Lebenszyklusanalyse und Humusbilanzierung als Methoden zur Beurteilung der ökologischen Verträglichkeit von Bioethanol der 2. Generation
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Lebenszyklusanalyse und Humusbilanzierung als Methoden zur
Beurteilung der ökologischen Verträglichkeit von
Bioethanol der 2. Generation
Karin Fazeni
Johannes Lindorfer
Horst Steinmüller
Präsentation am 13. Februar 2013
8. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien
Energieinstitut an der
Johannes Kepler Universität Linz
ÜBERBLICK
Zentrale Fragestellung
Life Cycle Assessment – Methode
Systemgrenzen
Das Tool BIOGRACE zur THG-Bilanzierung
Angewandte Allokationsmethoden im Rahmen der Sachbilanzierung
Ergebnisse der Lebenszyklusanalyse
Grundlagen der Humusbilanzierung
Ablauf und Ergebnisse der Humusbilanzierung
2
8. Internationale Energiewirtschaftstagung| 13.02.2013
ZENTRALE FRAGESTELLUNG
THG-Bilanz Bioethanolproduktion der 2. Generation aus Stroh mittels
Lebenszyklusanalyse (LCA)
Vergleich mit fossilem Benzin
Anwendung des BIOGRACE Tools
Sensitivitätsanalyse der Allokationsmöglichkeiten
Untersuchung der agrarökologischen Verträglichkeit der Rohstoffnutzung
(Strohabfuhr vom Feld)
Prüfung der ökologischen Verträglichkeit der Rohstoffnutzung zusätzlich zur
produktbezogenen LCA
Anwendung Humusbilanzierung
Abschätzung der energetisch verwertbaren Strohmenge für die OÖ Bezirke als
3
Fallbeispiel
8. Internationale Energiewirtschaftstagung| 13.02.2013LIFE CYCLE ASSESSMENT (LCA) – METHODE
Abbildung 1: LCA-Methode
gemäß ISO 14040/14044
Methodischer Rahmen
Zieldefinition:
Untersuchungsrahmen
Zieldefinition Prozesseinheiten
Systemgrenzen
Betrachtete Flüsse
Sachbilanzierung:
Datenerhebung
Sachbilanz Interpretation Datenvalidierung
Zuordnung zu Prozessen
Allokation
Impact assessment:
Wirkungskategorien
Wirkungs- Charakterisierungs-
abschätzung modell
Interpretation:
Evaluierung der
Quelle: eigene Darstellung nach ISO 14000 ff
Ergebnisse 4
Analyse der Ergebnisse
12th Symposium Energieinnovation | 13.02.2012SYSTEMGRENZEN Abbildung 2: Systemgrenzen der Untersuchung Quelle: eigene Darstellung o Bioethanol aus Weizen (1. Generation, Erdgas als Prozessenergie) o Bioethanol aus Weizen (1. Generation, Stroh als Prozessenergie) o Vergleichsbasis: fossiles Benzin nach DIN EN 228 5 8. Internationale Energiewirtschaftstagung| 13.02.2013
LIFE CYCLE ASSESSMENT – TOOLS & METHODEN
BIOGRACE
o standardisierte Berechnung der THG-Emissionen von Biokraftstoffen für
Europa
o Annex V der Erneuerbaren Energie Richtlinie (2009/28/EG)
definiert Standardwerte für die Berechnung von THG-Emissionen für
22 Produktionsoptionen von Biokraftstoffen
o Inkludiert Rohstoffanbau, Produktion & Distribution
6
12th Symposium Energieinnovation | 13.02.2012
Source: http://www.biograce.net/ALLOKATIONSMETHODEN
Die gewählte Allokationsmethode ist ausschlaggebend für das
Sachbilanzergebnis
Für die vorliegende Untersuchung wurden 4 Allokationsmethoden
untersucht:
Keine Allokation: Inputs und Outputs werden zu 100 % dem Weizenkorn
zugerechnet.
