„Potentiale nachwachsender Rohstoffe vor dem Hintergrund konkurrierender Nutzungen“

Liselotte Schebek und Witold-Roger Poganietz

Nachwachsende Rohstoffe als Energieträger

Der globale Klimawandel hat das Interesse an nachwachsenden Rohstoffen als Energieträger stark gefördert. Der Begriff nachwachsender Rohstoffe, auch als "Biomasse" bezeichnet, umfasst land- und forstwirtschaftliche Produkte und biogene Reststoffe. Ihr Beitrag zur Energieversorgung, gemessen als Gesamtanteil am Primärenergieaufkommen, betrug 2006 in Deutschland rund 3,2% (entsprechend rund 29 Mio. t TS); davon entfielen 80% auf die Erzeugung von Wärme und Strom und 20% auf die Produktion von Biokraftstoffen [1]. Dies erscheint auf den ersten Blick gering; es ist jedoch erklärtes Ziel von Energie- und Umweltpolitik auf nationaler und internationaler Ebene, diesen Anteil deutlich zu steigern. Die EU-Kommission legte am 7. Dezember 2005 einen Biomasseaktionsplan vor, mit dem eine Erhöhung des Biomasseeinsatzes von 69 Mio. t. (2003) auf 185 Mio. t. im Jahr 2010 angestrebt wird. Die Ziele dieses Aktionsplans werden in Deutschland durch eine Reihe nationaler Reglungen umgesetzt, u.a. das Erneuerbare-Energie-Gesetz (EEG) und das Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz (KWKG). Als eine Teilstrategie soll insbesondere der Einsatz von Biokraftstoffen steigen: Am 1. August 2006 trat das Energiesteuergesetz (EnergieStG) in Kraft, das in Verbindung mit dem seit 1.1.2007 geltenden Biokraftstoffquotengesetz (BioKraftQuG) der Umsetzung der Richtlinien 2003/96/EG und 2003/30/EG zur Förderung der Verwendung von Biokraftstoffen oder anderen erneuerbaren Kraftstoffen im Verkehrssektor dient.

Gerade Biokraftstoffe bringen jedoch gegenwärtig die Grenzen der Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen ins Bewusstsein der Öffentlichkeit: auch nachwachsende Rohstoffe bzw. die Flächen für ihren Anbau sind nicht unbegrenzt verfügbar, und nachwachsende Rohstoffe sind nicht nur Energieträger. Weltweit Aufsehen erregte Anfang 2007 die so genannte "Tortilla-Krise", bei der es in Mexiko zu Unruhen wegen der stark gestiegenen Preise des Grundnahrungsmittels Maismehl kam. Eine wesentliche Ursache des Preisanstiegs war die forcierte Förderung von Bioethanol auf Basis von Mais, mit der die US-Regierung die Abhängigkeit der USA vom Erdöl verringern will. Die Konkurrenz zwischen Energieträgern für die Reichen und Nahrungsmitteln für die Armen ist seitdem ein vieldiskutiertes Thema (Aktuelle Wochenschau, Woche 22 und 29).

Die "Tortilla-Krise" ist aber nur ein besonders plakatives Beispiel für vielfältige Konkurrenzen, bei der "neue" energetische Nutzungen auf "alte" stoffliche Verwendungen nachwachsender Rohstoffe treffen: auf die Verwendung im Baubereich, für die Herstellung von Textilien, als Rohstoff für Papier und für eine Vielzahl werkstofflicher Verwendungen, z.B. Möbel. Führt die steigende Nachfrage aus dem energetischen Bereich künftig in anderen Sektoren zu einer Verknappung von Rohstoffen? Und wenn ja, was sind die Folgen: werden dann in diesen Sektoren nachwachsende durch fossile Rohstoffe ersetzt, wird zukünftig Holz aus Sibirien nach Mitteleuropa importiert, werden in Deutschland extensiv genutzte Flächen zu Anbauflächen umgewandelt? Um gesamtwirtschaftliche Ziele des Klimaschutzes zu erreichen, müssen solche möglichen Folgewirkungen berücksichtigt werden.

Die Kohlenstoffströme der deutschen Anthroposphäre

Die Konkurrenz zwischen dem Energiesektor und anderen Sektoren der Wirtschaft lässt sich dadurch charakterisieren, dass beide auf die gleichen - begrenzten - Rohstoffe zurückgreifen: auf fossile und nicht-fossile Kohlenstoffträger. Eine verstärkte Nachfrage eines Sektors nach einem bestimmten Kohlenstoffträger kann zu Substitutionseffekten in anderen Sektoren führen; dadurch können sich insgesamt weitergehende Auswirkungen - z.B. hinsichtlich der Emission von Treibhausgasen - ergeben, die über den nachfragenden Sektor allein hinausgehen. Diese Zusammenhänge können analysiert werden auf Basis der Materialströme innerhalb der Wirtschaft; aus dem Kohlenstoffgehalt dieser Materialströme lassen sich gleichzeitig die durch energetische Nutzung freigesetzten CO2-Emissionen ermitteln. Um diese Interaktionen darzustellen, wurde erstmals ein gesamtwirtschaftliches Modell aller Kohlenstoffträger für Deutschland entwickelt.

Das Modell CarboMoG (Carbon Flow Modell of Germany) ist ein dynamisches Materialflussmodell des deutschen Kohlenstoffsystems [2]. Der Systemrahmen des Modells ist die Gesamtwirtschaft, d.h. die deutsche Anthroposphäre. Material- und Energieflüsse werden auf Prozessebene vernetzt darstellt. Bislang erfasst das Modell 170 Produktionsprozesse mit 215 Material- und Energieflüssen sowie die luftgetragenen Emissionen von CO2, CH4, N2O, SO2, CO, NOx, Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe (NMHC) und Staub. Weiterhin ist der Flächenbedarf von Prozessen, insbesondere im Bereich der Landwirtschaft, hinterlegt. Neben den Materialflüssen zwischen den einzelnen Prozessen werden auch Materialflüsse zwischen In- und Ausland sowie in und aus der natürlichen Umwelt, d.h. Lithosphäre und Atmosphäre, abgebildet. Geographische Systemgrenze ist Deutschland; das Basisjahr ist derzeit 2000; die Aktualisierung auf 2005 erfolgt gegenwärtig

Abbildung 1: Das Materialflussmodell CarboMoG - Aggregierte Ergebnisse für die Kohlenstoffbilanz der Gesamtwirtschaft von Deutschland für das Jahr 2000. Die Größenordnung der Kohlenstoffströme kann an Hand der Breite des als Referenz eingefügten Pfeils für 100 Mio t Kohlenstoff abgeschätzt werden; die genauen Werte sind der Literatur zu entnehmen [2].

Abbildung 1 zeigt die aggregierten Ergebnisse des Modells CarboMoG für das Jahr 2000 in Form eines Sankey-Diagramms. Das Modell ist strukturiert in Module, die sich an der Einteilung von Sektoren in der Wirtschaftsstatistik orientieren. Der größte Kohlenstoffstrom in die deutsche Anthroposphäre ist der Import: dieser teilt sich auf in den Import von Rohöl in den Sektor Industrie, dem die Raffinerien angehören, und in den Import von Gas und Kohle zur direkten Nutzung im Sektor Energie. Der zweitgrößte Input-Strom stammt aus der Lithosphäre, die dem geographischen Systemrahmen Deutschland zuzurechnen ist: dies sind die inländische Förderung von Kohle und Braunkohle, die von der Lithosphäre in den Sektor Bergbau, Steine, Erden geliefert und von diesem an den Sektor der Energieerzeugung weitergegeben werden. Ein anderer maßgeblicher Zufluss von Kohlenstoff in die Anthroposphäre erfolgt aus der Atmosphäre in den Sektor Landwirtschaft in Form der Bildung von Biomasse durch Assimilation. - Der Austrag von Kohlenstoff aus der deutschen Anthroposphäre erfolgt überwiegend in die Atmosphäre durch Verbrennung von Energieträgern, wobei der größte Beitrag aus den Sektoren Energieerzeugung und privaten Haushalte (Gebäude und Verkehr) resultiert. Kohlenstoffträger werden aber auch in relevanter Größenordnung exportiert in Form von Produkten der Raffinerien oder anderer Industriebereiche (z.B. chemische Industrie).

