Biomasse als grundlastfähige erneuerbare Energieform

Inhalt

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung und Zielsetzung dieser Arbeit

2 Nachhaltige Energieversorgung
2.1 Verschiedene Arten von Erneuerbare Energien
2.2 Erneuerbare Energien in Deutschland
2.3 Energieerzeugung aus Biomasse
2.3.1 Grundlastfähigkeit
2.3.2 CO2 Bilanz von Biomasse
2.3.3 Energetische und stoffliche Nutzung
2.3.4 Verfahren zur Umwandlung von Energie aus Biomasse
2.3.5 Chancen und Risiken der Biomassenutzung

3 Ökonomische Analyse der Biomassenutzung
3.1 Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsanalyse
3.2 Kosten und Erträge
3.2.1 Substratkosten als Teil der Betriebskosten
3.2.2 Sonstige Betriebskosten
3.2.3 Jährliche Gesamtkosten
3.2.4 Vergütung des Stroms und der Einfluss des EEG
3.2.5 Sonstige Erträge
3.3 Verbesserung der Wirtschaftlichkeit
3.4 Vollkostenrechnung am Beispiel einer Biogasanlage

4 Der Markt für erneuerbare Energien – insbesondere Biomasse
4.1 Dynamik des Marktes für Erneuerbare Energien in Deutschland
4.1.1 Bevölkerungsentwicklung und Primärenergieverbrauch
4.1.2 Erneuerbare Energien und Biomasse
4.2 Dynamik des Marktes für Erneuerbare Energien weltweit
4.2.1 Bevölkerungsentwicklung und Primärenergieverbrauch
4.2.2 Erneuerbare Energien und Biomasse
4.3 Perspektiven eines zukünftigen Einsatzes erneuerbarer Energien in Deutschland
4.3.1 Analyse des Potenzials
4.3.2 Die Ergebnisse der BMU Leitstudie 2008
4.4 Perspektiven eines zukünftigen Einsatzes erneuerbarer Energien global
4.4.1 Primärenergieverbrauch
4.4.2 Die Ergebnisse des World Energy Outlook

5 Schlussbetrachtung

Literaturverzeichnis

Ehrenwörtliche Erklärung

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Komponenten der Nachhaltigkeit

Abbildung 2: Externe Kosten der Stromerzeugung in Deutschland

Abbildung 3: Stoffliche und energetische Nutzung

Abbildung 4: Substrateinsatz in Biogasanlagen

Abbildung 5: Aufbau einer Biogasanlage

Abbildung 6: Jährliche Aufwendungen und Erträge

Abbildung 7: Einteilung von Kostenblöcken bei der Produktion

Abbildung 8: Enger Verbund zwischen Mais und Rohöl

Abbildung 9: Durchschnittliche Kostenstruktur einer Biogasanlage

Abbildung 10: Investitionskosten in Euro je KW

Abbildung 11: Vergleich Primärenergieverbrauch, PKW Bestand und Bevölkerung in Deutschland

Abbildung 12: Struktur der Primärenergiebereitstellung nach Energieformen in Deutschland 2005 und 2007

Abbildung 13: Anteile von erneuerbaren Energien am Primärenergieverbrauch in Deutschland 1998 bis 2007, Einfluss des EEG und Verwendung

Abbildung 14: Struktur der Primärenergiebereitstellung aus erneuerbaren Energien in Deutschland 2007

Abbildung 15: Struktur der Strombereitstellung aus erneuerbaren Energien in Deutschland 2007

Abbildung 16: Struktur der Wärmebereitstellung aus erneuerbaren Energien in Deutschland 2007

Abbildung 17: Entwicklung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland

Abbildung 18: Entwicklung der Wärmeerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland

Abbildung 19: Umsatz aus der Errichtung von Anlagen zur Nutzung von erneuerbaren Energien in Deutschland 2007

Abbildung 20: Umsatz aus dem Betrieb von Anlagen zur Nutzung von erneuerbaren Energien in Deutschland 2007

Abbildung 21: Umsätze mit erneuerbaren Energien in Deutschland

Abbildung 22: Weltbevölkerung

Abbildung 23: Kumulierter Primärenergieverbrauch nach Regionen in Exajoule

Abbildung 24: Struktur des globalen Primärenergieverbrauchs und des Primärenergieverbrauchs untergliedert in erneuerbare Energien 2007

Abbildung 25: Entwicklung der globalen Primärenergiebereitstellung aus erneuerbaren Energien in Petajoule

Abbildung 26: Mittlere Wachstumsrate des Primärenergieverbrauchs und der Erneuerbaren Energien im Zeitraum 1990 bis 2006

