4.3 Ressourcenpotenziale
4.3.1 Biogene Ressourcen für erneuerbare Energien im Verkehr
Das BIORESSOURCENPOTENZIAL IN DEUTSCHLAND kann inzwischen relativ gut bewertet und abgeschätzt werden, wenngleich noch zahlreiche Fragen für eine effiziente und nachhaltige Nutzungsstrategie beantwortet werden müssen, beispielsweise hinsichtlich quantitativer und qualitativer Unterschiede im Zeitverlauf oder im regionalen Kontext.
In der DBFZ-Ressourcendatenbank9 sind Daten für 77 biogene Nebenprodukte, Reststoffe und Abfälle (für Deutschland, Bezugsjahr 2015) gelistet. Diese Ressourcen können in verschiedene Potenzialebenen differenziert werden: So wird zunächst das theoretische Potenzial bestimmt, welches sich in das technische Potenzial und in einen aufgrund von technischen Restriktionen (z. B. Bergungsrate oder Konversionsverluste) nicht mobilisierbaren Anteil aufteilt. Das technische Potenzial wiederum wird aufgegliedert in Biomasse, die bereits für andere Zwecke (z. B. energetisch oder stofflich) genutzt wird,
Theoretisches Potenzial Technisches Potenzial Mobilisierbares Potenzial
Wirtschaftliches Potenzial Umsetzungspotenzial Nachhaltiges Umsetzungspotenzial
© DBFZ, 12/2021
und Biomasse, die mobilisiert werden könnte. Schlussendlich können die Daten hinsichtlich ihrer Relevanz für den Verkehrssektor kontextualisiert werden.
Abbildung 4-8 zeigt deutlich, wie sich das Ressourcenpotenzial der biogenen Nebenprodukte und Abfälle entlang der Potenzialkaskade reduziert – von insgesamt 199 bis 278 Mio. t theoretischem Potenzial über 86 bis 140 Mio. t technisches Potenzial bis hin zu 14 bis 45 Mio. t mobilisierbarem Potenzial [DBFZ (2021b)]. Bezogen auf die Masse nehmen land- und forstwirtschaftliche Nebenprodukte dabei den deutlich größten Anteil ein. Neben der Erschließung bisher ungenutzter Nebenprodukte und Abfälle ist zudem eine erweiterte Nutzungskaskade um einen energetischen Nutzungsschritt denkbar, beispielsweise in Form einer anaeroben Vergärung biogener Abfälle, bevor diese einer Kompostierung zugeführt werden.
Abbildung 4-8 Verfügbares Bioressourcenpotenzial aufgeteilt nach Hauptrohstoffkategorien in Deutschland, Hinweise: ohne biogene Hauptprodukte, Bezugsjahr 2015; eigene Berechnung auf Datenbasis: [DBFZ (2021b)]
Das technische BIORESSOURCENPOTENZIAL DER EUROPÄISCHEN UNION wurde bereits im Rahmen zahlreicher Studien bewertet. Dabei wurden teilweise auch Abschätzungen hinsichtlich der für Bioenergiezwecke verfügbaren Biomasse vorgenommen. Eine der ausführlichsten Überprüfungen der Biomasseressourcen-bewertungen in der EU war das Projekt Biomass Energy Europe (FP7). Eine aktualisierte Datenbasis von 2015 bis 2017 [Hoefnagels (2018)] ist als Bandbreite in Abbildung 4-9 dargestellt.
LW FW SK IR SF LW FW SK IR SF LW FW SK IR SF
Theoretisches Potenzial Technisches Potenzial Mobilisierbares Potenzial 0
25 50 75 100 125 150
Maximales Potenzial Minimales Potenzial
LW: Landwirtschaftliche Nebenprodukte
FW: Holz- und forstwirtschaftliche Nebenprodukte SK: Siedlungsabfälle und Klärschlamm
IR: Industrielle Reststoffe
SF: Reststoffe von sonstigen Flächen
© DBFZ, 11/2021
DE | Bioressourcenpotenzial in Mio. t/a TM
Abbildung 4-9 Verfügbares Bioressourcenpotenzial aufgeteilt nach Hauptrohstoffkategorie in Europa, eigene Darstellung auf Datenbasis: [Hoefnagels (2018)]
Das Imperial College London kommt in seiner Analyse auf ein europäisches Bioressourcenpotenzial aus land- und forstwirtschaftlichen Nebenprodukten und Reststoffen sowie Bioabfällen von 1,0 bis 1,2 Mrd.
