Verwertung biogener Abfälle und Reststoffe – Kohlenstoffquelle, Bioenergie & negative Emissionen

Vor dem Hintergrund der aktuellen Kriege und anderer gewalttätiger Auseinandersetzungen erscheinen Klima- und Umweltprobleme in der öffentlichen Wahrnehmung oftmals weniger dringlich. Diese Verschiebung der Aufmerksamkeit darf jedoch nicht darüber hinwegtäuschen, dass ökologische Krisen – insbesondere der Klimawandel und der Verlust biologischer Vielfalt – weiterhin zentrale Bedrohungen für die langfristige Lebensgrundlage der Menschheit darstellen.

Wenn die Menschheit auf diesem Planeten dauerhaft überleben will, muss der Ressourcenverbrauch erheblich verringert werden. Diese Erkenntnis ist nicht neu, doch das aktuelle Zwischenfazit fällt weiterhin ernüchternd aus – sowohl international als auch national. Der „Erdüberlastungstag“ markiert den Tag, an dem die Menschheit die nachhaltig verfügbaren Ressourcen eines Jahres verbraucht hat. Im Jahr 2025 fiel dieser Tag weltweit auf Anfang August, in Deutschland bereits auf den 2. Mai (Global Footprint Network 2025). Der ökologische Fußabdruck Deutschlands ist damit deutlich zu groß: Wenn alle Menschen auf der Erde so leben würden wie in Deutschland, wären etwa drei Planeten erforderlich.

Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer umfassenden gesellschaftlichen Transformation hin zu einer klimaneutralen Wirtschafts- und Lebensweise. Diese beruht im Kern auf der vereinfachten Gleichung:

Suffizienz beschreibt die bewusste Reduktion von Produktion und Konsum durch verändertes Verhalten. Technische Innovationen allein werden die Transformation nicht ermöglichen. Der Anteil erneuerbarer Energien am deutschen Endenergieverbrauch liegt nach aktuellen Angaben bei rund 22 % des Endenergieverbrauchs und etwa 54 % des Bruttostromverbrauchs (Stand 2025) (UBA 2025-1). Die Zirkularitätsrate – also der Anteil wiederverwendeter oder recycelter Materialien an allen eingesetzten Ressourcen – beträgt lediglich etwa 14 % (Statista 2025).

Deutschland zählt zwar im internationalen Vergleich weiterhin zu den führenden Nationen in der Abfall- und Kreislaufwirtschaft. Diese trägt maßgeblich zur Reduktion von Treibhausgasemissionen und zur Ressourcenschonung bei. Besonders hervorzuheben ist, dass die Abfallwirtschaft seit 1990 der erfolgreichste Sektor bei der Verringerung von CO₂-Emissionen ist. Aktuelle Daten des Umweltbundesamtes zeigen, dass die Emissionen in diesem Sektor 2025 um über 87 % niedriger liegen als 1990 (UBA 2025-2). Hinzu kommen die vielfältigen indirekten positiven Klimaschutzeffekte abfallwirtschaftlicher Aktivitäten durch die Bereitstellung von Sekundärbrennstoffen und -materialien für die anderen Sektoren.

Ein klimaneutrales Deutschland im Jahr 2045 wird nur erreichbar sein, wenn Material- und Energieverbrauch drastisch reduziert werden. Dafür sind sowohl signifikante Effizienzsteigerungen als auch ein bewusster Konsumverzicht erforderlich. Parallel müssen die Energieversorgung vollständig auf erneuerbare Energien umgestellt und zusätzliche negative Emissionen generiert werden.

Die Bundesregierung 2025 hat im Rahmen ihres Regierungsprogramms 2025–2028 zwar die Klimaneutralität bis 2045 bestätigt, jedoch konkrete Maßnahmen zur Rohstoffwende bislang nicht festgelegt. Mehrere bisher geplante Aktivitäten, etwa zur Erstellung einer Nationalen Biomassestrategie (NABIS), wurden eingestellt oder neu priorisiert.

Die Bundesregierung hat mit wiederholten Novellierungen des Klimaschutzgesetzes einen sogenannten „Generationenvertrag für das Klima“ geschaffen (Bundestag 2024). Dieser verpflichtet Deutschland, seine Treibhausgasemissionen bis 2030 um mindestens 65 % und bis 2040 um 88 % gegenüber 1990 zu senken. Ab 2045 soll Klimaneutralität erreicht werden, d. h. ein Gleichgewicht zwischen Emissionen und Bindung von Treibhausgasen. Nach 2050 sind Netto-Negativemissionen vorgesehen. Der Klimaschutzbericht 2025 bestätigt, dass Deutschland seine Zwischenziele nur dann erreicht, wenn die bestehenden Lücken in den Sektoren Verkehr und Gebäude geschlossen werden (Klimaschutzbericht 2025).

Parallel dazu muss das lineare Wirtschaftssystem zu einer echten Kreislaufwirtschaft weiterentwickelt werden. Die industrielle Versorgung mit organischen Grundstoffen muss weitgehend von fossilen auf biobasierte Rohstoffe umgestellt werden (vgl. Abb. 1).

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Im Jahr 2025 wurden die Klimaziele durch die neue Regierungskoalition aus CDU/CSU und SPD grundsätzlich bestätigt. Der im Mai 2025 unterzeichnete Koalitionsvertrag hält an den gesetzlich verankerten Reduktionszielen fest (CDU et al. 2025). Allerdings zeigen sich in der konkreten Ausgestaltung der Klimaschutzmaßnahmen Verzögerungen bei der Umsetzung, wobei im Koalitionsvertrag wirtschaftliche Prioritäten und Bürokratieabbau stärker betont werden als in der vorangegangenen Legislaturperiode (KPMG Law 2025; Germanwatch e. V. 2025, S. 15).

Die Erreichung der Klimaneutralität bis 2045 setzt voraus, dass Material- und Energieverbrauch signifikant reduziert werden (Suffizienz). Dies erfordert substanzielle Effizienzsteigerungen sowie Anpassungen im Konsumverhalten. Zentrale Handlungsfelder umfassen die vollständige Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Energien (EE) in allen Sektoren sowie die Generierung negativer Emissionen. Erforderlich sind ein massiver Ausbau und eine optimierte Systemintegration von Wind- und Solarenergie, Bioenergie, Geothermie und Wasserkraft für die Bereiche Strom, Wärme/Kälte und Mobilität.

