Wu:ackerflächen weltweit Energieproduktion
Aus BurkinaAt
Einleitung
Die Nutzung erneuerbarer Energieträger wird schon lange diskutiert, aber auch durchgeführt. Neben Wasserkraft, Windenergie, Photovoltaik und anderen bietet vor allem die Nutzung von Biomasse zahlreiche Möglichkeiten. Energie wird aus Biomasse gewonnen. Als Biomasse wird die auf der Erde vorhandene organische Substanz in lebenden, toten oder zersetzter Organismen bzw. deren Exkrementen bezeichnet. Biochemische Grundlage jeglicher Biomasse ist der Kohlenstoff. Alle Biomasse ist durch die von grünen Pflanzen gespeicherte Sonnenenergie entstanden, Tiere nehmen mit der Nahrung diese Energie auf und bilden die tierische Biomasse.[1]. "Die Biomasse wird in Primär- und Sekundärprodukte unterteilt, wobei erstere durch die direkte photosynthetische Ausnutzung von Sonnenenergie entstehen. Dies sind land- und forstwirtschaftliche Produkte aus dem Energiepflanzenanbau (Bäume, Energiegräser) oder pflanzliche Rückstände aus Land- und Forstwirtschaft und Industrie (Stroh, Rest-, Altholz). Sekundärprodukte sind all jene, die durch den Ab- oder Umbau der organischen Substanz entstehen (Gülle, Festmist, Klärschlamm, Haus- oder Industriemüll)" (Kaltschmitt, Reinhardt, 1997: 6).
In dieser Arbeit sollen allerdings nur jene Möglichkeiten untersucht werden, die auf Ackerflächen produziert werden können.
Forschungsfragen
Welche Möglichkeiten der Energieproduktion auf Ackerflächen gibt es und wie funktioniert die Energieproduktion?
Welche dieser Möglichkeiten ist verhältnismäßig besser in Bezug auf den Energieertrag/Hektar, Ertrag in t/Hektar, ...?
Welchen Beitrag zur weltweiten Energieproduktion können diese Möglichkeiten liefern (Zukunftsszenarien)?
Weltweite Ackerflächen
Größe/Verteilung der Acker- und Brachflächen
Die Erde hat eine Oberfläche von ca. 51 mrd ha. Davon sind 71% Meeresfläche (blau), 13% Eis, Sandwüsten und unfruchtbares Land (gelb), so dass noch 8,3 mrd ha (16%) produktive Landfläche übrig bleibt (grün), die vom Menschen genutzt werden kann.
Derzeit werden rund 12% der globalen Landfläche für Pflanzenproduktion genutzt. Darin sind Nahrungs-, Futterpflanzen und industrielle Produkte (bspw. Baumwolle). (Fischer, Günther In: Der Standard vom 10./11./12. Mai 2008: 17)
In km² ausgedrückt beträgt die gesamte Landfläche der Erde 148.000.000 km² (57 millionen Quadratmeilen), annähernd 31.000.000 km² (12 Millionen Quadratmeilen) sind fruchtbares Land; jedoch verlieren wir jährlich über 100.000 km² (38.610 Quadratmeilen) fruchtbares Land aufgrund von Abholzung und anderen Gründen. (Quelle: en.wikipedia.org/wiki/Arable_land)
Quelle: FAO
Diese Übersicht zeigt einen ungefähren Überblick über das fruchtbare Land der Erde. Wir sehen zuerst den Gesamtwert, dann die Berichtigungen um die geschützten Landflächen sowie die Siedlungsflächen, um zu den Netto-Flächen fruchtbaren Landes zu kommen.
Die letzten zwei Spalten zeigen das Land, das aktuell landwirtschaftlich genutzt wird und den Prozentsatz vom gesamten fruchtbaren Land.
Bei dieser Übersicht darf man allerdings nicht vergessen, dass abgesehen von Nationalparks und Siedlungen nicht jede potentiell fruchtbare Landfläche tatsächlich nutzbar ist. Faktoren wie Bodenbeschaffenheit, Zugriff zu Wasser aber auch die Frage, wie das Land aktuell beschaffen ist, sind zu berücksichtigen. Vor allem gibt es die Flächen der Regenwälder, die als potentiell nutzbares Land in der Statistik erfasst werden, die aber ohne Zweifel in ihrem aktuellen Bestand erhalten und geschützt werden sollten. Über die Hälfte der Fläche, die laut Statistik nicht landwirtschaftlich genutzt wird, obwohl es nutzbares Land wäre, wird von Wald bedeckt. (Vgl.: World Soil Resources Reports (2000): 38f)
Möglichkeiten der Energiegewinnung auf Ackerflächen
Weltweit wachsen jährlich rund 80 Mrd. Tonnen Biomasse nach, etwa zur Hälfte in Form von Holz. (Quelle: bioenergie-heidelberg) Biomasse-Energie ist Energie die aus verschiedenen Arten von Biomasse mit unterschiedlichen Verfahren gewonnen wird. In unserem Zusammenhang - welche Bioenergie kann auf Ackerfächen gewonnen werden - sollen folgende Verfahren genannt werden:
- Verbrennung (feste Energieträger)
- Alkoholische Gärung (flüssige Energieträger)
- Vergasung (gasförmige Energieträger)
Netzwerk Biomasse, Quelle: EEG TU Wien
Feste Bioenergieträger
