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Bundesministerium für Bildung und Forschung Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt - Projektträger für Umweltforschung und -technik
BMBF-Förderschwerpunkt:

klimazwei - Forschung für den Klimaschutz und Schutz vor Klimawirkungen
[ Forschungsarbeiten / Arbeitsprogramm ]

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Ziele des Projekts | Forschungsarbeiten / Arbeitsprogramm | Hintergrundinformationen
Arbeitspaket 1Arbeitspaket 2Arbeitspaket 3Arbeitspaket 4Arbeitspaket 5Arbeitspaket 6Arbeitspaket 7Arbeitspaket 8Arbeitspaket 9
Legende:
IEL
Institut für Energetik und Umwelt gGmbH
WI
Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH
E.ON
Ruhrgas AG
alta4
alta4 Geoinformatik AG
RUB
Ruhr-Universität Bochum
HS MD
Hochschule Magdeburg,

FB Wasser- und Kreislaufwirtschaft

 

Die Inhalte des ersten Arbeitspakets sind die Auswahl der Modellregionen, die Analyse sozio-ökonomischer Parameter, die Aggregation von Biomasse und die Auswahl von Parametern zur Beurteilung des Beitrags zum Klimaschutz.

Die Auswahl der Modellregionen ist ein sehr wichtiger Punkt, da die Datenakquise erst beginnen kann, nachdem die Regionen festliegen. Sie erfolgt unter den Aspekten: Vorhandensein geeigneter Gasinfrastrukturen und agrarökonomischer Unterschiede zwischen den in Frage kommenden Regionen, wie z. B. Anteil des Ackerbaus, der Veredlungswirtschaft der landwirtschaftlichen Strukturen und der Nutzungskonkurrenzen.

Der zweite Punkt ist die Analyse sozio-ökonomischer Parameter in den Regionen. Hier werden Unterschiede in der Regionalentwicklung, die durch eine verstärkte Biomassenutzung eingetreten sind bzw. eintreten können, vertiefend betrachtet. Die energetische Nutzung von Biomasse wird in ihren volkswirtschaftlichen Zusammenhang gebracht und regionale Wertschöpfungsketten werden abgebildet. Diese Arbeiten sind ein wichtiger Punkt für die Übertragbarkeit und Bewertung der Ergebnisse der Studie.

Der dritte Teil des Arbeitspakets ist die Aggregation von Biomasse. Darunter wird die Allokation, also die Zuordnung von Biomasse zu Anlagenstandorten verstanden. Dieses Problem wird von zwei Seiten gelöst: Die eine Seite sind die Standorte. Diese werden über logistische, planungstechnische (z. B. Flächenutzungsplan) und gesetzliche Anforderungen (z. B. Wasserschutzgebiete) sowie über die Möglichkeiten der Einspeisung definierter Mengen in das Erdgasnetz bestimmt. Die zweite Seite sind die Biomassepotenziale, die durch Nutzungskonkurrenzen und damit die Substratpreise sowie durch deren Lage beschrieben werden. Neben der Beschaffung der benötigten georeferenzierten Datenbasis ist die Entwicklung geeigneter Kriterien zur optimalen Verknüpfung von Standort und Biomassepotenzial wesentlicher Bestandteil dieses Arbeitspunktes.

Der vierte Teil des Arbeitspakets ist die Bestimmung von Parametern zur Beurteilung des Beitrags zum Klimaschutz. Hierzu müssen die heutigen Lösungen und die technisch möglichen Lösungen zur Energieversorgung verglichen werden. Zu diesem Zweck werden die gesamte Prozesskette von Anbau über Ernte und energetische Nutzung abgebildet und die Stoff- und Energieströme sowie weitere klimarelevante Daten wie z. B. der Treibhauseffekt, das Versaurungspotenzial und das Eutrophierungspotenzial usw. bilanziert.

 

Im Arbeitspaket 2 werden die Möglichkeiten einer Dynamisierung der (fermentativen) Biogasproduktion sowie die Grundlagen der thermochemischen Biomethanerzeugung (Biomassevergasung) erforscht. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die Entwicklung von standardisierten Technologiepfaden für die Gaserzeugung und Aufbereitung zu einspeisefähigem Biomethan und die Ermittlung von entsprechenden Kostenstrukturen, z. B. Gaserzeugungskosten in ct/kWh.