Der Unterschied zwischen den Einträgen von ca. 361 Mio t Kohlenstoff und den Austrägen von ca. 356 Mio. t Kohlenstoff beläuft sich für die deutsche Anthroposphäre auf ca. 5 Mio t Kohlenstoff. Diese Differenz kann interpretiert werden als Akkumulation von langlebigen kohlenstoffhaltigen Produkten, z.B. im Bausektor oder in Form langlebiger Konsumgüter. Als ein weiteres Ergebnis der Modellierung ergibt sich, dass in Bezug auf die Endnutzung die Menge der stofflich genutzten Kohlenstoffträger in etwa der Menge der energetisch genutzten entspricht. Hierbei ist die energetische Nutzung in Übereinstimmung mit der Erstellung von Energiebilanzen und der Energiestatistik definiert als die Umwandlung eines Energieträgers in Nutzenergie. Alle anderen Prozesse werden unter stofflicher Nutzung erfasst.

Technologiepotentiale und Nutzungskonkurrenzen

Ziel der Entwicklung von CarboMoG ist es, Szenarien zukünftiger Entwicklungen der Nutzung von Kohlenstoffträgern im Hinblick auf die gesamtwirtschaftlichen Auswirkungen auf Klimagase, sonstige relevante Emissionen und Flächennutzung zu untersuchen. Dabei gilt ein besonderes Interesse den Auswirkungen der Einführung neuer Technologien, beispielsweise für die Herstellung von Bio-Kraftstoffen der 2. Generation (Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 12).

Für die Analyse von Szenarien ist CaroMoG dynamisiert. Im Modell hinterlegt ist zum einen die Entwicklung wichtiger Rahmenbedingungen, beispielsweise der Bevölkerungsentwicklung, in Jahresschritten. Zum anderen sind auf Prozessebene relevante Einflussgrößen parametrisiert. Diese Parameter bilden die technologische Spannbreite von Prozessen ab, beispielsweise hinsichtlich der Effizienz der Nutzung des Einsatzstoffes. Durch rechnerische Variation aller Parameter einer Prozesskette lässt sich im Modell ein technologisches Optimierungspotential bestimmen.

Abbildung 2: Optimierte Prozesskette Laub- und Nadelholz

Ein Beispiel einer solchen Optimierungsrechnung zeigt Abbildung 2: untersucht wurde die Prozesskette Laub- und Nadelholz, deren Systemrahmen die Forstwirtschaft, das verarbeitende Gewerbe (Produktion von Bauholz, Möbeln, Verpackungen, sonstigen Holzprodukten) und die Nutzung dieser Produkte im Sektor Private Haushalte und Konsum umfasst. Innerhalb dieser Prozesskette sind die variierten Parameter ("Steuerungspunkte") u.a. der Holzertrag, der Wirkungsgrad von Verarbeitungsprozessen oder die Lebensdauer von Holzprodukten. Die beispielhafte Rechnung betrachtet noch nicht die Einführung technologischen Innovationen in der Holzbranche, sondern nur die Potentiale, die sich aus der Spannbreite der Parameter und ihrer optimierten Kombination ergeben. Dargestellt ist in Abbildung 2 die Gesamtemission an Treibhausgasen (als CO2-Äquivalente) für zwei Kurven, für den "Basisfall" und für die "optimierte Prozesskette". Im Basisfall wird unterstellt, dass die Parameter innerhalb der Prozesskette Holz auf den Annahmen durchschnittlicher Werte für den Technologie-Mix des Jahres 2000 verbleiben; es ändern sich nur die gesamtwirtschaftlichen Rahmenbedingungen (insbesondere Energiemix, Effizienz der Energiekonversion in den Bereichen Kraftwerke und Verkehr, Bevölkerung). Dieser "Strukturwandel" durch Änderungen der Rahmenbedingungen führt zu einer Reduzierung der Gesamtemissionen der Prozesskette Holz, die allerdings entsprechend der zu Grunde gelegten Annahmen für den "Strukturwandel" nicht linear verläuft. Im Fall "Optimierte Prozesskette" werden alle Parameter innerhalb der möglichen Spannbreite variiert und das Minimum der Emissionen aller möglichen Kombinationen ermittelt. Dementsprechend stellt die Kurve das Minimum an Emissionen bei Ausschöpfung aller zum gegenwärtigen Zeitpunkt bestehenden technologischen Möglichkeiten dar.

