3.3 Teilsystem Energiepflanzen
3.3.6 Energieerzeugung aus angebauter Biomasse
Ableitung von Mindestanforderungen zur nachhaltigen energetischen Nutzung der Biomasse
63 Liliana Gamba: Erste Modellentwicklung zur nachhaltigen Nutzung der Biomasse
Ableitung von Mindestanforderungen zur nachhaltigen energetischen Nutzung der Biomasse
auf den Teil der Pflanze, der für eine spezifische Umwandlungstechnologie bzw. zur Gewinnung eines spezifischen Bioenergieträgers geerntet wird. In einigen Fällen ist die ganze Pflanze gemeint.
Eine weitere Quelle von Primärbiomasse stellt das ungenutzte Holz dar (vgl. Kapitel 3.3.4, S. 49). Das Energiepotenzial ergibt sich aus der ungenutzten Holzmenge und ihrem jeweiligen Heizwert.
Diese Systemzusammenhänge werden mathematisch erfasst (siehe die umfassenden Modellgleichungen im Anhang A.3.1.6) und im Systemdiagram (Abbildung 3-12) dargestellt.
Abbildung 3-12: Systemdiagram Energieerzeugung aus angebauter Biomasse14
14 Für die Erläuterung der Symbole und Abkürzungen sowie die Definition der Systemgrößen siehe A.3.1.6
<Acker>
Verfüg- bare Acker EP
Gesamt verfügbare Acker EP
Verfüg- bare Grün- land
<Grünland>
<Grenze Acker Umwan-ohne
dlung>
<Fläche NAT Acker>
<Fläche NAT Grünland>
<Fläche WI Acker>
<Fläche WI Grün land>
<Grünland ohne Umw andlung>
ANT FLÄCHE PRO EP
Anbaufläche EP FLÄCHENERTRAG
EP
Ernte EP TK EP
BioPot HP EP BioPot ER EP
ANT ER EP
BioPot IR EP
ANT IR EP HW HP EP
HW ER EP
HW IR EP
BioPot Grünland
HW GRAS
<FLÄCHEN ERTRAG
GRAS>
Gesamt BioPot Holz
HW HOLZ KW
<Verfügbare Holz KW>
Gesamt BioPot
HP EP Gesamt BioPot
ER EP
Gesamt BioPot IR EP
Gesamt BioPot Primärbiomasse
BioPot Energiepflanzen
<Verfügbare Holz NW>
HW HOLZ NW BioPot Holz
Naturwald Gesamt BioPot
Holz NW
GROßBUCHSTABEN Vorgabegröße Kleinbuchstaben Systemgrößen
< > Systemgröße ist bereits an eine andere
Stelle im selben Subsystem vorhanden < >
Systemgröße aus dem Subsystem Waldbewirtschaftung
< > Systemgröße aus dem Subsystem Wohnung und Infastruktur
< > Systemgröße aus dem Subsystem Naturschutz
< > Systemgröße aus dem Subsystem Versorgung mit Nahrungsmitteln
Ableitung von Mindestanforderungen zur nachhaltigen energetischen Nutzung der Biomasse
65 Liliana Gamba: Erste Modellentwicklung zur nachhaltigen Nutzung der Biomasse
Nachhaltigkeitskriterien
Die Nachhaltigkeitskriterien für den Energiepflanzenanbau unterscheiden sich kaum von denen der Landwirtschaft und Forstwirtschaft. Wie bereits im Kapitel 3.1 (S. 26) erläutert wurde, werden hier Kriterien und Indikatoren einbezogen, die sich durch physikalische Größen abbilden lassen. D.h., dass ausschließlich Kriterien im Bezug auf die nachhaltige Nutzung von Ressourcen und der Umwelt als Senke berücksichtigt werden. Weitere wichtige Kriterien hinsichtlich der Sicherung der selbständigen menschlichen Existenz, des ausgeglichenen Einkommens, der Chancengleichheit und der Erhaltung der kulturellen Funktion der Natur werden hier nicht diskutiert.
Indikatoren in Bezug auf die Ressourcennutzung und die Umweltauswirkungen werden in der Fachliteratur vielfältig diskutiert (vgl. Kapitel 2.3.3, S. 11). Im Folgenden werden sie im Zusammenhang mit den Nachhaltigkeitskriterien dargestellt. Für eine ausführlichere Erläuterung vgl. z.B. [Hartmann und Weiske 2002, Smeets et al. 2004].
Schutz der menschlichen Gesundheit
Bei dem Anbau von Energiepflanzen können direkt oder indirekt humantoxische Substanzen freigesetzt werden. Indirekte Emissionen resultieren aus der Produktion von Betriebsmitteln.
Direkte Emissionen fallen bei der chemischen Bekämpfung von Schädlingen und Unkraut und durch Düngung an.
Die Zielvorgaben der Indikatoren in den herangezogenen Indikatorensätzen reichen von der Vermeidung der Emissionen bis zur Einhaltung internationaler, nationaler und lokaler Emissionsgrenzen.
Nachhaltige Nutzung erneuerbarer Ressourcen
Die Nutzung erneuerbarer Ressourcen betrifft bei dem Energiepflanzenanbau die Bodennutzung und den Wasserverbrauch.
• Bodennutzung
Eine unangemessene Auswahl der Pflanzenkulturen, eine ungeeignete Bodenbearbeitung und ein ungeeigneter Landmaschineneinsatz können lokale Erosionsprozesse in Gang setzen oder existierende verstärken. Wenn der Bodenabtrag größer als die natürliche Regenerationsrate ist, nehmen Bodenfruchtbarkeit und Erträge ab. Der Transport von Bodenmaterial kann zur Belastung von Gewässern und benachbarten Flächen führen.
Ableitung von Mindestanforderungen zur nachhaltigen energetischen Nutzung der Biomasse
k b
ET WNE= m
Der Bodenabtrag ist abhängig von Standortfaktoren (Niederschlag, Bodeneigenschaften, Hanglage), kulturspezifischen Bedeckungs- und Bearbeitungsfaktoren und von den Schutzmaßnahmen. Voraussetzung für eine nachhaltige Bioenergiebereitstellung ist, dass der Bodenabtrag der Energiekulturen ohne Schutzmaßnahmen die Regenerationsrate nicht überschreitet [Hartmann und Weiske 2002, Smeets et al. 2005]. Dies bedeutet für einen Standort, dass die Nutzung von Pflanzen mit günstigeren Bedeckungs- und Bearbeitungsfaktoren anzustreben ist.
Die Bodenverdichtung ist von Pflanzenbaumaßnahmen, insbesondere dem Pflügen und dem Befahren mit Landmaschinen, der natürlichen Bodenkrümmung, dem Porengefüge des Bodens sowie den Wurzelungseigenschaften abhängig [Wiegmann et al. 2006]. Der nachhaltige Anbau von Energiepflanzen setzt daher voraus, dass vorhandene Verdichtungsprozesse nicht verstärkt werden. Dies ist bei der Auswahl der geeigneten Energiepflanzenmischung zu beachten.
• Wasserverbrauch
Die potentielle Produktion von Biomasse zur energetischen Nutzung ist durch die Wasserverfügbarkeit in einer Region begrenzt [Berndes 2002].
Der Wasserverbrauch zur Bewirtschaftung einer verfügbaren Fläche ist abhängig von der spezifischen Wassernutzungseffizienz (WNE) der ausgewählten Kulturpflanze.
Gl. 3-63
Symbole
mb Oberflächige Biomasse Energiepflanze b [kg/ha/a]
ET Evapotranspirationsrate [mm/a]
Die WNE ist abhängig von Pflanzenart, Wetter, Wachstumsperiode und Anbausystem. Sie kann durch Maßnahmen wie Bewässerung und Beeinflussung des Mikroklimas verbessert werden.