Die Produktion von Biomasse und deren thermische Nutzung stellt einen zeitlich geschlossenen CO2-Kreislauf dar, da während der Wachstumsphase der Pflanzen der Luft die CO2-Menge entzogen wird, die bei der Verbrennung wieder freigesetzt wird. Eine Abschätzung der CO2-Bilanz zeigt, dass unter Berücksichtigung aller Aufwendungen für Brennstoffproduktion und Transport vergleichend zur Verbrennung von Steinkohle die CO2-Emissionen wesentlich gemindert werden können. Biomasse zur thermischen Nutzung weist sowohl ein beachtliches Potential als auch ein im Vergleich zu anderen regenerativen Energien günstiges Kostenniveau auf. Als mögliche Brennstoffe kommen sowohl Reststoffe aus Forst- und Landwirtschaft, wie Holz und Stroh, als auch speziell angebaute nachwachsende Rohstoffe wie Miscanthus Sinensis, Getreideganzpflanzen, Pappeln oder Weiden in Frage. [2]
Aufstellung des Energieertrages und der Direktkosten bei der thermischen Nutzung von Biomasse:
| Pflanzenart | Leistungen | Einheit | t/ha | GJ/ha | EUR/t | EUR/GJ | EUR/ha |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Miscanthus (Anpflanzjahr) | Quaderballen 1,2*0,9*2,2m | t | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 1.735,24 |
| Miscanthus (Erntejahr) | Quaderballen 1,2*0,9*2,2m | t | 18,80 | 264,70 | 8,62 | 0,61 | 161,99 |
| Pappeln (Anpflanzjahr) | Holzhackschnitzel, 45% TM | t | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 2.275,12 |
| Pappeln (Erntejahr) | Holzhackschnitzel, 70% TM | t | 22,90 | 294,95 | 1,44 | 0,11 | 32,89 |
| Triticale Korn | Wintertriticale | t | 5,92 | 86,04 | 51,93 | 3,57 | 307,44 |
| Triticale Korn und Stroh | Quaderballen 1,2*0,9*2,5 m | t | 9,00 | 133,13 | zusammen: | ||
| Triticale Korn und Stroh | Wintertriticale | t | 5,92 | 86,04 | 26,58 | 1,81 | 396,56 |
| Weiden, Anpflanzjahr | Holzhackschnitzel, 70%TM | t | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 1.178,92 |
| Weiden, Erntejahr mit Lagerung | Holzhackschnitzel, 70%TM | t | 16,00 | 204,96 | 6,22 | 0,49 | 99,47 |
| Winterroggen Korn | energetische Verwertung | t | 5,42 | 79,71 | 51,60 | 3,51 | 279,69 |
| Winterroggen Korn und Stroh | Stroh (Roggen), Quaderballen 1,2*0,9*2,5 m | t | 7,00 | 104,75 | zusammen: | ||
| Winterroggen Korn und Stroh | Roggenkorn | t | 5,42 | 79,71 | 28,61 | 1,93 | 355,31 |
| Winterweizen Korn | energetische Verwertung | t | 7,98 | 116,67 | 45,46 | 3,11 | 362,78 |
| Winterweizen Korn und Stroh | Stroh, Quaderballen 1,2*0,9*2,5 m | t | 9,00 | 133,13 | zusammen: | ||
| Winterweizen Korn und Stroh | Korn, energetische Verwertung | t | 7,89 | 115,35 | 27,14 | 1,84 | 458,39 |
Quelle: www.ktbl.de, selbst erstellte Tabelle.
für die land- und forstwirtschaftliche Biomasse sind vor allem die umrahmten Brennstoffformen von Bedeutung;
Quelle: Kaltschmitt, Reinhardt, 1997: 21
Holz
Holz zählt zu den festen Bioenergieträgern und wird traditionell zur Energie- (Wärme) gewinnung eingesetzt. Welche Möglichkeiten es in diesem Bereich gibt sowie aktuelle Entwicklungen sind unter Forst Energieproduktionspotentiale zu finden.
Halmgüter
Mit landwirtschaftlichen Ernte- und Umschlagmaschinen lassen sich auch Halmgüter, genau wie Hölzer, in Stückgüter (Ballen, Briketts) und Schüttgüter (Häckselgut, Pellets) gewinnen. (Kaltschmitt, Reinhardt, 1997: 20) Die Verbrennung der Halmgüter kann entweder in manuell oder automatisch betriebenen Feuerungen erfolgen.
Manuelle Feuerungen:
- Kleinst- und Kleinfeuerungen, die vor allem im häuslichen Bereich verwendet werden:
* Einzelöfen (Zimmeröfen, offene Kamine, Kachelöfen, Heizungsherde) zum Kochen, Backen, Raumluft- und Brauchwassererwärmung
* Zentralheizungen zur Brauch- und Heizungswassererwärmung
Automatisch betriebene Feuerungen:
* Zentralheizungen zur Brauch- und Heizungswassererwärmung
* Heizwerken und Heizkraftwerke v.a. zur regionalen Wärme-, Strom- und ggf. Prozesswärmeerzeugung
* Biomassezufeuerung in vorhandenen Kohlekraftwerken zur überregionalen Stromerzeugung
Feuerungstechnische Eigenschaften:
diese Eigenschaften bestimmen die Auslegung der Feuerung und den Verbrennungsvorgang
* Wassergehalt: ist stark abhängig von Kulturart, Erntezeitpunkt und Witterungsbedingungen, kann zwischen 10 - 75% liegen, desto höher der Wassergehalt, desto geringer der Heizwert (linearer Zusammenhang)
* Flüchtige Bestandteile: sehr hoher Anteil an flüchtigen Bestandteilen (~70-85%) im Vergleich zu fossilen Brennstoffen, die beim Erhitzen entweichen -> schnelle & stabile Entzündung -> relativ groß dimensionierte Feuerräume sind notwendig
* Ascheanalyse und Ascheschmelzverhalten: Ascheanteil zwischen 3 und 8 Gew.-% dies entspricht in etwa dem Ascheanteil von Steinkohle
(Vgl. Kaltschmitt, Reinhardt, 1997: 34 ff)
Stroh
Stroh fällt als Rückstand der Getreide- und Rapskornerzeugung an (hauptsächlich Juli & August) und wird auf dem Feld mittels Mähdrescher in Schwaden zur Trocknung ablegt.
