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Ökobilanz im Rahmen des EU-Interreg Projektes "Biochar: Climate saving soils"
73. Symposium des ANS e.V.
Biokohle – Herstellung, Erzeugung und Bewertung
Donnerstag, 20. September 2012
Umweltforum Berlin
Dipl. Wi.-Ing. Jan-Markus Rödger
HAWK Fakultät Ressourcenmanagement, Göttingen
MSc Environmental Sustainability Jim Hammond
Biochar Research Center, University of Edinburgh
Prof. Dr.-Ing. Achim Loewen
HAWK Fakultät Ressourcenmanagement, Göttingen
Dr. Simon J. Shackley
Biochar Research Center, University of Edinburgh
1. Einführung in die Ökobilanz von Pflanzenkohle - Kernpunkte der Vorgehensweise -
„Eine Ökobilanz (LCA) ist eine über die Normen ISO EN 14040 und 14044 definierte Methode, um Umweltaspekte und –wirkungen von Produktsystemen zu analysieren….Der zentrale Gedanke ist die Analyse von der Wiege bis zur Bahre (cradle-to-grave).“ (Klöpffer et al., 2009)
2 73. Symposium des ANS e.V. Biokohle im Blick – Herstellung, Einsatz und Bewertung
1 t Pflanzenkohle * 80 % C * 3,667 CO2/C = 2,93 t CO2
+ Energiegutschrift (thermisch und elektrisch)
+ Weniger CH4 und N2O – Emissionen des Boden
+ verringerte Düngernachfrage
+ Humusaufbau
+ Steigerung der Biomasseerträge
+ Verringerung der Bodenbearbeitung
= ca. 14 t CO2 tPflanzenkohle-1 über 30 a
Keine Ökobilanz und nur die halbe Wahrheit
Bisherige Analyse ergeben folgendes Einsparpotenzial:
221 – 1.320 kg CO2eq tFM-1
442 – 1.650 kg CO2eq tTS-1
762 – 10.685 kg CO2eq tKohle-1
1. Einführung in die Ökobilanz von Pflanzenkohle - Bisherige Umweltbilanzen -
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73. Symposium des ANS e.V. Biokohle im Blick – Herstellung, Einsatz und Bewertung
1. Einführung in die Ökobilanz von Pflanzenkohle - Übertragbarkeit von Analysen -
- Biomassenverfügbarkeit
- Regional unterschiedlich
- Transporte sind mitunter entscheidend
- Prozessführung der Pyrolyse
- u.a. Temperatur, Verweilzeit
- Batch oder kontinuierlich
- Kohlequalitäten unterscheiden sich erheblich
- Stabilitäten
- Gehalte an Kohlenstoff
- Gutschriften
- Wärme- und Strombereitstellung
- Spez. Treibhausgase
- Kohle- oder Erdgassubstitution
- Bodenbeschaffenheit
- Ton, Sand, Lehm
4 73. Symposium des ANS e.V. Biokohle im Blick – Herstellung, Einsatz und Bewertung
2. Der Interreg-Ansatz zur Modellierung - Grundlagen -
5 73. Symposium des ANS e.V. Biokohle im Blick – Herstellung, Einsatz und Bewertung
Ziel: Ganzheitliches Modell für die Nordseeregion entwickeln: Bereitstellung der verfügbaren Biomassen (z.B. Nutzungskonkurrenz)
Datenakquise von tatsächlichen Pyrolyseanlagen
Einbindung von eigens durchgeführten Feldversuchen
Vorgehensweise: ISO 14040/44 konforme Datensätze erheben (d.h. Einhaltung von div. Vorgaben)
Hilfs- und Betriebsstoffe mit einbinden sowie Infrastruktur
6 Biomassen als geeignete Substrate identifizieren und modellieren
Umfrage an Pflanzenkohlehersteller senden
Qualitativ hochwertiger Herstellungsdaten ermitteln
Einbindung von realen Daten aus den Feldversuchen
Automatische Verknüpfung von Biomasse, Energieströmen und Kohlequalität
Modularer Berechnung von div. Anwendungsbeispielen (z.B. Länderspezifisch)