Dynamisierung der (fermentativen) Biogasproduktion
Die Einspeisung von Biogas ins Erdgasnetz wird von der Aufnahmekapazität des Netzes bestimmt, die wiederum vom Gasverbrauch im Erdgasnetz abhängig ist. Die Gasabnahme unterliegt tageszeitlichen sowie jahreszeitlichen Schwankungen und kann prinzipiell durch Speicherung aufgefangen werden. Allerdings ist die Speicherung von Erdgas teuer. Daher ist es zunächst von Vorteil, die Biogaserzeugung im Hinblick auf eine variierende Belastung zu dynamisieren, sodass das Biogas auch zum Zeitpunkt der niedrigsten Abnahme (Sommernacht) vollständig in das Erdgasnetz eingespeist werden kann. Im Projekt werden die Möglichkeiten eines Disparitätsmanagements (Ausgleich zwischen Angebot und Nachfrage) eingehend untersucht.

1. Einführung innovativer Steuerungskonzepte für bestehende Anlagen

  • Weiterentwicklung einer verlässlichen Methodik zur Analyse, Steuerung und Optimierung der dynamischen Prozessführung durch einen Prozessbeobachter, der auf modernen Steuerungskonzepten wie Fuzzy-Techniken oder neuronalen Netzen basiert
  • Weiterentwicklung der Technologie zur Fernüberwachung und -steuerung von dynamisch betriebenen Biogasanlagen


  • 2. Entwicklung optimierter Anlagen auf Basis erweiterter Prozesskenntnisse

    Hierfür werden zunächst in Laborumgebung die Grenzen von Belastungsvariationen bei Biogasanlagen hinsichtlich Prozessstabilität, Biogasqualität und Sicherheit des Verfahrens geprüft.

  • Ermittlung des Kurzzeitansprechverhaltens (Tagesgänge)
    durch das Initiieren von Lasterhöhungen innerhalb kurzer Zeitintervalle,
  • Ermittlung des Langzeitansprechverhaltens (Sommer-/Winterlast)
    durch Untersuchung des Anfahrverhaltens einer Biogasanlage nach mehrwöchiger Stillstandszeit. Hierbei werden auch Erkenntnisse darüber gewonnen, bei welcher minimalen Grundlast Biogasanlagen betrieben werden müssen, um ein sicheres und schnelles Hochfahren auf Maximallast zu ermöglichen.


  • 3. Beeinflussung des biologischen Prozesses der Biogasbildung (Steigerung und Hemmung) durch Substrataufbereitung

  • zur Dynamisierung durch kurze Ansprechzeiten (Tagesgänge)
    Untersuchung des Einflusses verschiedener Vorbehandlungsmethoden (mechanische Zerkleinerung und Quetschung, Zerfaserung, thermischer Aufschluss) auf die verwendeten Substrate durch gezielte Zugabe zu definierten kontinuierlichen Gasbildungsversuchen
  • zur Dynamisierung durch längere Ansprechzeiten (Jahresgänge)
    Untersuchung der thermo- sowie mesophilen Prozessführung in kontinuierlichen Gasbildungsversuchen durch gezielte Temperaturschwankungen, die auf die Aktivität der Mikroorganismen Einfluss nehmen


  • Grundlagen thermochemischer Vergasung

    Das aus der thermochemischen Vergasung von holzartiger Biomasse gewonnene Rohbiogas weist aus thermodynamischen Gründen nur einen geringen Methangehalt auf, wodurch es nicht ohne weiteres ins Erdgasnetz eingespeist werden kann. Gleichwohl birgt dieses Verfahren ein hohes Potenzial für die Biogaserzeugung in sich, deshalb werden folgende in der Praxis bereits bestehende Vergasungsverfahren auf ihre Schwächen und Stärken untersucht:

  • allotherme Wasserdampfvergasung in der Wirbelschicht (FICFBG, Güssing bzw. FERCO-Battele, Vermont)
  • autotherme sauerstoffgeblasene Wirbelschichtvergasung (PCFBG, Värnamo)


  • Zudem werden Wege erforscht, wie durch Rohgasaufbereitung und Methanisierung eine erdgasähnliche Qualität effizient herzustellen ist. Die Schritte hierzu sind:

  • Entfernung typischer Verunreinigungen wie Staub/Asche, Teer, NH3, H2S und CO2,
  • katalytische Methanisierung, die ggf. mit einer katalytischen CO-Konvertierung (Shift) kombiniert werden muss.


