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1 Wie umweltfreundlich ist die Energie aus - Bernhard Zimmer

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Wie umweltfreundlich ist die Energie aus Waldhackgut?
Welcher Beitrag zum Klimaschutz ist damit verbunden?
FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer
Leiter Forschung und Entwicklung.
Fachbereichsleiter Holztechnologie & Ökolgie
Fachhochschule Salzburg GmbH
Markt 136a; A-5431 Kuchl
bernhard.zimmer@fh-salzburg.ac.at
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Holz als Energiequelle
o Scheitholz
o Holzbriketts
o Hackschnitzel
o Holzpellets
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
1
Zusammenhang von Heizwert, Brennwert und Energiemenge in
einem kg Holztrockenmasse bei unterschiedlichem Wassergehalt
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Heizwert
Heizwerte in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Hackschnitzel bezogen auf die Gesamtmasse sowie die darin enthaltene Trockenmasse für Nadel- und Laubholz
(Wittkopf 2005, S. 29)
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
2
Was ist Waldhackgut ?
Waldhackschnitzel
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Sägerestholz - Hackgut
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
3
Sägerestholz – Hackgut – Stoffliche Verwertung
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Waldrestholz – Was wird genutzt?
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
4
Wie umweltfreundlich ist die Energie aus Waldhackgut?
9 im Vergleich zu fossilen Energieträgern ?
( Öl, Gas, Kohle, … )
9 im Vergleich zu anderen regenerativen Energieträgern ?
( Wind, Wasser, Sonne, … )
9 im Vergleich zu Energie aus anderen Holzsortimenten ?
(Restholzsortimente, Gebrauchtholz, … )
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Waldhackgut: Umweltwirkungen – Problemkreise
¾ Einsatz bzw. Verbrauch von Primärenergie
¾ Emissionen aus der Verbrennung ( z.B. Feinstaub, …)
¾ Reststoffe ( Asche, Filterasche, … )
¾ Flächenverbrauch – Naturraumbeanspruchung
( Qualität der Bewirtschaftung, Nährstoffe, … )
¾ Flächenkonkurrenz (z.B. Energie – Nahrungsmittel)
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5
Methoden der ökologischen Bewertung
¾ Zertifizierung (von Materialien und Produkten)
¾ Ökologische Fussabdruck
¾ Materialintensitäts-Analyse (MIPS, FIPS)
¾ LCA – Life Cycle Assessment (produktbezogene Ökobilanz)
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Was ist eine produktbezogene Ökobilanz ?
Eine produktbezogene Ökobilanz (LCA) ist
eine ökologisch bewertete Stoff- und Energieflussanalyse
über den gesamten Lebensweg eines Produktes,
wobei der Begriff "Produkt" grundsätzlich auch auf Dienstleistungen
ausgedehnt und erweitert werden kann.
Ökonomische und soziale Aspekte des Produktsystems werden im
engeren Rahmen einer Ökobilanz nicht berücksichtigt.
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6
Der Lebensweg eines Produktes (mit Recycling)
Ro h s t o f f
Rohstoff
Recycling
Energet ische
Nutzung
Pr o d u k t her st el l ung
Produktherstellung
Kompostierung
(biolog. Abbau)
Nu t z u n g
des
Pr o d u k t e s
Deponie
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Energie aus Waldhackgut
Forstwirtschaft
Herstellen von
Waldhackgut
Transport - Hackgut
Energieerzeugung
Strom
Asche
Wärme
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7
Methodischer Rahmen nach internationalen Normen
DIN EN ISO 14.040 (08:1997; 2006):
Umweltmanagement - Ökobilanz - Prinzipien und allgemeine Anforderungen
DIN EN ISO 14.041 (11:1998):
Umweltmanagement - Ökobilanz – Festlegung des Ziels und des Untersuchungsrahmens sowie
Sachbilanz
DIN EN ISO 14.042 (07:2000):
Umweltmanagement - Ökobilanz - Wirkungsabschätzung
DIN EN ISO 14.043 (07:2000):
Umweltmanagement - Ökobilanz – Auswertung
DIN EN ISO 14.044 (2006):
Umweltmanagement – produktbezogene Ökobilanz
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Bestandteile einer Ökobilanz
Festlegung des Zieles
und Untersuchungsrahmens
Anwendung
Auswertung
Sachbilanz
Entwicklung und
Verbesserung von
Produkten
Strategische Planung
Politische
Entscheidungsprozesse
Marketing
Wirkungsabschätzung
Sonstige
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8
Sachbilanz
(ein Beispiel)
Sonnenenergie
Kohlendioxid
Sauerstoff
Ou tput
Input
Forstliche Produktion
Energie,
fossil
..................