Eine Voraussetzung für einen nachhaltigen Energiepflanzenanbau besteht darin, dass durch den Wasserverbrauch kein Wasserstress in der Region verursacht wird. Der Wassermangelindex (IWM) weist auf das Verhältnis zwischen dem Wasserverbrauch und dem Wasserangebot in einer Region [Berndes 2002, IDEAM 2004]. Die Grenze für Wasserstress liegt bei 0,25 [Raskin 1995 zitiert in Berndes 2002]. Wenn der IWM in der Region bereits unterhalb dieser Grenze liegt, sollten keine Energiepflanzen zusätzlich
Ableitung von Mindestanforderungen zur nachhaltigen energetischen Nutzung der Biomasse
67 Liliana Gamba: Erste Modellentwicklung zur nachhaltigen Nutzung der Biomasse
angebaut werden. Wenn der IWM oberhalb der Wasserstressgrenze liegt, ist die WNE bei der Auswahl der Pflanzen zu berücksichtigen, so dass der gesamte Wasserverbrauch nicht zum Wasserstress führt.
• Erhaltung von hochwertigen Ökosystemen
Dieses Kriterium bezieht sich auf den Energiepflanzenanbau in Zonen mit hochwertigen Ökosystemen und auf die Bewirtschaftung von Naturwäldern.
Ein Beispiel von hochwertigen Ökosystemen ist das Graslandökosystem. Auch wenn es nicht bewirtschaftet wird und sich nicht innerhalb von Naturschutzgebieten befindet, ist es u.a. aus Sicht der Erhaltung der Landschaft und der Biodiversität wichtig. Die heimische Vegetation dieses Ökosystems könnte energetisch genutzt werden, eine Änderung der Pflanzenbedeckung ist jedoch nicht zulässig [Fritsche et al. 2006].
Bewirtschaftete Naturwälder bilden i.d.R. hochwertige Ökosysteme, deren Existenz in einigen Regionen bedroht ist. Die Berücksichtigung des Energiepotenzials bewirtschafteter Naturwälder soll daher bei der Ermittlung des Bioenergiepotenzials ausgeschlossen werden (vgl. Kapitel 3.3.4, S. 49).
Nachhaltige Nutzung nicht erneuerbarer Ressourcen
Nicht erneuerbare Ressourcen fließen als Betriebsmittel (z.B. fossile Kraftstoffe, Mineraldünger, chemische Pflanzenschutzmittel) in den Energiepflanzenanbau ein. Als Indikator für die Nutzung solcher Ressourcen wird oft der kumulierte nicht erneuerbare Energieaufwand verwendet. Angestrebt wird, dass der Lebenswegverbrauch an nicht erneuerbaren Ressourcen nicht intensiviert wird. Dies beeinflusst die Auswahl der Energiepflanzen und die Aufteilung der verfügbaren Ackerfläche.
Nachhaltige Nutzung der Umwelt als Senke
Bei dem Anbau von Energiepflanzen können direkte oder indirekte Emissionen in Wasser, Luft oder Boden eintreten, die die natürlichen Zyklen, sowohl auf globaler als auch auf lokaler Ebene, stören können.
Die direkten Emissionen umfassen u.a. Nährstoffeinträge und Freisetzung von ökotoxischen Substanzen in Boden, Grundwasser und Gewässer, sowie N2O- und CH4-Emissionen durch Düngung und Emissionen aus der Verbrennung (fossiler) Kraftstoffe. Indirekte Emissionen resultieren aus den Prozessketten der Produktion von Betriebsmitteln.
Ableitung von Mindestanforderungen zur nachhaltigen energetischen Nutzung der Biomasse
Bei der Auswahl der Energiepflanzen und Anbauverfahren sowie bei der Flächenverteilung ist daher die Einhaltung der maximal zulässigen Schadstoffkonzentrationen in der Region zu berücksichtigen. Gleichzeitig muss dabei garantiert werden, dass die Lebenswegemissionen unter den Emissionen des Referenz-Energieerzeugungssystems liegen.
Die Operationalisierung der oben erläuterten Nachhaltigkeitskriterien erfolgt durch:
1) die Auswahl der Energiepflanzen und ihre Anbauverfahren sowie durch die Flächenverteilung (vgl. Gl. 3-65 bis Gl. 3-73).
