K 2 Generation Biofuels – auf dem Weg zum Durchbruch?

Im Jahr 2015 wurden in Österreich rund 790.000 Tonnen Biotreibstoffe in Verkehr gebracht, was etwa 9 % des Treibstoffbe­

darfs entspricht. Dadurch konnten circa 2,1 Millionen Tonnen CO2 eingespart werden.

Fortschrittliche/

2. Generation Biotreibstoffe

Die wichtigsten fortschrittlichen Biotreib­

stoffe sind Bioethanol aus landwirtschaft­

lichen Reststoffen wie z. B. Stroh, Syn fuels aus der Vergasung von Reststoffen wie Stroh oder Hackschnitzeln und Biomethan aus der Vergasung von Holzreststoffen.

Auch die direkte Verarbeitung von Bio masse gemeinsam mit fossilem Öl in der Raffine­

rie kann den biogenen Anteil im Treibstoff erhöhen. Weiter in der Zukunft liegen die Produktion von Biotreibstoffen aus Algen sowie die Möglichkeit, Wasserstoff und Biomasse gemeinsam zu sogenannten Elec­

trofuels zu verarbeiten.

Allerdings sind die Technologien zur Produktion von fortschrittlichen Biotreib­

stoffen technisch noch nicht fertig ent­

K

trag zur Vermeidung von Treibhausgas­

emissionen aus dem Verkehrssektor. Die in Österreich übliche Beimischung von bis zu 7 % Biodiesel zu Diesel und bis zu 5 % Bio­

ethanol zu Benzin ist laut Umweltbundes­

amt die effektivste Maßnahme zur Reduk­

tion von Treibhausgasemissionen aus dem Verkehrssektor in Österreich.

Dina Bacovsky

2

Generation Biofuels – auf dem Weg zum Durchbruch?

Tab. 1: Biotreibstoffe in Österreich im Jahr 2015

in Österreich in Verkehr gebracht* in Österreich produziert

Biodiesel (FAME) 605.864 t 340.242 t

Bioethanol 89.617 t 176.009 t

HVO (Hydrierte Pflanzenöle) 78.680 t –

Pflanzenöl 16.118 t 726 t

Biomethan 437 t 437 t

Summe Biotreibstoffe 790.715 t 517.414 t

*hauptsächlich als Beimischung zu fossilen Treibstoffen Quelle: BIOENERGY 2020+

© BIOENERGY 2020+

Anlage zur Destillation und Rektifikation von Ethanol aus lignozellulosehaltigen Rohstoffen

wickelt und müssen noch in Pilot­ und Demonstrationsanlagen bzw. ersten indus­

triellen Anlagen getestet und zur Marktrei­

fe geführt werden. In den vergangenen Jah­

ren wurden einige Produktionsanlagen im Demonstrations­ bzw. industriellen Maß­

stab in Betrieb genommen, wie Tab. 2 zeigt.

Zellulose-Ethanol

Am weitesten entwickelt ist die Technolo­

gie zur Produktion von Bioethanol aus li­

gnozellulosen Rohstoffen. Drei Anlagen in indus triellem Maßstab wurden in den USA gebaut (von den Firmen Abengoa, POET­

DSM und DuPont), weitere Demonstrations­

anlagen laufen in Italien (Beta Renewables), Brasilien (Raizen Energia) und Dänemark (Inbicon). Österreichische Unternehmen liefern dazu wertvolles Know­how und An­

lagenteile: Andritz hat Vorbehandlungs­

anlagen für die Anlagen von POET­DSM und Beta Renewables geliefert, und Vogelbusch hat die Destillation und Rektifikation für die Anlage von Inbicon geliefert.

Vergasung

Eine ganze Bandbreite von Technologien baut auf der Vergasung von Biomasse zu

einem energiereichen Synthesegas auf.

