21.09.2016 Fachinformation 3650 0

Biomassekraftwerke

Ein Beitrag des ETG-Fachbereichs V1 „Zentrale und dezentrale Erzeugung elektrischer Energie"

Was ist Biomasse?

Bild 1: CO2-Kreislauf

Pflanzen beziehen ihre Energie zum Wachstum aus der Sonneneinstrahlung. Dabei nutzen sie Kohlendioxid aus der Atmosphäre sowie Wasser und weitere Elemente aus dem Boden, um ihre Strukturen zu bilden. Im Rahmen der Zersetzung, als auch der energetischen Nutzung wird diese Sonnenenergie wieder freigegeben, indem die pflanzlichen Strukturen wieder in ihre Ausgangsstoffe zerlegt werden (Bild1).

Neben diesen pflanzlichen Produkten zählen zur Biomasse noch tierische Exkremente wie Gülle und Klärgase, die aber letztlich auch auf pflanzliche Ausgangsstoffe zurückzuführen sind.

Historische Entwicklung, aktueller Stand und Ausblick

Die Nutzung von Biomasse ist sicherlich die älteste vom Menschen verwendete Energieform. Bis ins 19. Jahrhundert war Biomasse der Hauptlieferant für Wärme in Form von Holzfeuer, sie wurde dann aber wegen des geringeren Heizwertes und des damit verbundenen höheren Aufwandes durch Kohle und andere fossile Energieträger verdrängt.

Bis vor wenigen Jahren wurde Biomasse als Primärenergie für Kraftwerke nur in der Restholzverwertung der holzverarbeitenden Industrie und bei der Verbrennung von Faulgasen aus Kläranlagen und landwirtschaftlicher Viehhaltung genutzt. Angestoßen durch das Erneuerbare-Energien Gesetz (EEG) und die damit verbundenen Förderungen und Einspeisevergütungen in das öffentliche Stromnetz ist ein starker Anstieg der Nutzung von Biomassekraftwerken zu verzeichnen. Neben der bisherigen Verwertung biogener Reststoffe tritt zunehmend die Produktion von Nutzpflanzen in den Vordergrund, verbunden mit der Entwicklung effizienterer Verfahren zur Energienutzung.

Die Mehrzahl der heutigen Kraftwerksanlagen zur Nutzung von Biomasse haben eine Leistungsbandbreite zwischen 150 und 500 KW und dienen zur Versorgung landwirtschaftlicher Betriebe aus der Verwertung der anfallenden Gülle. Größere Anlagen bis zu 20 MW Leistung werden in kommunalen Kläranlagen und in der Holzindustrie betrieben. Kleinstanlagen unter 150 KW für die Wärmeversorgung von Einfamilienhäusern, im wesentlichen auf Basis fester biogener Brennstoffe, sind z.Z. noch eng an die lokale, nicht flächen deckende Verfügbarkeit der Brennstoffe gekoppelt.

Biomasse kann als fester, flüssiger oder gasförmiger Energieträger zur Bereitstellung von Wärme, zur Stromerzeugung oder als Kraftstoff eingesetzt werden (Bild 2).

Bild 2: Umwandlungsverfahren und Produkte aus Biomasse

Hierbei wird insbesondere unterschieden zwischen:

  • thermochemischer Umwandlung durch Verkohlung, Vergasung oder Pyrolyse,
  • physikalisch-chemischer Umwandlung durch Pressung oder Extraktion und
  • biochemischer Umwandlung in Form von Alkoholgärung, Faulgasbildung oder Kompostierung).

Die Größenordnung zukünftiger Anlagen wird durch die Logistik der Belieferung mit Biomasse begrenzt sein und bei Unterstellung moderat steigender Energiepreise nicht wesentlich über 20 MW anwachsen. Der Einsatz zur Stromproduktion ist wegen der mit konventionellen Kraftwerken verglichenen hohen Erzeugungskosten nur in Verbindung mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wirtschaftlich darstellbar. Alternative Formen der Nutzung von Biomasse basieren auf der Umwandlung in flüssige oder gasförmige Brennstoffe und der damit möglichen räumlichen Entkopplung von Erzeugung und Verbrauch.

