BFE Forschungsprogramm Biomasse und Holzenergie Überblicksbericht 2013
Auftraggeber:
Bundesamt für Energie BFE CH-3003 Bern
Programmleiterin BFE (Autorin):
Dr. Sandra Hermle, Bundesamt für Energie (sandra.hermle@bfe.admin.ch)
Bereichsleiterin BFE:
Dr. Sandra Hermle (sandra.hermle@bfe.admin.ch)
www.bfe.admin.ch/forschung/biomasse
Für den Inhalt und die Schlussfolgerungen ist ausschliesslich die Autorin dieses Berichts verantwortlich.
Titelbild:
Biogasanlage von agrino in Busslingen (Quelle: S. Imboden)
Biogasanlage mit Co-Vergärung in Busslingen mit einer Leistung von 150 kWel und 116 kWth. Die Biogasanlage wurde 2005 erbaut mit Erweiterung des Nachgärers im Jahr 2011 und dem Ersatz des Blockheizkraftwerks (BHKW) im Jahr 2013. Jährlich werden 4000t Hofdünger und 1000t Co-Substraten vergärt.
Energieforschung 2012 – Überblicksberichte 143 IEA Klassifikation: 3.4 Bio-Energy
Schweizer Klassifikation: 2.4 Biomasse und Holz chen Beitrag zur Versorgung der
weltwei-ten Energienachfrage [1]. Schätzungen zufolge könnte Bioenergie nachhaltig zwischen 25 % und 33 % zur künfti-gen globalen Primärenergieversorgung (bis 250 EJ) im Jahr 2050 [2] beitragen.
Jedoch birgt der zunehmende Einsatz von Bioenergie auch einige Herausforde-rungen. Ein möglicher Wettbewerb um Landflächen und Ausgangsmaterialien bezüglich anderer Biomassenutzungsfor-men muss bedacht werden. Bioenergie konkurriert mit anderen Energiequellen.
Logistik-und Infrastrukturfragen müssen angegangen werden, und es gibt die Notwendigkeit für weitere technologi-sche Innovationen, die zu einer effizien-teren und saubereren Umwandlung von einer vielfältigeren Palette an Rohstoffen führen.
Für die Schweiz standen die drei Kon-versionstechnologien Verbrennung, Ver- gasung und anaerobe Vergärung im Berichtsjahr national wie auch internati-onal im Fokus.
Im Bereich der Verbrennungstechnolo-gie ist festzustellen, dass die Anzahl re-levanter Publikationen mit Neuigkeiten zu technischen Verfahren gering und im Vergleich zu den Vorjahren sinkend ist. Dennoch wurden an internationalen Tagungen neue Verbrennungskonzepte, wie z. B. 2-stufige Holzöfen vorgestellt, welche eine lange Abbranddauer auf-weisen und somit zum Betreiberkomfort beitragen. Die Anwendung von Phase Change Material (PCM) wurde ebenfalls international thematisiert, wodurch die Wärmeabgabe gleichmässiger erfolgen soll. Das Thema Klein-Elektroabscheider hat im letzten Jahr an Bedeutung ver-loren. Weiter aktuell sind jedoch
Unter-geht es unter anderem auf europäischer Ebene um die Standardisierung der Parti-kelmesstechnik und um die gesundheits-schädigende Wirkung von Feinstaub.
Ein weiteres wichtiges Thema, welches ebenfalls für die Schweiz von Interesse ist, sind Optimierungen des Praxisbe-triebs von Holzfeuerungen.