Die Auswahl der Energiepflanzen und ihre Anbauverfahren werden hier nicht modelliert. Zu diesem Zweck sollten Ökobilanzierungen und ökologische Risikoanalysen durchgeführt werden, die die Entscheidung unterstützen (vgl.
beispielsweise [Fritsche et al. 2004 und Wiegmann et al. 2006]). Wichtig dabei ist zu berücksichtigen, dass die Umweltbelastungen durch den Energiepflanzenanbau abhängig von der Anpassung der Pflanzen an das natürliche Angebot sind (vgl.
Anhang A.4). Je näher die Bedürfnisse der Pflanzen dem natürlichen Angebot kommen, desto höher sind die Erträge, die erreicht werden können, und desto niedriger ist die Intensität der Pflanzenbaumaßnahmen. Die Auswahl muss sich daher an Pflanzen orientieren, deren Bedürfnisse nah am natürlichen Angebot liegen.
Die Flächenverteilung sollte sich an der Minimierung bestimmter Umweltbelastungen bzw. an der Einhaltung dieser unterhalb bestimmter Grenzen und an der Maximierung des Bioenergiepotenzials orientieren. Im Fall der Emissionen von Treibhausgasen beispielsweise wird der Grenzwert durch die gesamte oder einen Teil der Menge an Emissionen des konventionellen Energiesystems bestimmt. Hierbei ist es notwendig, auf Ergebnisse von Ökobilanzen und ökologischen Risikoanalysen zurückzugreifen, die die Lebensweg- bzw. lokale potentielle Umweltbelastungen ermitteln.
2) die Bewirtschaftung der verfügbaren Grünlandflächen zur Energieerzeugung (siehe Kapitel 3.3.1, Gl. 3-13 und Gl. 3-75) ausschließlich durch die energetische Nutzung der heimischen Grünlandvegetation:
3) die Bewirtschaftung zur Energieerzeugung ausschließlich des Holzpotenzials aus Kulturwäldern (vgl. Kapitel 3.3.4, Gl. 3-48, und Gl. 3-76)
Ableitung von Mindestanforderungen zur nachhaltigen energetischen Nutzung der Biomasse
69 Liliana Gamba: Erste Modellentwicklung zur nachhaltigen Nutzung der Biomasse
a. Bioenergiepotenzial Primärbiomasse
Gl. 3-64
Symbole
BioPot Primärbiomasse Bioenergiepotenzial aus Primärbiomasse [GJ/a]
Gesamt BioPot EP Gesamt Bioenergiepotenzial aus Energiepflanzen [GJ/a]
BioPot Grünland Bioenergiepotenzial aus Grünlandpflanzen [GJ/a]
BioPot Holz Bioenergiepotenzial aus Waldbewirtschaftung [GJ/a]
b. Gesamt Bioenergiepotenzial Energiepflanzen
Gl. 3-65
mit:
Gl. 3-66
Gl. 3-67
Gl. 3-68
Gl. 3-69
Gl. 3-70
Gl. 3-71
Gl. 3-72
Gl. 3-73
Gl. 3-74 Holz(t)
BioPot )
t ( and ioPotGrünl B
) t ( otEP GesamtBioP asse(t)
Primärbiom
BioPot = + +
EP(t) IR BioPot Gesamt EP(t)
ER BioPot Gesamt EP(t)
HP BioPot Gesamt EP(t)
BioPot
Gesamt = + +
) t ( EP IR BioPot EP(t)
IR BioPot
Gesamt b
q
1 b
∑
=
=
b b
b
b(t) ErnteEP (t) TK EP HWHPEP EP
HP
BioPot = ∗ ∗
b b
b
b ErnteEP ANTEREP HWEREP EP
ER
BioPot = ∗ ∗
b b
b
b ErnteEP ANTIREP HWIREP EP
IR
BioPot = ∗ ∗
b b
b AckerflächeEP *FLÄCHENERTRAGEP EP
