In einer weitgehend auf erneuerbaren Energien fußenden Energieversorgung in Deutschland muss Bioenergie künftig die Lücken füllen, die nicht aus anderen Quellen gespeist werden können – diese These hat die Diskussion um Bioenergie im beginnenden 21. Jahrhundert stark bestimmt (BARZANTNY et al., 2009; KIRCHNER & MATTHES, 2009; SaCHVERSTÄNDIGENRAT FÜR UMWELTFRAGEN, 2011; SCHLESINGER et al., 2010, 2011). Dabei gibt es sowohl starke Argumente für den flexiblen Einsatz im Strombereich als auch für ausgewählte Kraftstoffpfade (z. B. Schwerlastverkehr, Schifffahrt, Flugverkehr), während im Wärmebereich Bioenergie als gut durch alternative erneuerbare Versorgungskonzepte ersetzbar gilt. Jedoch hat sich auch gezeigt, dass Biomasse zwar regenerativ, jedoch für den konkreten Zeitraum und unter Nachhaltigkeitsaspekten nur begrenzt verfügbar ist. Künftig wird erwartet, dass der Bedarf an Nahrungs- und Futtermitteln wie auch für die stoffliche Nutzung steigt. Damit wird eine Priorisierung der Einsatzbereiche für den weiteren Ausbau zunehmend notwendig (BMVBS, 2010; THRÄN et al., 2011; KOALITIONSVERTRAG, 2013; MAJER et al., 2013). Es herrscht Einigkeit, dass Bioenergienutzung im Einklang mit den Zielen der nachhaltigen Entwicklung stehen muss und insbesondere gegenüber der Ernährungssicherung nachrangig ist, dass die Nutzung zunehmend an den Erfordernissen des Energiesystems ausgerichtet sein müssen und dass nur bei stetiger Weiterentwicklung der Technologien ein angemessener Beitrag der Bioenergie erreicht werden kann. Auch scheint es sinnvoll, dass man – vor dem Hintergrund der vielfältigen aktuellen Entwicklungen im Bereich der regenerativen, nicht-biogenen Energietechnologien und Energieträger – Bioenergiestrategien favorisiert, die geringe Pfadabhängigkeiten aufweisen und z. B. Technologiekonzepte berücksichtigen, die sowohl im Strom- / Wärme-Bereich als auch im Kraftstoffsektor genutzt werden können.

The aim of the present work about experimental and mathematical modelling of moving-bed-gasification was to increase the transparency of the process. At Dresden University of Technology a gasifier with a high number of measuring points was used. Two-dimensional profiles of temperature and gas-concentrations were analysed. Samples of particles taken out of the reactor gave information about drying, pyrolysis and char-reactions. A commercial CFD-software was modified for the special application of fixed-bedgasifiers by subroutines. Comparisons of the results of experiment and simulation showed the constitutive process with its significant reaction-behaviour. By variation of different parameters, important influences were discussed. / Das Ziel der Arbeit war die Erhöhung der Prozeßtransparenz der Festbettvergasung im kleinen Leistungsbereich. Es besteht einerseits eine große Wissenslücke, welche einen durchschlagenden Erfolg für den Brennstoff Holz bisher verhinderte. Andererseits besitzt die Technologie ein energiewirtschaftlich bedeutendes und unter den gegenwärtigen politischen Rahmenbedingungen betriebswirtschaftlich hohes Potential. Ein Modellvergaser war mit umfangreichen Meßmöglichkeiten ausgerüstet. Mittels daran angepaßter Probenahmevorrichtungen konnten in den Untersuchungen auf der Basis von 16 Stützstellen zweidimensionale Profile der Temperatur und der Gaszusammensetzung ermittelt werden. Die Partikelproben aus drei Meßebenen gaben Auskunft über den Trocknungs- und Pyrolysefortschritt sowie über den Koksumsatz. Parallel erfolgte die Erarbeitung einer Mathematischen Modellierung. Hier wurde eine kommerzielle Strömungssimulations-Software mittels Unterprogramme an die Anforderungen der Festbettvergasung angepaßt. Im Vergleich der Ergebnisse aus Experiment und Simulation konnte der Reaktionsablauf dargestellt, sowie Einflüsse verschiedener Parameter auf den Prozeß diskutiert werden.

