Bioenergie

Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK)

Durch Kogeneration von Strom und Wärme/Kälte wird der Energiegehalt von Biomasse hocheffzient genutzt. KWKK-Anlagen für holzartige Biomasse sowie für Biogas und Biomethan sind in einem großen Leistungsbereich verfügbar und vielfältig einsetzbar. Verwendet werden u. a. mit biogenen Gasen betriebene Stirling-Motoren, Dampfmotoren, Gasmotoren,  (Mikro-)Gasturbinen, ORC-Anlagen (Organic Rankine Cycle Technik) und Dampfturbinen.

Effziente Technologien
Ausgangspunkt für die Weiterentwicklung der Bioenergie sind energieeffziente, emissionsarme Konversionstechnologien. Eingesetzt werden biologisch-chemische, thermo-chemische und physikalisch-chemische Umwandlungsprinzipien. Zentrale Herausforderung ist die Flexibilisierung dieser Komponenten zu „smarten“ Bereitstellungskonzepten: Dabei geht es einerseits um ein integriertes Energiesystem, in dem die Bioenergie zielgerichtet andere fluktuierende erneuerbare Energiequellen im optimierten Zusammenspiel ergänzt und andererseits um die gekoppelte stofflich-energetische Nutzung der Biomasse im Rahmen der Bioökonomie (s. u.).

Integrierte stofflich-energetische Nutzung
In der Bioökonomie wird die Ressource Biomasse durch die Kopplung von stofflicher und energetischer Nutzung sowie Kaskadennutzung höchsteffzient eingesetzt. Es entstehen neue und verlängerte Nutzungspfade und Wertschöpfungsketten. In Bioraffinerien wird die Prozessenergie klimaneutral aus einem Teil der eingesetzten Biomasse bereitgestellt oder als Energieträger ausgekoppelt. Die eingesetzten Rohstoffe werden vollständig genutzt und Nährstoffe können in geschlossenen Kreisläufen geführt werden.

Nachhaltige Rohstoffbasis
Die Verfügbarkeit von Biomasse ist limitiert. Im Ausbau von Koppel- und Kaskadennutzung, dem Schließen von Stoffkreisläufen sowie der Nutzung biogener Reststoffe liegen aber noch erhebliche Ausbau- und Optimierungspotenziale. Um diese Potenziale zu heben, sind Lebenszyklusanalysen zur Nachhaltigkeitsbewertung ein wesentliches Element. Der Einsatz von Biomasse trägt in besonderem Maße zum künftigen Kohlenstoffkreislauf bei, bei dem im Sinne der Kreislaufwirtschaft die fossile Rohstoffbasis von Energie- und Industriesektoren durch nachwachsende Rohstoffe und Recyclingströme ersetzt wird.

Bioenergie soll technisch und ökonomisch effzienter sowie ökologisch verträglicher werden. Die Forschung zielt auf die optimale energetische Biomassenutzung.

F&E zur Einbindung von Bioenergie in das Energiesystem
Bioenergie muss ganzheitlich, systembezogen und im Zusammenspiel mit den anderen erneuerbaren Energieformen weiterentwickelt werden.

• Systemanalyse der bedarfsgerechten Bioenergiebereitstellung und Ableitung von Steuerungselementen
• Untersuchung der Bedeutung einer bedarfsgerechten Bioenergiebereitstellung im Rahmen der Sektorenkopplung
• Markt- und Optimierungsmodelle zur Einbindung von Bioenergie ins Energiesystem, insbesondere jenseits des EEG: integrierte (inter-)kommunale Energiekonzepte zur Mobilisierung und Nutzung biogener Reststoffe
• Netzdienstleistungen von Bioenergieanlagen
• ökologische Aspekte und Nachhaltigkeitskriterien der Biomasseproduktion und stofflich-energetischen Nutzung
• räumliche, strukturelle und politische Rahmenbedingungen der Bioenergieproduktion
• Monitoringsysteme und Minimierung von Nutzungskonkurrenzen
• Verbesserung der lokalen Effekte und sozialen Akzeptanz von Biomassebereitstellung und Bioenergienutzung

F&E zur Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte
Die dezentrale und kosteneffziente Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte im industriellen und privaten Sektor soll weiter optimiert werden.

