Landfreie Bioenergie für ein kohlenstoffneutrales Europa - warum, was, wie?

Die Komplexität der Bioenergie, ihr Potenzial zur Kohlenstoffneutralität und ihre Konflikte mit Land-, Lebensmittel- und Futtermittelressourcen sind ein dringendes Problem. Was wäre, wenn wir diese Probleme umgehen und uns ausschließlich auf flächenfreie Bioenergie konzentrieren könnten, ähnlich wie man Pilze auf Kaffeesatzabfällen züchtet, um ein köstliches Gericht zu erhalten? Abfälle und Nebenprodukte können wertvolle Bioenergie erzeugen und eine strategische Rolle in einem zukünftigen nachhaltigen Energiesystem spielen. In diesem Blogbeitrag werden die wichtigsten Ergebnisse unserer jüngsten Forschungsarbeiten vorgestellt, die einen Einblick in die strategischen Anwendungen der flächenfreien Bioenergie und ihre politischen Auswirkungen geben. Erforschen Sie mit uns das "Warum", "Was" und "Wie" des effektiven Einsatzes von flächenfreier Bioenergie im Streben nach Kohlenstoffneutralität.

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Warum Bioenergie als Nebenprodukt?

Bioenergie bietet zahlreiche Vorteile bei der Schaffung eines kohlenstoffneutralen, vollständig erneuerbaren Energiesystems, einschließlich des Ausgleichs der Stromnetze, der Dekarbonisierung der Industrie und der Erzielung negativer Emissionen. Allerdings könnte diese beträchtliche Nachfrage nach Bioenergie zu einem erheblichen Flächenverbrauch und potenziellen Konflikten mit der Nahrungs- und Futtermittelproduktion führen, insbesondere wenn wir hauptsächlich spezielle Biomassepflanzen wie Mais oder Miscanthus für die Energieerzeugung verwenden. Könnte es einen alternativen Ansatz geben, der diese Konflikte zwischen Land, Lebens- und Futtermitteln vermeidet und gleichzeitig eine weniger umstrittene Quelle für Bioenergie bietet?

In der Tat! Es gibt ein erhebliches Potenzial für die Gewinnung von Bioenergie aus Abfällen und Nebenprodukten, wodurch die Notwendigkeit einer speziellen Flächennutzung entfällt. Zum Beispiel, unsere Forschung ergab, dass allein mit Fischfett aus Norwegen etwa 10% des jährlichen Energieverbrauchs der Schweiz (~50 GWh) gedeckt werden könnten. Neben Fischfetten gibt es noch weitere "zusätzliche Bioenergie"-Rohstoffe, die eine hohe Energiedichte aufweisen und keine Landnutzung erfordern, aber derzeit nicht ausreichend genutzt oder in Studien über zukünftige Energiesysteme übersehen werden. Wir verwenden den Begriff "ergänzende Bioenergie", um das ungenutzte Bioenergiepotenzial zu bezeichnen, das sich in kommunalen, land- und forstwirtschaftlichen Rückständen, Neben- und Beiprodukten verbirgt (siehe Abbildung 1), die oft vernachlässigt oder als wirtschaftlich unbedeutend angesehen werden.

Die Nutzung zusätzlicher Bioenergie könnte ein doppelter Segen sein: Sie verringert die Probleme bei der Flächennutzung und fördert gleichzeitig eine Kreislaufwirtschaft. Es stellen sich jedoch noch Fragen: Wie viel Energie können wir in Zukunft von diesen Nischenrohstoffen erwarten? Wie lässt sich die Bioenergie am strategischsten einsetzen? Wie kann sie effektiv in ein kohlenstoffneutrales Energiesystem integriert werden, und was sind die politischen Auswirkungen?

Wir beantworten diese Fragen in unsere neueste Modellierungsstudie durch die Erforschung optimaler Verwendungsmöglichkeiten von "zusätzlicher Bioenergie", die nicht mit dem Bedarf an Land, Nahrungsmitteln und Futtermitteln kollidieren. Wir kommen zu dem Schluss, dass das künftige Potenzial der Bioenergie in Europa zwar begrenzt ist (~30% des derzeitigen Bioenergieverbrauchs), dass sie aber bei kluger Nutzung strategische Nischen bedienen kann. Dieser Blog befasst sich mit den strategischsten Anwendungen von Bioenergie als Zusatzstoff und ihren politischen Implikationen.

Abbildung 1. Beispiele für zusätzliche Biomasse-Rohstoffe, Konversionspfade und entsprechende Bioenergieprodukte (Fei Wu et al. 2023).

Welches sind die strategischen Verwendungszwecke von zusätzlicher Bioenergie?

Die strategischen Verwendungszwecke von zusätzlicher Bioenergie zeigen auf, wo (Land oder Sektor) und wann (zusätzliche Infrastruktur) was (Bioenergie oder Wasserstoff) verwendet werden soll, wie in Abbildung 2 dargestellt. Um diese Frage zu beurteilen, haben wir das Modell zur Optimierung der Energiesystemkosten (Kalliope), um unterschiedliche Nutzungsraten von Bioenergie einzusetzen und/oder zusätzliche Bioenergie-Infrastrukturen zu ermöglichen, um die strategische Nutzung von zusätzlicher Bioenergie-Biomasse zu untersuchen (Abbildung 2; siehe Bildunterschrift zur Bedeutung der Szenariennamen).

