Energie aus Biomasse
Von der Fackel zur Leuchtdiode
Energie aus Biomasse zu gewinnen ist nichts Besonderes. Die Idee ist so alt wie die Erfindung des Feuers. Bereits seit der Steinzeit werden die dazu verwendeten Techniken kontinuierlich verbessert - von der Fackel bis zur LED-Beleuchtung, vom Lagerfeuer zur Nachtspeicherheizung, von der primitiven Kochstelle bis zum modernen Induktions-Kochfeld.
Weltweit werden 93 % der Bioenergie zum Kochen und Heizen verwendet, 86 % auf die traditionelle Methode durch die direkte Verbrennung von Feuerholz und Tierdung (Quelle 1).
Erst in jüngerer Zeit kamen anspruchsvollere Verwendungen von Biomasse neu hinzu: zunächst die Dampfmaschine und später leistungsfähige Motoren. Es sind die Motoren und die Mobilität, bei knapp werdenden Erdölreserven, welche die höchsten Anforderungen an den Energieträger, den geeigneten Treibstoff, stellen. Benzin, Diesel und Kerosin zu ersetzen ist bislang technisch und ökologisch am schwierigsten.
Heizen, Duschen und Baden mit Biomasse
Letztendlich sind Erdöl, Erdgas und Kohle nichts anderes als ehemalige beziehungsweise fossile Biomasse. Es sind Kohlenstoffverbindungen aus Pflanzen und Tieren, die hoch verdichtet und besonders rein sind und deswegen einen hohen Brennwert haben. Kohlebriketts, Stückholz oder Hackschnitzel in Öfen zu verbrennen, ist technisch vergleichbar. 
Die Zentralheizung und die Warmwasserbereitung mit Erdöl oder mit Holzpellets zu gewährleisten, stellt ebenfalls ähnliche technische Anforderungen. Zur Energiegewinnung aus Holz und anderen nachwachsenden Rohstoffen muss lediglich mehr Volumen gelagert und verbrannt werden als bei der Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen. In stationären Anlagen ist das technisch und logistisch leicht lösbar.
Sehr groß ist aber der Unterschied in der CO2-Bilanz, im Ausstoß von Treibhausgasen, dem Kohlendioxid. Holz als klassischer nachwachsender Rohstoff, genauso wie andere Energiepflanzen, ist zu 100 % regenerativ. Holzpelletheizungen haben einen Wirkungsgrad von über 90 % - fast alles Kohlendioxid wird recycled, denn das Holz dafür wächst kontinuierlich nach. Während die Bäume wachsen, versorgen sie uns mit Sauerstoff. Nur wenige Prozent CO2 bleiben bei der Pellet-Verarbeitung und dem Transport auf der Strecke.
Der Wirkungsgrad von Holzheizungen
liegt bei 90 %. Sie sind effizient,
CO2-
und klimaneutral. Der Wirkungsgrad
von Elektroheizungen und Nacht-
speicheröfen liegt bei 30 - 40 %
und wird größtenteils aus nicht-
regenerativen Energieträgern gespeist.
Bei den fossilen Energieträgern hingegen wird der gesamte über Jahrtausende gespeicherte Kohlenstoff in die Atmosphäre geblasen - ein gewaltiger Unterschied. Dieser Unterschied wird noch größer, wenn fossile Brennstoffe über den Umweg Strom als Energie genutzt werden. Dabei werden von vorne herein rund 60 % verschwendet, der Wirkungsgrad ist mit 40 % (Quelle: Umweltbundesamt) selbst in modernen Großraftwerken weiterhin gering (siehe Schema unten). Ein klarer Wegweiser zum Stromsparen.
Bei ökonomischer und ökologischer Betrachtung sollte Strom nur aus regenerativen Quellen erzeugt werden - aus Wind, Wasserkraft, Sonne und Erdwärme, echten regenerativen Energien oder aus organischen Abfallstoffen, also aus Biomasse.
Strom ist Luxus
Strom aus Großkraftwerken zum Heizen und zur Heißwasserbereitung zu verwenden, ist Energieverschwendung. Strom ist eigentlich ein veredeltes Luxusprodukt und viel zu schade für unkomplizierte Prozesse wie die Erzeugung von Wärme. 
