Biogener Brennstoff

Brennholz, der klassische Biobrennstoff

Biogene Brennstoffe (oft kurz als Biobrennstoff bezeichnet) sind Brennstoffe biogener, d. h. biologisch-organischer Herkunft. Sie sind Teil der Biomasse und enthalten 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 (Bioenergie) wieder freigesetzt werden.

Biogene Brennstoffe sind in Herkunft, Aufbereitung und Nutzung vielfältig. Sie können als Brennholz in naturnahen Wäldern gesammelt oder gezielt auf landwirtschaftlichen Flächen im Intensivanbau als sogenannte Energiepflanzen erzeugt werden.

Einige Biobrennstoffe können ohne oder mit nur geringem Aufwand (Trocknung) genutzt werden. Andere benötigen eine aufwändige Verarbeitung (durch Zerkleinern, Pressen, Extrahieren, Umestern, Vergären oder Destillieren). Eine Nutzung als Brennstoff (Heizstoff) zur Wärmebereitstellung (im Kamin, Ofen, Heizung) oder Stromerzeugung (je nach Brennstoff, im Biomasseheizwerk oder Biomasseheizkraftwerk oder im Blockheizkraftwerk (BHKW) einer Biogasanlage) ist möglich. Flüssige biogene Brennstoffe (Pflanzenöl, Biodiesel, Bioethanol) werden vorwiegend als Biokraftstoff auch in Fahrzeugen eingesetzt. Biogene Brenngase werden meist für die Strom- und Wärmeerzeugung genutzt.

Herkunft

Holzpellets

Ernte von Energieholz in einer Kurzumtriebsplantage

Rapsfelder, Raps ist in Deutschland eine bedeutende Ölpflanze

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.

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.

intensiver landwirtschaftlicher Anbau

Durch eine landwirtschaftliche Produktion von einjährigen Pflanzen können 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 für Biogasanlagen zur Erzeugung von Biogas.

Landwirtschaftliche Nebenprodukte, die als Abfälle energetisch verwendet werden können, Getreidestroh (siehe dazu auch Strohpellets), 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, beispielsweise aus Olivenkernen und Olivenpresstrester, Kokosnussschalen und Ölpalmenkernen, erzeugt.

forstwirtschaftliche Haupt- und 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. Die Gewinnung von Zucker aus Zuckerrohr hinterlässt energetisch nutzbare Bagasse. So fallen bei vielen Verarbeitungsprozessen organische Reststoffe an, die durch Verbrennung oder durch Vergärung zu Biogas genutzt werden können.

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 zur Erzeugung von Biogas 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

Biogene Brennstoffe kann man (genau wie die konventionellen Brennstoffe) einteilen, gemäß ihrem Aggregatzustand:

• fest,
• flüssig,
• gasförmig.

Mit dem jeweiligen Zustand korreliert meist auch die Art der Nutzung.

Biogene Festbrennstoffe

Biomasseheizkraftwerk Zolling (BRD)

Bioethanolfabrik in West Burlington, Iowa

Viele biogene Festbrennstoff können ohne aufwendige Aufbereitung (nur Trocknung, Zerkleinerung) genutzt werden, wie Holz (Scheitholz, Holzhackschnitzel), Stroh oder Bagasse. Teilweise erfolgt aber auch eine aufwendige Verarbeitung dieser Rohstoffe, um Produkte mit exakter definierten Eigenschaften (Abmessung, Energiegehalt, Aschegehalt) zu erhalten, wie Holz- und Strohpellets. In vielen Ländern sind Festbrennstoffe für die Bereitstellung von Wärme zum Kochen bedeutend. In Deutschland dienen sie vor allem der Wärmebereitstellung.

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. Die Gewinnung erfolgt aus fester Biomasse bzw. aus biogenen Festbrennstoffen.

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) eingesetzt (meist am Ort der Herstellung: Biogasanlagen, Deponien, Klärwerke). Nach einer sogenannten Biogasaufbereitung (insbesondere der Erhöhung des Methangehalts) kann man sie auch in das Erdgasnetz einspeisen. Eine Nutzung zur Wärmebereitstellung ist möglich. 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 Methanausbeute (CH₄ - bei der SNG-Erzeugung) bzw. der Wasserstoffausbeute (H₂ - bei der Biowasserstofferzeugung) produziert werden.

Bedeutung in Deutschland

Anteil an der Energieversorgung

Rund 70 % der 2008 in Deutschland genutzten erneuerbaren Energien wurden von den Bioenergien und damit von biogenen Brennstoffen gestellt. Sie macht damit rund 6,7 % (15,6 TWh) des deutschen Endenergiebedarfs (233 TWh) aus. Die Wärmebereitstellung machte rund 60 % der Bioenergie, die Kraftstoff- und Strombereitstellung rund 23 bzw. 17 % aus.

Förderung der biogenen Brennstoffe

Die Nutzung von biogenen Brennstoffen wird aus mehreren Gründen gefördert. So soll z. B. das Klima durch geringeren Treibhausgasausstoß geschützt, fossile Ressourcen geschont und die Abhängigkeit von Staaten mit großen Rohstoffvorkommen (z. B. Erdöl, Erdgas) verringert werden. Mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) wird die Stromerzeugung aus erneuerbare Energien, wie u. a. biogenen Brennstoffen, gefördert. Das Biokraftstoffquotengesetz (BioKraftQuG) legt eine Mindestbeimischungsmenge von Biokraftstoffen zu konventionellen Treibstoffen fest. Das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) fördert die Wärmebereitstellung unter anderem durch Bioenergien. Ähnliche Gesetze auf Basis der Erneuerbare-Energien-Richtlinie (EG) (EU-Richtlinie) gelten auch in den anderen EU-Staaten.

Vorteile, Nachteile, Nachhaltigkeit

Siehe auch: Bioenergie

Bei der Nutzung von Bioenergien treten Vor- und Nachteile auf, wie die Flächen- und Nutzungskonkurrenz zur Nahrungsmittelerzeugung und andere. Durch die Erneuerbare-Energien-Richtlinie (EG) bzw. entsprechende Umsetzungen in deutsches Recht, wie durch die Biomassestrom-Nachhaltigkeitsverordnung (BioSt-NachV) und die Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung (Biokraft-NachV), soll die Nachhaltigkeit sichergestellt werden.

Literatur

• Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer (Hrsg.): Energie aus Biomasse. Grundlagen, Techniken und Verfahren, Berlin / Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-85094-6.
• Martin Kaltschmitt, Wolfgang Streicher, Andreas Wiese (Hrsg.): Erneuerbare Energien. Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte. Springer Vieweg, Berlin / Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-03248-6.
• Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR): Leitfaden Bioenergie - Planung, Betrieb und Wirtschaftlichkeit von Bioenergieanlagen - Schwerpunkt biogene Festbrennstoffe, Gülzow 2005, 2. überarbeitete Auflage, ISBN 3000153896, als Online-Fassung

Weblinks

•  Commons: Biogene Brennstoffe – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien