Leible, L.; Arlt, A.; Fürniß, B.; Kälber, S.; Kappler, G.;
Lange, S.; Nieke, E.; Rösch, Ch.; Wintzer, D.
Karlsruhe: Forschungszentrum Karlsruhe 2003
(Wissenschaftliche Berichte, FZKA 6882, 278 Seiten)
Zusammenfassung
Aktuelle politische Ziele und Vorgaben auf nationaler und EU-Ebene, wie z. B. die Gemeinschaftsstrategie und der Aktionsplan der EU zur verstärkten Nutzung erneuerbarer Energieträger, das Erneuerbare-Energien-Gesetz und die Biomasse-Verordnung, zielen darauf ab, den Anteil erneuerbarer Energieträger an der Energieversorgung deutlich zu erhöhen. Hohe Erwartungen werden hierbei v.a. an die energetische Nutzung von Biomasse (insbesondere biogene Reststoffe und Abfälle) geknüpft.
Darüber hinaus zielen Bemühungen auf die Verringerung von CO2-Emissionen und anderen treibhausrelevanten Gasen, die mit der energetischen Nutzung von biogenen Abfällen und Reststoffen realisiert werden kann.
Vor diesem Hintergrund wurde von ITAS die vorliegende Studie durchgeführt, mit der Zielsetzung, die Chancen einer energetischen Nutzung von biogenen Rest- und Abfallstoffen zu analysieren und einer Bewertung zuzuführen. Dabei wurden u. a. die nachfolgenden, bestimmenden Fragestellungen bearbeitet:
In der methodischen Vorgehensweise wird einerseits auf eine umfassende Auswertung vorliegender Studien und Veröffentlichungen aufgebaut. Andererseits waren zusätzliche eigene Erhebungen bei Anlagenbauern und -betreibern nötig, um Abschätzungen sowohl zum Aufkommen, als auch bei den wichtigen Kenngrößen zu den Verfahrensketten der Bereitstellung und energetischen Nutzung der biogenen Reststoffe und Abfälle durchführen zu können. Dabei war es das Bestreben, technologieübergreifend möglichst einheitlich angelegte Abschätzungsmethoden anzuwenden.
Detaillierte Analysen zum Aufkommen und zur Zusammensetzung der für eine energetische Nutzung verfügbaren biogenen Reststoffe und Abfälle in Deutschland wurden durchgeführt. Das technisch erschließbare Potenzial an biogenen Rest- und Abfallstoffen für eine energetische Nutzung ist danach keinesfalls als gering einzustufen. Die relative Bedeutung, welche die betrachteten biogenen Reststoffe und Abfälle in einem Gesamtvergleich insgesamt und im Verhältnis zueinander haben, ist in Abb. 1 auf der Basis des jeweiligen Aufkommens an organischer Trockensubstanz (oTS) dargestellt. Die oTS ist letztlich der maßgebliche Inhaltsstoff, der den Umfang der energetischen Nutzbarkeit des biogenen Reststoffs bestimmt.
Abb. 1: Relative Bedeutung der biogenen Reststoffe und Abfälle am Gesamtaufkommen
Aus Abb. 1 wird deutlich, dass die Land- und Forstwirtschaft mit Waldrestholz, Stroh (Überschuss-) und Gülle rd. 60 % des angeführten Aufkommens von 75 Mio. Mg oTS bereitstellt. Industrierest- und Altholz tragen 18 % zum angeführten Aufkommen bei. Nicht unwesentlich erscheint in diesem Zusammenhang das Aufkommen an oTS im Hausmüll (Rest-), wobei sich die Frage stellt, wie dieses Aufkommen effizienter als bisher erschlossen werden könnte.
Geht man bei einer vereinfachten Abschätzung von einem Heizwert (Hu) für die oTS von 18 GJ/Mg aus, dann ist das Aufkommen von 75 Mio. Mg oTS einer Energiemenge von 1.350 PJ gleichzusetzen. Dies entspricht rd. 9 % des deutschen Primärenergiebedarfs. Wie eigene Abschätzungen zeigen, könnte aufgrund der zusätzlich noch darstellbaren biogenen Rest- und Abfallstoffe - die in Abb. 1 nicht aufgeführt sind - das Aufkommen von 75 Mio. Mg oTS noch um rd. 5-15 Mio. Mg oTS erhöht werden.