Das Synthesegas kann mittels Methani­

sierung in Methan oder durch Synthese in verschiedene Treibstoffe wie zum Beispiel Fischer­Tropsch­Diesel, Ethanol, Methanol, DME (Dimethylether) oder gemischte Alko­

hole umgewandelt werden. Für den ersten Schritt, die Vergasung von Biomasse, gibt es verschiedene Verfahrensvarianten, wobei die am weitesten entwickelte Variante die Vergasung in einer intern zirkulierenden Wirbelschicht ist, die an der TU Wien ent

Tab. 2: Großtechnische Anlagen zur Produktion von Biotreibstoffen der 2. Generation Anlagenbetreiber ^Standort Kapazität (t/a) In Betrieb seit Produkt Beta Renewables Crescentino, Piemont, Italien 40.000 2013 Zellulose­Ethanol

Fortum Joensuu, Finnland 50.000 2013 Pyrolyseöl

Abengoa Hugoton, Kansas, USA 75.000 2014 Zellulose­Ethanol

Enerkem Edmonton, Alberta, Kanada 30.000 2014 Methanol/Ethanol

Göteborg Energi Göteborg, Schweden 11.200 2014 Biomethan

GranBio São Miguel, Alagoas,

Brasilien 65.000 2014 Zellulose­Ethanol

POET-DSM Emmetsburg, Iowa, USA 75.000 2014 Zellulose­Ethanol

VERBIO Straw Schwedt, Deutschland 9.000 2014 Biomethan

Raizen Energia Piracicaba, São Paulo,

Brasilien 30.000 2015 Zellulose­Ethanol

DuPont Nevada, Iowa, USA 83.000 2016 Zellulose­Ethanol

Quelle: BIOENERGY 2020+

Quelle: BIOENERGY 2020+

Abb. 1: Von der TU Wien entwickeltes Vergasungs- konzept

1

BIOMASSE-DOSSIER 2

GENERA TION BIOFUELS

erschienen 10/2017 in der Broschüre „Energie.Versorgung.Sicherheit“ des ÖBMV

2

Holz

Vergasung

Gasbehandlung SNG-Reinigung

Strom

Asche

Energie, flüssiger

& fester Abfall

Energie, Wasser

& Sonstiges

Biomethan Methanisierung

Gasreinigung Gasmotor

Rauchgas- behandlung

Gastankstelle Rauchgas

H2-Recycle-Ströme

CO² + H²S /

Schwere Kohlenwasserstoffe

CO²-Produkte (ersetzen N2)

Biomethan aus der Vergasung

Quelle: BIOENERGY 2020+

Abb. 2: Produktion von Biomethan und Strom aus der Vergasung

© BIOENERGY 2020+

Synfuels aus der Vergasung von Stroh oder Hackschnitzeln können als besonders sauber verbrennender Diesel oder als Kerosin verwendet werden.

wickelt wurde. Eine Anlage mit dieser Tech­

nologie, bei der das Produktgas zur Strom­

und Wärmeproduktion verwendet wurde, war bis Ende 2016 in Güssing in Betrieb.

Biomethan aus der Vergasung

Die Produktion von Methan aus der Ver­

gasung von Biomasse und anschließender Methanisierung wurde in Österreich ent­

wickelt. Eine Demonstrationsanlage befin­

det sich in Güssing. Eine weitere Anlage in semi­industriellem Maßstab und gleichzei­

tig die weltgrößte ihrer Art wurde 2014 in Göteborg in Betrieb genommen. Die öster­

reichische Firma Repotec hat hierfür den Vergaser ausgelegt. Der weitere Ausbau der Anlage auf industriellen Maßstab war ge­

plant, wurde jedoch trotz Zusage von För­

dermitteln aus dem NER­300­Programm nicht durchgeführt.