Abbildung 27: Stromerzeugung erneuerbarer Energien bis 2050 in TWh/a

Abbildung 28: Wärmeerzeugung erneuerbarer Energien bis 2050 in TWh/a

Abbildung 29: Kraftstofferzeugung erneuerbarer Energien bis 2050 in TWh/a

Abbildung 30: Endenergie aus Biomasse in Terawattstunden pro Jahr

Abbildung 31: Primärenergieverbrauch global 1990 bis 2030 in Exajoule / Referenz- und Politikszenario

Abbildung 32: Struktur der Energiebereitstellung aus EE bis 2030 in Exajoule

Abbildung 33: Reduktionspotenzial CO2 Ausstoß - Referenzszenario / Politikszenario

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: EE - physikalische Herkunft und Umwandlungs- und Nutzungsmöglichkeiten

Tabelle 2: Rahmendaten zur Entwicklung des EEG

Tabelle 3: Formen der Biomasse und Umwandlung zu Energieträgern

Tabelle 4: Zwei Generationen von Biokraftstoffen

Tabelle 5: Produktionskosten für Maissilage - Gavot rz 280

Tabelle 6: Spezifische Substratkosten je KWh

Tabelle 7: Zusammensetzung der Investitionskosten

Tabelle 8: Beispiel - Jährliche Kosten (Abschreibung, Zins- und Pachtansatz)

Tabelle 9: Jährliche Kosten (Betriebskosten ohne Substratkosten)

Tabelle 10: Vergütungssätze Biogasanlage 2009 nach §27 EEG

Tabelle 11: Maximale Stromvergütung für Biogasanlagen 2009

Tabelle 12: Beispiel 130 kW Anlage EEG 2004 - 2009

Tabelle 13: Sensitivitätsanalyse / Veränderungen des durchschnittlichen Betriebsergebnisses

Tabelle 14: Betriebsergebnisse von Biogasanlagen

Tabelle 15: Unterteilung des weltweiten Primärenergieverbrauchs von 2002 auf Ländergruppen

Tabelle 16: Personen die traditionell Biomasse nutzen

Tabelle 17: Regionale Nutzung Erneuerbarer Energien in 2006 - global

Tabelle 18: Langfristig realisierbares Nutzungspotenzial erneuerbarer Energien für die Strom-, Wärme- und Kraftstofferzeugung in Deutschland

Tabelle 19: Studie: End und Primärenergieverbrauch; resultierende CO2 Emissionen bis 2050

Tabelle 20: Struktur der Energiebereitstellung aus EE bis 2030 in Exajoule und anteilig in Prozent

Tabelle 21: Personen die traditionell Biomasse benutzen bis 2030

Tabelle 22: CO2 Ausstoß pro Kopf und Region bis 2030 / Referenzszenario

Tabelle 23: Struktur und Wachstum des CO2 Ausstoßes bis 2030 / Referenzszenario

Tabelle 24: Struktur und Wachstum des CO2 Ausstoßes bis 2030 / Politikszenario

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung und Zielsetzung dieser Arbeit

Einleitung

Die Frage nach der Energie ist eine der Kernfragen für das Verständnis unserer Welt. Sie wird die entscheidende Frage danach sein, ob unsere Lebensform zukunftsfähig ist. Die nachhaltige Bereitstellung und ein sparsamer Einsatz von Energie sind die zentralen Herausforderungen unseres Jahrhunderts. Doch woher soll die Energie der Zukunft stammen? Beinahe täglich informieren die Medien über steigende Energiepreise und auch während der aktuellen Konjunktur und Wirtschaftskrise bleibt deutlich: Die Zeiten günstiger Energie aus fossilen Energieträgern sind auf lange Sicht vorbei. Die Ressourcen dieser Energieträger sind begrenzt und der Energiebedarf in vielen Regionen der Erde wächst im Zuge einer nachholenden Industrialisierung rasant. Um die Versorgung möglichst vieler Menschen mit Energie zu gewährleisten, muss Energie zukünftig aus Energieformen stammen, die langfristige Versorgungssicherheit zu einem vernünftigen Preis gewährleisten. Mit Blick auf den drohenden Klimawandel sollten diese Energieformen außerdem möglichst wenige, oder besser gar keine klimaschädigende Treibhausgase in die Atmosphäre emittieren. Nur dann kann eine weltweite Temperaturerhöhung von über zwei Grad in den nächsten Jahrzehnten vermieden werden. Die Treiber für eine Umgestaltung der Energieversorgung sind also die globale Klimaveränderung, die Ressourcenknappheit fossiler Rohstoffe, die weltweite Versorgungssicherheit und die Wirtschaftlichkeit der derzeitigen Energieversorgung.