Die bestehenden technischen Verfahren zur energetischen Nutzung biogener Reststoffe und Abfälle basieren im Wesentlichen auf biologischen und thermischen Prozessen. Für eine direkte energetische Nutzung, wie z. B. bei der Verbrennung, ist der Heizwert (Hu) die wesentliche wertbestimmende Eigenschaft. In Abb. 2 sind die Heizwerte einiger biogener Rest- und Abfallstoffe dargestellt, differenziert nach dem Gehalt an Trockensubstanz (TS). Anhand der Beispiele Waldrestholz und Klärschlamm ist veranschaulicht, welchen Einfluss der TS-Gehalt (Grad der Entwässerung bzw. Trocknung) auf den Heizwert hat. So hat beispielsweise Waldrestholz bei einem TS-Gehalt von 50 % nur einen Heizwert von 7,3 MJ/kg Frischmasse (FM). Nach einer 6 bis 12-monatigen Lagerung wird bereits ein TS-Gehalt von 75 % und ein Heizwert von 12,2 MJ/kg FM erreicht. Durch zusätzliche thermische Trocknung lässt sich dieser auf 15,1 MJ/kg FM erhöhen. Ab einem Heizwert von 5 bis 6 MJ/kg FM kann von einer selbstgängigen Verbrennung der biogenen Reststoffe ausgegangen werden; eine Unterstützung der Verbrennung, beispielsweise durch Heizöl oder Erdgas, ist dann nicht mehr nötig.
Abb. 2: Heizwert (Hu) biogener Rest- und Abfallstoffe in Abhängigkeit vom TS-Gehalt
Neben dem Trockensubstanzgehalt (TS-Gehalt) wird der Heizwert auch von den organischen Inhaltsstoffen, wie z. B. Zellulose, Lignin, Proteine, Kohlenhydrate oder Fette bestimmt. Für biologische Abbauprozesse zur Energieproduktion (Biogas- und Klärgasproduktion) sollte der oTS-Gehalt einen Anteil von 40 % an der Trockensubstanz nicht unterschreiten, um eine effiziente Vergärung und Gasproduktion zu gewährleisten. Neben dem oTS-Gehalt spielt jedoch auch die biologische Abbaubarkeit der organischen Substanzen eine entscheidende Rolle. Leicht abbaubar sind v.a. Fette, Stärke und Zucker. Diese bestimmen somit, welche Gasausbeute mit einem Substrat erzielbar ist.
Durch entsprechende zusätzliche Konditionierungsverfahren, wie z. B. der Entwässerung, der Trocknung oder dem Mischen mit anderen Reststoffen, kann die Konsistenz der biogenen Reststoffe und Abfälle entsprechend angepasst werden, um weitere energetische Nutzungsmöglichkeiten zu erschließen. So benötigt z. B. ein effizientes Vergasungsverfahren Ausgangsstoffe mit einem TS-Gehalt von annähernd 90 %, so dass hierfür i.d.R. die biogenen Reststoffe zuvor getrocknet werden müssen.
Mehr als 50 verschiedene Logistikketten (Erfassung, Konditionierung, Transport und Lagerung) wurden im Rahmen der Studie hinsichtlich ihrer Technik, Kosten, CO2-Emissionen und Beschäftigungseffekte untersucht und bewertet. Nachfolgend werden einige Ergebnisse dargestellt.
Die Bereitstellung der betrachteten biogenen Rest- und Abfallstoffe lässt sich mit der verfügbaren Technik problemlos realisieren und wird am Markt überwiegend seit Jahrzehnten großtechnisch durchgeführt, wobei dem Sektor der Land- und Forstwirtschaft aufgrund des vorhandenen Know-how, des hohen Ausrüstungsstandards und durch die Auslastung evtl. freier Kapazitäten eine zentrale Rolle zugeordnet werden kann.
Negativ auf die Bereitstellungskosten biogener Rest- und Abfallstoffe wirken sich grundsätzlich ein hoher Wassergehalt, der i.d.R. eine aufwendige Prozesskette und hohe Transportkosten zur Folge hat, kleine Chargen, die personalintensiv eingesammelt werden müssen, und eine aufwendige Erfassung im Bestand (Wald) aus. Hinsichtlich der Bereitstellungskosten schneiden folglich die Industrieresthölzer (trocken, vorzerkleinert, bereits sortenrein erfasst) am günstigsten ab (vgl. Abb. 3), wohingegen die Bereitstellung von Klärschlamm (nass, mehrstufige Prozesskette) und Bioabfall (personalintensiveErfassung, feucht, mehrstufige Prozesskette) mit deutlich höheren Kosten verbunden ist.