Synfuels

An der Produktion von sogenannten Syn­

fuels aus dem Synthesegas aus der Ver­

gasung wird weltweit geforscht. Es gibt

verschiedene Ansätze zur Katalyse von Kohlenwasserstoffen, bis hin zur bioche­

mischen Verwertung durch Mikroorganis­

men. Besonders vielversprechend ist das schon 1925 entwickelte Fischer­Tropsch­

Verfahren zur katalytischen Umwandlung von Synthesegas in gasförmige und flüs­

sige Kohlenwasserstoffe. Ursprünglich für die großtechnische Verarbeitung von Kohle entwickelt, müssen die Anlagenkomponen­

ten um Größenordnungen verkleinert wer­

den, um der Logistik von Biomasseverarbei­

tungsanlagen gerecht zu werden.

In Österreich betreibt BIOENERGY 2020+

eine 1­Barrel/Tag­Anlage zur Produktion von Fischer­Tropsch­Treibstoffen. Bei der Produktion entsteht ein Gemisch von ver­

schieden langen Kohlenwasserstoffketten, sodass nicht nur besonders sauber verbren­

nender Diesel, sondern auch Kerosin für die Luftfahrt produziert werden kann.

Co-processing in der Raffinerie

Neben einer Vielzahl von anderen Technolo­

gien wird auch an Möglichkeiten geforscht,

Biomasse

Gasreinigung

Vorbehandlung

Trägeröl

Konditionierung

BioCrack-Converter Flüssigphasenpyrolyse

Separation

Separation

Biogas

wässrige Phase Rohdiesel

Diesel mit biogenem Anteil Biokohle Co-Processing in der Raffinerie

Abb. 3: Beim BioCrack-Verfahren wird die Biomasse gemeinsam mit der fossilen Schwerölfraktion einer Flüssig- phasenpyrolyse unterzogen und zu Produkten weiterverabeitet.

Quelle: BIOENERGY 2020+

BIOMASSE-DOSSIER 2

GENERA TION BIOFUELS

Biomasse direkt in der Raffinerie zu ver­

arbeiten. Die österreichische Firma BDI, die weltweit Anlagen zur Produktion von kon­

ventionellem Biodiesel baut, hat in Zusam­

menarbeit mit der OMV eine Pilotanlage in der Raffinerie Schwechat betrieben. Beim BioCrack­Verfahren wird die Biomasse ge­

meinsam mit der fossilen Schwerölfraktion einer Flüssigphasenpyrolyse unterzogen.

Alle entstehenden Fraktionen werden in der Raffinerie zu Produkten weiterverarbei­

tet. Sowohl das im BioCrack­Prozess ent­

stehende Pyrolyseöl als auch der Rohdiesel sind zu einem Anteil biogen und verursa­

chen geringere Treibhausgasemissionen als rein fossile Treibstoffe. Bislang wurde jedoch noch kein Partner für die großtech­

nische Umsetzung gefunden.

Algentreibstoffe

Eine andere Methode, nicht mit Flächen für die Produktion von Lebens­ und Futtermit­

teln in Konkurrenz zu treten, ist die Produk­

tion von Mikroalgen in wasserführenden Systemen. Mikroalgen können CO2 aufneh­

men und für ihr Wachstum nützen. Die gro­

ße Herausforderung dabei ist weniger die Kultivierung der Mikroalgen als die Abtren­

nung dieser vom Nährmedium (in dem nur etwa 2 bis 10 Gramm pro Liter enthalten sind). Zur Weiterverarbeitung der Algen­

biomasse muss sie aufkonzentriert werden, was energetisch sehr aufwändig ist. Zurzeit ist eine Produktion von Biotreibstoffen aus Algen ökonomisch nicht sinnvoll, weshalb derzeit alle Bemühungen in Richtung Ge­

winnung von Wertstoffen gehen.

BDI betreibt eine Demonstrationsanlage zur Algenkultivierung und plant die Errich­

tung einer industriellen Anlage zur Produk­

tion des natürlichen Farbstoffes Astaxan­

thin für die Kosmetikindustrie im Ökopark Hartberg. Die Firma Ecoduna errichtet der­

zeit eine Demonstrationsanlage mit einem Hektar Flächenbedarf in Bruck an der Lei­

tha, die etwa 100 Tonnen Algenbiomasse pro Jahr liefern soll.

