Für die künftige Versorgung des Mobilitätssektors mit nachhaltig erzeugtem Wasserstoff wird die Konversion von Biomasse als eine bedeutende Herstellungsoption angesehen. In dieser Studie werden Verfahren und Technologien für die Erzeugung von Wasserstoff auf Basis von Biomasse evaluiert. Dies umfasst sowohl thermo-chemische Verfahren - wie z. B. die Vergasung von Biomasse oder die Dampfreformierung biogener Sekundärenergieträger (z. B. Biogas) - als auch biochemische Verfahren, wie die Vergärung von Biomasse zu Wasserstoff oder die Photolyse von Wasser. Nach einer grundlegenden Klassifizierung aller geeigneten Optionen werden drei Verfahren, die für eine kurz- bis mittelfristige Realisierung in einer Demonstrationsanlage am geeignetsten erscheinen, ausgewählt. Für diese werden anschließend Anlagen- und Bereitstellungskonzepte entworfen und einer Detailanalyse unterzogen. Zwei der detailliert untersuchten Anlagenkonzepte basieren auf der allothermen Wirbelschichtvergasung (Konzepte 1 und 2) und ein drittes auf der Dampfreformierung von Biogas (Konzept 3).

Im Rahmen des Projektes „Klimaeffekte einer Biomethanwirtschaft“ (KlimaCH4) wurden durch das Deutsche Biomasseforschungszentrum zwei Methoden für Messungen von direkten Treibhausgasemissionen hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit und Vergleichbarkeit untersucht. Im Rahmen konkreter Messungen wurden die direkten Emissionen, v. a. von Methan, an drei Biogasanlagen mit Methanaufbereitung zur Einspeisung ins Erdgasnetz quantifiziert. Diese Untersuchungen erfolgten einerseits direkt vor Ort mittels Leckagesuche, Einhausungen und „Open Chamber“-Messungen, andererseits indirekt mittels optischer Fernmessungen mit Tunable Diode Laser Absorption Spectrometry (TDLAS) und Quelltermrückrechnung mittels inverser Ausbreitungsmodellierung.

Der vorliegende Report setzt sich zusammen aus den Zwischenberichten des Projektes „Wissenschaftliche Vorbereitung und Begleitung der EEG-Monitoringberichte und des EEGErfahrungsberichts für die Stromerzeugung aus Biomasse“ im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (SCHEFTELOWITZ u. a., 2014b, 2014a) sowie aus dem Hintergrundpapier „Auswirkungen der gegenwärtig diskutierten Novellierungsvorschläge für das EEG-2014” in der Version vom 31.03.2014 (THRÄN u. a., 2014).

Der vorliegende Endbericht beschreibt die Ergebnisse der technisch-ökonomischen Begleitforschung zum Wettbewerb Bioenergie-Regionen. Der Wettbewerb wurde als dreijähriges Fördervorhaben des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) realisiert, bei dem das DBFZ die Bioenergieentwicklung in den Projektregionen sowie Effekte für die Regionalentwicklung analysiert hat. Ziel der technisch-ökonomischen Begleitforschung war es, die Projektregionen hinsichtlich der Bioenergienutzung zu evaluieren. Hierzu standen die Bioenergieanlagen und Wertschöpfungsketten der Bioenergie sowie die eingesetzten Rohstoffe im Zentrum der Untersuchungen. Hierdurch sollten Vergleiche zwischen den Regionen und eine Einordnung im bundesdeutschen Durchschnitt ermöglicht werden. Auch galt es, Aussagen zum Klimaschutzbeitrag des Fördervorhabens treffen zu können. Nicht zuletzt unterstützte das DBFZ die Geschäftsstelle des Wettbewerbs sowie die Regionen bei der Beantwortung technisch-ökonomischer Fragestellungen. Der Bericht gliedert sich in einen theoretischen Teil A und den Ergebnisteil B. Nach einer Ergebniszusammenfassung (Kapitel 1) und einer kurzen Übersicht über wichtige und übergeordnete Kennziffern (Kapitel 2) werden im Teil A zunächst Hintergründe und Ziele des Wettbewerbs vorgestellt (Kapitel 3). Daran schließt sich mit Kapitel 4 die Erläuterung der methodischen Vorgehensweise an. Der Teil B enthält die Ergebnisse des Begleitforschungsvorhabens. Die einzelnen Kapitel orientieren sich jeweils an den konkreten Fragestellungen bzw. Themenblöcken der technisch-ökonomischen Begleitforschung (Kapitel 5-8). Im letzten Kapitel 9 erfolgt ein kurzer Ausblick auf die zweite Förderphase ab 2012 bis 2015.

Biokraftstoffe erweisen sich derzeit als eine der bedeutendsten erneuerbaren Alternativen im Mobilitätssektor und sollen künftig maßgeblich zu einer nachhaltigen Mobilität beitragen. Im Verkehrsbereich stellen die Bioethanolherstellung aus Getreide und Zuckerrüben sowie die Biodieselherstelllung aus Raps, Soja, Palmöl und anderen Pflanzenölen aus heutiger Sicht kommerziell verfügbare und langjährig erprobte Optionen dar, fossile Energieträger zu ersetzen. Die Herstellung und Verwendung von Biokraftstoffen ist in Europa seit 2011 an besondere Anforderungen bezüglich ihrer nachhaltigen Erzeugung gebunden. Im Zuge der Debatte um die Sicherstellung nachhaltiger Biokraftstoffproduktionssysteme müssen bestehende und neue Anlagen hohen Anforderungen gerecht werden. Durch die in der Biokraftstoff- Nachhaltigkeitsverordnung (Biokraft-NachV) geregelte Bemessung der Biokraftstoffquote anhand der Treibhausgas-Minderungspotenziale seit dem Jahr 2015 wird ein zusätzlicher Anreiz für die Optimierung der THG-Bilanz bestehender Biokraftstoffproduktionsanlagen gegeben. Diese Optimierungen sind mit zusätzlichen Investitionen verbunden und haben einen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Biokraftstoffanlagen. Vor diesem Hintergrund war das Ziel des Vorhabens, technische Optimierungspotenziale innerhalb der Produktionsanlagen zu untersuchen. Durch eine Bestandsaufnahme der Anlagen sowie eine Überprüfung der verfahrenstechnischen Möglichkeiten zur Senkung der THG-Emissionen und deren ökonomischen Auswirkungen sollten Verbesserungsmöglichkeiten aufgezeigt werden. Damit sollte in Bezug auf die Ökonomie, die Ökologie und den Klimaschutz eine nachhaltige Bereitstellung heimisch erzeugter Biokraftstoffe wirkungsvoll unterstützt werden. In diesem Sinne werden die Weichen für eine nachhaltige und gleichzeitig wettbewerbsfähige Ausrichtung der deutschen Biokraftstofferzeugung gestellt.

Im Rahmen des BMU/PTJ-Vorhaben „Wechselwirkung der Markteinführungsinstrumente auf die energetische Nutzung von Biomasse“ (03MAP182) im Arbeitspaketes 12 zur „Methodikentwicklung biogene Wärme“ ergab sich das Ziel, eine systematische Herangehensweise zur Aufnahme der durch Biomasse bereitgestellten Wärme zu entwickeln und Ansätze für deren Fortschreibung aufzuzeigen. Grundlage hierfür bildet die Analyse der Berichtspflichten und den daraus resultierenden Anforderung an den Detailierungsgrad der Ergebnisse sowie eine Betrachtung des (biogenen) Wärmemarktes. Zudem werden sämtliche, für dieses Vorhaben relevante Datenquellen hinsichtlich Methodik, Gliederung und Verfügbarkeit analysiert und für die Verwertbarkeit in diesem Vorhaben bewertet. Kern des vorliegenden Berichtes ist die nach Bioenergieträgern differenzierte Abbildung des methodischen Ansatzes zur Quantifizierung des Brennstoffeinsatzes und Wärmeerzeugung. Hierbei wird sowohl der Weg für den Status Quo (2008 bis 2011) aufgezeigt, als auch Ansätze für die Fortschreibung des Brennstoffeinsatzes beschrieben. Vorbereitend findet eine Gegenüberstellung und Bewertung des verfügbaren Zahlenmaterials statt. Aufbauend auf der Datenanalyse und der entwickelten Methodik werden Handlungsempfehlungen für die Schließung weiterhin bestehender Datenlücken einerseits und Vorschläge zur Verbesserung bestehender Datenquellen andererseits ausgewiesen. Ziel dieses Vorhabens ist die Erarbeitung einer methodischen Grundlage für die Erfüllung der nationalen und internationalen Berichtspflichten sowie Fachinformationen im Kontext Wärmenutzung aus Biomasse. Zu diesem Zweck werden nachstehend die Berichtspflichten sowie Fachinformationen analysiert und die darin enthaltenen Anforderungen an die Ergebnisdarstellung zusammengefasst. Ergänzend dazu werden der Wärmemarkt im Allgemeinen und der Einsatz von Biomasse zur Wärmeerzeugung im Speziellen dargestellt und auf die Bandbreite der Technologien eingegangen. Vorangestellt werden zunächst verschiedene Biomassen – nachstehend Bioenergieträger genannt – und Sektoren voneinander abgegrenzt