Eine gute Energieeffizienz bei der Erzeugung von Strom und Ökostrom haben dezentrale Blockheizkraftwerke, die mit dem Prinzip der Kraft-Wärmekopplung arbeiten (Schema links). Hier wird die bei der Stromerzeugung anfallende Prozesswärme zum Heizen verwendet. Das funktioniert aber nur dann richtig gut, wenn nebenan auch etwas geheizt werden muss. Im Winter während der Heizsaison erreicht man mit gut ausgelegten Anlagen Wirkungsgrade von 70 bis über 90 %. Aber im Ganzjahresbetrieb? Zukunftsweisend sind entsprechend des Bedarfs angepasste Projekte und Anlagen zur Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, welche die benötigten Energieformen variabel bereit stellen. Mit Fernwärme und Fernkälte können Industrieprozesse aber auch Kühlräume direkt gekühlt werden, ohne den verschwenderischen Umweg über Strom.
Wenn Abfall veredelt wird
Energie aus Biomasse zu erzeugen, hat den gleichen Haken wie die Verstromung fossiler Brennstoffe. Verluste bei der Konversion von Biomasse in Biodiesel, Bioethanol, Biogas, Holzkohle oder Ökostrom durch unterschiedlich schlechte Wirkungsgrade müssen berücksichtigt werden. Auch hier kann eine nachhaltige Entwicklung nur im Betrieb von Anlagen mit Kraft Wärme-Kopplung oder entsprechenden Technologien voran schreiten. Doch das ist nicht das einzige Problem. Zur Produktion von Biomasse wird Fläche benötigt. Auf bestehenden Äckern führt der Anbau von Energiepflanzen zu Engpässen in der weltweiten Lebensmittelversorgung und zu steigenden Lebensmittttelpreisen. Kontraproduktiv bis katastrophal schlecht ist die Idee von der Energie aus Biomasse, wenn für den Anbau von Energiepflanzen neue Monokulturen entstehen, für die Naturstandorte umgebrochen werden, Wald abgeholzt wird und Pestizide zum Einsatz kommen. Unter solchen Projekten leidet neben der biologischen Vielfalt auch die CO2- Bilanz.
Der einzig richtige Ansatz ist auch gleichzeitig die ursprüngliche Idee, nämlich die Verwertung von ohnehin anfallender Biomasse. Reste und Abfallstoffe aus organischer Substanz können je nach Form vielfältig eingesetzt und zu hochwertigen Treibstoffen veredelt werden.
Biogas
Das Paradebeispiel für Energiegewinnung aus Abfall ist Biogas. Biogas entsteht auf natürliche Weise aus feuchten Abfällen durch mikrobiellen Abbau beziehungsweise Vergärung.
Biogas-Anlagen machen
feuchte Abfälle energetisch
nutzbar. Die Produkte
Methan (60 % im Biogas)
und organischer Dünger
werden dabei
unschädlich
für die Umwelt.
Ohne Biogasanlage wären feuchte Abfälle energetisch verloren, die Abbauprodukte beziehungsweise die Gase eine zusätzliche Belastung für die Umwelt. Durch Fäulnis organischer Stoffe entsteht auch in der Natur sehr viel Methan sowie Ammoniak und Schwefelwasserstoff. Die gezielte Aufbereitung in einer Biogasanlage verhindert die Ausgasung des klimaschädlichen Methans in die Atmosphäre und macht gleichzeitig das Gas nutzbar als Energieträger, beispielsweise für Ökostrom. Der Brennwert und die Einsatzmöglichkeiten von Methan sind dabei gleichzusetzten mit jenen von Erdgas. Biogas enthält rund 50 bis 70 % Methan und damit 50 bis
Biogasanlagen werden beschickt mit
Gülle und anderen Reststoffen der Tierhaltung, Grünschnitt aus der Landschaftspflege, Stroh, unverkäuflichen Zuckerrüben und Kartoffeln, Lebensmittelabfällen aus Industrie und Gastronomie sowie Haushalts-Biomüll. Abfall ist der Rohstoff für Biogas oder sollte man sagen "war"? Denn durch schlecht ausgedachte Subventionen ist es rentabel geworden, Mais anzubauen um ihn in Biogasanlagen zu verwerten. Und dabei ist es inzwischen gelungen, Biogas auch aus trockenem Abfall, nämlich aus Stroh und Restholz, zu erzeugen. Es entsteht sogenanntes Holzgas, aus dem in weiteren Prozessschritten - im Fischer-Tropsch-Verfahren - flüssiger Dieselkraftstoff erzeugt werden kann - das sogenannte BTL-Diesel (engl.: Biomass to liquid).
Die Herstellung von Biogas aus Günschnitt, Gülle und Restholz bietet viele ökologische Vorteile und keine Nutzungskonflikte mit der Nahrungsmittelerzeugung.
Festbrennstoffe - Biomasse für Ökostrom
Die direkte und naheliegende Form der Biomasseverwertung erfolgt mit Festbrennstoffen. Bei uns wird Holz verwendet, das im Forst und bei der Holzverarbeitung anfällt, teilweise auch landwirtschaftlich angebaut wird - meist in sogenannten Kurzumtriebsplantagen (KUP).
Der traditionelle Brennstoff ist Holz.
Bis heute ist Restholz zum Heizen
aber auch zur Verstromung
ökologisch am günstigsten.
Holz speist Kachelöfen und Kamine, kleine oder mittlere Holz-Hackschnitzel-Heizkraftwerken sowie Pelletheizungen. Gegen diesen Einsatz spricht wenig. Allerdings ist es eine Tatsache, dass diese Rohstoffe nicht in beliebigen Mengen verfügbar oder herstellbar sein werden. Erfolgreich als Biomasse-Brennstoffe sind aber auch vergleichbare Rohstoffe. Im großen Stil wird in Brasilien die Zuckerrohr-Bagasse als Energieträger verwendet. Das tropische Gras ist äußerst anspruchslos in der Kultur, wächst auf degradierten Feldern [1] auch ohne Pestizide oder synthetische Düngemittel und ist dabei sehr produktiv. Deswegen wird Bagasse auch zur Stromerzeugung verwendet. Die Biomasseproduktion von Zuckerrohr in den Tropen ist um ein Vielfaches höher als die von Mais, Weizen oder Raps bei uns. Von vorne herein sollte klar sein, dass Nahrungsmittel nicht verbrannt oder verstromt und auch nicht zu Bioethanol, Biogas oder Biodiesel werden sollten. Vernünftig erscheint dies nur bei Ernteabfällen, also bei Stroh.
Die ökologischen Auswirkungen der Biomasseverwertung von Mais sind vielerorts in Deutschland dramatisch - ganze Landschaften wie die Rheinebene sind mittlerweile eine einzige Mais-Monokultur mit den bekannten Folgen: massiver Schädlingsbefall durch den Maiswurzelbohrer und massiver Pestizideinsatz. Dies führte 2008 und seitdem zum Bienensterben.
Biokraftstoffe für Mobilität
Die anspruchsvollste Anwendung von Biomasse ist die zur Erzeugung von Bio-Sprit, Treibstoffen für Motoren vom Auto bis zum Flugzeug. Mobilität ist mit Festbrennstoffen schon allein wegen deren großen Volumens nicht zu realisieren. Auch kann in Kraftfahrzeugen die Abwärme der Verbrennung nicht genutzt werden. Heutige denkbare Motorentreibstoffe sind Biodiesel, Biogas und Ethanol, also Alkohol.
Bioethanol
Bioethanol im Benzin beziehungsweise Super-Kraftstoff ist ein aktuelles Thema, denn seit 2011 gibt es E10 an der Zapfsäule mit 10 % Bioethanol im Superbenzin. Auch für Ethanol ist Brasilien und das seit über 30 Jahren erfolgreich ausgebaute Bioethanolprogramm mit Zuckerrohr ein Vorbild. Die Herstellung erfolgt durch die alkoholische Gärung von Zucker und Stärke. Diese ist sehr effektiv bei Zuckerrohr.
Bei uns sind zur Herstellung von Bioethanol aber ander Pflanzen und zwar Kartoffeln, Mais, Roggen, Weizen und Zuckerrüben geeignet. Sie wachsen weit weniger produktiv als Zuckerrohr und haben ökologische Nachteile beim Anbau. Ihre Umwandlung in Ethanol ist deswegen ineffizient. Zu Biosprit wird nämlich nur der Zucker- und Stärkeanteil, also ein Teil der Inhaltsstoffe und nicht die Gesamtpflanze. Bei der alkoholischen Gärung wird neben Ethanol übrigens auch CO2 freigesetzt.
Biosprit vom Acker wie Bioethanol
und Rapsöl haben keine positive
Klimabilanz. Der Anbau erfordert
den Einsatz von Düngemitteln
und Pestiziden, die Ausbeute ist
gering, weil - anders als bei Holz -
nicht die gesamte Pflanze, sondern
nur der Zucker, Stärke oder Öl-
Anteil verwendet werden können.
Die Ausbeute an Bioethanol aus Mais ist mit ca.
Biodiesel
Beim Stichwort Biodiesel denkt man an Rapsöl und damit an die vielleicht ineffektivste und unökologischste Form der Biomassenutzung. Raps ist in der Kultur anspruchsvoll. Die Erträge an Biodiesel je Hektar sind gering. Ohne Pflanzenschutzmaßnahmen und Düngung ist der großflächige Anbau von Raps unmöglich. Es müssen Pestizide gegen zahlreiche Rapsschädlinge ausgebracht werden, vielfach mit großen Traktoren, die viel Diesel schlucken. Durch die Stickstoffdüngung wird ebenfalls viel Energie verbraucht. Auf dem Acker werden außerdem klimaschädliche Lachgas-Emissionen verursacht.
Glycerin ist ein Abfallprodukt der Biodiesel-Raffination und wird - schädlich für die Tiere, ihre Eier, Milch und Fleisch - über Tiermägen entsorgt!
Die Abholzung von Urwald
zur Produktion von Palmöl
als Biotreibstoff ergibt eine
katastrophale Klimabilanz,
und erhöht die Emission
von
Treibhausgasen je nach
Schätzung um 400 bis 1500 %
Die Palmölerzeugung in den Tropen erscheint zunächst produktiver. Da es sich bei der Ölpalme um eine Dauerkultur handelt, die als wesentlich ökologischer zu bewerten ist als einjährige Kulturen, ist ihr Anbau auf degradierten Flächen [1] ökologisch sinnvoll und führt zu einer positiven CO2-Bilanz. Die mit der Anpflanzung von Ölpalmen in Indonesien verbundene Abholzung von Urwäldern ist allerdings weder nachhaltig noch CO2-neutral sondern paradox. Nach Schätzungen von Experten verursacht die Produktion von einer Tonne Palmöl in Indonesien 10 bis 30 Tonnen CO2 Emissionen (Quelle 1). Diese sind bedingt durch den Verlust der Biomasse des Regenwaldes. 30 Tonnen CO2 entstehen bei
Die Ölpalme
ist eine produktive
Kulturpflanze für
hochwertiges Speiseöl
Indessen wird an der energieeffizienten Erzeugung von Biodiesel aus Holz und anderen Rest- und Abfallprodukten aus Forst und Landwirtschaft gearbeitet. Wie es scheint mit großen wissenschaftlichen Fortschritten.
Ziele und Zielkonflikte bei Bioenergie
Energie und Kraftstoffe
Seit Jahrzehnten wissen wir um die Endlichkeit der fossilen Erdölvorräte. Der Ersatz des Erdöls als Treibstoff für Industrie und Verkehr sowie für die privaten Haushalte steht im Fokus. Windenergie und Wasserkraft, Solarenergie und Photovoltaik sowie Geothermie können Wärme und Strom liefern, auch ohne landwirtschaftliche Flächen zu verbrauchen. Sie stellen keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion dar. Dennoch ist die Biomasse-Nutzung unverzichtbar.