Die Entwicklung im Jahr 2024 zeigte positive Tendenzen: Die Treibhausgasemissionen sanken um 18 Mio. Tonnen bzw. drei Prozent auf 656 Mio. Tonnen CO₂-Äquivalente. Der Ausbau der Photovoltaik übertraf mit fast 100 Gigawatt das Ziel von 88 Gigawatt deutlich (Agora Energiewende 2025; BDEW 2025 2025). Dennoch bestehen erhebliche Herausforderungen bei der Netzintegration und beim Ausbau der Windenergie, insbesondere an Land.

Parallel dazu muss das gegenwärtig linear organisierte Wirtschaftssystem zu einer funktionalen Kreislaufwirtschaft weiterentwickelt werden. Dies beinhaltet insbesondere die Umstellung der industriellen Rohstoffversorgung von petrobasierten auf biobasierte organische Grundstoffe.

Biomasse wird als Fundament der Bioökonomie sowie als integraler Bestandteil eines zukunftsfähigen Energiesystems betrachtet. Dies ist nur realisierbar, wenn Biomasse nachhaltig produziert und effizient, umweltverträglich sowie mit maximalem volkswirtschaftlichem Nutzen eingesetzt wird. Da die Produktion von Biomasse in Konkurrenz zu fossilen Rohstoffen steht, muss diese besonders kostengünstig und effizient erfolgen. Sowohl bei fossilen als auch erneuerbaren Ressourcen müssen alle Kosten internalisiert werden, um gleiche Wettbewerbschancen zu gewährleisten. Damit wäre auch die Zulassung von nachhaltiger Anbaubiomasse zu überdenken. Eine nachhaltige Bioökonomie optimiert die stofflich-energetische Verwertung biogener Abfälle und Reststoffe. Hierfür sind innovative Technologiekonzepte sowie Koppel- und Kaskadennutzungen unabdingbar. Zudem können über die Speicherung von „grünem“ Kohlenstoff negative Emissionen generiert werden. Biomasse gewinnt somit zunehmend an Bedeutung als wichtiger „grüner“ Kohlenstoffträger – einerseits zur Reduktion und Bindung von CO₂-Emissionen, andererseits als Kohlenstoffquelle für die zukünftige Bioökonomie. Dies wird die Nachfrage nach Biomasse und den Bedarf an nachhaltiger Kaskaden- und Koppelnutzung perspektivisch deutlich erhöhen. Im September 2025 veröffentlichte das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumentwicklung eine Förderrichtlinie für internationale Verbundvorhaben im Rahmen der Nationalen Bioökonomiestrategie zur „Nachhaltigen Produktion und Nutzung von Biomasse“. Diese Initiative unterstreicht die anhaltende strategische Bedeutung der Bioökonomie für die technologische Souveränität und Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands (BMFTR 2025).

Die vorherige Bundesregierung hatte im Koalitionsvertrag von 2021 die Erarbeitung einer Nationalen Biomassestrategie (NABIS) vorgesehen. Diese sollte unter Federführung der Bundesministerien für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) sowie Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) entwickelt werden. Die NABIS zielte darauf ab, Biomasseströme vor dem Hintergrund von Klimaschutz, Biodiversität und Ernährungssicherung optimal zu lenken (SPD et al. 2021). Die aktuelle Bundesregierung aus CDU/CSU und SPD führt die NABIS jedoch nicht fort. Stattdessen werden biomasserelevante Aspekte in die bestehende Nationale Bioökonomiestrategie integriert (BMWE 2025).

Trotz dieser strategischen Neuausrichtung unterstreichen verschiedene Entwicklungen im Jahr 2025 die anhaltende Relevanz der Biomassenutzung: Sachverständige forderten im Januar 2025 eine Anschlussförderung für Biogasanlagen, da 2025 und 2026 knapp 15 % des Bestands aus der EEG-Förderung auslaufen. Dabei wurde die Notwendigkeit eines umfassenden Konzepts für Biomasse betont, insbesondere zur Flexibilisierung von Biogasanlagen als Systemdienstleister der Energiewende (Bundestag 2025).

Der erfolgreiche Übergang zu einer zirkulären Bioökonomie setzt voraus, dass die Verwertung biogener Abfälle und Reststoffe angemessen berücksichtigt wird. Dies betrifft sowohl die stoffliche als auch die energetische Nutzung und stellt einen zentralen Arbeitsschwerpunkt in der Kooperation des Deutschen Biomasseforschungszentrums (DBFZ) mit dem Lehrstuhl für Abfall- und Stoffstromwirtschaft an der Universität Rostock dar.

Vor diesem Hintergrund werden wesentliche Aspekte der aktuellen Entwicklungen in einzelnen Unterkapiteln dargestellt. Darin werden der aktuelle Stand sowie notwendige Entwicklungen für die Teilbereiche Monitoring biogener Abfälle und Reststoffe sowie Ontologie, Reststoffvergärung in der Landwirtschaft und verarbeitenden Industrie, Angewandte Forschung im Pilotmaßstab: Zwischen Labor und Praxis für Bioraffinerie-Konzepte der Zukunft, über SCR-Katalysatoren zur NOx-Minderung bei der Reststoffverbrennung bis hin zu Biokohle aus der Pyrolyse biogener Abfälle und Reststoffe als Negativ-Emissions-Technik erläutert. Die Bedeutung dieser Forschungsfelder wurde durch die Renewable Materials Conference 2025 in Köln unterstrichen, die „(…) führende Lösungen und Innovationen für den Ersatz fossiler Kohlenstoffe durch Biomasse, CO₂-Verwertung und Recycling (…)“ (RMC 2025) präsentiert und mit wachsendem Erfolg Lösungen für nachwachsende Rohstoffe etabliert.

Die Biogastechnologie nimmt eine zentrale Rolle bei der nachhaltigen Nutzung von biogenen Abfällen und Reststoffen ein, insbesondere aus Landwirtschaft und Lebensmittelwirtschaft. Im Rahmen der anaeroben Vergärung bauen Mikroorganismen organische Substanzen ohne Sauerstoff ab und erzeugen dabei Biogas, das überwiegend aus Methan und Kohlendioxid besteht. Dieses Verfahren stellt nicht nur eine klimafreundliche Energiequelle dar, sondern verringert auch Emissionen von Treibhausgasen, die bei der herkömmlichen Lagerung und Entsorgung – vor allem landwirtschaftlicher Rückstände – auftreten (FNR 2022). Bislang werden in Biogasanlagen hauptsächlich Energiepflanzen (z. B. Silomais) sowie Wirtschaftsdünger, vor allem Gülle, eingesetzt (Daniel-Gromke 2025). Im Jahr 2023 machten Nachwachsende Rohstoffe etwa 68 % des energetischen Substratinputs aus, Wirtschaftsdünger rund 19 %. Kommunale Bioabfälle trugen etwa 4 % bei, während Industrie- und Gewerbereststoffe etwa 9 % erreichten. Zwischen 2010 und 2023 ist eine leichte Abnahme des Anteils an Energiepflanzen zugunsten von Wirtschaftsdüngern und industriellen Abfällen zu beobachten (Abb. 4).

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Der Einsatz von Energiepflanzen wird zunehmend kritisch betrachtet, da er mit der Nahrungsmittelproduktion konkurriert und ökologische Belastungen nach sich ziehen kann. Daher rücken Politik und Gesellschaft stärker die Nutzung von biogenen Abfällen und Reststoffen in den Vordergrund, um den Druck auf landwirtschaftliche Flächen zu verringern. Zu den typischen Reststoffen der Landwirtschaft zählen Gülle, Mist, Ernterückstände und Materialien aus der Landschaftspflege. Letztere können rechtlich als Abfall eingestuft werden – etwa Straßenbegleitgrün – was Konsequenzen für Genehmigungen und Auflagen von Biogasanlagen hat. Besonders Gülle und Mist eignen sich als Substrate, da sie kontinuierlich anfallen und ihre Vergärung die unkontrollierte Methanfreisetzung, ein starkes Treibhausgas, mindert (UBA 2019). Auch Ernterückstände wie Stroh besitzen Potenzial, werden aber aufgrund des hohen Aufwands für Sammlung und Vorbehandlung bisher nur eingeschränkt genutzt. Durch mechanische, chemische oder biologische Aufbereitung lässt sich ihre Struktur jedoch so verändern, dass die Mikroorganismen sie besser verwerten können. Dies steigert die Biogasausbeute und verbessert zugleich die Prozessstabilität, da die Durchmischung erleichtert und Schichtbildung im Fermenter reduziert wird. Gleichzeitig konkurriert Stroh in vielen Regionen mit seiner Verwendung als Einstreu in der Tierhaltung, wodurch es sich zu einem teuren Substrat entwickeln kann – mit durchschnittlichen Bezugskosten von etwa 120 €/t (TopAgrar 2024). Dieses Beispiel verdeutlicht, dass biogene Reststoffe keineswegs automatisch kostenneutral sind und stets eine individuelle Wirtschaftlichkeitsprüfung erforderlich ist.

Auch Abfälle aus der Lebensmittelverarbeitung und der industriellen Rohstoffverarbeitung sind wegen ihres hohen Energiegehalts interessante Substrate. Hier entstehen erhebliche Mengen an organischen Reststoffen, darunter Produktionsausschüsse, nicht marktfähige Waren oder sogenannte Kalamitätschargen, beispielsweise Getreide, das durch Mykotoxine belastet ist. Hinzu kommen Reststoffe, die früher andere Absatzmärkte hatten, deren Nachfrage aber weggebrochen ist – etwa Nebenprodukte der Stärkeproduktion, die früher in der Schweinemast genutzt wurden. Durch stagnierende Tierbestände sind neue Verwertungskonzepte erforderlich. Je nach Standort können einzelne Stärkefabriken jährlich zwischen 100.000 und 500.000 t Frischmasse an Reststoffen bereitstellen. Allerdings verursacht der niedrige Trockenmassegehalt von ca. 20 % logistische Herausforderungen. Eine direkte Ableitung in die Kanalisation ist wegen der hohen organischen Belastung ausgeschlossen. Durch eine vorgeschaltete anaerobe Vergärung lässt sich jedoch Biogas erzeugen, während die Gärreste entweder als Dünger oder für die Gewinnung von Basischemikalien genutzt werden können. Damit neue Reststoffströme aus der Industrie effizient verarbeitet werden können, muss die Biogastechnologie, die bislang überwiegend im landwirtschaftlichen Bereich eingesetzt wird, angepasst werden. Insbesondere die Vergärung homogener Einzelstoffe erfordert eine gezielte Steuerung der Nährstoffversorgung und pH-Regulierung.

Für die Bewältigung dieser Herausforderungen sind technologische Weiterentwicklungen entscheidend. Moderne Biogasanlagen können inzwischen ein breites Spektrum an Substraten verarbeiten und dabei stabile Prozessbedingungen sicherstellen. Fortschritte in der Überwachung und Steuerung ermöglichen eine flexible Anpassung der Vergärung an die spezifischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien und gewährleisten damit Prozesssicherheit trotz schwankender Zusammensetzungen.

Neben der Energieproduktion liefert die Biogastechnologie weitere Vorteile. Die entstehenden Gärreste enthalten wertvolle Nährstoffe und ersetzen mineralische Düngemittel in der Landwirtschaft. Darüber hinaus tragen Biogasanlagen zur Schließung von Stoffkreisläufen bei und reduzieren das Abfallaufkommen. Gleichwohl bestehen Hindernisse: Die heterogene Zusammensetzung der Substrate verlangt flexible Anlagentechnik und eine engmaschige Prozessführung. Auch organisatorische und rechtliche Fragen – etwa bei Sammlung, Transport oder Genehmigung von Abfallstoffen – stellen Hemmnisse dar. Künftig wird es daher darauf ankommen, die Effizienz der Biogaserzeugung zu steigern und bislang ungenutzte Reststoffströme systematisch zu erschließen. Forschung und Entwicklung sollten sich insbesondere auf die Optimierung der Prozesssteuerung, neue Vorbehandlungsverfahren sowie die Integration in bestehende landwirtschaftliche und industrielle Systeme konzentrieren.

Insgesamt eröffnet die Biogastechnologie ein erhebliches Potenzial für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft. Mit innovativen technischen Lösungen und der Erschließung zusätzlicher Substratquellen kann sie maßgeblich zur Energiewende und zur ressourcenschonenden Abfallnutzung beitragen.