Die zukünftige Entwicklung zur Nutzung von Biomasse wird sich auf zwei Bereiche fokussieren: Zum einen sind Verfahren zu entwickeln, die die Effizienz der Umwandlung verbessern und es sind neue Produkte auf Basis von Biomasse zu etablieren.
Zum anderen werden ertragreichere Nutzpflanzen benötigt, um den spezifischen Flächenverbrauch zu reduzieren, da nur über den gezielten Anbau solcher Pflanzen eine relevante Erhöhung des Anteils von Biomasse an den Primärenergieträgern erreicht werden kann und die zur Verfügung stehende Fläche begrenzt ist.

Technische Verfahren, z.B. Pyrolyse, thermische Vergasung und BTL (Biomass to Liquid) befinden sich im Erprobungsstadium und werden voraussichtlich in wenigen Jahren technisch verfügbar sein.

Die Wirtschaftlichkeit der Nutzung von Biomasse in größerem Umfang hängt entscheidend von der Entwicklung der Preise fossiler Energieträger ab. Unterstützend wirkt, dass Energie aus Biomasse keinen relevanten Beitrag zu den CO2-Emissionen leistet, da das durch die Umwandlung freiwerdende Kohlendioxid beim Pflanzenwachstum aus der Atmosphäre entzogen wurde. Der Zeitraum zwischen CO2-Bindung und -Freigabe beträgt selbst bei Nutzung älterer Hölzer ein bis maximal hundert Jahre und ist damit in Bezug auf die klimatischen Einflüsse vernachlässigbar. Die Entwicklung der CO2-Preise gemäß Treibhausemissionsgesetz könnte einen weiteren Entwicklungsschub für die Biomasse bedeuten.

Kraftstoffherstellung aus Biomasse

Zur Erfüllung des von der Bundesregierung beschlossenen biogenen Anteils an den Kraftstoffen werden Verfahren entwickelt, aus verschiedenen pflanzlichen Rohstoffen Flüssigkraftstoffe herzustellen. Als Basis eignen sich holzartige Pflanzen, landwirtschaftlich angebaute Grünpflanzen, aber auch Reststoffe aus der Lebensmittelindustrie, Abfälle und Klärschlämme. Diese als „Biomass to liquid (BTL)" bezeichnete Umwandlungsart steht bei der angestrebten Erzeugungsmenge in Konkurrenz zu den anderen Verfahren der Biomassenutzung, da für alle Verfahren nur eine begrenzte Menge an Anbaufläche zur Verfügung steht.

Gaseinspeisung aus Biogasanlagen

Zur Erhöhung des KWK-Anteils von Biomasseanlagen muss die elektrische Energie dort erzeugt werden, wo die Wärme benötigt wird. Dies lässt sich am besten dadurch erreichen, dass das in Biogasanlagen erzeugte Gas in das vorhandene Erdgasnetz eingespeist wird. Bisher ist dies wegen der Zusammensetzung biologisch erzeugter Gase nur durch aufwendige Reinigungs- und Konvertierungsverfahren möglich. In der Entwicklung befinden sich geeignetere Vergasungsverfahren und effizientere Konvertierungslösungen.

Netzanbindung und Einspeisevergütung

Das EEG verpflichtet die Netzbetreiber, Strom aus Biomasse-Kraftwerken mit einer installierten Leistung kleiner als 20 MW vorrangig abzunehmen und zu vergüten. Der ggf. notwendige Netzausbau geht im Wesentlichen zulasten des Netzbetreibers.

Dabei ist die Mindestvergütung je nach Leistung bis 20 MW zwischen 11,3 und 8,3 € Cent/kWh gestaffelt. Hinzu kommen weitere 6 € Cent/kWh beim Einsatz nachwachsender Rohstoffe (NaWaRo). Diese Mindestvergütung reduziert sich um jedes Jahr, das ein Biomassekraftwerk später in Betrieb geht um einen festgelegten Prozentsatz, der der technischen Weiterentwicklung Rechnung tragen soll.

Für die KWK-Anteile an der Stromerzeugung werden weitere 2 € Cent/kWh vergütet. Daran gekoppelt ist ein Bonus für den Einsatz innovativer Technologien in der Höhe von ebenfalls 2 € Cent/kWh, sodass je nach Anlagentyp Mindestvergütungen zwischen 8,3 und 21,3 € Cent/kWh möglich sind (verglichen mit 3-5 € Cent/kWh für ein Kohlekraftwerk). Die aufnehmenden Netzbetreiber leiten diese Kosten, gemäß EEG, direkt an alle Stromverbraucher weiter, sodass ein Ausbau der Stromerzeugung aus Biomasse den Strompreis für den Endkunden steigen lassen wird.

Wie andere regenerative Energieerzeugungsanlagen, die unter das EEG fallen, sind Biomasse-Kraftwerke mit einer installierten Leistung bis 20 MW als „must-run"-Anlagen zu betrachten und brauchen sich weder an der Lastregelung noch an der Spannungs- oder Frequenzregelung des Netzes zu beteiligen. Im Gegensatz zu Windkraftanlagen arbeiten Kraftwerke mit Biomasse im Grundlastbereich zwischen 5.000 und 8.000 Stunden im Jahr. Besicherungen durch andere Kraftwerksarten sind also nicht erforderlich. Ein deutlicher Ausbau von Biomasseanlagen, die aus wirtschaftlichen Gründen wärmegeführt betrieben werden, erfordert allerdings wieder eine Besicherung, insbesondere zu Zeiten, in denen ein geringerer Wärmebedarf zu Lastabsenkungen der Biomasseanlagen führt.

Bild 3: Annahme: Der Anbau von Energiepflanzen erfolgt auf 2 Mio. ha/Jahr, wobei jeweils 1/3 der vorgenannten Fläche zur Bereitstellung der festen, flüssigen und gasförmigen Biobrennstoffe genutzt werden. Quelle: [2]

Theoretische und praktische Nutzungspotenziale

Das technisch erschließbare einheimische Potenzial der energetischen Nutzung von Biomasse in Deutschland beträgt ca. 940 PJ/a. Das sind rund 18,1 % des derzeitigen Endenergieverbrauchs. [1]

Den größten Anteil an diesem Potenzial bilden biogene Festbrennstoffe, im wesentlichen Waldrestholz sowie Stroh und Ganzpflanzen aus der Landwirtschaft. Auch die Energie aus Gülle und Klärgasen hat noch ein großes Potenzial, wie in folgender Abbildung 3 zu erkennen ist.

Zum Erreichen des o.g. Potenzials ist darüber hinaus der Anbau von Energiepflanzen auf 2 Mio./ha erforderlich, was ca. 17 % der Ackerfläche in Deutschland entspricht [2]. Diese Flächen werden für die Nahrungsmittelproduktion nicht mehr benötigt und stehen der Nutzung zur Energieerzeugung aus Biomasse zur Verfügung. Dabei wird davon ausgegangen, dass die bisherige, intensive landwirtschaftliche Nutzung zur Nahrungsmittelproduktion beibehalten wird. Sollte der Anteil biologisch angebauter Lebensmittel weiter steigen, entsteht durch den hierfür höheren Flächenbedarf eine Konkurrenz
zur Energieerzeugung aus Biomasse, die sich auf die Preise sowohl für Bioenergie als auch für Lebensmittel auswirken könnte.

Flächenverbrauch des Brennstoffs

Die Betrachtungen zum Flächenverbrauch schließen nur die Flächen ein, die zum Anbau und zur Lagerung von nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo) benötigt werden und die ausschließlich zur Energieerzeugung in Biomassekraftwerken verwendet werden. Ausgenommen sind biogene Abfälle und Reststoffe, da ihr Flächenverbrauch nicht direkt der Biomasseproduktion zugeordnet werden kann.