Abb. 3: Kosten der Bereitstellung biogener Reststoffe und Abfälle
Werden die Reststoffe mit dem höchsten Mengenpotenzial für eine thermische Verwertung - Stroh und Waldrestholz - betrachtet, so zeigt sich, dass die Erfassungskosten bei beiden in etwa gleicher Höhe liegen. Beim Transport weist Stroh aufgrund der niedrigen Dichte auch nach Kompression eher höhere Werte auf. Beim Waldrestholz tragen die Lagerkosten wesentlich zur Kostensteigerung bei. Sowohl bei Stroh als auch bei Waldrestholz können sich nach Anlieferung bei der Verwendungsanlage bei einigen Anlagentypen zusätzliche Konditionierungsschritte ergeben, welche durch Anforderungen an eine weitere Zerkleinerung oder an eine weitere Trocknung notwendig sind.
Im Hinblick auf die Transportkosten zeigen landwirtschaftliche Züge auf der Kurzstrecke bis max. 30 km die günstigsten Ergebnisse. Bei schweren biogenen Rest- und Abfallstoffen zeichnen sich für größere Transportentfernungen ab ca. 100 km Kostenvorteile der Schiene gegenüber dem Lkw ab. Die ab 2003 gültige Lkw-Maut wird dies noch verstärken.
Die mit der Bereitstellung der biogenen Abfälle verbundenen Prozessschritte führen zu einem nicht zu unterschätzenden Beschäftigungseffekt. Aufgrund der Tatsache, dass ein Großteil der biogenen Rest- und Abfallstoffe aus der Land- und Forstwirtschaft stammt bzw. auch in kleinen Kommunen anfällt, eröffnen sich insbesondere für den ländlichen Raum zusätzliche Beschäftigungsmöglichkeiten.
Die durch die Bereitstellung bedingten CO2-Emissionen betragen bei holzreichen bzw. trockenen Abfall- und Reststoffen bis zu ca. 14 % der theoretisch substituierbaren CO2-Emissionen bei deren energetischer Nutzung. Deshalb ist der für die Bereitstellung aufgewandte Energieeinsatz oft nicht mehr vernachlässigbar.
Für die betrachteten Prozessketten der Bereitstellung lässt sich im Saldo, gemessen an der nachfolgenden Substitution fossiler Energieträger, immer eine positive Energiebilanz aufstellen. Selbst bei dem unter energetischen Gesichtspunkten ungünstigen Brennstoff "Klärschlamm" werden bei langen Transportentfernungen von ca. 250 km max. 50 % des Energiegehaltes des Klärschlamms für die Bereitstellung verbraucht.
Bahntransporte weisen energetisch und hinsichtlich der korrespondierenden CO2-Emissionen deutlich niedrigere Werte als Lkw-Transporte auf. Bei Anlagen zur energetischen Nutzung biogener Rest- und Abfallstoffe, deren Standort sich in oder in der Nähe von Siedlungsgebieten befindet, lassen sich durch ein schienenbasiertes Logistikkonzept zusätzlich auch Lärm- und Immissionsbelastungen für die Anwohner reduzieren. Somit können solche Logistikkonzepte zu einer Akzeptanzsteigerung von Biomasseanlagen im kommunalen Bereich beitragen.
Im Rahmen der Studie wurde eine Vielzahl höchst heterogener Technologien zur Wärme- und Stromerzeugung aus biogenen Rest- und Abfallstoffen untersucht, von der Biogas- und Klärgasgewinnung, über die Verbrennung bis hin zur Vergasung. In Abb. 4 werden die Stromgestehungskosten für die unterschiedlichen Technologien in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung der Anlagen dargestellt. Als Vergleich dienen die Stromgestehungskosten in einem Steinkohlekraftwerk, die bei rd. 45 €/MWhel liegen, und der Bereich für die Stromvergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) für die Einspeisung von Strom aus biogenen Rest- und Abfallstoffen, die nach der Biomasseverordnung als Biomasse anerkannt sind.
Abb. 4: Gegenüberstellung der Stromgestehungskosten der in der Studie betrachteten Technologien
Trotz der oben erwähnten Einspeisevergütungen sind bei den gegenwärtigen Preisen für fossile Energieträger nur die größten Biogas- und Klärgasanlagen wettbewerbsfähig. Im Falle der Co-Vergärung können die Biogas- und Klärgasanlagen zu geringeren Kosten der Stromerzeugung führen als in den Bereichen der Verbrennung und Vergasung von Waldrestholz und Stroh. Die Ursache dafür ist hauptsächlich darin zu sehen, dass der ökonomische Vorteil gegenüber alternativ anfallenden Entsorgungskosten in Form verringerter Anlieferungskosten oder gar Erlösen bei den Verarbeitungsanlagen zumindest teilweise honoriert wird. Wie aktuelle negative Beispiele jedoch belegen, muss der Einsatz der Co-Substrate einer regelmäßigen Überwachung unterzogen werden, um einem möglichen Missbrauch vorzubeugen.
