Bioenergie

mini|Aufgearbeitetes Brennholz im Wald mini|Hackgutbunker mit Raumaustragung zur Zuführung der Biomasse zu einem Heizkessel mini|Omnibus mit Biodieselantrieb

Bioenergie ist eine aus Biomasse durch Konversion in elektrische Energie, Wärme oder Kraftstoff universell verwendbare Energieform. Sie greift auf biogene Brennstoffe (oder kurz Biobrennstoffe) zurück, also Brennstoffe biologisch-organischer Herkunft. Biobrennstoffe speichern in ihren chemischen Bindungen solare Strahlungsenergie, die von den Pflanzen als Primärproduzenten durch Photosynthese fixiert wurde. Durch Oxidation dieser Brennstoffe, meist durch Verbrennung, kann diese Energie wieder freigesetzt werden.

Traditionell hat der nachwachsende Rohstoff Holz eine große Bedeutung als Energieträger. Außerdem werden landwirtschaftlich produzierte Agrarrohstoffe und organische Reststoffe aus unterschiedlichen Bereichen genutzt. Weltweit wird die Erzeugung und Nutzung von Bioenergieträgern ausgebaut. Wichtige Gründe sind zum einen langfristig steigende Preise für fossile Energieträger, insbesondere aufgrund ihrer abnehmenden Verfügbarkeit. Zum anderen soll eine Verringerung der Abhängigkeit von einzelnen Energieträgern, wie Erdöl und Erdgas erreicht werden. Zunehmend gewinnen Maßnahmen der Klimaschutzpolitik an Bedeutung, die dem Klimawandel entgegenwirken sollen. Dazu gehören vor allem Bemühungen zur Senkung der Treibhausgasemissionen. Weiterhin kann Bioenergie durch CO2-Abscheidung und -speicherung im Rahmen der Klimakrise eine Rolle als CO2-Senke spielen. In Deutschland wird der Ausbau von Bioenergie gefördert, zum Beispiel mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).

Die Debatte um Bioenergie beinhaltet technologische, ethische und kulturelle Fragestellungen. Dabei werden Auswirkungen auf die Umwelt, wie Boden, Wasser, Luft, Biodiversität, Klima und Mitmenschen beachtet. Kulturelle Aspekte beziehen sich auf Kulturlandschaften oder die traditionelle Verwendung von bestimmten Pflanzenarten als Grundnahrungsmittel. Getreide hat in vielen Kulturen einen hohen Symbolgehalt. Daher wird die energetische Verwendung von Weizen teilweise als ethische Grenzüberschreitung wahrgenommen und wird somit häufig tabuisiert.Michael Zichy, Christian Dürnberger, Beate Formowitz, Anne Uhl: Energie aus Biomasse. Ein ethisches Diskussionsmodell. 2., aktualisierte Auflage. Springer Vieweg, Wiesbaden 2014, S. 69 ff.

Gewinnung biogener Brennstoffe mini|Zuckerrohrplantage in Ituverava, Brasilien mini|Holzpellets mini|Ernte von Energieholz in einer Kurzumtriebsplantage mini|Rapsfelder, Raps ist in Deutschland eine bedeutende Ölpflanze mini|Faulturm für Klärgaserzeugung

Fast alle Arten von Biomasse können für die Nutzung als biogener Brennstoff erschlossen werden. Dabei kann der Brennstoff das Haupt- oder ein Nebenprodukt darstellen oder ein Kuppelprodukt sein. Abhängig von der Art der Biomasse sind unterschiedliche Aufbereitungsschritte notwendig. So können Verfahren wie Methangärung (Biogas), alkoholische Gärung (Ethanol), Pyrolyse oder Ölextraktion (Pflanzenöl) mit anschließender Umesterung (Biodiesel) notwendig sein, oder es kann wie bei Holz auch eine direkte Verwendung erfolgen. Die Nutzung erfolgt meist in Anlagen, die in identischer oder ähnlicher Form auch mit fossilen Energieträgern betrieben werden, wie z. B. Feuerung mit Dampfkessel, Verbrennungsmotor, Gasturbine. ungezielte forstliche Erzeugung Eine der bedeutendsten Nutzungsformen für biogene Brennstoffe ist die Verwendung von Feuerholz zum Kochen und Heizen. Dieses wird meist nicht gezielt erzeugt, sondern in Primär- oder Sekundärwäldern oder anderweitig gesammelt. forstwirtschaftliche Erzeugung In Nutzwäldern wird primär Nutzholz (Bauholz, Furnierholz etc.) erzeugt. Dabei fällt auch Tot- und Schwachholz sowie minderwertiges Holz an, das man als Brennholz oder zur Herstellung von Holzpellets oder Holzhackschnitzeln nutzen kann. forstwirtschaftliche Nebenprodukte Beispiele dafür sind aus der Holzindustrie große Mengen an Sägemehl und Restholz an, die direkt thermisch genutzt oder zu Pellets verarbeitet werden. In der Papierindustrie fallen bei der Gewinnung von Zellstoff aus Holz (vor allem aus Lignocellulose bestehend) große Mengen an Lignin an. Dieses kann verfeuert werden. So fallen bei vielen Verarbeitungsprozessen organische Reststoffe an, die durch Verbrennung oder durch Vergärung zu Biogas genutzt werden können. landwirtschaftlicher Anbau Durch landwirtschaftliche Produktion von einjährigen Pflanzen sind biogene Brennstoffe und die für ihre Herstellung notwendigen Rohstoffe das Hauptprodukt. Beispiele dafür sind Ölpflanzen für Pflanzenöl und Biodiesel, Stärkepflanzen und Zuckerpflanzen etwa zur Herstellung von Bioethanol oder auch sogenannte Energiepflanzen als Substrat zur Erzeugung von Biogas in Biogasanlagen. Landwirtschaftliche Nebenprodukte, die als Abfälle energetisch verwendet werden können, sind beispielsweise Getreidestroh (siehe dazu auch Strohpellets) und Zuckerrübenblätter. Zukünftig kommt das bisher meist nicht genutzte Stroh von Körnermais, Raps und anderen Kulturpflanzen hinzu (siehe dazu Restwertpellets). landwirtschaftliche Produktion von mehrjährigen Pflanzen Hier spielen gesondert genutzte Flächen eine wichtige Rolle, beispielsweise Plantagen für Ölpalme und Ölfrüchte. Auch schnellwüchsige Pflanzen, wie Miscanthus, können mehrjährig angebaut werden. Die Ernte erfolgt hierfür jährlich. Schnellwüchsige Baumarten, wie bestimmte Weiden- und Pappelarten, können über viele Jahre auf derselben Fläche angebaut werden und werden im mehrjährlichen Turnus geerntet. Die Fähigkeit zum Stockausschlag erspart das erneute Setzen der Pflanzen. Nebenprodukte aus der Verarbeitung werden direkt als Brennstoff verwendet oder daraus Brennstoffpellets erzeugt, beispielsweise aus Olivenkernen und Olivenpresstrester,olivenpellets.de. Kokosnussschalen und Ölpalmenkernen.Hersteller von Pellets aus Tropenholz, Kokosnussschalen und Ölpalmenkernen. Die Gewinnung von Zucker aus Zuckerrohr hinterlässt energetisch nutzbare Bagasse. organische Abfälle Aus Industrie und Haushalten anfallende Reststoffe können durch energetische Nutzung die Entsorgungskosten verringern oder kompensieren. So können Bioabfälle durch Kompostierung behandelt, aber auch eine energetisch Nutzung durch Vergärung in Biogasanlage genutzt werden. Klärschlamm enthält meist einen hohen Anteil organischer Verbindungen und wird bereits durch Verbrennung energetisch genutzt auch um das Volumen des zu deponierenden Klärschlamms zu reduzieren. Das Gleiche gilt auch für Hausmüll zu der neben Bestandteilen fossiler Herkunft auch einen Anteil organischer Substanzen enthält, der durch Verbrennung genutzt wird. Findet eine Deponierung des Hausmülls statt, kann durch anaeroben Abbau aus den organischen Anteilen energiereiches Deponiegas entstehen. Letztlich kommt auch Landschaftspflegematerial aus Baum- und Grasschnitt durch Verbrennung oder Vergärung zu Biogas (hier meist per Trockenfermentation) als biogener Brennstoff in Betracht. getrennt gesammeltes Altholz Altholz aus Industrierestholz, Baurestmassen, aus handwerklicher Verarbeitung und aus der Abfallsammlung dient ebenfalls als biogenes Brennmaterial. Sonstiges Torf wird unverarbeitet oder zu Pellets gepresst als Brennstoff genutzt. Tran und Tiermehl dienen ebenfalls als biogener Brennstoff.

Kategorien biogener Brennstoffe Biogene Brennstoffe werden gemäß ihrem Aggregatzustand eingeteilt.

Biogene Festbrennstoffe mini|Biomasseheizkraftwerk Zolling (BRD) mini|Bioethanolfabrik in West Burlington, Iowa

Viele biogene Festbrennstoffe können ohne aufwendige Aufbereitung (nur Trocknung, Zerkleinerung) genutzt werden, wie Holz (Scheitholz, Holzhackschnitzel), Stroh oder Bagasse. Die für eine saubere Verbrennung erforderliche Sauerstoffzufuhr ist bei massiven Festbrennstoffen nur unmittelbar an deren Oberfläche vorhanden, womit deren Verbrennung problematischer ist, als bei flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen. Teilweise erfolgt aber auch eine aufwendige Verarbeitung dieser Rohstoffe, um Produkte mit exakter definierten Eigenschaften (Abmessung, Energiegehalt, Aschegehalt) zu erhalten, sowie deren Oberfläche zu vergrößern, wie Holz- und Strohpellets. In vielen Ländern sind Festbrennstoffe für die Bereitstellung von Wärme zum Kochen bedeutend. In Deutschland dienen Festbrennstoffe in Kleinanlagen vor allem der Wärmebereitstellung und in Großanlagen der gekoppelten Wärme- und Stromversorgung.

Mit der Umwandlung von biogenen Festbrennstoffen in Biomass to Liquid (BtL), Biopyrolyseöl, Synthetic Natural Gas (SNG), Bioethanol, Biogas und andere Produkte besteht die Möglichkeit zur Überführung in andere Aggregatzustände. Thermische, biochemische oder andere Verfahren kommen dabei zum Einsatz. Durch Pressen oder Extrahieren können aus Pflanzensamen (Raps, Soja, Sonnenblumen) Pflanzenöle gewonnen werden.

Biogene Flüssigbrennstoffe Die bedeutendsten biogenen Flüssigbrennstoffe sind Biokraftstoffe wie Bioethanol, Pflanzenöl und Biodiesel. Diese werden meist in Fahrzeugmotoren eingesetzt und müssen bestimmte, normierte Eigenschaften erfüllen. Daneben gibt es weitere, weniger exakt definierte biogene Flüssigbrennstoffe wie Pyrolyseöl, das aus fester Biomasse gewonnen wird.

Biogene Brenngase Zu den biogenen Brenngasen gehören Faulgase (Biogas, Klärgas, Deponiegas), Biomethan, SNG (Synthetic Natural Gas) und Biowasserstoff. Die beiden letztgenannten haben in Deutschland bisher keine wirtschaftliche Bedeutung. Biogene Brenngase werden vor allem zur gekoppelten Strom- und Wärmebereitstellung in Blockheizkraftwerken (BHKW) meist am Ort der Gasherstellung verwertet: Biogasanlagen, Deponien, Klärwerke. Nach einer sogenannten Biogasaufbereitung (insbesondere der Abtrennung des Kohlendioxids) kann man Biomethan auch in das Erdgasnetz einspeisen. Die Gewinnung von Faulgas erfolgt durch Vergärung von organischer Substanz (z. B. Gülle, Silage, organische Anteile in Abwasser und Hausmüll). SNG und Biowasserstoff können durch Vergasung von Biomasse zu Synthesegas und anschließende Verfahren zur Erhöhung der Methananteils (CH4 – bei der SNG-Erzeugung) bzw. der Wasserstoffanteils (H2 – bei der Biowasserstofferzeugung) produziert werden.

Nutzung von Bioenergie Biogene Wärme- und Stromerzeugung mini|Unterschubfeuerung einer Pelletheizung mini|Holzvergaserofen in einem Wohnhaus

In energietechnischen Anlagen zur Nutzung von Biomasse werden verschiedene Prinzipien der Energiewandlung eingesetzt. Bei größeren Anlagengrößen ist eine kombinierte Erzeugung durch Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) üblich, die einen höheren exergetischen Wirkungsgrad erreicht als bei alleiniger Wärme- oder Stromerzeugung. Beispiele für KWK-Anlagen sind Biomasseheizkraftwerke (Verfeuerung fester Biobrennstoffe), Biogasanlagen mit Blockheizkraftwerk (BHKW) und Biomassevergaser mit BHKW (Holzgas-BHKW).

Biomassekraftwerke sind ganzjährig betriebene Anlagen zur Biomasseverfeuerung, die über Dampfturbinen Elektrizität produzieren. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei 30 bis 35 Prozent. Zum Einsatz kommen vorwiegend Gebrauchtholz (Altholz) sowie preisgünstige sonstige Holzsegmente (Restholz). Die typische elektrische Leistung liegt bei 20 MW. Biomasseheizkraftwerke nutzen ganzjährig Biomasse, um Wärme und auch Strom zu erzeugen. Dabei kommen meist Dampfturbinen und ORC-Turbinen zum Einsatz. Neben Forstholz (Waldrestholz) und Industrierestholz als hauptsächlichem Brennstoff können auch landwirtschaftliche Erzeugnisse wie das Holz aus Kurzumtriebsplantagen und Stroh genutzt werden. In Skandinavien (speziell Finnland) wird oftmals auch Torf zugefeuert, da dieser lokal gewonnen wird. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei 15 bis 25 Prozent, der thermische Wirkungsgrad bei etwa 60 Prozent. Die typische elektrische Leistung liegt bei 0,5 bis 50 MW.