5 Ökonomische und ökologische Analyse
5.3 Ökologische Analyse
5.3.3 Ökobilanzergebnisse
5.3.3.2 Sensitivitätsanalyse
Bereitstellung des für die Bohrungen benötigten Materials (u. a. Stahl, Zement, Beton, Bentonit; in Abb. 5-25 mit Bau Injektions- Förderbohrung gekennzeichnet) mit insgesamt 30 % der CO2-Äquivalente. Der restliche Anteil der untertägigen Anlage mit dem Antransport der Rohre und der Bohrgeräte, der Materialbereitstellung für die Thermalwasserpumpe, die Stimulation und die Errichtung des Bohrplatzes tragen mit insgesamt 22 % zu den CO2 -Äquivalenten bei. Demgegenüber beeinflussen der Bau der übertägigen Anlage, der gesamte Betrieb und die Entsorgung die Klimagasemissionen geringer (18 % der CO2-Äquivalente).
Bau Förderbohrung
15%
Untertägige Anlage
22% Energiebedarf
Bohrung 31%
Bau Injektions- bohrung
15%
Anlage zur Strombereit-
stellung 5%
Bau Übertägige Anlage
3%
Betrieb gesamt 9%
Entsorgung gesamt
0%
Abb. 5-25: Anteile der CO2-Äquivalente beim Fallbeispiel ORC
durchgeführt, verringern sich die CO2-Äquiv. bei der Betrachtung für die Elektrizität sowohl für energetische als auch für die exergetische Betrachtung.
Abb. 5-26: Fall KWK-HH Vergleich Allokationen, Substitutionsmethode, zusätzlich ist die ausschließliche Strombereitstellung (Fall ORC) mit angeführt, die Ergebnisse sind jeweils für die Produkte elektrische Energie (Strom) und thermische Energie (Wärme) dargestellt
In Abb. 5-27 ist der Vergleich zwischen energetischer und exergetischer Allokation bei der „Black-Box“-Betrachtung für die elektrische Energie aller Fallstudien dargestellt. Auch hier ist das Fallbeispiel ausschließlicher Stromerzeugung jeweils mit angeführt.
Die Ergebnisse aus der exergetischen verglichen mit der energetischen Betrachtung, zeigen grundsätzliche Unterschiede, die durch die Allokationsmethoden hervorgerufen werden. So sind die spezifischen Emissionen bei allen hier aufgeführten Wirkungsabschätzungen der CO2-, SO2- und PO43--Äquivalente bei der exergetischen Betrachtung höher, als bei der energetischen. Dies wird durch die Gleichbehandlung bei der energetischen Betrachtungsweise verursacht. Im Fall KWK-I-PW ergibt sich eine Differenz bei den CO2-Äquivalenten von etwa 95 g/kWh zwischen exergetischer und energetischer Allokation, oder der absolute Wert der spezifischen Emissionen ist bei exergetischer Allokation um einen Faktor 3 höher als es sich bei einer Berechnung nach der energetischen Betrachtung ergibt.
Die Verhältnisse der Emissionsherkunft sind jedoch bei exergetischer sowie energetischer Betrachtung dieselben. So sind die treibhauswirksamen Klimagase der Fallbeispiele KWK-HH und Fall-I PW stark abhängig vom Betrieb, wobei der Energiebedarf
der Spitzenlastanlage und somit die Verbrennung fossiler Energieträger ausschlaggebend ist.
Aber auch bei den SO2-Äquivalenten sind bei Fall KWK-HH und KWK-I-PW sowohl bei der energetischen wie auch exergetischen Betrachtung, knapp die Hälfte der freigesetzten Gase auf dem Betrieb und die Verbrennung fossiler Rohstoffe im Spitzenlastkessel zurückzuführen.
Ebenso stammen bis zu 1/3 der Gase die zur Eutrophierung beitragen aus dem Betrieb der Wärmebereitstellung.
Abb. 5-27: Vergleich der spezifischen Emissionen elektrischer Energie von exergetischer (oben) mit energetischer (unten) Allokation bei der „Black-Box“-Betrachtung.