Allokation nach Masse: Basis ist ein Weizenkornertrag von 6,4 t/ha und
ein Strohertrag von 5,1 t/ha. Folglich werden 44 % der Inputs und Outputs
dem Weizenstroh zugerechnet.
Allokation nach Marktwert: Ausgangsbasis ist ein Weizenpreis von 199 €/t
und ein Strohpreis in Höhe von 70 €/t. 26 % der Inputs und Outputs werden
dem Weizenstroh zugeordnet.
Allokation nach Heizwert: Basis ist ein Heizwert von 17 MJ/kg Weizen und
17,2 MJ/kg Stroh. Rund 50 % der Inputs und Outputs werden dem Stroh
zugeordnet. 7
12th Symposium Energieinnovation | 13.02.2012ERGEBNISSE DER LEBENSZYKLUSANALYSE
60
51,3 50,3
50 Abbildung 3: THG-Emissionen
CO2-Äquivalente in g/MJEthano l
44,2
40
der Bioethanolproduktion aus
34,1 Stroh
30 27,1
20,7
20
13,6
10
3,9
0
100 % auf nach nach Nach 100 % auf nach nach Nach
Korn Masse Marktwert Heizwert Korn Masse Marktwert Heizwert
alloziert alloziert alloziert allokiert alloziert alloziert alloziert alloziert
Stroh-KWK Erdgas-KWK
Quelle: eigene Darstellung
Treibhausgasemissions-
Treibhausgasemissionen
Energie- reduktion gegenüber dem
Tabelle 1: THG- bereitstellung
Allokation
Referenzsystem fossilem
CO2-Äquivalente
[g/MJEthanol]
Emissionen der Benzin [%]
Bioethanolproduktion
aus Stroh und 100 % auf Korn alloziert 95% 3,9
nach Masse alloziert 75% 20,7
Einsparung gegenüber Stroh-KWK
nach Marktwert alloziert 84% 13,6
fossilem Benzin
nach Heizwert alloziert 68% 27,1
100 % auf Korn alloziert 59% 34,1
nach Masse alloziert 39% 51,3
8
Erdgas-KWK
nach Marktwert alloziert 47% 44,2
nach Heizwert alloziert 40% 50,3
12th Symposium Energieinnovation | 13.02.2012GRUNDLAGEN DER HUMUSBILANZIERUNG
Ermittlung der energetisch nutzbaren Strohmenge unter agrarökologischen
Gesichtspunkten
Stroh ist wichtiges organisches Material für den Humusaufbau
Langfristiger Erhalt der Bodenfruchtbarkeit muss gesichert werden
Anwendung VDLUFA-Methode
Angabe von oberen und unteren Werten sowohl für Humusbedarf und Humusreproduktion
Negativer Humussaldo = Humusabbau und Gefährdung der Bodenfruchtbarkeit
Positiver Humussaldo = Humusaufbau und langfristiger Erhalt der Bodenfruchtbarkeit
Agrarstatistik als Basis für die Humusbilanzierung auf Bezirksebene
Anbauflächen auf Bezirksebene (spezifisch nach Kulturarten)
Durchschnittliche Getreideerträge
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12th Symposium Energieinnovation | 13.02.2012HUMUSBILANZIERUNG - VORGANGSWEISE
Spezifische
Getreide-
Fruchtfolge Humusbedarf
Statistik anbaufläche
[ha je [kg Humus-C/ha]
[ha]
Kulturart]
Abbildung 4: Methode zur
Getreideerträge
Korn-Stroh-Verhältnis
Strohertrag Abschätzung der energetisch
[t/ha] [t/ha]
verwertbaren Strohmenge
Getreidemenge Strohmenge
[t] [t]
Humusreproduktion durch Stroh
[t Humus-C] Mögliche
Positive Humusbilanz Strohabfuhr
Gesamte Gesamter