Heute verfügbare Nutzpflanzen, wie etwa Silomais, haben einen Energieinhalt von ca. 1.000 kWh/t. Bei einem Ertrag von 50 t/ha und Nutzung in einem Vergasungsprozess mit angeschlossenem Blockheizkraftwerk (BHKW) mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 %, ergibt sich daraus ein Flächenbedarf für den Biomasseanbau von ca. 400 ha/MW. Hinzu kommt ein Lagerplatzbedarf von ca. 6.400 m²/MW, der als versiegelte Fläche gesondert zu betrachten ist (insgesamt ca. 3.200 ha).

Die Lagerung ist selbst bei mehreren Ernten pro Jahr und Nutzung unterschiedlicher Pflanzen erforderlich und wird zurzeit in dem in der Futtermittelproduktion üblichen Silage-Verfahren praktiziert.

Für die Produktion der Biomasse, ihren Transport und ihre Umwandlung ist Energie erforderlich, die von der produzierten Energie abzuziehen ist, sodass sich der spezifische Netto-Flächenbedarf erhöht. Hier versprechen ertragreichere Pflanzen und bessere Umwandlungsverfahren noch deutliche Reduzierungen.

Mit den vorher genannten verfügbaren Flächen beträgt das Potenzial zur Erzeugung elektrischer Energie aus dem großflächigen Anbau von Biomasse ca. 5.000 MW, was ca. 4,5 % der zurzeit installierten elektrischen Leistungen in Deutschland entspricht. Der Anteil der erzeugten elektrischen Energie könnte dabei ca. 7 % betragen, da Biomasseanlagen ganzjährig als Grundlasterzeuger betreibbar sind.

Regionale Nutzung aufgrund Transportkosten und Brennwert

Der aus ökologischer Sicht zu vermeidende Anbau von Nutzpflanzen in großen Monokulturen gebietet eine Mischung aus Produktion von Nahrungsmitteln und nachwachsenden Rohstoffen. Daraus lässt sich ermitteln, welcher Anteil der landwirtschaftlichen Fläche für den Anbau nachwachsender Rohstoffe zur Verfügung steht. Für ein Biomassekraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 20 MW bedeutet dies ein Einzugsgebiet mit einem Radius von mindestens 10 km. Das Transportvolumen für diese Anlage beträgt dabei ca. 600.000 Tonnen pro Jahr. Dies entspricht einem täglichen Transportvolumen von und zur Anlage von ca. 1.600 t. Diese Zahlen belegen, dass die sinnvolle Nutzung von Biomasse zur Energieversorgung nur dezentral erfolgen kann.

Ausbauplanung, aktueller Stand, Preisentwicklung weltweit, Europa, Deutschland

2005 leistete die Biomasse einen Beitrag zum Endenergieverbrauch von rd. 5 % zur Wärmebereitstellung und rd. 2,2 % zur Stromerzeugung. Zum Ende des Jahres 2005 waren in Deutschland Anlagen mit einer installierten elektrischen Leistung von etwa 2.200 MW in Betrieb [1].

Aufgrund der begrenzten Potenziale und des Verteilungsproblems sowie des hohen Niveaus, auf dem sich der Energieverbrauch weltweit und insbesondere in den Industriestaaten der westlichen Welt bewegt (bei weiter steigender Tendenz), wird Biomasse immer nur einen begrenzten Beitrag zur Deckung der Energienachfrage leisten können. Dieser Anteil ist von Land zu Land und von Region zu Region unterschiedlich. Für Deutschland dürfte er, wie oben gezeigt, unter 10 %, bezogen auf den gegenwärtigen Endenergieverbrauch, liegen. In anderen Ländern - und insbesondere in bestimmten Entwicklungsländern unter den dort gegebenen deutlich anderen Randbedingungen - kann dies grundsätzlich anders sein [3].