Bei den strukturarmen Bioabfällen könnten Kläranlagen zukünftig - im Falle bestehender Reserven bei der Faulturmkapazität und bei der Abwasserreinigung - zunehmend zu Konkurrenten um geeignete Substrate für die Co-Vergärung werden. Durch Auslastung der kommunalen Faulräume lassen sich für Kommunen deutliche Kostenvorteile erzielen, insbesondere wenn sich dadurch der zusätzliche Betrieb von reinen Bioabfallvergärungsanlagen vermeiden lässt. Darüber hinaus zeigt die Co-Vergärung hinsichtlich der energetischen und ökonomischen Kenndaten im Vergleich zur reinen Klärschlammvergärung und Bioabfallvergärung bessere Werte.
Die ökonomische Analyse im Bereich der Verbrennung und Vergasung ergibt das folgende Bild: Trotz der im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) festgelegten Einspeisevergütungen stellen sich die Stromgestehungskosten in Heizkraftwerken und Kraftwerken auf der Brennstoffbasis von Waldrestholz und Stroh als nicht wirtschaftlich dar. Ein wirtschaftlicher Betrieb dieser Biomasseanlagen wird unter den gegenwärtigen Rahmenbedingungen nur dadurch erreicht, dass kostengünstigere Alt- und Industrieresthölzer mitverbrannt werden. Dabei zeichnen sich Präferenzen zugunsten größerer Kraftwerke ab.
Die Co-Verbrennung von Waldrestholz und Stroh im Steinkohlekraftwerk stellt eine vergleichsweise kostengünstige Möglichkeit dar, den fossilen Brennstoff Steinkohle bei gleichbleibender Kapazität teilweise zu substituieren. Wie die Ergebnisse in Abb. 4 zeigen, kann über die Co-Verbrennung von Waldrestholz und Stroh in einem Steinkohlekraftwerk Strom zu rd. 90 bzw. 95 €/MWhel und somit weitaus günstiger als im Biomassekraftwerk produziert werden. Dies ist zwar wesentlich teurer als eine Stromerzeugung ausschließlich über Steinkohle. Gemessen am 20 MWel-Biomassekraftwerk wäre aber nur eine Einspeisevergütung von rund 90 €/MWhel nötig, um die bestehenden Wettbewerbsnachteile auszugleichen.
Obwohl die Datenbasis und die darauf aufbauende Bewertung der Vergasungstechnologien mit einer hohen Unsicherheit behaftet sind, lassen sich mit Vorbehalten einige Schlussfolgerungen ziehen. Für eine wirtschaftliche Stromerzeugung durch die Festbettvergasung von Waldrestholz im niedrigen elektrischen Leistungsbereich unter 500 kWel zeichnen sich keine günstigen wirtschaftlichen Perspektiven ab. Für größere Vergasungsanlagen ab etwa 5 MWel ist am Beispiel von Anlagen mit Wirbelschichtfeuerung das Potenzial für realisierbare Vorteile bei den Stromerzeugungskosten gegenüber den Verbrennungstechnologien erkennbar.
Mit der Bereitstellung biogener Reststoffe und Abfälle und deren energetischen Nutzung gehen positive Beschäftigungseffekte einher, wobei auf die bestehenden Unsicherheiten in der Abschätzung, besonders aber hinsichtlich der volkswirtschaftlichen Gesamtwirkung hinzuweisen ist. Hinsichtlich einer regionalen Zuordnung der Beschäftigungseffekte kann davon ausgegangen werden, dass beispielsweise die entfallenden Arbeitsplätze im Bereich der Kohleverstromung weniger im ländlichen Raum anzusetzen sind. Dem steht gegenüber, dass der Arbeitskräftebedarf für die Bereitstellung der biogenen Rest- und Abfallstoffe vorwiegend in der Land- und Forstwirtschaft anzusiedeln ist.
Eine Abschätzung soll die Größenordnung der insgesamt möglichen Beschäftigungseffekte illustrieren: Wird unterstellt, dass die Hälfte des technischen Aufkommenspotenzials von 75 Mio. Mg oTS der biogenen Rest- und Abfallstoffe energetisch genutzt wird (außer Hausmüll), errechnen sich rund 40.000 zusätzliche Beschäftigte.
Durch die energetische Nutzung von 50 % des bestehenden Waldrestholz- und Strohpotenzials wäre eine zusätzliche Beschäftigung von jeweils rd. 15.000 Arbeitskräften, im Falle der Gülle von rd. 7.000 Arbeitskräften, abzuleiten. Der Rest ergibt sich aus Beiträgen von Industrierestholz, Altholz und Bio-/Grünabfall.
