Klima- und Umwelteffekte von Biomethan: Anlagentechnik und Substratauswahl

Das vorliegende Diskussionspapier leistet einen Beitrag zur Bewertung der Option Biomethan zur Einspeisung ins Erdgasnetz, indem die Treibhausgasbilanz der Prozesskette sowie die Umwelteffekte durch den Anbau der Substrate detailliert untersucht werden. Die Ergebnisse werden durch laufende weitere Arbeiten der Autoren in den größeren Kontext der umfassenden Untersuchung und Bewertung der Rolle von Biomethan im zukünftigen Energiesystem eingeordnet. Die Kenntnis der Klima- und Umwelteffekte von Biomethan bildet einen wichtigen Baustein in der ganzheitlichen Bewertung. Biogas kann aus Fermentation verschiedener feuchter Biomasse erzeugt werden. Nach der Aufbereitung (im Wesentlichen bestehend aus Entschwefelung, Trocknung und CO2-Abtrennung) spricht man von Biomethan, das als vollständiges Erdgas-Substitut ins Erdgasnetz eingespeist werden kann, um für alle Erdgasanwendungen zur Verfügung zu stehen. Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeiten sind für fünf Standorte in Deutschland regional angepasste Fruchtfolgen untersucht worden, in denen neben gängigen Ackerfrüchten auch Biogassubstrate angebaut werden können. Die betrachteten Substrate umfassen neben Mais auch Futterroggen und Futterhirse, Ganzpflanzensilage aus Wintergerste und Wintertriticale, ein Gemisch aus Mais und Sonnenblumen sowie das Ackergras Landsberger Gemenge. An den Standorten wurden die Auswirkungen auf die Humusbilanz, die Bodenbedeckung (Erosionsschutz) sowie die Biodiversität betrachtet. Im Ergebnis sind durch die Erzeugung von Biogassubstraten nach guter landwirtschaftlicher Praxis keine negativen Umweltwirkungen zu erwarten. Für die Ermittlung der Treibhausgasemissionen der Biomethanbereitstellung wird zwischen zwei Anlagentypen unterschieden: (1) einer großmaßstäblich geführten Anlage nach heutigem Stand der Technik, die eine durchschnittlich effektive Biogasanlage im Jahr 2008 im industriellen Maßstab abbildet und (2) einer Anlage, die als Optimierte Technik das aus heutiger Sicht und für die nahe Zukunft denkbare Optimierungspotenzial so weit wie möglich ausschöpft. Im Vergleich zum erstgenannten Anlagentyp können die THG-Emissionen durch die optimierte Technik um rund 30 % von 97 g CO2äq/kWh auf 67 g CO2äq/kWh reduziert werden. Kleinere und ältere Biogasanlagen sind im Rahmen dieser Arbeiten nicht näher untersucht worden; ihre Emissionsfaktoren können durchaus von den hier vorgestellten Ergebnissen abweichen. Im mittelfristigen Ausblick bis 2030 kann aus der Betrachtung des bereits erzielten Fortschritts von der Anlagenkonfiguration nach dem heutigen Stand der Technik zur optimierten Technik eine THG-Bilanz der großmaßstäblichen und industriellen Biomethanerzeugung von rund 53 g CO2äq/kWh abgeschätzt werden. Das Optimierungspotenzial liegt dabei hauptsächlich noch im übergreifenden Prozessmanagement. -- The presented discussion paper contributes to an assessment of the option bio-methane for injection into the natural gas grid by taking a close look to the greenhouse gas (GHG) balance of the process chain as well as at the environmental aspects of cultivation biogas substrates. Through the ongoing research of the authors the results will embedded into be broader context of further assessment of the possible role of bio-methane in a sustainable energy system. The knowledge of the climate and environment impacts of bio-methane is an important element for an integrated assessment. Biogas is produced through fermentation of various wet biomass. After upgrading to the quality of natural gas (mostly by desulphurisation, drying and CO2-sequestration) the subsequent so-called bio-methane can be used as a perfect substitute for natural gas. For the calculation of GHG emissions, two different types of biogas plants have been in the focus of the study: (1) the current state-of-the-technology as an industrialised, but average efficient biogas plant in the year 2008 and (2) a new, large-scale plant with optimised technology, representing already the next generation of biogas plants by widely exploiting the optimisation potential of the near future. Compared to the former plant, GHG emissions can be decreased by about 30%, from 97 g CO2eq/kWh to 67 g CO2eq/kWh, if optimised technology is applied. Small-scale agricultural and older biogas plants have not been in the focus of the presented work; their emission factor can by all means significantly vary from the here given results. For the medium term up to 2030, taken into consideration the already achieved progress changing from the current state-of-the-technology to an optimised technology, it can be estimated that the GHG balance of a large-scale industrialised plant amounts to about 53 g CO2eq/kWh. The optimisation potential originates mostly from an integrated, comprehensive process management.

