Zukunftsfähige Bioenergie und nachhaltige Landnutzung

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Kasten 7.2-4 Die Allokationsmethode – Anwendung zur Ermittlung des spezifischen Energieaufwands Um bei der Ermittlung des spezifischen Energieaufwands auch Nebenprodukte (Koppelprodukte) zu berücksichtigen, wird diesen durch die so genannte Allokation ein Teil der aufgewendeten Energie zugeordnet. Die Allokation erfolgt mithilfe von Allokationsfaktoren entlang der Bilanzgrenzen. Diese Faktoren legen fest, welche Anteile jeweils dem Haupt- und dem Koppelprodukt zugeordnet werden. In der Kraft-Wärme-Kopplung wird Strom als Haupt- und Wärme als Koppelprodukt betrachtet. Die Allokationsfaktoren werden nach der Heizwertmethode ermittelt, die die Energiegehalte der Haupt- und Koppelprodukte (z. B. Hauptprodukt: Rapsöl, Koppelprodukt: Presskuchen) ins Verhältnis zur Summe beider Produkte setzt. Unter Verwendung dieser Faktoren werden die Energieaufwendungen aufgeteilt. In einigen Bioenergiepfaden fallen Strom bzw. Wärme als Koppelprodukte an, die als Strom- bzw. Wärmeäquivalente berücksichtigt werden. Für das Stromäquivalent wird vereinfacht für die Erzeugung von Strom ein Mix aus jeweils 50 % Erdgas- GuD-Kraftwerken (η el von 60 %) und Steinkohlekraftwer- möglich, weshalb für die folgende Diskussion als vereinfachende Annahme eine konstante Kostenrelation zugrunde gelegt wird. Bei den Technologiekosten ist nach zwei Gruppen zu unterscheiden: den relativ jungen Technologien, deren Investitionskosten stark fallen können und steile Lernkurven aufweisen sowie den bereits am Markt etablierten oder semi-etablierten Techno- Technisch-ökonomische Analyse und Bewertung von Bioenergienutzungspfaden 7.2 ken (η el von 44 %) angenommen. Für das Wärmeäquivalent wird ein Erdgasbrennwertkessel (η th von 95 %) verwendet (Gleichung 7.2-3). Für die Allokation von Strom und Wärme aus der Kraft- Wärme-Kopplung (KWK) wurde jeweils ein „Heizwert“ für elektrische Energie von 2,5 kWh / kWh el (Fritsche und Wiegmann, 2008) zugrunde gelegt. Die Allokationsfaktoren für die KWK wurden aus den Einzelwirkungsgraden für Strom und Wärme unter Berücksichtigung der energetischen Wertigkeit („Heizwert“) von Strom (F el-Äqu = 2,5) und Wärme (F th-Äqu = 1) ins Verhältnis zur Summe beider Wirkungsgrade einschließlich deren Wertigkeit gesetzt (Gleichung 7.2-4). Tabelle 7.2-4 Wirkungsgrade und Allokationsfaktoren für die im Gutachten analysierten Bioenergiepfade mit Kraft-Wärme- Kopplung. Quelle: Müller-Langer et al, 2008 Technologie Elektrischer Wirkungsgrad ηel Blockheizkraftwerk (BHKW) AF el = 2,5 . η el (2,5 . η el + η th ) AF = m HP . H u,HP m HP . H u,HP + Σ (m KP,n · H u,KP,n ) + W el . F el-Äqu + W th . F th-Äqu Gleichung 7.2-4 AF Allokationsfaktor; η th Einzelwirkungsgrad Wärme; η el Einzelwirkungsgrad Strom Gleichung 7.2-3 AF - Allokationsfaktor; m HP - Masse Hauptprodukt; H u,HP - unterer Heizwert Hauptprodukt; m HPn - Masse Koppelprodukt(e); H u,KP,n - unterer Heizwert Koppelprodukt(e); W el - Strom als Koppelprodukt; F el-Äqu - Stromäquivalent („Heizwert“); W th -Wärme als Koppelprodukt; F th-Äqu - Wärmeäquivalent („Heizwert“) Thermischer Wirkungsgrad η th 38 % 44 % 0,68 Brennstoffzelle (SOFC) 48 % 23 % 0,84 Dampfturbine 23 % 60 % 0,49 Gasturbine 25 % 55 % 0,53 Steinkohlekraftwerk 45 % 1,0 Gas- und Dampfkraftwerk (GuD) 43 % 30 % 0,78 Allokationsfaktor für Strom als Hauptprodukt logien, deren Kosten ebenfalls sinken, aber in einem geringeren Ausmaß. Der Anteil der Kapital- bzw. Technologiekosten an den Gestehungskosten ist bei den jungen Technologien besonders hoch, was in Abbildung 7.2-4a, b, und c deutlich zu erkennen ist. Zu den jungen Technologien zählen die Lithium- Ionen-Batterien, Brennstoffzellen und alle Biomassevergasungsanlagen, die holzartige Biomasse zu 175
