Untersuchung des Potenzials von Biomethan als Erdgassubstitut

Bachelorarbeit von Jan-Claudio Sachar

Einleitung:

Untersuchungsgegenstand, Methodik und Ziel:

Bis heute beruht der Großteil der bereitgestellten Endenergie auf fossilen Energieträgern. In den letzten Jahren wurde sich jedoch verstärkt mit den Problemen dieser Energieträger beschäftigt. So nahm man sich ihre Endlichkeit und ihre negativen Umweltauswirkungen zum Anlass, Alternativen zu finden, mit deren Hilfe eine Chance auf Kompensation dieser Nachteile besteht. Hauptaugenmerk liegt demnach stets darauf, nachhaltige, also erneuerbare und umweltfreundliche Energiequellen zu erschließen. Neben der altbekannten Nutzung von Wind- und Wasserkraft haben sich im Bereich regenerativer Energien auch die Photovoltaik und die Energie aus Biomasse etabliert. Vor allem Biomasse bietet zahlreiche Nutzungsmöglichkeiten und großen Spielraum für innovative Verwertungspfade. Neben der klassischen Verbrennung von Feststoffen hat sich so auch die vorgelagerte Umwandlung in flüssige und gasförmige Energieträger bewährt. Ein Pfad für die Bereitstellung der Energie aus gasförmiger Biomasse ist die Erzeugung von Biogas bzw. Bio-SNG mit anschließender Aufbereitung zu Biomethan, das als solches ins Erdgasnetz eingespeist werden kann. Im Zuge dieser Arbeit wird geklärt, wie und in welchem Maße es hierdurch das konventionell genutzte Erdgas ersetzen könnte. Es soll zudem die Frage beantwortet werden, ob eine Umwandlung von Biogas bzw. Bio-SNG zu Biomethan unter ökonomischen sowie ökologischen Aspekten lohnenswert ist und inwieweit eine Substitution von Erdgas unter den gegebenen technischen, aber auch rechtlichen Rahmenbedingungen möglich ist.

Um sich in die Thematik einzufinden und die Problemstellung zu erkennen, wird in Kapitel zwei der Arbeit das mit gewissen Nachteilen behaftete, fossile Erdgas beleuchtet. Hierbei wird auf seine fehlende Nachhaltigkeit, seine Umweltverträglichkeit und die mit Erdgas verbundene Importabhängigkeit Deutschlands eingegangen. Auch wird das Problem der Ölpreisbindung aufgegriffen. Zudem werden die rechtlichen Rahmenbedingungen, die Zielsetzungen für alternative Energieträger aus erneuerbaren Quellen sowie die Rolle von Biomethan in diesem Kontext erläutert.

Zum Zweck der Definition des Untersuchungsgegenstandes befasst sich Kapitel drei mit den Beschaffungsmechanismen für Biomasse, der Erzeugung von Biomethan über die bio-chemische anaerobe Fermentation und die thermo-chemische Vergasung sowie den Absatzmärkten dieses Gases. Die Beschreibung der beiden Bereitstellungspfade beginnt hierbei mit den wesentlichsten Prozessen der Beschaffung von Biogassubstraten und SNG-Festbrennstoffen. Die Erläuterung der Produktion von Biomethan mittels bio-chemischem Verfahren beschränkt sich größtenteils auf die Aufbereitung von Biogas auf Erdgasqualität. Die Gewinnung von Biomethan mittels thermo-chemischer Konversion wird ausführlicher beschrieben, sodass hier neben dem Aufbereitungsverfahren auch anlagentechnische Beispiele für die Konversion, das heißt die Vergasung, erklärt werden. Zuletzt wird in diesem Kapitel auf die Biomethan Einspeisung und die drei Absatzmärkte für Biomethan eingegangen.

