M.Eng. Daniel Baumkötter
Datum des Kolloquiums: 14. Dezember 2011
In Kooperation mit: Labor für Umwelttechnik
Durch den steigenden Anteil erneuerbarer Energien ergeben sich neue Herausforderungen an die Stromnetze, da die Produktion von Strom, insbesondere bei Wind- und Sonnenenergie, ebenso wie der Bedarf starken Schwankungen unterliegt. Zum Ausgleich dieser Schwankungen wird Regelenergie benötigt, die bisher größtenteils von Gas- und Kohlekraftwerken bereitgestellt wird. Für den Umstieg auf eine vollständig regenerative Stromversorgung werden somit Lösungen für die regenerative Bereitstellung von Regelenergie benötigt.
Im Zuge der EU-Harmonisierung wird das deutsche Branntweinmonopol, als letztes deutsches Finanzmonopol im Jahr 2017 auslaufen. Dadurch ergibt sich für die landwirtschaftlichen Brennereien in Deutschland die Möglichkeit Bioethanol zur Bereitstellung von Regelenergie zu produzieren und somit eine zusätzliche Einkommensquelle für sich zu erschließen. Ethanol ist als flüssiger Energieträger gegenüber anderen erneuerbaren Energieträgern vergleichsweise einfach zu speichern und zu transportieren.
Allerdings produzieren die derzeit betriebenen Bioethanolanlagen Bioethanol primär aus zucker- oder stärkehaltigen Pflanzenkomponenten. Die dabei benötigte Prozessenergie wird zumeist aus fossilen Energiequellen zur Verfügung gestellt. Vor dem Hintergrund der noch ungenügenden Klimabilanz der heutigen Bioethanolproduktion sowie der öffentlichen Diskussion über die energetische Nutzung von Nahrungsmitteln, ist es dringend erforderlich, die Rohstoffbasis von Bioethanolanlagen auf biogene Rest- und Abfallstoffe umzustellen sowie energieautarke, integrierte Produktionsprozesse zu konzipieren.
Durch die Umstellung der Rohstoffbasis auf lignocellulosehaltige Biomasse ergeben sich veränderte Anforderungen an die Vorbehandlung gegenüber konventionellen Verfahren. Nach der mechanischen Zerkleinerung als erstem Schritt (s. Abb. 1) sind als weitere Verfahrensschritte die Dampfexplosion und die Behandlung mit verdünnten Säuren beschrieben. Wichtigster Schritt bei der Vorbehandlung ist die enzymatische Verzuckerung. Für die Fermentation der Zucker zu Alkoholen bedarf es spezieller, auf den Einsatz von Lignocellulose angepasster Hefen, die nicht nur die Glucose sondern auch die Pentosezucker Xylose und Arabinose zu Alkohol vergären.
Ein großer Vorteil dezentraler Brennereien sind die regional geschlossenen Energie- und Stoffkreisläufe. Vor diesem Hintergrund wurde die Nutzung der verbleibenden Schlempe in einer Biogasanlage zur Bereitstellung von Prozessenergie untersucht. Neben den eingesetzten Rohstoffen hat die Bereitstellung CO2-neutraler Prozessenergie den größten Einfluss auf die Nachhaltigkeit des Bioethanols. Mit einer Biogasanlage kann die benötigte Prozessenergie in Form von Strom, Heizwärme und Dampf zur Verfügung gestellt werden.
Das Konzept für die Bereitstellung von Regelenergie aus Bioethanol sieht die direkte Verwendung von Rohalkohol in Blockheizkraftwerken vor. Für die Teilnahme am Regelenergiemarkt muss sich jeder Anbieter mit seiner Erzeugungseinheit präqualifizieren. Dadurch wird die Eignung zur Bereitstellung von Regelenergie festgestellt. Zur Erreichung der Mindestangebotsgrößen ist die Zusammenfassung mehrerer Blockheizkraftwerke in einem Pool unerlässlich. Die Verwendung von Rohalkohol als Brennstoff ist in modifizierten Blockheizkraftwerken möglich. Allerdings ergeben sich gegenüber dem Dauerbetrieb solcher Anlagen teilweise neue technische Anforderungen hinsichtlich Regelbarkeit sowie Verschleiß und Wartung.
Im Verlauf der Wirtschaftlichkeitsprognose kristallisierten sich zwei Konzepte zur Bereitstellung von Regelenergie aus Blockheizkraftwerken heraus: Der Betrieb eines Notstromaggregates mit Zusatzerlösen aus der Vermarktung positiver Sekundärregelleistung und der Dauerbetrieb eines Blockheizkraftwerkes mit Abnahme der gesamten elektrischen und thermischen Energie durch den Betreiber als Eigenverbrauch und der Möglichkeit von Zusatzerlösen aus der Vermarktung negativer Minutenreserve (s. Abb. 2).
Die Entwicklung eines wirtschaftlich und energetisch konkurrenzfähigen Prozesses zur Bereitstellung von Bioethanol aus lignocellulosehaltigen Materialien schreitet voran. Es besteht jedoch noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf bei der Umsetzung des Prozesses in einen großtechnischen Maßstab. Durch die Vermarktung von Regelenergie können neue Konzepte zur Stärkung der Kraft-Wärme-Kopplung ermöglicht werden. Der Einsatz von nachhaltigem Bioethanol als Brennstoff ist dabei eine gute Alternative, um Energie aus Biomasse zu speichern und bedarfsgerecht abzurufen.