Die Schätzunsicherheiten für Beschäftigungseffekte im Bereich der Bereitstellung der biogenen Reststoffe und Abfälle sind vergleichsweise als gering anzusehen, da die Datengrundlage schlüssig ist. Die Ergebnisse haben des Weiteren gezeigt, dass sich die zusätzliche Beschäftigung überwiegend im Bereich der Land- und Forstwirtschaft ergibt.
Zum Vergleich: In der Land- und Forstwirtschaft sind gegenwärtig knapp 1 Mio. Personen erwerbstätig. Bei den Arbeiten zur Bereitstellung der Energieträger kann nicht grundsätzlich davon ausgegangen werden, dass die Beschäftigungseffekte zu einer Einstellung von zusätzlichem Personal im Bereich der Land- und Forstwirtschaft führen. Vielmehr ist davon auszugehen, dass bestehende Arbeitsplätze im ländlichen Raum im entsprechenden Umfang gesichert werden.
Ein anderer Schwerpunkt der vorliegenden Studie lag in der Analyse und Gegenüberstellung der CO2-Minderung und der CO2-Minderungskosten der untersuchten Technologien zur energetischen Nutzung biogener Reststoffe und Abfälle. In Abb. 5 sind die Bereiche der CO2-Minderungskosten der verschiedenen betrachteten Technologien aufgezeigt.
Abb. 5: Gegenüberstellung der CO2-Minderungskosten der in der Studie betrachteten Technologien
Zur vergleichenden Bewertung wurden CO2-Minderungskosten aus Studien mit CO2-Minderungsszenarien bei der Verfolgung der Minderungsziele der Bundesregierung herangezogen. Aussagen anderer Autoren hierzu ergeben, dass bei einem CO2-Minderungsziel von 25 % oder gar 40 %, CO2-Minderungskosten zwischen 50 und 100 € pro Mg CO2-Äq. angesichts teurerer Alternativen durchaus zu akzeptieren sind. Vor diesem Hintergrund stellen sich die erzielbaren CO2-Minderungskosten bei der Bio- und Klärgasnutzung wie auch bei der Verbrennung und Vergasung von biogenen Reststoffen und Abfällen als sehr interessant dar.
Die energetische Nutzung von biogenen Reststoffen und Abfällen ist in der Europäischen Union (EU) sehr unterschiedlich ausgeprägt. Dies liegt einerseits an den gegebenen natürlichen Rahmenbedingungen und Wirtschaftsstrukturen. Andererseits sind hierfür die von der Politik verfolgten Förderstrategien maßgeblich, die in sehr unterschiedlichem Maße vorgeben, wieweit die vorhandenen biogenen Reststoffe einer energetischen Verwertung zugeführt werden sollten.
Wie die vorliegende Studie belegen kann, leistet die energetische Nutzung biogener Reststoffe und Abfälle heute bereits in nahezu allen Ländern der EU den größten Beitrag zur Energieversorgung aus erneuerbaren Energien. Dem hatte die EU mit dem in ihrem Weißbuch angepeilten Verdopplungsziel bis 2010 auch Rechnung getragen. Vor dem Hintergrund des bisher Erreichten und den angedachten Veränderungen in den Rahmenbedingungen ist es jedoch fraglich, ob dieses Ziel realisiert werden kann.
Als Fazit bei den verschiedenen Fördermaßnahmen in einzelnen EU-Ländern ist festzuhalten, dass in den letzten Jahren die größten Zuwächse bei der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in denjenigen Ländern zu verzeichnen sind, in denen staatlich garantierte Festpreise angewandt werden. Unter diesem Blickwinkel hat die erfolgreiche Einführung des EEG in Deutschland für die Förderung der erneuerbaren Energieträger eine Vorbildfunktion für andere EU-Länder übernommen.
Obwohl die erneuerbaren Energien in Deutschland heute schon ein wichtiger Wirtschaftsfaktor sind, stellen sich diese Energien wettbewerbsmäßig noch nicht als Selbstläufer dar. Es müssen auch künftig eine Reihe von weiteren Maßnahmen ergriffen werden, um ihren Ausbau voranzutreiben.
In der vorliegenden Studie wurden verschiedene Schlussfolgerungen abgeleitet und dahingehend überprüft, welche Empfehlungen sich für eine Veränderung der gegebenen Rahmenbedingungen und Förderstrategien der energetischen Nutzung von biogenen Reststoffen und Abfällen ergeben. Nachfolgend sind einige wesentliche zusammengestellt: