Untersuchung der Umweltauswirkungen verschiedener Betriebsarten einer Biogasanlage mithilfe der Ökobilanz

Abstract

Der steigende Anteil von erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Photovoltaik an der Stromerzeugung, leistet einen wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung der Energiewirtschaft. Allerdings werden zur Netzintegration, dieser stark fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen, zusätzliche flexible Stromerzeugungskapazitäten zum Ausgleich notwendig. Im Bio(FLEX)Net-Forschungsprojekt am Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften der TU Wien wird der Beitrag von Biogasanlagen zur Flexibilisierung des Energiesystems untersucht. In dieser Arbeit wird, mit Hilfe der GaBi-LCA-Software der Firma thinkstep, die Biogasanlage in Bruck a. d. Leitha modelliert und eine Ökobilanz nach ISO 14040/14044 durchgeführt. Es werden die Umweltwirkungen der unterschiedlichen Betriebsarten der Verstromung von Rohbiogas im BHKW und der Biomethanerzeugung mit dem Schwerpunkt auf ihre Treibhausgasemissionen ermittelt. Für die gesamte Biomethanerzeugung ergeben sich THG-Emissionen von 58 g CO2eq/kg Biomethan. Für die relativ große Schwankungsbreite von -60 bis 216 g CO2eq/kg Biomethan ist hauptsächlich die Varianz der Daten über die Höhe der Methanverluste verantwortlich. Da für die Verbrennung des Rohbiogases im BHKW keine aufwändige Gasaufbereitung notwendig ist, ergibt sich für die Stromerzeugung im BHKW eine treibhausgasreduzierende Bilanz mit -24 g CO2eq/kg Rohbiogas, mit einem Schwankungsbereich von -74 bis 45 g CO2eq/kg Rohbiogas. Der größte Teil der THG-Emissionen ist auf die Methanverluste des Fermenters und bei der Gasaufbereitung bzw. im BHKW zurückzuführen, während der Transport von Substrat und Gärresten, sowie der Einsatz von Betriebsmittel einen vergleichsweise geringen Einfluss auf die Umweltwirkungen haben. Die Gutschrift durch die Substitution von Mineraldünger durch Gärreste wirkt sich stark positiv auf die Ergebnisse der THG-Emissionen aus. Wird Biomethan als Ersatzbrennstoff für Erdgas in der Stromerzeugung verwendet, können bis zu 98% der THG-Emissionen eingespart werden. Damit steht mit dem untersuchten Biomethan aus biogenen Reststoffen ein nahezu klimaneutraler Ersatzbrennstoff für Erdgas mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten zur Verfügung. Eine effiziente stoffliche Nutzung der Gärreste als Dünger, sowie geringe Methanverluste werden als die einflussreichsten Faktoren identifiziert, um geringstmögliche Umweltwirkungen zu erreichen. Zu einer weiteren Verbesserung der THG-Bilanz der Biomethanerzeugung, wird eine weitergehende Nutzung des, in der Gasaufbereitung abgetrennten, Kohlendioxids empfohlen.

The increasing share of renewable energy sources such as wind and photovoltaics in electricity generation contributes significantly to the decarbonisation of the energy supply. Because of that a grid integration of these highly fluctuating renewable energy sources, will require additional flexible power generation capacity. In the Bio(FLEX)Net research project at the Institute of Process Engineering, Environmental Technology and Technical Biosciences of the Vienna University of Technology, the contribution of biogas plants to the flexibilisation of the energy system is being investigated. In this work, the biogas plant in Bruck a. d. Leitha is modeled with the help of the GaBi LCA software from thinkstep and a life cycle assessment according to ISO 14040/14044 is carried out. The environmental effects of the different operating modes - the generation of electricity from raw biogas in the CHP and the biomethane production - with a focus on their greenhouse gas emissions are determined. Total biomethane production produces GHG emissions of 58 g CO2eq/kg biomethane. For the relatively large fluctuation range of -60 to 216 g CO2eq/kg biomethane, the variance of the data according to the level of methane losses is mainly responsible. Since there is no need for a complex gas treatment for the combustion in the CHP the power generating in the CHP results in a greenhouse gas-reducing balance of -24 g CO2eq/kg raw biogas, with a fluctuation range of -74 to 45 g CO2eq/kg raw biogas. The credit for the substitution of mineral fertilizer with digestate has a strong positive effect on the results of GHG emissions. The major part of the GHG emissions is resulting on the methane losses of the fermenter and on the gas treatment or the CHP, while the transport of substrate and digestate, as well as the use of resources have a relatively small impact on the environmental impact. Using biomethane as a substitute fuel for natural gas in power generation can save up to 98% of GHG emissions. Thus, with the bio-methane from biogenic residues investigated, a nearly climate-neutral substitute for natural gas with a variety of possible usages is available. An efficient use of the digestate as fertilizer and low methane loss is identified as the most influential factors in order to achieve the lowest possible environmental impact. To improve the GHG balance of biomethane production in the future, a further use of the carbon dioxide, which is separated in the gas treatment is recommended.