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Open Access
Ganzheitliche Analyse thermochemischer Verfahren bei der Nutzung fester Biomasse zur Kraftstoffproduktion in Deutschland
(2015) Henßler, Martin; Voß, Alfred (Prof. Dr.)
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.
Open Access
Kosten regionaler Energie- und Klimapolitik : Szenarioanalysen mit einem Energiesystemmodell auf Bundesländerebene
(2013) Rühle, Bastian; Voß, Alfred (Prof. Dr.)
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden für Bayern, Hessen und Sachsen vereinheitlichte Energiesystemmodellrechnungen mit harmonisierten Rahmenbedingungen durchgeführt. Die grundsätzliche Zielsetzung ist die einheitliche Bewertung der Implikationen verschiedener Klimaschutzstrategien in regionalen Energiesystemen sowie die Ableitung robuster CO2-Minderungspfade. Die Bewertung basiert auf einem möglichst einheitlichen Datengerüst und ist mit einem linearen Optimierungsmodell vorgenommen worden. Dafür werden für die einzelnen Regionen der Bedarfsvektor für die Energienachfrage bestimmt und durch Abbildung des derzeitigen Energiesystems, zukünftige optimierte Ausgestaltungen unter Berücksichtigung von CO2-Restriktionen berechnet. Die Ergebnisse der ausgeführten Szenarioanalysen zeigen, dass CO2-Minderungsstrategien, die über absolute Emissionsreduktionen definiert sind, zu stark variierenden CO2-Minderungskosten und deutlichen volkswirtschaftlichen Mehrbelastungen führen können. Demgegenüber wird deutlich, dass ein Konzept mit einer Vorgabe von einheitlichen marginalen Minderungskosten für alle emittierenden Umwandlungs- und Endenergieverbrauchssektoren durchgängig eine robuste Strategie darstellt. Weiterhin werden im Rahmen der Untersuchung Ableitungen und Empfehlungen zu einzelnen Kernfragen bezüglich der Ausgestaltung regionaler Energiesysteme getroffen. Dabei wird deutlich, dass CO2-Minderungsziele mit einer Verlängerung von Laufzeiten hessischer und bayerischer Kernkraftwerke zu weit geringeren volkswirtschaftlichen Mehrkosten erreichbar sind als in den entsprechenden Szenarien ohne Kernenergie. Dieser Effekt verstärkt sich bei Erhöhung der Reduktionsvorgaben von energiebedingten Treibhausgasen. Die Rolle der erneuerbaren Energien ist vor allem in den ambitionierten Treibhausgasminderungsszenarien von großer Bedeutung. Allerdings ist die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energiequellen mit erheblichen Mehrkosten verbunden. Regionale Mindestquoten für die Nutzung erneuerbarer Energien mit dem Ziel einer Senkung der energiebedingten CO2-Emissionen unterwandern das übergeordnete Klimaschutzinstrument des Emissionshandels. Die gezwungene Einhaltung solcher lokalen Quoten ohne Berücksichtigung der Gesamtsystemeffekte verhindert im Hinblick auf eine bestmögliche Minderungsstrategie eine optimale Ausgestaltung des gesamten deutschen und europäischen Energiesystems. Die Nettobilanz des Imports und Exports von Stromlieferungen über die jeweiligen Landesgrenzen hat maßgeblichen Einfluss auf die Ausgestaltung der Stromerzeugung und somit auch auf die CO2-Bilanz eines Bundeslandes. Bei absoluten Zielformulierungen sollte daher dringend eine entsprechende Berücksichtigung und Anrechnung des Stromimportsaldos erfolgen. Die Option der CO2-Abscheidung und Verpressung wird im betrachteten Zeitraum bis 2030 von zunehmender Bedeutung. Sie wird insbesondere bei Kernenergieausstiegsszenarien eine wichtige Minderungsoption darstellen. Der Nutzung von Einsparpotenzialen in den Anwendungsbereichen wird in Bezug auf den Klimaschutz und die Ressourcenschonung eine entscheidende Rolle zukommen. Die Landesregierungen der einzelnen Bundesländer können und sollten insbesondere in diesem Bereich ihren vorhandenen Einfluss aktiv nutzen. Allerdings sollte dabei eine eindeutige Fokussierung und Beschränkung auf Bereiche erfolgen, welche nicht bereits im Treibhausgasemissionshandelsgesetz berücksichtigt sind. Eine Orientierung an den Grenzkosten bzw. Zertifikatspreisen des Emissionshandelssystems gewährleistet zudem eine kosteneffiziente Umsetzung von Klimaschutzmaßnahmen. Im Hinblick auf die Ausgestaltung regionaler Energie- und Klimaschutzprogramme wird herausgearbeitet, dass der elementare Gedanke des europäischen Emissionshandels, eine festgelegte Obergrenze möglichst kostengünstig zu erreichen, mit lokalen und nicht an den Minderungskosten im Bereich der Energiewirtschaft orientierten Aktivitäten unterwandert wird. Daher sollten lokale Klimaschutzaktivitäten auf Bundesländerebene sich auf Bereiche fokussieren, die bis dato im Emissionshandelssystem unberücksichtigt sind. Mögliche Initiativen zur Ausweitung des Emissionshandelsgesetzes erscheinen sinnvoll und sollten unterstützt werden.