Wassergehalt: bis zu 40%, dieser kann allerdings bei guten Wetterbedingungen im Schwad auf unter 20% reduziert werden.
(Kaltschmitt, Reinhardt, 1997: 28ff)
Laut FAO werden weltweit 674.234.919 ha Getreide kultiviert. Würde man das anfallende Stroh aus dieser gesamten Ernte zur Energiegewinnung verwenden, dann könnte man unter Zugrundelegung eines vorsichtigen Wertes von 100 GJ je ha mit diesem Stroh 67,4 EJ erzeugen. Das entspricht 16% des derzeitigen Weltenergieverbrauchs, und das nur mit einem "Abfallprodukt"!
Gräser aus Anbau
um die gewinnbare Biomasse zu maximieren, wird bei Gräsern ein späterer Erntezeitraum gewählt.
Wassergehalt: ist je nach Gräserart unterschiedlich, es sind allerdings Wassergehalte von 75% zu erwarten. Dies führt dazu, dass auch Gräser im Schwad abgelegt werden, damit der Wassergehalt auf unter 20% sinkt und eine Lagerung möglich wird. Die Konservierungsverluste während der Trocknung können sehr hoch sein. Abhängig von den Witterungsbedingungen kann es zu Verlusten zwischen 20-30%, aber auch bei ungünstigen Bedingungen zu Verlusten von über 50% kommen. (Vgl. Kaltschmitt, Reinhardt, 1997: 30f)
Getreideganzpflanzen
Als Biobrennstoffe kommen Getreidekörner oder -ganzpflanzen zum Einsatz, wobei sowohl die Ganzpflanze, die Körner als auch das Stroh verwendet werden. (Vgl. Kaltschmitt, Reinhardt, 1997: 31) Die alleinige Strohnutzung als Kuppelprodukt der Getreideproduktion ist ebenfalls möglich. Bei der Nutzung als Biobrennstoff soll in erster Linie ein hoher Biomasseertrag aus Ganzpflanze oder Korn bzw. Stroh gewonnen werden.(Energiepflanzen, KTBL, 2006: 35)
Wassergehalt: Zum Zeitpunkt des Dreschens (Juli - September) sind mit Wassergehalten von 30-maximal 40% zu rechnen.
Ein Problem bei Getreidepflanzen stellt der relativ hohe Verlust von Körnern dar. (Vgl. Kaltschmitt, Reinhardt, 1997: 31)
Flüssige Bioenergieträger
Zur Bioethanolproduktion werden die Körner genutzt. Anbauziele sind hohe Korn- und Stärkeerträge. Beim Herstellungsprozess fällt etwa im Verhältnis 1:1 Schlempe an, die überwiegend als proteinreiches Futtermittel genutzt wird.(Energiepflanzen, KTBL, 2006: 35; Vgl. Kaltschmitt, Reinhardt, 1997: 45)
Die folgende Tabelle zeigt den Energieertrag und die Kosten der verschiedenen Pflanzen, aus denen Bioethanol erzeugt werden kann:
| Pflanzenart | Leistungen | Einheit | t/ha | GJ/ha | EUR/t | EUR/GJ | EUR/ha |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Kartoffeln | Industriekartoffeln, Erntegut | t | 50,00 | 275,00 | 21,24 | 3,86 | 1.061,89 |
| Körnermais | Körnermais, Verkaufsgut | t | 9,33 | 138,81 | 45,18 | 3,04 | 421,53 |
| Topinambur | Knollen Erntegut | t | 14,63 | 54,58 | zusammen: | ||
| Topinambur | Topinamburkrautsilage | t | 42,80 | 214,48 | 13,73 | 2,93 | 788,45 |
| Winterweizen Korn | energetische Verwertung | t | 7,98 | 116,67 | 45,46 | 3,11 | 362,78 |
| Zuckerrohr | Zuckerrohr | t | 70,00 | 140 | |||
| Zuckerrüben | Zuckerrüben | t | 55,00 | 207,46 | 11,24 | 2,98 | 618,29 |
Quelle: www.ktbl.de, selbst erstellte Tabelle.