Deutschland
Schnittholzherstellung
Erfassung aller Input- und
Outputströme
Em i s s i o n ,
gas förm ig
..................
Herstellung von Spänen
aus Rundholz
Energie,
rege nerati v
Produktion von Holz-Dämmstoffen
Em i s s i o n ,
– Energie
Wa s s e r
Hobelspäne
Spezial Dämmstoffspäne
Holzfaserstoff
f lüss ig
.............
Bet riebsst off
– Betriebsstoffe
Einbringung der Dämmstoffe
Stationäre Einbringung (im Werk)
Mobile Einbringung (Baustelle)
..................
– Hilfsstoffe
Emissi on,
f es t
– Emissionen aller Art
Nutzungsphase
Hilf sstof f
..................
..................
..................
Wa s s e r
Ausbau und Demontage
A b wä r m e
Verwertung
thermisch / stofflich
Verwendung
Lärm
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Wirkungsabschätzung
am Input orientierte Wirkungskategorien
– Primärenergieeinsatz
– Ressourcenverbrauch
– Naturraumbeanspruchung (land use)
am Output orientierte Wirkungskategorien
– Global Warming Potential (GWP100)
– Ozonabbaupotential
– Versauerungspotential
– Eutrophierungspotential
– Ökotoxizität
– Humantoxizität
– ...
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9
Forstwirtschaft - Kuppelproduktion
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Holz - Zusammensetzung
Eine Tonne Holzatro:
– 500 kg Kohlenstoff
– 430 kg Sauerstoff
–
60 kg Wasserstoff
–
10 kg andere Elemente
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10
Holzbildung durch Photosynthese
Photosynthese:
6 CO2 + 12 H2O
→
C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
Modellrechnung
zur Berechnung der Massenströme beim Aufbau von Holz:
8,4 CO2 + 12 H2O → C8,4H12O5,4 + 8,7 O2 + 6 H2O
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Sachbilanz der Photosynthese
Kohlendioxid
1851 kg
Sonnenenergie
19100 MJ
Wasser
Wasser
1082 kg
Holzproduktion
durch
Photosynthese
Wasser
541 kg
Sauerstoff
1392 kg
Nährelemente
N, P, K, Mg, Ca
Holzmasse atro
(Nadelholz)
1000 kg
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
11
Forstliche Produktion
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Darstellung der Volumina [Srm] sowie der Kohlendioxid-Inputs im Modul „biologische
Produktion“ bezogen auf jeweils einen Heizwert von einer MWh.
Nadelholz
Mix
Laubholz
1,27
356
0,98
364
0,90
370
1,34
377
1,04
384
0,95
393
1,46
410
1,13
419
1,04
428
Wassergehalt 0%:
Volumen [Srm/MWh]
Kohlendioxid [kg/MWh]
Wassergehalt 30%:
Volumen [Srm/MWh]
Kohlendioxid [kg/MWh]
Wassergehalt 50%:
Volumen [Srm/MWh]
Kohlendioxid [kg/MWh]
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12
Energie aus Waldhackgut – Ökologische Bewertung
Forstwirtschaft
Herstellen von
Waldhackgut
Transport - Hackgut
Energieerzeugung
Strom
Forstwirtschaft + Energieplantagen
div. Ernte- und Bereitstellungsverfahren
Mobile und stationäre Hackung
Diverse Transportketten und -mittel
Asche
Wärme
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ZiB2
Holzernte - motormanuell
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
13
Folie 26
ZiB2
Bernhard Zimmer; 22.07.2009
ZiB1
Holzernte - mechanisiert
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Bündeln von Schlagabraum
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
14
Folie 27
ZiB1
Bernhard Zimmer; 22.07.2009
Hacken
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Hacken
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
15
Zentrales Holzlogistikzentrum
Anlieferung
aus dem Forst
Holz-Logistik-Zentrum
Übernahme
Lagerung
Hacken
Lagerung
(Gewicht)
Rohholz
(stationär)
Hackschnitzel
Anlieferung
Kraftwerk
zum Kraftwerk
am Standort
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Transport mit Schlepper
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
16
LKW-Transporte
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Bahntransport – moderne Logistik
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
17
Biomasseheiz(kraft)werk
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Energie aus
Biomasse in Bayern
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
18
Spezifischer Energieverbrauch für den Transport von Waldhackschnitzeln
mittels Schlepper (15m³-Anhänger) in kWh pro MWh Energieinhalt
dargestellt für verschiedene Wassergehalte und Dieselverbräuche pro
Stunde in Abhängigkeit von der Entfernung.
