Grundlagen der Bioenergie. Biomasse und Biogaserzeugung

Bioenergie

Entstehung der Biomasse

Als Biomasse bezeichnet man im Allgemeinen Stoffe organischer Herkunft, also die in der Natur lebende und wachsende Materie sowie alle deren erzeugten Abfallstoffe. Neue Bedeutung bekommt die Biomassse allerdings durch die zahlreichen Verwendungsmöglichkeiten, die sich ihm durch kreative Wissenschaftler und moderne Technologien in der heutigen Zeit erschließen.

,,Nachwachsende Rohstoffe sind land- und forstwirtschaftlich erzeugte Produkte, die einer Verwendung im Nichtnahrungsbereich zugeführt werden", lautet die Definition. Verwendungszweck der alten neuen Rohstoffe aus der Natur können die industrielle Weiterverarbeitung, aber auch die Erzeugung von Wärme, Strom und anderen Energieformen sein.

Biomasse entsteht durch Photosynthese aus anorganischer Materie. Aus dem Kohlendioxid der Luft sowie Wasser und Mineralien aus dem Boden bauen Pflanzen mit Hilfe der Sonnenenergie ihre Struktur auf. Als Abfallprodukt, zumindest aus Sicht der Pflanze, entsteht Sauerstoff. Somit bildet die Biomasse-Entstehung die wesentliche Komponente des Kohlenstoffkreislaufs und die Grundlage für die Existenz menschlichen Lebens.

Biomasse kann als Umsetzungsprodukt der Sonnenenergie und darüber hinaus als chemisch gebundene Energie betrachtet werden. Für die Umsetzung von Sonnenenergie in chemische Energie wird weltweit ca. 0,1% der eingestrahlten Sonnenenergie verbraucht.

Im Laufe der Erdgeschichte entstanden riesige Lager von chemisch gebundener Energie in der Erde (Kohle, Erdöl und -gas). Dabei wurden der Atmosphäre große Mengen Kohlenstoff entzogen, die durch die Verbrennung der fossilen Primärenergieträger der Lufthülle in Form von Kohlendioxid zurückgegeben werden. Die Nutzbarmachung dieser fossilen Energieträger ermöglichte vor ca. 200 Jahren die industrielle Revolution mit ihrem steigenden Energieverbrauch, damals der aus Kohle. Aber erst das billige Erdöl erlaubte nach dem Zweiten Weltkrieg eine Vervielfachung des Kohlendioxidausstoßes. Dies geschah und geschieht jedoch in einer so kurzen Zeit und mit solcher Intensität, daß das Gleichgewicht der Atmosphäre gefährdet ist.

Die Verwendung nachwachsender Biomasse stellt dagegen keine Beeinflussung des Kohlenstoffkreislaufs dar, soweit vernünftig gewirtschaftet wird (z.B. nicht der Regenwald gerodet wird).

Beim Einsatz von Biomasse zu energetischen Zwecken ist zwischen nachwachsenden Rohstoffen (Energiepflanzen) und organischen Reststoffen zu unterscheiden.

Nachwachsende Rohstoffe sind:

- schnell wachsende Baumarten und spezielle einjährige Energiepflanzen mit hohen Trockenmasseertrag zur Gewinnung von Brennstoffen
- zucker- und stärkehaltige Ackerfrüchte für die Umwandlung in Äthanol und Ölfrüchte für den Einsatz im Treibstoffsektor

Organische Reststoffe fallen bei der Land- und Forstwirtschaft, der Industrie und in Haushalten an.

Dazu zählen:

- Abfall- und Restholz
- Stroh, Gras, Laub
- Dung
- Klärschlamm
- organischer Hausmüll

Potential der Biomasse

Der Bestand der Biomasse auf der Erde beträgt schätzungsweise 2*10¹² t oder 30*10²¹ J oder 1000 Mrd. t SKE (nur Landfläche). Der Holzanteil beträgt dabei 50-90%. Für eine kontinuierliche Nutzung ist allerdings die jährliche Zuwachsrate von ca. 8% des gesamten Biomassebestandes entscheidend.

Für eine Nutzung der Biomasse ist zu beachten, daß nur ein Teil geerntet werden kann. Wurzeln zum Beispiel können kaum oder nur schwer in Energie umgewandelt werden. Trotzdem ist das damit weltweite erzielbare Energiepotential rein rechnerisch gesehen noch 6 bis 7 mal größer als der gesamte Weltprimärenergieverbrauch. Inwieweit dieses Potential tatsächlich ausgenutzt wird, hängt neben der Wirtschaftlichkeit von technischen Problemen wie beispielsweise Ernteverlusten, Energieaufwand für Transport, Zwischenlagerung, Aufbereitung, etc., ab.