Am Deutschen Biomasseforschungszentrum in Leipzig ist in den vergangenen Jahren eine integrierte, automatisierte und digitalisierte Pilotanlage zur Gewinnung erneuerbarer Produkte und Kraftstoffe geplant, errichtet und erfolgreich in Betrieb genommen worden (Abb. 5). Im Fokus des Vorhabens Pilot-SBG stehen die effiziente Verwendung von teilweise komplexen Einsatzstoffen wie Bioabfall, Stroh und tierischen Exkrementen, die Nutzung und Umwandlung von biogenem CO₂, die Demonstration einer größtenteils kontinuierlichen und automatisierten Anlage sowie eine möglichst effiziente Verwertung aller Stoff- und Energieströme.

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Das Anlagenkonzept verbindet etablierte mit innovativen Technologien und ist aufgrund der modularen Bauweise flexibel kombinier- und erweiterbar. In der aktuellen Konfiguration wird erneuerbares Methan als Hauptprodukt erzeugt. Die Pilotanlage verbindet im Kern den Prozess der anaeroben Fermentation mit einer anschließenden Methanisierung des entstehenden Biogases. Vor- und nachgeschaltet sind zudem innovative Prozesse zur Steigerung der Ressourceneffizienz (Hydrothermaler Prozess) und zur Bereitstellung wertiger Nebenprodukte (Trennverfahren zur Gärrestaufbereitung), wie in Abb. 6 schematisch dargestellt. Der bei der katalytischen Methanisierung eingesetzte Wasserstoff erhöht dabei deutlich den Methanertrag des Gesamtprozesses. Die verfahrenstechnische Forschung und Entwicklung baut auf der Skalierung von Einzelprozessen auf, an denen zuvor bereits in mehrstufiger Skalierung im kleineren Labor- und Technikumsmaßstab am DBFZ gearbeitet wurde.

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Die Datenerfassung und -verarbeitung durch umfangreiche Messstellen ermöglicht eine Prozessüberwachung in Echtzeit (Abb. 6) und wird durch das breite Analytik-Portfolio der eigenen DBFZ-Labore unterstützt. Diese umfassende Datengrundlage ermöglicht einerseits eine iterative, begleitende Prozessoptimierung und bildet andererseits die Grundlage für die Modellierung und Simulation eines digitalen Zwillings. Dadurch werden die Skalierung des Konzepts und die Ableitung entsprechender Stoff- und Energiebilanzen als Grundlage für die technisch-ökonomisch-ökologische Bewertung vereinfacht. Ziel dieser multikriteriellen Bewertung von Bereitstellungsketten ist neben der ökologischen Bewertung mit dem Fokus auf Treibhausgasemissionen auch die Bewertung der Kosten-Erlös-Strukturen im Kontext bestehender und absehbarer Rahmenbedingungen. Die Datenbasis aus der Pilotanlage ermöglicht dabei sowohl die Identifikation von Optimierungspotenzialen der Einzelprozesse als auch von Schnittstellen und Wechselwirkungen innerhalb der Prozesskette. Mit Blick auf die potenzielle Umsetzung im kommerziellen Maßstab werden auch vor- und nachgelagerte Schritte mitbilanziert, die nicht durch die Demonstration an der Pilotanlage abgedeckt sind.

Auf Basis potenzieller Bedarfs- und Marktentwicklungen steht auch die Weiterentwicklung des Konzepts als Beitrag zu einer sektorübergreifenden nachhaltigen Bioökonomie im Fokus. Ziel ist es daher, die Pilotanlage zu einem zentralen Bestandteil einer F&E-Technologieplattform für weitere Forschungs- und Entwicklungsvorhaben mit Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft auszubauen. Einerseits ist dabei die hohe Flexibilität der Anlage von Vorteil, um neue, innovative Module einzubinden bzw. einzelne Anlagenteile aus der Prozesskette herauszulösen und separat zu betreiben. Andererseits ermöglicht die Einbettung in das DBFZ eine umfassende Bewertung vielversprechender technischer Innovationen, um deren Marktintegration bestmöglich zu unterstützen und einen signifikanten Beitrag zur Defossilisierung von Produkten zu leisten.

Derzeit wird eine Mischung aus Weizenstroh und Rindergülle verarbeitet. Bei Spitzenbetrieb wird etwa 1 t Frischmasse pro Woche zugeführt, wodurch pro Woche 21–28 m³ Biogas entstehen. Dessen Zusammensetzung liegt bei ca. 50–55 % CH₄, 45–50 % CO₂ und 250–500 ppm H₂S. In der Methanisierungsstufe kann ein CO₂-Umsatz von 98 % erreicht werden. Aufgrund von diffusen N₂-Verunreinigungen liegt der Anteil an erneuerbarem Methan im Produktgas derzeit bei 90 %, soll aber auf 95–99 % erhöht werden. Im Sinne einer ganzheitlichen Bioraffinerie werden, neben dem Methan, weitere Nebenprodukte (aus dem Gärrest) betrachtet – insbesondere Dünger und Hydrokohle. Im Frühjahr 2026 beginnt eine neunmonatige Kampagne zur Verarbeitung von kommunalem Bioabfall.

Die Ergebnisse des aktuell demonstrierten Betriebs der Pilotanlage werden für die ökologische und ökonomische Bewertung kommerzieller Bioraffineriekonzepte genutzt. Erste Bilanzierungen haben Bereitstellungskosten von 2,18 €/kg (Röder et al. 2024) für das erneuerbare LNG (Liquified Natural Gas) auf Basis von Stroh und Gülle ergeben, was deutlich über dem derzeitigen Preis für fossiles LNG liegt. Die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Kraftstoffmarkt hängt somit auch von der jeweiligen Erlösstruktur aus der Treibhausgas-Quote (THG-Quote) und dem Preisvorteil infolge des Brennstoffemissionshandelsgesetzes (BEHG) bzw. dem Emissions-Trading-System II (ETS II) ab. Die Bilanzierungen werden derzeit mit den Ergebnissen aus dem Pilotbetrieb aktualisiert. Zudem sollen weitere Optimierungsansätze betrachtet werden, aus denen sich relevante Effekte auf die Kostenstruktur ergeben können.

Die Anlage wird momentan in einem weitestgehend stationären Betrieb gefahren. In möglichen Anschlussvorhaben soll der Einfluss einer flexiblen Fahrweise getestet werden. So kann auch demonstriert werden, welchen Effekt eine bedarfsgesteuerte Anlage auf die Wirtschaftlichkeit haben kann. Untersuchungsgegenstand wäre beispielsweise die wechselnde Bereitstellung von Energien, Energieträgern und Produkten in Abhängigkeit von Verfügbarkeiten (z. B. fluktuierende erneuerbare Energien) und Nachfragen (z. B. Energiemarkt).

Weiterführende Informationen sind auf der Projektwebseite https://dbfz.de/pilot-sbg zu finden. Das Projekt Pilot-SBG ist finanziert durch das Bundesministerium für Verkehr (AZ 3552.1).

Stickstoffoxide (NO_X: NO, NO₂) sind für die Umwelt und Gesundheit sehr relevante Schadstoffe. Diese gasförmigen Moleküle werden bei der Verbrennung von fester Biomasse hauptsächlich aus Brennstoff-Stickstoff gebildet. Insbesondere aus folgenden Gründen sind effektive und kostengünstige Minderungsmaßnahmen notwendig:

Es sind verschiedene primäre und sekundäre Maßnahmen zur Reduktion von Stickstoffoxiden in stationären Verbrennungsanlagen einsetzbar und etabliert. Primäre Maßnahmen zielen darauf ab, die Bildung von NO_X zu verhindern, während Sekundärmaßnahmen bereits gebildete NO_X in N₂ und Wasser umwandeln. Nur mit Sekundärmaßnahmen wie Selective Non-Catalytic Reduction (SNCR) und Selective Catalytic Reduction (SCR) lassen sich signifikante Minderungen erreichen. Die SCR kann unter optimalen Reaktionsbedingungen in katalytischen Reaktoren bis zu 90 % der NO_X-Emissionen mindern, während SNCR in der Praxis bis zu 75 % erreicht. Bei beiden sekundären Verfahren ist die Zudosierung eines geeigneten Reduktionsmittels wie Ammoniak (NH₃) notwendig. Vor allem bei der SNCR muss das Reaktionsmittel im stöchiometrischen Überschuss zugeführt werden, was die Gefahr eines NH₃-Schlupfes mit resultierendem Eintrag von NH₃ in die Atmosphäre über das Abgas birgt.

Neue innovative Katalysatoren zur Stickoxidminderung an Biomassefeuerungen werden schon seit vielen Jahren erforscht, um die Effizienz und Effektivität zu steigern. Der Einsatz partikelförmiger Katalysatoren zeigt in der Flugstrom-Anwendung mit anschließender Partikelfiltration verfahrenstechnische Vorteile in der Abgasreinigung, da so eine effektive Kombination von katalytischen Verfahren und der Staubabscheidung realisiert werden kann. Voraussetzung dafür ist, dass kostengünstige Pulverkatalysatoren aus umweltfreundlicher Herstellung verfügbar sind, die sich regenerieren und recyclen lassen. Zudem sollten die Pulverkatalysatoren im Niedertemperaturbereich unter 200 °C Abgastemperatur aktiv sein, um einen hohen feuerungstechnischen Wirkungsgrad erreichen zu können.

Der Einsatz von SCR-Verfahren in Biomassefeuerungen erfordert besondere Überlegungen aufgrund der spezifischen Eigenschaften von Biomasse, da Brennstoffe aus biogenen Reststoffen eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung im Vergleich zu fossilen Brennstoffen aufweisen. Hohe Ascheanteile und Alkalimetalle in diesen Brennstoffen können die Katalysatorleistung stark beeinträchtigen. Die angestrebten geringen Abgastemperaturen von unter 200 °C erfordern den Einsatz von vergiftungsresistenten Niedertemperaturkatalysatoren, z. B. hinsichtlich höherer SO₂-Abgasanteile. Der Umgang mit Gefahrstoffen wie Ammoniakwasser oder alternativ Harnstofflösung als Rohstoff für NH₃ als Reduktionsmittel ist für Betreiber von Biomasseanlagen von besonderer Bedeutung.

Die Reduktionsmittelmenge in Biomasseanlagen muss automatisch an die schwankende Abgaszusammensetzung angepasst werden, um Effizienzverluste zu vermeiden. Die kontinuierliche sensorische Überwachung der Rohgas- und Reingaskonzentrationen von NO_X und NH₃ ist dafür entscheidend. Kostengünstige Sensoren sind für die wirtschaftliche Anwendung der SCR notwendig, um auch in kleineren Anlagen sinnvoll eingesetzt werden zu können. Ein entsprechendes Messsystem wurde unter Leitung des DBFZ entwickelt.

Das Ziel am DBFZ ist hier die Entwicklung eines kostengünstigen und umweltfreundlichen Niedertemperatur-SCR-Katalysators. Im Rahmen einer Dissertation wurde die Entwicklung und Anwendung neuartiger SCR-Katalysatoren zur Niedertemperaturentstickung von Abgasen aus der thermo-chemischen Konversion von Festbrennstoffen aus biogenen Abfällen und Reststoffen erforscht. Dabei wurden Untersuchungen zu Vorläufersubstanzen, Trägermaterialien und Syntheseparametern durchgeführt. Auf Basis einer Literaturrecherche wurde das Katalysatorsystem Manganoxid MnO_X auf Siliziumdioxid SiO₂-Träger als vielversprechendes Katalysatormaterial ausgewählt, wobei Synthesebedingungen wie Mn-Vorläufer, SiO₂-Träger, Mn-Beladung und Kalzinierungstemperatur variiert wurden. Verschiedene Katalysatorvarianten wurden anhand geeigneter Charakterisierungsverfahren (Aktivitätsmessungen, Thermogravimetrie, N₂-Physisorption, NH₃-TPD⁷, H₂-TPR⁸, XRD⁹, ICP-OES¹⁰) systematisch untersucht, um die Katalysatoraktivität gezielt optimieren zu können. Die Forschungsfragen konzentrierten sich auf die Oxidationsstufen von Mangan auf SiO₂, optimale Mn-Beladungen der SiO₂-Pulver und den Einfluss der Oberflächentextur der untersuchten SiO₂-Träger vor und nach der Katalysatorherstellung.

Die Synthese von Katalysatoren für den NH₃-SCR-Prozess erfolgt hauptsächlich durch Fällung und Imprägnierung. Partikelförmige Katalysatoren können nach entsprechender Prozessierung als Vollkatalysatoren oder aber auch als beschichtete poröse Partikel eingesetzt werden. Wichtige Katalysatorträger sind γ‑Al₂O₃, poröses SiO₂, Fe₂O₃ und TiO₂. Die Imprägnierung ist die am häufigsten verwendete Methode zur Herstellung von Katalysatoren in der Praxis der Katalysatorherstellung.

Unterschiedliche Syntheseverfahren zeigen variierende Aktivitäten der Katalysatoren. Sol-Gel-Verfahren erzielen die besten Ergebnisse hinsichtlich des NO-Umsatzes und Toleranz gegenüber SO₂ und H₂O, allerdings sind Sol-Gel-Synthesen aufgrund des hohen Aufwands kaum im industriellen Maßstab nutzbar. Imprägnierung ist dagegen mit deutlich geringerem Aufwand auch in der Serienherstellung einsetzbar. Bei Temperaturen unter 200 °C wurden gute NO_X-Minderungsgrade mit Manganoxid-Katalysatoren aus der Imprägnierung erreicht.

Die Kalzinierungstemperatur hat einen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften der Katalysatoren. Niedrige Kalzinierungstemperaturen sind wichtig, um eine ausreichend hohe spezifische Oberfläche zu erhalten. Kalzinierungstemperaturen zwischen 250 und 650 °C werden in der Literatur angegeben. Es wurden in der Dissertation Katalysatoren bei 300 bis 400 °C kalziniert. Dabei wurde beobachtet, dass bei Temperaturen über 300 °C die Umwandlung von MnO₂ zu Mn₂O₃ auf der Oberfläche stattfindet.

Die N₂-Physisorption zeigte Unterschiede in der Porenstruktur der Katalysatoren. Sorptionsisothermen der SiO₂-Trägertypen zeigen mesoporöse Eigenschaften. Der untersuchte Trägertyp 2 hatte ein größeres Porenvolumen und damit eine höhere Katalysatorleistung bezüglich Aktivität (Umsatz in Abhängigkeit von der Temperatur). Mit steigender Manganbeladung nahm die BET-Oberfläche¹¹ ab.

XRD-Analysen wurden durchgeführt, um die kristallinen Phasen der Katalysatoren zu bestimmen. Mit Manganacetat hergestellte Katalysatoren zeigten eine höhere Kristallinität als Katalysatoren, welche mit Mangannitrat auf SiO₂ hergestellt wurden.

Die XRD-Reflexe der Katalysatoren wurden mit Referenzdaten abgeglichen, um die Phasenzusammensetzung zu bestimmen. MnO₂ und Mn₃O₄ wurden als Hauptphasen identifiziert.

Die Thermogravimetrische Analyse (TGA) zeigte einen Masseverlust der Katalysatoren in Abhängigkeit von der Temperatur. Ein Masseverlust bis 100 °C ist auf die Desorption von Wasser zurückzuführen. Bei Katalysatoren mit Manganacetat zeigte sich ein kontinuierlicher Masseverlust ab 200 °C. Der Masseverlust bei der Umwandlung von MnO₂ zu Mn₂O₃ liegt bei ca. 9 Ma.-%. Die H₂-TPR-Analysen lieferten Erkenntnisse zur Reduzierbarkeit der Katalysatoren und ließen sich mit der Aktivität korrelieren. Die Reduktion von Manganoxid erfolgt in drei Stufen, die den jeweiligen Peaks zugeordnet werden konnten. Katalysatoren mit Mangannitrat wiesen eine höhere Reduzierbarkeit auf als Katalysatoren, die mit Manganacetat hergestellt wurden. Die spezifische H₂-Reduktion stieg mit zunehmender Manganbeladung bis zu 25 Ma.-%.

Die Temperaturprogrammierte Desorption mit NH₃ (NH₃-TPD) lieferte Hinweise hinsichtlich der Sorptionseigenschaften von Ammoniak in Abhängigkeit von verschiedenen Mangan-Vorläufern und Trägertypen auf der Katalysatoroberfläche.

Bei 10 Ma.-% Mn-Beladung wurden drei Peaks identifiziert: Peak 1 bei 100–150 °C, Peak 2 bei 250–300 °C und Peak 3 bei 530–540 °C. Mangannitrat als Katalysatorvorläufer zeigte eine höhere NH₃-Adsorption im Vergleich zu Manganacetat, insbesondere bei Trägertyp 2. Bei 15 Ma.-% Mn-Beladung wurde die höchste NH₃-Menge im relevanten Temperaturbereich desorbiert. Die Kalzinierungstemperatur beeinflusste ebenso die NH₃-Desorption, wobei niedrigere Kalzinierungstemperaturen bei 5 Ma.-% Mn-Beladung vorteilhaft waren.

Die Aktivitätsmessung in einem Durchflussreaktor konnte die Wirksamkeit der Katalysatoren bei der Reduktion von NO_X in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern nachweisen. Der Reaktor hatte einen Innendurchmesser von 12 mm und wurde mit einem beheizten Zuleitungssystem verbunden. Modellabgas wurde aus Stickstoff, Luft, CO₂, NO und Wasserdampf hergestellt und mit einem Volumenstrom von ca. 50 Normlitern pro Stunde dem Reaktor zugeführt. Katalysatoren mit 10 Ma.-% Mangan auf Basis Mangannitrat zeigten bei 250 °C einen NO_X-Umsatz von bis zu 90 %. Die N₂-Selektivität variierte mit der Mn-Beladung, wobei 10 Ma.-% und 15 Ma.-% Mn-Beladung im Niedertemperaturbereich vorteilhaft waren.

Die Kalzinierungstemperatur hatte signifikante Auswirkungen auf die Katalysatorleistung. Bei 5 Ma.-% Mn-Beladung führte eine Kalzinierung bei 300 °C zu einem höheren NO_X-Umsatz. Katalysatoren mit 10 Ma.-% und 15 Ma.-% Mn-Beladung lieferten bei 400 °C Kalzinierung höhere Aktivitäten. Die N₂-Selektivität war bei 5 Ma.-% Mn-Beladung bei 300 °C höher, während höhere Beladungen bei 400 °C hinsichtlich der N₂-Selektivität vorteilhaft waren.

Der Mangan-Vorläufer hat einen großen Einfluss auf die NO_X-Minderungsleistung. Mangannitrat führt zu einem höheren NO_X-Umsatz im Vergleich zu Manganacetat. Ursache dafür ist die Bildung von MnO₂ als besonders aktive Phase im SCR-Prozess. MnO₂-Cluster als katalytisch aktive Spezies auf der SiO₂-Oberfläche sind daher von besonderer Bedeutung.

Die texturellen Eigenschaften des SiO₂-Trägers beeinflussen die Katalysatorleistung erheblich. Trägertyp 1 zeigte eine größere BET-Oberfläche mit geringeren mittleren Porendurchmessern im Bereich zwischen Mikro- und Mesoporen, während Trägertyp 2 ein größeres Porenvolumen aufwies. Eine gleichmäßige Porenstruktur im mesoporösen Bereich ist vorteilhaft für die SCR-Aktivität, um stofftransportbeeinflusste Reaktionen in den Poren zu vermeiden. Der SiO₂-Träger mit größerem Porenvolumen begünstigte somit die Ausbildung kleinerer Kristallit-Partikel und verbesserte die Umsatzleistung (Aktivität) im Niedertemperaturbereich.

Die Mn-Beladung hatte ebenfalls einen direkten Einfluss auf die Katalysatoraktivität und die NO_X-Reduktionsleistung. Eine Mn-Beladung von 15 % zeigte die höchste Minderungsleistung im Temperaturbereich bis 250 °C. Höhere Mn-Beladungen mit über 15 Ma.-% führen zu einer Abnahme der Katalysatoraktivität. Die NH₃-TPD-Daten offenbarten, dass die besten Sorptionseigenschaften im Niedertemperaturbereich bei 15 % Mn-Beladung erreicht wurden.

Empfehlungen zur Erhöhung der Katalysatoraktivität und der N₂-Selektivität wurden formuliert. Die Dotierung mit Fe, Cu oder Cr zur Verbesserung der Katalysatorleistung und SO₂-Toleranz ist danach zu erforschen. Auch die Verwendung eines SiO₂-TiO₂-Mischträgers zur Erhöhung der N₂-Selektivität ist in zukünftigen Arbeiten zu untersuchen. Die Optimierung der Mn-Beladung zwischen 5 und 15 % zur Verbesserung der SCR-Aktivität und N₂-Selektivität ist ebenfalls von großer Relevanz.

Da pulverförmige Träger auf Basis von porösem SiO₂ aus klassischer industrieller Herstellung aufgrund des hohen Energiebedarfs und der Kosten nicht sinnvoll in Flugstromreaktoren eingesetzt werden können, müssen alternative nachhaltige Materialien für MnO_X auf SiO₂ aus biogener Quelle (Biosilica) wie Spelzen erforscht werden. Seit vielen Jahren führt das DBFZ in zahlreichen Projekten dazu anwendungsnahe Forschungsprojekte durch, beispielsweise zur Synthese von Totaloxidationskatalysatoren für klimarelevante Methananteile in Abgasen von Biogas-Blockheizkraftwerken (BHKW) (sogenannter Methanschlupf). Die Erkenntnisse aus der Erforschung von Biosilica für Katalysatoranwendung wird derzeit in grundlegenden Forschungsprojekten auf SCR-Katalysatoren übertragen. Erste relevante Ergebnisse mit Bezug zur Praxis hinsichtlich SCR an Reststofffeuerungen sollen Ende 2026 publiziert werden.

Bei der „langsamen“ Aufheizung von Biomasse auf 300 bis 600 °C unter weitgehendem Luftabschluss und der Temperatureinwirkung im Stundenbereich kann diese pyrolytisch so umgesetzt werden, dass am Ende eine C‑reiche Biokohle übrigbleibt. Diese ist je nach Ausgangsstoff und Pyrolysebedingungen (Zeit, Temperatur) für verschiedenste Anwendungen geeignet.

Aufgrund der Prozessführung verbleiben anorganische Inhaltsstoffe des Ausgangsmaterials zu großen Teilen in der Kohle. Ausnahme sind Stoffe, wie zum Beispiel Kalium, die sich bei den vorhandenen Temperaturen verflüchtigen, und mit den abgeführten Gasen aus dem Reaktionsraum abgeleitet werden. Zurück bleibt eine Kohle, die mit den verbleibenden Aschekomponenten versetzt ist, und eine in großen Teilen langfristig stabile Kohlenstoffmatrix aufweist. Je nach Prozess bleiben ca. 20–35 % der Ausgangsmasse als Biokohle zurück, wobei sich der Heizwert im Vergleich zur Ausgangsbiomasse in etwa verdoppelt (Kaltschmitt et al. 2024).

Allgemein bekannt ist der Prozess aus der Herstellung von Holzkohle zum Schmieden und zur Metallschmelze im Mittelalter bzw. in Entwicklungsländern oder zur Gewinnung von Grillholzkohle. Hierfür werden in der Regel naturbelassene Waldholzsortimente eingesetzt, die je nach Anforderungen an die Kohle auch aus hochwertigem Stammholz stammen können. Die gewonnenen Holzkohlen werden dann häufig direkt energetisch oder nach einer weiteren Aufbereitung als Aktivkohle mit anschließender thermischer Entsorgung verwendet. Auch für die „Grün“-Stahl-Produktion braucht es erneuerbaren Kohlenstoff, der in Form von Biokohle dem Prozess zugegeben wird.

Biogene Abfälle und Reststoffe kommen für die bisher beschriebenen Anwendungen aufgrund von Schadstoffbelastungen oder zu hohen Aschegehalten oft nicht in Frage. Im Unterschied dazu können diese Substrate in Pyrolyse-Heizanlagen mit nachgeschalteter Abgasreinigung so eingesetzt werden, dass gleichzeitig Wärme für Heizzwecke in der Industrie oder als Spitzenlastabdeckung in Wärmenetzen und größeren Objekten zur Verfügung gestellt wird und für lange Zeiten stabile Biokohle gewonnen wird. Wird diese Biokohle in Anwendungen verwendet, die eine langfristige Lagerung bewirken, kommt es zu einer Festsetzung von Kohlenstoff, der über das Biomassewachstum der Atmosphäre entzogen wurde. Hierbei spricht man dann von negativen Emissionen (BMWK 2024).

Biokohle für negative Emissionen braucht also immer eine langfristige nicht-energetische Verwendung. Hierzu sind unterschiedliche Optionen denkbar, die in Abb. 7 dargestellt sind und die je nach Anwendung passende Qualitäten im Hinblick auf die Matrix und Stabilität als auch die Inhaltsstoffe benötigen. Hierdurch wird die Einsetzbarkeit biogener Rest- und Abfallstoffe begrenzt.

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Im Unterschied zu Holzprodukten unterliegt bei ausreichend hohen Temperaturen gewonnene Biokohle nur geringen witterungsbedingten Abbauprozessen, sodass sie auch als fixierter Kohlenstoffspeicher z. B. ins Erdreich eingearbeitet werden kann (LFL 2025). In diesem Fall ist aber gerade bei biogenen Rest- und Abfallstoffen auf die Konzentration an möglichen Schadstoffen in der Biokohle zu achten. Zudem sind auch mögliche bei der Konversion entstehende PAK zu begrenzen. Hierfür gibt es zum einen die Vorgaben der Düngemittelverordnung und zum anderen Grenzwerte im Zusammenhang mit Zertifizierungssystemen wie dem EBC (European Biochar Certificate).

Lassen sich die notwendigen Grenzwerte für eine Ausbringung in der Land- und Forstwirtschaft nicht erreichen, gibt es auch andere „Speicher“optionen. Neben einer klassischen Deponierung ist auch eine Einbindung in Bauprodukte denkbar. Bei der Deponierung kann sich in Deutschland aufgrund der Technischen Anleitung Siedlungsabfälle (TASi) derzeit noch ein rechtliches Problem ergeben (maximaler Glühverlust von 5 bzw. 3 %). Über einen bewusst niedrig gewählten Glühverlust sollte die Methanfreisetzung aus Abfalldeponien minimiert werden. Aufgrund der pyrolytischen Umsetzung ist der Kohlenstoff in Biokohlen weitgehend stabil, sodass eine biologische Umsetzung zu Methan nur in kleinsten Mengen stattfinden kann. Trotzdem kann es bei der Glühverlustbestimmung nach Norm zu einer Überschreitung der Grenzwerte kommen. Insofern ist die TASi entsprechend anzupassen, um die dauerhafte CO₂-Abscheidung über Biokohle stark belasteter biogener Abfälle und Reststoffe mittels einer anschließenden Deponierung zu ermöglichen.

Auch beim Einsatz von Biokohlen aus biogenen Abfällen und Reststoffen in Bauprodukten, wie z. B. Lehm-Stroh-Bauplatten oder Lehmbausteinen (Dämmwirkung) gelten maximale Schadstoffbelastungen, die für Anwendungen im Endkundenbereich (z. B. Baumarkt) nachvollziehbar sind. Diese könnten jedoch für industrielle Bauwerke und gewerbliche Verarbeiter durchaus weniger restriktiv sein, sodass größere Mengen an Biokohlen für stoffliche Nutzungen zur Verfügung stünden. Dies sind nur zwei Beispiele, wo zukünftig flexiblere und anwendungsorientiertere rechtliche Vorgaben einen Klimaschutzbeitrag leisten können.

Aktuell sind viele Aspekte zur Integration von Pyrolyseanlagen in Heizkonzepten und der Integration der Nutzung der Biokohlen auch im Hinblick auf eine langfristige C‑Sequestrierung Gegenstand von Forschung, Normung und praktischer Umsetzung.

Nach Thrän et al. (2025) können in Deutschland ca. 2–3 Mio. t CO₂/a an negativen Emissionen durch Biokohlegewinnung und -verwendung aus Nebenprodukten, sowie biogenen Abfällen und Reststoffen erzielt werden. Im Vergleich zu den aktuellen Emissionen von 649 Mio. t CO_2eq in 2024 (UBA 2025-2) sind diese potenziellen negativen Emissionen sehr übersichtlich. Vergleicht man diese Mengen mit den derzeit rund 54 Mio. t THG-Emissionen der Land- und Forstwirtschaft oder den rund 5 Mio. t THG-Emissionen aus der Abfallwirtschaft, liegt die Bedeutung mit 5 bis über 50 % (UBA 2025-2) bereits auf einem nennenswerten Niveau.

Deutschland hat zum Ziel, bis 2045 klimaneutral zu werden. Dies setzt voraus, den Material- und Energieverbrauch erheblich zu verringern und sich auch sonst nachhaltiger aufzustellen, denn die Klimaneutralität basiert auf zwei wesentlichen Säulen: zum einen die Umstellung der Energieversorgung vollständig auf Erneuerbare Energien und zum anderen die Entwicklung der noch mehrheitlich linearen Wertschöpfungsketten zu einer wirklichen Kreislaufwirtschaft. Beide Transformationen stehen global am Anfang, aber auch in Deutschland haben wir noch einen langen Weg vor uns. Daher müssen wir zusätzlich CO₂-Senken (Negativemissionen) generieren. Die zentrale Herausforderung (technisch, ökologisch und ökonomisch) für die Versorgung der Wirtschaft mit organischen Grundstoffen liegt darin, möglichst weitgehend von petro- auf biobasierte, zirkuläre (Recycling‑)Kohlenstoffquellen umzustellen.

Dabei spielt die stofflich-energetische Verwertung biogener Abfälle und Reststoffe eine besondere Rolle und die Optimierung derselben ist ein wesentlicher Arbeitsschwerpunkt des Deutschen Biomasseforschungszentrums (DBFZ) in Leipzig in enger Zusammenarbeit v. a. mit der Universität Rostock. Wie im vorliegenden Beitrag dargestellt, gibt es im Rahmen der Bioökonomie vielfältige Lösungsansätze, um mittels kombinierter stofflich-energetischer Verwertung von biogenen Abfällen und Reststoffen einen wesentlichen Beitrag zum Klima- und Ressourcenschutz zu leisten. Die dargestellten Beispiele zeigen aber auch, dass es hier noch reichlich F&E-Bedarf gibt und diese Lösungen dann auch in der Praxis implementiert werden müssen, um die dringend notwendigen positiven Wirkungen zu entfalten!