Tonnen (TS) im Jahr 2030 bzw. 1,0 bis 1,3 Mrd. Tonnen (TS) im Jahr 2050 [Imperial College London (2021)]. Die entsprechenden Bandbreiten von 16 bis 20 EJ/a im Jahr 2030 bzw. 17 bis 22 EJ/a im Jahr 2050 und liegen damit im oberen Bereich der Bandbreiten von [Hoefnagels (2018)] in Abbildung 4-9.
Abzüglich anderweitiger Nutzungen verbleibt daraus ein für Bioenergie nutzbares Biomassepotenzial von 9 bis 14 EJ/a im Jahr 2030 bzw. 9 bis 15 EJ/a im Jahr 2050. Im Vergleich mit zwei weiteren auf EU-Ebene erfolgten Biomassepotenzialanalysen für Bioenergie zeigt sich, dass die unteren Bandbreitengrenzen mit 8 bis 9 EJ/a relativ ähnlich sind, wobei die oberen Grenzen der Bandbreiten in den Jahren 2030 bzw.
2050 mit 11 EJ/a bzw. 13 EJ/a (Generaldirektion Forschung und Innovation – GD RTD) niedriger sowie mit 18 EJ/a bzw. 21 EJ/a (Times Model des Joint Research Centre – JRC Times) deutlich höher ausfallen (eigene Berechnung auf Basis [Imperial College London (2021)]). Eine Bewertung kommt zu dem Schluss, dass die auf europäischer Ebene derzeit verfügbare Datenlage als noch zu unsicher und inhomogen einzuschätzen ist. Durch weitere Forschungsarbeiten sollte das grundsätzlich vielversprechende Potenzial durch robustere Modelle und stärker integrierte Analysen untersetzt werden, um eine gute Grundlage für nachhaltige alternative Kraftstoffe als wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors zu bieten. [Prussi (2022)]
Mit dem Fokus auf landwirtschaftliche Abfälle und Nebenprodukte in Europa hat [Bedoić (2019)] deren Mengen aus Obstanbau und -verarbeitung, Gemüseanbau und -verarbeitung, Getreideanbau (inkl.
Ernterückständen) sowie der Tierhaltung und Fleischverarbeitung betrachtet. Reduziert um einige Fraktionen, die ggf. auch im Nahrungs- und Futtermittelbereich nutzbar sind, sowie einige energetisch schwer bis nicht nutzbare Stoffströme ergibt sich ein technisches Potenzial von 3,25 Mrd. t Frischmasse (FM, Bezugsjahr 2016), was schätzungsweise etwa 0,7 Mrd. t Trockensubstanz (TS) entspricht (eigene Berechnung). Eine Übertragung dieser Mengen in eine wiederum entsprechende Energiemenge ist ohne eine umfassende Detailanalyse schwer möglich.
2020 2030 2050 2020 2030 2050 2020 2030 2050 2020 2030 2050 2020 2030 2050
Energiepflanzen
Im Vorhaben HyFlexFuel wurden europäische Potenziale für elf ausgewählte Bioressourcen auf den Regionalisierungsebenen NUTS0 bis NUTS3 (in Deutschland Landkreisebene) und Informationen zu deren Verfügbarkeit bereitgestellt. Die ermittelten technischen Potenziale beziehen sich dabei je nach Verfügbarkeit auf Quelldaten aus Referenzjahren zwischen 2009 und 2019. Die bereitgestellten Daten werden am DBFZ weiter aktualisiert und harmonisiert. [Bellot (2021); HyFlexFuel (2021)]
Grundsätzlich zeigt die Datenlage, dass keine vollumfängliche und aktuelle Potenzialanalyse für europäische Biomassen verfügbar ist. Vor allem mit Blick auf bestehende und angestrebte Nutzungen dieser Stoffströme erscheint dies unerlässlich.
