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Zum Forschungsvorhaben: Kriterien für eine nachhaltige Bereitstellung und klimagerechte Integration von strombasierten Energieträgern
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Schlagwörter
Sektorkopplung
Förderkennzeichen (FKZ)
3722435060
Forschungskennzahl
Zitation
Münter, D., Fehrenbach, H., & Fröhlich, T. (2025). Optionen und Potenziale für die Nutzung von biogenem CO₂ für die Herstellung von strombasierten erneuerbaren Energieträgern. Umweltbundesamt. https://doi.org/10.60810/openumwelt-7849
Zusammenfassung deutsch
Der Ausstieg aus der Nutzung fossiler Energieträger ist Grundlage für eine treibhausgasneutrale (netto) Zukunft, auch die Nutzung von fossilem CO₂ ist immer mit zusätzlichen Emissionen verbunden. Es stellt sich die Frage, woher kommt der Kohlenstoff, den wir auch in Zukunft noch benötigen werden, wenn auch in deutlich geringerem Umfang? Die Nutzung von Anbaubiomasse ist aufgrund des Flächenbedarfes und der Landnutzungsänderung keine nachhaltige Alternative. Können Rest- und Abfallstoffe aus Biomasse diese Kohlenstoffquelle sein und wie sind diese einzuordnen?Der vorliegende Zwischenbericht aus dem Forschungsvorhaben: Kriterien für eine nachhaltige Bereitstellung und klimagerechte Integration von strombasierten Energieträgern widmet sich dieser Frage. Zuerst werden Daten zu globalen Reststoffpotentialen aus Literaturquellen zusammengefasst. Nachfolgend werden CO₂-Bedarfe von technischen Prozessen für die Herstellung von Wasserstoffderivaten beleuchtet. Abschließend findet eine qualitative Nachhaltigkeitsbewertung der betrachteten CO₂-Punktquellen und ein Abgleich von globalem Potential und globaler Nachfrage statt.
Organisationseinheiten
Übersetzungen
Verbundene Publikation
Auswirkungen der energetischen Nutzung forstlicher Biomasse in Deutschland auf deutsche und internationale LULUCF-Senken (BioSINK)
(Umweltbundesamt, 2024)
Um die Auswirkungen der Energieholznutzung auf die Kohlenstoffsenkenleistung des Waldes in Deutschland zu untersuchen, wurden mit dem Holzverwendungsmodell TRAW, dem Waldmodell FABio-Forest und der Treibhausgasbilanzierung für Energieholz mit dem Modell HoLCA ein Referenzszenario und drei Holzenergieszenarien berechnet. In einer Literaturstudie zur Kohlenstoffspeicherung im Wald in Abhängigkeit zur Holzentnahme wurden auch Auswirkungen auf Wälder in anderen Ländern betrachtet.Im Referenzszenario (Annahmen wurden Anfang des Jahres 2023 getroffen) steigt die Energieholzverwendung bis zum Jahr 2030 an und sinkt danach aufgrund von Effizienzmaßnahmen in Gebäuden. Durch die steigende stoffliche Holznutzung kann Mitte der 2030 Jahr die Nadelholznachfrage nicht mehr aus heimischem Nadelholz gedeckt werden, wenn mittlerer oder starker natürlicher Störungen angenommen werden. Die Laubholznachfrage kann über dem gesamten Modellierungszeitraum mit heimischem Laubholz erfüllt werden. Eine steigende Laubholzentnahme für z.B. Energieholz führt in den modellierten Szenarien zu einer Verringerung der Senkenleistung der Wälder und steht so im Konflikt zu Zielen des natürlichen Klimaschutzes. Eine verringert Laubholzentnahme erhöht hingegen die Senkenleistung. Natürliche Störungen verschlechtern zwar die Senkenleistung der Wälder, der Effekt der Intensität der Laubholzentnahme auf die Senkenleistung bleibt aber unabhängig vom Störungsniveau bestehen. Ein Vorratsaufbau in Beständen mit geringen Risiken erscheint daher als eine robuste Strategie, um im LULUCF-Sektor Senkenziele zu erreichen. In instabilen Nadelbaumbeständen sind waldbauliche Maßnahmen zur Stabilisierung notwendig.Auf Basis der Ergebnisse wird vorgeschlagen, in die Produkt-THG-Bilanz die direkten CO2 Verbrennungsemissionen aus der Energieholznutzung aufzunehmen, anstatt sie mit Null zu bewerten. So ist es möglich, Effekte auf LULUCF-Senken zu berücksichtigen. Unter dieser Annahme führt die Energieholznutzung in Deutschland im Vergleich zum Energiemix zu deutlichen THG-Emissionen.