Spätestens seit dem September des Jahres 2001 ist es offensichtlich, dass die Globalisierung und die bedeutenden Unterschiede, wie sie zwischen Regionen und Kulturen herrschen, mitunter auch große Gefahren mit sich bringen können. Die Bedrohung durch terroristische Anschläge war auch in Bezug auf die Sicherheit von Kernkraftwerken in Deutschland lange Zeit in den Medien präsent. Seit langem sind sich Experten darüber einig, dass die Energie der Zukunft aus einem Energiemix stammen muss. Die Fokussierung auf lediglich wenige Energieträger zur Energiebereitstellung würde die Versorgungssicherheit nur in ungenügendem Umfang gewährleisten. Ein unzureichend diversifiziertes Portfolio der genutzten Energieträger und die Abhängigkeit der meisten Länder von Rohstoffimporten stellen eine gefährliche Kombination dar. So führte in Deutschland beispielsweiße die Importabhängigkeit von Rohstoffen, die weit über 50 Prozent beträgt, zu Beginn dieses Jahres wiederholt zu drohenden Versorgungs-engpässen auf dem Erdgasmarkt (vgl. Endres 2009). Um solche Versorgungsengpässe künftig zu vermeiden und außerdem die schlimmsten Klimaveränderungen noch abwenden zu können, setzt die Bundesregierung in Deutschland auf die Strategie einer effizienteren Umwandlung von Energieträgern, eines sparsameren Einsatzes der gewonnenen Energie, sowie auf den drastischen Ausbau erneuerbarer Energien.

Zielsetzung

Sind erneuerbare Energien bereits wirtschaftlich einsetzbar? Tragen diese nachhaltig zur Reduktion der Treibhausgasemissionen bei? Welchen Anteil der gesamten Energiebereitstellung können erneuerbare Energien in Deutschland und auf der ganzen Welt überhaupt decken – und welchen Anteil davon werden sie tatsächlich bis Mitte dieses Jahrhunderts erreichen? Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur Beantwortung dieser Fragen liefern und auch Aufschluss darüber geben, wie groß der Beitrag von Biomasse, der wohl am meisten genutzten Form der regenerativen Energien, zum weltweiten Energieverbrauch tatsächlich ist.

Vorgehensweise

In der vorliegenden Arbeit liegt der inhaltliche Schwerpunkt auf den Themenbereichen Wirtschaftlichkeit und Marktentwicklung. Die Wirtschaftlichkeit von Biomasseanlagen wird unter Zuhilfenahme einer statischen Wirtschaftlichkeitsrechnung in Kapitel drei untersucht. Am Ende des Kapitels findet sich eine exemplarische Berechnung der Wirtschaftlichkeit von Biomasseanlagen anhand des Geschäftsmodells der Biogasanlage. Die Datengrundlage hierfür stammt vordergründig aus der Diplomarbeit von Thomas Pfeifle, die 2008 an der Hochschule für Wirtschaft und Umwelt in Nürtingen-Geislingen eingereicht wurde. In Kapitel vier, werden die Marktentwicklungen der erneuerbaren Energien sowohl auf nationaler als auch globaler Ebene untersucht. Die Bachelorarbeit gibt hierzu einen Rückblick über die vergangenen Jahre und sie wagt auch einen Ausblick auf die ersten Jahrzehnte des 21. Jahrhunderts. Datengrundlagen bilden in diesem Kapitel verschiedene Studien des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, sowie der World Energy Outlook 2006 der Internationalen Energie Agentur.

2 Nachhaltige Energieversorgung

Bereits im Jahr 1713 beschrieb ein Oberberghauptmann aus Freiberg in Sachsen die Grundsätze der Nachhaltigkeit (vgl. Carlowitz 1713). Seine Überlegungen, mit der „lieben Natur“ sei sorgfältig umzugehen, die Verbesserung von Handel und Wirtschaft solle zum Wohle der Gesellschaft sowie zur Garantierung ausreichender Ernährungs- und Lebensumstände beitragen, wurden von den Vereinten Nationen 1992 in Rio, in leicht veränderter Wortwahl, als die Nachhaltigkeitskriterien festgelegt (vgl. Ziegahn 2009). Heute wird unter dem Begriff Nachhaltigkeit der Versuch verstanden, die Interessen der Gemeinschaft unter ökonomischen, ökologischen und sozialen Gesichtspunkten zu befriedigen. Genau diese Kriterien muss auch eine Energieversorgung erfüllen, die langfristig funktionieren will.

Abbildung 1: Komponenten der Nachhaltigkeit

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung

2.1 Verschiedene Arten von Erneuerbare Energien

Die vom Menschen genutzten Energien stammen aus Primärenergieträgern. Damit werden diejenigen Energieformen beschrieben, die in der Natur vorkommen. Dies sind fossile Energieträger wie Steinkohle, Braunkohle, Erdöl, Erdgas, die Kernbrennstoffe Uran und Thorium, sowie die erneuerbaren Energien (EE). Der Überbegriff erneuerbare oder auch regenerative Energien steht hierbei für die folgenden Energieformen: Biomasse, Sonnenstrahlung, Wind, Wasserkraft, Erdwärme und Gezeitenenergie.