Bild 4: Ausgaben für Energieforschung aus Bundesmitteln nach Sektoren [4]

Förderprogramme

In Bild 4 sind die Ausgaben für Energieforschung aus Bundesmitteln für die Jahre 1991 bis 2003 dargestellt.
Für Biomasse-Anlagen bestehen mehrere Fördermöglichkeiten: Im Rahmen der REN-Breitenförderung bezuschusst beispielsweise das Land Nordrhein-Westfalen den Bau von Biomasse- und Biogasanlagen zur Strom- und Netzanbindung und von Biomasseanlagen zur Wärmeerzeugung, verbunden mit einer Solarkollektoranlage in Gebäuden, deren Primärenergieaufwand pro Jahr der EnEV entspricht.

Das Umweltministerium fördert Investitionen zur Bereitstellung von Holz als Rohstoff zur energetischen Verwertung sowie Investitionen für den Bau oder Kauf von Feuerungsanlagen für die Verwertung von Waldholz und naturbelassenem Restholz. Für den Bau von Biomasse- und Biogasanlagen besteht eine Fördermöglichkeit über das Marktanreizprogramm des Bundes zugunsten erneuerbarer Energien. Die KfW-Bankengruppe (vormals Kreditanstalt für Wiederaufbau) fördert darüber hinaus Investitionen in erneuerbare Energien aus Biomasse mit günstigen Krediten.

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

Kraft-Wärme-Kopplung ist die gleichzeitige Umwandlung von eingesetzter Energie in elektrische Energie und in Nutzwärme. KWK-Anlagen sind z. B. Dampfturbinen-Anlagen, Anlagen mit Verbrennungs- oder Stirlingmotoren oder Brennstoffzellen. Als KWK-Strom wird nur der Anteil der produzierten elektrischen Energie bezeichnet, der dem Anteil der Nutzwärme an der gesamten Abwärme entspricht. Eine Anlage etwa, die im Jahresverlauf 30 % der bei der Stromproduktion anfallenden Wärme nutzt, erzeugt von ihrer Netto-Strommenge auch nur 30 % KWK-Strom.

Das Energie-Einspeisegesetz

2004 verabschiedete der Bundestag das novellierte EEG, das den Netzanschluss für Erzeuger regenerativer Energien regelt und Preise für den eingespeisten Strom festlegt. Die Netzbetreiber werden verpflichtet, die unter dieses Gesetz fallenden Anlagen bevorzugt anzuschließen und den von ihnen gelieferten Strom jederzeit aufzunehmen.
Die gegenüber konventionellen Kraftwerken erhöhten Vergütungen werden von den Netzbetreibern an alle Endkunden gleichmäßig weitergegeben.

Die Höhe der Vergütung hängt zum einen von der Energieart ab und zum anderen von der verwendeten Technik.
Solaranlagen erhalten dabei deutlich höhere Preise als Windenergieanlagen und Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung oder einer innovativen Technik erhalten höhere Vergütungen als einfachere Anlagentechniken.
Die Preise wurden so bemessen, dass die Erzeugung gegenüber konventionellen Kraftwerken lukrativ ist und somit ein Anreiz für ihren
Zuwachs besteht.

Energieeinheiten

  • 1 MW = 1 Megawatt (1 Mio. Watt), ist die elektrische Leistung, die benötigt wird, um z.B. 10.000 Glühlampen mit je 100 Watt betreiben zu können.
  • 1 TWh = 1 Terawattstunde (1 Mio. Megawattstunden), ist ein Maß für die verrichtete elektrische Arbeit/Energie.
  • 1 PJ/a = 1 Petajoule pro Jahr (1000 Terajoule pro Jahr), ist ein Maß für die gesamte Energie, die über ein Jahr „erzeugt" oder „verbraucht" wurde, also nicht nur die elektrische Energie.
  • 1 TWh entspricht dabei 3,6 PJ


Quellennachweis

[1] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Erneuerbare Energien in Zahlen - nationale und internationale Entwicklung; Stand: Mai 2006

[2] Hartmann, H.; Kaltschmitt, M. (2002): Biomasse als erneuerbarer Energieträger, Schriftenreihe „Nachwachsende Rohstoffe" Band 3, Münster

[3] Institut für Energietechnik und Umwelt: „Fortschreibung der Daten zur Stromerzeugung aus Biomasse", März 2004

[4] Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit: Energiedaten - Nationale und Internationale Entwicklung

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