. Als Zielenergien definiert
der WBGU mechanische und elektrische Energie sowie
thermische Energie in Form von Nutzwärme. Der Nutzen
einer Energiebereitstellung aus Biomasse wird demnach
als Strom, Wärme und Antrieb eines Fahrzeugs gesehen.
Der Kernprozess in allen Konversionsverfahren von Bioenergie
ist die Verbrennung des Bioenergieträgers. Alle
Prozesse werden daher einschließlich dieses Kernprozesses
bilanziert und auf Basis der Zielenergie miteinander
verglichen.
In manchen Konversionsprozessen wird nicht nur eine
Zielenergie bereitgestellt, sondern zusätzlich weitere Energieformen.
In der Kraft-Wärme-Kopplung wird die Erzeugung
von Kraft bzw. Strom mit der Erzeugung von Wärme
gekoppelt. In der Polygeneration, der Kraft-Wärme-Kraftstoff-Kopplung
oder Kraft-Kälte-Kraftstoff-Kopplung wird
der Rohstoff Biomasse in drei Zielenergien gewandelt:
Strom bzw. Kraft, Kraftstoff und Wärme bzw. Kälte. Alle
drei Zielenergien werden als Nutzen im Wirkungsgrad eingerechnet
(Gleichung 7.2-1).
Neben diesen Energieformen gibt es Nebenprodukte
(P Nebenprod. in Gleichung 7.2-1), die nicht in Form der Zielenergie
vorliegen, aber einen energetischen Wert haben.
Diese Nebenprodukte können andere herzustellende Produkte
substituieren bzw. den energetischen Aufwand reduzieren.
Sie werden daher energetisch vom Aufwand bzw.
der eingesetzten Biomasse abgezogen. Hierzu zählen Glycerin,
Naphtha (Rohbenzin), Presskuchen, Dried Distillers
Grain with Solubles (DDGS) aus der Ethanolproduktion
und Extraktionsschrot aus der Rapssaatpressung. Teilweise
müssen die Nebenprodukte noch aufbereitet werden (z. B.
durch Trocknung), bevor sie energetisch genutzt werden
können. Deshalb werden nicht alle Reststoffe energetisch
zu 100 % gewertet. Einige Nebenprodukte werden fast
ausschließlich stofflich genutzt (vorwiegend als Futtermittel
oder Dünger) wie beispielsweise Gärreste, Extraktionsschrot,
DDGS und werden daher in der verwendeten
Methode nur mit 50 % als Reduktion des Aufwandes zur
Bioenergiebereitstellung angerechnet. Bei anderen Nebenprodukten
wie Glycerin oder Naphtha handelt es sich um
η ex = P ab (Nutzen) =
flüssige Energieträger, die zwar auch vorwiegend stofflich
genutzt werden, jedoch direkt zu 100 % ohne Aufbereitung
thermisch genutzt werden können und daher zu 100 %
angerechnet werden. Glycerin kann sehr gut als Kosubstrat
in Biogasanlagen mit hohen Methanausbeuten vergoren
werden. Eine Ausnahme bildet die bei der Ethanolherstellung
aus Zuckerrohr anfallende Bagasse. Diese wird
für gewöhnlich zur Stromerzeugung verbrannt, muss aber
zuvor getrocknet werden. Bagasse wird daher als Reduktion
des Aufwands mit 80 % angerechnet.
Hilfsenergie wird über die gesamte Nutzungskette vom
Anbau bis zur Zielenergie fast immer zum Aufwand hinzugerechnet.
Beispiele sind der Maschineneinsatz zur Feldbestellung,
der Energieaufwand zum Transport der Biomasse
und die in den Konversionsprozessen notwendige Energie
in Form von Strom und Wärme. Thermische und elektrische
Hilfsenergie kann in einem Energiewandlungsverfahren
auch vom Nutzen abgezogen werden, allerdings nur,
wenn es sich um die gleiche Energieform handelt (VDI,
2000). Demnach wird der Strombedarf der Konversionsanlage
vom produzierten Strom, d. h. dem Nutzen abgezogen
(Nettostromproduktion). In der Praxis wird dies in
Deutschland aus wirtschaftlichen Gründen jedoch nicht
immer so gehandhabt, da regenerativer Strom aufgrund
des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes zu einem höheren
Preis verkauft werden kann als konventioneller Strom
bezogen wird. Die thermische Hilfsenergie kann nur dann
von der produzierten Wärme abgezogen werden, wenn sie
in den Energiewandlungsprozess integriert wird. In vielen
Fällen ist das Temperaturniveau der Ausgangswärme
deutlich niedriger als das der benötigten Prozesswärme. In
der thermischen Kraftwerkstechnik ist es daher üblich, die
thermische Hilfsenergie zum Aufwand zu rechnen (Bolhár-
Nordenkampf, 2004; Strauß, 2006). In der hier verwendeten
Methode werden alle Formen der Hilfsenergie zum Aufwand
gezählt mit Ausnahme der elektrischen Hilfsenergie,
wenn in der Anlage selbst Strom erzeugt wird. Diese wird,
wenn sie die Stromproduktion der Anlage nicht übersteigt,
vom Nutzen ‚Strom’ abgezogen. Wenn sie diese übersteigt,
zählt sie zum Aufwand.
Definition der Bilanzgrenzen und der
Berechnung des Wirkungsgrades
Die Bilanzgrenzen (Abb. 7.2-2) der ausgewählten Bioenergiekonversionspfade
umfassen den Rohstoffanbau bzw.
die Bereitstellung der Reststoffe, den Rohstofftransport,
die Wandlung in verschiedenen Konversionsschritten zum
Produkt „Kraftstoff“ (Biodiesel, Bioethanol, Biostrom),
den Produkttransport und die Produktwandlung zur Zielbzw.
Nutzenergie Wärme, Strom und Kraft (mechanische
Energie am Rad des Fahrzeuges). Koppelprodukte und
Hilfsenergien werden wie oben beschrieben integriert.
Zur Bewertung der Bioenergiepfade wird der Wirkungsgrad,
wie in Gleichung 7.2-1 beschrieben, nach VDI
4661 (VDI, 2003) berechnet:
Für das vorliegende Gutachten und in Müller-Langer
et al., 2008 wurde als Energieaufwand für den Transport
P Strom_netto + P Kraft + P Wärme . η Carnot
P zu (Aufwand) P Biomasse + P HE_Anbau + Σ P HE_Trans. + P HE_therm. + P HE_elektr. – P Nebenprod.
Gleichung 7.2-1
Berechnung des exergetischen Wirkungsgrades η ex . Beim exergetischen Wirkungsgrad wird die Wärme über den Carnot-
Wirkungsgrad η Carnot bewertet. Die Berechnung des energetischenWirkungsgrads η en erfolgt analog, wobei der Faktor
η Carnot entfällt. HE = Hilfsenergie.