Biomasse als regenerativer Energieträger

Bei Biomasse-Primärprodukten wird solare Strahlung mit Hilfe von Pflanzen über den Prozess der Photosynthese in organische Materie umgewandelt. Biomasse stellt damit gespeicherte Sonnenenergie dar. Dies unterscheidet Biomasse grundsätzlich von anderen Optionen zur energetischen Nutzung der Sonnenenergie, da diese an die von der Sonne eingestrahlte Energie gekoppelt und daher z. T. erheblichen Angebotsschwankungen innerhalb vergleichsweise kurzer Zeiträume unterworfen sind (z. B. Windkraft, Solarstrahlung). Die teilweise heftigen Schwankungen des Energieangebots bei einigen regenerativen Energien erschweren deren technische Nutzbarmachung und können zusätzliche Speichersysteme erfordern, wenn eine Energieversorgung mit einem hohen Maß an Versorgungssicherheit realisiert werden soll. Zusätzliche Speichersysteme sind bei der Produktion biogener Brennstoffe nicht notwendig, da für jede Pflanzenart ein angepasstes und geeignetes Speichersystem von der Natur "mitgeliefert" wird.

Die auf der Erde nutzbaren Energieströme entspringen drei grundsätzlich unterschiedlichen Primärquellen. Dies sind

• die Solarstrahlung und damit die durch den Fusionsprozess auf der Sonne freigesetzte Energie,
• die Erdwärme, resultierend aus der in der Erde gespeicherten Energie sowie
• die Planetengravitation und -bewegung, die für die Gezeiten verantwortlich ist.

Dabei ist die von der Sonne eingestrahlte Energie mit Abstand die grösste Quelle des regenerativen Energieangebotes. Es folgen die Erdwärme und die Gezeitenenergie.

Aus diesen drei Quellen, im wesentlichen also primär aus der Solarstrahlung, werden durch verschiedene Umwandlungen innerhalb der Erdatmosphäre eine ganze Reihe sehr unterschiedlicher weiterer Energieströme hervorgerufen. So stellen beispielsweise die Windenergie und die Wasserkraft wie auch die Meeresströmungsenergie und die Biomasse umgewandelte Formen der Sonnenenergie dar. Werden nur die in Deutschland gegebenen Möglichkeiten betrachtet, reduzieren sich die in  dargestellten Optionen aufgrund der klimatischen und geographischen Bedingungen auf

• die solare Strahlung,
   
• die Windenergie,
   
• die Wasserkraft,
   
• die Erdwärme und
   
• die Biomasse (photosynthetisch fixierte Energie).

Andere theoretisch verfügbare Möglichkeiten zur Nutzung regenerativer Energien haben dagegen im gesamten deutschsprachigen Raum kaum Bedeutung. In anderen Teilen der Welt kann dies aber durchaus anders sein.

Abb.: Möglichkeiten zur Nutzung des regenerativen Energieangebots (die Möglichkeiten der Biomassenutzung sind grau unterlegt; nach )

Wird die gegenwärtige Nutzung dieser regenerativen Energien als ein Indikator für die relative Marktnähe der damit verbundenen Möglichkeiten zur End- bzw. Nutzenergiebereitstellung herangezogen, verbleibt von der Anzahl der denkbaren Optionen zur Nutzung dieses Energieangebots nur die Biomasse, die Wasserkraft und die Windenergie. Davon ist die Biomasse mit Abstand die Möglichkeit, die - zumindest in Deutschland - bisher am meisten genutzt wird.

Definitionen der Energiebegriffe

1. Energie

Unter Energie wird nach Max Planck die Fähigkeit eines Systems verstanden, äussere Wirkungen hervorzubringen. Dabei kann zwischen mechanischer Energie (d. h. potentieller und kinetischer Energie), thermischer, elektrischer und chemischer Energie, Kernenergie und Strahlungsenergie unterschieden werden. In der praktischen Energieanwendung wird Nutzenergie in erster Linie als Kraft (mechanische Energie), Wärme (thermische Energie) und Licht (Strahlungsenergie) nachgefragt. Je nach Art der Ausgangsenergie sind hierzu Energieumwandlungen erforderlich. 

2. Energieträger

Unter einem Energieträger - und damit einem "Träger" der oben definierten Energie - wird ein Stoff oder Energiefeld verstanden, aus dem direkt oder durch eine oder mehrere Umwandlungen Nutzenergie gewonnen werden kann. Energieträger können ach dem Grad der Umwandlung unterteilt werden in Primär-, Sekundär- und Endenergieträger (). Der Energieinhalt dieser Energieträger ist die Primär-, die Sekundär- und die Endenergie. Die einzelnen Energiebegriffe sind im folgenden definiert. Abb.:

Energiewandlungskette (nach /Kaltschmitt 1997b/, verändert)

• Primärenergieträger. Unter Primärenergieträgern werden Stoffe oder Energiefelder und unter der Primärenergie der Energieinhalt der Primärenergieträger und der Energieströme verstanden, die noch keiner technischen Umwandlung unterworfen wurden und aus denen direkt oder durch eine oder mehrere Umwandlungen Sekundärenergie oder -träger gewonnen werden können (z. B. Steinkohle, Braunkohle, Erdöl, Biomasse, Windkraft, Solarstrahlung, Erdwärme). 
• Sekundärenergieträger. Sekundärenergieträger sind Energieträger und Sekundärenergie ist der Energieinhalt der Sekundärenergieträger oder der von Energieströmen, die direkt oder durch eine oder mehrere Umwandlungen in technischen Anlagen aus Primär- oder aus anderen Sekundärenergieträgern bzw. -energien hergestellt werden (z. B. Benzin, Heizöl, Rapsöl, elektrische Energie). Dabei fallen u. a. Umwandlungs- und Verteilungsverluste an. Sekundärenergieträger bzw. Sekundärenergien stehen Verbrauchern zur Umwandlung in andere Sekundär- oder Endenergieträger bzw. -energien zur Verfügung.
• Endenergieträger. Unter Endenergieträgern werden Energieträger und unter Endenergie der Energieinhalt der Endenergieträger bzw. der entsprechenden Energieströme verstanden, die der Endverbraucher letztlich bezieht (z. B. Heizöl im Öltank des Endverbrauchers, Holzhackschnitzel vor der Feuerungsanlage, elektrische Energie im Haushalt, Fernwärme an der Hausübergabestation). Sie resultieren aus Sekundär- oder ggf. Primärenergieträgern bzw. -energien, vermindert um die Umwandlungs- und Verteilungsverluste, den Eigenverbrauch der Energieumwandlungen bis zur Endenergie sowie den nicht-energetischen Verbrauch. Sie sind für die Umwandlung in Nutzenergie verfügbar.
• Nutzenergie. Mit Nutzenergie wird letztlich die Energie beschrieben, die nach der letzten Umwandlung in den Geräten des Verbrauchers für die Befriedigung der jeweiligen Bedürfnisse (z. B. Raumtemperierung, Nahrungszubereitung, Information, Beförderung) zur Verfügung steht. Sie wird gewonnen aus Endenergieträgern bzw. der Endenergie, vermindert um die Verluste dieser letzten Umwandlung (z. B. Verluste infolge der Wärmeabgabe einer Glühbirne für die Erzeugung von Licht, Verluste in einer Hackschnitzelfeuerung bei der Bereitstellung von Wärme).

Wandlungskette von Biomasse

Biomasse kann zur Deckung der End- bzw. Nutzenenergienachfrage mit Hilfe einer Vielzahl unterschiedlichster Techniken und Verfahren eingesetzt werden. Die verschiedenen Optionen unterscheiden sich dabei in Abhängigkeit von der eingesetzten Biomasse (z. B. Waldrestholz, Rapssaat, Weizen , Gülle, Klärschlamm) und des jeweils gewünschten End- bzw. Nutzenenergieträgers (z. B. Wärme, Strom, Ethanol, Rapsölmethylester, Pyrolyseöl) erheblich. Zusätzlich ist auch der Stand der Technik der für eine energetische Nutzung von Biomasse geeigneten Verfahren sehr unterschiedlich.

Biomasse kann im Verlauf einer Bereitstellungskette, die den "Weg" vom Anfallort bis zur gewünschten End- bzw. Nutzenergie beschreibt, auf sehr unterschiedliche aufgearbeitet und letztlich in die gewünschte Energieform umgewandelt werden.

Im einfachsten Fall beispielsweise wird lignocellulosehaltige Biomasse wie Holz im Anschluss an eine einfache mechanische Aufbereitung (z. B. Zerkleinerung zu Hackschnitzeln, Verdichtung zu Holzpellets) direkt in einer Feuerungsanlage verbrannt. Die Verbrennung stellt dabei das "klassische" Verfahren zur Nutzung fester Stoffe organischer Herkunft dar, wenn es - und dies ist der Regelfall - um die Deckung der gegebenen Wärme- und ggf. Stromnachfrage geht. Diese Technologie ist innerhalb eines sehr großen Leistungsbereichs betriebssicher verfügbar und bereits seit Generationen im großtechnischen Einsatz. Dabei sind die derzeit für die energetische Nutzung von Biomasse verfügbaren Anlagen primär zur Bereitstellung von Wärme ausgelegt. Grundsätzlich ist aber auch eine Stromerzeugung aus Biomasse möglich. 

Abb.: Möglichkeiten einer Energiebereitstellung aus Biomasse. Dunkel unterlegte Flächen kennzeichnen die im Leitfaden betrachteten Bereitstellungs- und Versorgungsketten. (PME= Pflanzenmethylester)/ Kaltschmitt, verändert.

Eine Bereitstellungs- oder Versorgungskette von Energie aus Biomasse umfasst alle Prozesse beginnend mit der Produktion der Energiepflanzen bzw. der Verfügbarmachung von Rückständen oder Abfällen organischer Herkunft bis zur Bereitstellung der Endenergie (z. B. Wärme, Strom). Sie beschreibt damit den (vertikalen) "Lebensweg" der rezenten organischen Stoffe von der Produktion bis zur End- bzw. Nutzenenergiebereitstellung.

Veredelung von Biomasse

Für zahlreiche Anwendungen (z. B. die mobile oder stationäre Kraftbereitstellung) ist es sinnvoll oder sogar notwendig, aus festen Bioenergieträgern flüssige oder gasförmige Sekundärenergieträger herzustellen. Der letztlich gewollten Umwandlung in End- bzw. Nutzenergie werden deshalb Veredlungsprozesse vorgeschaltet, bei denen die Energieträger hinsichtlich einer oder mehrerer der folgenden Eigenschaften aufgewertet werden.

Bei den Verfahren zur Umwandlung rezenter organischer Festbrennstoffe in feste, flüssige oder gasförmige Sekundärenergieträger kann zwischen thermochemischen, physikalisch-chemischen und biochemischen Veredlungsverfahren unterschieden werden (Abb.).

1. Thermochemische Umwandlung

Durch eine thermochemische Umwandlung der Biomasse (Verkohlung, Verflüssigung bzw. Pyrolyse, Vergasung) werden die organischen Stoffe in erster Linie unter dem Einfluss von Wärme in feste, flüssige und/oder gasförmige Energieträger mit bestimmten Eigenschaften umgewandelt (Abb.).

       a. Verkohlung

• Unter der Verkohlung von Biomasse wird eine Veredelung mit dem Ziel einer möglichst hohen Ausbeute an Festbrennstoff definierter Qualität (Holzkohle) verstanden. Die organische Masse wird dabei unter Einwirkung von Wärme zersetzt. Die erforderliche Prozesswärme wird häufig durch Teilverbrennung des Rohstoffs bereitgestellt. Der durch diesen Prozess gewonnene Energieträger kann anschließend in entsprechenden Anlagen zur Wärme- und Strombereitstellung eingesetzt werden. Alternativ ist auch eine stoffliche Nutzung möglich (z. B. Aktivkohle).
• Die entsprechende Technologie zur Holzkohleherstellung ist verfügbar und befindet sich im großtechnischen Einsatz. Der Großteil der produzierten Holzkohle wird jedoch stofflich u. a. in der chemischen Industrie genutzt. Aufgrund des im Vergleich geringen Wirkungsgrades der Verkohlung von rund einem Drittel bis zwei Fünftel bezogen auf den Heizwert der eingesetzten biogenen Festbrennstoffe und der im Vergleich zu einer direkten Verbrennung der Biomasse geringen Vorteile, konnte sich die Verkohlung als Veredlungsverfahren für die energetische Nutzung bisher nicht durchsetzen. Da nicht zu erwarten ist, dass sich an den prinzipiellen Nachteilen zukünftig etwas ändern wird, dürfte diese Veredlungstechnik weiterhin auf die schon erschlossenen Nischenmärkte (d. h. stoffliche Nutzung) beschränkt bleiben.

       b.Verflüssigung

• Bei der Verflüssigung oder Pyrolyse werden die organischen Stoffe unter dem Einfluss von Wärme und ggf. weiteren Stoffen durch einen pyrolytischen Abbau und damit durch eine thermische Zersetzung mit dem Ziel einer möglichst hohen Ausbeute an flüssigen Komponenten veredelt. Zusätzlich entstehen gasförmige und feste Stoffe, die teilweise zur Energiebereitstellung für den Pyrolyseprozess genutzt werden. Die produzierten flüssigen Energieträger können anschließend - nach einer entsprechenden Reinigung - als Brennstoff in geeigneten Feuerungsanlagen oder als Treibstoff in Motoren zur Kraft- (für die Stromerzeugung) und Wärmebereitstellung oder zur gekoppelten Wärme-Kraft-Bereitstellung eingesetzt werden. Damit wird die Biomasse in einen flüssigen und gut transportierbaren Energieträger mit einer relativ hohen Energiedichte umgewandelt, der dann weitgehend universell einsetzbar ist.
• Obwohl die Pyrolyse seit Jahren Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten ist, befindet sich diese Technologie noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium. Ursache dafür sind primär die nach wie vor ungelösten technischen Probleme sowie die hohen Kosten. Daher ist nicht zu erwarten, dass die Verflüssigung fester Biomasse in den nächsten Jahren großtechnisch funktionssicher und kostengünstig verfügbar sein wird.

c. Vergasung

• Bei der Vergasung wird Biomasse bei hohen Temperaturen möglichst vollständig in einen gasförmigen Energieträger (d. h. Brenngas) umgewandelt. Dabei wird der erhitzten Biomasse ein sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel (z. B. Luft) zugeführt. Die organischen Stoffe werden in brennbare Verbindungen aufgespalten und der zurückbleibende Kohlenstoff wird zu Kohlenstoffmonoxid teilverbrannt. Die erforderliche Prozesswärme wird meist durch eine teilweise Verbrennung der eingesetzten Biomasse bereitgestellt. Das produzierte niederkalorische Brenngas kann in Brennern zur Wärmebereitstellung und in Gasmotoren oder -turbinen zur Stromerzeugung bzw. zur kombinierten Wärme- und Strombereitstellung eingesetzt werden.
• Die Vergasung der Biomasse stellt eine vielversprechende Option, insbesondere zur Stromerzeugung, dar. Dies gilt aufgrund der realisierbaren hohen Wirkungsgrade bezogen auf die bereitgestellte elektrische Energie und wegen der zu erwartenden prozessbedingten geringeren Emissionen im Vergleich zu einer Stromerzeugung über eine direkte Biomasseverbrennung. Deshalb wurden in den letzten Jahren auch erhebliche Forschungsanstrengungen unternommen, diese Technologie großtechnisch verfügbar zu machen, was bisher aber nur ansatzweise gelungen ist. Kommerziell werden gegenwärtig nur einige wenige Vergasungsanlagen ausschliesslich zur Wärmebereitstellung betrieben. Anlagen zur Stromerzeugung - nur hier kommt der eigentliche Vorteil der Vergasung voll zum Tragen - existieren derzeit nur als Pilotprojekte im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten. Probleme gibt es dabei besonders mit der Gasreinigung, da die vergaste Biomasse hohe Staubgehalte und teilweise erhebliche Anteile an kondensierbaren organischen Stoffen aufweist. Die nachgeschaltete Gasturbine bzw. der Gasmotor verlangen jedoch ein weitgehend kondensat- und staubfreies Brenngas. Dieses sicherzustellen ist derzeit nur mit einem hohen technischen Aufwand möglich, der aufgrund der damit verbundenen Kosten und der ungelösten technischen Probleme unter den gegenwärtigen energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen kaum umgesetzt werden kann. Deshalb stellt die Vergasung bisher nur eine - wenn auch wichtige - Option für die Zukunft dar. Praktisch hat sie noch keine Bedeutung.

2. Physikalisch-chemische Umwandlung

Einige Biomassen (z. B. Raps- oder Sonnenblumensaat) enthalten - in unterschiedlichen Konzentrationen - Öle und Fette, die ebenfalls energetisch genutzt werden können. Sie werden mit Hilfe von physikalisch-chemischen Verfahren gewonnen (Abb.). Zusätzlich kann noch eine Umesterung notwendig werden, damit das Endprodukt sich den Eigenschaften konventionellen Dieselkraftstoffs weitgehend annähert und dadurch der Einsatz in vorhandenen Dieselmotoren möglich ist.

a. Pressen

• Durch einfaches mechanisches Pressen der ölhaltigen Pflanzenkomponenten (d. h. der Saat) kann die flüssige Ölphase von der festen Phase, dem sogenannten Presskuchen, getrennt werden. Letzterer wird meist als Tierfutter weiterverwertet. Die dafür notwendige Verfahrenstechnik ist sowohl kleintechnisch (z. B. auf dem landwirtschaftlichen Betrieb) als auch großtechnisch (z. B. in der Ölmühle) verfügbar. Die Speiseölgewinnung in Ölmühlen ist seit Jahrzehnten Stand der Technik.
• Das Öl kann nach entsprechender Reinigung als Treibstoff in pflanzenöltauglichen Motoren mobil (z. B. Rapsöl in entsprechenden Traktoren) oder stationär (z. B. in Blockheizkraftwerken) eingesetzt werden. Bisher sind allerdings nur wenige Hersteller für pflanzenöltaugliche Motoren bekannt. Darüber hinaus wurden die von fossilen Treibstoffen gewohnten hohen Motorenstandzeiten mit pflanzenöltauglichen Motoren bisher noch nicht erreicht.