BioRest
(2019)
Biomasse als relevanter Beitrag zur Bereitstellung erneuerbarer Energie steht vor allem aufgrund der knappen Ressource Fläche nur begrenzt zur Verfügung. Die Diskussion hat sich daher auf die bevorzugte Nutzung von biogenen Abfällen und Reststoffen verlagert. Mit diesem Vorhaben sollte untersucht werden, mit welchem Potenzial diese Stoffgruppe dem Energiesystem zur Verfügung gestellt werden kann, wenn insgesamt anspruchsvolle ökologische und stoffwirtschaftliche Restriktionskriterien angewendet werden und welches die zu priorisierenden Einsatzpfade sind. Im ersten Schritt wurden insgesamt 24 biogene Reststoffe und Abfälle in einer Literaturstudie betrachtet. Insgesamt ergibt sich aus der restriktiven Analyse ein jährliches Potenzial von maximal rund 210 Mio. t biogener Abfälle und Reststoffe mit einem Energiegehalt von maximal rund 920 PJ. Im zweiten Schritt wurden 19 Technologien daraufhin betrachtet, die Abfälle und Reststoffe unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen Stoffeigenschaften am besten energetisch nutzbar zu machen. Im dritten Schritt wurden die Stoffe und Technologien zunächst nach technischer Eignung zu sinnvollen Einsatzpfaden zusammengeführt und dabei auch zugeordnet, welcher Teil des Energiesystems damit jeweils bedient werden kann. Welche Kombinationsmöglichkeiten aus Einsatzpfaden und Energieprodukten zu priorisieren sind, wurde zum Schluss anhand ökologisch, ökonomisch und technischer Kriterien bewertet. Das Ergebnis ist ein Gesamtnutzungskonzept für Abfälle und Reststoffe über Technologien zu Energieprodukten, welches einen schwerpunktmäßigen Einsatz der Abfälle und Reststoffe zur Nutzung für Prozesswärme zu gewissen Anteilen auch als Kraftstoff für den Flug- und Schiffverkehr empfiehlt. Der Stromproduktion werden wenig Abfall- und Reststoffe zugesprochen. Dieses Konzept ist als eine Art Allokationsplan für die ökologisch sinnvolle Nutzung der verfügbaren biogenen Abfall-/Reststoffe im Energiesystem zu verstehen, stellt jedoch kein integriertes Szenario für das Energiesystem dar. Quelle: Forschungsbericht
Globale Landflächen und Biomasse nachhaltig und ressourcenschonend nutzen
(2013)
Weltweit verschärft sich der Druck auf Landflächen und andere Ressourcen. Ursachen hierfür sind die ressourcenintensiven Konsumweisen der Industrie- und Schwellenländer sowie die steigende Nachfrage nach Agrar- und Forstprodukten durch die globale demographische Entwicklung. Eine wachsende Weltbevölkerung benötigt mehr Nahrung, mehr nachwachsende Rohstoffe und mehr Energie. Der vorliegende Bericht gibt einen Überblick über den aktuellen Status der biomassebasierten Landnutzung und beleuchtet vorhandene und zu erwartende globale Entwicklungstrends. Er skizziert, wie eine ökologisch verträglichere und sozial gerechtere Ressourcennutzung aussehen kann und welche Prioritäten in der Produktion und Nutzung von Biomasse gesetzt werden müssen, um dieses Ziel zur erreichen. Dabei werden Handlungsansätze aufgezeigt und Politikempfehlungen zur Entwicklung einer global nachhaltigen, ressourcenschonenden Landnutzung gegeben.
Quelle: ©Almut Jering
Quelle: ©Almut Jering
Report on typical GHG emission values for the cultivation of agricultural raw materials for NUTS 2 regions or a more disaggregated level in Germany according to RED II
(German Environment Agency, 2025)
This report explains the calculation of the updated typical greenhouse gas emission values for the cultivation of agricultural raw materials for NUTS 2 regions in Germany and presents the results. The calculations for eleven energy crops are based on updated input variables consisting of standardized factors and comprehensive data sources such as yields, fertilizer consumption and diesel consumption. Particular attention was paid to emissions of nitrous oxide and nitrogen fertilizer. The values are differentiated for mineral and organic soils. Compared to the first report from 2010, the current values are generally significantly lower but vary to larger extend between NUTS 2 regions.
