Energie aus Biomasse

Die auf der Erde insgesamt nutzbaren Energieströme entspringen drei grundsätzlich unterschiedlichen primären Energiequellen. Dies sind die Planetengravitation und -bewegung, aus denen die Gezeitenenergie resultiert, die Erdwärme und die Sonnenenergie. Dabei ist die von der Sonne eingestrahlte Energie mit Abstand die größte Quelle des regenerativen Energieangebots. Es folgen die Erdwärme, die im Vergleich dazu eine deutlich geringere flächenbezogene Energiedichte (z. B. die auf einen Quadratmeter Erdoberfläche bezogene Energiemenge im Jahresverlauf) hat, und die Gezeitenenergie, die – bezogen auf die im Energiesystem "Erde" umgesetzte Energie – die mit Abstand geringste Bedeutung hat.

Unter Biomasse im erweiterten Sinne wird jegliche Phyto- und Zoomasse verstanden (Kapitel 1.1), von der schätzungsweise 1,84⋅10¹² t Trockenmasse auf den Kontinenten existieren. Phyto- oder Pflanzenmasse wird zum größten Teil von Organismen gebildet, die ihre Energie durch Umwandlung der Sonnenenergie im Prozess der Photosynthese gewinnen. Demgegenüber wird die Zoomasse mit dem Energiegewinn aus dem Abbau anderer organischer Substanz gebildet. Das Ziel dieses Kapitels ist es, die Prozesse und Einflussfaktoren bei der Entstehung von Pflanzenmasse darzustellen und zu diskutieren. Um die Vorgänge während des Pflanzenwachstums nachvollziehbar zu machen, werden im folgenden Abschnitt der grundsätzliche Aufbau von Pflanzen und die Zusammensetzung der Biomasse dargestellt. Anschließend erfolgt die Beschreibung der wesentlichen Prozesse, die zur Primärproduktion bzw. zum Pflanzenwachstum beitragen.

Entsprechend ihrer energetischen Nutzungsmöglichkeiten werden Energiepflanzen unterteilt in Lignocellulosepflanzen, die derzeit vornehmlich als Ganzpflanzen der Festbrennstoffbereitstellung dienen, und in Öl- bzw. Zucker- und Stärkepflanzen, deren Einsatz als Energieträger erst nach der technischen Gewinnung des Öls bzw. Ethanols aus bestimmten Pflanzenkomponenten (meist speziellen Ertragsorganen wie Körnern oder Knollen) möglich ist. Im Folgenden werden wesentliche in Mitteleuropa anbaubare Pflanzen, die zu diesen drei Kategorien zählen, dargestellt. Dabei wird kurz auf die für die energetische Nutzung relevanten Eigenschaften eingegangen und es werden die jeweiligen Standortansprüche, die entsprechenden pflanzenbaulichen Produktionsverfahren sowie das unter diesen Bedingungen gegebene Ertragspotenzial diskutiert. Auch erfolgt eine kurze Analyse ausgewählter Umweltaspekte, die mit der Produktion der jeweiligen Pflanze verbunden sind.

Unter Rückständen, Nebenprodukten und Abfällen werden hier Stoffe organischer Herkunft (d. h. Biomasse) verstanden, die bei der Herstellung eines bestimmten (Haupt-)Produktes (meist hergestellt mit dem Ziel der stofflichen Nutzung) aus organischen Stoffen anfallen und zur Bioenergiebereitstellung nutzbar sind. Derartige Biomassefraktionen kommen u. a. aus der Land- und Forstwirtschaft sowie der Industrie und dem Gewerbe. Zudem werden Siedlungsabfälle dazu gezählt, welche ebenfalls hohe Anteile an organischen Komponenten aufweisen können. Derartige Stoffe können grundsätzlich im Verlauf der gesamten Bereitstellungskette von der Produktion über die Bereitstellung und Nutzung des organischen Materials bis zu dessen Entsorgung entstehen. Beispielsweise fällt bei der Stammholzproduktion als Nebenprodukt bzw. Rückstand u. a. Waldrestholz und bei der Weiterverarbeitung des Stammholzes beispielsweise zu Möbeln Industrierestholz an; derartige Sortimente können – und werden heute bereits sehr weitgehend – als Energieträger eingesetzt. Am Ende des Lebensweges des Holzes bleibt – ggf. nach einer erneuten stofflichen Aufarbeitung bestimmter Sortimente zu beispielsweise Span- oder Faserplatten und damit eines weiteren stofflichen Nutzungszyklusses – Altholz übrig, das ebenfalls als Energieträger genutzt werden kann oder – wenn es entsprechend belastet ist – ggf. auch als Abfall thermisch entsorgt werden muss.