Im Rahmen einer Meta-Analyse hat die IRENA (engl.: International Renewable Energy Agency) Studien (Publikationszeitraum von 2007 bis 2014) zum WELTWEITEN BIORESSOURCENPOTENZIAL ausgewertet. Die untersuchten Studien weisen jedoch große Unterschiede auf, die sich vor allem aus den angewandten Methoden und den betrachteten Potenzialkategorien ergeben. Zusammenfassend ergibt sich für den Zeitraum 2025 bis 2035 ein globales Bioressourcenpotenzial von 45 bis 375 EJ/a (Mittelwert 135 EJ/a).
Das Potenzial für Bioressourcen aus Algen wird dabei mit 2 bis 6 EJ/a anteilig relativ niedrig eingeschätzt.
Lässt man die Energiepflanzen (hier nur Non-Food) unberücksichtigt, verbleibt ein (überwiegend technisches) Potenzial von 35 bis 240 EJ/a. [IRENA (2016)] Es bedarf weiterführender und vor allem vertiefter Analysen dahingehend, welcher Anteil des Potenzials erschlossen werden kann und auf welche Sektoren bzw. Kaskaden eine nachhaltige Nutzung verteilt werden sollte. Die Abschätzung eines weltweiten nachhaltigen Biokraftstoffpotenzials bedarf analog zur deutschen oder europäischen Ebene einer übergreifenden Biomassestrategie (siehe Exkurs „Notwendigkeit einer umfassenden Biomassestrategie“).
Abbildung 4-10 Verfügbares Bioressourcenpotenzial aufgeteilt nach Hauptrohstoffkategorie weltweit Hinweis: Jahresangaben sind Zeitspannen, überwiegend technisches Potenzial, eigene Darstellung auf Datenbasis: [IRENA (2016)]
Auch in China wird zunehmend auf Biogas bzw. Biomethan auf Basis von geeigneten Abfällen und landwirtschaftlichen Reststoffen gesetzt (Abschnitt 5.2). Im Zuge der Verstädterung Chinas ist davon
2010
auszugehen, dass die Menge an Hausmüll und anderen organischen Abfällen, etwa Lebensmittel-abfällen, erheblich zunimmt. Der anfallende Klärschlamm in Chinas Städten umfasste im Jahr 2017 etwa 10 Mio. t (TS). Darüber hinaus geht man von einem technischen Potenzial von 817 Mio. t Stroh (von verschiedenen Kulturpflanzen) sowie 2,7 Mrd. t Gülle und Mist (jeweils Mittelwerte der Jahre 2007 bis 2011) aus. [Zheng (2020)]
RESSOURCENPOTENZIAL UND ANBAUFLÄCHEN BIOGENER HAUPTPRODUKTE
Die für Energiepflanzen genutzte LANDWIRTSCHAFTLICHE FLÄCHE ist IN DEUTSCHLAND tendenziell rückläufig.
Der deutlich überwiegende Anteil wird durch den Anbau von Pflanzen für Biogasanlagen eingenommen, im Jahr 2020 etwa 65 % der 2,3 Mio. ha. Für den Anbau von Pflanzen für Bioethanol wurden 212.000 ha und für Pflanzenöle für Biodiesel 573.000 ha genutzt. Beide Flächen sind in den vergangenen Jahren tendenziell rückläufig. Die insgesamt 785.000 ha entsprechen etwa 4,7 % der in Deutschland landwirtschaftlich genutzten Fläche. In Deutschland produzierte oder genutzte Biokraftstoffmengen auf Basis von importierter Biomasse sind in diesen Flächenangaben nicht enthalten.
Tabelle 4-1 Anbaufläche für Bioenergiepflanzen in Deutschland von 2012 bis 2020 in 1.000 ha, Datenbasis: 2012-14 [BMEL (2019)], ab 2015 [BMEL (2021)]
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 Raps für
Biodiesel/Pflanzenöl
786 614 799 805 720 591 590 515 573
Pflanzen für Bioethanol 201 173 188 238 259 248 266 215 212
Kraftstoffpflanzen insgesamt
987 787 987 10.043 979 839 856 730 785
Pflanzen für Biogas 1.163 1.269 1.354 1.340 1.394 1.430 1.550 1.520 1.480 Pflanzen für
Festbrennstoffe
11 9 11 11 11 11 11 11 11
Energiepflanzen insgesamt
2.160 2.060 2.350 2.390 2.380 2.280 2.420 2.260 2.280
Landwirtschaftlich genutzte Fläche insgesamt
16.667 16.700 16.725 16.731 16.659 16.687 16.645 16.666 16.595
Die für die Produktion von Biokraftstoffen geeigneten Anbaupflanzen sind vor allem Ölsaaten (Soja, Raps) und Ölfrüchte (Palm) sowie zucker- (Zuckerrohr, Zuckerrübe) und stärkehaltige Pflanzen (Mais, Getreide).