Pflanzenöle
Durch kaltes oder heißes Pressen, Dampfaufschluss, Säureaufschluss oder andere Verfahren wird im Zuge der so genannten "Extraktion" Pflanzenöl gewonnen. Dieses Pflanzenöl kann unmittelbar als Energieträger eingesetzt werden. (vgl. Kleemann/Meliß, 1993: 203 f)
Raps
Biodiesel (=Rapsölmethylester) ist eine interessante Treibstoffalternative für alle Dieselmotoren. Neben der guten biologischen Abbaubarkeit (98% innerhalb von 21 Tagen, WGK 1) liegen weitere Umweltvorteile in dem über 80% geringeren CO2-Ausstoß (verminderter Treibhauseffekt). Die Verbrennungseigenschaften im Motor sind aufgrund der hohen Cetanzahl, dem Sauerstoff im Molekül und der Schwefelfreiheit sehr günstig. Die Rußemissionen und auch die besonders schädlichen aromatischen Kohlenwasserstoffe werden gegenüber handelsüblichem mineralischem Diesel um ca. 50% vermindert. Die Kombination von BIODIESEL mit einem Oxidationskatalysator erreicht nochmals stark verbesserte Abgaswerte. Damit ist dann ein Hallenbetrieb ohne Rußfilter möglich. Quelle: www.rapsbiodiesel.de
Aus 100 kg Rapssaat kann durch Pressung der konditionierten, d.h. vorgewärmten Ölsaat und anschließenden chemischen Auszug des Restöls aus dem Presskuchen etwa 42 kg Vollraffinat extrahiert werden. (Rebhan, 2002: 412)
Eine andere Alternative für die Verwendung von Pflanzenöl als Dieseltreibstoff ist dessen chemische Modifikation durch Veresterung, wodurch der entstehende Treibstoff, z.B. Rapsölmetylester (RME), weitestgehend die wichtigsten Parameter der Dieselnorm erfüllt. (Rebhan, 2002: 412)
Ein großer Vorteil der Nutzung von Raps als Treibstofflieferant liegt in den Nebenprodukten:
Die Pressrückstände werden verfüttert. Ihr hoher Eiweißgehalt erlaubt es den Bauern, importiertes Soja teilweise zu ersetzen. Auch die Stängel werden nicht auf den Müll geworfen. Wenn sie auf dem Feld bleiben, dienen sie als Dünger, schützen den Boden und sind vor allem ein hervorragendes Futter für die Regenwürmer, die den Boden locker halten. (Fell, Pfeiffer, 2006: 125)
Der Energieertrag von Rapsöl errechnet sich wie folgt:
| Pflanzenart | Leistungen | Einheit | t/ha | GJ/ha | EUR/t | EUR/GJ | EUR/ha |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Winterraps | Verkaufsgut | t | 3,28 | 79,10 | 102,72 | 4,26 | 336,92 |
Quelle: www.ktbl.de, selbst erstellte Tabelle.
Diverse Ölsaaten
Die Herstellung von Pflanzenölen funktioniert im Grundprinzip bei allen Ölsaaten auf vergleichbare Weise. Die Pflanzenöle können als Ersatz von Dieselkraftstoff angesehen werden, wobei bei den Motoren teilweise Adaptionen notwendig sind. Aus diesem Grund und weil es in einigen Ländern zu unterschiedlichen Besteuerungen kommt, hat der Biodiesel noch immer keine umfassende Verbreitung gefunden. (vgl. Rebhan, 2002: 412f)
Die wichtigsten Ölsaaten zur Erzeugung von Energie neben Raps sind Sojabohnen, Sonnenblumen und Palmöl.
Alkohole
Es gibt zwei unterschiedliche Verfahren um Bioalkohole herzustellen:
*Mittels Fermentation und anschließender Destillation (Bioethanol) oder
*Durch Vergasung der Biomasse und anschließender Verflüssigung (Methanolsynthese)
wobei ersteres Verfahren häufiger angewendet wird.
(Vgl. Kaltschmitt, Reinhardt, 2006: 45)
Zuckerrüben
Der Vorteil der Energiegewinnung aus Zucker ist, das diese einfacher ist als die Gewinnung von Energie aus Stärke oder Zellulose (Vgl. Land und Forst.de). Wenn Zuckerrüben zur Herstellung von Ethanol genutzt werden, wird nur die Rübe verwendet. Daher wird bei der Ernte der Rüben zuerst der zuckerarme Teil (Rübenkopf inkl. Rübenblätter) abgeschnitten und erst in einem zweiten Schritt die Rüben geerntet. Diese werden nach der Reinigung weiterverarbeitet (Vgl. Kaltschmitt, Reinhardt, 2006: 53). Die Aussaat erfolgt März/April und nach rund 180 Tagen im September erfolgt bereits die Ernte. Es entstehen zwei Nebenprodukte bei der Verwendung von Zuckerrüben, die weiterverarbeitet werden. Einerseits werden die entzuckerten Zuckerrübenschnitzel als Futtermittel verwendet. Andererseits entsteht die Melasse, ein dunkelbrauner Sirup, der noch 50% Zucker enthält. Melasse wird unter anderem zu Viehfutter verarbeitet, aber auch in der Lebensmittelindustrie oder der pharmazeutischen Industrie verwendet (Vgl. und weitere Infos zur Weiterverarbeitung siehe: www.cma.de).
Anteil Zucker: 14,5-18,5% bezogen auf die Rübenmasse (Kaltschmitt, Reinhardt, 2006: 53)
Ertrag: 55,00 t/ha (lt. www.ktbl.de)
Energieertrag: 207,46 GJ/ha (lt. www.ktbl.de)
Zuckerrohr
Zuckerrohr eignet sich besonders gut für die Energiegewinnung. Zunächst fallen bei der industriellen Zuckerfabrikation neben dem Saft der Pflanze große Mengen faseriger Bestandteile (die Bagasse) an. 30% dieser Bagasse werden als Brennstoff innerhalb der Zuckerproduktion genutzt. Die restlichen 70% sind ein geschätzter Rohstoff und können unter anderem als Brennstoff zur Energiegewinnung (Elektrizität) verwendet werden.
Aus Zuckerrohr (oder Melasse) fermentierter, raffinierter Alkohol dient als Kraftstoff für Autos und wird entweder in ausschließlich mit Ethanol betankten Fahrzeugen oder im Flexible Fuel Vehicle eingesetzt. Beispielsweise werden in Brasilien jährlich ungefähr 16 Milliarden Liter Ethanol produziert und zum großen Teil als PKW-Kraftstoff, aber auch für Flugzeuge wie die Embraer EMB 202A genutzt. (Quelle:de.wikipedia.org)
Der Energieertrag von Zuckerrohr liegt bei ca. 140 GJ/ha. (Quelle: www.biofuel2g.com)
Allerdings wurde die, in Brasilien großtechnisch betriebene, Ethanol-Produktion aus Zuckerrohr zu einem großen Umweltproblem durch die entstehenden Abwässer.
