Bioenergie

Ein Blockheizkraftwerk, das Holz nutzt, um 30.000 Haushalte in Frankreich mit Bioenergie als erneuerbarer Energiequelle zu versorgen.

Zuckerrohrplantage zur Ethanolproduktion für die Bioenergieerzeugung in Brasilien

Bioenergie ist eine Form erneuerbarer Energie , die aus Pflanzen und Tieren gewonnen wird. ^{[ 1 ]} Die als Ausgangsmaterial verwendete Biomasse besteht aus kürzlich lebenden (aber nun abgestorbenen) Organismen, hauptsächlich Pflanzen. ^{[ 2 ]} Fossile Brennstoffe zählen daher gemäß dieser Definition nicht zur Biomasse. Zu den häufig für Bioenergie genutzten Biomassearten gehören Holz, Nahrungspflanzen wie Mais, Energiepflanzen und Abfälle aus Wäldern, Gärten oder landwirtschaftlichen Betrieben. ^{[ 3 ]} Bioenergie kann sich auch auf Strom beziehen, der durch die Photosynthese lebender Organismen erzeugt wird, typischerweise mithilfe von mikrobiellen Brennstoffzellen und biologischer Photovoltaik .

Bioenergie kann zur Eindämmung des Klimawandels beitragen, doch in manchen Fällen kann die erforderliche Biomasseproduktion die Treibhausgasemissionen erhöhen oder zu lokalem Biodiversitätsverlust führen . Die Umweltauswirkungen der Biomasseproduktion können problematisch sein, je nachdem, wie die Biomasse erzeugt und geerntet wird. Dennoch entsteht CO₂ _, solange die Energie durch das Aufbrechen chemischer Bindungen gewonnen wird. ^{[ 4 ]}

Das IEA -Szenario „Netto-Null bis 2050“ sieht vor, dass traditionelle Bioenergie bis 2030 schrittweise ersetzt wird. Der Anteil moderner Bioenergie soll von 6,6 % im Jahr 2020 auf 13,1 % im Jahr 2030 und 18,7 % im Jahr 2050 steigen. ^{[ 5 ]} Bioenergie birgt ein erhebliches Potenzial zur Minderung des Klimawandels, sofern sie korrekt eingesetzt wird. ^{[ 6 ] : 637} Die meisten empfohlenen Wege zur Begrenzung der globalen Erwärmung beinhalten substanzielle Beiträge aus Bioenergie im Jahr 2050 (durchschnittlich 200 EJ). ^{[ 7 ] : B 7.4}

Der Sechste Sachstandsbericht des IPCC definiert Bioenergie als „Energie, die aus jeglicher Form von Biomasse oder deren Stoffwechselprodukten gewonnen wird“ ^{[ 8 ] : 1795.} Weiterhin wird Biomasse in diesem Zusammenhang als „organisches Material, ausgenommen fossilisiertes oder in geologischen Formationen eingebettetes Material“ definiert ^{[ 8 ] : 1795.} Dies bedeutet, dass Kohle oder andere fossile Brennstoffe in diesem Kontext keine Form von Biomasse darstellen.

Der Begriff „traditionelle Biomasse für Bioenergie“ bezeichnet „die Verbrennung von Holz, Holzkohle, landwirtschaftlichen Reststoffen und/oder Tiermist zum Kochen oder Heizen in offenen Feuern oder in ineffizienten Öfen , wie sie in einkommensschwachen Ländern üblich ist “. ^{[ 8 ] : 1796}

Da Biomasse auch direkt als Brennstoff genutzt werden kann (z. B. Holzscheite), wurden die Begriffe Biomasse und Biokraftstoff mitunter synonym verwendet. Der Begriff Biomasse bezeichnet jedoch üblicherweise den biologischen Rohstoff, aus dem der Brennstoff hergestellt wird. Die Begriffe Biokraftstoff bzw. Biogas sind im Allgemeinen flüssigen bzw. gasförmigen Brennstoffen vorbehalten. ^{[ 9 ]}

Holz und Holzreste stellen heute die größte Biomasse-Energiequelle dar. Holz kann direkt als Brennstoff verwendet oder zu Pellets oder anderen Brennstoffformen verarbeitet werden. Auch andere Pflanzen wie Mais , Rutenhirse , Miscanthus und Bambus eignen sich als Brennstoff . ^{[ 10 ]} Die wichtigsten Abfallrohstoffe sind Holzabfälle, landwirtschaftliche Abfälle , Siedlungsabfälle und Industrieabfälle . Die Aufwertung von Rohbiomasse zu höherwertigen Brennstoffen kann durch verschiedene Verfahren erfolgen, die sich grob in thermische, chemische und biochemische Verfahren unterteilen lassen.

Thermische Umwandlungsverfahren nutzen Wärme als dominierenden Mechanismus, um Biomasse in einen besseren und praktischeren Brennstoff umzuwandeln. Die grundlegenden Alternativen sind Torrefizierung , Pyrolyse und Vergasung . Diese unterscheiden sich hauptsächlich dadurch, in welchem ​​Umfang die beteiligten chemischen Reaktionen ablaufen können (hauptsächlich gesteuert durch die Sauerstoffverfügbarkeit und die Umwandlungstemperatur). ^{[ 11 ]}

Viele chemische Umwandlungen basieren auf etablierten kohlebasierten Verfahren, wie beispielsweise der Fischer-Tropsch-Synthese . ^{[ 12 ]} Ähnlich wie Kohle kann auch Biomasse in verschiedene Basischemikalien umgewandelt werden. ^{[ 13 ]}

In der Natur haben sich biochemische Prozesse entwickelt, um die Moleküle der Biomasse abzubauen, und viele davon können genutzt werden. In den meisten Fällen werden Mikroorganismen für diese Umwandlung eingesetzt. Diese Prozesse werden als anaerobe Vergärung , Fermentation und Kompostierung bezeichnet . ^{[ 14 ]}

Biomasseheizsysteme erzeugen Wärme aus Biomasse . Zur Wärmeerzeugung können direkte Verbrennung , Vergasung , Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), anaerobe oder aerobe Vergärung genutzt werden . Biomasseheizungen können voll- oder halbautomatisiert sein, mit Pellets befeuert werden oder als Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen fungieren.

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Basierend auf der Art der Biomasse werden Biokraftstoffe grob in zwei Hauptkategorien eingeteilt, je nachdem, ob Nahrungspflanzen verwendet werden oder nicht: ^{[ 16 ].}

Biokraftstoffe der ersten Generation (oder „konventionelle“ Biokraftstoffe) werden aus Nahrungsmitteln hergestellt , die auf Ackerflächen angebaut werden, wie beispielsweise Zuckerrohr und Mais . Die in dieser Biomasse enthaltenen Zucker werden fermentiert, um Bioethanol zu gewinnen , einen Alkoholkraftstoff, der Benzin beigemischt oder in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung verwendet wird. Bioethanol wird durch Fermentation , hauptsächlich aus Kohlenhydraten, die in Zucker- oder Stärkepflanzen wie Mais , Zuckerrohr oder Sorghumhirse vorkommen, hergestellt . Bioethanol ist in den Vereinigten Staaten und in Brasilien weit verbreitet . Biodiesel wird aus den Ölen von beispielsweise Raps oder Zuckerrüben gewonnen und ist der gebräuchlichste Biokraftstoff in Europa.

Biokraftstoffe der zweiten Generation (auch „fortschrittliche Biokraftstoffe“ genannt) nutzen Biomassequellen, die nicht auf Nahrungsmitteln basieren, wie beispielsweise mehrjährige Energiepflanzen und landwirtschaftliche Reststoffe/Abfälle. Die zur Herstellung dieser Kraftstoffe verwendeten Rohstoffe wachsen entweder auf Ackerland als Nebenprodukte der Hauptanbaukultur oder werden auf Grenzertragsböden angebaut. Abfälle aus Industrie, Landwirtschaft, Forstwirtschaft und Haushalten können ebenfalls für Biokraftstoffe der zweiten Generation genutzt werden, beispielsweise durch anaerobe Vergärung zur Biogaserzeugung , Vergasung zur Synthesegaserzeugung oder durch direkte Verbrennung. Zellulosehaltige Biomasse aus nicht-nahrungsbasierten Quellen wie Bäumen und Gräsern wird als Rohstoff für die Ethanolproduktion entwickelt, und Biodiesel kann aus Lebensmittelresten wie Pflanzenölen und tierischen Fetten hergestellt werden.

• Biomasse zu Flüssigkeit

• Biokonversion von Biomasse zu gemischten Alkoholkraftstoffen

Die Flächenleistungsdichte einer Kulturpflanze bestimmt den benötigten Landbedarf für ihre Produktion. Die durchschnittlichen Flächenleistungsdichten über den gesamten Lebenszyklus betragen für Biomasse, Wind, Wasserkraft und Solarenergie 0,30 W/m² ^, 1 W/m² ^, 3 W/m² ^bzw. 5 W/m² ⁽ Energie in Form von Wärme bei Biomasse und Strom bei Wind, Wasserkraft und Solarenergie). ^{[ 17 ]} Die Flächenleistungsdichte über den gesamten Lebenszyklus umfasst die Flächen, die für die gesamte Infrastruktur, die Produktion, den Abbau/die Ernte und die Stilllegung benötigt werden.

Eine andere Schätzung beziffert die Werte auf 0,08 W/m² ^für Biomasse, 0,14 W/m² ^für Wasserkraft, 1,84 W/ ^m² für Windkraft und 6,63 W/m² ^für Solarenergie ( Medianwerte , wobei keine der erneuerbaren Energiequellen 10 W/m² überschreitet ⁾ . ^{[ 18 ]}

Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) können zur Abscheidung von Emissionen aus Bioenergiekraftwerken eingesetzt werden. Dieses Verfahren wird als Bioenergie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (BECCS) bezeichnet und kann zu einer Nettoentnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre führen. BECCS kann jedoch, abhängig von Anbau, Ernte und Transport der Biomasse, auch zu positiven Nettoemissionen führen. Der Einsatz von BECCS in den in einigen Klimaschutzszenarien beschriebenen Größenordnungen würde die Umwandlung großer Ackerflächen erfordern. ^{[ 19 ]}

Bei der Bioenergie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (BECCS) wird Bioenergie aus Biomasse gewonnen und das dabei entstehende Kohlendioxid (CO2) abgeschieden und gespeichert _.

Die Treibhausgasemissionen aus Bioenergie können gering sein, da nach der Ernte von Bioenergiepflanzen neue Pflanzen nachwachsen, die durch Photosynthese _CO₂ aus der Luft aufnehmen . ^{[ 21 ]} Nach der Biomasseernte wird die Energie („Bioenergie“) in nutzbaren Formen (Strom, Wärme, Biokraftstoffe usw.) gewonnen, indem die Biomasse durch Verbrennung, Fermentation, Pyrolyse oder andere Umwandlungsverfahren genutzt wird. ^{[ 22 ]} Die Nutzung von Bioenergie setzt CO₂ frei _. Bei BECCS wird ein Teil des CO₂ abgeschieden, _bevor es in die Atmosphäre gelangt, und mithilfe von CO₂-Abscheidung und -Speicherung unterirdisch gespeichert . ^{[ 23 ]} Unter bestimmten Bedingungen kann BECCS Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernen. ^{[ 23 ]}

Das Potenzial für negative Emissionen aus BECCS wurde auf null bis 22 Gigatonnen pro Jahr geschätzt . [ ^{24 ]} Stand 2024 sind weltweit drei großtechnische BECCS-Projekte in Betrieb. ^{[ 25 ]} Der breite Einsatz von BECCS wird durch die Kosten und die Verfügbarkeit von Biomasse eingeschränkt. ^{[ 26 ] [ 27 ] Da die} Biomasseproduktion flächenintensiv ist, kann der Einsatz von BECCS erhebliche Risiken für die Nahrungsmittelproduktion, die Menschenrechte und die Biodiversität bergen. ^{[ 28 ]}

Bioenergie kann die Treibhausgasemissionen entweder verringern oder erhöhen . Lokale Umweltauswirkungen können problematisch sein. Beispielsweise werden manchmal Wälder für die Produktion von aus Zuckerrohr gewonnenem Bioethanol gerodet , wie im Fall eines Großprojekts in Indonesien im Jahr 2025. ^{[ 41 ]}

Die Biomasseproduktion kann an den Produktionsstandorten erheblichen sozialen und ökologischen Druck ausüben. ^{[ 42 ]} Dieser Druck ist primär auf die geringe Leistungsdichte von Biomasse zurückzuführen. Aufgrund dieser geringen Leistungsdichte werden deutlich größere Landflächen benötigt, um die gleiche Energiemenge wie beispielsweise bei fossilen Brennstoffen zu erzeugen . ^{[ 43 ]}

Der Ferntransport von Biomasse wurde als verschwenderisch und nicht nachhaltig kritisiert ^{[ 44 ]} , und es gab Proteste gegen den Export von Waldbiomasse in Schweden ^{[ 45 ]} und Kanada ^{[ 46 ] .}

Im Jahr 2020 wurden weltweit 58 EJ ( Exajoule ) Bioenergie erzeugt, verglichen mit 172 EJ aus Erdöl , 157 EJ aus Kohle, 138 EJ aus Erdgas , 29 EJ aus Kernenergie, 16 EJ aus Wasserkraft und 15 EJ aus Wind- , Solar- und Geothermie zusammen. ^{[ 47 ]} Der größte Teil der globalen Bioenergie wird aus Waldressourcen gewonnen. ^{[ 48 ] : 3 [ 49 ] : 1}

Generell ging der Ausbau der Bioenergie im Jahr 2020 um 50 % zurück. China und Europa sind die einzigen beiden Regionen, die 2020 einen signifikanten Ausbau verzeichneten und dabei 2 GW bzw. 1,2 GW an Bioenergiekapazität hinzuerhielten. ^{[ 50 ]}

Nahezu alle verfügbaren Sägewerksreste werden bereits zur Pelletproduktion genutzt, sodass kein Raum für eine Erweiterung besteht. Für ein signifikantes Wachstum des Bioenergiesektors in der Zukunft muss ein größerer Anteil des geernteten Zellstoffholzes in Pelletieranlagen verarbeitet werden. Die Zellstoffholzernte (Durchforstung) verhindert jedoch, dass die Bäume alt werden und somit ihre Kohlenstoffspeicherkapazität maximieren können. ^{[ 51 ] : 19} Im Vergleich zu Zellstoffholz weisen Sägewerksreste geringere Nettoemissionen auf: „Bestimmte Biomasse-Rohstoffe können, zumindest über einen Zeitraum von einigen Jahren, klimaneutral sein, insbesondere Sägewerksreste. Dabei handelt es sich um Abfälle aus anderen forstwirtschaftlichen Tätigkeiten, die keine zusätzliche Holzernte erfordern und die, wenn sie verbrannt oder dem Verrotten überlassen würden, ohnehin Kohlenstoff in die Atmosphäre freisetzen würden.“ ^{[ 51 ] : 68}