Als Aussage ergibt sich, dass durch Optimierung aller technischen Parameter für das Jahr 2000 ein Einspar-Potential von 30 Mt CO2-Äquivalenten zu realisieren ist. Die akkumulierte Menge an eingesparten CO2-Äquivalenten beträgt für die Jahre 2000 bis 2025 insgesamt 720 Mt.

Mit entsprechenden Optimierungsrechnungen lassen sich jedoch nur technologisch mögliche Potentiale bestimmen. Ob sich neue Technologien am Markt durchsetzen werden oder nicht, bleibt unbeantwortet. Um auch diese Fragen untersuchen zu können, wurde das Materialflussmodell CarboMog erweitert zum ökonomisch-technischen Modellsystem CarboMoG-E.

CarboMoG-E basiert auf einem Gesamtdatensatz, der Produktionskoeffizienten, Flächen- und Kapazitätsrestriktionen, Kosten und Endnachfrage nach bestimmten Gütern enthält. Mit Hilfe eines Lösungsalgorithmus wird der minimale Kostenpunkt im System bestimmt, d.h. das volkswirtschaftliche Minimum der Kosten aus den möglichen Kombinationen aller Parameter ermittelt. Hierbei wird berücksichtigt, dass Kapazitätsrestriktionen einer Technologie im Zeitablauf durch Investitionen vermindert werden können. Die Produktionsmengen der modellierten End- und Zwischenprodukte bzw. Technologielinien bilden die Lösung des Modells. Damit werden als sekundäre Ergebnisse die Emissionen der einzelnen Prozesse und des Gesamtsystems, die Struktur der Flächennutzung und die Beschäftigung ermittelt. Auch für CarboMoG-E ist der geographische Systemrahmen Deutschland. Das heißt, in dem nachfragedeterminierten Modell wird nur die Endnachfrage in Deutschland als auslösende Größe der Stoffströme wirksam. Da die Nachfrage aber auch über Importe gedeckt wird, werden zusätzlich relevante Produktionsprozesse in wichtigen Importländern erfasst.

Abbildung 3: Flächennutzung für Rohstoffe zur Produktion von Biokraftstoffen. Gesamtflächen des Anbaus für alle Verwendungen der jeweiligen Biomasse, d.h. für Nahrung, stoffliche und energetische Nutzung in Abhängigkeit vom Rohölpreis in $/barrel.