Bei den Fallbeispielen ORC und KWK-I-NT werden aus dem Betrieb jeweils weniger Emissionen hervorgerufen als bei den beiden anderen Fällen. In allen Betrachtungen werden vom Fall KWK-I-NT am wenigsten Emissionen verursacht, da hier keine fossilen Energieträger eingesetzt werden. Im Vergleich zum Fall ORC werden bei Fall KWK-I-NT die gesamten Emissionen aus der Sachbilanz über einen größeren Output -Strom und Wärme- verteilt. Werden die spezifischen Emissionen aus dem Betrieb ignoriert und der Hauptfaktor mit dem Bau des Untertageteils betrachtet, zeigt sich, dass sich die Emissionen, die allein aus
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Fall ORC Fall KWK-HH Fall KWK-I-NT Fall KWK-I-PW
CO2-Äquiv. in g /kWh
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Fall ORC Fall KWK-HH Fall KWK-I-NT Fall KWK-I-PW
SO2-Äquiv. in mg/kWh
0 10 20 30 40 50 60
Fall ORC Fall KWK-HH Fall KWK-I-NT Fall KWK-I-PW
PO43- -Äquiv. in mg/kWh
Abriss Betrieb Bau Übertage Bau Untertage 0
20 40 60 80 100 120 140 160
Fall ORC Fall KWK-HH Fall KWK-I-NT Fall KWK-I-PW
CO2-Äquiv.in g/kWh
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Fall ORC Fall KWK-HH Fall KWK-I-NT Fall KWK-I-PW
SO2-Äquiv. in mg/kWh
0 10 20 30 40 50 60
Fall ORC Fall KWK-HH Fall KWK-I-NT Fall KWK-I-PW
PO43- -Äquiv. in mg/kWh
Abriss Betrieb Bau Übertage Bau Untertage
der geothermischen Anlage hervorgehen, wie erwartet bei allen drei Fallstudien der gekoppelten Strom- und Wärmebereitstellung im Gegensatz zur ausschließlichen Strombereitstellung des Falles ORC verringern.
Beim Allokationsverfahren mit vorheriger Aufteilung in Teilprozesse und somit einer Verringerung der zu allokierenden Emissionen, wird der Fehler der durch die Allokation verursacht wird, durch die Gliederung in Teilprozesse eingegrenzt und ist bei den hier gezeigten Allokationsverfahren das präzisere Verfahren. Abb. 5-28 zeigt die Anteile bei jeweils energetischer oder exergetischer Betrachtung der Anteile, die Strom und Wärme zugeschrieben werden und diejenigen welche eindeutig zuweisbar sind. Die Emissionen, welche eindeutig zugeordnet werden können, weisen bei beiden Verfahren dieselben Werte auf. Beispielsweise gehen beim Fall KWK-HH 9 g CO2-Äquiv./kWh für die elektrische Energie direkt aus den Anlagenkomponenten hervor. Der allokierte Anteil beträgt bei der exergetischen Betrachtung 43 g, bei der energetischen Betrachtung 18 g CO2-Äquiv./kWh.
Die spezifischen Emissionen pro kWh Elektrizität und pro kWh Wärme sind aufgrund der Gleichbehandlung bei energetischer Allokation dieselben. Da der zu allokierende Anteil bei der geothermischen Strom- und Wärmebereitstellung mit dem Abteufen der Bohrung sehr groß ist, wird trotz der Zuordnung der Emissionen, ein beträchtlicher Unterschied zwischen energetischer und exergetischer Allokation sichtbar.
43
9
42
9
31 9 9
22 9
1
13 36
0 10 20 30 40 50 60
Fall KWK-HH; Strom Fall KWK-HH; Wärme Fall KWK-I-NT; Strom Fall KWK-I-NT; Wärme Fall KWK-I-PW; Strom Fall KWK-I-PW; Wärme CO2-Äquiv. in g/kWh (Strom) bzw. CO2-Äquiv. in g/kWhth. (Wärme) zugeordneter Anteil
allokierter Anteil
18 18 17 17
12 12 9
22
9 1
13 36
0 10 20 30 40 50 60
Fall KWK-HH; Strom Fall KWK-HH; Wärme Fall KWK-I-NT; Strom Fall KWK-I-NT; Wärme Fall KWK-I-PW; Strom Fall KWK-I-PW; Wärme CO2-Äquiv. in g/kWh(Strom) bzw. CO2-Äquiv. in g/kWhth. (Wärme)
zugeordneter Anteil allokierter Anteil
Abb. 5-28: Zu allokierende und eindeutig zuweisbare Anteile, rechts exergetische Allokation, links energetische Allokation; die Ergebnisse sind jeweils für die Produkte elektrische Energie (Strom) und thermische Energie (Wärme) dargestellt
Bei der Strombereitstellung des Falles KWK-I-PW herrscht ähnlich der „Black Box“
Betrachtung, ein Faktor von 1,8 von energetischem zu exergetischem Verfahren.
Um den wie gezeigt starken Einfluss der Allokationen auszuschließen, werden am Beispiel einer ausschließlichen Strombereitstellung (Fall ORC) die Einflüsse weiterer unterschiedlicher ergebnisbestimmender Parameter aufgezeigt.