(Vgl. Energiepflanzen, KTBL, 2006: 35)
Kartoffeln
Bei Kartoffeln wird die in den Knollen enthaltene Stärke zur Energiegewinnung genutzt. Das Kartoffelkraut wird meist wieder in den Boden eingearbeitet. (Vgl. Kaltschmitt, Reinhardt, 2006: 53)
Anteil Stärke: 15-20% bezogen auf die Knollenmasse (Kaltschmitt, Reinhardt, 2006: 53)
Ertrag: 50,00 t/ha (lt. www.ktbl.de)
Energieertrag: 275,00 GJ/ha (lt. www.ktbl.de)
Winterweizen
Anteil (nutzbarer) Stärke: 58-62%
Ertrag: 7,98 t/ha (lt. www.ktbl.de)
Energieertrag: 116,67 GJ/ha (lt. www.ktbl.de)
Topinambur
Topinambur ist eine mehrjährige, frostharte Pflanze, die daher auch in kühleren Regionen wächst. Sie bevorzugt allerdings trotzdem warme Anbauregionen, wo auch die Erträge maximiert werden können. Einsatzeinbußen können durch Trockenperioden ausgelöst werden, daher ist eine ausreichende Wasserversorgung, vor allem im Zeitraum zwischen Juli und Oktober, der Hauptwachstumsperiode der Knollen, sehr wichtig (bei Gesamtbiomasseertrag von 15t Trockenmasse/Hektar: optimale Wasserzufuhr ~600mm). Energetisch nutzen lassen sich sowohl das Kraut als auch die Knollen des Topinambur. Das Erntegut lässt sich zu Biogas oder Bioethanol vergären oder zu Biobrennstoff verarbeiten.
Ernte des Krautes:
Trockenmasseertrag: Krauterträge 8 bis 20 t Trockenmasse / Hektar
Trockenmassegehalt Ende September: 34% (Ertrag ~20t/Hektar)
Trockenmassegehalt Wintermonate: 80% (Ertrag ~7t/Hektar)
Methangehalt des Krauts: 54%
Energieertrag: 214,48 GJ/ha (bei Krautsilage im Flachsilo) (lt. www.ktbl.de)
Zur Brennstoffnutzung erfolgt die Ernte der Stängel i.d.R. Dezember-März, da hier der Trockensubstanzgehalt > 75% ist.
Ernte der Knollen:
Trockenmasseertrag: Knollenerträge 4 bis 13 t Trockenmasse /Hektar
Trockenmassegehalt: 20%
Erntezeitraum: Oktober - März
Methanertrag in der Biogasanlage: 393 l Methan/kg organischer Trockensubstanz
Bioethanolertrag: 4.600-5.000 l/Hektar
Energieertrag: 54,58 GJ/ha (lt. www.ktbl.de)
Der Anbau der Pflanze ist mit einigem Aufwand verbunden, da einerseits die Wasserversorgung sichergestellt werden muss und andererseits bei jährlicher Ernte der Knollen im darauffolgenden Jahr neu gepflanzt werden muss. Wenn das Kraut genutzt wird, müssen ab dem 2. - 3. Jahr die Knollen ausgedünnt werden, um einen zu dichten Wuchs zu vermeiden. Zur Lagerung können die Knollen allerdings im Boden bleiben, da sie auch Temperaturen von -30°C aushalten.
(Vgl. Energiepflanzen.info Topinambur)
Gasförmige Bioenergieträger
Biomasse, insbesonders Holz, wird unter Luft- und Dampfzutritt aufgeheizt. Es entsteht v.a. das brennbare Methan sowie Kohlendioxid. Bei der Abtrennung unerwünschter Gase fallen giftige Abwässer an, die ebenso wie die Asche entsorgt werden müssen.
Für die Biogasnutzung eignen sich Getreidekörner oder -ganzpflanzen. Besonderes Augenmerk gilt der Erzielung hoher Erträge mit hoher Gasausbeute. (Energiepflanzen, KTBL, 2006, S.35)
Durch die Ernte und die Silierung der Pflanzen vor der Reife liegt ein Produkt vor, dessen hoher Wassergehalt in der Regel vor einer thermischen Verwertung deutlich reduziert werden muss. Realisiert wird dies im ersten Schritt durch eine mechanische Entwässerung, der eine Trocknung des Pressgutes auf höhere TS-Gehalte (Trockensubstanz) folgen kann. Im Rahmen der mechanischen Entwässerung, bei der mit Schneckenpressen TS-Gehalte von über 50% erzielt werden können, werden von allen Nährstoffen in der Biomasse unterschiedliche Anteile in den Presssaft überführt. Diese werden direkt oder nach Nutzung des Presssaftes in einer Biogasanlage auf die Ackerfläche zurückgeführt. (Energiepflanzen, KTBL, 2006, S.352)
Mechanische Entwässerung der Silage
Der Energieertrag bei der Biogaserzeugung wird in der folgenden Tabelle skizziert:
| Pflanzenart | Leistungen | Einheit | t/ha | GJ/ha | EUR/t | EUR/GJ | EUR/ha |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ackergras und Leguminosengemenge | Grassilage, abgesetzt im Flachsilo | t | 31,40 | 188,26 | 9,99 | 1,67 | 313,70 |
| Corn-Cob-Mix | CCM, abgesetzt aus Silo | t | 12,74 | 139,89 | 29,68 | 2,70 | 378,09 |
| Dauergrünland | Grassilage, abgesetzt im Flachsilo | t | 25,10 | 150,49 | 10,57 | 1,76 | 265,35 |
| Futterrüben | Gehaltsrübe 18% | t | 100,00 | 295,20 | 7,78 | 2,64 | 778,35 |
| Silomais | Maissilage aus Flachsilo | t | 44,00 | 297,22 | 12,52 | 1,85 | 551,04 |
| Sudangras | Sudangrassilage, abgesetzt im Flachsilo | t | 48,90 | 233,69 | 9,63 | 2,02 | 471,01 |
| Topinambur | Knollen Erntegut | t | 14,63 | 54,58 | zusammen: | ||
| Topinambur | Topinamburkrautsilage, abgesetzt im Flachsilo | t | 42,80 | 214,48 | 13,73 | 2,93 | 788,45 |
| Triticale | Ganzpflanzensilage-Weizen, abgesetzt im Flachsilo 35%TM | t | 35,20 | 210,67 | 10,63 | 1,78 | 374,28 |
| Winterroggen | Ganzpflanzensilage, abgesetzt im Flachsilo 35%TM | t | 22,00 | 131,67 | 11,83 | 1,98 | 260,36 |
| Winterroggen Korn | energetische Verwertung | t | 5,42 | 79,71 | 51,60 | 3,51 | 279,69 |
| Winterweizen | Ganzpflanzensilage, abgesetzt im Flachsilo 35%TM | t | 35,20 | 210,67 | 10,43 | 1,74 | 367,30 |
| Zuckerhirse | Verkaufsprodukt | t | 60,00 | 240,24 | 6,00 | 1,50 | 360,07 |
Quelle: www.ktbl.de, selbst erstellte Tabelle.
Mais
Bei Körnermais sollte optimalerweise ein möglichst hoher Stärkegehalt und in großen Körnern mit einem Bruchkornanteil < 5% erreicht werden (Vgl. energiepflanzen.info körnermais.
Problem bei der Verwendung von Körnermais ist, dass dieser meist einen Wassergehalt von 30% bei einer Tonne aufweist, dieser aber auf 14% reduziert werden muss, um gelagert werden zu können. Für die Trocknung müssen allerdings etwa 20-30 l Heizöl/Tonne eingesetzt werden (Vgl. www.eco.at)
Die Aussaat von Mais erfolgt meist zwischen dem 5. und 15. Mai. Außerdem sollte erwähnt werden, dass langfristig nur jedes 5. Jahr Mais nachgebaut werden sollte. Da sonst ein hoher und sehr dichter Hirsewuchs entsteht und damit der Mais erst nach einigen Jahren wieder die notwendigen Erträge bringt (Vgl. Oökolandbau NRW).
Die folgenden Daten geben einen Überblick über die möglichen Erträge (t/ha) und Energieerträge (GJ/ha):
Ertrag Körnermais: 9,33 t/ha (lt. www.ktbl.de)
Energieertrag Körnermais: 138,81 GJ/ha (lt. www.ktbl.de)
Ertrag Silomais: 44,00 t/ha (lt. www.ktbl.de)
Energieertrag Silomais: 297,22 GJ/ha (lt. www.ktbl.de)
Methangehalt des Biogases (Maissilage): 52% (Vgl. www.bio-energie.de)
Durchwachsene Silphie
Die durchwachsene Silphie ist einer jener Pflanzen, die erst seit kurzem zur Produktion von Energie verwendet wird. Durchwachsene Silphie?
Die durchwachsene Silphie ist eine mehrjährige Pflanze und eine gute Ernte ist mindestens 10 Jahre lang möglich. Im Anpflanzjahr ist der Aufwand, vor allem finanziell gesehen, im Vergleich zu anderen Pflanzen relativ hoch, allerdings fallen in den Folgejahren entsprechend niedrige Kosten an.
Trockenmasseertrag: ab dem 2. Jahr zwischen 13 und mehr als 20 t Trockenmasse/Hektar
(Vgl. Energiepflanzen.info Silphie)
Methangehalt: 55% (Vgl. www.bio-energie.de)
Zuckerhirse
Die Zuckerhirse ist eine einjährige Pflanze und wärmeliebend. Daher kann es in einem, im Vergleich zum Durchschnitt, kälteren Jahr zu relativ hohen Ernteeinbußen kommen. Im Gegenzug dazu kann es in einem Jahr, das ungewöhnlich trocken und heiß ist, zu wesentlich höheren Erträgen kommen.
Ertragsleistung: zwischen 8 bis knapp 20 t Trockenmasse/Hektar.
Trockenmassegehalt in der Frischmasse: 22%
Methangehalt des Biogases: 54%
(Vgl. Energiepflanzen.info Zuckerhirse)
Energieertrag: 240,24 GJ/ha (lt. www.ktbl.de)
Sudangras
Bisher wurde Sudangras, welches zu den Hirsen gehört, hauptsächlich als Futterpflanze verwendet, aber das Interesse der Biogasbranche an Sudangras hat zugenommen.
Sudangras ist ein einjährige C4-Pflanze, wie auch Mais oder Zuckerhirse. In Bezug auf Anbaugebiete muss man sagen, dass sie wärmeliebend ist, aber Trockenphasen besser verkraftet als Mais, da sie dann das Wachstum unterbricht und später wieder aufnimmt.
