Regenerative Energieversorgung für netzautarke Mobilität durch Biogasanlagen

Hintergrund und Projektziele

Die Umstellung des ländlichen Verkehrs im Rahmen der Energiewende ist herausfordernd, insbesondere auch unter Berücksichtigung des Betriebs landwirtschaftlicher Maschinen wie Traktoren und Erntemaschinen mit Erneuerbarer Energie. Die Umstellung auf synthetische Kraftstoffe könnte hier eine Alternative sein, u. A. durch die Umwandlung von Biogas in synthetische Flüssigkraftstoffe. Parallel dazu stehen viele Biogasanlagenbetreiber vor der Herausforderung, trotz der nach 20 Jahren auslaufenden garantierten EEG-Vergütungssätze einen wirtschaftlich effizienten (Weiter-)Betrieb ihrer Anlagen sicherzustellen. Eine Möglichkeit könnte die Weiternutzung der Biogasanlage zur Bereitstellung von Energie für die regionale Mobilität sein. Neben dem zur Verfügung Stellen von elektrischer Energie bieten sich synthetische Kraftstoffe an, die eine Biogasanlage abhängig von ihrer Kapazität und in Kombination mit weiteren Anlagen sinnvoll herstellen kann. Dabei muss berücksichtigt werden, dass bei der Verstromung ein großer Anteil der Energie des Biogases in Wärme umgewandelt wird, während dies bei der Herstellung synthetischer Kraftstoffe nicht immer der Fall ist. Daher wird in dem  Vorhaben „Regenerative Energieversorgung für netzautarke Mobilität durch Biogasanlagen“ (RegEnerMoBio) analysiert, welches der gesamtwirtschaftlich optimale Weg ist, mithilfe einer vorhandenen Biogasanlage sowohl Energie für Mobilität als auch Wärme bereitzustellen. Dafür werden folgende Einzelfragen beantwortet:

• Wie groß ist der Kraftstoffbedarf der landwirtschaftlichen Betriebe und des motorisierten Individualverkehrs zu den Evaluationszeitpunkten Gegenwart, 2030 und 2050, welchen jahreszeitlichen Schwankungen unterliegen der Kraftstoff- und Wärmebedarf und wie unterscheidet sich der Bedarf abhängig von der Betriebsart und -größe? Welche Rückwirkungen entstehen durch die jahreszeitlichen Schwankungen auf das Biogasanlagenkonzept?
• Die Nutzung welcher Antriebsart ist für landwirtschaftliche Maschinen und motorisierten Individualverkehr bei ganzheitlicher Betrachtung der Biogasanlage (energetisch, betriebswirtschaftlich, volkswirtschaftlich bzw. ökologisch) die sinnvollste Lösung?
  • Nutzung von Strom in Elektromotoren
  • Nutzung der aufbereiteten Biogase oder Biomethan (SNG) in Verbrennungsmotoren
  • Nutzung von Hybridfahrzeugen
  • Nutzung von Wasserstoff für brennstoffzellenbetriebene Elektromotoren
  • Umwandlung des Biogases in synthetische flüssige Treibstoffe für Verbrennungsmotoren
• Welche Auswirkungen haben die unterschiedlichen Konzepte auf die Bereitstellung von Wärme durch die Biogasanlage, wenn diese einen Wärmeversorgungsauftrag hat?
• Wie zuverlässig können Wärme und Energie für Mobilität je nach Konzept bereitgestellt werden (Speicherung von Energie)?
• Inwiefern kann eine Biogasanlage eine räumlich abgeschlossene Region ohne Anschluss an das Erdgasnetz sinnvoll mit Biomethan bzw. Wasserstoff für die Mobilität versorgen? Wie decken sich Reichweite von Fortbewegungsmitteln unterschiedlicher Antriebstechnologien mit der Verteilung von Biogasanlagen und deren Leistung?
• Welche positiven Auswirkungen hätten Überkapazitäten von Biomethan auf den überregionalen Verkehr?
• Welche rechtlichen und regulatorischen Hindernisse gibt es?
• Ist es sinnvoll und möglich, den Einsatzstoff der Biogasanlage für die Mobilitätsbereitstellung anzupassen?

Lösungsansatz und Projektinhalte

Es wird die Nachfrageseite des motorisierten Individualverkehrs im Rahmen einer Energieverbrauchsanalyse abgebildet, um diese anhand von Literaturdaten für die Jahre 2030 und 2050 hochzurechnen. Dazu werden verschiedene Antriebstechnologien (synthetische Kraftstoffe, Erdgas, E-Motoren, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridsysteme) in einer Modellumgebung abgebildet und anhand der zuvor gebildeten Basis- und Zukunftsszenarien analysiert. Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Analyse werden die wirtschaftlichen und ökologischen Kennzahlen abgeleitet.

Zudem wird die Energiebereitstellung für Mobilitätszwecke durch eine Biogasanlage modellhaft abgebildet und evaluiert. Für diese Bereitstellung gibt es verschiedene Möglichkeiten (siehe Abbildung 1). Der heute üblicherweise genutzte Weg ist in der Abbildung fett markiert. In diesem Vorhaben werden neben dieser Variante auch die Weiterverarbeitungspfade der Trocknung, Methanisierung, Reformierung sowie die Fischer-Tropsch-Synthese betrachtet. Eine weitere Möglichkeit stellt die Änderung des Produktgases durch Hinzufügen von Zusatzstoffen (geänderte Ersatzstoffe) dar, beispielsweise die Zugabe von Wasserstoff zur Erhöhung der Ausbeute von Methan. Sowohl die verschiedenen Weiterverarbeitungspfade als auch die Möglichkeit der Beeinflussung durch geänderte Eingangsstoffe werden betrachtet. Dafür sollen vier bis fünf Beispielanlagen berücksichtigt werden. Unterschieden werden soll hier nach Einsatzstoffen (Nachwachsende Rohstoffe, Gülle, Mischbetrieb) und Größenklassen (≈250 kW, ≈500 kW und >1.000 kWel).

Die Wärmebedarfe werden durch verschiedene Szenarien aufbauend auf realen Daten zu Wärmelieferungen und der in der Literatur gegebenen Werte abgebildet und im Modell hinterlegt. Da die Wärmebereitstellung durch Biogasanlagen eine Dekarbonisierung des Wärmesektors darstellt, ist es nicht Ziel des Vorhabens, diese Wärmebereitstellung zu verringern, um eine Dekarbonisierung des Verkehrssektors herbeizuführen. Aus diesem Grund sollen unterschiedliche Wärmelieferkonzepte im Modell implementiert werden, um anschließend zu prüfen, welchen Mobilitätsbeitrag Biogasanlagen mit Wärmelieferverträgen bieten können.