The German Government’s Integrated Energy and Climate Programme (IEKP) and the National Biomass Action Plan set ambitious targets for the further development of bioenergy until 2020. The share of energy from biomass is supposed to reach 8 % and 9.7 % of the total power consumption and of the total heat usage, respectively. The share of biofuels on the total consumption of fuels for transportation should rise up to 12 % (energetic) by 2020. This project aims to assess the possibilities of achieving the IEKP targets for bioenergy in a regional and global context. On a regional as well as global level, the potentials of different biomasses were determined in different development scenarios until 2020. Furthermore, the extent to which remote sensing could contribute in improving the spatial specification of biomass resources and whether it could be used as a monitoring system for the early detection of land use changes was investigated. On the regional level, the spatial implications of energetic biomass use was analysed with regard to environmental impacts and land use conflicts. Depending on their significance of spatial impacts, instruments of spatial planning were assessed in order to steer the supply of bioenergy. [... from Executive Summary]

Die globalen Mitteltemperaturen könnten bis 2100 um 2◦C bis 4.5◦C über vorindustriellem Wert steigen sollten CO2 Emissionen nicht oder nur unzureichend gesenkt werden. Klima-Engineering befasst sich deshalb mit der gezielten Abkühlung des Klimas, z.B. durch terrestrischen Kohlendioxidentzugs (tCDR). Insbesondere wird der Anbau von großflächigen Biomasseplantagen (BP) in Kombination mit der Erstellung von langlebigen Kohlenstoffprodukten wie Bioenergie oder Biokohle in Betracht gezogen. Die vorliegende Doktorarbeit untersucht die tCDR Potentiale und möglichen Konsequenzen von BP auf Nahrungsmittelproduktion, Ökosysteme und das Klima selbst mit Hilfe der Analyse von Landnutzungszenarien simuliert mit einem Biosphärenmodell. Insgesamt wird das tCDR Potential von BP als gering befunden, unabhängig vom Emissionsszenario und ab wann oder wie flächendeckend BP angebaut werden. Demgegenüber stehen meist die zuvor genannten, ungewünschten Konsequenzen. In einem Szenario mit hohen CO2 Konzentrationen kann selbst unbeschränkte Landverfügbarkeit für tCDR die bisherigen Emissionen nicht ausgleichen. Anders jedoch, wenn gleichzeitig Emissionen eingespart. In beiden Fällen führen diese Landumwandlungen jedoch zu sehr hohen “Kosten” für Ökosysteme und die Nahrungsmittelproduktion. Um deren Schutz zu gewährleisten kann die Landverfügbarkeit für tCDR beschränkt werden, was jedoch die tCDR Potentiale trotz baldiger Etablierung sehr einschränkt. Auch die Potentiale des RCP2.6 bleiben deutlich unter den Anforderungen. Das Potential könnte jedoch durch Erhöhung der Umwandlungseffizienzen von Biomasse, neuen Managementoptionen oder der Aufwertung degradierter Flächen durch BP erhöht werden. Diese Doktorarbeit kann abschließend nicht die Annahme unterstützen, dass tCDR eine effektive und umweltfreundliche Methode der Kohlenstoffsequestrierung, und damit eine Ersetzung von strengen Mitigationspfaden, sein könnte. / Global mean temperatures could change by 2◦C to 4.5◦C above pre-industrial levels until 2100 if mitigation enforcement of CO2 emissions fails. To counteract this projected global warming, climate engineering techniques aim at intendedly cooling Earth’s climate for example through terrestrial carbon dioxide removal (tCDR). Here, tCDR refers to the establishment of large-scale biomass plantations (BPs) in combination with the production of long-lasting carbon products such as bioenergy with carbon capture and storage or biochar. This thesis examines the potentials and possible consequences of tCDR by analysing land-use scenarios with different spatial and temporal scales of BPs using an advanced biosphere model forced by varying climate projections. Synthesised, the potential of tCDR to permanently extract CO2 out of the atmosphere is found to be small, regardless of the emission scenario, the point of onset or the spatial extent. On the contrary, the aforementioned trade-offs and impacts are shown to be unfavourable in most cases. In a high emission scenario even unlimited area availability for tCDR could not reverse past emissions sufficiently. However, simultaneous emission reductions could result in strong carbon extractions reversing past emissions. In both cases, land transformation for tCDR leads to high “costs” for ecosystems and food production. Restricting the available land for BPs by these trade-off constraints leaves very small tCDR despite a near-future onset. Similarly, simulated tCDR potentials on dedicated BP areas defined in the RCP2.6 scenario stay below the aimed values using current management practices. Some potential may lie the reduction of carbon losses from field to end-products, new management options and the restoration of degraded soils with BPs. This thesis contradicts the assumption that tCDR could be an effective and environmentally friendly way of complementing or substituting strong and rapid mitigation efforts.

Thesis (Ph. D.)--Utrecht University, 2007. / "This publication has been submitted as a Ph. D. thesis for the award of the degree of Doctor at Utrecht University, the Netherlands, 16 February 2007"--T.p. verso. Vita. Includes bibliographical references (p. 131-141).

Soils contain a large amount of carbon (C) that is a critical regulator of the global C budget. Already small changes in the processes governing soil C cycling have the potential to release considerable amounts of CO2, a greenhouse gas (GHG), adding additional radiative forcing to the atmosphere and hence to changing climate. Increased temperatures will probably create a feedback, causing soils to release more GHGs. Furthermore changes in soil C balance impact soil fertility and soil quality, potentially degrading soils and reducing soils function as important resource. Consequently the assessment of soil C dynamics under present, recent past and future environmental conditions is not only of scientific interest and requires an integrated consideration of main factors and processes governing soil C dynamics. To perform this assessment an eco-hydrological modelling tool was used and extended by a process-based description of coupled soil carbon and nitrogen turnover. The extended model aims at delivering sound information on soil C storage changes beside changes in water quality, quantity and vegetation growth under global change impacts in meso- to macro-scale river basins, exemplary demonstrated for a Central European river basin (the Elbe). As a result this study: ▪ Provides information on joint effects of land-use (land cover and land management) and climate changes on croplands soil C balance in the Elbe river basin (Central Europe) presently and in the future. ▪ Evaluates which processes, and at what level of process detail, have to be considered to perform an integrated simulation of soil C dynamics at the meso- to macro-scale and demonstrates the model’s capability to simulate these processes compared to observations. ▪ Proposes a process description relating soil C pools and turnover properties to readily measurable quantities. This reduces the number of model parameters, enhances the comparability of model results to observations, and delivers same performance simulating long-term soil C dynamics as other models. ▪ Presents an extensive assessment of the parameter and input data uncertainty and their importance both temporally and spatially on modelling soil C dynamics. For the basin scale assessments it is estimated that croplands in the Elbe basin currently act as a net source of carbon (net annual C flux of 11 g C m-2 yr-1, 1.57 106 tons CO2 yr-1 entire croplands on average). Although this highly depends on