Zukunftsfähige Bioenergie und nachhaltige Landnutzung

Abbildung 7.2-2
Bilanzgrenzen zur
Wirkungsgradberechnung.
Alle Energieflüsse, die entlang
der Bereitstellungskette von
Bioenergie auftreten, werden in die
Bilanzierung miteinbezogen. Dies
umfasst die Hauptenergieströme
Biomasserohstoff als Input und
elektrische, mechanische und
thermische Energie als Output
sowie alle Hilfsenergieströme im
Anbau, dem Transport und der
Wandlung der Biomasse bzw. des
Bioenergieträgers und eventuell
anfallende Koppelprodukte wie
Naphtha, Presskuchen, Bagasse,
Glycerin usw.
Quelle: WBGU
des Rohstoffes Biomasse eine Distanz von 50 km angesetzt
und für die Produktverteilung (vorwiegend Biokraftstoffe)
eine Distanz von 300 km zugrunde gelegt. Ferner wird eine
Auslastung der Anlagen von 7.000 h pro Jahr bzw. bei Mitverbrennung
von Biomasse in Steinkohlekraftwerken von
5.000 h pro Jahr angenommen. Als Datengrundlage für
alle Wirkungsgradberechnungen wird Müller-Langer et al.,
2008 verwendet.
Exergetische Wertung von Wärme
Ein direkter Vergleich der Wärmeenergie mit elektrischer
bzw. mechanischer Energie kann zu falschen Schlussfolgerungen
führen, da sich diese Energieformen nicht eins
zu eins in die jeweils anderen umwandeln lassen. So lässt
sich Wärmeenergie auch bei verlustfreier und reversibler
Wandlung nur teilweise in mechanische bzw. elektrische
Energie konvertieren. Dieser Anteil ist vom Temperaturniveau
der zur Verfügung stehenden Wärmeenergie abhängig
und wird als Exergie bezeichnet. Sie lässt sich über den
thermischen Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses wie folgt
nach Gleichung 7.2-2 darstellen:
E = E ex th . ηCarnot = Eth . 1 (
Gleichung 7.2-2
Berechnung der Exergie von Wärme.
TU – TH Hierbei wird der exergetische Anteil der Wärme mit
E ex , die Wärmeenergie mit E th , das Temperaturniveau der
Wärme in Kelvin mit T H und die Umgebungswärme mit T U
bezeichnet. Umgekehrt lässt sich z. B. über einen Wärmepumpenprozess
aus mechanischer bzw. elektrischer Energie,
die den Wert der Energie besitzt, wieder die gesamte
Wärmeenergie bereitstellen.
Die Exergie ist also das mechanische bzw. elektrische
Äquivalent der Wärmeenergie und in Abbildung 7.2-3 für
die verschiedenen Wandlungsvorgänge dargestellt.
Für die Berechnung der Wirkungsgrade und die Wertung
der Wärme wurden hierbei vereinfachend eine Umgebungstemperatur
T u von 293 K (20°C) und ein Temperaturniveau
der ausgekoppelten Wärme T o von 373 K (100°C)
angenommen. Daraus abgeleitet werden die Wärmemengen
in der Wirkungsgradberechnung mit dem Faktor 0,214
bewertet, der sich aus dem Carnot-Wirkungsgrad ergibt.
Dieser Teil ist die Exergie der Wärme. In den folgenden
Abbildungen wird der Wirkungsgrad der Wärmebereitstellung
jeweils aufgeteilt nach Exergie und Anergie dar-
Technisch-ökonomische Analyse und Bewertung von Bioenergienutzungspfaden 7.2
)
Fläche/
Lager
Hilfsenergie
beim
Anbau
Anbau und
Gewinnung
von
Biomasse
Hilfsenergie
beim
Transport
Biomassetransport
ThermischeHilfsenergie
Konversion
Neben- Wärme
produkte
Elektrische
Hilfsenergie
Produkttransport
Hilfsenergie
beim
Transport
Bilanzgrenze
Produktwandlung
Wärme
Antrieb
Strom
gestellt. Energie besteht immer aus Exergie und Anergie
(Baehr, 1965; Baehr und Kabelac, 2006). Diese Unterscheidung
ist in der Thermodynamik üblich, wohingegen außerhalb
des technischen Diskurses diese Unterscheidung in
vielen Fällen nicht getroffen wird und dadurch technische
Sachverhalte fehlerhaft interpretiert werden können.
Für die Berechnung der Mobilitätspfade im Gutachten
wurde auf durchschnittliche Kennwerte aus der mittleren
Fahrzeugklasse zurückgegriffen, die in Tabelle 7.2-3 zusammengestellt
sind. Alle Werte sind nach dem neuen europäischen
Fahrzyklus (NEFZ) ermittelt, welcher einheitlich
festlegt, unter welchen Bedingungen und mit welchen
Geschwindigkeitsabläufen ein Fahrzeug bei der Ermittlung
des Energie- bzw. Kraftstoffverbrauchs und den dabei entstehenden
Treibhausgasemissionen betrieben wird.
Tabelle 7.2-3
Kennwerte der verwendeten Fahrzeugtypen in den
Mobilitätspfaden nach neuem europäischen Fahrzyklus.
Die Größe MJ bezogen auf Input beschreibt den Energieträger
im Fahrzeug, d. h. ein MJ Kraftstoff bzw. ein
MJ Strom.
Quelle: Müller-Langer et al., 2008
Fahrzeugtyp –
Antriebsaggregat
Otto-Verbrennungsmotor
für Benzin
und Gas (Methan)
Diesel-Verbrennungsmotor
Zeithorizont
Reichweite
bezogen
auf
Input
[km/MJ]
2005 0,37 0,26
2030 0,48 0,29
2005 0,43 0,29
2030 0,53 0,32
Elektromotor 2030 1,11 0,78
PEM-Brennstoffzellen-Pkw
mit
Elektromotor
2030 0,71 0,39
Wirkungsgrad(mechanischeAntriebsenergie
bezogen
auf Input)
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