In den vergangenen Jahrzehnten wurden für nahezu alle diese Feldfrüchte die WELTWEITEN ANBAUFLÄCHEN
deutlich ausgeweitet, wobei auch die spezifischen Flächenerträge leicht gestiegen sind. Abbildung 4-11 zeigt die weltweite Anbaufläche (x-Achse) sowie die spezifischen Flächenerträge (y-Achse) in den Jahren 1961 und 2018, wobei die Größe der Kreise proportional zum globalen Gesamtertrag der jeweiligen Feldfrüchte ist. Des Weiteren ist für das Jahr 2018 der Anteil dargestellt, welcher für die Biokraftstoff-produktion genutzt wurde. Die Kulturpflanze mit der geringsten Ertragssteigerung war mit 45 % Zuckerrohr. Ölpalmenfrüchte haben in ihrer Bedeutung stark zugenommen: Die Ertragssteigerung lag bei 285 %, der Zuwachs an geernteter Fläche bei 682 %, die Produktion nahm um 2.912 % zu. Die einzige Kulturpflanze, deren Anbaufläche zurückging, war die Zuckerrübe (Rückgang um 33 %), was sich jedoch nicht auf die Produktion (Zunahme um 74 %) und den Ertrag auswirkte (Zunahme um 161 %). Insgesamt
wurden im Jahr 2018 weltweit folgende Ertragsanteile für die Produktion von Biokraftstoffen verwendet:
2 % Zuckerrübe, 12 % Palmfrucht, 14 % Soja, 15 % Mais, 19 % Zuckerrohr und 24 % Raps. [FAO (2021)].
Eine Fruchtfolge besteht in der Regel aus mehr als einer Kultur. Zum Beispiel wird Zuckerrohr im Zeitabstand von fünf bis zehn Jahren erneuert und es werden Leguminosen als Zwischenkultur angebaut, unter anderem um den Boden vor Erosion zu schützen und Stickstoff und Kalium biologisch zu fixieren [Jos (2013)].
Abbildung 4-11 Weltweite Ernteflächen, Ernteerträge und Gesamtproduktion sowie Anteil der Nutzung für die Biokraftstoffproduktion für ausgewählte Biomassen in den Jahren 1961 und 2018, eigene Berechnung auf Basis [FAO (2021); IHS Markit (2018)-(2020)], Annahmen: Ölgehalt Sojabohnen: 21 % (m/m); Ölgehalt Palmfrüchte: 23 % (m/m); Ölgehalt Raps: 42,5 % (m/m), Ernteerträge bezogen auf TS.
RESSOURCENPOTENZIALE BIOGENER ABFÄLLE UND RESTSTOFFE
Für einige der möglichen Ressourcen, die zur Herstellung von Biokraftstoffen genutzt werden können, müssen die Potenziale indirekt berechnet werden.
Die Produktion von 1 kg Biodiesel (FAME) erzeugt ca. 0,10 kg Rohglycerin; der Begriff Rohglycerin bezieht sich dabei auf die Konzentration von 80 % Glycerin [Kaur (2020); Quispe (2013)]. Die Produktion von Biodiesel im Jahr 2019 betrug 38,84 Mio. t, woraus sich ein theoretisches Potenzial von ca.
3,88 Mio. t Rohglycerin ergibt. Glycerin hat einen Markt in verschiedenen Sektoren und im Jahr 2016 wurde seine Endverwendung auf 24 % in Lebensmitteln, 23 % in Körperpflegeprodukten, 17 % in Mund-pflegeprodukten, 11 % in der Tabakindustrie, 8 % in Arzneimitteln und 17 % in anderen Verwendungen geschätzt [Greenea (2015)]. Andere Prozesse, die Glycerin als Nebenprodukt freisetzen, sind die Seifen- und Fettsäureproduktion [Kaur (2020)].
