Biodiesel

Ökobilanz

 

Anschrift der Autoren:

K. Scharmer
G. Golbs
GET - Gesellschaft für Entwicklungstechnologien mbH
Karl-Heinz-Beckurts-Str. 13
D-52428 Jülich

Das BIODIESEL-Szenarium

Die Datenbasis zur Berechnung dieses Szenariums stammt für fossile Energieträger aus der Analyse des Lebenszyklus fossiler Energieträger. Gleiches gilt für die in der Produktion eingesetzten Hilfsstoffe wie Düngemittel, Pestizide, Herbizide, landwirtschaftliche Maschinen, die Prozesse der Ölmühle sowie der Umesterung.
Die Diskussion um die Emission von Klimagasen durch die Landwirtschaft konzentriert sich primär auf die Frage: Wieviel Lachgas wird bei der Zersetzung der für den Rapsanbau benötigten vergleichsweise großen Mengen an Stickstoffdünger emittiert? Lachgas gilt als starkes Klimagift. Im Vergleich zu CO2 ist es bei der Unterstellung von 100 Jahren Lebensdauer in der Atmosphäre 310 mal aktiver. In der Vergangenheit wurden umfangreiche Messungen in Frankreich und Deutschland durchgeführt, bei denen die tatsächliche Situation über Rapsfeldern analysiert wurde. Es konnte nicht nachgewiesen werden, dass Lachgasemissionen über Rapsfeldern statistisch signifikant stärker sind als über anderer Vegetation. Ebenfalls ist es bislang nicht gelungen, einen direkten Zusammenhang zwischen der Höhe der Lachgasemission und der Menge des verwendeten Düngers nachzuweisen. Aus diesem Grunde wurden weiterhin die Literaturwerte von Bouwman /3/ verwendet.
Hiernach soll für die in Europa verwendeten Stickstoffdünger etwa 0,3 % der aufgebrachten Stickstoffmenge in Form von N2O in die Atmosphäre gehen. Um auf der sicheren Seite zu bleiben, wurden in der Untersuchung 0,4 % angenommen. Damit errechnet sich der N2O-Beitrag zu 1,94 kg CO2eq/kg Stickstoffdünger.
IIn einer neueren Veröffentlichung /2/ gibt Reinhardt und Mitarbeiter Zahlen zur N2O-Emission an, die sich an die 1993 in der UBA-Studie verwendeten Werte anlehnen. Diese konnten jedoch bislang in keinem experimentellen Programm, bei dem tatsächlich über Rapsfeldern auftretende N2O-Emissionen gemessen wurden, in dieser Größenordnung nachgewiesen werden. Dennoch wird in dieser Publikation bei dem dort diskutierten "Standardszenarium" 1,25 % N2O-N als klima-wirksame Emission für Stickstoffdüngung angenommen. In dem Maximalszenarium werden sogar 3 % unterstellt. Zusätzlich werden bisher messtechnisch nicht nachgewiesene Emissionen aus der Düngemittelfabrikation unterstellt, wobei nach Patyk und Reinhardt /1/ mit 15,09 kg N2O-Emissionen pro Tonne produziertem Dünger gerechnet wird /4/ . Bei den folgenden Abschätzungen werden diese spekulativen Annahmen nicht weiter verfolgt.
Um die unterschiedlichen Gepflogenheiten in der europäischen Landwirtschaft möglichst gut wiedergeben zu können, wurden aus den drei Hauptanbaugebieten für Raps, das sind
    • Schleswig-Holstein,
    • Großbritannien,
    • Champagne Crayeuse,
die Anbaumethoden im Detail analysiert und gemäß ihrem Energieverbrauch und den Klimagasemissionen analysiert. Weiterhin wurde der unterschiedliche technische Standard der Ölmühlen berücksichtigt und die Umesterung einmal in sehr großen Anlagen, wie die Diester-Industrie-Anlage in Rouen (150.000 t/a), und kleineren Anlagen im Bereich von 15.000 t/a berücksichtigt. Die Ergebnisse dieser sehr komplexen Analysen sind in aggregierter Form in Abbildung 1 aufgetragen für Rapsanbau und -verarbeitung nördlich von Paris, Champagne Crayeuse. Die Rapssaat wird in der Ölmühle Robbe in Compiègne gemahlen und am gleichen Standort nach dem Prozess des französischen Petroleum-Forschungsinstituts umgeestert. Die Größe der Umesterungsanlage beträgt 30.000 t/a.
Abbildung 1: Champagne Crayeuse, französischer Produktionsprozeß (Compiègne)
 
