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Flächen-Nutzung

 

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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)