Fundierte Aussage über das Potenzial des Pflanzenkohleeinsatzes in der Nordseeregion erzielen
Gewählte Substrate im Interreg-Projekt:
Kurzumtriebsholz aus Weide (Hackschnitzel, Pellets)
Holzhackschnitzelmix
Gärrest
Grüne Abfälle (Grünschnitt, Straßenbegleitgrün)
Rapsstroh
2. Der Interreg-Ansatz zur Modellierung - Theoretische Biomasseverfügbarkeit in der Nordseeregion -
6 73. Symposium des ANS e.V. Biokohle im Blick – Herstellung, Einsatz und Bewertung
Kriterien:
- Nutzungskonkurrenz - Schwermetallbelastung
- Analysen von Kohlequalitäten - Expertenabschätzung
2. Der Interreg-Ansatz zur Modellierung - Pyrolyseanlagen in Europa -
7 73. Symposium des ANS e.V. Biokohle im Blick – Herstellung, Einsatz und Bewertung
Daten basieren auf eine Umfrage, die gemeinsam mit dem Biochar Research Center
der Universität Edinburgh (UKRBC) durchgeführt wurde
Bisher 3 Anlagen (valide Datensätze) eingebunden
Unterschiedliche Datenqualität, d.h. Messmethoden, Expertenabschätzungen
Bei fehlenden Daten wurde auf die Versuchsanlagen des UKBRC zurückgegriffen
Ziel: Abbildung der heutigen Produktion in Europa
Problem: Wie könnten die heutigen Anlagen in ein Modell überführt werden?
Ansatz:
Produktionskapazität der Anlagen (mi)
Technologie-Reifegrad (TRLi)
Verfügbarkeit der Anlagen pro Jahr (AFi)
Lösung: Relativer Beitrag der jeweiligen Anlage zur heutigen Produktion in Europa
Das Modell erfüllt die Vorgaben des Europäischen Pflanzenkohle Zertifiktats (EPZ)
der Fa. bio.inspecta AG
2. Der Interreg-Ansatz zur Modellierung - Nutzungsmöglichkeiten in Europa-
14 73. Symposium des ANS e.V. Biokohle im Blick – Herstellung, Einsatz und Bewertung
Tatsächliche Kohlequalitäten im Modell eingepflegt (UKBRC, University Newcastle)
Kohlenstoff Flüchtiger Kohlenstoff Stabilitätsfaktor Energiegehalt SOC-Priming Effekt Stickstoff Phosphor Etc.
Einsatz in der Landwirtschaft
Daten stammen vom Biochar Research Center (Hammond et al., unpublished) CO2, CH4, N2O – Emissionen Biomasseerträge Einspareffekte von Dünger Organischer Kohlenstoffgehalt im Boden
Daten der Interreg-Feldversuche werden in Kürze in das Modell eingebunden
Co-Verbrennung der Produkte auf Basis von strom – oder wärmegeführten
Kohlekraftwerken in 6 Ländern oder der EU-Durchschnittswerte
2. Der Interreg-Ansatz zur Modellierung - Das BAPU - Modell (Best Available Pyrolysis Unit) -
9 73. Symposium des ANS e.V. Biokohle im Blick – Herstellung, Einsatz und Bewertung
Berechnung der Treibhausgasbilanzen für:
6 Substrate 3 Pyrolyseanlagen + BAPU-Modell 2 Nutzungswege (Landwirtschaft: Datenbank UKRBC + 6 Feldversuche; Co-
Verbrennung) 6 Länder + EU-Durchschnitt
Jeder Zeit möglich verschiedene Kombinationen zu berechnen
Einbindung von neuen Daten gewünscht und auch auf andere Projekte anwendbar
3. Ökobilanz heutiger und zukünftiger Anwendungen - 3 Beispiele für Gärrest (Schweine- und Rindergülle und Maissilage)
10 73. Symposium des ANS e.V. Biokohle im Blick – Herstellung, Einsatz und Bewertung
Trocknung kann durch die bereitgestellte Energie der Pyrolyse nicht gedeckt werden Die gewählte Kohle hat nur geringen Kohlenstoffanteil (ca. 33 %) Separation des Gärrests verringert die Umweltlasten durch die Trocknung deutlich Verstromung führt zu weiteren Einsparungen Anpassung des Pyrolyseprozessen führt zu höheren Erträgen
