Infoblatt Bioenergie

Alternative Energie aus Biomasse – Gewinnung, ökologische Aspekte, Perspektiven





Wandlung energetischer Materie zu Nutzenergie

Die Gewinnung der für den Menschen verwertbaren Nutzenergie entspringt unterschiedlichen Primärquellen. Neben der Erdwärme und der Planetengravitation bzw. -bewegung kommt der Sonne mit ihrer Strahlung eine besondere Bedeutung zu, da sie das weitaus größte regenerative Energiepotenzial vorhält.
Durch physikalische, thermochemische und biologische Umwandlungsverfahren, auch Konversion genannt, kann Energie aus entsprechenden energetischen Stoffen bzw. Feldern in mehreren Stufen für die letztliche Nutzung aufgeschlossen werde.
In diesem Zusammenhang werden die Stoffe bzw. Energiefelder, die in der Natur in ihrer ursprünglichen Form dargeboten sind und noch keiner weiteren energetisch technischen Umwandlung unterliegen, als Primärenergieträger bezeichnet. Dieses sind beispielsweise Biomasse, Erdöl und -gas, Stein- und Braunkohle, Wind, Wasser und die Sonne.
Das bei Umwandlungsprozessen eines solchen Trägers entstehende energetisch veredelte Produkt, das durch Energieverluste im Verlauf des Umbildungsvorganges gekennzeichnet ist, wird Sekundärenergieträger genannt. Dabei kann es sich z. B. um Biogas, Mineralölerzeugnisse, Briketts, Holzpellets oder elektrische Energie handeln.
Als Endenergieträger wird schließlich jener Träger verstanden, der aus der Primär- bzw. Sekundärenergie samt der Umwandlungs- und Verteilungsverluste resultiert und dem Endverbraucher zur Verfügung steht.


Biomasse

Die Biomasse stellt eine natürliche Form der biochemischen Speicherung solarer Strahlungsenergie durch den Prozess der Fotosynthese im Pflanzengrün dar. Allerdings werden im energetischen Sinn nicht ausschließlich Produkte aus direkter solarer Einstrahlung als Biomasse bezeichnet. Zusätzlich werden auch andere biogene Stoffe höherer Energieniveaus der Biomasse zugeordnet, so dass letztendlich alle pflanzlichen und tierischen Stoffe sowie deren Umwandlungsprodukte und organische Abfälle, die sich für eine Energiegewinnung eignen, als Biomasse klassifiziert werden. Als energetisch nutzbare Biomasse gelten somit u. a. Produkte des Energiepflanzenbaus, wie z. B. Raps, Mais, Zuckerrohr, Algen, Pappeln und Weiden sowie Rückstände aus der Forstwirtschaft, aber auch pflanzliche, tierische und menschliche Abfälle, wie z. B. Getreide-, Obst- und Gemüsereste aus der Landwirtschaft und Lebensmittelindustrie sowie Exkremente und Klärschlamm. Ferner werden Klär- und Deponiegas der energetisch nutzbaren biogenen Masse zugeordnet.


Energetische Veredelung von Biomasse

Um dem Bedarf an Bioenergie nachzukommen, werden hinsichtlich der Erzeugung diverse Verfahren und Technologien, die von der Art der eingesetzten Biomasse sowie vom gewünschten Endenergieträger abhängig sind, eingesetzt.
Im Verlauf der Bereitstellungskette, die von der anfallenden Biomasse bis zur Endenergie reicht, wird das Rohmaterial durch thermochemische (1), physikalisch-chemische (2) oder biochemische (3) Umwandlungsprozesse zunächst in feste, flüssige oder gasförmige Brennstoffe bzw. Sekundärenergieträger aufgewertet, bevor sie letztendlich durch Verbrennung in thermische, mechanische oder elektrische Energie überführt werden können. Die drei genannten Veredelungsverfahren beinhalten ihrerseits unterschiedliche Methoden, die je nach gefragtem Produkt Anwendung finden.
Die thermochemische Umwandlung organischer Stoffe basiert grundsätzlich auf der Einwirkung von Wärme und bringt die Methoden der Vergasung (1a), der Verflüssigung (1b) und der Verkohlung (1c) hervor. Bei einer physikalisch-chemischen Veredelung einiger bestimmter Biomassen können durch Pressen (2a) und/oder Extraktion (2b) energetisch nutzbare Öle und Fette, aber auch Holzpresslinge gewonnen werden. Des Weiteren kann unter Ausnutzung der Tätigkeit von Mikroorganismen eine biochemische Umwandlung mit Alkoholgärung (3a) sowie anaeroben (3b) oder aeroben (3c) Abbau von Biomasse stattfinden und somit eine energetische Aufwertung der Stoffe erreicht werden.


Biogene Endenergieträger

Die stufenweise Veredelung der ursprünglichen Biomasse findet ihren maximalen energetischen Grad als biogener Endenergieträger – je nach Nachfrage – in unterschiedlichen Angebotsformen. Einige der gegenwärtig meist genutzten Bioendenergieträger sind im Folgenden beispielhaft aufgeführt.

• Bioethanol
  Eine vergleichsweise weit verbreitete Art der biogenen Kraftstoffe stellt das Bioethanol, das überwiegend als Alternative zum konventionellen fossilen Treibstoff Benzin in Verbrennungsmotoren, Brennstoffzellen und Turbinen von Kraftfahrzeugen und neuerdings auch Flugzeugen eingesetzt wird, dar. Während die Markteinführung von Bioethanol als regenerativer Kraftstoff in Deutschland jedoch nur sehr zögerlich stattfindet, kommt ihm derzeitig weltweit (insbesondere in Brasilien) bereits eine weitaus größere Bedeutung zu. Dennoch ist auch in Deutschland ein Ausbau der Kapazitäten geplant.
  Zur Herstellung von Bioethanol eignet sich eine Vielzahl verschiedenartiger Biomasse, der allerdings regional unterschiedliche Praxisrelevanz zukommt. Dementsprechend wird beispielsweise in den USA in der Regel Mais und in Brasilien Zuckerrohr als Primärenergieträger verwendet, während in Deutschland Getreide und Zuckerrüben der Vorzug gegeben wird. Aber auch andere Biomasse, wie Kartoffeln, Chinaschilf, Sonnenblumen, Baumwolle und Früchte, sind für die Produktion von Bioethanol prinzipiell geeignet. An einer effektiven Nutzung von Cellulose als primären energetischen Stoff wird derzeit noch geforscht.
  Im Umwandlungsverfahren von Biomasse zu Bioethanol wird üblicherweise die im Rohstoff enthaltene Stärke durch enzymatische Prozesse in Glukose aufgespaltet, bevor zusammen mit Hefe eine Vergärung zu Bioethanol herbeigeführt wird. Bioethanol und konventionell hergestellter Ethanol weisen keine chemischen Unterschiede auf.
  
• Biodiesel
  Analog zum Bioethanol handelt es sich auch beim Fettsäuremethylester, so die chemische Bezeichnung für Biodiesel, um eine erneuerbare Alternative zur Verwendung von konventionellem Dieselkraftstoff in entsprechenden Antriebsanlagen. Obwohl der Biodiesel zu den umweltverträglichsten Kraftstoffen am Markt gezählt wird, erfährt er gegenwärtig noch keine breite Akzeptanz, sondern stößt seitens der potenziellen Nutzer eher auf Vorbehalte.
  Grundsätzlich werden zur Produktion von Biodiesel Pflanzenöle oder tierische Fette verwendet. In Mitteleuropa hat sich zu diesem Zweck insbesondere die Rapspflanze mit ihren ölhaltigen Samen als verwendungsfähig erwiesen.
  Der Prozess der energetischen Aufwertung vom ausgepressten Pflanzenöl zum nutzbaren Biodiesel basiert auf der sog. Umesterung, bei der in einer komplexen chemischen Reaktion Glycerinmoleküle des pflanzlichen Öls durch Alkoholmoleküle ersetzt werden.
  
• Holzpellets
  Aus den in der holzverarbeitenden Industrie anfallenden Neben- bzw. Abfallprodukten, wie z. B. Hobel- und Sägespänen, können unter hohem Druck ohne eine Zugabe von fremden Bindemitteln zylindrische hochverdichtete Holzpellets gepresst werden, die einen naturbelassenen Brennstoff darstellen. In speziellen Pelletheizsystemen können die Presslinge durch Verbrennung in thermische Energie umgewandelt werden und sind somit ebenfalls als eine nachhaltige Alternative zu fossilen Energieträgern zu verstehen.

Neben den bereits genannten Bioenergieträgern existieren weitere (z. B. Biogas, Biowasserstoff, Kohle und Pflanzenöl als Kraftstoff), die sich bisher jeweils in unterschiedlichen Dimensionen auf dem Markt etabliert haben. Ferner wird stetig an einer nachhaltigen und Effizienz steigernden Produktion einzelner Energieträger geforscht.


Ökologische Aspekte

Die Nutzung der aus erneuerbarer Biomasse resultierenden Bioenergie wird – im Gegensatz zu fossilen Energieträgern – verbreitet als umweltverträglich beurteilt, da die biogene Masse während der Energieumwandlungsprozesse zwar Kohlenstoffdioxid freisetzt, zuvor jedoch bei ihrem eigenen Wachstum der Atmosphäre nicht weniger CO₂ entzogen hat. Dieser theoretisch geschlossene Kohlenstoffkreislauf wird als weitgehend „CO₂-neutral“ bezeichnet.
Wenngleich bei der Gewinnung von Energie aus fossilen Energieträgern (z. B. Steinkohle, Erdöl) ebenso organisches Material zum Einsatz kommt, so wird hier bei der Verbrennung Kohlenstoffdioxid abgegeben, das über enorm große Zeiträume gespeichert wurde und nun innerhalb kürzester Zeit freigesetzt wird. Die Folge ist ein Anstieg der atmosphärischen CO₂-Konzentration, der maßgeblich an der Entstehung des anthropogen bedingten Treibhauseffekts beteiligt ist.
Als Vorteil der Bioenergieträger gegenüber anderen regenerativen Energiequellen (z. B. Windkraft, Gezeitenkraft und Solarenergie), die teilweise enormen Angebotsschwankungen unterliegen, wird das natürliche energetische Speichervermögen in der organischen Substanz bewertet. Zusätzliche technische Systeme zur Speicherung der Primärenergie sind somit nicht zwangsläufig erforderlich.
Des Weiteren verhalten sich die erzeugten Biostoffe im Falle einer Leckage im Naturhaushalt nahezu vollständig umweltverträglich.
Schließlich wird mit einer verstärkten Nutzung von Bioenergieträgern dem Nachhaltigkeitsgedanken nachgekommen, indem die nur endlich zur Verfügung stehenden fossilen Energieträger geschont und damit Ressourcen für die Zukunft gesichert werden.
Ein ökologischer Nachteil der Bioenergie ergibt sich in einigen Fällen (z. B. Rapsanbau) aus dem großen Anbauflächenbedarf, der zum ausschließlichen Zweck der Energiegewinnung mit der Ökologie nur schwer zu vereinbaren ist.
Ferner können die Anbaumethoden von Energiepflanzen, die nicht für die Nahrungsmittelerzeugung vorgesehen sind, als ökologisch bedenklich eingestuft werden. So haben Studien bewiesen, dass in Tropenländern für die Gewinnung des Biosprits Plantagen auf gerodeten Regenwaldflächen angepflanzt werden. Abgesehen von der damit einhergehenden Vernichtung des Lebensraums der einheimischen Flora und Fauna wird es nach einer Untersuchung an der University of Wisconsin Jahrhunderte dauern, bis das durch die Rodung freigesetzte Kohlendioxid wieder eingespart wird. Im schlechtesten Fall erstrecken sich die Zeiträume bei Mais und Reis auf 300 bis 1.500 Jahre, bei Palmöl auf bis zu 900 Jahre.
In Deutschland werden aufgrund der gestiegenen Holznachfrage durch Privatverbauch und Biomassekraftwerke ebenfalls ökologische Schäden befürchtet, da nun auch das Waldrestholz energetisch genutzt wird. So setzt man mittlerweile moderne Maschinen zur sog. "Stockrodung" ein, bei der zusätzlich das Wurzelholz auf einer Rodungsfläche entfernt wird. Die bisher äußerst schwierige, teure und somit unrentable Arbeit wird dadurch wirtschaftlich. Ökologen sehen in dieser Entwicklung einen gefährlichen Trend für den deutschen Wald, da so der Boden verarmt und irreparabel zerstört wird.
Ein weiteres Problem wird in der Konkurrenz von Bioenergie und Ernährung gesehen. So machen Agrarökonomen den wachsenden Bedarf an Energiepflanzen, z. B. Mais, Raps oder Soja, für steigende Preise auf den internationalen Lebensmittelmärkten verantwortlich.


Perspektiven in der EU

Vor dem Hintergrund des geplanten Aufbaus einer umwelt- und klimaverträglichen Energieversorgung soll auf der Grundlage einer Zielvorgabe der EU-Kommission dem Beitrag von energetisch genutzter Biomasse im gesamten Energiesystem zukünftig eine wachsende Bedeutung zukommen.
Während in Deutschland der Gesamtverbrauch von durch Biomasse hergestellter Energie aktuell bei etwa 1,8 Prozent liegt, wird davon ausgegangen, dass bis zum Jahr 2030 zwölf Prozent des Kraftsoffbedarfs, 16 Prozent des Strombedarfs und 19 Prozent des Wärmebedarfs durch Bioenergie gedeckt werden können.
Da die innerhalb der EU-Staaten verfügbaren technischen bioenergetischen Potenziale gegenwärtig im Mittel lediglich zu einem Viertel ausgeschöpft werden, ist das maximale Leistungsvermögen noch nicht erreicht. Eine künftige weitere Steigerung des Produktionsvolumens, bei einem zusätzlichen Ausbau entsprechender technischer Infrastruktur, gilt gemeinhin als unzweifelhaft.