the amount of harvest by-products remaining on the field. Future anticipated climate change and observed climate change in the basin already accelerates soil C loss and increases source strengths (additional 3.2 g C m-2 yr-1, 0.48 106 tons CO2 yr-1 entire croplands). But anticipated changes of agro-economic conditions, translating to altered crop share distributions, display stronger effects on soil C storage than climate change. Depending on future use of land expected to fall out of agricultural use in the future (~ 30 % of croplands area as “surplus” land), the basin either considerably looses soil C and the net annual C flux to the atmosphere increases (surplus used as black fallow) or the basin converts to a net sink of C (sequestering 0.44 106 tons CO2 yr-1 under extensified use as ley-arable) or reacts with decrease in source strength when using bioenergy crops. Bioenergy crops additionally offer a considerable potential for fossil fuel substitution (~37 PJ, 1015 J per year), whereas the basin wide use of harvest by-products for energy generation has to be seen critically although offering an annual energy potential of approximately 125 PJ. Harvest by-products play a central role in soil C reproduction and a percentage between 50 and 80 % should remain on the fields in order to maintain soil quality and fertility. The established modelling tool allows quantifying climate, land use and major land management impacts on soil C balance. New is that the SOM turnover description is embedded in an eco-hydrological river basin model, allowing an integrated consideration of water quantity, water quality, vegetation growth, agricultural productivity and soil carbon changes under different environmental conditions. The methodology and assessment presented here demonstrates the potential for integrated assessment of soil C dynamics alongside with other ecosystem services under global change impacts and provides information on the potentials of soils for climate change mitigation (soil C sequestration) and on their soil fertility status. / Böden speichern große Mengen Kohlenstoff (C) und beeinflussen wesentlich den globalen C Haushalt. Schon geringe Änderungen der Steuergrößen des Bodenkohlenstoffs können dazu führen, dass beträchtliche Mengen CO2, ein Treibhausgas, in die Atmosphäre gelangen und zur globalen Erwärmung und dem Klimawandel beitragen. Der globale Temperaturanstieg verursacht dabei höchstwahrscheinlich eine Rückwirkung auf den Bodenkohlenstoffhaushalt mit einem einhergehenden erhöhten CO2 Fluss der Böden in die Atmosphäre. Weiterhin wirken sich Änderungen im Bodenkohlenstoffhaushalt auf die Bodenfruchtbarkeit und Bodenqualität aus, wobei eine Minderung der Bodenkohlenstoffvorräte wichtige Funtionen des Bodens beeinträchtigt und folglich den Boden als wichtige Ressource nachhaltig beinflusst. Demzufolge ist die Quantifizierung der Bodenkohlenstoffdynamik unter heutigen und zukünftigen Bedingungen von hohem Interesse und erfordert eine integrierte Betrachtung der wesentlichen Faktoren und Prozesse. Zur Quantifizierung wurde ein ökohydrologisches Flusseinzugsgebietsmodell erweitert. Ziel des erweiterten Modells ist es fundierte Informationen zu Veränderungen des Bodenkohlenstoffhaushaltes, neben Veränderungen der Wasserqualität, der Wasserverfügbarkeit und des Vegetationswachstums unter Globalem Wandel in meso- bis makroskaligen Flusseinzugsgebieten bereitzustellen. Dies wird am Beispiel eines zentraleuropäischen Flusseinzugsgebietes (der Elbe) demonstriert. Zusammenfassend ergibt diese Arbeit: ▪ eine Quantifizierung der heutigen und zukünftigen Auswirkungen des Klimawandels sowie von Änderungen der Landnutzung (Bodenbedeckung und Bodenbearbeitung) auf den Bodenkohlenstoffhaushalt agrarisch genutzter Räume im Einzugsgebiet der Elbe. ▪ eine Beurteilung welche Prozesse, und zu welchem Prozessdetail, zur integrierten Simulation der Bodenkohlenstoffdynamik in der meso- bis