160
Energieverbrauch[kW
h/MW
h]
140
MIX-30%-15Srm-16l/h
MIX-50%-15Srm-16l/h
MIX-30%-15Srm-26l/h
MIX-50%-15Srm-26l/h
120
100
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Entfernung [km ]
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Ferntransporte
350
300
MIX-50%-15Srm-16l/h
MIX-50%-15Srm-26l/h
MIX-30%-LKW-45Srm
MIX-50%-LKW-35Srm
MIX-50%-LKW-45Srm
MIX-30%-LKW-100Srm-Fernverkehr
MIX-30%-LKW-100Srm-Nahverkehr
MIX-50%-LKW-100Srm-Nahverkehr
MIX-50%-LKW-100Srm-Fernverkehr
MIX-30%-Bahn
Energieverbrauch [kW h/M W h]
MIX-50%-Bahn
250
200
150
100
50
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Entfernung [km]
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
19
Einsatz von Primärenergie in den einzelnen Szenarien in
Prozent de im jeweiligen Hackschnitzel-Sortiment
enthaltenen nutzbaren Energie (Hu).
Szenario
LH-30%
[% von Hu]
MIX-30%
[% von Hu]
MIX-50%
[% von Hu]
NH-50%
[% von Hu]
Kleinprivatwald – Waldrestholz
4,2
4,6
5,0
6,5
Profi - Waldrestholz
1,6
1,8
1,9
2,5
Profi mit Zwischenlager im Wald
1,8
1,8
2,0
2,5
Profi mit Holzlogistik-Zentrum
1,4
1,5
1,7
2,1
Feller-Buncher - Vollbaumnutzung
1,8
1,9
2,1
2,6
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Einsatz von Primärenergie für die gemischten Waldhackschnitzel-Sortimente in den
einzelnen Szenarien in kWh pro MWh (Hackschnitzel). Deutlich wird der Einfluss des
Wassergehaltes.
Primärenergie-Einsatz [kWh/MWh]
60
50
40
30
20
10
0
MIX-30% MIX-50% MIX-30% MIX-50% MIX-30% MIX-50% MIX-30% MIX-50% MIX-30% MIX-50%
KleinprivatwaldWaldrestholz
Transport 2
22,9
25,0
Profi-Waldrestholz
6,3
6,9
Transport 1
Profi mit
Zwischenlager im
Wald
2,8
3,1
3,8
4,2
Profi mit Holzlogistik- Feller-Buncher Zentrum
Vollbaumnutzung
2,8
3,1
2,8
3,1
Hacken
11,8
12,9
4,1
4,5
3,3
3,6
3,3
3,6
3,3
3,6
Rücken
6,9
7,5
3,0
3,2
2,6
2,9
3,5
3,8
6,9
7,5
Holzernte
4,3
4,7
4,3
4,7
5,5
6,0
5,5
6,0
5,5
6,4
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
20
Einsatz von Primärenergie für Waldhackschnitzel-Sortimente in den einzelnen
Szenarien in kWh pro MWh (Hackschnitzel) dargestellt für die wesentlichen Prozesse.
Deutlich wird der Einfluss der Holzarten
70
Primärenergie-Einsatz [kWh/MWh]
60
50
40
30
20
10
0
LH-30%
NH-50%
LH-30%
KleinprivatwaldWaldrestholz
21,1
T ransport 2
NH-50%
Profi-Waldrestholz
32,3
5,8
8,9
T ransport 1
LH-30%
NH-50%
Profi mit
Zwischenlager im
Wald
2,6
4,0
3,5
5,4
LH-30%
NH-50%
LH-30%
Profi mit HolzlogistikZentrum
NH-50%
Feller-Buncher Vollbaumnutzung
2,6
4,0
2,6
4,0
Hacken
10,9
16,6
3,8
5,8
3,0
4,7
3,0
4,7
3,0
4,7
Rücken
6,3
9,7
2,7
4,2
2,4
3,7
3,2
4,9
6,9
9,7
Holzernte
3,9
6,0
3,9
6,0
5,1
7,8
5,1
7,8
5,1
7,8
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Einsatz von Primärenergie [kWh] pro MWh bereitgestellter Brennstoff (MIX-50%) für das Szenario
„Kleinprivatwald – Waldrestholz“. Dargestellt ist auch die im Holz gespeicherte, technisch
nutzbare Sonnenenergie (Hu) sowie die Verluste durch Lagerung. Der Wirkungsgrad des
Kraftwerkes wurde mit 80% angenommen.
[kWh/MWh]
1000
Produktion
Energie
inkl.
Wirkungsgrad
Saldo Energie mit Lagerung (6 Mon.)
Saldo Energie mit Lagerung (3 Mon.)
Saldo Energie ohne Lagerung
Lagern (6 Mon.)
Lagern (3 Mon.)
