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27.11.2017Universität Stuttgart 1
IER Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung
Landwirtschaftliche multifunktionale Produktsysteme in derBioökonomie mit und ohne Nutzungskaskaden –ein lebenszyklusbasierter Vergleich
Natalia MatizLudger Eltrop
Marlies Härdtlein
7. Statuskonferenz Energetische
Biomassenutzung
Leipzig, 21.11.17
1. Hintergrund: die Multifunktionalität von Biomasse
2. Forschungsfrage
3. Erarbeitete Methode: Berücksichtigung der Verdrängungs- und Substitutionseffekte in
biobasierten, multifunktionalen Produktsystemen
4. Fallstudie „Körnermais zu 4Fs in Baden-Württemberg“
5. Fazit
21.11.2017IER Universität Stuttgart 2
Inhalt
27.11.2017Universität Stuttgart 2
Hintergrund: die Multifunktionalität von Biomasse
1
Mögliche Verdrängungseffekte, wenn Biomasse in einem Marktsegment genutzt wird:
Die Nachfrage nach Produkten in anderen Marktsegmenten wird
a. durch Biomasseimport oder
b. durch (fossile) Alternativprodukten gedeckt.4
Einsatz in verschiedenen Marktsegmenten
Die Nutzungspfade von Biomasse
27.11.2017Universität Stuttgart 3
21.11.2017 5
Die Koppel- und Kaskadennutzung von Biomasse
www.swissmilk.ch
Biomasse: Körnermais
Stoffliches
Kaskadenprodukt
www.wand-und-beet.de
www.biotuete.eu
Bio-basiertes Endprodukt:
Tüte aus Biokunststoff
Koppelprodukt: Maisglutenfutterwww.alibaba.comwww.dreamstime.com
Koppelprodukt: Stroh
www.manfred-schauble.de
Energetisches
Kaskadenprodukt
Forschungsfrage2
27.11.2017Universität Stuttgart 4
Wie sollen die zwei Aspekte der Multifunktionalität von Biomasse, d.h. der
Einsatz in verschiedenen Marktsegmenten und die Koppel- und
Kaskadennutzung, in der Modellierung, Analyse und Bewertung
landwirtschaftlicher Produktsysteme berücksichtigt werden?
21.11.2017IER Universität Stuttgart 7
Forschungsfrage
Erarbeitete Methode: Berücksichtigung der Verdrängungs- und Substitutionseffekte in biobasierten Produktsystemen
3
27.11.2017Universität Stuttgart 5
21.11.2017 9
Methode zur Berücksichtigung der Verdrängungs- und Substitutionseffekte in biobasierten, multifunktionalen Produktsystemen basierend auf dem entscheidungsorientierten Life Cycle Assessment („consequential LCA“)
Koppelprodukt
geändert nach „Roadmap Bioraffinerien“, Die Bundesregierung (2014)
Substituierbare Märkte
Substituierbare Märkte
SubstitutionseffekteVerdrängungseffekte
Unbediente Märkte
UnbedienteMärkte
End-of-life
Saat-gut
Nutzung
Anbau
Prozess
Kaskaden-produkt
Nutzung
Nutzungsphase
End-of-life
Koppelprodukt
Nahrungs-/Futtermittel/stoffliches/ energetisches Produkt
Endprodukt Endprodukt
Systemgrenze
Fallstudie „Körnermais zu 4Fs in Baden-Württemberg“
4
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Mögliche Verfahrensrouten und Endprodukte aus einem Hektar Körnermais
8,0 tDM/ha
102,6 GJNE/ha 5,3 t/ha 3,5 t/ha 65,6 GJ/ha
eigene Berechnungen nach ecoinvent (2016), FNR (2014), KTBL (2012, 2014), Wu et al. 2016, Würdinger et al. (2002) u.a. 11
Funktionelle Einheiten
21.11.2017 12
Verdrängungseffekte: Analyse möglicher marginalen Lieferanten für den Rohstoff Körnermais in Deutschland nach Pizzol und Scotti (2016)
Wirkungsindikator für Klimawandel, IPCC AR5 100, excl biogenic carbonAgrifootprint Datenbank: Blonk Consultants (2015)
BR: ~+60%
BE: ~-30%
Analyse mit Daten aus FAOSTAT (2017)
• Deutsche Handelspartner von
Körnermais 1998-2013.
• Produktionsmengen von Körnermais.