In Kapitel vier der Arbeit soll das Potenzial von Biomethan als Erdgassubstitut aufgezeigt werden. Zwecks ökonomischer Beleuchtung werden zunächst die mittels Annuitätenmethode ermittelten Gestehungskosten von Biomethan mit dem Erdgaspreis verglichen. Zudem werden die ökologischen Auswirkungen von Biomethan durch eine Ökobilanzierung für diverse Verwertungspfade von Biomethan und Erdgas aufgezeigt. Für die Ermittlung der Treibhausgasemissionen und der nicht erneuerbaren kumulierten Energieverbräuche von Blockheizkraftwerken sowie Gas- und Dampfheizkraftwerken wurde die Ökobilanzierungssoftware GEMIS verwendet, die vom Institut für angewandte Ökologie bereitgestellt wird. Um die Umweltauswirkungen der beiden Gase zu vergleichen, werden auch hier die Ergebnisse gegenübergestellt. Nach Betrachtung der ökonomischen und ökologischen Aspekte, wird das technische Potenzial von Biomethan analysiert. Unter Berücksichtigung dieser drei Untersuchungsansätze werden anschließend Optimierungsmöglichkeiten abgeleitet, die zu einer erfolgreichen Marktetablierung von Biomethan beisteuern könnten.

Kapitel fünf widmet sich den politischen Rahmenbedingungen für Biomethan, die wesentlichen Einfluss auf die aktuelle und zukünftige Rolle von Biomethan in der Energiewirtschaft haben. Es werden Fördermechanismen und Problemstellungen für den Wärme-, Strom- und Kraftstoffmarkt erläutert, um die aktuelle Situation und eventuellen Handlungsbedarf aufzuzeigen.

Im sechsten und letzten Kapitel der Arbeit wird ein auf der vorgenommenen Untersuchung basierendes Fazit gezogen. Zudem werden mögliche Zukunftsaussichten für das Potenzial von Biomethan als Erdgassubstitut beschrieben.

Ziel der Arbeit ist es, den Stand, die Entwicklung und die Rahmenbedingungen für die Bereitstellung und Nutzung von Biomethan auf dem derzeitigen und zukünftigen Energiemarkt zu ermitteln und so die Perspektiven und das Potenzial von Biomethan als Erdgassubstitut zu verdeutlichen.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 3.3.2, Biomethan auf dem Strom- und Wärmemarkt:

Die Energie aus Biomethan kann dem Endverbraucher derzeit auf drei Arten zur Verfügung gestellt werden. Zunächst kann Biomethan, wie Biogas, durch Blockheizkraftwerke, dessen prinzipielle Funktionsweise bereits in Unterkapitel 2.2 erläutert wurde, über Kraft- Wärme- Kopplung zu Strom und Wärme umgewandelt werden. Auch sind in diesem Zusammenhang Mikro-BHKWs zu erwähnen, die dem Endverbraucher zur häuslichen Strom- und Wärmebereitstellung dienen können. Eine Aufbereitung von Biogas zu Biomethan dient in erster Linie dazu, Biogas über das Erdgasnetz vom Ort der Entstehung zum Ort des Bedarfes zu transportieren. Dieser Transport ist immer dann sinnvoll, wenn für die anfallende Abwärme der Anlagen am Produktionsort keine oder keine ausreichende Verwendung gefunden werden kann. Liegt der Wärmenutzungsgrad vor Ort jedoch bei über 50%, ist die direkte Verstromung von Biogas einer Aufbereitung zu Biomethan und anschließender Einspeisung ins Erdgasnetz vorzuziehen. Dies resultiert überwiegend daraus, dass die Aufbereitung und der Anschluss an das Erdgasnetz mit hohen Kosten verbunden sind, welche nur durch eine entsprechend große Anlagengröße bewerkstelligt werden könnten. Da der Verwertungspfad der Verstromung für Biomethan bisher der einzige ist, der durch das EEG definiert wird, orientiert sich die Nachfrage stark an den durch die Verstromung erzielbaren Erlösen, sowie den entsprechend marktfähigen Wärmepreisen. Doch im Wärmemarkt konkurriert Biomethan nicht nur mit fossilen und regenerativen Brennstoffen, sondern auch mit Erdgas, was die Marktsituation für Biomethan für die Nutzung in KWK-Anlagen erschwert.