makroskala zu berücksichtigen sind. Weiterhin wird die Eignung der Modellerweiterung zur Simulation dieser Prozesse unter der Zuhilfenahme von Messwerten dargelegt. ▪ darauf begründet wird eine Prozessbeschreibung vorgeschlagen die die Eigenschaften der Bodenkohlenstoffspeicher und deren Umsetzungsrate mit in der betrachteten Skala zur Verfügung stehenden Messdaten und Geoinformationen verbindet. Die vorgeschlagene Prozessbeschreibung kann als robust hinsichtlich der Parametrisierung angesehen werden, da sie mit vergleichsweise wenigen Modelparametern eine ähnliche Güte wie andere Bodenkohlenstoffmodelle ergibt. ▪ eine umfassende Betrachtung der Modell- und Eingangsdatenunsicherheiten von Modellergebnissen in ihrer räumlichen und zeitlichen Ausprägung. Das in dieser Arbeit vorgestellte Modellsystem erlaubt eine Quantifizierung der Auswirkungen des Klima- und Landnutzungswandels auf den Bodenkohlenstoffhaushalt. Neu dabei ist, dass neben Auswirkungen auf den Bodenkohlenstoffhaushalt auch Auswirkungen auf Wasserverfügbarkeit, Wasserqualität, Vegetationswachstum und landwirtschaftlicher Produktivität erfasst werden können. Die im Rahmen dieser Arbeit dargelegten Ergebnisse erlauben eine integrierte Betrachtung der Auswirkungen des Globalen Wandels auf wichtige Ökosystemfunktionen in meso- bis makro-skaligen Flusseinzugsgebieten. Weiterhin können hier gewonnene Informationen zur Potentialabschätzung der Böden zur Linderung des Klimawandels (durch C Festlegung) und zum Erhalt ihrer Fruchtbarkeit genutzt werden.

In der Arbeit wird das Verdichtungsverhalten von halm- und stengelförmiger Biomasse (Getreidestroh, Heu, Leinstroh) im Hochdruckbereich beschrieben mit dem Ziel der Herstellung eines Festbrennstoffes in Schüttgutform. Als Versuchseinrichtung wird eine Stempelpresse mit kreisförmigem Werkzeugquerschnitt genutzt. Das Halmgut wird unzerkleinert mit einem Feuchtegehalt von 12…16% unter Einwirkung von Drücken bis zu 250 MPa ohne Zugabe von Bindemitteln verpreßt. Es wird, abgeleitet aus den Versuchsergebnissen, eine neue Verdichtungsgleichung erstellt, die für das Verdichten von unzerkleinertem Halmgut (Feuchte bis 16%) im Hochdruckbereich gültig ist. Der Einfluß der jeweiligen Gutart wird in entsprechenden Konstanten berücksichtigt. Die Eigenschaften der hergestellten Briketts, wie u. a. Bindungsverhalten und Festigkeit, wurden untersucht. Zur Bestimmung der Abrieb- und Scherfestigkeit werden Testmethoden und -geräte angepaßt bzw. neu entwickelt. Die Ergebnisse der theoretischen und experimentellen Betrachtungen fließen in die Konzeption eines Brikettierverfahrens ein. Der Funktionsnachweis des Verfahrens wird durch den Bau und Test eines Prototypen erbracht.

The German Government’s Integrated Energy and Climate Programme (IEKP) and the National Biomass Action Plan set ambitious targets for the further development of bioenergy until 2020. The share of energy from biomass is supposed to reach 8 % and 9.7 % of the total power consumption and of the total heat usage, respectively. The share of biofuels on the total consumption of fuels for transportation should rise up to 12 % (energetic) by 2020. This project aims to assess the possibilities of achieving the IEKP targets for bioenergy in a regional and global context. On a regional as well as global level, the potentials of different biomasses were determined in different development scenarios until 2020. Furthermore, the extent to which remote sensing could contribute in improving the spatial specification of biomass resources and whether it could be used as a monitoring system for the early detection of land use changes was investigated. On the regional level, the spatial implications of energetic biomass use was analysed with regard to environmental impacts and land use conflicts. Depending on their significance of spatial impacts, instruments of spatial planning were assessed in order to steer the supply of bioenergy. [... from Executive Summary]

