Energy and climate efficiency of maize based biogas plants with biogas upgrading and biogas feeding : analysis using the example of the biogas plant in Darmstadt-Wixhausen

Nach der Einführung des EEG im Jahr 2000 hat Deutschland einen regelrechten Boom der Biogasbranche erlebt. Bisher sind die meisten Biogasanlagen in landwirtschaftliche Betriebe integriert. Das produzierte Biogas wird dabei vor Ort verstromt, jedoch kann die anfallende Wärme aufgrund der peripheren Lagen der Betriebe oftmals nicht ausreichend genutzt werden. Wird das Biogas jedoch aufbereitet, in ein Erdgasnetz eingespeist und zu einem Ort mit Wärmesenke transportiert, kann die Wärme optimal ausgenutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb am Beispiel der Biogasanlage in Darmstadt-Wixhausen untersucht, wie Energie- und Klima-effizient solche Anlagen sind, welche Faktoren die Energie- und Treibhausgasbilanz am stärksten beeinflussen und wie unsicher die Ergebnisse solcher ökobilanziellen Bewertungen sind. Methodisch wurde zunächst eine ökobilanzielle Bewertung vorgenommen und im Anschluss wurden Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalysen durchgeführt. Aus Sicht der Energiebilanz schneidet die Anlage dank des umfangreichen Wärmekonzepte gut ab, denn sie erreicht einen Erntefaktor von 4,5, der spezifische kumulierte Energieaufwand beträgt 2,14 MJ/MJEndenergie und die energetische Amortisationszeit liegt bei 4,46 Jahren. Aus Sicht der Treibhausgasbilanz schneidet die Anlage eher schlecht ab, denn die prozentuale Treibhausgaseinsparung beträgt lediglich 46,8 % und die spezifischen Treibhausgasemissionen liegen mit 72,51 g CO2eq/MJEndenergiein einer ähnlichen Größenordnung wie diejenigen erdgasbetriebener Blockheizkraftwerke. Zu den sensitivsten Parametern in Bezug auf die Energiebilanz zählen der Eigenstromverbrauch der Anlage, insbesondere der Stromverbrauch der Druckwasserwäsche, die Silageverluste und der Methanertrag des Substrates. Die Treibhausgasbilanz wird zusätzlich noch wesentlich von den Parametern „Methanschlupf“, „Lachgasemissionen“ und „Grünlandumbruch“ beeinflusst. Wird der Methanschlupf durch die Abdeckung des Gärrestlagers auf ein Minimum reduziert, kann die Anlage bereits eine Treibhausgaseinsparung von 71,5 % erreichen. Die mittels Latin-Hypercube-Sampling durchgeführte Unsicherheitsanalyse hat gezeigt, dass die Spannweite der Ergebnisse erheblich sein kann. Je nach verwendeter Parameterkombination schwankt der Erntefaktor zwischen 1,07 und 5,81, wobei im Mittel ein Erntefaktor von 2,06 erreicht wird. Die prozentuale Treibhausgaseinsparung erreicht mit Werten zwischen -151 und 83 % eine sehr große Spannweite ebenso wie die spezifischen Treibhausgasemissionen, die zwischen 20 und 331 g CO2eq/MJ schwanken. Die mittlere Treibhausgaseinsparung liegt lediglich bei ca. 6 % und die mittleren spezifischen Treibhausgasemissionen liegen bei ca. 130 g CO2eq/MJ. Die Treibhausgasbilanz solcher Biogasanlagen kann jedoch deutlich verbessert werden, wenn die Gärrestlager gasdicht abgedeckt und Grünlandumbruch vermieden wird. Unter diesen Voraussetzungen beträgt die mittlere Treibhausgaseinsparung bereits 45,5 % und die spezifischen Treibhausgasemissionen liegen bei ca. 70 g CO2eq/MJ. In der Region Südhessen könnten bei entsprechend hohen Preisen für Maissubstrat ca. 443.000 t Mais pro Jahr erzeugt werden. Diese Menge reicht aus, um insgesamt Biogasanlagen (mit Gasaufbereitung) mit einer installierten Leistung von 20 MW zu betreiben. Diese könnten jährlich etwa 0,4 TWh (Brutto) bzw. 0,3 TWh (Netto) an Strom und Wärme erzeugen und dadurch 141.000 t CO2eq einsparen. Dies entspricht 30 % der Einsparungen, die in der Region erreicht werden müssen.After the introduction of the German Renewable Energies Act (EEG), a real boom in the biogas sector in Germany took place. As most biogas plants have, until now, been an integrated part of a farm, the biogas produced is converted directly on site. This often leads to an insufficient use of the heat produced due to the isolated location of farms. However, if the biogas is upgraded, fed into a nearby natural gas grid and transported to a location with an existing heat sink, the heat produced can be used in an optimal way. Using the example of the biogas plant in Darmstadt-Wixhausen, the present study analyses how energy and climate efficient biogas plants are, which factors have the greatest influence on the results of energy and greenhouse-gas balances and finally how uncertain the results of life cycle assessments can be. As a first step I carried out a life cycle assessment of the biogas plant mentioned above, in which the focus was on the calculation of the energy and greenhouse gas balance. Subsequently, I accomplished sensitivity- and uncertainty-analyses. As a result of its sophisticated heat utilization concept, the Darmstadt-Wixhausen biogas plant comes off very well from the point of view of the energy balance. The net energy gain is 4.5, the specific cumulative energy demand amounts to 2.14 MJ/MJend energie and the energetic amortization time is 4.46 years. Regarding the greenhouse gas balance, this plant comes off rather badly due to greenhouse gas savings of only 46.8 % and due to specific greenhouse gas emissions of 72.51 g CO2eq/MJend energie, which range in scales similar to those of natural gas fired block heat and power plants. Amongst the most sensitive parameters related to the energy balance is the electricity consumed by the plant itself, especially the electricity demand of the upgrading technology, the silage losses and the methane yield of the used substrate. The greenhouse gas balance is additionally strongly influenced by the parameters “methane losses”, “nitrous oxide-emissions” and “grassland ploughing”. If the methane losses are reduced to a minimum by closing the digistate storage, the plant already reaches greenhouse gas savings of approx. 71.5 %. The uncertainty analysis was carried out by using the Latin-Hypercube-Sampling method. It showed that the span of LCA results can be substantial. Depending on the parameter combinations used in the calculations, the net energy gain varies between 1.07 and 5.81 with a mean value of 2.06. The relative greenhouse gas savings, achieving values between – 151 and 83 %, are characterized by a huge span, while the variation of the specific greenhouse gas emissions range between 20 and 331 g CO2eq/MJ. The mean relative greenhouse gas saving is only 6 % and the mean specific greenhouse gas emissions are approx. 130 g CO2/MJ. However, the greenhouse gas balance of such biogas plants can be improved enormously if the digistate storage is closed and if no grassland ploughing takes place. If these two aspects are taken into account, the mean relative greenhouse gas savings increase from 6 to approx. 45.5 % and the specific greenhouse gas emissions decrease from 130 to 70 g CO2eq/MJ. In the region of South Hessen, 443.000 t of maize could be produced yearly, if the prices for maize substrate were at a relatively high level of approx. 32.5 €/t. These maize amounts would be sufficient to supply biogas plants (incl. upgrading technology) with an entire installed capacity of 20 MW. Those plants could produce a total amount of electricity and heat of approx. 0.4 TWh (gross), 0.3 TWh (net) respectively and they could therefore save approx. 141.000 t CO2eq per year. This corresponds to approx. 30 % of the greenhouse gas savings, which have to be achieved in that region