Fuselöl entsteht als Nebenprodukt bei der alkoholischen Fermentation und besteht hauptsächlich aus Isoamylalkohol (60 bis 80 % Anteil), einem Alkohol mit einem deutlich höheren Energiegehalt als Ethanol [Uslu (2020)]. Bei der Produktion von 1.000 l Ethanol fällt Fuselöl in einer Menge von ca. 2,0 bis 2,5 l an [Bergmann (2018); Montoya Sanchez (2011)]. Die weltweite Jahresproduktion von Ethanol lag im Jahr
2019 bei 80 Mio. t, was einer theoretischen Produktion von 0,16 bis 0,20 Mio. t Fuselöl entsprechen würde.
Bei der Zellstoffproduktion ist Tallöl eines der wichtigsten Nebenprodukte. Die Ausbeute variiert in Abhängigkeit von der eingesetzten Holzmischung und beträgt 1,25 bis 4,00 % [Peters (2017)], wobei der geringere Anteil in Harthölzern (z. B. Eukalyptus) und der höhere Anteil in Weichhölzern enthalten ist [Peters (2017)]. Obwohl der Markt für rohes Tallöl nicht umfassend dokumentiert ist, gibt es Schätzungen, dass die globale Verfügbarkeit im Jahr 2008 bei 1,6 Mio. t lag und bis 2018 auf 1,79 Mio. t/a angestiegen ist [Aryan (2021)]. Die Endverwendung von rohem Tallöl liegt hauptsächlich in der Energiegewinnung durch Verbrennung oder in der chemischen Industrie, in der seine vielfältigen Bestandteile, zum Beispiel Kolophonium und Terpentin, einer geeigneten stofflichen Nutzung zugeführt werden [Peters (2017)]. Rohes Tallöl findet im Biokraftstoffbereich vor allem für die Herstellung von HVO/HEFA Anwendung. Die dafür eingesetzte Menge wurde für das Jahr 2018 auf 0,32 Mio. t geschätzt [Aryan (2021); UPM (2021)].
Schwarzlauge ist ein weiteres Nebenprodukt der Celluloseherstellung und besonders energie- und ligninreich. Auch ihre Ausbeute hängt wiederum von einer Vielzahl von Faktoren ab, beispielsweise von der verwendeten Holzart sowie der Temperatur, dem Druck und der Reaktionszeit beim Holzaufschluss [IEA Bioenergy (2013); Kim (2019)]. Für die Abschätzung der anfallenden Menge an Schwarzlauge kann folgendes Verhältnis zugrunde gelegt werden: je Tonne ungebleichtem, lufttrockenem Zellstoff 1,2 kg (TS) Schwarzlauge beziehungsweise je Tonne gebleichtem, lufttrockenem Zellstoff 1,7 kg (TS) Schwarzlauge [Swedish Energy Agency (2008)]. Die Abschätzung der weltweiten Gesamtproduktion von Schwarzlauge ist für die Jahre 1961 bis 2019 in Abbildung 4-11 dargestellt. Die geschätzte Produktion von 229 Mio. t im Jahr 2019 verteilt sich zu 55 % auf Amerika, zu 22 % auf Asien, zu 22 % auf Europa sowie zu 1 % auf Afrika und Ozeanien. Der Produktionsanstieg in den letzten zehn Jahren betrug etwa 2,5 % pro Jahr. [FAO (2021)]
Methanol kann entweder als Endprodukt oder als Zwischenprodukt für die Herstellung anderer Produkte bezeichnet werden. Die Verwendung von Methanol ist weltweit auf verschiedene Sektoren aufgeteilt und die größte Nachfrage kommt eigentlich nicht aus dem Biokraftstoffsektor: Etwa 29 % des im Jahr 2020 genutzten Methanols kamen im Kraftstoffsektor zum Einsatz. Weitere bedeutende Verwendungszwecke für Methanol sind die Herstellung von Olefinen (Methanol-zu-Olefinen, 31 %), Formaldehyd (23 %) und Essigsäure (7 %). Von den Verwendungen im Kraftstoffsektor sind die Beimischung in Benzin, die Herstellung von Biodiesel (3 %), DME (3 %) und Methyl-tert-butylether (10 %) sowie der Einsatz in Brennstoffzellen (weniger als 1 %) zu nennen (Abbildung A-10). [IRENA (2021c); Methanol Institute (2021)]