The aim of the present work about experimental and mathematical modelling of moving-bed-gasification was to increase the transparency of the process. At Dresden University of Technology a gasifier with a high number of measuring points was used. Two-dimensional profiles of temperature and gas-concentrations were analysed. Samples of particles taken out of the reactor gave information about drying, pyrolysis and char-reactions. A commercial CFD-software was modified for the special application of fixed-bedgasifiers by subroutines. Comparisons of the results of experiment and simulation showed the constitutive process with its significant reaction-behaviour. By variation of different parameters, important influences were discussed. / Das Ziel der Arbeit war die Erhöhung der Prozeßtransparenz der Festbettvergasung im kleinen Leistungsbereich. Es besteht einerseits eine große Wissenslücke, welche einen durchschlagenden Erfolg für den Brennstoff Holz bisher verhinderte. Andererseits besitzt die Technologie ein energiewirtschaftlich bedeutendes und unter den gegenwärtigen politischen Rahmenbedingungen betriebswirtschaftlich hohes Potential. Ein Modellvergaser war mit umfangreichen Meßmöglichkeiten ausgerüstet. Mittels daran angepaßter Probenahmevorrichtungen konnten in den Untersuchungen auf der Basis von 16 Stützstellen zweidimensionale Profile der Temperatur und der Gaszusammensetzung ermittelt werden. Die Partikelproben aus drei Meßebenen gaben Auskunft über den Trocknungs- und Pyrolysefortschritt sowie über den Koksumsatz. Parallel erfolgte die Erarbeitung einer Mathematischen Modellierung. Hier wurde eine kommerzielle Strömungssimulations-Software mittels Unterprogramme an die Anforderungen der Festbettvergasung angepaßt. Im Vergleich der Ergebnisse aus Experiment und Simulation konnte der Reaktionsablauf dargestellt, sowie Einflüsse verschiedener Parameter auf den Prozeß diskutiert werden.

Der Ausbau von erneuerbaren Energien ist ein wesentlicher Baustein auf dem Weg zu einer nachhaltigen und sicheren Energieversorgung und zur Minderung von Treibhausgasemissionen. Auf europäischer und nationaler Ebene hat sich die Bundesregierung zur Umsetzung einer Reihe von energie- und klimapolitischen Zielen verpflichtet. Der Anteil von erneuerbaren Energien soll bis zum Jahr 2020 auf mindestens 18 Prozent und im Verkehrssektor auf mindestens 10 Prozent des Endenergieverbrauchs steigen. Bioenergie und Biokraftstoffe spielen hier eine wichtige Rolle. Um die gesellschaftliche Akzeptanz für den Ausbau von Bioenergie sicherzustellen, muss die Nutzung von Biomasse nachhaltig erfolgen. Im Bereich Bioenergie sind die europaweite zügige Umsetzung der Nachhaltigkeitsanforderungen für Biokraftstoffe und flüssige Biobrennstoffe sowie deren kontinuierliche Weiterentwicklung im Lichte neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse wichtig. Die Nutzung von – bislang ungenutzten – Rest- und Abfallstoffen im Bereich Biokraftstoffe bietet Vorteile: eine günstigere Klimabilanz sowie die Vermeidung von Nutzungskonkurrenzen und indirekten Landnutzungsänderungen. Stroh gehört zu den Reststoffen mit dem größten bislang ungenutzten Potenzial: In Deutschland fallen im langjährigen Durchschnitt insgesamt rund 30 Millionen Tonnen Getreidestroh pro Jahr an, wenngleich die Verfügbarkeit sich in den Regionen unterscheidet und vereinzelt regionale Knappheiten auftreten können. Ein Großteil des Getreidestrohs ist noch ungenutzt und bietet eine große Chance für die energetische Nutzung. Aus diesem Grund wird die Mobilisierung dieser Ressourcen von der Bundesregierung unterstützt, unter anderem durch die doppelte Gewichtung von Biokraftstoffen, die aus Reststoffen wie Stroh produziert werden. Die nachfolgenden Beiträge sollen weitergehende Informationen über landwirtschaftliche Reststoffe (Potenzial nachhaltig verfügbarer Reststoffe, Strohnutzungskonzepte, ökonomische Aspekte) vermitteln.