Bei der Abschätzung des Biomassepotentials Deutschlands ist zwischen den zwei Arten der Biomasse zu unterscheiden. Da allerdings Pflanzen hauptsächlich zur Nahrungsmittelherstellung angepflanzt werden, kann das Potential von Energieplantagen nur auf Überschußflächen betrachtet werden. Biomasserückstände fallen meist in der Landwirtschaft in Form von tierischen Abfällen, Getreidestroh, Grünpflanzenrückständen und holzartigen Abfällen an. Durch Energieplantagen auf Überschußflächen Deutschlands könnte eine Primärenergiemenge von 3,55 bis 12,38 Mio. t SKE/Jahr eingespart werden. Dies entspricht ca. 1-3% des Gesamtbedarfs. Etwa in der gleichen Größenordnung ist das Potential der organischen Reststoffe angesiedelt.

Techniken zur energetischen Nutzung von Biomasse

Bevor Biomasse als Energieträger genutzt werden kann, sind verschiedene, auf die jeweiligen Ausgangsstoffe zugeschnittene Umwandlungstechnologien (Biokonversionsverfahren) erforderlich. Dazu gehören einerseits einfache mechanisch-physikalische, andererseits aber auch aufwendigere thermochemische und biologische Verfahren. Die Bioenergieträger stehen dann als feste, flüssige oder gasförmige Energieträger bereit. Darüber hinaus können sie zur Wärme- und Stromgewinnung eingesetzt werden.

Biologische Konversionsverfahren

Bei den biologischen Prozessen sorgen Mikroorganismen für die Umwandlung der Biomasse (meist organische Abfälle). Man spricht von aeroben Verfahren, wenn diese Bakterien mit Luftsauerstoff arbeiten(Kompostierung).

Für die energetische Nutzung interessanter erscheinen jedoch die Vorgänge ohne Luftsauerstoff, wobei man dabei von anaeroben Verfahren spricht. Dabei sind unter technischen und energetischen Gesichtspunkten zwei Gärverfahren von Bedeutung:

- Bildung von Biogas
- Bildung von Äthanol.

Biogaserzeugung

Wie schon erwähnt, werden in der Biogasanlage organische Stoffe durch Mikroorganismen aufgeschlossen. Dieser vielstufige Prozeß findet unter Luft- und Lichtabschluß statt und besteht im wesentlichen aus zwei Teilen: Aus der Zersetzung hochmolekularer Verbindungen zu niedrigmolekularen Fettsäuren und Alkoholen. Diesen ersten bereits sehr komplexen Teil des Gesamtprozesses bezeichnet man als "Saure Phase" oder Hydrolyse.

Der zweite Teil des Faulvorgangs ist die "alkalische Phase", die Methanbildung, bei der die Methanbakterien die Fettsäuren und Alkohole in Biogas umwandeln. Weitere Bakteriengruppen wirken für Zwischenprodukte konkurrenzierend, so daß für eine aktive Methanbildung ein genaues Zusammenwirken der verschiedenen Bakteriengruppen notwendig ist. Es erstaunt daher nicht, daß dieses System besonders empfindlich ist für Störungen von außen, wie z.B. der Temperatur oder der Zusammensetzung und Menge des Zuflusses. Daher wird heute besonders bei der Fermentation von Küchenabfällen dazu übergegangen, diese verschiedenen Einzelprozesse auch physikalisch zu trennen. Dadurch wird auch eine höhere Qualität des Biogases erreicht.

Biogas, auch Faulgas, Sumpfgas oder Grubengas genannt, ist ein Gasgemisch, welches zu 75% aus Methan (CH4), 30% Kohlendioxid (CO2), sowie 5%, die sich aus Wasserstoff (H2), Sauerstoff (O2), Stickstoff (N) und Schwefelwasserstoff (H2S) zusammensetzen, besteht. Es ist in seiner Qualität dem Erdgas vergleichbar und kann auch genauso genutzt werden. Der Heizwert liegt rund 30% unter dem des Erdgases bei etwa 22 MJ/m³. Das entspricht ca. 6 kWh/m³. Davon können in einer Kraft-Wärme-Kopplung ca. 30 Prozent in elektrische Energie umgewandelt werden. Eine Faustregel besagt, daß man pro Tag und Kuh 3 kWh Strom erwarten darf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Biogasgewinnung erbringt nicht nur einen energetischen Nutzen sondern bietet auch Vorteile bei der Weiterverwendung der hochwertigen Restgülle. Sie ist weniger geruchsintensiv und hat eine gleichmäßigere Zusammensetzung, was sich positiv auf ihr Fließverhalten und damit auf die Pump- und Spritzfähigkeit auswirkt. Sie kann als Kopfdüngung während der Wachstumsphase ausgebracht werden, weil die Ätzwirkung der frischen Gülle nicht mehr vorhanden ist. All diese Vorteile und mehr werden als Düngewertverbesserung bezeichnet. Weltweit sind zwischen fünf und sieben Millionen Biogasanlagen in Betrieb, die meisten davon in Asien. In Deutschland gibt es nur 187 Anlagen. Die derzeit größte Biogasanlage Deutschlands wurde am 3. November 1995 in Gröden (Dresden) in Betrieb genommen. Sie kann bis zu 110 000 t Biomasse/Jahr in 3,65 Mio. m³ Biogas umwandeln. Verarbeitet werden Rinder- und Schweinegülle aus der Region, Bioabfall, Klärschlamm, Bleicherde sowie Magen- und Darminhalte aus einer örtlichen Schlachterei. Die organischen Reststoffe werden zunächst zerkleinert. Feste organische Stoffe werden einer Hygenisierung zugeführt, wobei Keime und Unkrautsamen bei 70ºC abgetötet werden. Das so vorbehandelte Material wird in einem Vorlagebehälter mit Gülle vermischt und kontinuierlich in zwei parallel geschaltete Reaktoren geleitet. Der Vergärungsprozeß wird bei einer konstanten Temperatur von 37ºC (mesophil) geführt. Nach 20 Tagen verläßt die vergorene Biomasse die Reaktoren und wird von den Landwirten, welche die Gülle angeliefert haben, wieder abgeholt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Verfahren stellt einen intensiven zweistufigen anaeroben Bioprozeß aus Hydrolyse und Methanisierung dar. Die energetische Nutzung dieser Anlage beläuft sich auf 3 kWel - 15&nbspkWth. Zur Zeit wird geforscht, inwieweit die Anwendung von Ultraschall den Bioprozeß beschleunigt.

Äthanolerzeugung

Das Prinzip der Äthanolvergärung besteht darin, zuckerhaltige Lösungen mit Hilfe von Mikroorganismen in Form von Hefe anaerob zu Alkohol (Äthanol, C2H5OH) umzusetzen. Es eignen sich zuckerhaltige (Zuckerrübe), stärkehaltige (Kartoffeln, Mais) und cellulosehaltige Biomasse (Holz, Stroh) für diesen Prozeß.

Die Chemie mit Äthanol als Rohstoff ist vielfältig und mit der Äthylenchemie vergleichbar. Die beiden Produkte Äthanol und Äthylen sind wechselseitig durch Abspaltung oder Anlagerung von Wasser ineinander überführbar. Äthanol findet ohne weitere Umwandlung einen großen Anwendungsbereich als Industriealkohol und Treibstoffalkohol.

Chancen und Probleme

Viele der Einzeltechniken zur Umwandlung von Biomasse sind am Markt verfügbar, aber nur wenige sind schon wettbewerbsfähig oder nahe an der Wirtschaftlichkeit.

Zur Zeit bewegen sich die fossilen Energieträger wie Öl, Steinkohle (Importkohle) und Erdgas auf einem unteren Preisniveau. Kostenerlöse der Fernw ärme sind keine attraktive Alternative zum Stromverkauf.

Die Marktpreise der Rohstoffe orientieren sich an den Kosten in der Land- und Forstwirtschaft, die Gesamtkosten zusätzlich an den Anlagekosten des Biomasse-Heizwerkes.

Aus Pflanzen gewonnen, setzen Produkte aus pflanzlichen Rohstoffen nach Gebrauch bei ihrer Verbrennung oder bei der Kompostierung immer nur die Menge an CO2 frei, die sie während des Wachstums der Atmosphäre entnommen haben. Im Gegensatz zu fossilen Rohstoffen sind sie dadurch weitgehend CO2-neutral; die Stoff- und Energiekreisläufe sind de facto geschlossen. Ihre Verwendung kann somit helfen, den sich verstärkenden Treibhauseffekt abzumildern und globalen Klimaveränderungen entgegenzuwirken.

Als CO2-neutrale und ressourcenschonende Energiequelle leistet die Biomasse einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung und zum Umweltschutz z.B. ist die bei der Biogaserzeugung anfallende Gülle besser pflanzenverfügbar und trägt so zur Einsparung von Mineraldünger und zum Gewässerschutz bei. Die Emissionen aus automatischen Holzheizanlagen entsprechen denen modernen Ölheizungen.

Chancen für Landwirtschaft und Industrie

Der Anbau von Industriepflanzen ermöglicht nicht nur die Nutzung von Stilllegungsflächen, sondern stellt generell eine sinnvolle Alternative zur Nahrungsmittelerzeugung dar. Der Landwirt bekommt eine neue Aufgabe: er wird zum Erzeuger maßgeschneiderter Inhaltsstoffe für die Industrie.

Denn nachwachsende Rohstoffe bedeuten High-Tech. Um die von den Verarbeitern gewünschten Eigenschaften anzubieten, müssen herkömmliche Nahrungsmittelpflanzen züchterisch verändert, Methoden des Anbaus perfektioniert werden.

Zusammengefaßt läßt sich feststellen:

Die Vorteile nachwachsender Rohstoffe können mittel- bis langfristig zur Lösung von wirschafts-, umwelt- und gesellschaftsrelevanten Problemen beitragen.

Mit der Produktion nachwachsender Rohstoffe erbringt die Land- die Forstwirtschaft daher eine Dienstleistung für die gesamte Gesellschaft. Der Anbau und die Verwertung nachwachsender Rohstoffe führt zu folgenden positiven Wirkungen:

- Nachwachsende Rohstoffe sind weitgehend C02-neutral. Bei ihrer Nutzung entsteht kein zusätzlicher Treibhauseffekt.
- Sie tragen zur Schonung endlicher fossiler Ressourcen, wie Erdöl, Erdgas und Kohle bei.
- Nachwachsende Rohstoffe bieten die Chance für innovative Entwicklungen, aus ihnen können Produkte hervorgehen, die weltweit vermarktet werden können.
- Durch nachwachsende Rohstoffe profitiert der ländliche Raum. Dadurch werden in den ländlichen Gebieten Arbeitsplätze erhalten und neue geschaffen.
- Der Land- und Forstwirtschaft werden durch nachwachsende Rohstoffe Produktions- und Einkommensalternativen geboten.

Da Industrie und Chemie genau auf ihre Bedürfnisse zugeschnittene Rohstoffe benötigen, ist jedoch nicht nur die Landwirtschaft gefordert. Es bedarf intelligenter Forschung, um der Industrie optimal zuarbeiten zu können. So ist es mittels Pflanzenzüchtung, Biotechnologie und Gentechnik möglich, die gewünschten Rohstoffqualitäten zu erzielen und die Erträge zu optimieren.

Auf diese Weise kann die Landwirtschaft heute hochwertige Ausgangsstoffe zur Verfügung stellen, die der Industrie aufwendige Umwandlungsschritte, wie bei fossilen Rohstoffen nötig, ersparen. Pflanzen bieten Inhaltsstoffe, deren Wert lange Zeit nicht erkannt wurde.

Energieplantagen

Am Beispiel von Energieplantagen sei auf die Vorteile aber auch auf Probleme der Energiegewinnung aus Biomasse hingewiesen:

Vorteile

- gute Speicherform

- erneuerbar

verschiedene Umwandlungsmöglichkeiten

- Technologie weitgehend bekannt, nicht kapitalintensiv

- Entwicklung mit heutigen Arbeitskräften und aus vorhandenen Rohstoffen

- großes Potential für biotechnologische Entwicklungen

- schafft Arbeitsplätze

- vernünftig im Preis

- ökologisch wenig problematisch

- erhöht CO2-Konzentration der Luft nicht

- hohe gesellschaftliche Akzeptanz

Probleme

- große Landflächen nötig
- Konkurrenz zu Land für Ernährung des Menschen
- braucht Anlaufzeit, bis Dauerproduktion etabliert
- Düngung und Bewässerung für hohe Erträge nötig
- heutige land- und forstwirtschaftliche Gewohnheiten
- Transport zum Verbraucher