Biomasse als erneuerbare Energie

Energiegewinnung aus Biomasse

Per Definition sind nachwachsende Rohstoffe alle forst- und landwirtschaftlich erzeugten Produkte, die im Nichtnahrungsbereich einer Verwendung zugeführt werden. Demnach sind alle in der Natur wachsende und lebende Materie und auch von denen erzeugte Abfallstoffe, Biomasse. Sie hat in den letzten Jahren enorm an Bedeutung gewonnen. Fortschrittliche Technologien machen es möglich, dass Biomasse vielfältig genutzt werden kann. Diese Rohstoffe können der Erzeugung von Strom, Wärme und anderen Energieformen dienen.

Wie entsteht Biomasse?

Durch Fotosynthese organischer Stoffe entsteht Biomasse. Mit Hilfe von Sonnenenergie bauen Pflanzen aus Wasser, im Boden vorhandener Mineralien und Kohlendioxid aus der Luft ihre Form auf. Im Resultat der Fotosynthese entsteht das Abfallprodukt Sauerstoff. Entsprechend ist die Entstehung die Basis der menschlichen Existenz und unabdingbar für den Kohlenstoffkreislauf. Biomasse ist entsprechend also eine Umwandlung von Sonnenenergie und kann ebenso als Energie, die chemisch gebunden ist, gesehen werden. Weltweit wird etwa 0,1 Prozent der Sonnenenergie verbraucht, um diese in chemische Energie umzuwandeln.

Chemisch gebundene Energie entwickelte über Jahrtausende der Erdgeschichte. Es entstanden große Vorräte an Erdöl, Erdgas und Kohle. Infolgedessen wurde jede Menge Kohlenstoff der Atmosphäre entzogen. Zurückgegeben wurde jedoch der Lufthülle Kohlendioxid, welches durch die Verbrennung fossiler Primärenergieträger entstand.

Durch die Nutzbarmachung des fossilen Brennstoffes Kohle und dem stetig steigenden Energieverbrauch wurde in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts die industrielle Revolution ausgelöst. Zu einem Anstieg des Kohlendioxidausstoßes kam es nach dem Zweiten Weltkrieg durch das billigere Erdöl. Aufgrund des bis dato stetig rasant steigenden Ausstoßes von Kohlendioxid ist das Atmosphärengleichgewicht extrem gefährdet.

Bei den nachwachsenden Rohstoffen sieht dies hingegen anders aus. Wird klug gewirtschaftet, kommt es zu keinerlei Beeinträchtigung des Kohlenstoffkreislaufes. Zu unterscheiden ist hinsichtlich der Energiegewinnung zwischen organischen Reststoffen und nachwachsenden Rohstoffen.

Zu den organischen Reststoffen zählen Stoffe, die in Haushalten, der Industrie und Land- und Forstwirtschaft anfallen:
- Dung
- Stroh, Laub, Gras
- Klärschlamm
- Abfall- und Restholz
- organischer Hausmüll

Zu den nachwachsenden Rohstoffen gehören:
- für die Äthanolgewinnung – stärke- und zuckerhaltige Ackerfrüchte
- für Treibstoffgewinnung – Ölfrüchte
- für die Brennstoffgewinnung – Einergiepflanzen, einjährig und mit hohem Ertrag und Baumarten, die schnell wachsen

Wie hoch ist das Potential?

Der Bestand auf der Erde ist riesig. Allein 50 bis 90 Prozent macht der Holzanteil aus. Um diesen jedoch kontinuierlich nutzen zu können, wird eine acht prozentige jährlich Zuwachsrate des gesamten Biomassebestandes benötigt.

Von den nachwachsenden Rohstoffen kann jedoch immer nur ein gewisser Teil für die Nutzung geerntet werden. So lassen sich beispielsweise Wurzeln nur extrem schwer, bis gar nicht in Energie wandeln. Bei rein rechnerischer Betrachtung ist das Energiepotenzial, das weltweit erzielt werden könnte, jedoch bis zu sieben Mal größer als der Weltprimarenergieverbrauch insgesamt. Die Ausnutzung dieses Potenzial ist, neben dem Faktor Wirtschaftlichkeit, auch von Faktoren wie Energieaufwand für den Transport, Ernteverlusten, Aufbereitung und anderen abhängig.

In Deutschland werden Pflanzen vorwiegend für die Nahrungsmittelherstellung angebaut. Aus diesem Grunde können zur Abschätzung des Biomassepotentials der Energieplantagen lediglich die Überschussflächen herangezogen werden.

In der Landwirtschaft fallen Biomasserückstände in Form von Getreidestroh, holzartigen Abfällen, Grünpflanzenrückständen und tierischen Abfällen an. Die Menge an Primärenergie, die auf Energieplantagen deutscher Überschussflächen eingespart werden könnte, liegt zwischen 3,55 bis 12,38 Millionen Tonnen SKE/Jahr. Damit wäre es möglich, ein bis drei Prozent des Gesamtbedarfs zu decken. Ähnlich verhält es sich bei den organischen Reststoffen.

Welche Verfahren sind für die Nutzung nachwachsender Rohstoffe notwendig?

Um jedoch Erneuerbare Energien zu nutzen, müssen Umwandlungstechnologien zur Verfügung stehen, die auf die entsprechenden Ausgangstoffe zugeschnitten sind. Hier wird von Biokonversionsverfahren gesprochen. Hierzu gehören nicht nur anspruchsvolle biologische und thermochemische Verfahren, sondern auch einfache physikalisch-mechanische Verfahren. Mittels dieser ist eine Umwandlung in gasförmige, flüssige oder feste Energieträger möglich, die wiederum zur Strom- und Wärmegewinnung genutzt werden können.

Das biologische Konversionsverfahren zur Herstellung

Während der Umwandlung mittels biologischer Prozesse werden Mikroorganismen eingesetzt. Von aeroben Verfahren wird gesprochen, wenn Bakterien mittels Luftsauerstoff arbeiten.

Wesentlich bedeutsamer für eine energetische Nutzbarmachung sind jedoch Verfahren, die ohne die Zufuhr von Luft auskommen. In diesen Fällen wird von anaeroben Verfahren gesprochen. Zwei Gärverfahren sind hierbei unter energetischen und technischen Gesichtspunkten relevant. Hierbei handelt es sich um die Ethanolbildung und Biogasbildung.

Die Erzeugung von Ethanol

Bei der Ethanolerzeugung werden mittels Mikroorganismen der Hefe Zucker enthaltende Lösungen anaerob in Alkohol (C2H5OH, Ethanol) umgewandelt. Für diesen Prozess eignen sich stärkehaltige (Mais, Kartoffeln), zuckerhaltige (Zuckerrübe) und cellulosehaltige (Stroh, Holz) Rohstoffe.

Ethanol ist vielfältig nutzbar und ähnelt der Ethylenchemie. Ethylen und Ethanol lassen sich durch Anlagerung oder Abspaltung wechselseitig ineinander überführen. Ohne Umwandlung wird Ethanol als Treibstoffalkohol und Industriealkohol verwendet.

Die Erzeugung von Biogas

Die Erzeugung von Biogas findet unter Licht- und Luftabschluss statt und erfolgt in zwei Schritten:

Der erste Teil des Prozesses nennt sich Hydrolyse oder auch „Saure Phase“ und ist sehr komplex. Die Methanbildung ist die alkalische Phase. Hier findet die Umwandlung von Alkohol und Fettsäure in Methanbakterien statt.

Für die Methanbildung ist ein exaktes Zusammenspiel verschiedener Bakteriengruppen unabdingbar, da für die Zwischenprodukte weitere Bakteriengruppen konkurrenzierend wirken. Daher ist genaues Augenmerk auf die Menge und die Zusammensetzung des Zuflusses und auf die Temperatur zu haben.

Heutzutage werden beim Fermentieren der Küchenabfälle immer häufiger die Einzelprozesse physikalisch getrennt. Somit erhält das Biogas eine höhere Qualität.

Biogas wird auch als Grubengas, Sumpfgas oder Faulgas bezeichnet. Es besteht aus Schwefelwasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff, welches fünf Prozent ausmacht und Kohlendioxid zu 30 Prozent sowie Methan zu 75 Prozent.

Von der Qualität her entspricht Biogas dem Erdgas. Pro Kuh und Tag lassen sich in etwa drei kWh Strom erzeugen. Aber nicht nur ein energetischer Nutzen geht von der Biogasgewinnung aus. Vorteile ergeben sich ebenso aus der weiteren Nutzung der Restgülle. Aufgrund seiner gleichförmigeren Zusammensetzung ist ihr Fließverhalten wesentlich günstiger. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die Spritz- und Pumpfähigkeit aus. Während der Phase des Wachstums ist der Einsatz als Kopfdüngung möglich. Der Grund dafür ist das Nichtvorhandensein der ätzenden Wirkung frischer Gülle. Die resultierenden Vorteile werden mit dem Begriff Düngewertverbesserung betitelt. Dies wird durch einen zweistufigen anaeroben Bioprozess aus Methanisierung und Hydrolyse erzeugt.

Möglichkeiten und Konflikte

Einzelne Techniken für die Umwandlung sind bereit auf dem Markt. Allerdings sind diese häufig noch nicht wirtschaftlich oder wettbewerbsfähig. Fossile Energieträger wie Steinkohle, Öl und Erdgas bewegen sich im unteren Preisniveau.

Die Rohstoffpreise richten sich nach den in der Land- und Forstwirtschaft anfallenden Kosten. In den Gesamtkosten sind noch zusätzlich die Anlagekosten des Biomasse-Heizwerkes enthalten. Aus pflanzlichen Rohstoffen gewonnene Produkte setzen nach ihrer Benutzung bei einer Kompostierung oder Verbrennung lediglich CO2 in der Höhe frei, die sie während ihres Wachstums genutzt haben. Da sie also CO2-neutral sind, sind die Energie- und Stoffkreisläufe geschlossen. Entsprechend kann ihre Verwendung dazu genutzt werden, der Klimaveränderung und dem Treibhauseffekt nutzbringend entgegenzuwirken. Es kann also einen nachhaltigen Beitrag beim Umweltschutz leisten. Wie erwähnt ist die anfallende Gülle wesentlich pflanzenverfügbarer. Dementsprechend kann durch wesentliche Einsparungen an Mineraldünger zum Gewässerschutz beigetragen werden.

Die Aussichten für die Industrie und Landwirtschaft

Industriepflanzen auf Stilllegungsflächen anzubauen ist nicht der einzige Vorteil. Auch für die Nahrungsmittelerzeugung sind Industriepflanzen eine gute Alternative. Die Landwirtschaft verändert sich, da der Landwirt nun auch genau auf die Industrie zugeschnittene Inhaltsstoffe liefert. Dies setzt allerdings auch voraus, dass züchterisch die Nahrungsmittelpflanzen verändert werden müssen. Auch die Anbaumethoden sind zu perfektionieren. Die Land- und Forstwirtschaft wird somit zum Dienstleister für die Gesellschaft.

Die Nutzung von Energieplantagen

Energieplantagen bieten bei der Energiegewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen Vorteile und Nachteile. Vorteilhaft sind in erster Linie die Erneuerbarkeit und die Vielzahl an Umwandlungsmöglichkeiten. Die dafür notwendigen Technologien sind bekannt. Die Kosten halten sich in Grenzen. Ein großer gesellschaftlicher Vorteil ist sicherlich auch die Schaffung neuer Arbeitsplätze. Es bestehen große Möglichkeiten für biotechnologische Entwicklungen. Auch der Preis spricht für sich. Gesellschaftlich besteht mittlerweile für Erneuerbare Energien, durch das wachsende ökologische Bewusstsein, eine hohe Akzeptanz. Und schlussendlich erhöht die Nutzung nachwachsender Rohstoffe keinesfalls die CO2-Konzentration.

Allerdings gibt es auch einige Nachteile. Zunächst benötigt es einige Zeit, bis sich die forst- und landwirtschaftlichen Gewohnheiten nachhaltig ändern. Des Weiteren werden sehr große Flächen an Land benötigt. Auch wird es noch einiges an Zeit benötigen, bis sich die Produktion dauerhaft durchgesetzt hat. Für das Erzielen hoher Erträge ist es notwendig, die Flächen regelmäßig zu Bewässern und zu Düngen. Bis dato gestaltet sich auch der Transport zum letztendlichen Nutzer relativ problematisch.

Als Fazit lässt sich also feststellen:
- nachwachsende Rohstoffe schonen fossile Ressourcen (Erdgas, Kohle, Erdöl)
- sie sind CO2-neutral
- die Nutzung verursacht keinen Treibhauseffekt
- die Landwirtschaft profitiert von der Nutzung nachwachsender Rohstoffe
- aus nachwachsenden Rohstoffen können neue Produkte für die weltweite Vermarktung hervorgehen

Nicht nur an die Landwirtschaft steht vor neuen Herausforderungen, auch die Forschung ist in puncto Erneuerbare Energien gefordert. Nur dann kann die Industrie bestmöglich arbeiten. Gentechnik, Biotechnologie und Pflanzenzüchtung ermöglichen eine bestmögliche Rohstoffqualität und Ertragsoptimierung.

Quelle: https://stimmt.at/energiegewinnung-aus-biomasse-von-rolf-hinrichs/

https://rolfhinrichs.com/biomasse-als-erneuerbare-energie/

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