Erdöl-Produkte
Auch wenn noch Jahrzehnte lang Erdölvorräte ausgebeutet werden können, ist die Verfügbartkeit dieses Rohstoffs bereits besiegelt. Die aus Erdöl herstellbaren Produkte wie Diesel und Benzin, Textilien, Kunststoffe, technische Fette oder Waschmittel anderweitig herzustellen, sind Herausforderungen der Gegenwart und Zukunft. Zumindest die stofflichen Produkte aus Erdöl müssen alternativ durch Biomasse ersetzt werden. Schon heute werden pflanzliche Fette, Fasern, Kohlenhydrate und Proteine auch zu Kunststoffen, Baustoffen, Hydraulikölen und sowieso zu Verpackungen, Textilien, und Kosmetik. Grundsätzlich kann aus Pflanzen alles hergestellt und synthetisiert werden, was auch aus Erdöl herstellbar ist. Dazu bedarf es aber großer Flächenanteile, nach Schätzungen ungefähr 10 % aller landwirtschaftlich nutzbaren Äcker (Quelle 1).
Klimaschutz
Seit mindestens einem Jahrzehnt nehmen wir auch den Klimawandel ernst. Die messbare Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre durch die Verbrennung fossiler Energieträger soll begrenzt werden. Zuviel CO2 in der Luft ist die Ursache für den bekannten Treibhauseffekt. Zuviel Kohlendioxid sammelt sich als Folge auch im Meerwasser an, was zur Versauerung der Ozeane führt. Deswegen ist es unabdingbar wichtig, sogenannte Kohlenstoff-Senken zu schaffen und zu erhalten, außerhalb von Luft und Meerwasser. Solche natürliche Kohlenstoffsenken sind die lebende und die tote Biomasse: stehendes Holz in Form von Wäldern, Pflanzenwuchs (Algen und Tange) in den Ozeanen, Grasländer und Prärien, Torfmoore aber auch Humus beziehungsweise humusreiche Böden.
Grünland als Kohlenstoff-Senke
In Moorböden, die mehrere Meter dick sein können, sind bis zu 500 kg Kohlenstoff je Tonne Boden gebunden, in normalem Grasland und Dauergrünland unserer Breiten immerhin bis 150 kg /Tonne (Quelle: Scheffer-Schachtschabel). Insgesamt ist die als Humus in Böden gebundene Kohlenstoffmenge 3 bis 5 mal größer als die in lebenden Pflanzen gebundene. Umpflügen von Dauergrünland, Wiesen und Weiden sowie die Trockenlegeung und Inkulturname von Mooren verursacht einen raschen Abbau dieser Jahrhunderte alten Kohlenstoffspeicher. Daneben entstehen die starken Klimakiller wie Lachgas und Methan. Beschleunigt und insgesamt vergrößert wird der Humusabbau durch Stickstoffdüngung und die Bearbeitung mit dem Pflug. Zum heutigen CO2-Gehalt der Atmosphäre trägt die Bodenbearbeitung mit geschätzen 20 % bei! (Quelle Scheffer-Schachtschabel).
Eine der wirksamsten Maßnahmen zur dauerhaften Verminderung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre wäre also der Aufbau von Humus im Boden und die Anlage von Dauergrünland oder Wald und nicht das Umpflügen. Das deckt sich mit Prinzipien und Methoden des ökologischen Landbaus - Grünlandnutzung durch Wiederkäuer und Humusaufbau durch organische Düngung! Gängige Praxis - auch bei uns - ist aber das Gegenteil: Rindern wird Getreide gefüttert, das auf gepflügten und gedüngten Äckern produziert wird. Brachland wird umgebrochen um Energiepflanzen anzubauen.
Die geschätzte jährliche weitere Abnahme der weltweiten Kohlenstoff Speicher durch Waldrodung und Grünlandumbrauch trägt auch weiterhin zu 20 % zu den CO2 Emissionen bei (Quelle 1).
Diskutiert wird auch die sogenannte Kohlenstoff-Sequestrierung, eine aktiv betriebene Speicherung von CO2. Im kleineren Maßstab kann dies auch über Holzkohlezugaben zum Boden nach dem Beispiel der Terra Preta [2] erfolgen.