Auf Basis des erweiterten Modells CarboMoG-E kann nun die Fragestellung von Nutzungskonkurrenzen analysiert werden. Ein beispielhaftes Ergebnis ist in Abbildung 3 dargestellt; es wurde einem umfangreichen, noch laufenden Vorhaben zur Untersuchung von neuen Technologien für Biokraftstoffe entnommen. Dargestellt sind die Flächenanteile für den Anbau unterschiedlicher Kulturen bzw. für die Nutzung als Grünland/Ackergras sowie Kurzumtriebsplantagen (Pappel) im Zeithorizont bis 2020 und unter verschiedenen Annah-men für die Entwicklung des Rohölpreises. Das dargestellte Referenzszenario beruht auf den derzeit geltenden rechtlichen und förderpolitischen Rahmenbedingungen und gibt die Gesamtflächen des Anbaus für alle Verwendungen der jeweiligen Biomasse wieder, d.h. für Nahrung, stoffliche und energetische Nutzung. Ins Auge fällt der Anstieg der Flächen für den Rapsanbau. Raps wird bisher in Deutschland im Wesentlichen auf Stilllegungsflächen mit einer Obergrenze von ca. 1,5 Mio. ha angebaut. Diese Begrenzung wird zukünftig voraus-sichtlich nicht mehr bestehen und wurde im untersuchten Szenario für das Jahr 2020 nicht mehr als Restriktion berücksichtigt. Durch die anhaltend hohe energetisch bedingte Nachfra-ge kommt es zur Ausweitung der mit Raps bebauten Flächen, die, wie die Abbildung zeigt, zu Lasten von Grünland- und Ackerflächen geht. Auch die mit Getreide bebaute Fläche steigt an, ebenfalls zu Lasten der Grünland- und Ackerflächen, allerdings hier überwiegend auf Grund einer steigenden Nachfrage nach pflanzlichen Nahrungsmitteln. Dies führt mittelbar zu einem steigenden Anfall von Stroh, das energetisch genutzt werden kann, insbesondere für den erwarteten Markteintritt von Technologien zur Produktion von Biokraftstoffen der 2. Generation. Auch der Markteintritt einer Technologie ist aber durch Restriktionen limitiert; beispielsweise dadurch, dass nur ein bestimmter Anteil an Stroh für Kraftstoffe tatsächlich genutzt werden kann - weil ein Teil als Einstreu benötigt wird - und dass die zur Verfügung stehenden Flächen insgesamt nicht mehr ausgeweitet werden können. Insgesamt lässt sich sagen, dass im untersuchten Referenzszenario die extensive Grünland- und Ackergrasnutzung im Inland vor allem zugunsten des Anbaus von Raps zur energetischen Verwendung verdrängt wird.

Ausblick

Mit CarboMoG und CarboMoG-E stehen neue modelltechnische Instrumente zur Analyse von Nutzungskonkurrenzen um Kohlenstoffträger zur Verfügung. Die Modelle werden derzeit bei Forschungsprojekten zu technologischer Innovationen in unterschiedlichen Sektoren eingesetzt, beispielsweise in der Möbelbranche [3]. Die untersuchten Fragestellungen beziehen sich einerseits auf eine Einschätzung von Marktpotenzialen neuer Technologien und Produkte unter Berücksichtigung der zukünftigen Verfügbarkeit nachwachsender Rohstoffe. Auf der anderen Seite kann die Umweltinanspruchnahme, insbesondere in Bezug auf Treibhausgase und Landnutzung, für Szenarien der Markteinführung einer Technologie ermittelt werden. Insgesamt sollen diese Forschungsarbeiten zu einer besseren Einschätzung von Chancen und Risiken neuer Technologien und Produkte auf Basis nachwachsender Rohstoffe ermöglichen und zur Entwicklung gesamtwirtschaftlich erfolgreicher Strategien der Nutzung nachwachsender Rohstoffe beitragen.


 

Kontakt

Prof. Dr. Liselotte Schebek
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse
Zentralabteilung Technikbedingte Stoffströme (ITAS-ZTS)
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76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Tel.: +49 (0)7247 82-65 61
E-Mail: liselotte.schebek@itas-zts.fzk.de

Literaturhinweise

[1] BMU - Erneuerbare Energien in Zahlen 2008
[2] Uihlein, A.; Poganietz, W.R.; Schebek, L. Carbon flows and carbon use in the German anthroposphere: an inventory. Resources, Conservation & Recycling 46 (2006), S. 410 - 429
[3] Feifel, S., Poganietz, W.R., Schebek, L.: Wabenplatten - ressourcen- und klimaschonend? Eine Analyse basierend auf einem Stoffstrommodell. in: Holz - Zeitschrift für Möbelhersteller, Laden- und Innenausbau, Nr. 5, 2008, S. 18-21
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