176 7 Anbau und energetische Nutzung von Biomasse Roh- Hs. + Roh- Pflanzenöl Biogas Biomethan gas Pellets Biogas Biomethan gas Hs. Pellets a Stroh-Pellet-KohleKW-2005 Restholz-Pellet-KohleKW-2005 Stroh-Hackschn-HeizKW-DampfTurb-2005 Restholz-Hackschn-HeizKW-DampfTurb-2005 Restholz-Rohgas-BrennstZelle(SOFC)-2030 Restholz-Rohgas-GasTurb-2030 Restholz-Biomethan-GuD-KW-2030 BioAbfall-Biomethan-GuD-KW-2005 Ernterückstände/Gülle-Biomethan-GuD-KW-2030 BioAbfall-Biomethan-BHKW-2005 Ernterückstände/Gülle-Biomethan-BHKW-2005 BioAbfall-Biogas-BrennstZelle(SOFC)-2005 Ernterückstände/Gülle-Biogas-BrennstZelle(SOFC)-2005 BioAbfall-Biogas-BHKW-2005 Ernterückstände/Gülle-Biogas-BHKW-2005 KUP-Pellet-KohleKW-2030 KUP-Hackschn-HeizKW-DampfTurb-2030 KUP-Rohgas-BrennstZelle(SOFC)-2030 KUP-Rohgas-GasTurb-2030 KUP-Biomethan-GuD-KW-2030 Grassilage/Gülle-Biomethan-GuD-KW-2030* Rutenhirse-Biomethan-GuD-KW-2030 Maissilage-Biomethan-GuD-KW-2005 Grassilage/Gülle-Biomethan-BHKW-2030* Rutenhirse-Biomethan-BHKW-2030 Maissilage-Biomethan-BHKW-2005 Grassilage/Gülle-Biogas-BrennstZelle(SOFC)-2030* Rutenhirse-Biogas-BrennstZelle(SOFC)-2030 Maissilage-Biogas-BrennstZelle(SOFC)-2005 Grassilage/Gülle-Biogas-BHKW-2030* Rutenhirse-Biogas-BHKW-2030 Maissilage-Biogas-BHKW-2005 Raps-Pflanzenöl-BHKW-2005 Jatropha(degradiert)-Pflanzenöl-BHKW-2030 Jatropha-Pflanzenöl-BHKW-2030 Ölpalme(degradiert)-Pflanzenöl-BHKW-2005 Ölpalme(Regenwald)-Pflanzenöl-BHKW-2030 0 10 20 30 40 50 60 Gestehungskosten der Strompfade [€ct/kWhel] kapitalgebundene Kosten (Technologiekosten) Betriebs- und Wartungskosten Rohstoffkosten der Biomasse Abbildung 7.2-4a Gestehungskosten von Bioenergiepfaden zur Stromproduktion. Die Beiträge der Kapital- bzw. Technologiekosten, der Betriebskosten und der Rohstoffkosten sind jeweils einzeln kenntlich gemacht. * Für diese Pfade wurde eine Mischung aus 70 % Gras und 30 % Gülle angenommen. Die Bezeichnungen der Pfade beziehen sich auf die in den Tabellen 7.2-1 und 7.2-2 aufgelisteten Anbaussysteme und Konversionsverfahren. Quelle: WBGU und Müller-Langer- et al., 2008 Pellets b Stroh-Pellet-Heizung-2005 Restholz-Pellet-Heizung-2005 KUP-Pellet-Heizung-2030 Rutenhirse-Pellet-Heizung-2030 Gestehungskosten der Wärmepfade [€ct/kWhth] kapitalgebundene Kosten (Technologiekosten) Betriebs- und Wartungskosten Rohstoffkosten der Biomasse Reststoffe Energiepflanzen E. R. Wärme 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Abbildung 7.2-4b Gestehungskosten von Bioenergiepfaden zur Wärmeproduktion. Die Beiträge der Kapital- bzw. Technologiekosten, der Betriebskosten und der Rohstoffkosten sind jeweils einzeln kenntlich gemacht. Die Bezeichnungen der Pfade beziehen sich auf die in den Tabellen 7.2-1 und 7.2-2 aufgelisteten Anbaussysteme und Konversionsverfahren. R. = Reststoffpfade, E. = Energiepflanzenpfade. Quelle: WBGU und Müller-Langer et al., 2008 Strom
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