  • Kostenermittlung

    Für die Praxistauglichkeit der Biogaseinspeisung ist es von entscheidender Bedeutung, mit welchen Kosten die Erzeugung und Aufbereitung von Biogas sowie seine Einspeisung ins Erdgasnetz einhergehen. Für die Berechnung der Kosten in ct/KWh werden sowohl für die Biomassevergärung als auch -vergasung in Abhängigkeit zu den benötigten Anlagegrößen standardisierte Verfahrensketten aus der Praxis abgeleitet, die nachstehende Punkte beinhalten: Substratlagerung Fermenter Nachgärbecken Gärrestverwertung Gasaufbereitung des Rohbiogases zu Biomethan mit Erdgasqualität Gaseinspeisestation.
    Die Erzeugungs- und Gasaufbereitungskosten für diese standardisierten Verfahrensketten werden bei geeigneten Unternehmen abgefragt und in Anlehnung an VDI 2067 kalkuliert. Die akkumulierten Daten fließen später ins GIS ein.

     

    Im Rahmen der Gasnetzanalyse werden bestehende Einspeiserestriktionen für das Gasnetz ermittelt sowie Informationen über das Gasnetz in den Modellregionen gesammelt.

    Bei der Einspeisung von Biogas ins Erdgasnetz sind neben juristischen (AP5) und ökonomischen Rahmenbedingungen insbesondere das DVGW- Regelwerk zu berücksichtigen.
    Unzulässige Gaszusammensetzungen können sich durch starken Vermaschungsgrad des Leitungsnetzes bei mehreren Einspeisepunkten ergeben. Daher sind für die Ermittlung eines geeigneten Gasnetzzugangs für die Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz detaillierte Kenntnisse des Netzes notwendig.

     

    Disparitäten zwischen Gaserzeugung und Gasabnahme können zum einen durch eine bedarfsgesteuerte Biogasproduktion, zum anderen durch eine dezentrale Speicherung von aufbereitetem Biogas kompensiert werden. Obwohl die Speicherung stark kostenintensiv ist und auf Biogasanlagen angepasste Gasspeicher mit geeignetem Arbeitsgasvolumen bisher technisch kaum realisiert werden, sollten im Hinblick auf zukünftige Verwendungen von Biogas und ihr Entwicklungspotenzial Überlegungen angestellt werden, wie die kostengünstige Ausführung kleiner dezentraler Gasspeicher verwirklicht werden kann.
    Daher wird in diesem Arbeitspaket unter Vorgabe verschiedener Szenarien der Biogaseinspeisung geklärt, durch welche der beiden Strategien (Speicherung bedarfsgesteuerte Gaserzeugung) eine optimale Bezugsstruktur hergestellt werden kann.

     

    Im Rahmen des AP5 erfolgt eine Auseinandersetzung mit der aktuellen Rechtslage auf europäischer, nationaler und kommunaler Ebene. Ausgehend von einer Sichtung der relevanten Gesetze, technischen Regelwerke, Rechtssprechungen und einer Analyse der rechtswissenschaftlichen Diskussion werden in einem ersten Schritt offene Rechtsfragen identifiziert. Ein wesentliches Element ist hierbei die Durchführung eines Workshops, bei dem Experten aus den Bereichen Biogaserzeugung, (Erdgas-)Netzbetrieb, öffentlicher Verwaltung und Rechtswissenschaft bisherige praktische Erfahrungen zum Thema Biogaseinspeisung und konkrete rechtliche Hemmnisse bzw. drängende Rechtsfragen diskutieren. Hierauf aufbauend erfolgt in einem zweiten Schritt eine eingehende Untersuchung der identifizierten, dringendsten Rechtsfragen im Spannungsfeld der unterschiedlichen Interessenslagen. Anschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse zusammengeführt und konkrete Vorschläge hinsichtlich des rechtsnormativen und vollzugsorientierten Anpassungsbedarfs zur Genehmigung von Anlagen zur Gaserzeugung und Biomethaneinspeisung skizziert. Diese werden im Rahmen eines zweiten Workshops mit Rechtsexperten und Marktakteuren einem interessierten Publikum präsentiert, um so eine kritische Auseinandersetzung mit den Vorschlägen zu ermöglichen. Die Ergebnisse des zweiten Workshops dienen einer abschließenden Justierung sowie der Sicherung einer hohen praktischen Relevanz der Ergebnisse dieses Arbeitspaktes.