Temperatur/Teufe. Abb. 5-29 (links) zeigt die Abhängigkeit der Emissionen von der Sondenkopftemperatur und der zu erbohrenden Teufe. Bei kleineren Temperaturbereichen liegen trotz geringerer Bohrtiefe, die Klimagasemissionen mit knapp 180 g/kWh signifikant höher und erreichen aber bei 150 °C rund 79 g/kWh. Mit ansteigender Temperatur gehen die Emissionen weiter – allerdings nicht mehr in diesem Ausmaß – zurück. Diese Tendenz ist dabei bei allen hier untersuchten luftgetragenen Stofffreisetzungen erkennbar.
Volumenstrom. Abb. 5-29 zeigt den Einfluss des zu fördernden Volumenstroms. Demnach wirkt sich die Veränderung des Fördervolumens bei kleineren Fördervolumen sehr viel stärker aus als bei größeren Volumenströmen. So sinken beispielsweise die CO2-Äquivalente bei einer Zunahme des Fördervolumens von 50 auf 100 m3/h von knapp 160 g/kWh auf rund 79 g/kWh. Diese grundsätzliche Tendenz zeigt sich auch bei den SO2- und PO4
3--Äquivalenten.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
50 100 150 200
Fördervolumen in m³/h CO2- Äquiv. in g/kWh
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
3750 m;125°C 4500 m;150°C 5250 m;175°C 6000 m;200°C
Tiefe in m und Fördertemperatur
in °C CO2-Äquiv. in g/kWh
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
2500 3000 3500 4000 4500
Teufe in m CO2 - Äquiv. in g/kWh
Abb. 5-29: Abhängigkeit der CO2-Äquivalente beim Fallbeispiel ORC von der Sondenkopftemperatur (links), vom förderbaren Volumenstrom (Mitte) und der Tiefe (rechts)
Teufe/geothermischer Gradient. Unterschiedliche geothermische Gradienten vorausgesetzt, wird hier Thermalwasser aus unterschiedlichen Teufen mit der Sondenkopftemperatur von 150 °C betrachtet (Abb. 5-29, rechts). Demnach werden bei einer Tiefe von 4 500 m beispielsweise CO2-Äquivalente von 79 g/kWh und bei 3 000 m von knapp 52 g/kWh freigesetzt. Dieselben Effekte sind vergleichbar auch bei den anderen untersuchten Stofffreisetzungen erkennbar.
Die gezeigten Sensitivitätsanalysen können auf unterschiedliche Standorte bezogen werden. So wird der normale geothermische Gradient in der Norddeutschen Tiefebene vorgefunden und somit sind bei ansonsten übereinstimmenden Annahmen für die ausschließliche Strombereitstellung mit ungefähr 79 g CO2-Äquivalent/kWh zu rechnen.
Anders ist die Situation im Oberrheingraben, wo schon in Tiefen von 2 500 m Temperaturen von 150 °C erreicht werden können und somit günstigere Bedingungen vorliegen. Dann ist
nach Abb. 5-29 (rechts) bei Tiefen von 2 500 m lediglich mit einem CO2-Äquivalent von unter 47 g/kWh zu rechnen.
Organisches Betriebsmittel/Leckage. Die organischen Betriebsmittel der ORC-Anlage besitzen teilweise außerordentlich hohe klimawirksame CO2-Äquivalente. Die Herstellung des Betriebsmittels und die Entsorgung sind berücksichtigt. Dabei wird ein leckagefreier Betrieb unterstellt und somit kein direkter Eintrag in die Atmosphäre. Nach /FRISCHKNECHT
1999/ wird für heutige Wärmepumpen und Kälteanlagen eine Verlustrate von 8 % pro Jahr und 2 % pro Jahr als zukünftiger Zielwert angegeben. Diese Werte werden für die ORC-Anlagen übernommen. Vom Fall ORC ausgehend werden bei einer Leckage von 2 % zusätzliche 0,0076 g CO2-Äquivalent pro kWh und bei 8 % Leckage werden knapp 0,032 g/kWh freigesetzt. Bei einem gesamten CO2–Äquivalent von knapp 79 g/kWh sind diese Werte jedoch vernachlässigbar gering.
Lebensdauer. Einen weiteren großen Einfluss auf die spezifischen Emissionen hat die Lebensdauer. Bisher wird von 30 Jahren ausgegangen, wobei für den Fall der ausschließlichen Stromerzeugung 79 g CO2-Äquivalent pro kWh an klimawirksamen Freisetzungen berechnet wurden. Dieser Wert erhöht sich bei einer 20–jährigen Nutzungsdauer der gesamten Anlage auf 118 g und bei einer Nutzungsdauer von 40 Jahren reduzieren sich die Emissionen auf 59 g CO2-Äquivalent/kWh.