Bioenergie
Kurzdarstellung
Biomasse kann entweder direkt verbrannt, oder zu Methan veredelt werden. Unter die Verbrennung von Biomasse fallen Holz, Schnittgut, Stroh, etc. Biogas (auch Klärgas und Deponiegas) besteht hauptsächlich aus Methan, jedoch zu einem geringeren Anteil als Erdgas. Dafür sind die Anteile von Kohlendioxid, Wasserdampf und Verunreinigungen wie Schwefelwasserstoff und Ammoniak höher. Durch eine Reihe von Prozessen wird das Biogas in Biomethan umgewandelt, indem der Anteil an Methan erhöht wird und gleichzeitig die anderen Bestandteile dem Gas entzogen werden. Dieses Biomethan wird dann auch Bioerdgas genannt. Insgesamt gibt es drei verschieden Erzeugungsarten von Biogas. Die Erzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen (kurz: NawaRo), Gülle sowie Gas aus der Abfallwirtschaft. Den größten Anteil in der nationalen Erzeugung stellt die Erzeugung aus NawaRo dar. Oftmals werden auch Verfahren miteinander vermischt, wie beispielsweise der Mischung von Gülle und Maispflanzen, da der Betreiber auf diese Weise die Wirtschaftlichkeit seiner Anlage weiter erhöhen kann. Das Bioerdgas kann entweder dem Gasnetz zugeführt oder direkt in einem Verbrennungsmotor oder Gasturbine zu Strom und Wärme umgewandelt werden.
Beispielhafte Investitionsrechnung
Für Biogasanlagen werden Investitionskosten zwischen 2000-4000 €/kW berechnet. Biogaskraftwerke werden überwiegend in einem dann betrieben, wenn das Gas durch einen vorgelagerten Prozess sehr günstig zu beschaffen ist. Dies ist bei Masthöfen oder Deponieanlagen der Fall. Daher haben die Brennstoffkosten einen verhältnismäßig geringen Einfluss auf die Stromgestehungskosten. Einen wesentlich höheren Anteil haben die Anlagengröße und die Volllaststunden. Final ergeben sich Stromgestehungskosten zwischen 9 und 13,5 Cent/kWh.
Definition des Technologiefeldes
Das Technologiefeld Bioenergie gliedert sich in drei Konversionspfade, wobei in der Praxis aber auch eine Verkettung von Technologiegruppen zu finden ist.
a) Die Technologiegruppe Biochemische Biomassekonversion (TRL 1-9) umfasst sämtliche Konversionstechnologien, die im Kern auf mikrobiologischen Vergärungsprozessen basieren (anaerobe und alkoholische Fermentation). Die alkoholische Fermentation wird in großem Umfang zur Produktion von Bioethanol eingesetzt. Als Rohstoff dienen v. a. zucker- oder stärkereiche Rohstoffe. Die anaerobe Vergärung zu Biogas nutzt als Biomasse unterschiedliche Fraktionen organischer Rest- und Abfallstoffe, landwirtschaftliche Nebenprodukte (z. B. Gülle, Mist) oder Anbaubiomasse (z.B. Maissilage). Unter Beteiligung von Mikroorganismen werden Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße in ein Gasgemisch umgesetzt, das überwiegend aus Methan und Kohlenstoffdioxid besteht. Das Rohgas wird in Deutschland vor allem zwei Nutzungswegen zugeführt: Dominierend ist die motorische Verbrennung des grob gereinigten Biogases in Blockheizkraftwerken (BHKW), um ortsnah Strom und Wärme zu erzeugen. Alternativ besteht die Möglichkeit das Biogas einem Trennverfahren zu unterziehen, um Biomethan zu erzeugen, welches als Erdgassubstitut ins Gasnetz eingespeist
werden kann.
b) Technologien zur thermo-chemischen Konversion (TRL 1-9) setzen wasserarme Biomassen um, vor allem forstliche Biomassen oder trockene Nebenprodukte und Reststoffe aus dem Agrar- oder Abfallbereich. Die Prozesse der thermo-chemischen Konversion laufen bei hohen Temperaturen unter gezielter Zugabe von Sauerstoff ab. Es wird unterschieden in Konzepte zur vollständigen Verbrennung der Brennstoffe zur Wärmebereitstellung oder gekoppelten Strom- und Wärmebereitstellung über Dampfprozesse (TRL 9) und zur Vergasung der Brennstoffe unter partieller Sauerstoffzufuhr oder auch unter Sauerstoffabschluss. Das ggf. gereinigte Brenngas kann mittels Verbrennung zu Wärme (TRL 7-9) oder mittels Reaktion in einem Motor/ einer Brennstoffzelle zu Strom- und Wärme (TRL 4-9) umgesetzt werden.
c) Unter physikalisch-chemischen Konversionspfaden werden alle Verfahren zusammengefasst, die Biomassen mit einer Kombination aus Trennverfahren und katalytischen Umwandlungen in Energieträger umwandeln. Hierunter zählen vor allem die Verfahren zur Biodieselproduktion durch Umesterung oder Hydrierung (TRL 9). Neuartige Ansätze unter dem Begriff Hybride Bioraffinerie (TRL 1-3) verfolgen das Ziel, die Bereitstellung von regenerativen Kohlenstoffquellen durch eine Kombination von Biomasse und regenerativem Strom bzw. Wasserstoff darzustellen. Als Beispiel für diesen Konversionspfad kann hier die Prozesskette „SynBioPtX-Methanol“ angeführt werden, wobei die Erzeugung von Elektrolysewasserstoff als Input für die Synthese von Methanol aus biogenem CO2 genutzt wird.