Laut Wagner (2007, S.49) haben erneuerbare Energien drei verschiedene physikalische Ursachen:

Zunächst ist der wärmeproduzierende Zerfall natürlicher radioaktiver Isotope zu nennen. Dieser Prozess läuft im heißen und flüssigen Erdinneren ab und die dadurch entstehende Energie wird Geothermie oder Erdwärme genannt. Genutzt wird die Geothermie entweder dadurch, dass direkt das vorkommende Heißwasser durch Bohrlöcher gefördert und zum Betrieb einer Turbine oder einer Heizanlage verwendet wird, oder aber, dass eine Trägerflüssigkeit zunächst durch ein tiefes Bohrloch in eine heiße Gesteinsschicht gepresst, anschließend durch ein anderes Bohrloch wieder zu Tage gepumpt und dann, wie beschrieben, zur Wärme oder Stromgewinnung verwertet wird.

Die zweite Ursache physikalischen Ursprungs ist die Kernfusion in der Sonne. Durch diese Reaktion schickt die Sonne Strahlungsenergie zur Erde, welche wir mit Hilfe thermischer Solaranlagen zur Warmwasserzubereitung oder durch den Einsatz von Photovoltaik zur Stromerzeugung nutzen können. Aber auch die Natur selbst nutzt diese Form der Energie und verwendet sie als Treibstoff für die Biomasseproduktion, wie zum Beispiel das Holz und Pflanzenwachstum. Durch die unterschiedliche Erwärmung der Erde in Folge der Sonneneinstrahlung entstehen Meeresströmungen und Bewegungen der Atmosphäre. Neben dem Wind ist die Sonne aber auch für die Verdunstung und den Niederschlag von Wasser verantwortlich. Die dadurch entstehende Laufwasserenergie durch Potenzialunterschiede wird schon seit geraumer Zeit zur Krafterzeugung eingesetzt.

Die Letzte physikalische Ursache stammt aus der Gravitation der Planeten. Auf Grund der Anziehung von Erde und Mond entstehen die Gezeiten auf der Erde. Derzeit wird versucht diese Energie in Gezeitenkraftwerken für die Energieerzeugung wirtschaftlich einzusetzen.

Tabelle 1: EE - physikalische Herkunft und Umwandlungs- und Nutzungsmöglichkeiten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Wagner 2007, S.50, eigene Darstellung

2.2 Erneuerbare Energien in Deutschland

In Deutschland existieren verschiedene Antriebsmechanismen, die den Ausbau von erneuerbaren Energien vorantreiben. Vor allem politische Förderinstrumente haben nachweislich einen großen Einfluss auf die Struktur der Energiebereitstellung (vgl. 4.1). Im Jahr 2000 wurde das 1991 eingeführte Stromeinspeisungsgesetz durch das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) ersetzt. Dieses Gesetz garantiert die Möglichkeit zur Einspeisung des durch EE produzierten Stroms. Außerdem legt es die Höhe der garantierten Vergütung fest, welche für den Produzenten über einen Zeitraum von 20 Jahren ab Inbetriebnahme der Anlage gezahlt wird. Diese Garantien sind notwendig, da der Strom aus EE heutzutage betriebswirtschaftlich^[1] noch teurer ist als Strom aus nicht erneuerbaren Energiequellen und dementsprechend gefördert werden muss (vgl. BMU 2008, S.33).

Die durchschnittliche Vergütung pro Kilowattstunde, über alle geförderten Energieformen, betrug 2007 11,4 Cent. Multipliziert mit der gesamt geförderten Strommenge von 76.120 Gigawattstunden im selben Jahr ergeben sich Gesamtvergütungskosten von 7,9 Milliarden Euro. Die Finanzierung dieser Kosten geschieht durch eine Umlage, die auf den Strompreis dazugerechnet und von allen Abnehmern in Deutschland gleichermaßen zu bezahlen ist. 2007 mussten Verbraucher 1,0 Cent pro Kilowattstunde EEG Umlage bezahlen, um die betriebswirtschaftlichen Kosten des EE-Stroms zu decken (vgl. BMU 2008, S.32f). Umgerechnet auf einen Familienhaushalt mit einem Verbrauch von 3.500 kWh Strom pro Jahr ergeben sich somit monatliche Kosten von etwa drei Euro, die auf das EEG zurückzuführen sind.