Die Biomassebereitstellung ist der Abschnitt im "Lebensweg" der Biomasse, durch den sichergestellt wird, dass diese zur richtigen Zeit mit der geforderten Qualität und Quantität am Ort der jeweiligen Konversionsanlage (z. B. Feuerungsanlage für Hackschnitzel, Biogasanlage für Exkremente, Ethanolanlage für Zuckerrüben) verfügbar ist. Neben dem Begriff der Biomassebereitstellung wird vielfach auch – in Anlehnung an andere Bereiche unserer Volkswirtschaft – der Begriff der Biomasselogistik verwendet. Historisch gesehen kommt der Begriff der Logistik aus dem Militärwesen. Sie stellte den Nachschub für das Heer sicher. Ursprünglich als Hauptfunktion der Materialwirtschaft verstanden, wird Logistik heute vor allem als betriebliche Querschnittsfunktion über die Bereiche Beschaffung, betriebliche Leistungserstellung (Produktion im weiteren Sinne) und Absatz gesehen. Konkreter wird Logistik daher gegenwärtig definiert als integrierte Planung, Organisation, Steuerung, Abwicklung und Kontrolle des gesamten Material- und Warenflusses mit den damit verbundenen Informationsflüssen, beginnend beim Lieferanten, durch die (eigenen) betrieblichen Wertschöpfungsstufen (z. B. Produktions- und/oder Distributionsstufen) bis zur Auslieferung der Produkte beim Kunden inklusive der Abfallentsorgung und des Recyclings.

Mit dem Beginn der Ernte ist die erste Phase der Energiebereitstellungskette (d. h. die der Pflanzenproduktion) abgeschlossen. Es folgt nun die Bereitstellung, durch die die organische Masse am Standort der Konversionsanlage verfügbar gemacht wird. Während vor der Ernte hauptsächlich die durch die Pflanzenart vorgegebenen chemisch-stofflichen Biomassemerkmale ausgeprägt werden, findet im Verlauf der nun folgenden Bereitstellungsphase die Beeinflussung und Veränderung der physikalisch-mechanischen Brennstoffeigenschaften statt; das gilt vor allem bei den Festbrennstoffen. Der auf die Anbauphase folgende Prozessschritt der Ernte beinhaltet sämtliche Maßnahmen, durch welche die aufgewachsene Biomasse am Wuchsort technisch verfügbar gemacht und bereits teilweise umgeformt oder vorkonditioniert wird. In diesem Kapitel wird hierbei vor allem auf solche Techniken und Verfahren eingegangen, die für die Biomasse mit dem Ziel der energetischen Nutzung typisch sind; konventionelle, bei der Nahrungsmittelbereitstellung gängige Techniken bleiben weitgehend unberücksichtigt. Weitere Prozessschritte der Bereitstellungskette (z. B. Aufbereitung, Transporte, Umschlag, Lagerung und Trocknung) werden, soweit sie nicht bereits in den Ernteprozess integriert sind, in den Kapiteln 7 und 8 beschrieben.

Die mechanische Aufbereitung der geernteten Biomasse hat das Ziel, die Biomassemerkmale an die Anforderungen der jeweiligen Konversionsverfahren anzupassen. Alternativ oder zusätzlich soll dadurch auch die Bereitstellungskette möglichst weitgehend vereinfacht bzw. die Bereitstellungskosten minimiert werden. In den meisten Fällen kommt es dabei zu einer Veränderung der physikalischen bzw. mechanischen Eigenschaften der Biomasse (u. a. Abmessungen, Dichte, Korngrößenverteilung). Die Prozesse der Ölgewinnung werden hierbei nicht als eine mechanische Aufbereitung verstanden, da das Produkt (Kraftstoff) nach einer Pressung meist noch weiteren (z. B. chemischen) Einwirkungen bzw. Umwandlungen unterzogen wird, bis es als Energieträger verfügbar wird. Die Verfahren zur Gewinnung von Pflanzenöl werden daher in Kapitel 13 separat dargestellt. Auch thermo-chemische Aufbereitungsschritte, die der Gewinnung von chemisch veränderten Festbrennstoffen (z. B. Holzkohle) oder der Kraftstoffgewinnung dienen (z. B. Pyrolyse), werden hier nicht betrachtet, da sie über eine ausschließlich mechanische Aufbereitung deutlich hinausgehen. Vor diesem Hintergrund werden nachfolgend wesentliche mechanische Aufbereitungstechniken und -verfahren diskutiert. Dabei wird zwischen Verfahren für die Zerkleinerung, das Sieben bzw. Sortieren und die Verdichtung (Pressen) unterschieden.

Nach der Ernte bzw. Bergung muss das gewonnene Erntegut bzw. der Rohstoff am Standort der thermochemischen, physikalisch-chemischen oder biochemischen Umwandlungsanlage verfügbar gemacht werden. Das heißt, die zwischen Biomasseanfall und -verwertung liegende zeitliche und räumliche Distanz muss möglichst effizient und verlustfrei überbrückt werden. Dazu sind entsprechende Transport-, Lagerungs- und Konservierungsprozesse erforderlich. Auch die Trocknung zählt zu den Konservierungsmethoden, sie bewirkt aber zusätzlich eine Wertsteigerung und soll daher in den nachfolgenden Kapiteln als eigenständiger Prozess dargestellt und diskutiert werden. Die genannten Verfahrensschritte können – je nach den Randbedingungen vor Ort – in unterschiedlicher Reihenfolge aufeinander folgen. Zwischen ihnen kommt es an verschiedenen Stellen innerhalb der Bereitstellungskette zu Umschlagvorgängen, die als Bindeglied zwischen einzelnen Teilprozessen wirken können und daher im Folgenden in ihrem jeweiligen funktionalen Zusammenhang diskutiert werden.

Die Bereitstellung von End- bzw. Nutzenergie aus biogenen Festbrennstoffen erfolgt entweder direkt durch Verbrennung oder durch eine vorherige Umwandlung in entsprechende Sekundärenergieträger, wobei thermo-chemische, physikalisch-chemische oder bio-chemische Verfahren zum Einsatz kommen können. Im Folgenden werden die physikalischen und chemischen Grundlagen der thermo-chemischen Umwandlungsverfahren dargestellt; ihnen liegen letztlich vergleichbare Mechanismen zugrunde. Zuvor werden jedoch die wesentlichen Brennstoffeigenschaften definiert und zusammenfassend dargestellt.

Für biogene Festbrennstoffe (z. B. Holz, Stroh) hat die direkte Verbrennung in Feuerungen bis heute die weitaus größte Bedeutung unter den Energiewandlungsprozessen und -verfahren. Verbrennungsanlagen werden eingesetzt zur Produktion von Wärme, die genutzt werden kann als Sekundärenergie (z. B. Dampf, der dann weiter in elektrische Energie umgewandelt werden kann), als Endenergie (z. B. Fernwärme) oder als Nutzenergie (z. B. Strahlungswärme eines Kachelofens). Unter einer Verbrennung wird dabei hier die Oxidation eines Brennstoffs unter Energiefreisetzung verstanden. Dabei entstehen Abgase und Asche. Vor diesem Hintergrund werden im Folgenden die mit der direkten thermischen Umwandlung biogener Festbrennstoffe zusammenhängenden Aspekte diskutiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Darstellung der Feuerungsanlagentechnik. Auch wird auf die Techniken für die Abgasreinigung eingegangen. Zusätzlich werden die Möglichkeiten einer Stromerzeugung bzw. einer Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) diskutiert. Zuvor werden jedoch spezielle Anforderungen und Besonderheiten erläutert.

Neben der "klassischen" Verbrennung, die in Kapitel 10 dargestellt ist, kann feste Biomasse auch über eine thermo-chemische Umwandlung zunächst in einen Sekundärenergieträger umgewandelt werden, der bezüglich der Handhabung und der weitergehenden Konversionsmöglichkeiten in End- bzw. Nutzenergie (z. B. Wärme, Strom, Kraftstoffe) Vorteile aufweisen kann. Dabei laufen grundsätzlich die gleichen Umwandlungsprozesse ab, wie sie auch bei der Verbrennung gegeben sind, da die produzierten Sekundärenergieträger bei der Umwandlung in End- bzw. Nutzenergie letztendlich auch vollständig oxidiert werden. Die einzelnen Stufen der thermo-chemischen Umwandlung werden jedoch – im Unterschied zu der Verbrennung – räumlich und zeitlich getrennt realisiert. Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel der folgenden Ausführungen, die Vergasung und damit die Bereitstellung eines gasförmigen Sekundärenergieträgers und dessen weitergehenden Umwandlungsmöglichkeiten in End- bzw. Nutzenergie darzustellen.

Biomasse kann durch thermo-chemische Prozesse – und hier im Wesentlichen durch eine pyrolytische Zersetzung unter Ausschluss von Sauerstoff – direkt in überwiegend flüssige (d. h. Pyrolyse- oder Bio-Öle) oder feste Produkte (d. h. Biomassekoks, Holzkohle) umgewandelt werden. Ausgehend davon ist es das Ziel der folgenden Ausführungen, aufbauend auf den in Kapitel 9.2 dargestellten Grundlagen der thermo-chemischen Umwandlung, die jeweilige Verfahrenstechnik sowie die entstandenen Produkte zu erläutern. Dabei wird unterschieden zwischen einer Pyrolyse mit dem primären Ziel der Bereitstellung flüssiger und der zur Bereitstellung primär fester Sekundärenergieträger.

In Mitteleuropa kommen hauptsächlich Raps und Sonnenblumen als Ölsaaten für die Produktion von Kraftstoffen auf Pflanzenölbasis in Frage. Ziel der verschiedenen Ölgewinnungsverfahren ist es, den Ölanteil aus der Saat effizient abzutrennen; dabei sollen unerwünschte Bestandteile aus dem Samenkorn möglichst nicht in das Öl überführt werden. Hierauf kann bereits beim Transport, bei der Trocknung und bei der Lagerung der Ölsaat Einfluss genommen werden. Während der Lagerung und z. T. auch während des Transports von Ölsaaten laufen Abbau- und Umsetzungsprozesse ab. Kohlenhydrate und vor allem Fette werden unter Freisetzung von Wärme zu Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) veratmet bzw. zu entsprechenden Zwischenprodukten abgebaut. Verantwortlich dafür sind in erster Linie Enzyme, aber auch Hefen und Pilze, deren Wachstum durch Wärme und Feuchtigkeit gefördert wird. Durch solche Mikroorganismen wird zunächst die Samenschale geschädigt und anschließend das Korninnere angegriffen; im Extremfall kann es zum Verderb der Saat kommen /13-65/. Auch bilden sich bei ungünstigen Lagerungsbedingungen erhöhte Gehalte an freien Fettsäuren und nicht hydratisierbare Phospholipide; dies verschlechtert die Qualität des später gewonnenen Öls. Weiter kann es zur Bildung schädlicher Myko- und Aflatoxine kommen, die durch mikrobiellen Befall bei einem Wassergehalt über 9 % entstehen können (d. h. feuchtes Milieu, Erwärmung).

Bereits seit den Ursprüngen der Menschheit nutzt der Mensch Mikroorganismen in Produktionsprozessen, ohne sich deren Existenz bewusst gewesen zu sein; beispielsweise kommen in der Lebensmittelherstellung Hefen (z. B. Bier, Wein), Schimmelpilze (z. B. Käse) oder Bakterien (z. B. Joghurt, Kefir) zum Einsatz. Die Existenz der jeweiligen Mikroorganismen und die von ihnen realisierten Stoffwechselvorgänge wurden jedoch erst in den letzten 150 Jahren intensiv erforscht und bis auf die molekulare Ebene aufgeklärt. Als erster konnte Louis Pasteur 1860 die Rolle der Hefe für die alkoholische Gärung nachweisen und zeigen, dass die Gärung von lebenden Zellen abhängig ist. Im 20. Jahrhundert wurden Mikroorganismen dann vielfältig in industriellen Produktionsprozessen (z. B. zur Herstellung von Aminosäuren, Antibiotika oder Feinchemikalien) genutzt. Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel der folgenden Ausführungen (vgl. /14-2/, /14-4/, /14-6/, /14-9/, /14-8/, /14-10/, /14-11/, /14-12/, /14-13/, /14-14/), einen Überblick über die Vielfalt der Mikroorganismen, deren Zellaufbau und Stoffwechsel sowie ihre vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten u. a. zur Erzeugung energiereicher Verbindungen aus organischen Stoffen zu geben. Gleichzeitig wird aufgezeigt, wo dem Einsatz lebender Zellen und Enzyme als Biokatalysatoren Grenzen gesetzt sind und welche verfahrenstechnischen Konsequenzen daraus resultieren.

Ethanol ist eine chemische Verbindung, die sehr vielfältig eingesetzt werden kann und wird; die Bandbreite der Möglichkeiten reicht vom Einsatz als Trinkalkohol über chemische und pharmazeutische Anwendungen bis zum Einsatz als Kraftstoff für die Mobilität. Als Bezeichnung sind neben Ethanol auch Bioethanol, Äthanol und Alkohol als Vereinfachung von Ethylalkohol in Verwendung. Obwohl Ethanol auch aus fossilen Energieträgern über Ethen hergestellt werden kann, wird er weltweit hauptsächlich aus biogenen Rohstoffen über eine bio-chemische Fermentation produziert. Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel der folgenden Ausführungen, die Grundlagen und Verfahren der Bioethanolerzeugung darzustellen und zu diskutieren. Dabei wird sowohl auf die heute schon vorhandenen Prozesse (d. h. Erzeugung von Ethanol aus Zucker oder Stärke; z. T. auch als Verfahren oder Kraftstoffe der 1. Generation bezeichnet) als auch auf mögliche zukünftige Verfahren – insbesondere auf der Basis von Cellulose (z. T. auch als Verfahren oder Kraftstoffe der 2. Generation bezeichnet) – eingegangen.

Ausgehend von den in Kapitel 3 und 4 diskutierten für eine Biogaserzeugung prinzipiell einsetzbaren organischen Stoffe werden hier – nach einer Substratcharakterisierung – die bio-chemischen Grundlagen der anaeroben Fermentation dargestellt. Dann werden die Grundlagen der Prozesskinetik im Biogasreaktor diskutiert, die für die technische Umsetzung der anaeroben Fermentation bestimmend sind. Darüber hinaus wird auf Mess- und Betriebsgrößen eingegangen, welche die verfahrenstechnische Umsetzung der Biogaserzeugung bestimmen.