In der Holzvergasung haben sich die Forschungsschwerpunkte national wie international kaum verändert. In erster Linie geht es um die Hochskalierung erfolgsversprechender Vergasungskon-zepte was auch im europäischen Raum durch die ERANET-Plus Calls BESTF und BESTF 2 [3] an Bedeutung gewann. Wei-tere internationale Themen sind die Op-timierung von Anlagenkonzepte für die Produktionskette WKK, SNG, gemischte Alkohole sowie von diversen BTL (bio-mass-to-liquid)-Linien. Des weiteren standen Komponentenoptimierungen (Vergaser, Gasreinigung, Filteranlagen, Synthetisierung) im Fokus. Generell ist eine breite Konsolidierung und Aufar-beitung des in den letzten Jahren (Jahr-zehnten) geschaffenen Wissens festzu-stellen und eine breite Diskussion über die Realisierung von Grossprojekten wird im ganzen europäischen Raum geführt.
Oftmals werden die Forschungsresultate und Realisierungsansätze sehr optimis-tisch präsentiert, wobei in der Umset-zungsphase die Tatsachen dann etwas ernüchternder sind, was die Finanzie-rung von solchen Anlagen nicht unbe-dingt erleichtert. Dies nicht zuletzt auch durch fehlende langfristige Rechtssicher-heit von Zuschüssen, Einspeisetarifen, Steuervergünstigungen und Rahmenbe-dingungen für zu realisierende Anlagen.
Im Bereich der anaeroben Vergärung ist
der Schweiz weiterhin stetig wächst. Im Jahr 2012 betrug die Biogasproduktion in Landwirtschaft, Gewerbe und Indus-trie 501 GWh/a, dies entspricht einem Wachstum von 25 % gegenüber dem Vorjahr. Ca. 463 Biogasanlagen in Ab-wasserreinigungsanlagen produzieren weitere 523 GWh/a. Der grösste Teil des Biogases wird dabei in BHKW umge-setzt. 2012 wurden insgesamt 258 GWh Strom produziert. Bei den neu gebauten landwirtschaftlichen Anlagen setzt sich der Trend zu BHKWs deutlich fort. Grund dafür sind die hohen Investitionskosten für kleine Aufbereitungsanlagen, jedoch auch das Fehlen eines Einspeisetarifs für Biomethan. Dennoch nimmt auch die Biomethanproduktion weiter zu. 2012 wurden rund 90 GWh Biomethan pro-duziert, knapp 10 % mehr als im Vorjahr.
Wichtige internationale Themen sind die Biogasaufbereitung zu Biomethan und dessen Verwendung als Treibstoff. Damit Biomethan eine wichtige Rolle in der eu-ropäischen Klimapolitik spielen kann, ist es wichtig, dass ein grenzüberschreiten-der Handel möglich wird. Akteure aus sechs Länder, darunter auch die Schwei-zerische Gasindustrie (vertreten durch VSG), haben sich zusammengeschlossen um dieses Thema voranzutreiben. Im eu-ropäischen Umfeld machen die steigen-den Preise für nachwachsende Rohstoffe den Biogasanlagenbetreibern weiterhin zu schaffen.
Biomasse und Holzenergie / Biomasse et Énergie du bois
Die Biomasse ist die zweitwichtigste ein-heimische, erneuerbare Energiequelle mit einem heutigen Anteil am gesamten Energieverbrauch von knapp 5 %. In-wieweit das noch verfügbare Potenzial tatsächlich genutzt wird, hängt insbe-sondere von der Entwicklung von Tech-nologie- und Energieeffizienz, von den Rohstoffkosten und Bioenergiepreisen auf den heimischen und internationalen Märkten, von den politischen Förderbe-dingungen und nicht zuletzt auch von der sozialen Akzeptanz ab. In diesem Zusammenhang leistet das Forschungs-programm einen wichtigen Beitrag zur effizienten Nutzung der nationalen Bio-masse zur Energieproduktion. Bezüglich der fokussierten Technologien (Verbren-nung, Vergasung, anaerobe Vergärung) sind die spezifischen Forschungsziele auf folgende Bereiche ausgerichtet: (1 ) Ent-wicklung neuer Verfahren und Techno-logien, (2 ) Hochskalierung oder Down-sizing von marktnahen Verfahren, (3 ) Systemoptimierung, -integration und -erweiterung und (4 ) Qualitätssiche-rung.
