Brennstoff-Check (5): Was ist Biomasse?

Wir checken heute den Brennstoff Biomasse. Ihr erfahrt hier, was Biomasse ist, wie Energie in die Biomasse kommt, dort gebunden und beim Verbrennen freigesetzt wird und welches Potential Biomasse als erneuerbarer Energieträger besitzt. Dabei grenzen wir Biomasse auch von fossilen Brennstoffen ab.

Biomasse – Definition des Begriffs

Der Begriff Biomasse ist ein Sammelbegriff: Er steht im energietechnischen Verständnis (gemäß der EU-Richtlinie) für eine energetisch nutzbare Stoffmasse, die eine Vielzahl und Vielfalt von Energieträgern umfasst. Als Biomasse gelten demnach tierische und pflanzliche Stoffe, mit denen sich Wärme und Strom gewinnen lassen und die als Kraftstoff dienen.

Biomasse – die Energieträger

Zu Biomasse zählen die biologisch abbaubaren Anteile Teil von Erzeugnissen, Abfällen und Reststoffen aus

• der Landwirtschaft, die biologischen Ursprung sind (einschließlich tierischer und pflanzlicher Stoffe),
• der Forstwirtschaft,
• der Fischerei und der Aquakultur,
• der Industrie
• und aus den Haushalten

Schaut man sich die Biomasse der aufgelisteten „Absender“ genauer an, besteht diese also unter anderem aus:

• Pflanzen und Pflanzenteilen sowie den daraus hergestellten Energieträgern,
• Abfällen und Nebenprodukten (pflanzlicher und tierischer Herkunft) aus Land-, Forst- und Fischereiwirtschaft und den jeweils nachgelagerten Verarbeitungsbetrieben (darunter Klärschlamm, Klärgas, Deponiegas, Gülle, Festmist und Getreidestroh),
• Restholz von Holzbe- und -verarbeitungsbetrieben sowie der Holzwerkstoffindustrie,
• Landschaftspflegegut und Treibgut aus der Gewässerpflege, Uferpflege und -reinhaltung,
• Altholz beziehungsweise Gebrauchtholz,
• sowie Haus- und Garten-Bioabfällen (Strauch-, Baum- und Heckenschnitt, Rasen, Laub, Blumen, Wildkräuter und Gemüsestauden, Rüstabfälle, Eierschalen, Teekräuter, Kaffeesatz, Kleintiermist von Pflanzenfressern).

Biomasse kann demnach

• fest (feste organische Brennstoffe/Festbrennstoffe wie Holz)
• flüssig (Biokraftstoffe wie Biodiesel, Rapsmethylester)
• und gasförmig sein (Biogas).

Biomasse – Entstehung

Biomasse wird oft auch als gespeicherte Sonnenenergie bezeichnet. Zu Recht, denn sie kommt teils infolge des biochemischen Vorgangs Photosynthese von Pflanzen zustande. Die bilden mit Hilfe von  Sonnenenergie aus Kohlendioxid aus der Luft, Wasser und verschiedenen Nährstoffen Biomasse, die sich unter anderem in folgende stoffliche Gruppen unterscheiden lässt:

• Holz und Halmgut (Lignin, Hemicellulose und Cellulose)
• Zucker, Stärke und Zellulose (Kohlenhydrate)
• Öle und Fette
• und Proteine

Exkurs 1: Wie funktioniert Photosynthese?

Bei der Photosynthese wird Sauerstoff freigesetzt. Die entstehende Biomasse besteht Großteils aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Die Sonnenenergie wird im Zuge dessen in Form chemischer Energie gespeichert – als Holz, Zucker, Öl und Fett. Am Beispiel Zucker lässt sich die Photosynthese vereinfacht mit folgender Formel erfassen: 6 CO₂ + 6 H₂O + Licht = C₆H₁₂O₆+ 6 O₂

Biomasse vs. Kohle, Erdgas, Erdöl und Torf

Biogene fossile Brennstoffe, darunter Kohle, Erdöl, Erdgas und Torf zählen nicht zu Biomasse, denn sie regenerieren sich nicht in einer aus menschlicher Sicht überschaubaren  Zeitspanne und erfüllen somit nicht die Kriterien der Erneuerbarkeit.

CO2-Bilanz von Biomasse im Vergleich zu fossilen Energieträgern

Bei der energetischen Nutzung (und in Abhängigkeit von deren Art und Weise) von Biomasse bleibe, so schreibt es die Wissenswiki, der sogenannte Kohlendioxid-Kreislauf weitgehend geschlossen. Damit sei – verglichen mit fossilen Brennstoffen die CO₂-Bilanz der Energieerzeugung aus Biomasse positiv, da das bei der energetischen Nutzung freigesetzte CO2 während des Wachstums der Pflanze aus der Atmosphäre entnommen und von ihr gebunden worden sei.

Wobei in der CO₂-Bilanz auch der extra Energieaufwand für Ernte, Transport, Aufbereitung und Umwandlung (in Wärme, Strom oder Kraftstoff) zu berücksichtigen sei, wenn diese Energie nicht aus erneuerbaren, emissionsfreien Quellen stamme.

Weil dieser extra Energieaufwand für Holzbrennstoffe, zum Beispiel Scheitholz, Hackschnitzel oder Holzpellets, mit weniger als fünf Prozent des Energiegehalts der Brennstoffe besonders gering sei, ist oft die Rede von einer CO₂-neutralen energetischen Nutzung dieser Biomassen.

Die CO2-Bilanz der Fossilen sehe dagegen anders aus, gleichwohl auch ihr Ursprung Biomasse sei, denn sie seien in einem über Millionen von Jahren andauernden Prozess aus abgestorbenen Pflanzen und Tieren entstanden. Im Verhältnis zu ihrer langen Entstehungszeit würden wir Menschen die Öl-, Gas- und Kohlevorkommen rasend schnell verbrauchen, so dass die CO₂-Bilanz der Nutzung fossiler Rohstoffe nicht ausgeglichen sei. Was noch deshalb verstärkt werde, weil die Neubildung fossiler Rohstoffe heute nur in äußerst geringem Maße stattfinde. Pflanzen dagegen könnten, so sie denn nachhaltig genutzt würden, in dem  Umfang, wie wir sie verbrauchen, auch wieder nachwachsen.

Holz verbrennen – warum ist das CO₂-neutral?

In diesem Zusammenhang soll nicht unerwähnt bleiben, dass sich die CO₂-Bilanz der Holzverbrennung verbessern lasse, wenn Altholz, das bereits Jahrzehnte als Bauholz oder in anderen Holzprodukten im Einsatz war, nach seiner Original-Nutzung zur Energieerzeugung  verfeuert werde (sogenannte Kaskadennutzung). Dieses Holz habe der Atmosphäre zunächst lange Zeit CO₂ entzogen, es gespeichert und verbrenne dann CO₂-neutral.

Die Neutralität erklärt die Wissenswiki einerseits damit, dass – anders als bei fossilen Brennstoffen – nicht alles  stofflich genutzte Holz zugleich innerhalb einer kurzen Zeitspanne verbrannt werde. Andererseits würden während der stofflichen Holznutzung im Wald bereits neue Bäume im gleichen Umfang nachwachsen. demnach setze im Wald natürlich verrottendes Holz ebenso viel Energie und CO₂ frei wie beim Verbrennen, da der biologische Abbau analog zum energetischen ablaufe.

Auf der Internet-Seite Welt der Physik wird die CO₂-Neutralität so erklärt: Im Gegensatz zu den fossilen Brennstoffen würden Energieträger aus Biomasse noch aktiv am Kohlenstoffkreislauf teilnehmen. Daher entstünde beim Verbrennen von Biomasse kein zusätzliches CO₂: Es werde lediglich der natürliche Verwesungs- und Zersetzungsvorgang, der sich allerdings über Jahre und Jahrzehnte hinziehen könne, durch den technischen Vorgang Verfeuern beschleunigt und ohne Zwischenproduktion von CH₄ durchgeführt. Daher trage die Verwertung von Bioenergieträgern nicht zur mittel- und langfristigen Erhöhung des CO₂-Gehaltes der Atmosphäre bei: In diesem Sinne seien Biomasse-Energieträger demnach „CO₂-neutral“.

Welches energetische Potential hat Biomasse?

Betrachte man die global mit Photosynthese an Land und in den Meeren gebildeten Biomassen, so sei offensichtlich, dass davon nur ein geringer Anteil  als

• zum Ernähren von Mensch und Tier
• und zum stofflichen und energetischen Nutzen

verwendet werde.

Die Wissenswiki schätzt

• das globale theoretische Potenzial von Biomasse als Energieträger auf 2.400 Exajoule (EJ),
• das nachhaltig nutzbare dagegen nur auf 100 EJ.

Der weltweite Primärenergieverbrauch lag der IEA (International Energy Agency, auf Deutsch: Internationale Energie-Agentur) zufolge 2015 bei 570 EJ. Daraus ergibt sich näherungsweise, dass sich knapp ein Fünftel des derzeitigen weltweiten Energiebedarfs mit Biomasse decken ließe.

Biomasse in Deutschland

Der mit Abstand wichtigste Bioenergieträger hierzulande sei laut der bereits verlinkten Welt der Physik Holz. Sein inländischer Verbrauch habe in den vergangenen 20 Jahren stetig zugenommen und betrage etwa 130 Millionen Kubikmeter pro Jahr, vor allem gewonnen aus mehr als 11 Millionen Hektar Wald.

Nach Angaben der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe von Februar 2017 sei die Landwirtschaft ein weiterer wichtiger Lieferant von Biomasse zur energetischen Nutzung. 2016 seien demnach in Deutschland 16 Prozent der landwirtschaftlichen Nutzfläche oder 2,7 Millionen Hektar für den Anbau von Energiepflanzen genutzt worden.

Exkurs 2: Was sind Energiepflanzen?

Für die Energieversorgung baut der Mensch inzwischen auch spezielle Energiepflanzen an. Deren Merkmalsausprägungen und Eigenschaften sind dafür optimal herangezüchtet – als Energierübe, Energieraps (Titelfoto) und Biogasmais haben sich Rüben, Raps und Mais mit besonders vorteilhaften und leistungsfähigen Merkmalen für den Einsatz in Biogasanlagen bereits einen Namen gemacht.

Im Vordergrund stünde dabei der

• Anbau von Pflanzen für die Biogasproduktion (1.450 Millionen Hektar),
• gefolgt vom Rapsanbau, Getreide und Zuckerrüben zur Produktion von Biokraftstoffen (760?000 Hektar),
• der Anbau von Pflanzen zur Bio-Ethanol-Herstellung (200?000 Hektar)
• und mit einigem Abstand Pflanzen für Festbrennstoffe (11?000 Hektar).

Hinzu kämen noch 269 Hektar zum Anbau nachwachsender Rohstoffe für die stoffliche Verwertung: sogenannten Industriepflanzen.

Aber: Der Anbau von Energie- und Industriepflanzen auf landwirtschaftlichen Nutzflächen stehe in Konkurrenz zur Produktion von Nahrungsmitteln. Diese Situation werde letztlich für den langfristigen Umfang der Nutzung landwirtschaftlicher Biomasse von großer Bedeutung sein.

Foto: french_03/photocase