In dem von der DBU unter den Aktenzeichen AZ 31032 geförderten Projekt wurde die Umsetzung einer Nachrüstlösung für Kaminöfen untersucht. Die etwa 14 Millionen Einzelraumfeuerungen in Deutschland haben einen wesentlichen Anteil an der Freisetzung von unvollständig umgesetzten Verbrennungsgasen wie CO und VOC als auch Staub. Da ein Austausch aller betriebenen Feuerungen mit hohem Schadstoffausstoß kurzfristig schwer möglich ist, könnte die Integration von Nachrüstlösungen eine zeitnahe Verbesserung des Anlagenbetriebs in Bezug auf die Emissionen und den Wirkungsgrad ermöglichen. Die Nachrüstlösung im Projekt bestand aus drei wesentlichen Komponenten: einem Wärmeübertrager, einer Sicherheitseinrichtung für die störungsfreie Abgasabführung sowie einem Katalysator inklusive Beheizung. Ziel war die wesentliche Reduzierung der Emission von unvollständig umgesetzten Abgasbestandteilen CO, Org.-C und Staub sowie die Erhöhung des Wirkungsgrades. Als Zielwerte wurden Konzentrationen von CO < 400 mg/m³, VOC (Org.C) < 50 mg/m³, Staub < 30 mg/m³ und ein Wirkungsgrad > 75 % zu Projektbeginn angesetzt. Da ein nicht zu unterschätzender Einfluss durch den Ausgangszustand der Anlagen gegeben ist, wurde eine min. 50 %-ige Minderung der Schadstoffkonzentrationen als alternative Zielsetzung angegeben. Die Nachrüstlösung wurde mit drei verschiedenen Baumarktkaminöfen getestet, um den Anlageneinfluss sowie eine anlagenunspezifische Einsetzbarkeit zu demonstrieren. Es wurden zwei verschiedene Wärmeübertrager untersucht, ein Rippenrohr und ein durchströmtes Rohr, um die Effekte einer Oberflächenerhöhung und Anströmung der Oberfläche zu untersuchen. Die Abgasableitung wurde durch Einsatz eines Rauchsaugers und eines Bypasses sichergestellt. Als Katalysator wurden sowohl kommerziell erhältliche Produkte getestet als auch eine eigene Entwicklung auf Basis eines Metallschaumes als Trägermaterial vorgenommen. Der Einsatz von Metallschäumen ist aufgrund den damit erreichbaren Druckverlusten und auch der geförderten Gasvermischung vielversprechend. Die durchgeführten Arbeiten erfolgten in Kooperation mit der Fa. Alantum, welche als Fremdleistungsnehmer für die Herstellung der Metallschäume mit im Projekt eingebunden war. In den Untersuchungen wurde gezeigt, dass eine deutliche Verbesserung bezüglich der Schadstoffemissionen als auch der Wärmeausnutzung möglich ist. Durch Integration einer Wärmeübertragerstrecke im Anschluss an die Feuerungsanlage wurde der Wirkungsgrad je nach Versuchsaufbau um etwa 5 bis hin zu 19 % gesteigert und auch ein feuerungstechnischer Wirkungsgrad > 75 % erreicht. Mit den Einsatz kommerzieller Katalysatoren konnten die CO-, Org.-C- und Staubkonzentration über 50 % reduziert werden. Für CO wurden Konzentrationen unter 20 mg/m³ erreicht, für Org.-C < 100 mg/m³ und für Staub eine Absenkung bis hin zu ca. 30 mg/m³. Durch die Katalysatorbeheizung mittels einer Glühkerze sowie eines Heizwendels konnte die Reduzierung von Org.-C zum Teil noch weiter gesteigert werden. Bei Integration in einer entsprechenden Temperaturzone kann so auch ein Rußabbrand induziert werden. Mit dem Metallschaumkatalysator, welcher im Rahmen des Projektes entwickelt wurde, konnten bisher nicht so hohe Umsatzraten erreicht werden, jedoch wurde schon eine Aktivität für die CO-Oxidation nachgewiesen. Der bisherige Entwicklungsstand erfordert aber noch eine Weiterentwicklung bis hin zur wirksamen Einsetzbarkeit im Abgas von Feuerungsanlagen. Sowohl für Org.-C als auch für Staub ist auch bei Nutzung der kommerziell erhältlichen Katalysatoren noch eine weitere Steigerung der Reduzierungsrate wünschenswert. Einfache Konstruktionen, die eine fliehkraftbasierte oder filternde Staubabscheidung ermöglichen, werden als vielversprechend angesehen. Zur praktischen Einsetzbarkeit von Nachrüstlösungen an häuslichen Anlagen ist eine Weiterentwicklung zum kommerziellen Produkt notwendig. Dazu sind Feldmessungen an realen Anlagen durchzuführen und die Bauartzulassung vorzunehmen.