Trockensubstanzgehalt (variiert nach Erntetermin): 17-28%
Erträge: 8-17 t Trockenmasse/Hektar (an günstigen Standorten lagen die Höchsterträge bei 28 t/Hektar)
Methangehalt: 10 t Trockenmasse liefern etwa 4.500 Kubikmeter Gas bei einem Methananteil von 53%
(Vgl. Energiepflanzen.info Sudangras)
Energieertrag: 233,69 GJ/ha (lt. www.ktbl.de)
Möglicher Energie-Output aus den weltweit freien Ackerflächen
Wir versuchen eine sehr vereinfachte Berechnung:
| Fläche in 1000 ha | Nutzung |
|---|---|
| 3.848.809 | Agrarfläche weltweit |
| -1.463.384 | genutzte Agrarfläche |
| 1.385.425 | freistehende Agrarfläche |
Ca. die Hälfte davon ist von Wald bedeckt, der jedenfalls erhalten bleiben sollte, daher stehen ca. 700.000.000 ha für Energieproduktion zur Verfügung. (Siehe auch "Größe/Verteilung der Acker- und Brachflächen" weiter oben in diesem Artikel.)
Der weltweite Energieverbrauch lag im Jahr 2000 bei etwa 430 EJ. (Exajoule)
Die OECD gibt einen durchschnittlichen pro Kopf Verbrauch von 1,6 toe Energie pro Jahr an. (The Energy and Agriculture Nexus (2000: 1) 1 toe entspricht 42 GJ. Multipliziert man diesen Wert mit der Weltbevölkerung (6,3 Milliarden Menschen), kommt man ebenfalls auf annähernd 430 EJ.
Bisher wird die Weltbevölkerung wie folgt mit Energie versorgt:
1) inkl. nicht-erneuerbarem Anteil des Abfalls (0,2%)
2) Neue EE = Wind-, Solar- und Meeresenergie
Quelle: Uni-Saarland
Welchen Anteil am Gesamtenergieverbrauch könnte also die Biomasse abdecken?
Würde man auf allen zur Verfügung stehenden 700 Millionen ha Land Mais anpflanzen, könnte man dort Pflanzen für einen Energieertrag von 208 EJ ernten, bzw. 48 Prozent des derzeitigen Weltenergiebedarfs abdecken.
Einen Überblick bietet die folgende Tabelle:
| Pflanze | Energieerzeugung | EJ pro Jahr | Prozent des Energiebedarfs |
|---|---|---|---|
| Mais | Biogas | 208 | 48% |
| Futterrüben | Biogas | 206 | 48% |
| Kartoffeln | Ethanol | 192 | 45% |
| Winterweizen | thermische Nutzung | 173 | 41% |
| Zuckerhirse | Biogas | 168 | 39% |
| Zuckerrüben | Ethanol | 145 | 34% |
| Zuckerrohr | Ethanol | 98 | 23% |
| Raps | Rapsölproduktion | 55 | 13% |
In unsere Überlegungen muss man auch die zukünftigen Entwicklungen mit einbeziehen. Die Bevölkerung wird laut derzeitigen Annahmen bis ins Jahr 2030 auf 8,2 Milliarden anwachsen. (FAO, 2002: 38) Außerdem steigt der durchschnittliche Energieverbrauch pro Kopf und Jahr von derzeit 67,2 GJ auf ca. 109,2 GJ. Damit kommt man auf einen Gesamtenergieverbrauch von da. 720 EJ pro Jahr.
In den kommenden 30 Jahren wird die für die Nahrungsmittelproduktion genutzte Agrarfläche um 120 Millionen ha anwachsen. (FAO, 2002: 38) Dadurch stehen im Jahr 2030 nur mehr ca. 580 Millionen Hektar Land zur Produktion von Energiepflanzen zur Verfügung. Darauf könnte man folgende Anteile Bioenergie erzeugen:
| Pflanze | Energieerzeugung | EJ pro Jahr | Prozent des Energiebedarfs |
|---|---|---|---|
| Mais | Biogas | 172 | 24% |
| Futterrüben | Biogas | 171 | 24% |
| Kartoffeln | Ethanol | 159 | 22% |
| Winterweizen | thermische Nutzung | 144 | 20% |
| Zuckerhirse | Biogas | 139 | 19% |
| Zuckerrüben | Ethanol | 120 | 17% |
| Zuckerrohr | Ethanol | 81 | 11% |
| Raps | Rapsölproduktion | 45 | 6% |
Die Werte beziehen sich darauf, dass man jeweils die gesamte Fläche mit der jeweiligen Pflanze bebauen würde.
Anmerkungen zu den Berechnungen
Obwohl wir uns bemüht haben, sehr genau zu recherchieren, geben die Zahlen sehr vereinfachte Modelle wieder. Weder wurden klimatische Bedingungen berücksichtigt, noch konnte genau festgestellt werden, ob die angegebenen Agrarflächen tatsächlich zur Gänze frei stehen. Teilweise fehlen Angaben darüber, welche Regionen besiedelt sind und wo durch Wüste, Berg und Fels eine landwirtschaftliche Nutzung nicht möglich wäre.
Dennoch kann man das Potential von Energie aus Pflanzen aus den Berechnungen ableiten.
Kritische Anmerkungen
Andere alternative Energiequellen
Die Autoren des Reports „Benign Energy? The Environmental Implications of Renewables“ beschreiben unter anderen die Umweltbelastungen durch erneuerbare Energie.