Sonnenenergie
 


Saat/Dünger/
Pestizide/Kraftstoff
Energieeinsatz: 19,7 GJ/ha
CO2-Emission: 1,172 t/ha		 Rapsanbau und Saattransport
Rapssaat 3,5 t/ha
Energieertag: 83,3 GJ/ha 		 
 
Prozessenergie/Hilfsstoffe
Energieeinsatz: 6,6 GJ/ha
CO2-Emission: 0,344 t/ha
Ölmühle
 

Rapsöl
1,33 t/ha
Energieertrag: 49,3 GJ/ha
Energieeinsatz: 15,6 GJ/ha
CO2-Emission: 0,697 t/ha

   Rapsschrot
2,07 t/ha
Energieertrag: 34,0 GJ/ha
Energieeinsatz: 10,7 GJ/ha
CO2-Emission: 0,619 t/ha
   
   
Prozessenergie/Hilfsstoffe

Energieeinsatz:9,0 GJ/ha
CO2-Emission: 0,277 t/ha
Umesterung
 
 
BIODIESEL
1,32 t/ha		 Glycerin
0,12 t/ha
Energieertrag: 49,0 GJ/ha
Energieeinsatz: 23,5 GJ/ha
CO2-Emission: 1,126 t/ha		 Energieertrag: 2,1 GJ/ha
Energieeinsatz: 1,1 GJ/ha
CO2-Emission: 0,046 t/ha
 
 
Quelle: UFOP

Diese Zahlen erlauben es, die wichtigsten charakteristischen Größen für den Gesamtprozess aufzustellen, nämlich das Verhältnis der während der gesamten Herstellung verbrauchten Primärenergieträger zur insgesamt in den Produkten enthaltenen Energie (Input : Output).

Das Verhältnis Energiegewinn zu Energieaufwendungen reicht von 2,277 (Großbritannien) bis 2,96 (Schleswig-Holstein) mit großen Verarbeitungskapazitäten.
Die spezifische Emission von Klimagasen (ohne N2O) reicht von 0,699 kg CO2eq (Schleswig-Holstein) bis 0,907 kg CO2eq (Großbritannien).

Die Verteilung der Energie und Emissionen auf die drei Produkte ist in Tabelle 1 dargestellt, wobei Energieinhalt jeweils der spezifische untere Heizwert des Produktes bedeutet, die Energieaufwendungen der Anteil ist, der von den Gesamtaufwendungen dem jeweiligen Produkt zuzurechnen ist und entsprechend für die Klimagasemissionen ebenfalls der produktspezifische Anteil, nach dem gleichen Aufteilungsmodus ermittelt.

Tabelle 1: Energieeinsatz und Emissionen für die BIODIESEL-Kette (Fallstudie Schleswig-Holstein)

  Energiegehalt
MJ		 Energieaufwendung
MJ		 Klimagasemission
kg CO2eq
1 kg BIODIESEL 37,1 15,73 0,748
1 kg Rapsschrot 16,36 4,38 0,258
1 kg Glyzerin 17,0 7,22 0,343

Vergleich der beiden Szenarien

Die Ergebnisse der oben dargestellten Berechnungen sind in Tabelle 2 zusammengefaßt, wobei die Gesamtbreite der einzelnen Fallstudien angegeben ist.