Im Fokus der Verbrennung steht das Thema der Optimierung von Holzfeue-rungen, Holzheizkesseln und Holzöfen bezüglich Emissionen und Benutzerein-fluss. Bei der Vergasungstechnologie geht es primär um Weiterentwicklungen in der Gasaufbereitung und Diagnostik, aber auch um die Wirkungsgradsteige-rung und AufskalieWirkungsgradsteige-rung von erfolgsver-sprechenden Konzepten. Die Verbesse-rung der Wirtschaftlichkeit von Anlagen und die Steigerung der Anlageneffizi-enz, sowie die Entwicklung innovativer Konzepte sind wichtige Themen bei der anaeroben Vergärung.
Rückblick und Bewertung 2013 Im Frühjahr 2013 wurde ein Meeting im Rahmen des Implementing Agreements
«Bioenergy» der Internationalen Ener-gieagentur IEA laufenden Task 37 von der Schweiz als Gastgeber durchgeführt.
Neben dem Arbeitsmeeting fand ein Workshop zum Thema «Biogas Process Optimisation» mit zahlreichen natio-nalen und internationatio-nalen Referenten statt. Ebenfalls innerhalb Task 37 wird unter der Federführung der Schweiz ein technischer Bericht zum Thema anaero-be Vergärung von Klärschlamm ausgear-beitet werden, wobei der Fokus auf der effizienten Energieproduktion und -nut-zung gelegt ist.
Im Rahmen des Task 32 (IEA Bioenergy) wurde unter der Leitung der Schweiz das Projekt «Evaluation of optimal design of biomass fired district heating networks»
gestartet. Ziel des Projekts ist die Evalu-ation typischer Fernwärmenetze. Basie-rend auf einer Systemanalyse sollen der Einfluss der wichtigsten Betriebsgrössen in Bezug auf die Energieeffizienz und die Energiekosten ermittelt werden, um dar-aus Empfehlungen für die Planung neuer Fernwärmenetze bzw. für die Verbesse-rung existierender abzuleiten.
Auch in Task 33 (IEA Bioenergy) wurden durch die Initiative der Schweiz neue Ak-tivitäten gestartet, u. a. konnten erste Factsheets erarbeitet werden, welche die Vergasertechnologie mit Beispielen und Daten verständlich darstellen.
Neben den Aktivitäten in internationalen Gremien wurden auch neue Projekt zu folgenden Themen initiiert: Energetische und ökonomische Optimierung eines Membranbioreaktors, Leistungssteige-rung bei der MonovergäLeistungssteige-rung von tieri-schen Nebenprodukten, Optimierung eines Pellet-Holzgasbrenners in Bezug auf Emissionen und Einsatz als Retrofit-Brenner, Machbarkeitsstudie zur Holz-vergasung und Methanisierung in der Schweiz.
Ausblick
In Zukunft wird die Förderung von Pi-lot- und Demonstrationsanlagen eine wichtige Rolle spielen was sich auch in den vom Bund zur Verfügung gestellten steigenden Mitteln für P&D und Leucht-turmprojekte (2014: 25 Mio.CHF) zeigt.
Auch im europäischen Kontext sind P&D-Anlagen im Rahmen des SET-Plans (Strategic Energy Technology) im Fokus der öffentlichen Förderung. Im Bioener-giebereich wurden bereits zwei ERANET-Plus Calls initiiert. Momentan läuft für den zweiten Call (BESTF 2), die Evalua-tion der eingegangenen P&D-Projekte.
Die Schweiz ist an beiden Calls beteiligt und hofft auf gute Industrieprojekt.
Die laufenden schweizerischen IEA-Ak-tivitäten werden im Jahr 2014 weiter-geführt bzw. durch Publikationen abge-schlossen.
Durch die Ausschreibung von Kompe-tenzzentren durch die KTI (Kommissi-on für Technologie und Innovati(Kommissi-on) in verschiedenen Bereichen werden auch neue Aktivitäten im Biomassebereich lanciert werden. Das neugeschaffene Biomassekompetenzzentrum wird ver-schiedene innovative Ideen im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungspro-jekten untersuchen. Des weiteren wer-den Projekte, welche für das Nationale Forschungsprogramm 70 «Energiewen-de» des Schweizerischen Nationalfonds eingegeben wurden, evaluiert und vo-raussichtlich im Herbst 2014 gestartet werden. Auch unter dem NFP 70 werden höchstwahrscheinlich Biomasseprojekte durchgeführt werden.
Programmschwerpunkte
Energieforschung 2012 – Überblicksberichte 145 Mit Aufbereitungstechnik lassen sich
Vergärungsprodukte auftrennen in ein festes Gärgut und ein flüssiges Nährstoff-konzentrat. Dies reduziert das Volumen der düngerwirksamen flüssigen Phase, was zu Einsparungen von Energie und Umweltbelastung beim Transport zum Ausbringort führt. Diesen Einsparungen stehen Aufwendungen gegenüber, die mit der Herstellung des Konzentrats und dessen Anwendung verbunden sind. Ziel des Projekts ist zu untersuchen, ob die Gärgutaufbereitung energetisch, ökolo-gisch und ökonomisch Sinn macht. Dazu wurden am Beispiel einer grossen Bio-gasanlage die Stoffflüsse bei der Aufbe-reitung von flüssigem Gärgut untersucht (Figur 1 ). Es wird das direkte Ausbringen von Gärgut hinsichtlich Energiebilanz und Umweltbelastung verglichen mit einer dreistufigen Nährstoffaufbereitung (Grobseparierung, Ultrafiltration, Um-kehrosmose).
Aus rund 42’500 t flüssigem Gärgut ent-stehen jährlich bei der Aufbereitung gut 10’000 t Nährstoffkonzentrat mit rund 7 kg NH4+ und 4 kg K2O pro Tonne sowie rund 5’000 t zusätzliches festes Gärgut.
Bezüglich der Stoffflüsse können folgen-de Schlussfolgerungen gezogen werfolgen-den.
Im Konzentrat finden sich 35–40 % des im flüssigen Gärgut zugeführten totalen Stickstoffs in der Form von Ammonium, bzw. rund 55–60 % des im Input (Gär-gut) vorhandenen Ammonium-Stick-stoffs. Jedoch finden sich im Konzentrat weniger als 2 % des zugeführten Phos-phors in gelöster Form wieder. Phosphor ist sehr ausgeprägt an die Fraktionen mit Feststoffteilen gebunden. Im flüs-sigen Gärgut liegen die Schwermetall-werte deutlich unter den gesetzlichen Grenzwerten. Im Konzentrat liegen ei-nige Werte unter der Nachweisgrenze.
Die Resultate sprechen dafür, dass alle Schwermetalle vorwiegend in der festen Fraktion verbleiben, insbesondere Cu, Zn, Ni, Pb.
Betrachtet man die energetischen As-pekte der Nährstoffaufbereitung, so zeigt sich, dass durchschnittlich rund 22,5 kWh Endenergie pro Tonne zu-geführtes flüssiges Gärgut in Form von Elektrizität notwendig sind plus 2,3 kWh/t für die Herstellung der
Hilfs-aus dem Biogas erzeugbaren Elektrizität entspricht, wobei die Ultrafiltration rund 70 % beansprucht. Wenn man Auf-bereitung und Transport addiert, wird bei der Aufbereitung bis zum Ausbrin-gort der Produkte über doppelt so viel Endenergie benötigt als bei direktem Ausbringen; das Material müsste min-destens rund 200 km weit transportiert werden, bis aus Sicht der Endenergie sich die Aufbereitung zu lohnen beginnt.
Auf Ebene der Primärenergie ist das Re-sultat noch ausgeprägter, und zwar wird für die Aufbereitung (je nach Strommix) zwischen 4,6 und 4,9 Mal mehr Energie benötigt, als für das direkte Ausbringen.