Top 10
1.Germany 6. Austria
2. Belgium 7. Poland
3. Netherlands 8. Bulgaria
4. Czech Republic 9. Slovakia
5. Greece 10. Brazil
27.11.2017Universität Stuttgart 7
Substitutionseffekte von Koppel- und Kaskadenprodukten
Koppel- bzw. Kaskaden-produkt
Substitution nach Weidema et al. (2009)
Stroh (Ko) Ausbringung Mist, Mineraldünger
Eiweiß (Ko) Markt für Eiweißfutter
Öl (Ko) Markt für Pflanzenöl
eigene Berechnungen nach ecoinvent (2016), UM-BWL, STALA-BWL (2016), STALA-BWL (2017) u.a.
• Kaskadenprodukte werden als weitere Koppelprodukte bilanziert.• Die Kaskadennutzung leistet auch einen Beitrag zur Reduktion der klimarelevanten Emissionen (~10%).• Die höchste Gutschrift ergibt sich durch die Substitution von Eiweißfuttermittel (~15%-30%).
Wirkungsindikator für Klimawandel, IPCC AR5 100, excl biogenic carbon
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Gutschrift Eiweißfuttermittel Gutschrift Kaskade
Gips (Ko) Markt für Gips
Strom (Ka) Strommix BW 2014
Wärme (Ka) Wärmemix BW 2014
-45%
-22%-32%
14
Körnermais zu 4Fs - Betrachtung einfacher funktioneller Einheiten
• Vergleich zwischen den Körnermais-basierten Endprodukten ist nicht möglich.• Aber Vergleich gegenüber (fossilen) Alternativprodukten ist möglich.• Bei der energetischen Kaskadennutzung biobasierter Produkte sind die klimarelevanten
Verbrennungsemissionen biogener Natur. 21.11.2017
Wirkungsindikator für Klimawandel, IPCC AR5 100, excl biogenic carbon
+74,3%
+0,3%
+61,8%
eigene Berechnungen nach ecoinvent (2016), UM-BWL, STALA-BWL (2016), STALA-BWL (2017) u.a.
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Körnermais zu 4Fs - ein gemeinsamer Nenner: die Fläche
• Die klimarelevanten Emissionen des Rohstoffs Körnermais machen zwischen 37% (PLA) und 96% (Futtermittel) der klimarelevanten Emissionen der Produktsysteme aus.
• Die PLA-Produktion ist mit hohen klimarelevanten Emissionen verbunden (Energieverbrauch).• Durch die Substitution von Eiweißfuttermittel (Schlempe) sind die Netto-Emissionen des Produktsystems
Bioethanol vergleichbar zum Produktsystem Futtermittel.
Wirkungsindikator für Klimawandel, IPCC AR5 100, excl biogenic carbon
1521.11.2017
76% 96% 37% 37% 71%
~3x
IER Universität Stuttgart 16
Ergebnisse
Stoffstromanalyse Körnermais zu 4 Fs in BW 2014
• Deckung der Nachfrage an Endprodukten aus
Körnermais in BW 2014: umgerechnet ca. 93.000 ha.
• Insgesamt werden 53% dieses Flächenbedarfs in
BW gedeckt.
• 46% des Flächenanspruchs betrifft Körnermais als
Futtermittel.
• Monitoring von Stoffströmen über gesamte
Produktlebenswege ist empfehlenswert.
eigene Berechnungen nach Destatis (2014), DMK (2017), Härdtlein et al. (2013), STALA-BWL (2016) u.a.
KörnermaisertragBW: 9,6 t FM/haDE: 8,9 t FM/ha
21.11.2017
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LCA + Stoffstromanalyse BW 2014
• Auf Basis der aktuellen Stoffströme in BW relativiert sich das Ergebnis für das Produktsystem PLA.
• Die Nutzung von Körnermais als Futtermittel leistet aktuell den höchsten Beitrag zur Wirkungskategorie Klimawandel.
• Trotz prognostizierter Entwicklungen im PLA-Sektor, werden die jährlichen klimarelevanten Emissionen der PLA- deutlich unterhalb der Emissionen der Futtermittel-Produktsysteme bleiben.
eigene Berechnungen nach BLE (2015), Gamer (2017), IfBB (2015), nova Institut (2016), VDGS (2017) u.a.
Wirkungsindikator für Klimawandel, IPCC AR5 100, excl biogenic carbon
~180x ~109x
Fazit5
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• Ausarbeitung einer Methode basierend
auf dem entscheidungsorientierten LCA
zur Berücksichtigung von Verdrängungs-
und Substitutionseffekten biobasierter,
multifunktionaler Produktsysteme.
• Kaskadenprodukte werden als weitere
Koppelprodukte durch Substitution
bilanziert.
• Die energetische Kaskadennutzung ist
nahezu klimaneutral zu bewerten.
• Die Interpretation und Kommunikation der
Ergebnisse aus LCA erfordert eine
vielschichtige Betrachtung.
• Ein zielgerichtetes Monitoring von
Stoffströmen in der Bioökonomie ist
empfehlenswert.
Körnermais zu 4 Fs in BW 2014
• Die Herkunft von Körnermais kann mit
sehr unterschiedlichen klimarelevanten
Emissionen verbunden sein.
• Nur 53% des Flächenbedarfs wird mit
Anbauflächen im Inland gedeckt.
• Änderungen beim Konsumverhalten
können einen wichtigen Beitrag zu einer
nachhaltigen Bioökonomie leisten.
Fazit
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E:
T: +49 (0) 711 685-
F: +49 (0) 711 685-
Systemanalyse und Erneuerbare Energien
IER Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung
Heßbrühlstraße 49a 70565
Stuttgart
Natalia Matiz Rubio
878-63
878-83
Fachgruppe Bioenergie
27.11.2017Universität Stuttgart 11
• BLE (2015): Evaluations- und Erfahrungsbericht für das Jahr 2014. Biomassestrom-Nachhaltigkeitsverordnung, Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung. Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung.
Bonn.
• Blonk Consultants (2015): Agri-footprint 2.0.
• BMEL (2014): Nationale Politikstrategie Bioökonomie. Nachwachsende Ressourcen und biotechnologische Verfahren als Basis für Ernährung, Industrie und Energie. Bundesministerium für Ernährung und
Landwirtschaft. Berlin.
• DESTATIS (2014): Landwirtschaftliche Bodennutzung und pflanzliche Erzeugung. 2013. Statistisches Bundesamt (Land- und Forstwirtschaft, Fischerei, Fachserie 3 Reihe 3).
• Die Bundesregierung (2014): Roadmap Bioraffinerien. im Rahmen der Aktionspläne der Bundesregierung zur stofflichen und energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe. Bundesministerium für
Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz; Bundesministerium für Bildung und Forschung; Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit; Bundesministerium für Wirtschaft
und Energie. Berlin.
• DMK (2017): Mais. Deutsches Maiskomitee e.V. Online verfügbar unter www.maiskomitee.de, zuletzt geprüft am 01.02.17.
• ecoinvent (2016): ecoinvent data v3.3. St. Gallen.
• FAOSTAT (2017): Production and Trade Matrix data. www.fao.org/faostat/
• FNR (2014): Basisdaten Bioenergie Deutschland 2014. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. Gülzow-Prüzen.
• Gamer, W. (13.03.17): Besprechung über Maisverbrauch in Baden-Württemberg. Hohenheim, 13.03.17. Gespräch an N. Matiz.
• Härdtlein, Marlies; Eltrop, Ludger; Messner, Jörg; Dederer, Manfred (2013): Schwachstellen-Identifikation und Optimierungspotenziale von Biogasanlagen in Baden-Württemberg. Eine technisch-
ökonomische Analyse auf der Basis einer Befragung von Biogasanlagenbetreibern. Endbericht. Hg. v. Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart. Universität
Stuttgart; Staatliche Biogasberatung Baden-Württemberg.
• IfBB (2015): Biopolymers facts and statistics. 2. Aufl. Hochschule Hannover, Institute for Bioplastics and Biocomposites. Hannover.KTBL (Hg.) (2012): Energiepflanzen. Daten für die Planung des
Energiepflanzenanbaus. Unter Mitarbeit von T. Belau, H. Döhler, H. Eckel, J. Frisch, N. Fröba, M. Funk et al. 2. Aufl. Darmstadt: Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V. (KTBL-
Datensammlung mit Internetangebot).
• KTBL (Hg.) (2014): Betriebsplanung Landwirtschaft 2014/2015. Daten für die Betriebsplanung in der Landwirtschaft. Unter Mitarbeit von J. Frisch, S. Fritzsche, N. Fröba, M. Funk, C. Gaio, E. Grimm et al.
24. Aufl. Darmstadt: Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V. (KTBL-Datensammlung).
• nova Institut (2016): Bio-based Building Blocks and Polymers. Global Capacities and Trends 2016 – 2021. Short version. european bioplastics; nova-Institut GmbH. Hürth.Pizzol, M.; Scotti, M. (2016):
Identifying marginal supplying countries of wood products via trade network analysis. In: Int J Life Cycle Assess 67, S. 474. DOI: 10.1007/s11367-016-1222-6.
• STALA-BWL (2017): Bruttostromerzeugung in Baden-Württemberg seit 2003 nach Herkunft und Energieträgern. Statistisches Landesamt Baden-Württemberg. Online verfügbar unter http://statistik.baden-
wuerttemberg.de/Energie/ErzeugVerwend/EN-BS-HK.jsp, zuletzt geprüft am 01.03.2017.