Systemvergleich speicherbarer Energieträger aus erneuerbaren Energien
(Umweltbundesamt, 2020)
Im Zuge der Transformation zu einer treibhausgasneutralen Gesellschaft in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts wird der Einsatz von synthetischen Energieträgern diskutiert, die auf erneuerbarem Strom oder Biomasse basieren. Dieses Vorhaben bewertet die Umweltwirkungen technischer und logistischer Optionen für die Bereitstellung solcher Energieträger anhand von Umweltwirkungskategorien wie Treibhauspotenzial, Versauerung oder Flächenbedarf. Auf Basis ausgewählter Prozessschritte/Verfahren und deren aktuellen und zukünftigen technischen Daten wurde die Herstellung von fünf Produkten (Fischer-Tropsch-Kraftstoffe, Methanol, synthetisches Erdgas, Biomethan und Wasserstoff) betrachtet. Die Verfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen wie Wind oder PV, von Rohstoffen wie Kohlenstoff oder Wasser sowie von Transportrouten nach Deutschland bildeten die Standortfaktoren für Deutschland, Europa und den Mittelmeerraum, mittels derer die Verfahren zu Bereitstellungspfaden für diese Energieträger kombiniert wurden. Mit der Methode der Ökobilanz wurden die Umwelteffekte heute und im Jahr 2050 analysiert sowie Kosten für die Anlagenerrichtung und den Betrieb geschätzt. Demnach weisen synthetische Energieträger aufgrund der Nutzung erneuerbarer Energien in der Regel ein deutlich niedrigeres Treibhauspotenzial als heutige fossile Referenzprodukte auf. Die Herstellung der Stromerzeugungsanlagen und damit verbundene Wirtschaftsprozesse - etwa die Stahl- und die Zementproduktion - können jedoch einen relevanten Beitrag zum Treibhauspotenzial leisten, wenn sie nicht ebenfalls treibhausneutral sind. Gleichzeitig führen vor allem die Herstellung der erforderlichen Anlagen gegenüber der fossilen Referenz zu (mitunter deutlich) erhöhten Belastungen in fast allen anderen Wirkungskategorien, insbesondere im Wasser- und Flächenbedarf. Diese Studie liefert somit auch Hinweise, welche Umweltwirkungen zukünftig weiter reduziert werden müssen. Quelle: Forschungsbericht
Überblick zur Kostenentwicklung von strombasierten erneuerbaren Energieträgern
(Umweltbundesamt, 2025)
Das vorliegende Kurzpapier aus dem Forschungsvorhaben „Kriterien für eine nachhaltige Bereitstellung und klimagerechte Integration von strombasierten Energieträgern“ analysiert Studien, die sich mit der Kostenentwicklung von Wasserstoff und Wasserstoffderivaten befassen. Es werden die folgenden strombasierten, erneuerbaren Energieträger betrachtet: Wasserstoff, Ammoniak, Methan, Methanol, Fischer-Tropsch Kraftstoffe und Dimethylether, sowie die fossil basierten Energieträger blauer Wasserstoff und blauer Ammoniak. Die Kosten werden den Prozessen: Wasserstoff-Erzeugung, Derivatsynthese, Transport, sowie Rückwandlung und Verteilung zugeordnet. In einem gesonderten Kapitel wird der Einfluss der Kohlenstoffquelle für die Wasserstoff-Derivatsynthese betrachtet. Für die Analyse der Erzeugungskosten des Wasserstoffs und o.g. Wasserstoffderivate wurden Studien zu folgenden Regionen berücksichtigt: MENA, Subsahara-Afrika, Nordamerika, Südamerika, Australien, Nordeuropa, Iberische Halbinsel, restliches Europa (ohne Deutschland) und Deutschland. Es zeigt sich, dass es auch bei Betrachtung des gleichen Energieträgers aus der gleichen Erzeugungsregion zu teils starken Abweichungen bezüglich aktueller und zukünftiger Produktionskosten kommt. Die lässt sich auf grundlegende, methodische Ansätze der Studien, sowie die darin gesetzten Randbedingungen, z.B. zukünftige Entwicklung einer beteiligten Technik, zurückführen. Alle Ergebnisse sind in der o.g. Aufteilung in Übersichtsgrafiken unter Nennung der jeweiligen Quelle dargestellt.