Dabei wird offen gelegt, dass Energiepflanzen als die „Landintensivste“ der erneuerbaren Technologie betrachtet wird. (Benign Energy?, 1998: 109) Aus diesem Grund sollte man andere erneuerbare Energiequellen nutzen, z.B. Solartechnologie, die keine zusätzlichen Landflächen beansprucht, da man sie auf Dächer oder Hausverkleidungen anbringen kann. Auch die Verwendung von Windenergie benötigt nicht sehr viel Land, da man und um die Windräder die Flächen z.B. für landwirtschaftliche Nutzung verwenden kann. (Vgl. Benign Energy?, 1998: 107ff)
Nahrungsmittelknappheit
Da der Anbau von Energiepflanzen zu Treibstoffzwecken zunimmt,
Ackerland steigen und damit die Nahrungsmittelproduktion bedrängen. Die Ertragssteigerung bei der Nahrungsmittelproduktion wird daher weiter eine wichtige Maßnahme zur Vermeidung von Versorgungsengpässen sein.
In der Jäger- und Sammlergesellschaft benötigte man für die Ernährung eines Menschen ca. 1.000 ha Landfläche (Ernährungsbedarf ca. 1.000 kWh pro Person und Jahr), wohingegen sich in der Schweiz von einer Hektare Land 14 Menschen ernähren können (Zahlen für 1970). (Dredge M., Gutzwiller S., 2005: 26)
Nutzung von Abfall-Biomasse
Eine weitere sinnvolle Alternative ist die Nutzung von Biomasse die ohnehin vorhanden ist und derzeit nur entsorgt wird. Zur Energieerzeugung einsetzbar wären:
Altholz, Restholz, Holzabfälle
Stroh, Abfälle der landwirtschaftlichen Produktion
Abfälle der Nahrungsmittelverarbeitung
Reststoffe der papierverarbeitenden Industrie
bestimmte Hausmüllsortimente (z.B. Grüngut aus separater Sammlung)
tierische Exkremente und Abfälle.
(Wokaun A., 1999: 41)
Biodiesel als uneffizienteste Biomasseform
Auf einem Hektar gutem Ackerland können, beste Bedingungen vorausgesetzt, an die 1500 Liter Biodiesel erzeugt werden. Die Hälfte dieses Energieertrags muss eingesetzt werden, um die Energie aufzubringen, diese 1500 Liter zu produzieren. Effektiv bedeutet dies, dass pro Hektar ca. 750 Liter Biodiesel netto hergestellt werden können.
Mehr dazu unter www.energieinfo.de
Weitere kritische Stimmen zu Biodiesel findet man unter www.naturbelastet.de.
Energiesparpotentiale ausnutzen
Maßnahmen zur Energieeinsparung stellen keine Lösung des Energieproblems dar, es sollte allerdings nicht unerwähnt bleiben, dass die Einsparungspotentiale weltweit gewaltig sind und viel zu wenig genutzt werden.
Quellen
Internetquellen
http://www.ktbl.de
http://www.energiepflanzen.info/
http://www.bio-kraftstoffe.info/
http://www.bio-energie.de/
http://www.eco.at/cms/87/5206/
http://www.oekolandbau.nrw.de/fachinfo/pflanzenbau/futterbau/mais/maisanbau_08_leisen1.html
Food and Agriculture Organization of the UN http://www.fao.org/
Global Bioenergy Partnership GBEP http://www.globalbioenergy.org/bioenergyinfo.html
"A review of the current state of bioenergy development in G8 + 5 countries" ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/010/a1348e/a1348e00.pdf
http://www.umweltlexikon-online.de [3]
Uni-Saarland, www.uni-saarland.de
Verwertung nachwachsender Rohstoffe nach dem Konzept von Prof. Scheffer, Getprojekt
Literatur
Bot A. J., Nachtergaele F.O. and Young A. (2000): World Soil Resources Reports. Land Resource Potential and Constraints at Regional and Country Levels, FAO.
Dredge M., Gutzwiller S. (2005): Nachhaltige Biotreibstoffe aus Energiepflanzen Biomasse und Flächen in Konkurrenz, eine Diplomarbeit von Studierenden des Nachdiplomstudiums Energie an der Fachhochschule beider Basel.
Energiepflanzen. KTBL-Datensammlung mit Internetangebot, Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V. (KTBL) (Hrsg.), 2006, Darmstadt.
Der Standard vom 10./11./12. Mai 2008
Food and Agriculture Organization of the United Nations: The Energy and Agriculture Nexus. FAO Report, 2000, Rome.
Fell H.-J., Pfeiffer C. (Hrsg.) (2006): Chance Energiekrise. Der solare Ausweg aus der fossil-atomaren Sackgasse. Solarpraxis AG, Berlin.
International Energy Agency: Benign Energy?. The Environmental Implications of Renewables, OECD, 1998, Paris.
Kaltschmitt M., Reinhardt, G.A. (1997): Nachwachsende Energieträger. Grundlagen, Verfahren, ökologische Bilanzierung. (Hrsg.) Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden.
Kleemann M., Meliß M. (1993): Regenerative Energiequellen. 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York.
Rebhan E. (Hrsg.) (2002): Energiehandbuch. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York.
Wokaun, A. (1999): Erneuerbare Energien. Teubner Stuttgart Leipzig
Weiterführende Literatur
Hoogwijk, M.M., On the global and regional potential of renewable energy sources, Dissertation, Utrecht University, Utrecht, the Netherlands, 12 March 2004.
Außmann D., Laumanns U. and Uh D. (Hrsg.)(2006): Renewable Energy A global Review of Technologies, Policies and Markets, Earthscan, London.
Dieses Buch beschäftigt sich sehr kritisch mit dem Thema "Erneuerbare Energie" und weist auch auf einen gangbaren Weg hin.
Morris, Craig (2005): Die Energie-Bilanz der Biomasse www.heise.de
Energie aus Biogenen Reststoffen und Abfällen in Deutschland
