An assessment of the implications, costs and benefits of bioenergy use based on techno-economic approaches

Abstract

In Österreich und anderen mitteleuropäischen Ländern ist es in den letzten Jahren zu einer starken Ausweitung der energetischen Biomassenutzung gekommen. In der vorliegenden Arbeit werden die Kosten und Nutzen, sowie die Perspektiven und Implikationen der Energieerzeugung aus Biomasse mithilfe techno-ökonomischer Ansätze analysiert.<br />Im ersten Teil der Arbeit werden die Kosten der Treibhausgaseinsparung und Substitution fossiler Energieträger ermittelt, die mit dem Einsatz verschiedener Bioenergie-Technologien verbunden sind. Die Ergebnisse zeigen, dass Biomasse-Heizsysteme und -Heizwerke häufig die kosteneffizienteste Option darstellen, unter günstigen Rahmenbedingungen jedoch mit Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplung höhere spezifische Einsparungen (bezogen auf den Primärenergieeinsatz) erzielbar sind. Im Gegensatz dazu ist die Nutzung synthetischer biogener Kraftstoffe mit verhältnismäßig geringen Einsparungen verbunden; dies stellt einen wesentlichen Nachteil dieser Nutzungspfade dar, selbst wenn die Produktionskosten durch technologischen Fortschritt längerfristig erheblich sinken sollten.<br />Im zweiten Teil werden statistische Daten zur derzeitigen Biomassenutzung, internationalem Biomassehandel und Abschätzungen von primärenergetischen Potenzialen in Mitteleuropa einer kritischen Prüfung unterzogen. Die Ergebnisse zeigen sowohl hinsichtlich der Struktur der Biomassenutzung, als auch hinsichtlich der ungenutzten Potenziale in den einzelnen Ländern ein sehr heterogenes Bild. Verschiedene methodische Ansätze zur Analyse von Handelsströmen ergeben, dass internationaler Biomassehandel sukzessive an Bedeutung gewinnt; insbesondere im Bereich der biogenen Kraftstoffe, wo Österreich und Mitteleuropa zunehmend auf Importe angewiesen sind. Neben den in Energiestatistiken erfassten direkten Handelsströmen spielen indirekter Biomassehandel und Importe von Rohstoffen zur Erzeugung biogener Kraftstoffe eine wesentliche Rolle. Im Fall von Österreich liegen diese in Summe in der gleichen Größenordnung wie direkte Handelsströme.<br />Teil 3 befasst sich mit der Modellierung des Bioenergie-Sektors auf Basis eines techno-ökonomischen Ansatzes, der im Simulationsmodell SimBioSys implementiert wurde. Mit dem Modell erstellte längerfristige Szenarien des österreichischen Bioenergie-Sektors zeigen, welche Rolle Biomasse in einem zukünftigen Energiesystem zukommen kann, und unterstreichen die Bedeutung zielorientierter, auf die effizientesten Nutzungspfade fokussierter Förderstrategien.<br />

Efforts to reduce greenhouse gas emissions and increase the share of renewable energy have led to notable progress in bioenergy use in Austria and other Central European countries in recent years. Within this thesis, crucial aspects regarding the implications and prospects of bioenergy are assessed based on techno-economic approaches. In the first part of this work, the costs of greenhouse gas mitigation and fossil fuel replacement of bioenergy technologies are assessed for the specific situation in Austria. The results indicate that biomass heating systems and heating plants are often the most cost-efficient option. Under favourable conditions, the use of combined heat and power plants allows for higher quantities of greenhouse gas mitigation and fossil fuel replacement per unit of biomass consumed. A relatively poor performance with regard to this criterion is the main drawback of advanced biofuels, albeit that technological progress may result in substantial reductions in production costs.<br />In the second part, statistical data on the current biomass use and international biomass trade, as well as literature data on biomass potentials in Central Europe are reviewed critically. With regard to the structure of bioenergy use and unused biomass potentials, the situations in the considered countries prove to be very inhomogeneous. Different methodologies applied for assessing cross-border trade related to bioenergy indicate that the most significant streams in the Central European region are imports of wood fuels to Italy, Denmark and Austria.<br />The recent growth in the consumption of biofuels for transport is resulting in rapidly increasing trade volumes and a growing dependence on biofuel imports. For the case of Austria it is shown that with feedstock for biofuel production and indirect trade streams taken into account, cross-border trade of biomass is about twice as high as energy statistics suggest.<br />Part III is dedicated to the question of how future developments of the bioenergy sector can be modelled based on techno-economic approaches, in order to derive well-founded medium to long-term scenarios. The modelling approach applied in the simulation tool SimBioSys, its fundamental principles and exemplary simulation results for the Austrian bioenergy sector are presented. The simulation results emphasize that bioenergy has a crucial role to play in enhancing energy security, reducing GHG emission and substituting fossil fuels in Austria.<br />Furthermore, they indicate that due to the numerous options of bioenergy use, a strategic and targeted promotion of the most efficient applications is of crucial importance for the economic and environmental efficiency of the bioenergy sector.