Towards a sustainable biomass strategy: what we know and what we should know

The paper reviews the current knowledge on the use of biomass for non-food purposes, critically discusses its environmental sustainability implications, and describes the needs for further research, thus enabling a more balanced policy approach. The life-cylce wide impacts of the use of biomass for energy and material purposes derived from either direct crop harvest or residuals indicate that biomass based substitutes have a different, not always superior environmental performance than comparable fossil based products. Cascading use, i.e. when biomass is used for material products first and the energy content is recovered from the end-of-life products, tends to provide a higher environmental benefit than primary use as fuel. Due to limited global land resources, non-food biomass may only substitute for a certain share of non-renewables. If the demand for non-food biomass, especially fuel crops and its derivates, continues to grow this will inevitably lead to an expansion of global arable land at the expense of natural ecosystems such as savannas and tropical rain forests. Whereas the current aspirations and incentives to increase the use of non-food biomass are intended to counteract climate change and environmental degradation, they are thus bound to a high risk of problem shifting and may even lead to a global deterioration of the environment. Although the balanced approach of the European Union's biomass strategy may be deemed a good principle, the concrete targets and implementation measures in the Union and countries like Germany should be revisited. Likewise, countries like Brazil and Indonesia may revisit their strategies to use their natural resources for export or domestic purposes. Further research is needed to optimize the use of biomass within and between regions. -- Der Beitrag wertet die vorliegenden Erkenntnisse über den Einsatz von Non-Food Biomasse aus. Er diskutiert kritisch die damit verbundenen ökologischen Nachhaltigkeitswirkungen und beschreibt die Forschungsaufgaben, die gelöst werden müssen, um einen ausgewogeneren Politikansatz zu ermöglichen. Die lebenszyklusweiten Umweltbelastungen des energetischen und stofflichen Einsatzes von Biomasse als Roh- oder Reststoffe zeigen, dass Biomasse basierte Produkte andere, nicht immer bessere Umweltauswirkungen aufweisen als fossil basierte. Eine kaskadenförmige Nutzung, bei der Biomasse zunächst materiell für Ge- und Verbrauchsprodukte eingesetzt wird, deren Energiegehalt am Ende ihrer Einsatzphase genutzt wird, ist tendenziell mit einer höheren Umweltentlastung verbunden als der primär energetische Einsatz. Auf Grund der begrenzten globalen Landflächen kann Non-Food Biomasse nur einen gewissen Anteil an nichterneuerbaren Ressourcen ersetzen. Wenn die Nachfrage nach Non-Food Biomasse und ihren Derivaten, speziell nach Biokraftstoffen, weiter ansteigt, wird dies zwangsläufig zu einer Ausdehnung der globalen Ackerfläche zu Lasten von natürlichen Ökosystemen wie Savannen und tropischen Regenwäldern führen. Wenngleich die gegenwärtigen Hoffnungen und Anreize zum verstärkten Einsatz von Non-Food Biomasse darauf abzielen, dem Klimawandel entgegenzuwirken und die Umweltsituation zu verbessern, sind sie daher mit einem großen Risiko verbunden, Probleme zu verlagern und die globale Umweltsituation sogar noch zu verschlechtern. Obwohl der ausgewogene Ansatz der Biomassestrategie der Europäischen Union als ein gutes Prinzip gelten kann, so sollten die konkreten Ziele und Umsetzungsmaßnahmen in der Union und in Ländern wie Deutschland überprüft werden. In gleicher Weise mögen Länder wie Brasilien und Indonesien ihre Strategie zur Nutzung ihrer natürlichen Ressourcen für den Export oder im Inland überprüfen. Weitere Forschungsarbeiten sind nötig, um den Einsatz von Biomasse innerhalb und zwischen den Regionen zu optimieren.

Optimisation of the application of technologies for the production and use of bio-methane as component in a sustainable energy system