• Anlagenkonzepte für die netz- und versorgungsstabilisierende Integration von Bioenergieanlagen in bestehende und zukünftige Infrastrukturen
• Prozessregelung für die bedarfsgerechte Anlagenflexibilisierung
• Entwicklung weitgehend emissionsfreier Kesseltechnik
• Einbindung von ORC-Anlagen, Turbinen und Vergasersystemen sowie (Mikro)-Kraft-Wärme-Kälte–Kopplungsanlagen
• Verbesserung der Brennstoff- und Lastfexibilität von Kraft-Warme-Kälte-Kopplungsanlagen
• Erhöhung des Wirkungsgrades durch neue Materialien, Prozessoptimierung und innovative Kraftwerkskonzepte
• Verlängerung der Lebensdauer insbesondere der hochbelasteten Heißgaskomponenten in Bezug auf erhöhte Anzahl der Startvorgänge und Lastwechsel
• Reduktion der Herstellungskosten insbesondere der hochbelasteten Heißgaskomponenten
• Gasreinigungsverfahren zum Synthesegaseinsatz in Brennstoffzellen
• Tools zur Planung und Wirtschaftlichkeitsbeurteilung von Nahwärmenetzen mit Speichern auf Basis von Biomasse
• Untersuchung der Möglichkeiten, Solarthermie in Nahwärmenetzen zur Substitution von Biomasse zuverwenden
• Auswirkungen einer verstärkten Biomassenutzung für Prozessenergie auf die Bereitstellung von Flexibilitätsoptionen im Strommarkt

F&E zur Bereitstellung von Kraftstoff
Biokraftstoffe stellen eine wichtige Alternative zu fossilen Kraftstoffen dar. Ihr CO2-Minderungspotenzial muss weiter ausgeschöpft und Nutzungskonkurrenzen müssen reduziert werden.

•  hocheffziente Kraftstoffbereitstellung in neuen Bioraffinerien
• bevorzugte Nutzung von Biomasse zweiter und auch dritter Generation
• Nutzung von erneuerbarem Strom und nachhaltigen C-Quellen
• fermentative Herstellung von Energieträgern
• Verfahren auf Basis von pfanzlichen Ölen und Reststoffen aus Industrie, Haushalten, Agrarproduktion, Forstwirtschaft und Algen
• Maximierung des Kohlenstoff-Nutzungsgrades bei der Kraftstofferzeugung
• Neue Gastrenn-, Gasreinigungs- und Gaskonditionierungsverfahren
• Entwicklung schadstoffresistenter, für den Rohstoff Biomasse angepasster Katalysatoren zur Gaskonditionierung und Kraftstoffsynthese
• Weiterentwicklung und Optimierung der Bioraffineriekonzepte
• Ökologische Bedeutung einer verstärkten Bereitstellung von Biotreibstoffen der ersten Generation als Kopplungsprodukte der Proteinherstellung

F&E zur nachhaltigen Integration der stofflichen und energetischen Nutzung in die Biomasse-Produktionssysteme
Biomasse dient als Ausgangsstoff vieler Wertschöpfungsketten. Die Forschung verfolgt eine gekoppelte, kaskadierende Nutzung. Auch bei einer energetischen Vornutzung können stofflich nutzbare Produkte anfallen.

• Energieträger / Prozessenergie aus Nebenprodukten stofflicher Prozesse
• Entwicklung neuer Koppel- und Kaskadennutzungspfade
• Integration der energetischen Nutzung in die Prozesse zur Verbesserung der Nachhaltigkeit der Nahrungs- und Futtermittelproduktion (z. B. durch Kombination der Pfanzenölproduktion mit der Nutzung des eiweißhaltigen Presskuchens als Tierfutter)
• Prozesse zur Abtrennung von Nährstoffen und zum Schließen von Stoffkreisläufen
• Prozesse zur Abtrennung von Wertstoffen
• Integration neuer Wertschöpfungsketten in bestehende Bioenergieprozesse