Ganzheitliche Analyse thermochemischer Verfahren bei der Nutzung fester Biomasse zur Kraftstoffproduktion in Deutschland

Abstract

In Deutschland müssen Biokraftstoffe nach der Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung ab 2011 eine CO2eq-Einsparung gegenüber dem fossilen Vergleichskraftstoff (83,8 g CO2eq/MJKS /Richtlinie 98/70/EG/) von mindestens 35 % und in Anlagen, die nach dem 31.12.2016 in Betrieb gehen von 50 % im Jahr 2017 bzw. 60 % im Jahr 2018 aufweisen /Biokraft-NachV/. Die in dieser Arbeit betrachteten Anlagen zur Produktion von Biokraftstoffen (Rapsmethyles-ter, Bioethanol und Biomethan) halten die geforderte Einsparung für Neuanlagen nicht ein. Um die Emissionen gezielt zu senken, müssten somit neue Verfahren zum Einsatz kommen. Alternativ könnten thermochemisch erzeugte Kraftstoffe produziert und genutzt werden. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, anhand einer technischen, ökologischen und ökonomischen Analyse (Well-to-Wheel) zu bewerten, ob und unter welchen Bedingungen die thermochemische Produktion von Fischer-Tropsch-Diesel bzw. Benzin, Wasserstoff (H2) und Substitute Natural Gas (SNG) die genannten Ziele einhält. Es werden dabei vier verschiedene Verfahren (Schnellpyrolyse bzw. Torrefizierung mit Flugstromvergaser, CHOREN Carbo-V®-Vergaser, Absorption Enhanced Reforming (AER-) Vergaser) betrachtet, in denen neben Reststoffen wie Winterweizenstroh und Waldrestholz noch Weiden aus Kurzumtriebs-plantagen eingesetzt werden. Die technische Analyse hat gezeigt, dass auf gegenwärtigem Stand der Technik (2010) zwei und im Jahr 2050 sechs Anlagen stromautark betrieben werden können. Der energetische Nutzungsgrad der Verfahren beläuft sich dabei auf 41,5 (Fischer-Tropsch-Diesel bzw. Benzin) bis 59,4 % (H2). Weiterhin wurde festgestellt, dass heute (2010) fast alle thermochemisch erzeugten Kraftstoffe die gesetzlich geforderte CO2eq-Einsparung von 60 % bereits einhalten. Ausge-nommen hiervon ist die H2-Produktion aus Weiden aus Kurzumtriebsplantagen in dezentralen bzw. zentralen Schnellpyrolysen sowie in einer dezentralen Torrefizierung mit Flugstromver-gaser. Im Jahr 2050 wird die geforderte CO2eq-Einsparung von allen thermochemisch erzeug-ten Kraftstoffen unterboten. Die CO2eq-Einsparungen liegen dabei zwischen 72 (H2) und 95 % (Fischer-Tropsch-Diesel bzw. Benzin). Vergleicht man die spezifischen Produktionskosten thermochemisch erzeugter Kraft-stoffe Stand 2010, so wird deutlich, dass sie noch über den der fossilen Kraftstoffe liegen. Die Bandbreite der Kosten frei Tankstelle beläuft sich zwischen 27,1 (Fischer-Tropsch-Diesel bzw. Benzin) bis 70,7 €2010/GJKS (H2). Mit steigenden Rohöl-, Erdgas sowie CO2eq-Preisen ergeben sich zukünftig Perspektiven für thermochemisch erzeugte Kraftstoffe.

According to the German act “Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung“, biofuels must show a CO2eq-reduction compared to the fossil reference fuel (83.8 g CO2eq/MJfuel /Richtlinie 98/70/EG/) of 35 % beginning with 2011. In new plants, which go into operation after the 31.12.2016 the CO2eq-savings must be higher than 50 % in 2017 and higher than 60 % in 2018 /Biokraft-NachV/. The biofuels (methyl ester of rapeseed, bioethanol and biomethane) considered in this study do not meet these requirements for new plants. To comply with these rules new processes must be deployed. Alternative thermochemical generated fuels could be an option. The aim of this work is to evaluate through a technical, ecological and economic analysis (Well-to-Wheel) whether and under what conditions the thermochemical production of Fischer-Tropsch-diesel or gasoline, hydrogen (H2) and Substitute Natural Gas (SNG) complies with the targets. Four different processes are considered (fast pyrolysis and torrefac-tion with entrained flow gasifier, CHOREN Carbo-V®-gasifier, Absorption Enhanced Re-forming (AER-) gasifier). Beside residues such as winter wheat straw and residual forest wood, wood from short-rotation plantations is taken into account. The technical analysis showed that at present status (2010) two and in 2050 six plants can be operated energy-self-sufficient. The overall efficiency of the processes is in the range of 41.5 (Fischer-Tropsch-diesel or gasoline) and 59.4 % (H2). Furthermore, it was found that for 2010, all thermochemical produced fuels except the H2-production from wood from short-rotation plantations in decentralised or central fast py-rolysis and in decentralised torrefactions with entrained flow gasifier keep the required CO2eq-saving of 60 %. In 2050, all thermochemical produced fuels will reach these limits. The CO2eq-saving is between 72 (H2) and 95 % (Fischer-Tropsch-diesel or gasoline). When the production costs of the thermochemical produced fuels for 2010 are com-pared, it becomes evident, that they are not competitive with fossil fuels. The range of costs at the petrol station are between 27.1 (Fischer-Tropsch-diesel- or gasoline) and 70.7 €2010/GJfuel (H2). With rising CO2eq-costs as well as crude oil and natural gas prices future prospects are getting better for the thermochemical produced fuels.