     

    Das GIS ist das zentrale Instrument für die Planung und Analyse

  • der flächenscharfen Ertragsabschätzung und Potenzialermittlung,
  • der Biomassetransportlogistik,
  • einer nachhaltigen Flächennutzung,
  • der Standortfindung bzw. -optimierung für Anlagen zur Biogaserzeugung sowie
  • der Biogaseinspeisung.


  • Ein zentrales Teilergebnis des Projekts ist die Entwicklung einer Geodatenbank mit einem umfangreichen Fundus an (Geo-)Daten, nutzbar zur Analyse diverser Fragestellungen im Kontext der »Biogaseinspeisung«. Zusätzlich werden, basierend auf etablierten GIS-Technologien, Werkzeuge zur Beantwortung der raumbezogenen Fragestellungen konzipiert und entwickelt, wobei sowohl bei der Entwicklung der Werkzeuge als auch der Erfassung der Grundlagendaten zwischen der Detailgenauigkeit der gewünschten Informationen und der Gewährleistung von Übersichtlichkeit abzuwägen ist. Grundsätzlich ist ein modularer Aufbau der einzelnen Werkzeuge geplant. Auf diese Weise werden eine schrittweise Einbindung der Daten und Funktionalitäten und eine kontinuierliche Aktualisierung in Zukunft ermöglicht. So entsteht unter Anwendung zahlreicher GIS-Funktionalitäten, Rekombination und Anpassung dieser, eine an die Thematik »Biogaseinspeisung« angepasste GIS- Applikation mit spezifischen Werkzeugen (Menüs, Schaltflächen), insbesondere zur Geodatenverarbeitung und analyse.


    Im Einzelnen erfolgt nach Festlegung der Fragestellungen und Erstellung des Datenmodells die Erfassung der Grundlagendaten entlang der Prozesskette zur Biogaseinspeisung. Zu den einzelnen Elementen der Kette werden (Geo-)Daten ermittelt, aggregiert, strukturiert und in der Geodatenbank abgelegt. Beispielhaft sind land- und forstwirtschaftliche Flächen zur Biomasseerzeugung, Straßennetzwerke zur Abbildung der Transporte, Anlagenstandorte sowie weitere Flächen zur Lagerung, Konditionierung und Umwandlung der Biomasse in Biogas zu nennen. Genehmigungsrechtliche Standortfragen werden über die Integration von Schutzgebietskulissen und ATKIS-Daten abgebildet. Zudem enthält die Datenbank Informationen über technische Daten zu Anlagen in den Modellregionen und standardisierte Technologiepfade einschließlich ihrer Kostenstrukturen für Anlagenplanungen (s. AP 2) und aktuelle Informationen zu landwirtschaftlichen Erträgen für die Potenzialermittlung.

    Mit der Integration dieser Daten in die Geodatenbank und Anwendung der entwickelten Werkzeuge wird die Analyse realitätsnaher Szenarien, z. B. Erfassung des ökonomischen Biomassepotenzials zur Einspeisung, durchführbar und ermöglicht es, den Beitrag der Biogaseinspeisung in den Modellregionen zum Emissionsminderungspotenzial und somit zum Klimaschutz zu ermitteln. Ferner kann auf dieser Basis eine fundierte Unterstützung bei der Standortfindung und bewertung, Substratversorgung und Optimierung der Biomassetransportlogistik erfolgen. Die Ergebnisse der Analysen werden letztlich unter Nutzung der kartographischen Funktionalitäten des GIS in verständlichen, bildlichen Darstellungen visualisiert.