Abbildung 2. Strategische Nutzung von zusätzlicher Bioenergie unter verschiedenen Bedingungen ("2050 Referenz" ist das Basisszenario für 2050, bei dem Bioenergie optimal genutzt wird und keine zusätzliche Infrastruktur vorhanden ist; "GasStorage" verfügt über eine zusätzliche Infrastruktur für die Methanlagerung; "BioDistribution" verfügt über ein zusätzliches Transportnetz für Biokraftstoffe zur Verteilung; "FullUtiAll" nutzt die gesamte zusätzliche Bioenergie vollständig; "Current (2019)" bezieht sich auf die europäische Bioenergie-Endnutzung im Jahr 2019. Angepasst von Fei Wu et al. 2023).

In Bezug auf die einzelnen Sektoren deuten unsere Optimierungsergebnisse auf unterschiedliche künftige Verwendungszwecke für zusätzliche Bioenergie im Vergleich zur derzeitigen sektoralen Nachfrage in Europa hin. So ist zum Beispiel die Beheizung von Wohngebäuden derzeit die wichtigste Verwendung von Bioenergie, doch ist dies nicht länger eine strategische Verwendung von Bioenergie, da es billigere Alternativen wie Wärmepumpen geben wird (siehe das gelbe "Wärme"-Bit in allen Balken/Szenarien in Abbildung 2). In allen Szenarien ist die zusätzliche Bioenergie attraktiver für die Dekarbonisierung des Verkehrs, insbesondere der Seeschifffahrt, in einem fossilfreien und kohlenstoffneutralen europäischen Energiesystem. Dies liegt vor allem daran, dass die Seeschifffahrt nicht vor 2050 elektrifiziert werden soll, so dass sie auf synthetische Kraftstoffe aus Biomasse oder Wasserstoff angewiesen ist.

Darüber hinaus kann eine verbesserte Bioenergie-Infrastruktur die Bioenergienutzung erheblich steigern, insbesondere durch ein etabliertes Vertriebsnetz für Biokraftstoffe (siehe "BioDistribution" in Abbildung 2). Dieses Netz ermöglicht es den Ländern, überschüssige Biokraftstoffe in andere Länder zu transferieren, um ihre Binnennachfrage zu decken. Folglich können Länder, in denen Biokraftstoffe knapp oder im Überfluss vorhanden sind, zusätzliche oder günstigere Biokraftstoffe importieren und sind nicht mehr auf ihre eigene Produktion angewiesen. Neben der vollen Ausschöpfung der Bioenergie kann das Vertriebsnetz für Biokraftstoffe auch zur weiteren Dekarbonisierung der Industrie und des Verkehrssektors beitragen, indem synthetische Kraftstoffe auf Wasserstoffbasis teilweise ersetzt werden. Infolgedessen verändern unterschiedliche Nutzungsraten und der Umfang der verfügbaren Infrastruktur den optimalen sektoralen Einsatz von Bioenergien als Zusatzstoffe.

Unsere Modellierungsergebnisse bieten auch Einblicke in länderspezifische Szenarien, in denen die Nutzung zusätzlicher Bioenergie die Verwendung von Wasserstoff übertrifft. In einem kohlenstofffreien Energierahmen stellen Wasserstoff und Bioenergie bedeutende Alternativen für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe dar. Daher ist es wichtig festzustellen, welche Methode für welche Kraftstoffe in bestimmten Ländern besser geeignet ist. Bioenergie ist für die Herstellung von synthetischem Diesel und Methanol nur dann wettbewerbsfähig, wenn ein Vertriebsnetz für Biokraftstoffe vorhanden ist. Wie in Abbildung 2 dargestellt, deutet ein Übergewicht der grünen Länder auf die überlegene Wettbewerbsfähigkeit der Bioenergie hin, während die violette Farbe auf eine Präferenz für Wasserstoff hinweist. Europäische Küstenländer wie das Vereinigte Königreich, Irland, Island und Portugal bevorzugen jedoch aufgrund ihrer reichlich vorhandenen Windenergie durchweg Wasserstoff, was zu einer kostengünstigeren Herstellung synthetischer Kraftstoffe aus Wasserstoff im Vergleich zu Biokraftstoffen führt.

Wie sind die politischen Auswirkungen zu interpretieren?

Diese Forschung liefert entscheidende Perspektiven für die EU-Bioenergiepolitik, die der Bioenergie eine wichtige Rolle zuweist, aber potenzielle Konflikte mit der Land- und Lebensmittelversorgung bewältigen muss. Wichtig ist, dass wir herausgefunden haben, dass zusätzliche Bioenergie, für die keine Anbauflächen benötigt werden, trotz ihres begrenzten Potenzials bis 2050 eine Schlüsselrolle bei der Verringerung der Kohlenstoffemissionen im Verkehr und in der Industrie spielen könnte.

In einigen europäischen Ländern, vor allem in Küstenländern wie dem Vereinigten Königreich und Irland, ist Wasserstoff eine wettbewerbsfähigere Quelle für synthetische Kraftstoffe als Biomasse. Interessanterweise haben diese Länder derzeit die höchste Biomasse-Subventionssätze in Europa, über 30% im Jahr 2017. Weitere Subventionen für Bioenergie sind im Vergleich zu Wasserstoff auf lange Sicht möglicherweise nicht die beste wirtschaftliche Strategie.

Das Zusammenspiel verschiedener strategischer Verwendungsmöglichkeiten von Bioenergienebenprodukten zeigt sowohl Synergien als auch Kompromisse auf, die eine harmonisierte europäische Bioenergiestrategie leiten könnten. Vertiefende Diskussionen über die Beziehung zwischen Energie, Land und Kohlenstoff bei der zusätzlichen Nutzung von Bioenergie finden Sie im letzten Abschnitt unseres frei zugängliches Papier.

Dieses Projekt wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Marie Sklodowska-Curie (MSC) Finanzhilfevereinbarung Nr. 847585 gefördert.

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