Tabelle 2: Rahmendaten zur Entwicklung des EEG

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: BMU 2008, S.32f

Aus betriebswirtschaftlicher Sicht kann die Energie aus erneuerbaren Energiequellen also (noch) nicht mit fossilen Energieformen konkurrieren. Um einen Überblick über die gesamtwirtschaftlichen Kosten erneuerbarer und fossiler Energieerzeugung zu bekommen, wird vom BMU empfohlen, die externen Kosten für durch CO2 verursachte Klimaschäden mit 70 Euro je Tonne CO2 anzunehmen. Daneben sind auch durch Luftschadstoff bedingte Gesundheits- und Materialschäden, sowie „in geringem Umfang“ landwirtschaftliche Ertragsverluste mit einzuberechnen (vgl. BMU 2008, S.33). Die Stromerzeugung mit Braun- und Steinkohle verursacht demnach gesamtwirtschaftliche Kosten von sechs bis acht Cent je erzeugter Kilowattstunde Strom. Bei modernen gasbefeuerten Kraftwerken mit einem Effizienzgrad von 57 Prozent liegt der Wert immerhin noch bei rund drei Cent. Die Stromerzeugung durch Photovoltaik verursacht Kosten in von ca. einem Cent je Kilowattstunde, mit einbezogen hierbei sind Bau und Entsorgung der Panels Alle sonstigen EE liegen weit unter 0,5 Cent je einer Kilowattstunde Strom (vgl. Abbildung 2). Die vermiedenen externen Kosten im Jahr 2007 schätzt das BMU (2008, S.33) auf „mindestens 5,8 Mrd. Euro“. Verglichen mit den EEG-Differenzkosten aus Tabelle 2 von 4,3 Mrd. Euro wird deutlich, dass sich die Förderung erneuerbarer Energien schon aus diesem gesamtwirtschaftlichen Aspekt lohnt. Die Vorteile, die dadurch strategisch und geo- sowie wirtschaftspolitisch entstehen sind dabei noch nicht einmal berücksichtigt.

Abbildung 2: Externe Kosten der Stromerzeugung in Deutschland in Cent je kWh elektr.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: BMU 2008, S.33, eigene Darstellung^[2]

2.3 Energieerzeugung aus Biomasse

Nur ein Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie nutzt die Natur, um mit Hilfe der Photosynthese daraus kohlenstoffreiche Biomasse aufzubauen. Dennoch wachsen dadurch jährlich im Mittel etwa 12 Tonnen trockene Biomasse pro Hektar grüner Landfläche^[3] (vgl. Wagner 2007, S.210). Seit Beginn der Menschheit wird Biomasse als Nahrungsmittel, und seit der Entdeckung des Feuers auch als Heizmittel genutzt. Mit neuen Techniken ist es möglich, Biomasse zu vergasen und in Form von Biogas als Erdgassubstitut zu verwenden, oder aber die Biomasse zu verflüssigen. Dadurch lassen sich gut speicherbare Energieträger herstellen, die beispielsweise im Verkehrssektor eingesetzt werden können. Neben Holz, sowie Energie- und Nutzpflanzen fallen viele verschiedene Arten von Biomasse an. Dies sind landwirtschaftliche Reststoffe, Haus- und Industriemüll sowie Klärgas aus Mülldeponien (vgl. Tabelle 3). Thermische, chemische und mechanische Verfahren können diese Stoffe in Gase, Alkohole oder Ölprodukte umwandeln.

Tabelle 3: Formen der Biomasse und Umwandlung zu Energieträgern

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Wagner 2007, S.218, eigene Darstellung^[4]

2.3.1 Grundlastfähigkeit

„Die Grundlast ist der Minimal-Bedarf an Strom oder Heizwärme, der zu jeder Uhrzeit abgefragt wird. Da die Grundlast-Versorgung für Strom rund um die Uhr zur Verfügung stehen muss, eignen sich Kraftwerke, die von Zeit- oder Wetterfaktoren wie Wind, Sonne oder Gezeiten abhängig sind, nicht zu ihrer Bereitstellung.“ (s. Schwenke 2008). Biomasse erfüllt die Voraussetzungen einer Energiequelle, die zur Erzeugung der Grundlast erforderlich sind. Trockene, sowie nasse Biomasse ist speicherbar und als energiereicher Stoff unabhängig von Zeit- oder Wetterfaktoren einsetzbar. Die in dem Zitat von Schwenke genannten anderen EE sind nur zur Bereitstellung der Grundlast geeignet, wenn die erzeugte Energie in großem Umfang effizient zwischengespeichert werden kann. Derzeit wird an Methoden geforscht die dies ermöglichen sollen. Effizienzsteigerungen beim Zurückpumpen von Wasser in Stauseen bei einem Überangebot von Strom im Stromnetz (z. B. durch Wind oder Sonnenkraft erzeugter Strom) und Nutzung der Potenzialenergie bei hohem Strombedarf, oder die Nutzung von Elektrofahrzeugen als dezentrale Energiespeicher, sind hierbei aktuelle Themen.