Weitere Kohlenstoffsenken sind Holzmöbel, Holzhäuser, Holzbalken, Massivholzparkett und viele andere Holzprodukte (auch Bambus, Hanffasern, etc.) wenn sie Kunststoffe, Polyvinyl, Aluminium, Beton und Stahl ersetzen.
Die Realität heißt Raubbau
Schon heute nutzt die Menschheit knapp 1/4 aller jährlich und weltweit wachsenden Biomasse für sich. Den anderen 99, 5 % der tierischen Lebewesen bleibt der immer kleiner werdene Rest. 58 % der von Menschen verbrauchten Biomasse dienen als Futtermittel und nur 12 % für Nahrungsmittel, die restlichen 30 % als Rohstoff und Brennmaterial. Der Raubbau der Ressourcen ist nicht gleichmäßig verteilt. Der deutsche Pro-Kopf-Verbauch allein von Baumwolle würde umgerechnet 10 % unserer Ackerfläche in Anspruch nehmen. Unsere Verbauch an Holzprodukten (in erster Linie für Papier) speist sich aus über 23 Millionen Hektar Wald, das sind 230 % des deutschen Waldes (Zahlen: Quelle 1).
Wo sollen also zusätzliche Energiepflanzen wachsen? Die Nachhaltigkeit und Klimaeffizienz der Landnutzung genauso wie der Wirkungsgrad der Energiewandlung dürfen angesichts begrenzter Ressourcen und Flächen an keiner Stelle außer Acht gelassen werden und haben Vorrang vor ökonomischen Interessen. Wenn nicht heute, dann ganz sicher in der Zukunft.
Angesichts der bundesdeutschen Strom- und Energiepolitik, mit Subventionen für ineffiziente Systeme sowie der wirtschaftlichen Realität mit nur wenigen Großkonzernen als Energieerzeuger, scheint der Umstieg auf wirklich nachhaltige Technologien allerdings nicht unmittelbar bevor zu stehen.
Autorin: Stefanie Goldscheider
Quellen
(1): WBGU 2008, Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen. Welt im Wandel: Zukunfstfähige Bioenergie und nachhaltige Landnutzung.
Anhang
[1] degradierte Flächen: Nach der großflächigen Abholzung von Regenwald in den feuchten Tropen, setzt der Prozess des Humusaubaus und der Bodenerosion sehr rasch ein. Je nach Hangneigung, Bodenbearbeitung und Kulturpflanze verlieren diese Standorte binnen Jahren ihre Fruchtbarkeit. Es ist eine wichtige Maßnahme für den Kilmaschutz und die Nachhaltigkeit der Landwirtschaft solche Flächen durch Aufforstung mit Obstbäumen (Mango) und Palmen (Ölpalme) aber auch anderen Energiepflanzen (Jatropha) oder Zuckerrohr wieder nutzbar zu machen.
In Trockengebieten werden gerodete Flächen durch Winderosion und durch Versalzung degradiert. Auch hier ist Aufforstung insbesondere als Windschutz wichtig, beispielsweise mit Cashewbäumen oder Dattelpalmen aber auch mit dem Feigenkaktus.
[2] Terra Preta: Tropische Böden, insbesondere im Amazonas-Gebiet, die hohe Gehalte an Holzkohle aufweisen, entstanden durch die Kultivierung und Besiedelung der Indios. Die eingearbeitete Holzkohle verbessert die Struktur der Terra Preta und vermindert die Gefahr der Auswaschung und Erosion. Terra Preta ist außerordentlich fruchtbar, die Holzkohle im Boden sehr lange haltbar.
Buchtipps:
Terra Preta - die schwarze Revolution aus dem Regenwald, Oekom 2013
Scheffer/Schachtschabel - Lehrbuch der Bodenkunde, Spektrum 2010
Die Kuh ist kein Klima-Killer, Metropolis 2010
Anbau und Nutzung von Bäumen auf landwirtschaftlichen Flächen, Wiley-VCH 2010
Lesen sie zur: Umstellung auf Biolandwitschaft und Finanzierung
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