Ernte =
b Gesamtverfügbare AckerEP*ANTFLÄCHEPROEPb
EP e Ackerfläch =
) t ( EP HP BioPot EP(t)
HP BioPot
Gesamt b
q
1 b
∑
=
=
) t ( EP ER BioPot EP(t)
ER BioPot
Gesamt b
q
1 b
∑
=
=
) t ( Acker erfügbare V
EP(t) Acker verfügbare
Gesamt k
p
1 k
∑
==
Ableitung von Mindestanforderungen zur nachhaltigen energetischen Nutzung der Biomasse Symbole
Gesamt BioPot HP EP Summe Bioenergiepotenzial aus Hauptprodukte Energiepflanzen [GJ/a]
BioPot HP EPb Bioenergiepotenzial aus dem Hauptprodukt Energiepflanze b [GJ/a]
Gesamt BioPot ER EP Summe Bioenergiepotenzial aus Erntereste Energiepflanzen [GJ/a]
BioPot ER EPb Bioenergiepotenzial aus Ernteresten Energiepflanze b [GJ/a]
Gesamt BioPot IR EP Summe Bioenergiepotenzial Reste der Verarbeitung von Energiepflanzen zu Sekundärenergieträgern [GJ/a]
BioPot IR EPb Bioenergiepotenzial Reste der Verarbeitung der Energiepflanze b zu Sekundärenergieträgern [GJ/a]
Ernte EPb Geerntete Menge Energiepflanze b [t/a]
TK EPb Transferkoeffizient Energiepflanze b in Sekundärenergieträger [t Sekundärbioenergieträger/t geernteter Produkt]
HW HP EPb Heizwert Sekundärbioenergieträger aus Energiepflanze b [GJ/t]
ANT ER EPb Anteil der Reste aus der Ernte der Energiepflanze b, die zur Energieerzeugung genutzt werden kann [t/t]
HW ER EPb Heizwert Erntereste Energiepflanze b [GJ/t]
ANT IR EPb Anteil der Reste aus der Verarbeitung der Energiepflanze b zur Sekundärbioenergieträger, die energetisch genutzt werden kann [t/t]
HW IR EPb Heizwert Reste aus der Verarbeitung der Energiepflanze b zur Sekundärbioenergieträger [GJ/t]
Ackerfläche EPb Ackerfläche zum Anbau Energiepflanze b [ha]
FLÄCHEN ERTRAG EPb Flächenertrag Energiepflanze b [t/ha/a]
Gesamt verfügbare Acker EP Gesamt verfügbare Ackerfläche zum Energiepflanzenanbau [ha]
ANT FLÄCHE PRO EPb Anteil der gesamt verfügbaren Ackerfläche, der zum Anbau der Energiepflanze b geeignet ist [ha/ha]
c. Bioenergiepotenzial Grünland
Gl. 3-75
Symbole
BioPot Grünland Bioenergiepotenzial aus Grünlandpflanzen [GJ/a]
Verfügbare Grünland Freigesetze Grünlandfläche zur Bewirtschaftung von Grünlandpflanzen als Energiepflanzen [ha]
FLÄCHEN ERTRAG GRAS Flächenertrag Grünlandpflanzen [t/(ha*a)]
HW GRAS Heizwert Grünlandpflanzen [GJ/t]
d. Bioenergiepotenzial Holz
Gl. 3-76
Symbole
Gesamt BioPot Holz Gesamt Bioenergiepotenzial aus der Waldbewirtschaftung [GJ/a]
Verfügbares Holz KW(t) Verfügbares Holz aus Kulturwälder zur Energieerzeugung [t/a]
HW HOLZ KW Heizwert Holz aus Kulturwälder [GJ/t]
GRAS HW GRAS RAG FLÄCHENERT Grünland
Verfügbare Grünland
BioPot = ∗ ∗
KW HOLZ HW KW Holz s Verfügbare Holz
BioPot
Gesamt = ∗
Ableitung von Mindestanforderungen zur nachhaltigen energetischen Nutzung der Biomasse
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