Aktueller Stand der Technologie
Anaerobe biochemische Konversionsprozesse sind die Basis für viele biotechnologische Verfahren, die zur Bereitstellung von Energieträgern (z. B. Biogas, Ethanol, Biobutanol) und stofflich genutzten Materialien eingesetzt werden. Im Bioenergiebereich tragen die Technologien Biogas mit Vor-Ort-Verstromung und Biomethan heute den maßgebend größten Anteil zur Stromerzeugung aus Biomasse bei. Biogas gilt als etablierte Technologie mit notwendigem Optimierungs- und Neuausrichtungsbedarf in einzelnen Prozessschritten. Als Stichworte für aktuelle Herausforderungen lassen sich u. a. nennen: Sektorenkopplung, bedarfsgerechte (Anlagen-)Flexibilität, Digitalisierung, Verwertung von Rest- und Abfallstoffen, Gesamteffizienz, Emissionsminderung. Die thermo-chemische Konversion ist heute vor allem durch Technologien zur reinen Wärmeerzeugung geprägt. So ist der Großteil der biogenen EE-Wärmeerzeugung auf Holzfeuerungsanlagen unterschiedlicher Größenklassen zurück zu führen. Daneben gibt es als zweiten großen Bereich eine Reihe von KWK-Anwendungen in verschiedenen Leistungsklassen, deren bisheriger Fokus in der Regel die Strombereitstellung vor der Wärmenutzung ist. Im oberen Leistungsbereich dominieren unterschiedliche Kondensationskraftwerkstypen mit Wasserdampf- oder ORC-Prozessen. Im mittleren bis kleinen Leistungsbereich kommen verschiedene Biomassevergasertypen zum Einsatz, die mit einem BHKW zur KWK-Nutzung der gereinigten Gase gekoppelt werden. Im Zuge der EEG-Novellen 2014 und 2017 ist der Zubau neuer Anlagen bis auf wenige Ausnahmen fast zum Erliegen gekommen. Die thermo-chemische Vergasung mit anschließender KWK-Nutzung (Motor oder zukünftig auch Brennstoffzelle) hat sich in den Bereichen Standardisierung, Anwendungssicherheit, technische Reife und Emissionsschutz weiterentwickelt. Weitere Entwicklungen zur Flexibilisierung der Anlagen und der besseren Verwertbarkeit unkonventioneller Brennstoffe befinden sich in der Demonstration. Bei der Biomassevergasung bestehen relativ hohe Anforderungen an die eingesetzten Rohstoffe, weshalb auch Konditionierungsverfahren zur Modifikation der eingesetzten Biomassen untersucht werden. Kleine Vergasungsanlagen können sehr gut und schnell geregelt werden, aufgrund derzeit relativ hoher Investitionskosten ist die Marktrelevanz noch gering. Nach der Vergasung kann anstatt einer motorischen Nutzung auch eine Prozesskette zur Synthese von Energieträgern, z. B. Methan (SNG), erfolgen. Neben den klassischen Verbrennungs- und Vergasungsprozessen gibt es Konversionsverfahren sog. „Hydrothermaler Prozesse“ (HTP), die ebenso den thermo-chemischen Konversionspfaden zugerechnet werden. Der Entwicklungsstand dieser Technologieplattform befindet sich heute in Deutschland noch im Stadium der Demonstration.
Die physikalisch-chemische Konversion wird heute im Bereich Biokraftstoffe von der Biodieselproduktion (vorrangig auf Basis von Raps) dominiert. Aktuelle F&EAnsätze zielen u. a. darauf ab, zukünftig vor allem über hybride Konversionsverfahren (Kombination von biomassebasierten und wasserstoffbasierten Konversionspfaden) flüssige Energieträger und biobasierte Kohlenwasserstoffe für die stoffliche Nutzung bereitzustellen. Dazu werden aktuell unterschiedliche Konzepte für Hybride Bioraffinerien konzipiert und weiterentwickelt. Der Bedarf für synthetische chemische
Energieträger kann mit der Stromdirektnutzung kombiniert werden, indem Technologiebereich 1: Erneuerbare Energien Technologien für die Energiewende – Politikbericht WI, ISI, IZES (Hrsg.) | 29 über Elektrolyse Wasserstoff produziert wird. Eine Reihe von bestehenden Anwendungen
und Infrastrukturen sind aber nur bedingt für Wasserstoff geeignet, so dass eine Überführung in Kohlenwasserstoffe naheliegt. Dafür braucht es erneuerbare Kohlenstoffquellen, wie zum Beispiel prozessbedingte CO2-Emissionen (z. B. Stahl- oder Zementherstellung), biomassebasierte CO2-Emissionen bzw. direkte Einkopplung von Wasserstoff in Biomasseprozessketten (z. B. Biogasaufbereitungsanlagen). Verschiedene Konversionstechnologien bieten ideale Ansatzpunkte für eine Verknüpfung mit Power-to-X Konzepten, da in der Biomasse selbst nennenswerte Mengen Kohlenstoff gebunden sind und bei vielen Verfahren CO2 als Nebenprodukt anfällt.