Electrofuels

Noch etwas weiter in der Zukunft liegt die Produktion von sogenannten Electrofuels.

Die Idee hinter diesen Technologien ist es, billig verfügbaren Überschussstrom dazu zu nutzen, Wasser mittels Elektrolyse zu spalten und dabei Wasserstoff zu erzeu­

gen. Dieser Wasserstoff wiederum kann mit Kohlendioxid oder Methan zu Treibstoffen kombiniert werden, die dann als Electro­

Quelle: BIOENERGY 2020+

Abb. 4: Electrofuels entstehen aus Wasserstoff in Kom- bination mit Kohlendioxid oder Methan.

Algenkultivierung – bislang ist die Produktion von Bio- treibstoffen aus Algen nicht rentabel.

© Andrea Sonnleitner

fuels bezeichnet werden. Gut geeignet zur Kombination mit Wasserstoff ist das Syn­

thesegas aus der Vergasung von Bio masse, wie z. B. im KliEn­Projekt Winddiesel be­

arbeitet wird. Dabei kann der Anteil an Kohlenstoff aus der Biomasse, der ins Pro­

dukt übergeht, im Vergleich zur herkömmli­

chen Vergasung und Synthese noch gestei­

gert werden. Zudem kann die Nutzung des Überschussstroms zur Stabilisierung von Stromnetzen beitragen. Die prinzipiellen Produktionspfade sind bekannt, aber der­

zeit noch nicht wirtschaftlich darstellbar.

Ein Pilotprojekt dazu läuft derzeit in einem Konsortium aus OMV, EVN, Fronius, HyCen­

tA und Energieinstitut Linz.

Vorteile fortschrittlicher Biotreibstoffe

Fortschrittliche Biotreibstoffe haben eine Reihe von Vorteilen: Sie erweitern die Roh­

stoffbasis zur Produktion von Biotreib­

stoffen um Reststoffe aus der Forst­ und Landwirtschaft, wodurch sich größere Rohstoffpotenziale und somit auch größe­

re Biotreibstoffpotenziale ergeben. Dabei haben sie auch höhere Treibhausgasemis­

sions­Reduktionspotenziale. Einige Techno­

logien können sogar CO² nutzen und Strom aus erneuerbaren Quellen in Treibstoffen speichern und nutzbar machen.

Österreichische Unternehmen entwickeln und verkaufen entsprechende Technologien auf der ganzen Welt. Die weltweiten Pro­

duktionskapazitäten für fortschrittliche Biotreibstoffe sind in den vergangenen Jahren zwar rasch gestiegen, sind jedoch im Vergleich zu den benötigten Mengen klein.

Biotreibstoffe stellen derzeit weltweit rund 3 % des Treibstoffbedarfs (etwa 74 Millio­

nen Tonnen Öläquivalent von verbrauchten 2.627 Millionen Tonnen Öläquivalent Treib­

stoff im Jahr 2014); und fortschrittliche Biotreibstoffe können erst in der Größen­

ordnung von etwa 1 % der Biotreibstoff­

menge produziert werden (Abb. 5). Zudem sind die Technologien noch nicht fertig entwickelt und müssen erst in Demonstra­

tionsanlagen und ersten industriellen An­

lagen getestet und optimiert werden.

Quelle: BIOENERGY 2020+

0 200 400 600 800 1.000

Produktionskapazität von Biotreibstoffen der 2. Generation auf Basis Lignocellulose biochemisch thermochemisch

Abb. 5: Die Produktionskapazität von 55 Anlagen für Biotreibstoffe der 2. Generation auf Basis Lignocellulose erreichte 2015 etwa 1,1 Millionen Tonnen – nur ein Bruchteil von 74 Millionen Tonnen Biotreibstoffen insgesamt.

1.000 Tonnen

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

3

BIOMASSE-DOSSIER 2

GENERA TION BIOFUELS

Quelle: BIOENERGY 2020+

Abb. 6: Aufgrund fehlender Bekenntnisse der EU-Politik zu Biotreibstoffen stagniert die Entwicklung in Europa.