Transport 2
-200
Transport 1
0
Summe
Primärenergie
Hacken
200
Rücken
400
Szenario:
"Kleinprivatwald" - MIX-50%
Holzernte
600
Solare Energie - Photosynthese
800
-400
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
21
Einsatz von Primärenergie [kWh] pro MWh bereitgestellter Brennstoff (MIX-30%) für das Szenario
„Profi – mit Holzlogistik-Zenztrum“. Dargestellt ist auch die im Holz gespeicherte, technisch
nutzbare Sonnenenergie (Hu) sowie die Verluste durch Lagerung. Der Wirkungsgrad des
Kraftwerkes wurde mit 80% angenommen
[kWh/MWh]
1000
Produktion
Energie
inkl.
Wirkungsgrad
900
300
200
Summe
Primärenergie
-200
Lagern (3 Mon.)
Transport 1
-100
Transport 2
Hacken
Holzernte
0
Rücken
100
Saldo Energie mit Lagerung (6 Mon.)
400
Szenario:
"Profi mit Holzlogistik-Zentrum" - MIX-30%
Saldo Energie mit Lagerung (3 Mon.)
500
Saldo Energie ohne Lagerung
600
Lagern (6 Mon.)
700
Solare Energie - Photosynthese
800
-300
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Treibhauspotenzial – GWP100
500
-200
-300
Summe-GWP100
Transport 2
Hacken
Saldo
GWP100
SubstitutionvonHeizöl
-100
Rücken
0
Holzernte
100
Transport 1
200
Gutschrift für
Szenario:
"Kleinprivatwald" - MIX-50%
C-SpeicherungdurchPhotosynthese
[kgCO2-ÄquivalenteproMWhBrennstoff]
300
VerbrennungWaldhackschnitze
400
-400
-500
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
22
Schlußfolgerungen
9 Die Bereitstellung von Waldhackschnitzeln verfügt über eine sehr hohe
Energieeffizienz. Eine Erhöhung der Produktivität führt auch zu einer
Verbesserung der Energiebilanzen.
9 Transporte verschlechtern die Energiebilanzen. Je größer die
Entfernung umso höher der Energieverbrauch, diese Aussage stimmt
nur dann, wenn das Transportmittel dasselbe ist. In der Regel werden
aber für größere Entfernungen leistungsfähigere Transportsysteme
eingesetzt.
9 Heizkraftwerke im oberen Leistungsbereich (>20MW) sollten über einen
Gleisanschluss verfügen, denn die Transportentfernungen werden sich
aufgrund der steigenden Dichte der Kraftwerke gerade für diese Werke
erhöhen.
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Schlußfolgerungen
9 Brennstoffqualität und Wassergehalt haben einen großen Einfluss auf
die Ökobilanz, er ist sehr viel größer als derjenige der
Bereitstellungslogistik.
9 Unsachgemäße Lagerung der Waldhackschnitzel führt sehr schnell zu
hohen Verlusten und zu deutlich schlechteren Energiebilanzen.
9 Wärmegeführte Heizwerke und Heizkraftwerke haben bessere
Gesamtwirkungsgrade als stromgeführte und damit auch eine bessere
Ökobilanz. Der Wirkungsgrad der Feuerungsanlage beeinflusst die
Ökobilanz ebenfalls sehr viel stärker als die Bereitstellungskette.
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
23
Schlußfolgerungen
9 Die Nährstoffverluste im Wald sind in jedem Fall zu minimieren, eine
Rückführung der Nährelemente durch Ausbringung von Aschen ist
derzeit in Diskussion, hier besteht bezüglich der Ökobilanz noch
Forschungsbedarf.
9 Die Bewertung des Nutzungskonfliktes durch zukünftige Intensivierung
ist derzeit mit der Methode der Ökobilanzierung nicht befriedigend zu
lösen. Die Ansätze zur Wirkungskategorie „Naturraumbeanspruchung“
sind in Diskussion, hier müssen zusätzlich auch andere Methoden der
„Zielfindung“ und „Risikoabwägung“ eingesetzt werden.
9 Die zukünftig steigende Nachfrage nach Energie aus regenerativen
Quellen kann zu Verschiebungen der Anteile der stofflichen und
energetischen Nutzung von Holz führen. Die höchstmögliche Effizienz
durch die kaskadische Nutzung des Holzes ist anzustreben. Die
staatliche Förderung der Nutzung von Waldhackschnitzeln ist zu
hinterfragen. Es besteht weiterer Forschungsbedarf über
Lebenswegbilanzen die ökologisch optimalen Nutzungswege zu finden.
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer
Leiter Forschung und Entwicklung.
Fachbereichsleiter Holztechnologie & Ökolgie
Fachhochschule Salzburg GmbH
Markt 136a; A-5431 Kuchl
bernhard.zimmer@fh-salzburg.ac.at
© FH-Prof. Dr. Bernhard Zimmer (FH – Salzburg; Campus Kuchl)
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