Die zweite Nutzungsmöglichkeit ist die Nutzung von Biomethan für die Wärmeerzeugung über Erdgasheizkessel. Diese sind bereits sehr verbreitet, da sie Voraussetzung für das Heizen mit Erdgas sind. Viele Energieanbieter bieten für diesen Verwertungspfad bereits Produktgase mit gewissen Biomethananteilen an. Zum Teil wird dem Verbraucher sogar reines Biomethan zur Verfügung gestellt. Da diese Gase zurzeit jedoch noch teurer als Erdgas sind und dem Verbraucher keinen finanziellen Vorteil verschaffen, beruht der Kaufanreiz bisher nur auf dem ökologischen Bewusstsein des Verbrauchers. Die letzte Nutzungsmöglichkeit für Biomethan ist der Einsatz im Kraftstoffsektor, der im nächsten Unterkapitel beschrieben wird.

3.3.3, Biomethan als Kraftstoff:

Vor dem Hintergrund der fortgesetzten Senkung der CO2-Emissionen hat sich in der Automobilbranche Erdgas als umweltfreundliche Alternative zu den üblichen Otto- Kraftstoffen erwiesen. Im Vergleich zu herkömmlichen Motoren weisen Erdgasmotoren 90% weniger Schadstoffemissionen und 20% weniger CO2-Emissionen auf. Aufgrund dieser Einsparungspotenziale und einem vergünstigten Steuersatz von Erdgas ist in den letzten Jahren die Anzahl der Erdgasfahrzeuge und Erdgastankstellen stark angestiegen. Da das Biokraftstoffquotengesetz die Mineralölwirtschaft verpflichtet, in den Jahren 2010 bis 2014 eine Biokraftstoffquote von 6,25% zu erfüllen, wurden weitere Kraftstoffalternativen aufgetan. Eine Alternative stellen flüssige Biokraftstoffe wie zum Beispiel Biodiesel oder Bioethanol dar, die ein CO2- Einsparungspotenzial von durchschnittlich 50% aufweisen. Mit flüssigen Biokraftstoffen der zweiten Generation, die allerdings erst in einigen Jahren konventionell verfügbar sein werden, sollen sogar Einsparungen von bis zu 90% ermöglicht werden. Biomethan, das bereits jetzt verfügbar ist und ohne weiteres als Kraftstoff für Erdgasfahrzeuge eingesetzt werden kann, wird eine CO2-Einsparungsquote von 80% zugesprochen. Hinzu kommt, dass es laut der Fachagentur für nachwachsende Rohstoffe e.V. eine doppelt bis dreifach so hohe Flächennutzungseffizienz wie Biodiesel aufweist. Das bedeutet, dass bei gleicher landwirtschaftlicher Fläche zwei bis dreimal so viel Biomethan wie Biodiesel hergestellt werden kann. Dementsprechend liegt auch die zu erzielende Kilometerleistung der Erdgasfahrzeuge, die mit Biomethan betrieben werden, weit über der, die durch Biodiesel oder Bioethanol betriebene Fahrzeuge zu realisieren ist. Weil es im Jahr 2010 erst etwa 85.000 Erdgasfahrzeuge und rund 900 Erdgastankstellen in Deutschland gab, scheint dieser Absatzmarkt für Biomethan derzeit jedoch von eher geringer Bedeutung zu sein.

4., Potenzial von Biomethan:

Kapitel drei der Arbeit hat sich mit der Biomassebereitstellung, der Biogas- bzw. Bio-SNG-Produktion, deren Aufbereitung und Einspeisung sowie den Nutzungsmöglichkeiten von Biomethan beschäftigt. Um nun das Potenzial von Biomethan als Erdgassubstitut zu untersuchen, bietet es sich an, die ökonomischen, ökologischen, technischen aber auch rechtlichen Parameter dieses Gases zu analysieren.