     

    Nachdem in AP 6 für die Biogaserzeugung und -einspeisung relevante (Geo-)Daten gesammelt und aufbereitet sowie Werkzeuge konzipiert und in das GIS implementiert wurden, werden sie in AP 7 auf die konkreten Begebenheiten in den Modellregionen angewendet, um für diese Räume

  • das theoretische, technische und standortbezogene Biogaspotenzial,
  • die optimalen Standorte für Biogasanlagen (BGAs) und
  • potenzielle Gaseinspeisepunkte inkl. Anlagengröße und Einzugsradius


  • zu berechnen. Hierbei werden unterschiedliche Zielsetzungen (Szenarien) wie z. B. Beibehaltung des Status-Quo, maximale Klimaschutzeffekte etc. zugrunde gelegt.

    Zentraler Bestandteil der Arbeiten in AP7 ist eine Ermittlung von Standorten von Biogasanlagen, so dass sich für die Region die maximale Substitution fossiler Energieträger ableiten lässt. Auf diese Weise kann eine ganzheitliche Betrachtung der Biomassepotenziale zur Substitution fossiler Brennstoffe erfolgen und der resultierende Beitrag zum Klimaschutz einer Region errechnet werden.

    Ferner liefert AP7 Grundlagendaten für die Arbeitspakete 8 und 9, um eine Übertragung der Erkenntnisse auf Deutschland und eine Interpretation und Analyse des gesamtdeutschen Klimaschutzpotenzials zu ermöglichen.

     

    Nachdem in den vorangegangenen Arbeitspaketen die Vorraussetzungen der Biogaserzeugung und -einspeisung in den Modellregionen ermittelt worden sind, folgt in AP8 die Auswertung der Ergebnisse. Der Fokus liegt dabei auf dem möglichen Beitrag zum Klimaschutz, der geleistet werden kann. Folgende Fragen sollen beantwortet werden:

  • Wie kann durch den Einsatz von Biomethan die größtmögliche Treibhausgasminderung erzielt werden: durch dezentrale Stromerzeugung, oder über den Weg der Einspeisung zur Strom-, Wärme- oder Kraftstoffbereitstellung?


  • Welche der möglichen Anwendungen für Biomethan sind aus gaswirtschaftlicher Sicht sinnvoll? Wie kann Biomethan am besten in die bestehenden Gasnetze integriert werden?


  • Kann durch Biomethan der höchste Beitrag zum Klimaschutz erreicht werden, oder bieten alternative Nutzungen von Biomasse bessere Treibhausgasminderungen?


  • Um den Einsatz von Biomethan sowohl energetisch und ökologisch, als auch (sozio-)ökonomisch bewerten zu können, müssen die Randbedingungen beachtet werden, die durch das deutsche Energiesystem vorgegeben sind. Die verschiedenen Biomassenutzungspfade werden daher mithilfe von Szenarienbildung im größeren Rahmen des Gesamtsystems und im dynamischen Zeitverlauf betrachtet.

     

    Im Arbeitspaket 9 wird die Betrachtungsebene auf ganz Deutschland ausgeweitet. Durch die genaue Untersuchung, die einen starken Raumbezug ermöglicht, werden in den Arbeitspaketen 1 bis 7 für die beiden Modellregionen neue Erkenntnisse in Bezug auf die räumlich verteilten Potentiale der Produktion von Biomasse, die Limitierung von Transportwegen und die sich daraus ergebenden Restriktionen für die Anlagenstandorte sowie die gastechnischen Anforderungen an Netzdynamik und Einspeiseoptimierung erarbeitet.
    Aus den beiden Modellregionen werden raumbezogene Cluster abgeleitet, die eine Übertragung dieser Erkenntnisse auf die bundesweite Ebene erlauben. Die Ergebnisse der vorigen Arbeitspakete und die resultierenden bundesweiten Effekte werden dann auf mehreren Ebenen bewertet:

  • Ökologisch unter Einbeziehung von Klima- und Naturschutzaspekten
  • Sozioökonomisch und regionalwirtschaftlich und
  • Technologie- und industriepolitisch


  • Somit können strategische Handlungsempfehlungen für den weiteren Ausbau der Biomethanerzeugung und insbesondere der Einspeisung gegeben werden, die in der Erarbeitung einer Biogas-Strategie für Deutschland münden.
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