Biomasse

Biomasse ist ein grundsätzlich organisches Material, welches durch lebende Organismen entsteht. Daher enthält sie Sauerstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und viele andere Elemente in kleineren Mengen. Die Bestandteile einzelner Komponenten hängen vom Ursprung der Biomasse ab und bestimmen die Möglichkeit der direkten Verwendung zu Energiezwecken oder der weiteren Verarbeitung. Fossile Brennstoffe bestehen jedoch auch aus organischen Stoffen. Ihre Energiedichte ist höher und es ist leichter, sie in flüssige oder gasförmige Brennstoffe verarbeiten.

Warum sollte man Biomasse verwenden?

Die Vorteile der Nutzung von Biomasse zu Energiezwecken gegenüber fossilen Brennstoffen lassen sich in drei Hauptgruppen einteilen:

Umwelttechnische Vorteile

Die Verwendung fossiler Brennstoffe führt zu einer Rückführung von Kohlenstoff und anderen Schadstoffen, die sich vor Millionen von Jahren der Atmosphäre entzogen wurden. “CO2 aus der Verbrennung von Biomasse oder Biotreibstoffen wurde hingegen kurzfristig vorher von den Pflanzen aufgenommen. Indem wir Biomasse verwenden, können wir eine. „CO2-neutrale Verbrennung“ erreichen, jedoch nur, wenn wir nur so viel Biomasse pflanzen, wie wir für Energiezwecke benötigen (das Abholzen von Wäldern zählt nicht). Es ist auch möglich, organische Abfälle in nutzbare Brennstoffe umzuwandeln.

Energieunabhängigkeit

Die Ressourcen für fossile Brennstoffe – insbesondere für Öl und Gas – sind ungleich über den Erdball verteilt und ihre Reserven erschöpfen sich allmählich. Der immer weiter steigende Bedarf an Energie lässt die Brennstoffpreise steigen und kann in einzelnen Ländern auf Dauer zu einem Mangel an Reserven führen. Die Produktion und Nutzung von Biomasse hingegen ist fast überall in der Welt möglich. Daher könnten viele Länder durch die Nutzung von Biomasse eine stärkere Energieunabhängigkeit erlangen.

Wirtschaftliche Vorteile

Regionen und Länder, die selbstproduzierte Biomasse anstelle von importierten fossilen Brennstoffen verwenden profitieren davon, da ihre Gelder im eigenen Haushalt bleiben. Daher kann die Nutzung von Biomasse als Energiequelle besonders für Farmer und die Landwirtschaft ein großer Vorteil sein.

Biomasse für Energiezwecke

Abhängig von der Region gibt es unterschiedliche Quellen für Biomasse und viele verschiedene Möglichkeiten, diese in Energie umzuwandeln. Die Quellen für Biomasse können in drei Gruppen eingeteilt werden:

  • Energiepflanzen
    • Niederwald mit Kurzumtrieb (z.B. Weiden, Pappeln)
    • Gräser und Energiepflanzen, die nicht aus Holz bestehen (z.B. Miscanthus)
  • Abfälle und Rückstände
    • trockene landwirtschaftliche Überreste (z.B. Stroh, Maisreste, Geflügelabfälle)
    • feuchte landwirtschaftliche Überreste (z.B. Tiermist und Stallmist, Grasilage)
    • Abfälle (z.B. Industrieabfall, Schlamm, Essensreste, Reste von Pflanzenöl)
  • Waldprodukte
    • Holz von Forstarbeiten

Methode der Umwandlung von Biomasse in Energie oder Brennstoff

Thermische Umwandlung

Durch thermochemische Umwandlung von Biomasse lassen sich Wärme, elektrischer Strom oder synthetische Brennstoffe erzeugen. Allgemein verwendete Technologien sind für diese Zwecke die direkte Verbrennung, thermale Vergasung und Zersetzung.

Die direkte Verbrennung von Biomasse ist die älteste bekannte Methode, um Wärme zu erzeugen. Seit der Entdeckung des Feuers hat sich die Menschheit bis heute stark weiterentwickelt und besitzt nun Technologien, die bequemere und effizientere Methoden ermöglichen als die Wärmeerzeugung durch ein einfaches Lagerfeuer. Um Haushalte, öffentliche Gebäude oder Stadtviertel mit Biomasse zu heizen, ist es am besten, Öfen und Kessel mit einem beschränkten Luftzug zu verwenden. So kann eine effektive und günstige Wärmeerzeugung ermöglicht werden. Um elektrischen Strom zu erzeugen, ist die Kombination mit Wärmeerzeugung in einem Kraftwerk am besten (Kraft-Wärme-Kopplung). Die Erzeugung von Energie in kleinem Maßstab ist generell ineffizient, da eine übermäßige Menge an zusätzlicher Wärme verbraucht wird.

