Rohstoffe für Bioenergie

Für die Erzeugung von Bioenergie werden nachwachsende Rohstoffe verwendet: Holz, Schilf, Stroh sowie Reststoffe anderer organischer Substanzen. Sie werden verbrannt, die so freigesetzte Energie wird in Biomasseheizwerken in Wärme, in Biomasseheizkraftwerken in Wärme und nutzbare Energie umgewandelt und dem Stromkreislauf zugeführt. Andere biologische Rohstoffe, wie Bioethanol oder Biogas, werden als Treibstoff für Motoren verwendet und treiben Fahrzeuge an -die Verbrennung dieser Kraftstoffe setzt wesentlich weniger CO2 frei als die Verbrennung von Benzin und Diesel.

Biomasse ist eine immer und überall verfügbare Energiequelle, da die Verbrennungsmaterialien äußerst vielfältig sind. Zurzeit macht sie rund fünf Prozent des gesamten Energiebedarfs am Wärmemarkt aus – damit liefert Biomasse 90 Prozent der Wärme aus regenerativen Energien. Einen großen Teil davon machen Pellet-Heizungen in Eigenheimen aus, die das Haus mit Wärme versorgen. 2005 erzeugten Biomasseheizkraftwerke 13,1 Millionen Kilowattstunden an Bioenergie – und damit 2,2 Prozent des gesamten Strombedarfs.

Kritik an Bioenergie

Einige der regenerativen Rohstoffe, die für Bioenergie verwendet werden, stehen  in der Kritik. Wird Bioenergie aus der Verbrennung von Getreide, Holz oder anderen Pflanzen gewonnen, müssen diese zunächst angebaut werden – auf Flächen, auf denen auch Nahrungsmittel geerntet werden könnten. Der großflächige Anbau von Raps und Mais zur Gewinnung von Biokraftstoffen gefährdet zudem die Biodiversität, die Unterschiedlichkeit der Ökosysteme. Die nachhaltigste Ökobilanz weist Bioenergie daher auf, wenn bereits vorhandene Ressourcen genutzt werden.

Eine der bedeutendsten regenerativen Energiequellen

Als regenerative Energie kommt der Wasserkraft eine große Bedeutung zu: Im Jahr 2008 wurden bereits 15,8 Prozent der weltweit genutzten Energie in Wasserkraftwerken gewonnen – damit hatte die Wasserkraft einen größeren Anteil an der globalen Energieversorgung als die Atomenergie mit 13,4 Prozent. Wachstumspotenzial sehen Experten für die Wasserkraft vor allem in Ländern der Dritten Welt; in Europa erscheint ein Ausbau von Wasserkraftwerken problematischer.

Grundsätzliche Funktionsweise eines Wasserkraftwerks

Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Bewegungsenergie des Wassers in für den Menschen nutzbare Energie umzuwandeln. In der Regel wird das Wasser dabei über Turbinen geleitet, welche die Energie umwandeln. Dabei kommen verschiedene Typen von Turbinen zum Einsatz, je nach Fallhöhe und Wassermenge. Überdruckturbinen werden vor allem bei niedriger Fallhöhe und großen Wassermengen verwendet. Gleichdruckturbinen werden bei größerer Fallhöhe und einem kleineren Wasserstrahl verwendet. Das Wasser trifft dabei auf Schaufelrädern auf, die an die alten Mühlräder erinnern. Neben der kinetischen Energie, der Bewegungsenergie, nutzen die Überdruckturbinen auch die potenzielle Energie des Wassers, die Energie seiner Beschleunigung. Die Turbinen setzen sich durch die Wasserkraft in Bewegung, wandeln die kinetische und potenzielle Energie des Wassers in mechanische Energie um und leiten diese an einen Generator weiter, der sie schließlich der Nutzung zugänglich macht.

Windkraft in mechanische Energie umwandeln

Schon seit frühester Zeit versuchen die Menschen, sich die Energie des Windes zunutze zu machen. Windmühlen sind vielerorts ein Zeichen dafür. Die kräftigen Windräder trieben die Mühlsteine an und halfen so dabei, Mehl zu mahlen. Dabei wurde die Windkraft in mechanische Energie umgewandelt. Auf diese Weise war die Windenergie aber nur lokal begrenzt von Nutzen; sie konnte nicht auf längeren Wegen transportiert werden. Das versucht man mit heutigen Windkraftwerken zu erreichen.

Die großen Rotoren der Windräder erzeugen aus der kinetischen Energie mechanische Energie und leiten sie zum einem Generator, welche die Energie in das Stromnetz einspeist. Da der Wind nicht dauerhaft mit gleicher Stärke weht, kommt es zu Ungleichmäßigkeiten in der Stromversorgung. Diese Ungleichmäßigkeiten können durch verschiedene Methoden ausgeglichen werden. Eine Möglichkeit ist das Demand Side Management: In windarmen Zeiten werden nicht zwingend notwendige Verbraucher abgeschaltet. Zurzeit wird zudem noch an der Entwicklung von Pumpspeicherwerken gearbeitet, welche die gerade nicht benötigte Energie aus sehr windigen Zeiten speichern und an windarmen Tagen wieder abgeben sollen.

Windenergie könnte den Weltenergiebedarf decken

Gelingt es, alle verfügbare Windenergie nutzbar zu machen, könnte der Weltenergiebedarf allein durch Windkraft gedeckt werden. Eine Studie der Harvard Universität von 2009 berechnet, dass sogar das 40fache des gegenwärtigen Energiebedarfs und das fünffache des globalen Energiebedarfs gedeckt werden kann. Das Max -Planck-Institut stellte in einer eigene Studie fest, dass der Windkraft bis zu 38 Terrawatt mechanischer Energie entnommen werden könnten – was dem Weltenergiebedarf entspräche.

Heizen mit nachwachsenden Rohstoffen

Die Umrüstung von einer Öl- oder Gasheizung auf einen Brenner für Holzpellets kostet erst einmal. Die Pellets selbst sind allerdings wesentlich günstiger als fossile Brennstoffe oder Gas. Die Kosten für den Brenner haben sich daher in einigen Jahren amortisiert. Die Umrüstung wird zudem vom Umwelt-Bundesministerium gefördert, mit mindestens 2.000 bzw. 2.500 Euro, je nach dem, ob der Brenner ohne oder mit einem Pufferspeicher eingebaut wird. Gerade in Zeiten steigender Öl- und Gaspreise wird die Pelletheizung so für viele Hausbesitzen attraktiv. Zudem ist die Pelletheizung wesentlich umweltfreundlicher und nachhaltiger, da sie eben mit regenerativen Rohstoffen arbeitet. Während Öl irgendwann einmal aufgebraucht sein wird und auch Gas nicht unbegrenzt zur Verfügung steht, wachsen Holz und Stroh immer wieder nach – für Nachschub für die private Wärmeversorgung ist also gesorgt. Holzpellets verbrennen komplett CO2-neutral: Die Menge an CO2, die bei der Verbrennung frei gesetzt wird, entspricht der Menge, die beim Wachstum des Holzes dort eingelagert wurde. Pellets haben damit eine sehr gute Ökobilanz.

Die Heizkraft von Pellets

Um die Heizkraft eines halben Liters Heizöl zu erreichen, muss ein Kilogramm Holzpellets verbrannt werden. Die Pellets haben damit einen Heizwert von 5 kWh/kg. Verwendung finden traditioneller Weise Sägespäne, in den letzten Jahren aber auch zunehmen Holzarten, wie sie für die Papiererstellung genutzt werden. Das sind zum Beispiel Waldrestholz, Holzhackschnitzel und Stammholz, also Holz von geringer Qualität, das für andere Zwecke kaum verwendet werden kann.

Wärme aus dem Erdreich nutzen

Allein mit der Energie, die in den ersten drei Kilometern der Erdschicht gespeichert ist, könnte rechnerisch der globale Energiebedarf für die nächsten 10.000 Jahre gedeckt werden. Jedoch kann nicht die gesamte Energie tatsächlich auch nutzbar gemacht werden; zudem sind die Folgen unklar, wenn man wirklich die gesamte Erdwärme zur Energiegewinnung nutzen würde.

Die Geothermie kann sowohl direkt, als auch indirekt genutzt werden. Bei der direkten Nutzung dient die Erdwärme der Beheizung, die Wärme muss also nicht weiter umgewandelt werden. Dies ist heute noch die häufigste Nutzungsart. Mittels einer Sonde oder eines Kollektors wird der Erdkruste die Wärme entzogen und für den Haushalt nutzbar gemacht. Die Sonde wird in etwa 100 Meter Tiefe hinabgelassen; der Kollektor kann dagegen schon in einem Meter Tiefe die nötige Wärme gewinnen. In einer Wärmepumpenanlage werden die Temperaturen zu höheren Temperaturen verdichtet. Dafür muss Strom eingesetzt werden – doch eine kWh Strom, die dazu verwendet wird, liefert drei bs fünf kWh Erdwärme. Die so gewonnene Geothermie kann sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen genutzt werden.

Strom aus Erdwärme

Soll die Geothermie indirekt als Strom Verwendung finden, muss sie mittels eines Geothermiekraftwerkes umgewandelt werden. Das kann mittels einer hydrothermalen Energiegewinnung stattfinden, für die heiße Thermalquellen genutzt werden. Das verdampfende Wasser treibt eine Turbine an – auf diese Weise entsteht mechanische Energie, die mittels eines Generators für die Einspeisung ins Stromnetz aufbereitet wird. Die Stromgewinnung aus Geothermie spielt noch eine untergeordnete Rolle, Prognosen versprechen aber, dass sie in Zukunft an Bedeutung gewinnt.

Rohstoffe für das Biomasseheizkraftwerk

Der Betrieb von Biomasseheizkraftwerken ist besonders umweltfreundlich, da sie komplett ohne den Einsatz fossiler Brennstoffe – wie Kohle oder Erdöl – und ohne radioaktives Material funktionieren. Sie verbrennen stattdessen nachwachsende Rohstoffe und Abfallprodukte. Am häufigsten kommt dabei Holz zum Einsatz, Getreide und Stroh werden ebenfalls eingesetzt, genauso Schilf oder sogar Obstkerne. Bioethanol und Biodiesel sind ebenso geeignet, finden aber eher in Motoren Verwendung. Beim Einsatz von Holz dürfen nur unbehandelte Hölzer genutzt werden, Biomasseheizkraftwerke mit spezieller Abgasreinigung dürfen aber auch imprägnierte und lackierte Hölzer verbrennen.

Wie funktioniert ein Biomasseheizkraftwerk?

Im Biomasseheizkraftwerk wird die angelieferte Biomasse zunächst von nicht brennbaren Abfallprodukten gereinigt. Anschließend werden die regenerativen Materialien in einem Brennofen verbrannt – demselben Prinzip folgen auch Kohle- und Ölkraftwerke. Die Wärme, die während dieser Verbrennung freigesetzt wird, erhitzt das Wasser in einem Dampfkessen auf sehr hohe Temperaturen von bis zu 450 Grad. Durch die Hitze steigt der Druck im Dampfkessel, Dampf entweicht und betreibt eine Turbine. Die Turbine wiederum ist an einen Generator gekoppelt, welcher die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt.

Auf diese Weise können bis zu 30 Prozent, teilweise auch bis zu 37 Prozent der Bioenergie tatsächlich als Energie genutzt werden. Die restlichen 70 Prozent der Energie gehen als Wärme verloren – werden beim Biomasseheizkraftwerk allerdings aufgefangen und als Nutzwärme an Haushalte oder Fabriken weitergeleitet. Auf diese Weise können noch einmal zusätzliche 85 Prozent der Bioenergie sinnvoll genutzt werden.

Biomasse zu Energieträgern verarbeiten

Aus Holz oder Stroh wird so zum Beispiel Bioethanol gewonnen, der auf umweltfreundliche Weise Fahrzeuge antreibt. Aus herkömmlichen Speiseresten lässt sich Biogas produzieren. Und aus Kuhmist wird entweder Gülle, die das Gemüse auf Feldern düngt, oder sie wird zu Pellets verarbeitet, mit denen eine umweltfreundliche Wärmepumpe Energie erzeugt.  Das Biomassen Management bemüht sich nun darum, für den Umwandlungsprozess möglichst umweltverträgliche Maßnahmen zu finden, im besten Falle CO2-neutral, wenigstens aber unter Freisetzung von so wenig CO2 wie möglich.

Verfahren des Biomassen Managements

Das einfachste der verschiedenen Verfahren zum Biomasse Management ist die Gärung. Diesen Prozess kann man in vielen Gärten beobachten: Aus einfachem Kompost entsteht durch die Gärung neuer Humus. Bei der Gärung entstehen zudem Biogas und Ethanol; diese Stoffe auch gewinnbringend zu nutzen, gestaltet sich allerdings schwierig und energieaufwendig. Bei der Gärung geht daher viel Energie verloren: Nur drei bis fünf Prozent der in den Pflanzen gespeicherten Energie kann genutzt werden.

Das Biomassen Management ist daher gefragt, nachhaltigere Wege der Energiegewinnung zu entwickeln. Eine Möglichkeit ist die Polyrese. Dabei gelangt die Biomasse in einen abgeschlossenen Behälter und wird ohne Sauerstoffzufuhr auf über 500 Grad Celsius erhitzt. Die dabei gespaltenen Moleküle lassen sich als Energiequelle nutzen. Noch effizienter ist die hydrothermische Karbonisierung. Die Biomasse wird bei diesem Verfahren in einem Druckbehälter zusammen mit Wasser und einem Katalysator bei 180 Grad erhitzt. Durch diesen Prozess wird aus der Biomasse Braunkohle, die für die Energiegewinnung weiterverwendet werden kann.