Humusbilanz
Humusreproduktion Humusbedarf für
[+] [=] [kg Humus-C/
durch Stroh Getreidekulturen
ha]
[t Humus-C] [t Humus-C]
Keine
[+]
Negative Humusbilanz Strohabfuhr
[+]
möglich
Humusreproduktion Humusreproduktion
durch organische durch Fruchtfolge
Düngung -Zwischenfrüchte
-Wirtschaftsdünger -Leguminosen
10
Ermittlung der energetisch nutzbaren Strohmenge auf Basis einer Humusbilanz
Quelle: eigene Darstellung
12th Symposium Energieinnovation | 13.02.2012ERGEBNISSE
Abbildung 5: Energetisch verwertbare Strohmenge Tabelle 2: Energetisch verwertbare
und Zusammenhang mit der Agrarstruktur Strohmenge auf Bezirksebene
Anteil
energetisch
energetisch verwertbares
verwertbares Stroh am
Stroh [t/a] gesamten
Strohaufkomm
en [%]
Braunau 51.946 46%
Eferding 17.533 25%
Freistadt 15.860 53%
Gmunden 18.917 51%
Grieskirchen 34.332 32%
Kirchdorf 33.501 47%
Linz-Land 55.836 24%
Linz Stadt 2.038 29%
Perg 42.563 41%
Ried 33.162 26%
Rohrbach 16.429 53%
Schärding 36.827 42%
Steyr Land 40.506 38%
Steyr Stadt 508 0%
Urfahr-
28.456 53%
Umgebung
Insgesamt stehen gemäß der Abschätzung rund Vöcklabruck 29.023 53%
501.000 t Stroh für die energetische Nutzung in Wels Land 41.470 23%
Wels Stadt 2.249 20% 11
OÖ zur Verfügung.
Rund 37 % des gesamten Strohanfalls in OÖ
Quelle: eigene Berechnungen und eigene Darstellung
12th Symposium Energieinnovation | 13.02.2012LIMITIERUNGEN DER STUDIE
o Genaueste Ermittlung einer Humusbilanz nur auf Basis
einzelner Agrarbetriebe möglich.
o Bodenart, Klima und Bewirtschaftungstechnik konnten nicht
berücksichtigt werden, da auf Bezirksebene zu ungenau.
o Tatsächliche Wirtschaftsdüngerausbringung sowie
Ausbringung anderer organischer Materialien anhand von
Literatur abgeschätzt.
o Einstreumengen nicht nach Haltungssystemen differenziert
ermittelt.
o Humusbilanz ist Momentaufnahme ohne dynamische
Vorgänge beim Humusaufbau.
o Aufgrund der Unsicherheiten Verzicht auf Darstellung der
Auswirkungen auf die C-Bindung im Boden.
12
12th Symposium Energieinnovation | 13.02.2012SCHLUSSFOLGERUNGEN I
Ergebnisse für die oberösterreichischen Bezirke decken sich
gut mit jenen der europäischen Literatur.
Leible et Kaltschmitt et Simon BE Warsitza
Quelle BMU 2004 IE 2008 IFEU
al.2003 al.2003 2006 2007 2008
Energetisch
37-52% 20% 20-33% bis 35% 25% 37-60% 10-30% 33%
nutzbarer Anteil
Quelle: Institut für Energie- und Umweltforschung (IFEU) Heidelberg GmbH (2008) „Nachhaltig nutzbares
Getreidestroh in Deutschland“, Positionspapier.
Rohstoffverfügbarkeit für Biokraftstoffe der 2. Generation
bisher kaum evaluiert und diskutiert.
Starker Einflussfaktor auf Economy of Scale (Einzugsgebiet &
Logistik eines Rohstoffs mit relativ geringer Energiedichte)
Azyklische Strohabfuhr könnte Ansprüchen an eine
ökologische Rohstoffverfügbarkeit genügen.