Beim energetischen Aufwand zum Aus-bringen auf dem Feld konnte kein klarer Unterschied zwischen flüssigem Gärgut und Nährstoffkonzentrat ausgemacht werden, da je nach Unternehmer sehr grosse Unterschiede beim Ausbringen desselben Produkts bestehen (Figur 2 ).
In Bezug zu Umweltweltbelastungen bei der Nährstoffaufbereitung zeigte sich, dass die untersuchte Anlage im Vergleich zu konventionellen Anlagen spürbar we-niger Schadstoffe emittiert. Der grosse Energieaufwand beim Aufbereiten wirkt sich hingegen negativ auf die Umwelt
Transportaufwand jährlich rund 120 t CO2-eq. Treibhausgase eingespart wer-den. Beim Strom für die Aufbereitung werden jedoch Emissionen frei: Bei der Aufbereitung ist daher der totale Treibh-ausgasausstoss 1,4-mal (CH-Strommix), bzw. 3,8-mal (EU-Strommix) grösser als bei direktem Transport und Ausbringen des unbehandelten flüssigen Gärguts.
Bezüglich der Ammoniakemissionen beim und nach dem Ausbringen deutet ein erster Versuch auf mögliche Vortei-le des Ausbringens von Konzentrat hin.
Wie gross Einsparungen von Energie und Reduktion von Umweltbelastungen bei der möglichen Substitution von Mi-neraldüngern sein können, konnte im Rahmen dieses Projekts nicht abgeklärt werden.
Bei den hygienischen Aspekten der Nährstoffaufbereitung konnte gezeigt werden, dass keine pathogene Keime (E.
coli, Enterokokken, Campylobacter etc.) bis ins Konzentrat vordringen.
Aus Sicht der Ökonomie scheint die Si-tuation vorteilhafter für die Aufberei-tung. Wenn man bei der Aufbereitung mit Transportkosten zum Ausbringort von CHF 20/t rechnet, so kann
gegen-Figur 1: Verfahrensschritte der in diesem Projekt untersuchten Nachbereitung von Gärgut.
Dargestellt sind die wichtigsten Stoffströme und die Messgruppen: Durchflussmessungen (rote Punkte), Druckmessung (gelbe Punkte). Die grüne Raute vor dem Rotamaten stellt die Durchflussmenge dar, die für die Berechnung des spezifischen Energiebedarfs verwendet wird. Nicht dargestellt: zugeführte Hilfsmittel wie Schwefelsäure und wässrige Lösungen von Reinigungsmitteln, Flockungsmittel und Antiscalant. (Quelle: engeli engineering et al.).
Biomasse und Holzenergie / Biomasse et Énergie du bois
über dem direkten Ausbringen 10–15 % eingespart werden. Bei einem Preis von CHF 15/t wären die beiden Varianten ökonomisch gleichauf. In der EU, wo die Strompreise z. T. über 20 €cts/kWh liegen und gleichzeitig die Löhne und damit die Transportkosten wahrschein-lich tiefer sind als in der Schweiz, dürfte es daher schwierig sein, eine Aufberei-tungsanlage gewinnbringend zu betrei-ben.
Die Resultate dieses Projekts führen – un-ter den hier gewählten Systemgrenzen – zum Schluss, dass die
Nährstoffaufbe-reitung zwar (zumindest in der Schweiz) ökonomisch interessant sein kann, aus ganzheitlicher energetischer und ökolo-gischer Sicht hingegen nicht sinnvoll ist.
Allerdings besteht auch hier die Mög-lichkeit, dass die Systemgrenzen in die-ser Studie immer noch zu eng gefasst wurden. Sofern mit dem Konzentrat tat-sächlich die Herstellung von Mineraldün-ger eingespart werden könnte, müssen auch der Energieaufwand und die Um-weltbelastung bei der energieintensiven und umweltbelastenden Herstellung von Ammoniak und von Kalidünger in die Rechnung mit einfliessen.