Beschreibung der Gesamtinitiative

„Energie System 2050“ ist eine gemeinsame Initiative der Helmholtz-Zentren des Forschungsbereichs Energie. Ziel ist es, bis 2019 greifbare und verwertbare systemtechnische Erkenntnisse und technologische Lösungen zu erarbeiten, die Politik und Wirtschaft aufgreifen können. Die Initiative untersucht die Integration von wesentlichen Technologieelementen in das Energiesystem und deren Vernetzung. Es werden Lösungen erarbeitet, um die teilweise stark fluktuierenden erneuerbaren Energien erfolgreich in die deutsche und europäische Energieversorgung einzubinden. Mit fünf ausgewählten Forschungsthemen (FT) adressiert sie grundlegende Herausforderungen der Energiewende:

1. Speicher und Netze
2. Biogene Energieträger
3. Energie- und Rohstoffpfade mit Wasserstoff
4. Lebenszyklusorientierte Nachhaltigkeitsanalyse auf Systemebene
5. Toolbox mit Datenbanken

Beschreibung des Forschungsthemas 4: Lebenszyklusorientierte Nachhaltigkeitsanalyse auf Systemebene

Um die Energiewende erfolgreich fortzuführen und zu vollenden, ist es wichtig, technisch-naturwissenschaftliche, ökologische, ökomische und soziale Aspekte der Transformation frühzeitig und umfassend zu analysieren und in das Vorgehen einzubeziehen. In Forschungsthema 4 wird eine gemeinsame Methode für die Nachhaltigkeitsbewertung von Technologien entwickelt. Diese Methode besteht aus den Elementen Life Cycle Costing (LCC) und Life Cycle Assessment (LCA) sowie einer Bewertung anhand sozialer Indikatoren (Abbildung 1). Mit der Methode werden in drei Forschungsthemen beispielhaft drei Fallstudien bewertet (FT 4.2, 4.3, 4.4). Die Erkenntnisse und Ergebnisse aus den Fallstudien bilden die Grundlage für eine Nachhaltigkeitsbewertung auf Systemebene (FT 4.1).

Unter nachfolgenden Links werden die Forschungsthemen 4.1 bis 4.4 näher erläutert:

FT 4.1: Methodenentwicklung zur Nachhaltigkeitsbewertung auf Systemebene – DLR
FT 4.2: Speicher und Netze – KIT-ITAS
FT 4.3: Biogene Energieträger – KIT-ITAS
FT 4.4: Pfadanalyse Wasserstoff – FZJ-IEK

Beschreibung Forschungsthema 4.3: Fallstudie „Biogene Energieträger“

In diesem Forschungstema wird auf Basis der Erkenntnisse in FT 2 „Biogene Energieträger“ eine Nachhaltigkeitsanalyse der thermochemischen Umwandlung von Biomasse (Bioliq-Prozesskette) durchgeführt.

Ausgehend von einem fiktiven industriellen Standort und unter Berücksichtigung der Verfügbarkeit geeigneter Biomassearten wird zunächst eine wirtschaftliche Auslegung der Komponenten der Bioliq-Prozesskette zur Herstellung flüssiger Kraftstoffe und Chemikalien durchgeführt. Grundlage für die Auslegung der Komponenten als auch für die darauf aufbauende Investitions- und Kostenschätzung stellt die Modellierung der Stoff- und Energieströme der Prozesskette dar. Darüber hinaus wird, als Grundlage für die ökologische Bewertung, unter Einsatz der Software openLCA in Verbindung mit der Datenbank ecoinvent, ein Lebenszyklusinventar entlang der gesamten Wertschöpfungskette erstellt.

Für die Bioliq-Prozesskette werden folgende Prozessschritte zur Herstellung flüssiger und gasförmiger Kraftstoffe betrachtet: Biomasse-Zerkleinerung und -Trocknung, Pyrolyse, Vergasung, Gasreinigung/-konditionierung, Methanisierung, DME-/FT-Synthese (siehe Abbildung 2). Zusätzlich werden die gasförmigen Bestandteile aus der DME-/FT-Synthese einem GuD-Prozess zugeführt und das Pyrolysegas wird in einer Brennkammer verbrannt (siehe Abbildung 2). Der GuD-Prozess und die Verbrennung des Pyrolyse-Gases dienen vornehmlich der Deckung des internen Bedarfes an elektrischer Energie und Wärme. Für die Nutzung von Wärme und Strom, die nicht zur Deckung der systeminternen Prozesse benötigt wird, sollen verschiedenen Pfade analysiert werden. Zum einen wird die Nutzung durch einen direkten Wärme- und/oder Stromabnehmer und zum anderen die Einspeisung in ein Nah-/oder Fernwärmenetz bzw. ins Stromnetz betrachtet. Darüber hinaus werden Varianten für einen flexiblen Betrieb und zur gekoppelten großtechnischen Herstellung von Chemikalien (Kraftstoffen), Wärme und elektrischem Strom auf Basis der modellierten Stoff- und Energieströme untersucht. Ausgangspunkt für die Untersuchung dieser Varianten stellen die in der Abbildung 2 gekennzeichneten optionalen Stoffströme dar.

Durch die Ermittlung ökonomischer, ökologischer und sozialer Indikatoren für die unterschiedlichen Varianten und den Vergleich des Prozesses / des Systems mit Referenzprozessen/-systemen werden Aussagen zur Nachhaltigkeit des untersuchten Bioenergiesystems getroffen.