3. Ökobilanz heutiger und zukünftiger Anwendungen - 3 Beispiele für Kurzumtriebsholz (SRC) -
11 73. Symposium des ANS e.V. Biokohle im Blick – Herstellung, Einsatz und Bewertung
Geringer Wassergehalt der Biomasse führt zu einem Überschuss an thermischer Energie
Hoher Kohlenstoffgehalt (84,5 %) trägt maßgeblich zum Einsparpotenzial bei
Steigerung der Kohlenausbeute der Pyrolyse verringert die Wärmegutschrift
Pelletierung verursacht mehr Emissionen in der Herstellung
Gutschriften für thermische und elektrische Energie maximal
3. Ökobilanz heutiger und zukünftiger Anwendungen - 5 Beispiele (Holzhackschnitzel)-
12 73. Symposium des ANS e.V. Biokohle im Blick – Herstellung, Einsatz und Bewertung
Geringe Emissionen bei der Herstellung und Bereitstellung der Holzhackschnitzel
Wärmenutzung maßgeblich für positive Bilanz
Steigerung des Biomasseertrages hat nur geringfügigen Einfluss auf die Bilanz
Pyrolyseprozessanpassung (Feste Phase) in Ländern mit „geringen“ spez. THG-Emissionen
Co-Verbrennung „nur“ bis zum Ende der fossilen Kohlenvorkommen sinnvoll (Gutschriften!)
4. Potenzial in der Nordseeregion - Basierend auf der theoretisch verfügbaren Biomasse pro Jahr -
13 73. Symposium des ANS e.V. Biokohle im Blick – Herstellung, Einsatz und Bewertung
Insgesamt 28 mio. Tonnen an Biomasse pro Jahr theoretisch verfügbar
Deutschland:
Vermeidung von 0,8 % des gesamten Treibhauspotenzial pro Jahr (Bezugsjahr 2008)
EU-27:
Vermeidung von 0,4 % des gesamten Treibhauspotenzial pro Jahr (Bezugsjahr 2009)
4. Potenzial in der Nordseeregion - Basierend auf der verfügbaren Fläche und Biomasse der NSR-Länder -
14 73. Symposium des ANS e.V. Biokohle im Blick – Herstellung, Einsatz und Bewertung
Annahme: 15 t Pflanzenkohle pro Hektar
Gesamte Fläche: 43 mio. Hektar
Pro Jahr können 0,5 mio. Hektar „beliefert“ werden
Insgesamt könnten 1,78 Gt CO2eq auf den verfügbaren Flächen gespeichert werden
5. Zusammenfassung und Ausblick
15 73. Symposium des ANS e.V. Biokohle im Blick – Herstellung, Einsatz und Bewertung
Modell basiert auf realen Daten und Langzeitwirkung noch nicht abgebildet
Dezentrale Konzepte (insb. Wärmekonzepte) sind zu bevorzugen
Hoher C-Gehalt maßgeblicher Faktor (Priming Effekt nicht entscheidend)
Steigerung der Biomasse hat nur geringen Einfluss
Regionale Aspekte müssen berücksichtigt werden
Gutschriftenproblematik
Bodenbeschaffenheit und klimatische Bedingungen (z.B. N2O, CH4)
Pflanzenkohlen können zur Vermeidung des Treibhauspotenzials in der Nordseeregion beitragen
Zukünftige Schritte:
Weitere Pflanzenkohlen einbinden
Feldversuche des Interreg-Projektes
Ausweitung der Analysen auf Life cycle Costing
Vermeidungskosten wichtige Kennzahl für die politische Diskussion
Vielen Dank!
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Fakultät Ressourcenmanagement Fachgebiet Nachhaltige Energie- und Umwelttechnik NEUTec
Rudolf-Diesel-Str. 12 37075 Göttingen
Prof. Dr.-Ing. Achim Loewen Tel.: 0551 / 5032- 257 E-Mail: loewen@hawk-hhg.de
Dipl.-Wi.-Ing. Jan-Markus Rödger Tel.: 0551 / 30738-16 E-Mail: roedger@hawk-hhg.de
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