• UM-BWL; STALA-BWL (2016): Energiebericht 2016. Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg; Statistisches Landesamt Baden-Württemberg. Stuttgart.
• VDGS (2017): Zahlen und Daten zur deutschen Stärke-Industrie, zuletzt geprüft am 06.01.17.
• Weidema, B. P.; Ekvall, T.; Heijungs, R. (2009): Guidelines for application of deepened and broadened LCA. CALCAS project. 2.-0 LCA consultants; Swedish Environmental Research Institute IVL; Leiden
University, Institute of Environmental Science CML.
• Wu, F.; Johnston, L. J.; Urriola, P. E.; Hilbrands, A. M.; Shurson, G. C. (2016): Evaluation of NE predictions and the impact of feeding maize distillers dried grains with solubles (DDGS) with variable NE
content on growth performance and carcass characteristics of growing-finishing pigs. In: Animal Feed Science and Technology 215, S. 105–116. DOI: 10.1016/j.anifeedsci.2016.02.023.
• Würdinger, E.; Roth, U.; Wegener, A.; Peche, R. (2002): Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen: Vergleichende Ökobilanz für Loose-fill-Packmittel aus Stärke bzw. Polystyrol. Bayerisches Institut für
Angewandte Umweltforschung und –technik - BIfA GmbH,. Augsburg.
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Literatur
Anhang
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Leitgedanken für eine nachhaltige Bioökonomie
• Leitgedanke #2: „Die Nutzungswege von Biomasse sind in
ihren Vernetzungen und Wechselwirkungen zu betrachten, um
Potenziale und Konkurrenzen zu erkennen (…).“
• Leitgedanke #4: „Wo möglich und sinnvoll, ist die Kaskaden-
und Koppelnutzung von Biomasse zu realisieren.“
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BMEL (2014)
Die Nationale Politikstrategie Bioökonomie
BMEL (2014)
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Einheitliche Betrachtung durch Modellierung der Substitutionseffekte
Koppel- und Kaskadenprodukte
27.11.2017Universität Stuttgart 13
KTBL (2017), Online-Anwendung
Körnermais (Bioethanolproduktion), wendend, gezogene Saatbettbereitung, Saat, konventionell/integriert, Schlaggröße 2 ha, Ertragsniveau mittel, mittlerer Boden, 67-kW-Mechanisierung, Hof-Feld-Entfernung 2 km
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Grain Maize
Results validation
27.11.2017Universität Stuttgart 14
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Starch
Results validation
21.11.2017IER Universität Stuttgart 28
Feedstuff
Results validation
27.11.2017Universität Stuttgart 15
21.11.2017IER Universität Stuttgart 29
PLA
Results validation
21.11.2017IER Universität Stuttgart 30
Bioethanol
Results validation
27.11.2017Universität Stuttgart 16
21.11.2017IER Universität Stuttgart 31
Baden-Württemberg 2014
Stoffstromanalyse
Körnermais zu 4Fs ohne Stroh
Körnermais zu 4Fs mit Stroh
• Der gesamte Flächenanspruch aus BW kann
doppelt genutzt werden, wenn der Stroh als
Koppelprodukt betrachtet wird.
• D.h. insgesamt wird 58% der Fläche wird
stofflich genutzt, davon 6% auch für
Lebensmittel, 46% auch für Futtermittel und
1% auch energetisch.
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Ergebnisse
Stoffstromanalyse Körnermais zu 4 Fs in BW 2014
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Modelled Ecoinvent ∆ modelledvsecoinvent
Starch Maize starch, global market
-39,7%
Feedstuff Maize grain, feed, global market
+17,8%
PLA PET, global market
-0,3%
Bioethanol Petrol, EURO 4, incl. combustion
-61,8%
PLA, cascade PET, cascade -74,3%
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Mögliche Alternativprodukte aus der ecoinvent Datenbank
Kombinierte funktionelle Einheit: 5,3 t Stärke + 102,6 GJNE Feedstuff + 3,5 t PLA + 65,6 GJ
Verdrängungseffekte in den 4Fs
• Die energetische Biomassenutzung und die energetische Kaskadennutzung sind mit biogenen Verbrennungsemissionen verbunden, was sich auf die Klimabilanz positiv wirkt.
IER Universität Stuttgart
• Auswertung weitere Umweltwirkungskategorien.
• Erweiterung der Analyse durch das „societal Life Cycle Costing“ zur Vervollständigung
der Nachhaltigkeitsbetrachtung von Produktsystemen.
• Modellierung der Verdrängungseffekte zwischen der Marktsegmente durch
Preisänderungen.
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Ausblick