In der vorliegenden Arbeit sind die verfügbaren Potenziale an Biomethan auf Basis nachwachsender Rohstoffe in Deutschland mit den ökologischen und ökonomischen Kenndaten (THG-Emissionsfaktoren und Gas-Gestehungskosten) sowohl statisch für das Bezugsjahr 2010 als auch im mittel- bis langfristigen Ausblick untersucht worden (Teilmodell I). Zudem ist ein Abgleich der verschiedenen Einsatzbereiche von Biomethan erfolgt, um vor dem Hintergrund des sich ebenfalls dynamisch entwickelnden Energiesystems zu ermitteln, durch welchen der Nutzungspfade (KWK, Strom, Wärme, Kraftstoff, Ersatz von Erdgas) sich der höchstmögliche Beitrag zum Klimaschutz durch die maximale Einsparung von Treibhausgasen (THG) erzielen lässt (Teilmodell II). Teilmodell 1: Die Produktion von Biogas und Biomethan sollte generell immer nach dem jeweils besten Stand der Technik betrieben werden, um THG-Emissionen etwa durch offene Gärrestlager, zu hohe diffuse Methanemissionen aus dem Fermenter oder Methanverluste bei der Aufbereitung zu vermeiden. Der Anbau der Substrate sollte zudem in regional angepassten Fruchtfolgen erfolgen. Nach dem Stand der Technik (Bezugsjahr 2010) kann Biomethan auf Basis nachwachsender Rohstoffe in großmaßstäblichen, industriell geführten Anlagen mit einem THG-Emissionsfaktor von durchschnittlich rund 84 g CO2Äq/kWh Methan erzeugt werden, wenn Substrate aus regional angepassten Fruchtfolgen verwendet werden. Dieser Wert liegt um rund 20 % höher, als es bei Einsatz von ausschließlich Mais als gängigstem Substrat mit den geringsten THG-Emissionen der Fall wäre. Im Gegensatz zu einer „Monokultur Mais“ ist die Erzeugung von Biogassubstraten in regional angepassten Fruchtfolgen aber nicht mit zusätzlichen negativen Folgen im Vergleich zur konventionellen Landwirtschaft verbunden. Die Erzeugung der Substrate ist der Teil der technischen Prozesskette Biomethan, der die meisten THG-Emissionen verursacht. Auf Basis einer eine Technologie-Lernkurve mit dem Lernfaktor FLCA wird abgeschätzt, dass sich der THG-Emissionsfaktor von Biomethan im Ausblick bis 2050 auf rund 40 % des Wertes von 2010 (2030: ca. 56 %) bzw. bis auf 34 g CO2Äq/kWh Methan (2030: 47 g CO2Äq/kWh Methan) reduziert. Ausgehend von einer Einspeisekapazität von 0,25 Mrd.m3 Methan/a in 2010 können in 2050 über 20 Mrd.m3 Methan/a eingespeist werden. Die Mengenziele der Gasnetz-Zugangsverordnung werden mit 2,2 Mrd.m3 Methan/a in 2020 und 6,2 Mrd.m3 Methan/a in 2030 allerdings zunächst verfehlt. Die erheblichen Steigerungen im Ausblick sind dabei unter anderem auf die angenommenen Ertragssteigerungen sowohl der konventionellen Landwirtschaft zur Nahrungs- und Futtermittelproduktion als auch für Energiepflanzen zurückzuführen. Teilmodell 2: Bei der Erzeugung von Biomethan werden zunächst Treibhausgase freigesetzt. Durch den Ersatz von anderen, fossilen Energieträgern kann der Einsatz von Biomethan aber zum Klimaschutz durch THG-Vermeidung beitragen. Dies gilt in unterschiedlichem Maße, abhängig von den ersetzten Referenz-Technologien. Je höher die Emissionen, die durch das Referenzsystem verursacht werden, desto höher ist das Vermeidungspotenzial durch eine emissionsärmere Technik. Die Wahl des Bezugssystems beeinflussen insbesondere im Ausblick das Ergebnis und damit die Einsatzpriorität. Durch geschickte Wahl des Referenzsystems ist es möglich, das Ergebnis der Einsatzpriorität für Biomethan mindestens in seiner Eindeutigkeit zu beeinflussen. In der wissenschaftlichen Debatte ist daher besonderer Wert auf Transparenz der Annahmen zu legen. Das gilt insbesondere für das Zusammenspiel der Strom- und Wärme-Referenz. Der gezielte Einsatz von Biomethan in verschiedenen Sektoren unterscheidet sich deutlich positiv von dem reinen Ersatz von Erdgas als Energieträger. Das schlägt sich auch in den absoluten THG-Minderungen der Mengengerüste bis 2050 nieder: wird das zusätzliche Biomethan in KWK verstromt, können insgesamt rund 733 Mio. t CO2äq an Treibhausgasen über den Betrachtungszeitraum bis 2050 gespart werden, bei reinem Erdgasersatz sind es mit rund 600 Mio. t CO2äq etwa 20 % weniger. Mittelfristig (bis etwa 2030) hat bei konsistentem Ansatz der Einsatz von Biomethan in der KWK die höchste Priorität, da hier die höchsten THG-Minderungen erreicht werden können; an zweiter Stelle steht der Einsatz als Kraftstoff. Sowohl die reine Verstromung ohne Wärmenutzung als auch die reine Wärmenutzung erzielen THG-Vermeidungen in sehr ähnlicher Größenordnung wie der Ersatz des Energieträgers Erdgas durch Biomethan. Langfristig (ab 2030 bis 2050) ist die Einsatzpriorität von KWK und Kraftstoffnutzung vertauscht. Die ungekoppelte Wärmebereitstellung bleibt vor dem Ersatz von Erdgas als Energieträger; die ungekopplte Stromerzeugung ist die schlechteste Option zur THG-Minderung

Intake of fat-soluble vitamins in the Belgian population : adequacy and contribution of foods, fortified foods and supplements

A key challenge of public health nutrition is to provide the majority of the population with a sufficient level of micronutrients while preventing high-consumers from exceeding the tolerable upper intake level. Data of the 2014 Belgian food consumption survey (n = 3200) were used to assess fat-soluble vitamin (vitamins A, D, E and K) intake from the consumption of foods, fortified foods and supplements. This study revealed inadequate intakes for vitamin A, from all sources, in the entire Belgian population and possible inadequacies for vitamin D. The prevalence of inadequate intake of vitamin A was lowest in children aged 3-6 (6-7%) and highest in adolescents (girls, 26%; boys, 34-37%). Except for women aged 60-64 years, more than 95% of the subjects had vitamin D intake from all sources below the adequate intake (AI) of 15 mu g/day. The risk for inadequate intake of vitamins K and E was low (median > AI). Belgian fortification and supplementation practices are currently inadequate to eradicate suboptimal intakes of vitamins A and D, but increase median vitamin E intake close to the adequate intake. For vitamin A, a small proportion (1-4%) of young children were at risk of exceeding the upper intake level (UL), while for vitamin D, inclusion of supplements slightly increased the risk for excessive intakes (% > UL) in adult women and young children. The results may guide health authorities when developing population health interventions and regulations to ensure adequate intake of fat-soluble vitamins in Belgium

Konzeption einer Wasserstoffmodellregion Emscher-Lippe: Ergebnisse des gleichnamigen Teilprojekts im Rahmen von "EnerAct - Energiewende und gesellschaftliche Megatrends: Konkrete Handlungsansätze"

Die Emscher-Lippe Region ist seit vielen Jahren von einer intensiven wirtschaftlichen Transformation geprägt. Die fortschreitende De-Industrialisierung bzw. die Neuorientierung der Industrie nach dem Wegfall der Kohle- und Stahlindustrie stellt regionale Entscheidungsträger vor große Herausforderungen, wenn es darum geht, der hohen Arbeitslosenquote zu begegnen, Beschäftigungsquoten zu sichern, mit der prekären Finanzsituation in den kommunalen Haushalten umzugehen und den Wirtschaftsstandort zu stabilisieren und neu aufzustellen. Der Strukturwandel der Region ist mit Schließung der letzten Steinkohle-Zeche Ende 2018 nicht abgeschlossen, sondern geht mit dem Kohleausstieg im Energiesektor in eine zweite Phase. Dies sollte auch als Chance verstanden werden, den Wirtschaftsstandort Emscher-Lippe mit seinen energiereichen Industrien innovativ neu zu gestalten und die Region sowohl energetisch, als auch stofflich von der Nutzung fossiler Träger abzukoppeln. Eine wichtige Säule der regionalen Wirtschaftsförderung besteht darin, strategische Netzwerke und regionale Wertschöpfungsketten zu stärken, um die in der Region ansässigen (mittelständischen) Unternehmen zu unterstützen und den Strukturwandel innerhalb der dominierenden Industrien aus den Bereichen Energieerzeugung und chemischer Industrie zu begleiten. Die vorliegende Studie bereitet auf, welche Bedeutung die Wasserstoffwirtschaft in der Emscher-Lippe Region in diesem Zusammenhang derzeit spielt und zukünftig spielen könnte

Towards a sustainable biomass strategy : what we know and what we should know

The paper reviews the current knowledge on the use of biomass for non-food purposes, critically discusses its environmental sustainability implications, and describes the needs for further research, thus enabling a more balanced policy approach. The life-cylce wide impacts of the use of biomass for energy and material purposes derived from either direct crop harvest or residuals indicate that biomass based substitutes have a different, not always superior environmental performance than comparable fossil based products. Cascading use, i.e. when biomass is used for material products first and the energy content is recovered from the end-of-life products, tends to provide a higher environmental benefit than primary use as fuel. Due to limited global land resources, non-food biomass may only substitute for a certain share of non-renewables. If the demand for non-food biomass, especially fuel crops and its derivates, continues to grow this will inevitably lead to an expansion of global arable land at the expense of natural ecosystems such as savannas and tropical rain forests. Whereas the current aspirations and incentives to increase the use of non-food biomass are intended to counteract climate change and environmental degradation, they are thus bound to a high risk of problem shifting and may even lead to a global deterioration of the environment. Although the "balanced approach" of the European Union's biomass strategy may be deemed a good principle, the concrete targets and implementation measures in the Union and countries like Germany should be revisited. Likewise, countries like Brazil and Indonesia may revisit their strategies to use their natural resources for export or domestic purposes. Further research is needed to optimize the use of biomass within and between regions