2.3.2 CO2 Bilanz von Biomasse

Verglichen mit EE wie Geothermie oder Windkraft wird bei der Nutzung von (kohlenstoffreicher) Biomasse relativ viel CO2 emittiert. Besonders bei der Verbrennung von Holz, Pellets oder Biogas fällt das Treibhausgas an. Im Unterschied zu fossilen Energieträgern wird die CO2 Bilanz von Biomasse in der Fachliteratur oftmals mit „neutral“ angegeben (vgl. Fritsche S.66f). Begründet wird dies mit der Überlegung, dass fossile Rohstoffe bei der Umwandlung CO2 emittieren, welches in Form von Kohlenstoffverbindungen über Millionen von Jahren zunächst in Biomasse und dann in Form von Öl, Kohle oder Gas eingeschlossen war. Dieses CO2 wird sich auf lange Sicht nicht mehr in einer vergleichbaren Form - und vor allem nicht auf solch lange Zeit - binden lassen. Im Gegensatz hierzu steht die Biomassenutzung. Das hierbei emittierende CO2 wurde durch die Fotosynthese mit Hilfe von Sonnenlicht und Wasser zuvor aus der Atmosphäre zum Aufbau von Biomasse genutzt. Es entsteht also ein Kreislauf, dem niemals mehr CO2 entnommen als zugeführt werden kann.

2.3.3 Energetische und stoffliche Nutzung

Biomasse kann auf verschiedene Arten genutzt werden. Neben den in Tabelle 3 genannten Umwandlungsverfahren, die auf die energetische Nutzung der Biomasse abzielen, ist es auch möglich, die Biomasse stofflich zu verwenden (vgl. Abbildung 3). Natürlich erheben Pharmafirmen, die Inhaltsstoffe der Biomasse beispielsweise als Arzneimittel verarbeiten, oder die Waschmittelindustrie, die bestimmte Extrakte benötigt um Waschmittel zu produzieren, einen hohen Anspruch auf die Nutzung von Biomasse. Mit Blick auf die begrenzte Produktionskapazität von Biomasseprodukten (selbst von Reststoffen) muss beachtet werden, dass jede Tonne Biomasse, die produziert wird, nur einmalig entweder für eine energetische oder für eine stoffliche Nutzung zur Verfügung steht. Bei dieser Überlegung muss beachtet werden, dass zwar nur ein direkter Nutzungspfad für ein Biomasseprodukt möglich ist, dass jedoch zunächst stofflich genutzte Biomasse (z. B. eine Tür aus Holz), durch Verbrennung, immer noch eine energetische Leistung erbringen kann.

Abbildung 3: Stoffliche und energetische Nutzung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Faulstich 2008, verändert

2.3.4 Verfahren zur Umwandlung von Energie aus Biomasse

Es existieren vielfältige Nutzungsmöglichkeiten zur Energiegewinnung aus Biomasse, die unterschiedlich weit entwickelt sind. Die folgenden beiden Beispiele, im Biogas und Biokraftstoffbereich, erheben keinerlei Anspruch darauf, vollständige Verfahrens-beschreibungen zu sein, sondern dienen lediglich der Orientierung und sollen einen Einblick in die verschiedenartigen Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse geben.

2.3.4.1 Biogas

Insbesondere seit 2004 gibt es weltweit und gerade auch in Deutschland einen großen Zuwachs an Biogasanlagen (vgl. BMU 2008). Als Grund hierfür ist vordergründig die Einführung des NaWaRo-Bonus für Strom aus Biogas, und damit die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen zu nennen. Während Biogas früher hauptsächlich zur direkten Wärmeerzeugung durch Verbrennung genutzt wurde, wird heutzutage nahezu jede Biogasanlage, die neu in Betrieb genommen wird, mit einem BHKW zur Strom und Wärmegewinnung ausgestattet (vgl. Faulstich 2005, S.101).

Das Verfahren zur Stromerzeugung aus Biogas lässt sich grob in drei Schritte untergliedern.

Erstens: Produktion und Einlagerung des geeigneten Substrats bzw. dessen Ankauf. Zweitens: Gewinnung von Biogas durch den anaeroben Fäulnisprozess im Fermenter. Drittens: Verfeuerung des Biogases in einem BHKW zur Strom und Wärmeerzeugung.

Diese Endprodukte können dann entweder in das Strom und Wärmenetz eingespeist oder selbst genutzt werden. Auf Grund der im EEG festgelegten attraktiven Vergütungssätze wird der Strom derzeit überwiegend in das Stromnetz eingespeist, die Wärme wird teilweise genutzt, um im Fermenter die Reaktionstemperatur bei 30-41°C (mesophil) oder ca. 55°C (thermophil) zu stabilisieren. Außerdem kann die Wärme auch genutzt werden, um angrenzende Wohn- und Betriebsräume zu heizen oder sie kann, falls bestehend, in eine Wärmenetz eingespeist werden (vgl. Faulstich 2005, S.101ff).

Mit einem Vorsprung von sechs Prozentpunkten dominieren die nachwachsenden Rohstoffe (NaWaRo) vor den tierischen Exkrementen bei der anteiligen Einsatzmenge als Substrat für Biogasanlagen. Mais ist mit 79 Prozent der am häufigsten verwendete NaWaRo bei der Biogasproduktion (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Substrateinsatz in Biogasanlagen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Scholwin et al., 2008, eigene Darstellung

„Der anaerobe biologische Abbau von Proteinen erfordert eine Vergesellschaftung verschiedener anaerober Bakteriengruppen, die das entsprechende Substrat schrittweise über syntrophe, stoffwechselphysiologisch und energetisch bedingte Wechselwirkungen zu Biogas umsetzen“ (Faulstich 2005, S.115). Dieses Biogas besteht hauptsächlich aus Methan (50 bis 75 Prozent), Kohlenstoffdioxid und Wasser. Außerdem findet sich darin auch Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Schwefelwasserstoff. Je höher der Anteil des Methans ist, desto größer ist auch der nutzbare Energiegehalt des Gases.

Der Aufbau einer Biogasanlage

Gülle und Kofermente wie NaWaRo und Reststoffe werden zunächst in den Fermenter eingebracht. Optimal ist es, wenn der Fermenter täglich mit diesen Substraten beschickt wird. Altes, ausgegorenes Substrat wird dabei durch ein Überlaufventil oder eine ähnliche Vorrichtung abgeführt und kann als mineralstoffreicher Dünger landwirtschaftlich verwertet werden. Im Fermenter wird das freiwerdende Biogas unter Zuhilfenahme von Rührgeräten an die Oberfläche des Substratgemischs transportiert. Die Rührgeräte sorgen zudem für die Aufrechterhaltung der Reaktionsbedingungen im Fermenter. Vom Gasspeicher wird das Biogas zum BHKW geleitet, wo es nach Trocknung und Entschwefelung als Brennstoff verfeuert wird (vgl. Abbildung 5).

Abbildung 5: Aufbau einer Biogasanlage

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Landwirtschaftskammer NRW 2008

2.3.4.2 Biokraftstoffe – insbesondere BtL

„Zwar mögen pflanzliche Öle gegenwärtig für eine technische Nutzung unwichtig sein. Aber im Laufe der Zeit könnten sie durchaus die gleiche Bedeutung erlange, die unseren heutigen Erdöl- und Kohleteer-Produkten zukommt.“ Dies prognostizierte Rudolf Diesel bereits im Jahr 1912 nach dem erfolgreichen Einsatz von Erdnussöl in einem Dieselmotor (vgl. FNR 2007, S.8). Bis zu den heutigen Techniken der Biokraftstoffnutzung war es damals noch ein weiter Weg, aber tatsächlich werden heute Pflanzenöle als Reinkraftstoff oder als Rohstoff für Kraftstoffe eingesetzt. Unterschieden wird zwischen Biokraftstoffen der ersten und der zweiten Generation. Das von Rudolf Diesel eingesetzte Erdnussöl wäre eindeutig den Kraftstoffen der ersten Generation zuzuschreiben, da lediglich die Frucht einer Pflanze und nicht die ganze Pflanze zur Produktion verwendet wurde. Demnach sind Biokraftstoffe der zweiten Generation dadurch gekennzeichnet, dass sie aus der ganzen Pflanze oder sogar nur aus Reststoffen (der Nahrungs- oder Futtermittelproduktion) hergestellt werden. Aus diesem Grund stehen Biokraftstoffe der zweiten Generation nicht in direkter Konkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion. Während Biokraftstoffe der ersten Generation bereits die Marktreife erlangt haben, besteht bei denjenigen der zweiten Generation noch Entwicklungsbedarf. Die Verfahren zur Herstellung der neueren Generation von Biokraftstoffen werden derzeit in Versuchsanlagen getestet, wie z. B. in der Versuchsanlage bioliq® im Forschungszentrum Karlsruhe. Anhand der folgenden Tabelle wird zunächst zwischen Biokraftstoffen der ersten und zweiten Generation unterschieden, bevor der Aufbau der Versuchsanlage bioliq® und ihre Funktionsweise, beispielhaft für BtL-Kraftstoffe, vorgestellt wird.

Tabelle 4: Zwei Generationen von Biokraftstoffen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: FNR 2007, S.10, verändert, eigene Darstellung

BtL. Wie in der vorhergehenden Tabelle ersichtlich können grundsätzlich alle Arten von Biomasse zur Erzeugung von BtL-Kraftstoffen eingesetzt werden. Um der Nahrungsmittelkonkurrenz zu entgehen, sind daher vor allem Reststoffe wie bspw. Stroh, Heu oder Restholz attraktive Edukte.

Am Forschungszentrum Karlsruhe wurde ein BtL-Verfahren entwickelt, welches Synthesekraftstoffe aus „relativ preisgünstiger, bisher weitgehend ungenutzter Restbiomasse“ erzeugt (Dahmen 2007, S.60).

Das Verfahren lässt sich in einen mehrstufigen Prozess untergliedern (vgl. zum Folgenden Dahmen 2007, S.60ff):

1. Schnellpyrolyse: Im ersten Schritt wird die dezentral anfallende Biomasse durch die Schnellpyrolyse Pyrolyseöl und –koks hergestellt. Die trockene Biomasse wird zerkleinert und unter Luftabschluss mithilfe eines Doppelschnecken-Mischreaktors mit heißem Sand als Wärmeträger vermengt. Innerhalb weniger Sekunden erfolgt bei ca. 500 °C die Aufspaltung der Biomasse zu 40-70 Prozent in ein organisches Kondensat (Pyrolyseöl) und zu 15-40 Prozent in ein Pyrolysekoks. Das übrige Pyrolysegas ist nicht kondensierbar und dessen Verbrennungswärme wird zur Aufheizung des Sandes oder zur Trocknung der Biomasse verwendet.
2. Slurryherstellung: Der äußerst poröse Pyrolysekoks wird zusammen mit dem Pyrolyseöl zu dem Bioslurry vermischt. Je kleiner hierbei die Kokspartikel sind, desto langzeitstabiler ist die Suspension. Die Energiedichte des Slurrys ist, verglichen mit der Biomasse, um einiges höher und daher für Transporte deutlich besser geeignet.
3. Flugstromvergasung: Im Flugstromvergaser wird der Bioslurry mit heißem Sauerstoff bei über 1.200 °C zu einem teerfreien und methanarmen Rohsynthesegas umgesetzt.
4. Gasreinigung und –konditionierung: Vor der darauffolgenden Synthese muss das Rohsynthesegas den jeweiligen Anforderungen entsprechend gereinigt und von Partikeln, Alkalsalzen und unerwünschten Chemischen Verbindungen befreit werden. Damit wird die Vergiftung der in der Synthese eingesetzten Katalysatoren verhindert.
5. Synthese: Die nun folgende Umwandlung des Synthesegases in Kraftstoffe im großen Maßstab ist bereits Stand der Technik. Über die Fischer-Tropsch-Synthese können aus ca. sieben Tonnen lufttrockenem Stroh eine Tonne Synthesekraftstoff hergestellt werden. Die entstehenden Nebenprodukte Wärme und Strom können den Energiebedarf des Gesamtprozesses vollständig decken.

Der Vorteil von Synthesekraftstoffen der zweiten Generation aus dem BtL-Verfahren gegenüber den Kraftstoffen der ersten Generation ist, dass diese Kraftstoffe in herkömmlichen Otto- und Dieselmotoren verwendet werden können. BtL-Kraftstoffe können daher nach Einschätzung der Forscher des Forschungszentrums Karlsruhe in wenigen Jahren einen bedeutenden Beitrag zur Kraftstoffversorgung in Deutschland leisten und damit den Anteil fossiler Kraftstoffe am gesamten Kraftstoffverbrauch senken^[5] (Dahmen 2007, S.62f).

[...]

^[1] Gesamtwirtschaftlich gesehen ergibt sich, wie im Folgenden beschrieben, ein anderes Bild.

^[2] PV = Photovoltaik
DK = Dampfkraftwerk
GuD = Gas- und Dampfkraftwerk
Prozentzahl = Effizienzkoeffizient

^[3] Wagner (2007) bezieht in diese Berechnung alle, in der Natur vorkommenden, Formen der Biomasse mit ein.

^[4] Die unter „Einsatzbereich“ in Klammer angegebene Energieform ist nur durch einen weiteren Umwandlungsschritt zu erreichen.

^[5] Biokraftstoffe werden laut Dahmen (2007, S.63) 2015 für 25 Prozent der gesamten Kraftstoffbereitstellung in Deutschland verantwortlich sein. Alleine 15 Prozent sollen laut Orgeldinger (2008, S.4) aus Anlagen zur Produktion von Synthesekraftstoffen, wie z. B. bioliq®, stammen.