1. Regenerative Energietechnik II
Biomasse Teil 2
From trash to cash
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2. Prinzipielle Pfade der Biomassekonversion
Thermal Biological Physical
Excess air Partial air No Air Anaerobe
Pretreatment Vergärung
Combustion Gasification Pyrolysis Hydrolysis
Fermentation (Heat & Pressure)
Heat Fuel Gases Liquids Ethanol CH4 Liquids
(CO + H2)
H2
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3. Schematischer Ablauf der Fermentation
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4. Theoretische Gasausbeute der Methangärung
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5. Biogasausbeute verschiedener Substrate
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6. Ergiebigkeit tierischer Exkremente pro Tag (Anhaltswerte)
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7. Ergiebigkeit und Gärdauer für das Vergären
landwirtschaftlicher Produkte
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8. Einfluss der Temperatur auf die Gasproduktion von
kommunalem Klärschlamm
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9. Summenkurve der Biogasproduktion für Tierkot bei
verschiedenen Temperaturen
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10. Schematischer Zusammenhang zwischen den Kenngrößen der
Biogaserzeugung bei kontinuierlicher Beschickung
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11. Schema einer kontinuierlich arbeitenden Biogasanlage
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12. Prinzip der Phasentrennung
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13. Schema einer Dom-Biogasanlage
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14. Anzahl der Biogasanlagen in Deutschland
•Insgesamt waren
Ende 2006 in
Deutschland etwa
3.500 Biogas-
anlagen mit
zusammen-
genommen etwa
1.100 MW el in
Betrieb.
•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 kW th) zur Versorgung von landwirtschaftlichen
Haushalten bzw. im kleinen Bereich (ca. 5 – 30 kW th) zur Energieversorgung von
Dorfgemeinschaften etc. auf.
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15. Einspeisung von Biomethan ins Erdgasnetz
Quelle: Stadtwerke Aachen
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16. Gegenüberstellung des
nutzbaren biochemischen
Biogaspotentials und der
Aufnahmekapazität des
Erdgasnetzes einschließ-
lich Biogasanlagen
Ausbauszenario
• 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.
Quelle: Ramesohl et al., BWK Bd. 58 (2006) Nr.5, 63-68
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17. Erlöse aus der Nutzung von Biomasse
Art der Anlagen bis Anlagen bis Anlagen bis Anlagen bis
Vergütung 150 kW el 500 kW el 5 MWel 20 MWel
Mindestvergütung 11,50 ct/kWh 9,90 ct/kWh 8,90 ct/kWh 8,40 ct/kWh
nach EEG
NaWaRo-Bonus 6,00 ct/kWh 6,00 ct/kWh 4,00 ct/kWh 0,00 ct/kWh
KWK-Bonus 2,00 ct/kWh 2,00 ct/kWh 2,00 ct/kWh 2,00 ct/kWh
Innovationsbonus 2,00 ct/kWh 2,00 ct/kWh 2,00 ct/kWh 0,00 ct/kWh
Summe aus EEG 21,50 19,90 16,90 10,40
ct/kWh ct/kWh ct/kWh ct/kWh
• NaWaRo: Nachwachsende Rohstoffe; KWK: Kraft-Wärme-Kopplung;
EEG: Erneuerbare Energien Gesetz
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18. Technologiebonus
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, Biogasaufbereitu ng 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.
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19. Stromgestehungskosten und zu erwartende Erlöse aus
Nawaro Biogasanlagen
Quelle: Ramesohl et al., BWK Bd. 58 (2006) Nr. 3, 45-49
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20. 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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21. Spezifische Kosten der Biogaserzeugung, -aufbereitung
und Einspeisung
Quelle: Ramesohl et al., BWK Bd. 58 (2006) Nr.5, 63-68
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22. Nutzung von Deponiegas
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23. Typische Zusammensetzung von Brenngasen regenerativen Ursprungs
Grubengas, Grubengas, Deponiegas Klärgas Biogas Holzgas ** Erdgas
aktives Bergwerk stillgelegtes Bergwerk
Hauptkomponenten
Methan [% vol] 25 - 60 40 - 75 45 - 60 55 - 70 55 - 70 0-3 88,5
Kohlenmonoxid [% 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 5
Kohlendioxid [% vol] <5 10 - 15 30 - 40 25 - 35 25 - 35 12 - 13 --
Spurenstoffe
Summe 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 4,7
Propan [% vol] <1 <1 1,6
Butan [% vol] <1 <1 0,2
Summe BTX [mg/m³i.N. ] 1500 -2500
Summe PAK [mg/m³i.N. ] 2000 - 4500
Sonstiges
relative Feuchte [%] 70 - 100 100 90 - 100 90 - 100 0 - 20
Wasserdampf [%] 10 - 15
Heizwert Hu [kWh/m³ i.N. ] 2,5 - 6 4 - 7,5 4,5 - 6 5,5 - 7 5,5 - 7 0,9 - 1,5 10,1
k.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
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24. Kategorien von Biomasse
Grundsätzlich lassen sich die beiden Arten Rückstände und
Energiepflanzen unterschieden:
• Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle umfassen schon vorhandene
Stoffe bzw. Stoffströme, die einer energetischen Verwendung zuge führt
werden.
