Biomasse (Grundinformationen) Grüne Pflanzen binden die Sonnenenergie durch chemische Umwandlungsprozesse aus Sonnenlicht, Wasser, den Mineralien des Bodens und CO 2. Menschen und Tiere erzeugen durch die Nahrungsaufnahme ebenfalls Biomasse. Biomasse bezeichnet alle organischen Stoffe pflanzlichen oder tierischen Ursprungs, aus denen sich Energie gewinnen lässt. Unterschieden werden zwei Kategorien: Nachwachsende Rohstoffe und organischer Abfall. Biomasse ist aber auch chemisch gebundene Sonnenenergie. Zur Energiegewinnung aus Biomasse steht eine Vielzahl von Ausgangsstoffen zur Verfügung. Es wird unterschieden in: feste (Holz, Stroh) flüssige (Pflanzenöl, Biodiesel, Alkohol) gasförmige (Biogas) Biomasse ist eine heimische Energiequelle, sie ist unabhängig von Jahreszeit und Wetter ständig verfügbar. Die energetisch nutzbaren Biomassepotentiale fallen in Deutschland durch die Waldbewirtschaftung, die Holzverarbeitung, die landwirtschaftliche Pflanzenproduktion sowie durch Massentierhaltung an. Erneuerbare Energieträger aus Biomasse sind unter anderem zum Beispiel Brennholz, Holzhackschnitzel und Bioethanol. Bei der Energiegewinnung aus diesen Energieträgern wird nur so viel CO 2 frei, wie vorher in der Biomasse gebunden wurde. Bioenergie Bioenergie ist die Energiegewinnung aus festen, flüssigen oder gasförmigen organischen Stoffen (Biomasse). Neben extra angepflanzten Energiepflanzen (z. B. Schilf, Raps, Mais) werden vor allem organische Abfälle (Restholz, Gülle) zur Energieerzeugung in Kraftwerken (z. B. Holzhackschnitzel-Heizanlagen oder Biogasanlagen) oder zur Erzeugung von Kraftstoffen (Biodiesel oder Bioethanol) genutzt. Der Vorteil der Nutzung der Bioenergie besteht in den relativ geschlossenen Kreisläufen. So wird bei der Energieerzeugung aus Holz nur das CO 2 freigesetzt, das vorher beim Wachstum der Bäume gebunden wurde. CO 2 -Bilanz von Biomasse Im Laufe der Erdgeschichte entstanden riesige Lager von Biomasse, die zunächst auf der Erdoberfläche abgelagert, dann nach und nach von anderen Erd- und Gesteinsschichten überdeckt wurden. Die Verbrennung, Vergasung oder Vergärung nachwachsender Biomasse zur Energienutzung setzt ebenfalls Kohlendioxid frei. Sie stellt jedoch keine zusätzliche Belastung der Atmosphäre dar, weil jeweils nur das CO 2 abgegeben wird, das von der Pflanze während Ihres Wachstums aus der Luft aufgenommen wurde. Der Entzug von CO 2 aus der Atmosphäre durch die Pflanzen und die Freisetzung von CO 2 bei der Verbrennung heben sich in der Bilanz auf. Das gilt auch bei der natürlichen Verrottung, sie läuft nur wesentlich langsamer ab als die Verbrennung. Wenn Biomasse also Fossile Brennstoffe ersetzen kann, bedeutet dies insgesamt eine Verringerung der CO 2 -Emissionen. Nutzung der Biomasse Vorteile 1. Wird Biomasse energetisch genutzt, bleibt der Kohlendioxid-Kreislauf weitgehend geschlossen. Denn das bei der Verbrennung der Biomasse freigesetzte CO 2 wird von den nachwachsenden Pflanzen wieder gebunden. 1