       b. Extraktion

• Bei der (alternativ oder additiv zur Pressung) möglichen Extraktion wird der ölhaltigen Saat das Öl mit Hilfe eines Lösemittels (z. B. Hexan) entzogen. Öl und Lösemittel bzw. Extraktionsrückstand und Lösemittel werden anschließend durch eine Destillation getrennt. Öl, Extraktionsschrot und Lösemittel sind danach in Reinform vorhanden. Dieses Öl kann - wie das ausschließlich durch Pressung gewonnene Öl - energetisch genutzt werden. Das Schrot ist als Futtermittel einsetzbar. Diese Technik ist ebenfalls großtechnisch vorhanden und im Einsatz.

       c. Umesterung

• Aufgrund der erwähnten Probleme beim Einsatz von Pflanzenöl in Motoren wird Öl häufig in Pflanzenölmethylester (PME) umgewandelt. Dadurch ist es nahezu wie fossiler Dieselkraftstoff in Diesel-Motoren einsetzbar. Die entsprechenden Verfahren sind großtechnisch verfügbar. Aufgrund der hohen mit der Bereitstellung von PME verbundenen Kosten ist derzeit der Markt aber begrenzt.

3. Biochemische Umwandlung

Bei den biochemischen Veredlungsverfahren erfolgt die Umwandlung der Biomasse in Sekundärenergieträger bzw. in End- oder Nutzenergie mit Hilfe von Mikroorganismen und damit durch eine biologische Umwandlung (Abb.).

a. Anaerober Abbau

• Beim anaeroben Abbau organischer Stoffe, d. h. der Umwandlung unter Sauerstoffabschluss, wird durch die Aktivität bestimmter Bakterien ein wasserdampfgesättigtes Mischgas (Biogas) gebildet, das zu 55 bis 70 % aus Methan besteht. Es kann in Gasbrennern oder Motoren zur Wärme-, Strom- und Kraftbereitstellung eingesetzt werden. Die dafür notwendige Verfahrenstechnik ist teilweise vorhanden und im großtechnischen Einsatz (z. B. Klärgasgewinnung). Aufgrund der mit der anaeroben Fermentation verbundenen Vorteile (u. a. Geruchsreduktion, Hygienisierung) hat diese Technik in den letzten Jahren eine begrenzte Verbreitung auch bei der Vergärung von Gülle erfahren.

       b. Aerober Abbau

• Beim aeroben Abbau wird die Biomasse mit Luftsauerstoff unter Wärmefreisetzung ebenfalls mit Hilfe von Bakterien oxidiert (Kompostierung). Die freiwerdende Wärme kann mit Hilfe von Wärmepumpen gewonnen und in Form von Niedertemperaturwärme verfügbar gemacht werden. Aufgrund der bei Kompostierungsanlagen fehlenden Nachfrage nach Niedertemperaturwärme und der nur eingeschränkt verfügbaren Systemtechnik hat dieses Verfahren zur Energiebereitstellung bisher praktisch keine Bedeutung erlangt.

       c. Alkoholgärung

• Alkohol kann aus zucker-, stärke- oder zellulosehaltigen organischen Stoffen mit Hilfe von Hefen oder Bakterien produziert und anschließend durch eine Destillation bzw. Rektifikation nahezu in Reinform gewonnen werden. Die dafür notwendige Verfahrenstechnik ist in fast allen Leistungsgrößen aus der Trinkalkoholherstellung verfügbar. Werden zellulosehaltige Ausgangsmaterialien eingesetzt, ist zunächst eine Verzuckerung notwendig. Dies wurde zwar gelegentlich realisiert, kann aber aufgrund des hohen technischen Aufwandes (z. B. Säureeinsatz) nicht als großtechnisch verfügbar angesehen werden.
• Ethanol kann als Treib- und Brennstoff in Motoren oder Verbrennungsanlagen zur Bereitstellung von Wärme, Strom und Kraft eingesetzt werden. Da Reinalkoholmotoren nicht auf dem Markt verfügbar sind, wird in einigen Ländern eine Zumischung zu konventionellem Ottokraftstoff realisiert. Diese Technik konnte bisher – primär aufgrund sehr hoher Kosten - keine großtechnische Bedeutung erlangen.

Diese Daten wurden uns von der Webseite Biz  zur Verfügung gestellt. Dafür möchten wir uns bedanken. www.biomasse-info.net