Tabelle 2: Durchschnittliche fossile Energieaufwendungen und CO2-Emissionen für BIODIESEL-Produktion in Europa
Produkt Energie-
aufwendungen
(MJ)		 Klimagasemission
(kg CO2eq)
1 kg BIODIESEL 16,85 + 1,5 0,807 + 0,1 (0,938 + 0,1)*
1 kg Rapsschrot 4,88 + 0,9 0,285 + 0,05 (0,345 + 0,05)*
1 kg Glyzerin aus Umesterung 7,48 + 1,5 0,358 + 0,08 (0,416 + 0,08)*
1 kg Fossiler Dieselkraftstoff 50,60 3,763  
1 kg Sojaschrot 3,676 0,355 (0,507)**
1 kg Synthetisches Glyzerin 209,3 8,984  
1 ha Stillegungsland 2.512 173  
*einschließlich N2O-Emissionen durch Stickstoffdünger
** berücksichtigt die N2O-Emissionen von Sojafeldern

Die Schwierigkeit, die bei vielen der bisherigen Analysen auftrat, nämlich die Aufteilung der Energieaufwendungen und der Klimagas-Emissionen auf die einzelnen Produktströme "gerecht" vorzunehmen, kann dadurch umgangen werden, dass jeweils das gesamte Szenarium bilanziert wird und das Endergebnis des fossilen Szenariums mit dem regenerativen verglichen wird.

Dieser Szenarienvergleich ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Der Szenarienvergleich bezogen auf die mittlere Hektarproduktion

Solarenergie
16,7 GJ

1,123 kg CO2 eq
EU
Landwirtschaft
1 ha

1 ha
Flächen-
stilllegung
2,5 GJ

173 kg CO2 eq
 Grünbrache
Rapssaat
3,5 t
6,1 GJ

325
kg CO2 eq
Ölmühle
2,073 t

1,455 t
Sojaschrot
5,3 GJ

516 kg CO2 eq
 Herstellung und Transport
Öl
 Schrot
 
6,6 GJ

261 kg CO2 eq
Umesterung
Glycerin
RME
0,123 t

0,123 t
Synthetisches Glycerin
26,7 GJ

1,106 kg CO2 eq
 Glycerin-Synthese
Fossile Ressourcen
Biodiesel
1,320 t

1,149 t
Diesel aus Erdöl
66,1 GJ

4,324 kg CO2 eq
 Fossile Resourcen
Herstellung
BIODIESEL-
Szenarium
33,3 GJ
1,701 kg CO2eq
Fossiles Szenaruim
91,6 GJ
16,116 kg CO2eq
Quelle: UFOP      

Referenzszenarium:

BIODIESEL-Szenarium:

  • auf Stilllegungsflächen wird Energieraps angebaut
  • Rapssaat wird in vorhandener Ölmühle gemahlen
  • Rapsschrot ersetzt einen Teil des importierten Sojaschrots
  • Rapsöl wird umgeestert
  • Pflanzliches Glyzerin ersetzt synthetisches Glyzerin
  • BIODIESEL ersetzt fossilen Dieselkraftstoff

    Hierbei unterstellen wir, dass EU-weit im Jahre 2000 ca. 606.000 ha Ackerland für die Erzeugung von BIODIESEL verwendet werden und dass auf dieser Landfläche insgesamt 800.000 t/a BIODIESEL erzeugt werden können. Diese 800.000 t BIODIESEL können - bezogen auf gleichen Heizwert - 695.000 t oder 824 Mio. l fossilen Dieselkraftstoff ersetzen. Aus der prozessbedingten Gesamtmaterial-Bilanz ergeben sich dann die übrigen Werte, die in den folgenden zwei Tabellen 3 und 4 aufgeführt sind.

    Tabelle 3: Das fossile Energie-Szenarium

    Produkt Fossile Energie-
    aufwendungen
    (TJ)    		 Klimagas-
    emission
    (Mt CO2eq)
    824 MI Fossiler Dieselkraftstoff
    (695.000 t)    		 35.167 2,615
    882.000 t Sojaschrot 3.242 0,313
    (0,447)*
    74.500 t Synthetisches Glyzerin 15.593 0,669
    606.000 ha Stillegungsland 1.522 0,105
    TOTAL 55.524 3,702
    (3,836)*
    * berücksichtigt die N2O-Emissionen von Sojabohnen-Feldern

    Tabelle 4: Das BIODIESEL-Szenarium

    Produkt Fossile Energie-
    aufwendungen
    (TJ)    		 Klimagas-
    emission
    (Mt CO2eq)
    909 MI BIODIESEL
    (800.000 t)    		 13.480 0,646
    (0,750)*
    1.256.000 t Rapsschrot 6.129 0,358
    (0,433)*
    74.500 t Glyzerin 557 0,027
    (0,031)
    TOTAL 20.166 1,031
    (1,214)
    * Werte in Klammmern berücksichtigen N2O-Emissionen aus Stickstoffdünger

    Wenn wir die beiden Systeme gegeneinander bilanzieren, können die Einsparungen an fossiler Energie und an Klimagasemissionen berechnet werden. Sie betragen:

    Einsparung fossiler Energieträger beim BIODIESEL-Szenarium: 35.358 TJ europaweit
    oder für jeden Liter Fossildiesel, der durch BIODIESEL ersetzt wird: 42,9 MJ/l
    Die Einsparungen an Klimagasemissionen betragen: 2,67 Mt CO2eq (2,62 Mt CO2eq)
    oder für jeden Liter Fossildiesel, der durch BIODIESEL ersetzt wird: 3,24 kg CO2eq (3,18 kg CO2eq)

    Umrechnungen zu Abb. 1

    Champagne Crayeuse, Ölmühle Robbe, IFP-Prozess für Umesterung

    1 ha Ackerfläche liefert pro Jahr:

    • 3,5 Rapssaat
    • 1,335 Rapsöl
    • 1,321 BIODIESEL
      (1.501 BIODIESEL)

    Zuordnung der Energieaufwendungen und CO2-Emissionen nach Energiertrag der Produkte:

    - nach der Ölmühle anteilig

    • im Rapsöl 59,2 %
    • im Rapsschrot 40,8 %

    - nach der Umesterung anteilig

    • im BIODIESEL 95,9 %
    • im Glyzerin 4,1 %

    BIODIESEL/fossiler Diesel:

    Wegen der Unterschiede in den spezifischen Heizwerten und Dichten gilt

    • 1,1 l BIODIESEL ersetzen 1 l fossilen Diesel
    • (1,15 kg BIODIESEL ersetzen 1 kg fossilen Diesel)

    Abkürzungsverzeichnis

    • ha - Hektar (=10.000 m2)
    • MI - Millionen Liter (=1.000.000 l)
    • dt - Dezitonne (=100 kg)
    • t/a - Tonnen pro Jahr
    • BIODIESEL - Fettsäuremethylester bzw. Pflanzenölmethylester
    • pH-Wert - Maß für die wasserstoffionenkonzentration, d.h. Konzentration freier Wasserstoffionen in einer wässrigen Lösung (sauer < 7 = neutral < alkalisch)
    • N - Stickstoff
    • NH3 - Ammoniak
    • CH4 - Methan
    • NOx - Stickoxide
    • N2O - Lachgas bzw. Distickstoffmonoxyd
    • CO2 - Kohlendioxid
    • CO2eq - CO2-Gleichwert, d.h. Wirkung der anderen Klimagase umgerechnet auf CO2-Wirkung
    • SO2 - Schwefeldioxid
    • HCl - Salzsäure
    • MJ - Megajoule (=1.000.000 J; Energieeinheit)
    • GJ - Gigajoule (=1.000.000.000 J; Energieeinheit)
    • TJ - Terajoule (=1.000.000.000.000 J; Energieeinheit)

    Literatur

    • /1/ A. Patyk, G.A. Reinhardt (1997): Düngemittel - Energie- und Stoffstrombilanzen. Vieweg-Verlag, Braunschweig/Wiesbaden

    • /2/ G.A. Reinhardt et al. (1997): Gutachten. Ressourcen- und Emissionsbilanzen: Rapsöl und RME im Vergleich zu Dieselkraftstoff. IFEU-Institut Heidelberg, April 1997

    • /3/ A.F. Bouwmann (1995): Compilation of "Global Inventory of Emission of Nitrous Oxide. Dissertation 19 May 1995. Landbouwuniversiteit Wageningen. ISBN 90-5485-364-6

    • /4/ EFMA (1995): European Fertilizer Manufacturers Association: Best available techniques for pollution prevention and control in the European fertilizer industry. 8 Broschüren, Brüssel 1995

    • /5/ M. Schöpe: Volkswirtschaftliche Aspekte einer Herstellung von Biodiesel in Deutschland, Abteilung Agrarpolitik, ifo-Institut für Wirtschaftsforschung München, September 1996

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