§ 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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25. 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 werd en 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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26. Übersicht der technischen Biomassepotentiale in Deutschland (2005 )
• PEV 2006:
Jahr 2005
14.464 PJ
bzw. 4.020
TWh.
Quelle: Ramesohl et al., Studie: Analyse und Bewertung
der Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse
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27. Annahme der Entwicklung der verfügbaren Flächen
Quelle: Ramesohl et al., Studie: Analyse und Bewertung
der Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse
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28. Entwicklung der Energiepotentiale nachwachsender Rohstoffe
(NaWaRo) bis zum Jahr 2030
Quelle: Ramesohl et al., Studie: Analyse und Bewertung der Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse
Mit den Daten der vorhergehenden Folie ergeben sich somit folgende Potentiale:
• 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.
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29. Beitrag der erneuerbaren Energien zur Energiebereitstellung
in Deutschland 2006
Endenergiebereitstellung aus erneuerbaren Energien
Windkraft 30,5
Wasserkraft 21,6
Biomasse 16,7
davon feste Biomasse, einschl. biogener Abfall 10,2
Strom
davon Biogas [TWh] 5,4
= (Mrd. kWh)
davon flüssige Biomasse 1,1
Deponie- und Klärgas 1,9
Photovoltaik 2,0
Geothermie 0,0004
Summe Strom 72,7
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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30. Beitrag der erneuerbaren Energien zur Energiebereitstellung
in Deutschland 2006
Endenergiebereitstellung aus erneuerbaren Energien
Biomasse 83,9
davon feste Biomasse, einschl. biogener Abfall 77,6
davon flüssige Biomasse 1,0
Wärme
davon biogene gasförmige Brennstoffe [TWh] 5,4
Solarthermie = (Mrd. kWh) 3,4
tiefe Geothermie 0,1
oberflächennahe Geothermie 1,9
Summe Wärme 89,4
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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31. Vereinfachtes Schema der Äthanolgewinnung aus
verschiedenen Biomassen
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32. Hauptbestandteile der Biomasse
H3 CO
Lignin: 15-25% HO
O O
OCH3
H3 CO
O
OH
§ Komplexe aromatische Struktur
OCH3
OCH3 O
O HO OH
O
OCH3 OCH3
OH
O
§ Hoher Energieinhalt
O HO
HO OH O OH
O O HO
HO O OH
O
§ Bewirkt durch Einlagerung in die OH OH OH
OH OH O
OCH3 H3CO HO
OCH 3
Zellulosematrix die Verholzung OCH3
OCH3
HO
O
OH
O OH
O
OH
O HO
OH
O
O
pflanzlicher Zellen O
OH OCH 3
O OH
HO
O HO
OH O HO
O HO
O OH
O OH
O O OH
O
O OH OH OH OH
OH OH O OH O
Hemizellulose: 23-32% HO
OH
H3CO
OCH3
HO
O
OH
O OH
HO
O
O HO
OH
O OH
HO
O
O HO
OH OH
O
§ Polysaccharid, welches nicht nur aus O OH HO
O HO
OH O HO
O HO
OH O
O OH
O OH O OH
OH
O
Glukoseketten, sondern aus weiteren OH
OH
OH O
OH
OH O
OH
HO HO
Zuckern (C5- und C6-Zucker) besteht HO
O
OH
O OH
O
O HO
OH
O OH
O
O HO
OH OH
O
HO OH O HO OH O
O O
O HO O HO
Zellulose: 38-50%
O OH
O OH O OH
O OH
OH OH
OH O OH O
HO HO
OH O HO O HO
OH OH
§ Polysaccharid, welches aus reinen O O O
OH OH
OH O HO OH O
Glukoseketten (C6H12O6) besteht, die OH O
O HO
OH OH
O
OH
durch Wasserstoffbindung zusammen- OH O
HO
gehalten werden OH
O
OH
O HO
§ Wichtiger Rohstoff der chem. Industrie
OH O
OH
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33. Prinzip der Umwandlung von Stärke in Äthanol
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34. Gärungsverlauf eines diskontinuierlichen Prozesses der
Äthanolerzeugung
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35. Fließschema für kontinuierliche Gärung zur Äthanolerzeugung
aus Biomasse
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36. Blockschema eines
Produktionsprozesses für
Äthanol aus Zuckerrohr
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37. Schema der Gewinnung
von Bioethanol aus
Zuckerrohr
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38. Gewinnung von
Bioalkohol und Biogas
(Zuckerfabrik
Ochsenfurt in Franken)
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39. Alkohol-Erträge pro ha verschiedener Rohstoffe
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40. Endenergiebedarf der Äthanolherstellung und Energieinhalt der
Abfallstoffe in MJ / l Äthanol
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41. Eigenschaften von Äthanol und Benzin
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