Diese Seite behandelt zur Zeit nur die
Flächennutzung für Energie-Pflanzen.
Eine Erweiterung des Themas ist geplant.
Flächen-Nutzung
This page currently only deals with
land use for energy crops.
An expansion of the topic is planned.
Land Use
Agrar-Energie
Ein wenig beachteter Aspekt ist der Zusammenhang zwischen dem Flächenbedarf
für den Anbau von Energiepflanzen zur Gewinnung von Brenn- und Kraftstoffen
und dem Nutzungsgrad der solaren Einstrahlung durch diese Pflanzen.
Anhand einiger Beispiele wird dieser Zusammenhang erläutert und quantitativ
mit der Photovoltaik verglichen. Die Beispiele und Zahlen entstammen
teilweise der Ausstellung über nachwachsende Rohstoffe ‘NaWaRo’, die
vor einigen Jahren in verschiedenen botanischen Gärten zu sehen war.
Agricultural Energy
One aspect that has received little attention is the relationship
between the land required for the cultivation of energy crops for
the production of fuels and the degree of utilization of solar
irradiation by these crops.
By means of some examples, this connection will be explained and
quantitatively compared with photovoltaics. The examples and figures
are partly taken from the exhibition on renewable resources 'NaWaRo',
which was on display in various botanical gardens a couple of years ago.
Biodiesel
In Deutschland wird Biodiesel aus Raps (~80%) und aus Soja (~20%) gewonnen.
Der jährliche Ertrag wird mit einem Bereich von 640 bis 1590 Liter Biodiesel
pro Hektar angegeben [NaWaRo].
Der energetische Ertrag ergibt sich aus diesen Zahlen mit dem Heizwert
(~33 MJ/L bzw. ~9.1 kWh/L) oder dem Brennwert (~35 MJ/L bzw. ~9.8 kWh/L)
im Bereich von ungefähr 6 MWh bis maximal 16 MWh pro Hektar und Jahr.
Die jährliche solare Einstrahlung in Deutschland von rund 1 MWh/m² ergibt,
hochgerechnet auf einen Hektar (= 10 000 m²), insgesamt 10 000 MWh/Jahr.
Ein Energieinhalt von 6 bis 16 MWh des pro Hektar jährlich erzeugten Biodiesels
bedeutet demnach einen Nutzungsgrad der eingestrahlten Solarenergie von
0.06% bis 0.16%. In einem Dieselmotor wird davon allerhöchstens die Hälfte,
meist unter 1/3 in Bewegungsenergie umgesetzt. Der gesamte Nutzungsgrad
der Sonnenenergie beträgt also deutlich unter 1 Promille!
Biodiesel
In Germany, biodiesel is produced from rapeseed (~80%) and from
soybeans (~20%). The annual yield is given in the range of 640
to 1590 liters of biodiesel per hectare [NaWaRo].
The energetic yield results from these figures with the heating value
(~33 MJ/L resp. ~9.1 kWh/L) or the calorific value (~35 MJ/L or
~9.8 kWh/L) in the range of approx. 6 MWh to a maximum of 16 MWh
per hectare and year.
The annual solar irradiation in Germany is about 1 MWh/m². On one hectare
(= 10 000 m²) this corresponds to 10 000 MWh / year.
An energy content of 6 to 16 MWh of the biodiesel produced per hectare
per year therefore means a degree of utilization of the irradiated
solar energy of 0.06% to 0.16%. In a diesel engine, at most half of
this energy, usually less than 1/3, is converted into motive energy.
The total degree of utilization of the solar energy is therefore clearly
below 1 per mille!
Bioethanol
Der jährlicher Ertrag eines Hektars Zuckerrüben wird mit etwa 6250 Liter
Bioethanol angegeben [NaWaRo]. Mit dem Heizwert (~22.7 MJ/L bzw.
~6.3 kWh/L) oder dem Brennwert (~25.4 MJ/L / ~7.1 kWh/L)
resultieren daraus 40 - 45 MWh pro Hektar, was einem Nutzungsgrad der
solaren Einstrahlung von 0.4 - 0.45% entspricht. In einem Ottomotor
genutzt liegt der Gesamt-Nutzungsgrad der Sonnenenergie um 1 Promille.
Bioethanol
The annual yield of one hectare of sugar beet is given as about 6250 liters of
bioethanol [NaWaRo]. With the calorific value (~22.7 MJ/L or
~6.3 kWh/L) or the calorific value (~25.4 MJ/L / ~7.1 kWh/L)
this results in 40 - 45 MWh per hectare, which corresponds to a utilization rate of
solar radiation of 0.4 - 0.45%. With combustion in a
gasoline engine, the total degree of utilization of solar energy is around 1 per mille.
Biomethan
Das Methan aus einem Hektar Mais ergibt jährlich einen Energieertrag von rund 50 MWh,
was einer Nutzung der Sonnenenergie zu 0.5% entspricht. Wird damit in einem
Heizkraftwerk oder BHKW Strom und Wärme erzeugt, so nutzen beide die solare
Einstrahlung zu jeweils etwa 2 Promille.
Biomethane
The methane from one hectare of corn yields an annual energy yield of about 50 MWh,
which corresponds to a 0.5% use of solar energy. If this is used in a combined heat and
power and heat in a combined heat and power plant or a CHP unit, both use about
about 2 per mille each.
Brennholz
Der jährliche Zuwachs eines Waldes liegt in der Größenordnung 10 Erntefestmeter pro Hektar.
Je nach Holzart und Restfeuchte lassen sich daraus 20 - 30 MWh (thermisch) gewinnen.
Wird das Holz zum Heizen verwenden, dann entspricht das einer Nutzung der
Sonnenergie zu 2 bis 3 Promille.
Firewood
The annual increment of a forest is in the order of 10 harvest solid cubic meter per hectare.
Depending on the type of wood and residual moisture, 20 - 30 MWh (thermal)
can be obtained from it. If the wood is used for heating, then this
corresponds to a utilization of solar energy of 2 to 3 per thousand.
Ein Vergleichs-Beispiel:
Photovoltaische Stromerzeugung
Heutige Standard-Photovoltaik-Anlagen nutzen die solare Einstrahlung zu rund 15%,
wenn man die Einspeisung in das Stromnetz als Systemgrenze betrachtet.
In einer zukünftigen, weitgehend auf regenerativen Quellen beruhenden
Energieversorgung lassen sich Schwankungen im solaren Angebot nicht mehr
durch das Nachsteuern fossiler Kraftwerke ausgleichen. Deshalb sind dann
zusätzliche Techniken zur Speicherung und zur Umwandlung in speicherfähige
Energieformen in großem Maßstab erforderlich. Da sich diese Techniken
noch in Entwicklung befinden, werden hier die Speicher- und Umwandlungs-Verluste
mit etwa 50% im Mittel abgeschätzt, so daß sich ein Gesamt-Nutzungsgrad im um 7 bis 8%
der solaren Einstrahlung ergibt. Dies ist eine eher vorsichtige Schätzung,
da nur ein Teil der Energie gespeichert werden muß und weil keine zukünftige
technische Weiterentwicklung mit Verbesserung der Wirkungsgrade von Solarzellen eingerechnet ist.
Nach dieser überschlägigen Berechnung wird die Solarstrahlung bei PV-Versorgung um
einen Faktor von deutlich über 10 bis zu 100 besser genutzt als bei den betrachteten
Energiepflanzen. Um den gleichen Faktor verringert sich der Flächenbedarf zum
Bereitstellen einer bestimmten Energiemenge. Ähnliche Überlegungen lassen sich auch
für eine Reihe anderer Solarenergie-Nutzungsarten anstellen, beispielsweise
solarthermische Kraftwerke. (2)
A comparative example:
Photovoltaic Power Generation
Today's standard photovoltaic systems use about 15% of the solar irradiation,
if one considers the feed-in to the power grid as the system limit.
In a future energy supply largely based on renewable sources, fluctuations
in the solar supply can no longer be compensated for by the power plants.
For this reason, additional technologies for storage and conversion into
and conversion into storable forms of energy on a large scale.
Since these technologies are are still under development, the storage and
conversion losses are estimated to be about 50% on average, resulting in a
total efficiency around 7 to 8% of the solar radiation. of the solar irradiation.
This is a rather conservative estimate, because only a part of the energy
has to be stored and because there is no future technical development
with improvement of the efficiency of solar cells is included.
According to this rough calculation, solar radiation is better utilized by a
factor of significantly more than 10 up to 100 than
with the energy plants considered. The area required to provide a certain
amount of energy is reduced by the same factor. Similar considerations can
be made for a number of other other types of solar energy use, such as solar
thermal power plants. (2)
Fazit
Diese Betrachtung zeigt, daß die Erzeugung von Brenn- und Kraftstoffen
aus Energiepflanzen mit sehr niedrigen Nutzungsgraden der solaren
Einstrahlung erfolgt und aufgrund des daraus resultierenden großen Flächenbedarfs
für die großtechnische Nutzung nicht geeignet ist.
Hier handelt es sich um überschlägige Abschätzungen, deren Resultate
keinen Anspruch auf Exaktheit erheben können. Doch auch bei genaueren
Berechnungen mit besser abgesicherten Eingangsdaten ist zu erwarten,
daß die zentrale Aussage bestehen bleiben wird:
Energiepflanzen setzen
die Sonnenstrahlung nur zu einem sehr geringen Anteil in nutzbare
Energieformen um und führen deshalb bei großtechnischem Einsatz zu einer
gewaltigen Verschwendung von Agrarflächen, die für die Nahrungsmittel-Produktion
dringend benötigt werden.
In besonderen Fällen, wie beispielsweise der autarken Versorgung abgelegener Orte
mit geringem Energiebedarf, können Energiepflanzen dennoch eine geeignete Lösung sein.
Die obigen Überlegungen betreffen auch nicht die energetische Nutzung ohnehin
anfallender Rest- und Abfallstoffe, bei der keine zusätzliche Anbaufläche beansprucht wird.
Conclusion
This consideration is intended to show that the production of fuels
from energy crops occurs at a very low solar radiation conversion efficiency.
Because of the large amount of land required, is not suitable for large-scale use.
Examples and approximate values were used for the estimates.
Therefore, the results do not claim to be exact.
However, the central statement will remain valid
even with more precise calculations and when using better input data:
Energy crops convert only a very small proportion of solar radiation
into usable forms of energy and therefore, when used on a large scale,
lead to a huge waste of agricultural land that is urgently needed for food production.
In special cases, such as the self-sufficient supply of remote locations with
low energy demand energy crops may still be a suitable solution.
The above considerations also do not apply to the energy use of residual and
waste materials that do not require additional cultivation areas.
© D. Hennings (2012 - 2022)