13
Humifizierung muss in niederschlagsarmen Gebieten
sichergestellt werden.SCHLUSSFOLGERUNGEN II
THG-Emissionen der Biokraftstoffproduktion stark von der gewählten
Allokationsmethode abhängig.
Stroh ist als Rohstoff zur energetischen Nutzung nicht unbegrenzt
verfügbar.
Konkurrenzsituationen können sich vor allem in anderen Bereichen
der Landwirtschaft ergeben (Tierhaltung).
Stroh ist ein wichtiges organisches Substrat zur Erhaltung der
Bodenfruchtbarkeit durch Einarbeitung am Feld.
Die LCA berücksichtigt die Restriktion der Rohstoffverfügbarkeit in
Hinblick auf den Erhalt der Bodenfruchtbarkeit nicht.
Für die Abschätzung der Strohverfügbarkeit sowie zur
Standortauswahl sollte eine Humusbilanz eingesetzt werden.
Forschungsbedarf besteht vor allem bei der Erfassung und
Integration der Faktoren Bodenbeschaffenheit, Klima sowie C-
Speicherung im Boden bei gebietsbezogenen Humusbilanzen. 14
12th Symposium Energieinnovation | 13.02.2012LITERATUR
1. ISO 14040
2. Lindorfer, J., Steinmüller, H., Fazeni, K., Beehong, C. C. (2012) Abschlussbericht zu F&E Auftrag im Rahmen
des BMBF-Verbundprojekts „Bioenergie 2021-Biofuels 2021-Innovative Biokraftstoffe aus der Bioraffinerie der
Zukunft“, TP 8.
3. BIOGRACE. Vereinheitlichte Berechnungen der Treibhausgasemissionen von Biotreibstoffen in Europa.
4. Richtlinie 2009/28/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23.April 2009 zur Förderung der
Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen und zur Änderung und der anschließenden Aufhebung der
Richtlinien 2001/77/EG und 2003/30/EG.
5. VDLUFA (2004) Humusbilanzierung. Methode zur Beurteilung und Messung der Humusversorgung von
Ackerland.
6. Fritsche, U. et al (2004): Stoffstromanalyse zur nachhaltigen energetischen Nutzung von Biomasse.
Verbundprojekt gefördert vom BMU im Rahmen des ZIP. Projektträger FZ Jülich.
7. Galler, J. (2009): Wirtschaftsdünger. Anfall, Lagerung, Verwertung, Umwelt. Landwirtschaftskammer Salzburg,
1. Auflage.
8. Amon, B. et al (2007): Tierhaltung und Wirtschaftsdüngermanagement in Österreich. Univerität für Bodenkutur
Wien.
9. Dissemond, H. und Zaussinger, A. (o.J.): Stroh-ein nachwachsender Rohstoff für die energetische Nutzung.
Universität für Bodenkultur Wien.
10. Krumphuber, Ch. (o.J.): Humusgehalte und Humusaufbau. Kohlenstoffbindung durch die Landwirtschaft.
Landwirtschaftskammer Oberösterreich.
11. Siehe: C-Sequestrierung in landwirtschaftlich genutzten Böden. Humuswirtschaft & Kompost aktuell 1/2 11.
12. Leithold, G. (o.J.): Humusversorgung im ökologischen Landbau: Analyse und Bewertung des Humushaushaltes
mit Hilfe von Humusbilanzen.
13. Hüttel, R. et al (2008): Humusversorgung von Böden in Deutschland. Forschungsprojekt im Auftrag des
Umweltbundesamtes. Förderkennzeichen 36013008.
15
12th Symposium Energieinnovation | 13.02.2012Danke für die Aufmerksamkeit!
Kontakt
Karin Fazeni
Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität
Altenberger Strasse 69
4040 Linz
Tel: +43 70 2468 5667
Fax: + 43 70 2468 5651
e-mail: fazeni@energieinstitut-linz.at
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