Anpassung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der energetischen Nutzung von Brauereireststoffen durch Vergärung und Verstromung sowie Einspeisung nach dem EEG

Aufgabenstellung zur Diplomarbeit

„Anpassung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der energetischen Nutzung von Brauereireststoffen durch Vergärung und Verstromung sowie

Ausgehend von einer Literaturrecherche zum Abfallaufkommen und zur Verwertung und Beseitigung von Abfällen sind Verfahren der energetischen Nutzung von Brauereireststoffen darzustellen und zu bewerten.

Im Einzelnen sollen folgende Aufgaben bewertet werden:

• Potential der energetischen Nutzung von Abfall

• Übersicht zu Verfahren der Vergärung von Brauereireststoffen

• Erarbeitung von Bewertungskriterien von Anlagen

• Wirtschaftliche Bewertung von Verfahren und Anlagen der energetischen Nutzung von Brauereireststoffen

2

Erklärung

Ich versichere, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel verwendet habe.

Meinsdorf im Februar 2004 Jeannette Jonneck

3

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei denen bedanken, die mich während aber auch vor allem in der letzten Phase meiner Diplomarbeit unterstützt haben.

Mein Dank geht an die Professoren meines Fachbereiches, insbesondere an Frau Prof. Dr. Johanna Rollin, Herrn Prof. Dr. Klaus Lorenz sowie Herrn Prof. Dr. Reinhard Pätz.

Weiterhin möchte ich mich bei Herrn Ronny Wilfert und Herrn Stefan Zorn vom Institut für Energetik und Umwelt Leipzig, bei Frau Prof. Dr. Christiane Rieker von der Fachhochschule Köln und bei Herrn Dipl.-Ing. Gunther Pesta vom Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie Weihenstephan bedanken, die mir besonders bei der Kalkulation der Wirtschaftlichkeit mit Rat und Material zur Seite gestanden haben.

Ein weiterer Dank geht an die Brauereien, die mir bei meiner Datenrecherche unproblematisch die von mir benötigten Daten zur Verfügung gestellt haben.

Ein ganz besonders lieber Dank geht an meinen Freund Thomas, an meine Mutti sowie meine Schwestern Anja und Cindy, die mich seelisch, moralisch, finanziell und bei Tiefständen ohne Bedenken unterstützt haben. Ich danke Euch.

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis   5

TabellenNNNNNNN und  Abbildungsverzeichnis  8

  Abkürzungsverzeichnis  11

  Einleitung  13

  Aufgabenstellung  15

1  Grundlagen  17

1.1  Biomasse  17

1.2  Abfall  18

1.2.1  Abfallaufkommen  18

1.2.2  Abfallentsorgung  20

1.2.3  Organische Abfälle  23

1.3  Nutzung biogener Brennstoffe  23

1.4  Potential biogener Brennstoffe  30

1.4.1  Potentielle Biogaserträge in Zahlen  31

1.5  Zusammenfassung  34

2  Verwertung von organischen Abfällen  37

2.1  Grundlagen  37

2.2  Vergärung von Biomasse  38

2.2.1  Grundprinzip des Verfahrens  39

2.2.2  Mikrobiologie  40

2.3  Prinzipieller Aufbau einer Biogasanlage  41

2.3.1  Nassvergärung  43

2.3.1.1  Kontinuierliche Verfahren  44

2.3.1.2  Diskontinuierliche Verfahren  45

2.3.2  Trockenvergärung  46

2.4  Betriebsführung von Biogasanlagen  47

2.5  Vorteile von Biogasanlagen  52

3  Nutzungsmöglichkeiten für Biogas  54

3.1  Biogasaufbereitung  54

5

3.2  Einsatzformen  57

3.2.1  Heizkessel  57

3.2.2  Blockheizkraftwerke  58

3.2.2.1  BHKW-Module  58

3.2.2.2  Motorische Kraft-Wärme Kopplung  58

3.2.3  Stirling-Motor  61

3.2.4  Brennstoffzellen  61

3.2.5  Einsatz als Kraftstoff im mobilen Bereich  64

3.2.6  Einspeisung in das Erdgasnetz  64

4  Rechtliche Grundlagen  65

4.1  Gesetze und Technische Anleitungen zum Bau und Betrieb  65

4.1.1  BauGB  66

4.1.2  BImSchG  66

4.1.3  TA Luft  68

4.1.3  TA Lärm  69

4.2  Gesetze und Verordnungen zur Biogaserzeugung  69

4.2.1  KrW /AbfG  69

4.2.2  TASi  70

4.2.3  BestüVAbfV  71

4.2.4  BioAbfV  71

4.2.5  BiomasseV  71

4.2.6  TierKBG  72

4.3  Gesetze und Verordnungen zur Nutzung des Gärrückstandes  72

4.3.1  DüngMG  72

4.3.2  DüngMV  73

4.3.3  DüngeV  73

4.3.4  FuttMG  73

4.3.5  AbfKlärV  74

4.4  Gesetze zur Stromeinspeisung  74

4.4.1  Stromeinspeisungsgesetz  74

4.4.2  EEG  74

4.4.3  Erneuerbare-Energien AusbauG  76

6

5  Brauerei  77

5.1  Allgemeine Informationen zu Brauereien in Deutschland  77

5.1.1  Die Deutsche Brauwirtschaft in Zahlen  79

5.1.2  Energiebedarf  80

5.2  Brauereireststoffe, Abwässer und Energiebedarf  82

5.3  Brauereireststoffe zur Vergärung in Biogasanlagen  85

5.4  Betriebliche Konsequenzen hinsichtlich der rechtlichen Grundlagen  86

6  Wirtschaftlichkeitsbetrachtung  89

6.1  Faktoren der Wirtschaftlichkeit einer Biogasanlage  89

6.2  Berechnung zur Biogasproduktion  91

6.3  Wirtschaftlichkeitsbetrachtung  97

6.3.1  Betrachtung der Kosten  97

6.3.2  Betrachtung des Nutzen  98

6.3.3  Parameter der Kalkulation  99

6.3.4  Ergebnisse und Beurteilung  100

6.4  Fördermöglichkeiten  104

6.4.1  ERP-Umwelt- und Energiesparprogramm  105

6.4.2  KfW-Umweltprogramm  106

6.4.3  BMU-Programm zur Förderung von Demonstrationsanlagen  106

6.5  Zusammenfassung  107

7  Ausblick  109

8  Anhang  111

8.1  4. BImSchV  111

8.2  TA Luft  113

8.3  TASi  117

8.4  BioAbfV Anhang  119

8.5  Erneuerbare-Energien AusbauG  120

8.6  Verfahrensschemata  124

8.7  Berechnungsbeispiel Biogasausbeute  126

  Literaturverzeichnis  130

7

TabellenNNNNNNN und  Abbildungsverzeichnis  

Tabelle 1 1  : Abfallaufkommen (1000 t)  19

Tabelle 1 2  : Behandlung und Beseitigung von Siedlungsabfällen in Tsd. t  21

Tabelle 1 3  : Abfallentsorgung in Anlagen der Entsorgungswirtschaft1 in Mio. t  22

Tabelle 1 4  : Stromeinspeisung erzeugt aus Biomasse im Jahr 2000  25

Tabelle 1 5  : Entwicklung der Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energien 1990 bis  

2001  (Endenergie, GWh)  29

Tabelle 1 6  : Technische Potentiale aus Abfällen aus Gewerbe und Industrie  34

Tabelle 2 1  : Kriterien zur Einteilung von Biogasanlagen  42

Tabelle 2 2  : Mindestanforderungen der Methanogenese an die Milieufaktoren  49

Tabelle 2 3  : Vor- und Nachteile der einzelnen Prozessarten  51

Tabelle 3 1  : Biogaszusammensetzung  55

Tabelle 3 2  : Gängige Verfahren zur Entschwefelung von Biogas  55

Tabelle 3 3  : Merkmale verschiedener Biogasmotoren  59

Tabelle 3 4  : Gaseigenschaften und Zusammensetzung von Biogas im Vergleich mit Erdgas  60

Tabelle 3 5  : Mindestanforderungen an Biogas zum Betrieb von Gasmotoren  61

Tabelle 3 6  : Übersicht Brennstoffzellentypen  63

Tabelle 4 1  : Geltende Kriterien nach der 4. BImSchV Anhang für den Bau und Betrieb  

von  Biogasanlagen  68

Tabelle 4 2  : Vergütung für Strom aus Biomasse  76

Tabelle 5 1  : Zahlen im Überblick  79

Tabelle 5 2  : Betriebene Braustätten nach Ausstoßgrößenklassen  80

Tabelle 5 3  : Energieverbrauch  80

Tabelle 5 4  : Typische Zusammensetzung von Brauereiabfällen  83

Tabelle 5 5  : Vergütungssätze für Strom aus Biomasse nach § 8 Abs. 1 Erneuerbaren  

  Energien-AusbauG Vergütungssatz nach EEG  88

Tabelle 5 6  : Erhöhte Mindestvergütung nach § 8 Abs. 3 Erneuerbare-Energien AusbauG  88

Tabelle 6 1  : Eigenschaften des Biertrebers und der Bierhefe  92

Tabelle 6 2  : Zusammensetzung Biertreber  92

Tabelle 6 3  : Zusammensetzung Bierhefe  92

Tabelle 6 4  : Theoretischer Biogasertrag von Biertreber  93

Tabelle 6 5  : Theoretischer Biogasertrag von Bierhefe  93

Tabelle 6 6  : Berechneter tatsächlich möglicher Biogasertrag von Biertreber  94

8

Tabelle 8 1  : Geltende Kriterien nach der 4. BImSchV Anhang (Auszug)  111

Tabelle 8 2  : BioAbfV Anhang 1 Nr. 1 Liste der für eine Verwertung auf Flächen  

  grundsätzlich geeigneten Bioabfälle (Auszug)  119

Tabelle 8 3  : Gegenüberstellung EEG und Erneuerbare-Energien AusbauG (Entwurf)  120

Tabelle 8 4  : Theoretische Biogasproduktion, Berechnung nach Boyle  126

Tabelle 8 5  : Volumen der Biogasbestandteile bei Standardbedingungen  127

Tabelle 8 6  : Anteiliges Volumen der Substratbestandteile am Biogasertrag  127

Tabelle 8 7  : Berechnung des Gasertrages  128

Tabelle 8 8  : Theoretischer Biogasertrag von Biertreber  129

  Abbildung 1 1 : Nutzung biogener Brennstoffe Deutschland  24

  Abbildung 1 2 : Entwicklung der Stromerzeugung aus Biomasse  25

  Abbildung 1 3 : Regenerative Energien zur Stromerzeugung: Nutzung im Jahr 2001  26

  Abbildung 1 4 : Regenerative Energien zur Wärmebereitstellung: Nutzung im Jahr 2001  27

  Abbildung 1 5 : Bruttostromerzeugung in Deutschland 2001  28

  Abbildung 1 6 : Potential biogener Brenn- und Kraftstoffe  30

  Abbildung 1 7 : Potentielle Biogaserträge  32

  Abbildung 1 8 : Technische Primärenergiepotentiale von Biogas  33

  Abbildung 1 9 : End- bzw. Nutzenergiebereitstellung aus Biomasse  36

  Abbildung 2 1 : Verfahrensarten  43

  Abbildung 2 2 : Typische Anlagensysteme für Vergärungsverfahren, die derzeit zum  

  Einsatz kommen  44

  Abbildung 2 3 : Literaturdaten zu Gaserträgen unterschiedlicher Substrate  48

  Abbildung 3 1 : Einsatzmöglichkeiten mit voranführenden Aufbereitungsschritten  54

  Abbildung 3 2 : Verfahren der Entschwefelung  56

  Abbildung 3 3 : Verfahren der Trocknung  57

  Abbildung 5 1 : Anlagenschema Brauereien und Mälzereien  78

  Abbildung 5 2 : Energieaufteilung und Energiekostenverteilung  81

  Abbildung 5 3 : Aufteilung der elektrischen Energie und der Wärme  81

  Abbildung 5 4 : Spezifische Energieverbräuche  82

  Abbildung 5 5 : Anfall von Brauereireststoffen und Abwasser verschiedener Brauereien  84

  Abbildung 5 6 : Energiebedarf verschiedener Brauereien  84

  Abbildung 5 7 : Allgemeines Verfahrensschema einer Biogasanlage  85

  Abbildung 6 1 : Biogasertrag in Abhängigkeit vom jährlichen Treberanfall  94

9

Abbildung 6.2: Biogasertrag in Abhängigkeit vom jährlichen Treberanfall, Bezug nehmend auf die Datenerhebung 95

Abbildung 6.3: Nutzbare Strom- und Wärmemenge 95

Abbildung 6.4: Nutzbare Strom- und Wärmemenge, Bezug nehmend auf die Datenerhebung 96

Abbildung 6.5: Kosten/Nutzenbetrachtung der Biogasanlage 100

Abbildung 6.6: Gewinn/Verlustbetrachtung der Biogasanlage unter Einbeziehung des Verkaufserlöses für Biertreber 101

Abbildung 6.7: Vergleich der Kosten/Nutzen- bzw. Gewinn/Verlustsituation bei der Vergütung durch das EEG und das Erneuerbare-Energien-AusbauG 102

Abbildung 6.8: Kosten/Nutzenbetrachtung von Biogasanlagen, Bezug nehmend auf die Datenerhebung 103

Abbildung 6.9: Gewinn/Verlustbetrachtung der Biogasanlage unter Einbeziehung des

Abbildung 6.10: Vergleich der Kosten/Nutzen- bzw. Gewinn/Verlustsituation bei der

Abbildung 8.1: Verfahrensschema Trockenfermentation (einstufig) 124

Abbildung 8.2: Verfahrensschema Nassfermentation (zweistufig) 125

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Abkürzungsverzeichnis

AbfKlärG Klärschlammverordnung BauGB Baugesetzbuch

BestüVAbfV Verordnung zur Bestimmung von überwachungsbedürftigen Abfällen zur Verwertung BHKW Blockheizkraftwerk BINE Informationsdienst BImSchG Bundes-Immissionsschutzgesetz BImSchV Bundes-Immissionsschutzverordnung BioAbfV Bioabfallverordnung

BiomasseV Verordnung über die Erzeugung von Strom aus Biomasse BIZ Biomasse Info Zentrum BMU Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit BMWi Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit DIW Deutsches Institut für Wirtschaftforschung DüngeV Verordnung über die Grundsätze der guten fachlichen Praxis beim Düngen DüngMG Düngemittelgesetz DüngMV Düngemittelverordnung EAK Europäischer Abfallartenkatalog EEG Erneuerbares Energien Gesetz FuttMG Futtermittelgesetz GV Großvieheinheiten IE Institut für Energetik und Umwelt IER Institut für Energiewirtschaft und rationelle Energieumwandlung KrW-/AbfG Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz KTBL Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft oTS Organische Trockensubstanz PME Pflanzenölmethylester SKE Steinkohleeinheiten TA-Lärm Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm TA-Luft Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft TASi Technische Anleitung Siedlungsabfall TierKBG Tierkörperbeseitigungsgesetz

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TS Trockensubstanz VDEW Verband der Elektrizitätswerke VKU Verband kommunaler Unternehmen WBGU Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung WKO Wirtschaftskammer Oberösterreich ZADI Zentralstelle für Agrardokumentation und -information

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Einleitung

Die Entwicklung der Energienutzung kann in verschiedene aufeinander folgende Phasen eingeteilt werden. Während die Menschen in einer ersten solaren Zivilisation bis weit in das

18. Jahrhundert ausschließlich erneuerbare Energien, wie Holz, Wind und Wasserkraft

nutzten, kam am Ende des 18. Jahrhunderts die Ära der fossilen Energieträger und mit ihr die Industrialisierung durch die Nutzung von erstmals industriell geschürfter Kohle. Im 19. und

20. Jahrhundert folgte das Erbohren von Erdöl und Erdgas sowie der bergmännischen Gewinnung von Uran vor gerade erst 50 Jahren. Das Energiesystem änderte sich radikal und an die Stelle der Erneuerbarkeit trat die Erschöpflichkeit. Die Bereitstellung von Energie bedeutete fortan Energieumwandlung und zusätzlich Stoffumwandlung, mit allen umwelt-und klimaökologischen Konsequenzen.

Die Industrialisierung brachte aber nicht nur ein Umdenken in der Energiepolitik, sondern auch das Problem der Abfallbeseitigung mit sich. Sie brachte eine Zeit des Überflusses und der Wegwerfgesellschaft.

Heute befindet sich die Menschheit an einem Wendepunkt, an der sie handeln muss. Die ökologischen Konsequenzen unseres Handels sind bereits sichtbar und auch schon spürbar. Wir schaffen Prognosen für zukünftige Szenarien unseres derzeitigen Strebens bzw. Bestrebens einerseits unbeschwert und im Überfluss leben zu können, andererseits auch teilweise mit beginnender Rücksichtnahme auf unsere Umwelt und diesen Planeten. Der Schritt zur Nachhaltigkeit und in ein zweites solares, hoch technisiertes Zeitalter ist noch sehr langsam und unsicher.

Dass sich die Welt im Wandel befindet und unser Handeln sich auf alle Staaten auswirkt, zeigen Übereinkommen und Konferenzen wie z.B. das Wiener Übereinkommen von 1985 zum Schutz der Ozonschicht oder die Konferenz der Vereinten Nationen für Umwelt und Entwicklung im Juni 1992 in Rio de Janeiro, auf der die Agenda 21 beschlossen wurde.

In Deutschland befinden wir uns in einem Staat, der sich den Schutz der Umwelt zur Aufgabe gemacht hat. Durch umfangreiche Gesetze und Maßnahmen, welche nicht immer auf die entsprechende Akzeptanz treffen, wird das umweltbewusstere Denken und Handeln sowohl der Bevölkerung als auch der Wirtschaft bewirkt.

13

Mit dem Erneuerbaren Energien Gesetz, aber auch dem Schließen der Deponien im Jahr 2005 oder der Einführung des Dualen Systems Deutschlands wurde eine klare Wende zu einer nachhaltigen Energieversorgung und Abfallentwicklung eingeläutet.

Wind, Wasser, Sonne, Biomasse und Erdwärme sind die erneuerbaren Energien der Zukunft und bergen enorme Potentiale für den Klimaschutz, den Schutz natürlicher Ressourcen und den Aufbau einer nachhaltigen Energieversorgung.

Was Nachhaltigkeit in der Abfallwirtschaft bedeutet, macht uns die Natur vor: Sie kennt keine Abfälle. Was immer sie erschafft, zersetzt sie mit dem Erreichen der Lebensgrenze, damit daraus Neues entstehen kann. Alle Stoffe werden in der Natur im Kreislauf geführt. Abfall wird nicht mehr nur als ein Problem der Beseitigung zu betrachten sein, sondern den Platz des Sekundärrohstofflieferanten einnehmen. Heute wird bereits durch die getrennte Sammlung von Altglas, Altpapier/Altpappe sowie Verpackungen des Grünen Punktes in begrenztem Maße Kreislaufrückführung betrieben. Während Glas und Papier recycelt und wieder verwendet werden, landet ein Großteil der Verpackungen in Verbrennungsanlagen zur thermischen Nutzung des Energiepotentials.

Gesetze wie das Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz dienen der Förderung der Kreislaufwirtschaft zur Schonung der natürlichen Ressourcen und Sicherung der umweltverträglichen Beseitigung von Abfällen.

An dieser Stelle schließt sich dann auch der Kreislauf. Das Abfallgesetz gibt der Verwertung Vorzug vor der Beseitigung, wobei unter Verwertung auch die letztendlich thermische Nutzung des Energiepotentials des Abfalls fällt.

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Aufgabenstellung

Die zunehmende Abfallmenge mit Beginn des 20. Jahrhunderts machten in erster Linie Abfallbeseitigung und auch die Abfallverwertung zu einer wichtigen Aufgabe. Die stetige Zunahme des Hausmülls brachte auch große Mengen an organischen Abfallstoffen als große Einzelfraktion mit sich. Diese bergen Entsorgungsprobleme vor allem bei der thermischen Abfallverwertung aufgrund des hohen Wassergehaltes.

Aber nicht nur im privaten Bereich fallen größere Mengen an organischen Abfällen an, auch im gewerblich/industriellen und vor allem im landwirtschaftlichen Bereich sind die Mengen nicht unerheblich.

Zunächst stand die aerobe Behandlung der organischen Bestandteile des Abfalls im Vordergrund, welche jedoch mit Einschränkungen nur für strukturstarke und verhältnismäßig trockene Abfälle angewendet werden kann und nur die Nutzung des entstehenden Kompostes ermöglicht. Zudem gerät die Menge an abnehmbarem Kompost an seine Grenzen, so dass neue Wege der Nutzung des organischen Abfallpotentials eingeschlagen werden müssen.

Die anaerobe Behandlung von organischen Abfällen fand im landwirtschaftlichen Sektor seinen eigentlichen Beginn und Verbreitung. Besonders das durch die Massentierhaltung entstandene Gülleproblem, zwang die Bauern zu einem Umdenken. Das Prinzip der anaeroben Behandlung stammt aus der Abwasserreinigung. Das Ziel war zunächst in erster Linie die Gülle so zu behandeln, dass hinsichtlich Geruch und Aggressivität des Güllesubstrates eine erhebliche Verbesserung erzielt wurde. Das Biogas wurde in erster Linie verbrannt und als Wärmelieferant genutzt. Heute steht, gestützt durch das EEG, die Verstromung und Stromeinspeisung des Biogases im Vordergrund. Aufgrund der Speicherbarkeit der Biomasse ist insbesondere die Produktion von Energie im Grundlastbereich möglich.

Auch organische Abfälle aus anderen Bereichen werden heute anaerob behandelt. Die Erwartungen im Gegensatz zur Kompostierung sind dabei in erster Linie die Energiegewinnung, aber auch ein geringerer Platzbedarf und Verminderung von Geruchsemissionen. Zudem können vor allem feuchte und strukturschwache organische Abfallstoffe verwertet werden, was eine Reduktion des Abfallvolumens mit sich bringt.

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Heute gibt es verschiedene Verfahren zur Vergärung organischer Abfälle, die entsprechend den Abfalleigenschaften angepasst werden.

Für diese Diplomarbeit hat sich die Aufgabe gestellt, dass Potential von Brauereireststoffen abzuschätzen, mögliche Verfahren zur Vergärung aufzuzeigen und die Wirtschaftlichkeit zu kalkulieren.

Die aktuelle Situation ist hinsichtlich Abfallaufkommen und Energieerzeugung dargestellt, wobei die Potentiale der organischen Abfälle und dem daraus erzeugbaren Biogas mittels Vergärung genauer in Betracht gezogen werden.

Die Verwertung organischer Abfälle durch Fermentation wird hinsichtlich des Verfahrens sowie der Möglichkeiten der Verfahrenstechnik und der Betriebsführung aufgezeigt.

Für die Nutzung des Biogases gibt es ein relativ großes Anwendungsspektrum, in welches an dieser Stelle ein Einblick gegeben wird. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Nutzung in Blockheizkraftwerken.

Einen Einblick in die rechtlichen Rahmenbedingungen geben die gesetzlichen Grundlagen, welche entsprechend der Konsequenzen bezüglich der Vergärung von Brauereireststoffen grob angepasst wurden.

Die Grundlage für die Kalkulation der Wirtschaftlichkeit bildet eine Datenerhebung bei verschiedenen Brauereien Deutschlands hinsichtlich ihres Reststoff- und Abfallaufkommens sowie Energiebedarf, Art der Wärmeerzeugung und des eingesetzten Brennstoffes bezogen auf die Jahresbierproduktion.

Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung baut auf der Datenrecherche sowie auf der Berechnung der theoretisch nutzbaren Biogasmenge auf. Weiterhin werden auch die Möglichkeiten von Förderungen aufgezeigt.

16

1 Grundlagen

1.1 Biomasse

Die Grundlage für die Bildung von Biomasse ist die Photosynthese. Die Umsetzung der Sonnenenergie in Biomasse ist für die Biosphäre eine der wichtigsten Energieumwandlungen, da ohne die Produktion von Pflanzen keine Nahrungsgrundlage vorhanden wäre. Die in der organischen Substanz enthaltene biochemische Bindungsenergie beruht auf der Fähigkeit der Pflanzen, die eingestrahlte Lichtenergie der Sonne durch Photosynthese in biochemische Energie umzuwandeln. Aus energiearmen Grundsubstanzen wie Bodenminerale, Wasser und das Kohlendioxid der Luft werden energiereiche Stoffe, die Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff. Mit Hilfe von Farbstoffen, hauptsächlich Chlorophyll, wird das Licht absorbiert und in energiereiche biochemische Bindungen übertragen. Die Photosynthese wird durch folgende Reaktionsgleichung ausgedrückt:

Als erste Produkte entstehen Einfachzucker und Sauerstoff. Aus diesem Zucker werden anschließend durch Aufnahme und Umformung weitere Stoffwechselprodukte gebildet. Diese Stoffwechselprodukte bilden die Biomasse.

0,1 % der weltweit eingestrahlten Sonnenenergie wird in der Photosynthese zur Erzeugung

von Biomasse verwendet. Dies entspricht einer Energiemenge von 200 Milliarden Tonnen Steinkohleeinheiten (SKE) pro Jahr. Der gesamte Weltenergieverbrauch durch die Menschen beträgt nur einen Bruchteil dieser Energiemenge, 11,7 Milliarden Tonnen Steinkohleeinheiten pro Jahr. [01]

Heute bezeichnet man als energetisch nutzbare Biomasse alle pflanzlichen und tierischen Stoffe sowie deren Umwandlungsprodukte und organischen Abfälle, die für die Energiegewinnung geeignet sind. Prinzipiell unterscheidet man zwischen primärer und sekundärer Biomasse. Während die primäre Biomasse durch die direkte Ausnutzung der Sonnenstrahlen entsteht, wie z.B. in Form von nachwachsenden Rohstoffen, versteht man unter dem Begriff der sekundären Biomasse die energetisch nutzbaren pflanzlichen, tierischen und menschlichen Reststoffe bzw. Abfälle.

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1.2 Abfall

Dieser Abschnitt soll einen kurzen Einblick über Art und Zusammensetzung sowie Aufkommen und Entsorgung von Abfällen im Allgemeinen geben.

Definition Abfall laut KrW-/AbfG:

Abfälle sind alle beweglichen Sachen, die unter die in Anhang 1 zum KrW-/AbfG (Abschnitt 4.2.1) aufgeführten Gruppen fallen und deren sich ihr Besitzer entweder entledigt, entledigen will oder entledigen muss.

1.2.1 Abfallaufkommen

Grundsätzlich können Abfälle eingeteilt werden in Abfälle zur Verwertung und Abfälle zur Beseitigung. Abfälle fallen in Form von Wertstoffen, Bioabfällen, Reststoffen und besonders überwachungsbedürftigen Abfällen an. Besonders überwachungsbedürftige Abfälle sind Sonderabfälle, die aufgrund ihrer hohen Schadstoffbelastung besondere Anforderungen an eine sichere Endablagerung stellen. Sonderabfälle fallen zum größten Teil auf dem gewerblich/industriellen Sektor an. Reststoffe sind Abfälle die zu beseitigen sind und neben der getrennten Wertstofferfassung anfallen. Alle Abfälle zur Beseitigung sind überwachungsbedürftig und es werden besondere Anforderungen an diese Abfälle gestellt. Abfälle die einer Verwertung zugeführt werden, sind grundsätzlich nicht überwachungsbedürftig. Die Tabelle 1.1 gibt eine Aufstellung über das Abfallaufkommen in Deutschland.

Die Zuordnungskriterien für die Verwertung von Abfällen sind in der TASi unter Punkt 4.1 (Abschnitt 4.2.2) festgelegt. Dort ist beschrieben, dass Abfälle der Verwertung zuzuordnen sind, wenn

• dies technisch möglich ist,

• die hierbei entstehenden Mehrkosten im Vergleich zu anderen Verfahren der Entsorgung nicht unzumutbar sind,

• für die gewonnenen Produkte ein Markt vorhanden ist oder insbesondere durch Beauftragung Dritter geschaffen werden kann und

• sich die Verwertung insgesamt vorteilhafter auf die Umwelt auswirkt als andere Entsorgungsverfahren.

18

Tabelle 1.1: Abfallaufkommen (1000 t)*

Abfallaufkommens ausgerichtet. Erfasst werden seit 1996 in erster Linie bei den Betreibern von Abfallanlagen

die jeweils eingesetzten Abfallmengen. Dieses Berechnungsverfahren versucht eine Darstellung des

19

Abfallaufkommens Doppelerfassungen, die bei der Addition der einzelnen Erhebungsbereiche zwangsläufig entstehen, wurden herausgerechnet, lassen sich aber nicht gänzlich vermeiden.

Durch die Umstellung auf den Europäischen Abfallartenkatalog (EAK) ab Berichtsjahr 1999 ergeben sich mehr mögliche Abfallschlüssel auch im Bereich der Siedlungsabfälle, weshalb sich die Mengen innerhalb der genannten Positionen verschoben haben und weitere, nicht explizit genannte Positionen entstanden sind, die hier zum Beispiel unter 'andere Haushaltsabfälle' subsumiert sind.

¹ Hamburg teilweise geschätzt

² vorläufige Zahlen

³ Schätzungen

Quelle: Statistisches Bundesamt Deutschland März 2003 [02]

1.2.2 Abfallentsorgung

Die Grundsätze und Pflichten für die Erzeuger, Besitzer und Entsorger von Abfällen sind im §4 KrW-/AbfG (Abschnitt 4.2.1) festgelegt.

Abfälle sind

1. in erster Linie zu vermeiden, insbesondere durch die Verminderung ihrer Menge und

Schädlichkeit,

2. in zweiter Linie

a) stofflich zu verwerten oder

b) zur Gewinnung von Energie zu nutzen (energetische Verwertung).

Die Verwertung von Abfällen hat Vorrang vor deren Beseitigung, mit der Ausnahme, dass die Beseitigung die umweltverträglichere Lösung darstellt. Die Tabelle 1.2 zeigt die zur Verwertung und Beseitigung bestimmten Mengen an Siedlungsabfällen.

20

Tabelle 1.2: Behandlung und Beseitigung von Siedlungsabfällen in Tsd. t

² vorläufige Angaben

³ geschätzt

Quelle: Statistisches Bundesamt Deutschland Februar 2003 [02]

Eine Voraussetzung für eine sinnvolle Abfallentsorgung und Verwertung ist die getrennte Sammlung von Wertstoffen. Aus diesem Grund werden sowohl im häuslichen als auch im gewerblichen Bereich Abfälle wie folgt gesammelt und entsorgt:

Hausmüll: Bioabfall zur Kompostierung oder Biogaserzeugung Wertstoffe zur stofflichen oder energetischen Verwertung

Restmüll zur Beseitigung Gewerblich/industrieller Abfall: Bioabfall

Außerhalb des gewerblich/industriellen Bereiches werden die Abfälle zur Verwertung wie folgt gesammelt:

• Altglas • Altpapier, Altpappe

• Altkunststoff • Altmetall

• Bauabfall • Bioabfall

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Im gewerblich/industriellen Bereich gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten bei denen Abfälle einer Verwertung zugeführt werden können, wie z.B.:

• Verbrauchte Lösungsmittel

• Fehlchargen der Produktion

• Altöl

• Bioabfälle aus der Lebensmittelbe- und -verarbeitung

• Landwirtschaftliche Reststoffe

Die Tabelle 1.3 gibt einen groben Einblick in die Aufteilung der Anlagen zur Abfallentsorgung in Deutschland.

Tabelle 1.3: Abfallentsorgung in Anlagen der Entsorgungswirtschaft1 in Mio. t

² Ohne Hamburg

³ Chemisch-physikalische Behandlungsanlagen, Shredderanlagen, Biologisch-mechanische Aufbereitungsanlagen, Bodenbehandlungsanlagen, sonstige Behandlungsanlagen Quelle: Statistisches Bundesamt Deutschland Oktober 2000 [02]

Zu den Anlagen der Entsorgungswirtschaft zählen:

• Hausmülldeponie (HMD) • Sonderabfalldeponie (SAD)

• Untertagedeponie (UTD) • Monodeponie (MD)

• Chemisch-physikalische Behandlungsanlagen • Hausmüllverbrennung (HMV)

• Sonderabfallverbrennung (SAV) • Bodenbehandlungsanlagen

• Biologische Behandlungsanlagen • Recyclinganlagen

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Als Verfahren für die biologische Abfallverwertung kommen die Kompostierung und die Vergärung zum Einsatz.

1.2.3 Organische Abfälle

Fraktionen organischer Abfälle sind:

• tierische und pflanzlich Abfälle aus der Landwirtschaft (Dung, Gülle, Getreide-, Obst-und Gemüserückstände)

• organische Hausabfälle - Bioabfall

• organische Abfälle aus der gewerblich/industriellen Fertigung (Lebensmittelindustrie, holzver- und -bearbeitende Unternehmen, …)

• Klärschlamm

• Organische Bestandteile in Deponien

Ziel der Verwertung organischer Abfälle ist die Reduzierung der zu beseitigenden Abfälle sowie die Nutzung des Energiepotentials in Form von biogenen Brennstoffen. Die Verfahren, die dafür zum Einsatz kommen, sind in Abschnitt 2 Verwertung von organischen Abfällen näher beschrieben.

Nicht nur organische Abfälle werden zur Energiegewinnung genutzt. Auch der Einsatz nachwachsender Rohstoffe, besonders auf dem Gebiet der Forstwirtschaft, besitzt bereits einen großen Anteil bezüglich der Nutzung biogener Brennstoffe, wie nachfolgend deutlich wird.

1.3 Nutzung biogener Brennstoffe

In Deutschland erfolgt die biogene Wärme- und Strombereitstellung zu über 65 % durch die Verbrennung von Brennholz und Waldrestholz, gefolgt von Industrierestholz und Altholz. Rund 14 % der Energie wird durch den Einsatz von flüssigen und gasförmigen Bioenergieträgern bereitgestellt.

23

Grundsätzlich wird unterschieden zwischen festen und gasförmigen Bioenergieträgern. Unter festen Bioenergieträgern werden Industrierestholz, Altholz, Waldholz sowie Rückstände aus der Landwirtschaft subsumiert, die vorzugsweise im Rahmen von Verbrennungstechnologien zur Wärme- und/oder Strombereitstellung eingesetzt werden. Unter gasförmigen Bioenergieträgern werden sämtliche Substrate erfasst, die primär zur Gewinnung von Biogas Verwendung finden können.

Abbildung 1.1: Nutzung biogener Brennstoffe Deutschland

Quelle: Statistisches Bundesamt Deutschland 2002 [02]

Aufgrund der ausgeglichenen CO 2 -Bilanz wird die Strom- und Wärmeerzeugung aus biogenen Brennstoffen als regenerative Energiequelle angesehen. Betrachtet man die Stromerzeugung auf dem Gebiet der regenerativen Energien stellt sich heraus, dass die biogenen Brennstoffe in diesem Bereich noch eine eher untergeordnete Rolle spielen (Abbildung 1.3). Trotz des geringen Anteiles hat die Entwicklung der Stromerzeugung aus Biomasse in den letzten 10 Jahren stetig zugenommen (Abbildung 1.2). Einen großen Beitrag leisten die biogenen Brennstoffe auf dem Gebiet der Wärmeerzeugung (Abbildung 1.4).

Im Vergleich aller Energieträger, die zur Stromerzeugung genutzt werden, zeigt sich jedoch, dass die biogenen Brennstoffe noch keine Rolle spielen (Abbildung 1.5).

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Abbildung 1.2: Entwicklung der Stromerzeugung aus Biomasse

Quelle: BIZ [03]

Tabelle 1.4: Stromeinspeisung erzeugt aus Biomasse im Jahr 2000

nach verschiedenen Bioenergieträgern; Erfasst ist nur der Anteil des Stroms, der ins Netz eingespeist wurde) Quelle: BIZ: VDEW 2002 [03]

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Die Hauptstromerzeugung aus regenerativen Energien findet auf dem Gebiet der Wasserkraft mit 53 % und Windenergie mit 38 % statt. Die technischen Potentiale der Wasserkraft zur Stromerzeugung werden bereits heute fast vollständig genutzt. Dagegen weisen alle anderen regenerativen Energien noch große Umsetzungspotentiale auf (Abschnitt 1.4).

Abbildung 1.3: Regenerative Energien zur Stromerzeugung: Nutzung im Jahr 2001 Quelle: BIZ: BMU 2002, IE 2002 [03]

Knapp 90 % der Wärmenutzung aus regenerativen Energien leisten derzeit biogene Festbrennstoffe (hauptsächlich Holz).

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Anmerkung: Nutzwärme frei Anlagenausgang

Abbildung 1.4: Regenerative Energien zur Wärmebereitstellung: Nutzung im Jahr 2001 Quelle: BIZ: BMU 2002; IE 2002 [03]

Bei der Stromerzeugung aus allen Energiequellen dominieren die fossilen Energieträger mit einem Anteil von über 60 %, gefolgt von der Kernenergie, die einen Anteil von ca. 30 % an der Stromerzeugung besitzt. Die regenerativen Energien tragen derzeit nur zu ca. 7,25 % zur Strombereitstellung bei.

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