Thermische Vergasung ist im Prinzip eine Teilverbrennung, bei welcher die thermische Zersetzung von Biomasse bei geringer Sauerstoff- oder Luftzufuhr stattfindet. Das Hauptziel dieses Prozesses ist es, Gas zu produzieren, das eine hohe Menge an verbrennbaren Gasen enthält (Methan, Kohlenwasserstoff, Wasserstoff). Das produzierte Gas kann man entweder in Boilern verbrennen, um Wärme zu erzeugen oder in Verbrennungsturbinen, um Elektrizität zu erzeugen. Seltener ist die Verwendung als Kraftstoff. Für bestimmte Arten von Biomasse wäre das die ökonomischste und effizienteste Methode der Energieerzeugung.

Pyrolyse ist ein Prozess der thermischen Zersetzung von Biomasse ohne Sauerstoff. Es handelt sich um einen endothermischen chemischen Prozess, bei welchem externe Hitze benötigt wird. Abhängig von den Bedingungen ist das Hauptprodukt Brenngas oder flüssiger Brennstoff (schnelle Pyrolyse). Die endgültigen Verwendungsmöglichkeiten sind denen der Vergasung sehr ähnlich.

Herstellung von Biogas

Biogas wird durch anaerobe Vergärung in einer Biogasanlage produziert. Während dieses Prozesses zerlegen Bakterien das organische Material. Dabei ist kein Sauerstoff vorhanden. Schließlich entsteht das Biogas, welches Methan enthält. Abhängig von den Bedingungen (Arten der Bakterien, der Biomasse u.a.) kann Biogas bis zu 75% Methan enthalten. Als ein Nebenprodukt entsteht zudem ein fester Rückstand, ähnlich wie Kompost, welcher als Düngemittel verwendet werden kann.

Herstellung von Biobrennstoffen

Biodiesel wird durch Umesterung erzeugt, eine Reaktion von Fettsäuren (Pflanzenöl oder Tierfett) mit Alkohol. Nach der Reaktion und der Trennung von dem Nebenprodukt Glycerin kann der Brennstoff direkt in einen Autotank gefüllt oder mit normalem Diesel gemischt werden. Chemischer Biodiesel ist eine Mischung aus Fettsäuremonoalkylestern aus überlangkettigen Fettsäuren. Die am weitesten verbreitete Herstellungsmethode ist ein Batchprozess bei niedriger Temperatur und Luftdruck und der Verwendung billigsten Alkoholmethanols (manchmal wird auch Ethanol und hochprozentigerer Alkohol verwendet) und einem Basenkatalysator. Alternativ hierzu gibt es eine katalysatorfreie Methode, für welche hohe Temperaturen und Druck nötig sind. Die Produktionskosten sind jedoch ähnlich oder niedriger als die Kosten für den katalytischen Batchprozess. Es gibt auch unübliche Methoden, Biodiesel herzustellen, indem man Ultraschall, Mikrowellen oder Enzyme verwendet.

Bioethanol entsteht durch alkoholische Gärung. Es ist der gleiche Prozess, der auch beim Brauen sowie in der Herstellung von Wein und Spirituosen verwendet wird. Bei einer konventionellen Gärung verwandelt die Hefe Stärke und zuckerreiche Biomasse direkt in Ethanol. Es ist möglich, von größeren Mengen verfügbarer Biomasse Gebrauch zu machen, indem man Säuren oder enzymatische Hydrolysen von Zellulose und Hemizellulose verwendet, um diese in gärfähigen Zucker umzuwandeln. Nach der Destillation kann man das Bioethanol bei einer Konzentration von 10% direkt konventionellem Petroleum hinzufügen. Die Konzentrationserhöhung kann durch eine Veränderung der Trägersubstanz oder eine Umwandlung des Bioethanols (z.B. Biobuthanol) erhöht werden.

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Mögliche Hindernisse

Der größte Nachteil thermisch umgewandelter Biomasse ist die geringe Energiedichte. Hinzu kommt, dass viele Formen von Biomasse einen hohen Gehalt an Feuchtigkeit besitzen und damit hydrophil sind. Daher benötigt man spezielle Hochöfen, Speicherplatz oder eine regelmäßige Lieferung an Biomasse.

In vielen Fällen sollte sich die Quelle der Biomasse in der Nähe der Nutzungsanlage (.z.B. Kraftwerk) befinden, um so die Transportkosten so gering wie möglich zu halten.

Die Verwendung landwirtschaftlicher Biomasse beinhaltet Risiken, wie der Einfluss der Wetterbedingungen auf die Produktmenge, die Qualität und den Preis.

Das größte Risiko, das durch die Verwendung von Biomasse aus Forstwirtschaft und Energiepflanzen entsteht, ist die Erschöpfung des Erdbodens und die Abholzung.