Nachweis der Nachhaltigkeit

Bekenntnis zu Biotreibstoffen

Absatzmärkte schaffen

Investoren begeistern Bau von

Demoanlagen Technologisches Lernen

Multiplikation der Technologien

Was braucht es zur Umsetzung?

Der Bau von großtechnischen Anlagen zur Produktion von fortschrittlichen Biotreib­

stoffen ist um ein Vielfaches teurer als der Bau konventioneller Biotreibstoffanlagen.

Für die drei großen Zellulose­Ethanol­

Anlagen, die in den vergangenen Jahren in den USA in Betrieb genommen wurden, werden Investitionskosten von 275 bis 500 Millionen US­Dollar kolportiert. Da dies die ersten großtechnischen Anlagen sind, ist ein wirtschaftlich rentabler Betrieb keines­

wegs garantiert. Nichtsdestotrotz ist es nö­

tig, Anlagen dieser Größenordnung zu bau­

en und zu betreiben, um technologisches Lernen und eine ökonomische Produktion in Folgeanlagen zu ermöglichen.

Leider stagniert diese Entwicklung zu­

mindest in Europa derzeit. Obwohl Förder­

mittel aus dem NER­300­Programm ver­

fügbar wären, zögern die Unternehmen.

Investoren sehen keine Verdienstmög­

lichkeiten, weil der Absatzmarkt für Bio­

treibstoffe nicht gesichert erscheint. Die EU­Politik, die noch im Jahr 2009 Biotreib­

stoffe als die Lösung aller Probleme (Treib­

hausgasemissionen, Energieversorgungs­

sicherheit und regionales Einkommen) gesehen hat, hat mittlerweile den Anteil konventioneller Biotreibstoffe im Verkehrs­

sektor auf maximal 7 % limitiert und damit auf Kritik reagiert, dass die Nachfrage nach Roh stoffen zur Produktion von Biotreib­

stoffen zu Landnutzungsänderungen führen kann, die möglicherweise die tatsächlich reduzierten Treibhausgasemissionen stark minimieren.

Obwohl das ursprüngliche Ziel von 10 % erneuerbarer Energie im Verkehrssektor bis zum Jahr 2020 nach wie vor Bestand hat, fehlt für die Zeit danach eine verbindliche Vorgabe für den Treibstoffsektor. Konven­

tionelle Biotreibstoffe sollen gemäß dem derzeit vorgelegten Vorschlag für eine überarbeitete Erneuerbare­Energien­Di­

rektive langsam auslaufen und durch fort­

schrittliche Biotreibstoffe ersetzt werden.

Konkrete Ziele für diese Biotreibstoffe der 2. Generation fehlen jedoch, sodass kein gesicherter Absatzmarkt vorhanden ist. Da Biotreibstoffe ohne politische Lenkungs­

maßnahmen wie z. B. die Einführung einer CO2­Steuer preislich nicht mit fossilen Treibstoffen konkurrieren können, braucht es ein klares politisches Bekenntnis zu Biotreibstoffen, um den Absatzmarkt zu schaffen. Möglicherweise muss zuerst die Nachhaltigkeit von Biotreibstoffen (fort­

schrittlichen und konventionellen) außer Frage gestellt werden, bevor es dieses Be­

kenntnis geben kann.

Nur wenn klar ist, dass fortschrittliche Biotreibstoffe gesellschaftlichen Nutzen bringen, die Politik sich klar zu Biotreib­

stoffen bekennt und Investoren bereit sind, in Demonstrationsanlagen zu investieren, kann das nötige technologische Lernen stattfinden, um die Kosten zu senken und die Technologien zu implementieren.

DI Dina Bacovsky Unit Head Biofuels BIOENERGY 2020+

dina.bacovsky@bioenergy2020.eu

4

BIOMASSE-DOSSIER 2

GENERA TION BIOFUELS