2. Der immense "Energiehunger" hoch entwickelter Gesellschaften verbraucht in wenigen Jahrzehnten die in Jahrmillionen gebildeten fossilen Ressourcen. Wer Biomasse energetisch nutzt, schont diese knappen, wertvollen fossilen Vorräte. 3. Transport und Lagerung von Biomasse bergen bei Unfällen erheblich geringere Umweltrisiken als dies bei fossilen Energieträgern der Fall ist. Man denke an undichte Erdgasleitungen, havarierte Öltanker oder geplatzte Ölpipelines. 4. Die Energiebilanz der Biomasse ist positiv. Die für die Gewinnung des Energieträgers eingesetzte Energie ist geringer als diejenige, die bei dessen energetischer Verwertung frei wird. Bei Holzhackschnitzeln müssen weniger als 5 % der Nutzenergie für deren Gewinnung aufgewandt werden. 5. Nachwachsende Rohstoffe stammen in der Regel aus der Region, lange Transporte werden vermieden. 6. Als rohstoffarmes Land ist Deutschland in hohem Maße auf den Import fossiler Energieträger angewiesen. Geld fließt aus der Region ins Ausland. Wird Biomasse energetisch genutzt, bleibt die Wertschöpfung in der Region. 7. Die vermehrte Nutzung einheimischer Energieträger wie Holz vermindert diese Abhängigkeit von fossilen Energieträgern und verschafft auf lange Sicht auch mehr Bewegungsfreiheit bei Energiekrisen und Preissteigerungen. 8. Die Land- und Forstwirtschaft wird von Menschen betrieben, die in der Region verwurzelt sind. Beinahe alle Mittel für den Brennstoff, dessen Gewinnung und den Betrieb des Biomasse-Heizwerkes bleiben in der Region und kommen ihr wieder zugute. Dezentral erzeugte Energie aus Biomasse schließt nicht nur ökologisch, sondern auch ökonomisch sinnvolle Kreisläufe. 9. Die Verbesserung der bereits jetzt hoch entwickelten Verbrennungstechnik erfordert Innovationen. Diese gehen meist von kleinen bis mittleren Unternehmen aus. Innovationsbedarf besteht auch im Vorfeld, bei der Bereitstellung der Biomasse. Hier können sich Unternehmen in Deutschland, aber auch international, neue zukunftsträchtige Märkte erschließen. 10. Land- und Forstwirte stellen oftmals nicht nur den Energieträger Biomasse bereit. Sie treten auch als Betreiber von Biomasse-Heizwerken auf. Hier und durch den vermehrten Absatz für bislang ungenutzte Reststoffe der Holzindustrie entstehen neue Beschäftigungsfelder und Einkommensquellen. Dies hilft Arbeitsplätze erhalten und stärkt die ländliche Struktur. Energetische Produkte aus Nachwachsenden Rohstoffen Nachwachsende Rohstoffe lassen sich technisch in der Industrie (Industriepflanzen) und energetisch (Energiepflanzen) zur Erzeugung von Wärme, Dampf, Strom und Treibstoff nutzen. Die folgende Liste zeigt eine Auswahl energetisch nutzbarer Pflanzen, die aus ihnen entstandenen Rohstoffe und die verschiedenen Produkte, in denen sie als Inhaltsstoffe vorkommen. Energiepflanzen Rohstoffe Endprodukte Zuckerrüben, Kartoffeln, Mais, Getreide Zucker, Stärke Bioethanol (Kraftstoff), Additive Raps Rapsöl Biodiesel, Naturdiesel (Kraftstoff), Rapsöl (Brennstoff) Holz, Gräser, Stroh, Getreideganzpflanzen, Miscanthus Stückholz, Hackschnitzel, Ganzpflanze, Stroh, Pellets Wärme, Dampf, Strom 2
Nachwachsende Rohstoffe sind land- und forstwirtschaftlich erzeugte Produkte (z. B. Holz, Raps, Stroh), die einer Verwendung im Nichtnahrungsbereich zugeführt werden. Im Jahr 2003 wurden auf etwa 8 % der landwirtschaftlich genutzten Fläche derartige Pflanzen angebaut. Verwendung finden sie z. B. als Dämmstoffe, Schmierstoffe und Hydraulikflüssigkeiten oder als Arzneimittel. Die häufigste Anwendung ist jedoch der Ersatz oder Zusatz von erdölbasierten Kraftstoffen für Automobile oder die Verbrennung in Heizkraftwerken. Der entscheidende Vorteil von nachwachsenden Rohstoffen im Vergleich zu fossilen Rohstoffen ist, dass sie regenerativ sind, d.h. schnell nachwachsen bzw. neu angebaut werden können. Damit geht die CO 2 -Neutralität bei der Verbrennung einher, denn dabei wird nie mehr Kohlendioxid freigegeben, als vorher von der Pflanze gebunden wurde. Raps Raps ist eine der wichtigsten Ölfrüchte in Deutschland, da es unter unseren Klimabedingungen die höchste Ölmenge pro Hektar liefert. Rapsöl kann nach chemischer Aufbereitung (Veresterung/Umesterung) in geeigneten Motoren als Treibstoff (Biodiesel) verwendet werden. Ökologisch sinnvoller ist die Verwendung von kaltgepresstem Rapsöl, welches in umgerüsteten Motoren oder in Mischung / Doppelbetrieb mit Diesel verwendet werden kann. Der größte Teil des Raps aber wird bisher bei der Nahrungsmittelproduktion (Speiseöl, Margarine) eingesetzt oder dient als Viehfutter. Biodiesel Biodiesel kann aufgrund seiner Verbrennungseigenschaften in allen herkömmlichen Dieselmotoren eingesetzt werden. Auch eine wechselseitige Betankung mit fossilem Diesel ist möglich. Mittlerweile gibt es eine Vielzahl von Fahrzeugherstellern, die Biodiesel freigegeben haben. Da Biodiesel sich chemisch anders zu Kunststoffen verhält als fossiler Dieselkraftstoff, müssen die im Kraftstoffsystem eingebauten Leitungen und Dichtungen aus biodieselresistenten Stoffen hergestellt werden. (Das Gleiche gilt im übrigen für Lagerbehälter für Biodiesel). Herstellung und Qualität Um aus Pflanzenöl Biodiesel herzustellen, ist die chemische Behandlung unter Zuhilfenahme von Alkohol notwendig. Nebenprodukt der Biodieselgewinnung ist Glycerin. Für den störungsfreien Motorbetrieb ist es erforderlich, dass der biogene Treibstoff Mindestqualitätseigenschaften besitzt (DIN E 51 606). Die chemische Struktur von Biodiesel begünstigt eine vergleichsweise schadstoffarme Verbrennung, insbesondere betrifft dies die Partikelemissionen. Der Einsatz eines Oxidationskatalysators führt zu einer weiteren Verbesserung der Emissionswerte. Einsatzgebiete von Biodiesel Biodiesel wird eingesetzt im innerstädtischen Verkehr (Taxi, MVV), im privaten Personenverkehr und in Wasserschutzgebieten (Forstwirtschaft, Trinkwassergewinnung). Biodiesel hat mittlerweile für Dieselkraftstoffe einen Marktanteil von etwa 1,5% erreicht. Energieerzeugung Als Biomasse zur Energieerzeugung kann vieles eingesetzt werden wie z.b. Holz, Stroh, Zucker- und Stärkepflanzen, Ölpflanzen, organische Reststoffe oder Bioabfall. Die klassische Form der Nutzung von Biomasse ist die Verbrennung z.b. zur Beheizung von Eigenheimen. Mit großen Anlagen, die z.b. Holzpellets oder -hackschnitzel verwenden, können mit der Kraft-Wärme-Kopplung große Gebäude beheizt und mit Strom versorgt werden. 3
Die Leistungen der Verbrennungsanlagen sind sehr unterschiedlich und können zwischen 1 kw (kleine Kaminöfen mit Pelletsbeheizung) bis zu 50 MW (Holz-Heizkraftwerk) liegen. Die Kosten für die Produktion von Wärme lagen in 2004 bei 1 bis 10 Cent pro kwh, für Strom zwischen 5 und 30 Cent [BMU: Erneuerbare Energie]. Bioabfälle wie z.b. Gülle können in Biogasanlagen zur Produktion von Gas als Brennstoff genutzt werden. Das Prinzip der Biogasanlage Die Anlagen basieren auf dem anaeroben Abbau von organischen Substanzen durch Bakterien, wobei Biogas mit Methan als brennbarem Anteil entsteht. Durch Verbrennung des Biogases in einem Motor kann ein Generator angetrieben werden, mit dem Strom produziert wird. Die Abwärme der Verbrennung kann sowohl als Heizwärme als auch zur Erwärmung des Fermenters dienen. Eine dritte Form der energetischen Nutzung von Biomasse ist die Herstellung von Treibstoffen wie Bioalkohol aus Zuckerpflanzen oder Biodiesel aus Raps. Die Wirtschaftlichkeit der Energiegewinnung aus Biomasse ist vor allem eine Frage der Preise für fossile Energieträger, mit denen die Bio-Brennstoffe konkurrieren müssen. 4
Wirtschaftlich lassen sich heutzutage vor allem Kraft-Wärme-Anlagen betreiben, die Holz als Brennstoff nutzen. Biogasanlagen, die z.b. Gülle aus der Viehhaltung nutzen, haben den besonderen Vorteil, dass in ihnen Abfälle verwertet und somit auch Entsorgungskosten eingespart werden. Die Pilotprojekte zur Nutzung eigens für die Biosprit- und Biodieselherstellung angebauter Energiepflanzen sind dagegen nur in Ausnahmefällen bereits wirtschaftlich. Biogene Brennstoffe zur Wärmeerzeugung stellen mit ca. 50% den größten Anteil der erneuerbaren Energien in Deutschland. Hierzu kommen noch ca. 6 % Biodiesel sowie ca. 6,2 % biogene Brennstoffe zur Erzeugung von Strom, so dass Biomasse ca. 62 % der erneuerbaren Energien bereitstellt. Der Anteil an der Wärmebereitstellung (Endenergieverbrauch, 2003) beläuft sich auf ca. 3,5%, der Anteil von Biodiesel am Endenergieverbrauch des Verkehrs auf ca. 0,9%. Die installierte Leistung von Anlagen zur Nutzung der Biomasse zur Stromerzeugung betrug in 2004 über 1.000 MW. Biomasse - Verbrennungsanlagen Das Spektrum an Verbrennungsanlagen ist äußerst vielfältig. Es reicht vom einfachen Kachelofen oder der Pelletsheizung bis zur vollautomatischen Holzhackschnitzelfeuerung. Die möglichen Einteilungen der Anlagentypen folgen sehr verschiedenen Kriterien. Neben der Anlagengröße sind dies die eingesetzten Brennstoffe, das Beschickungssystem oder die Feuerungstechnik. Die folgende Tabelle gibt die Einteilung nach Anlagengrößen wieder: 1. Kleinstanlagen < 15 kw 2. Kleinanlagen 15 kw - 1 MW 3. mittlere Anlagen 1 MW - 50 MW 4. Großanlagen > 50 MW Hinsichtlich der Beschickungssysteme wird zwischen kontinuierlich und absetzig arbeitenden Anlagen sowie zwischen automatischen und händischen Beschickungen unterschieden. Hinsichtlich der Feuerungstechnik sind zur Zeit Anlagen üblich, die mit Unterschub-, Treppenrost-, Schrägrost-, Vorschubrost-, Wirbelschicht-, Stocker-, Vorofen-, Einblas-, Schacht-, Durchbrand-, Unterbrand- oder Frontalabbrandfeuerung arbeiten. Verbrennungsanlagen bestehen in der Regel aus den nachfolgenden Anlagenkomponenten: Brennstofflager Brennstoffzuführung (Schnecke, Förderband, Kratzboden, Trogförderer, pneumatische Förderung) Transportschnecke Kessel Luftregelung mit Lambda-Sonde (Primärluft- und Sekundärluftsystem) Katalysator Rauchgasreinigung (Staubabscheider/Zyklon, Filter, Entstickung) Entaschungsvorrichtung Wärmetauscher 5