Holz, Stroh & Co - Mit Bioenergie zurück in die Steinzeit?

Biomasse ist gespeicherte Sonnenenergie- mit ungeahntem Potential. Einen Einblick in Perspektiven der Biomassenutzung gibt Gerhard Justinger, Königswinter.

Zu unrecht wird Bioenergie allgemein mit Vorstellungen wie veraltet, schmutzig, unbequem und ineffizient verbunden. Dem Durchschnittsbürger ist bei der Beheizung seines Hauses mit Erdöl, Erdgas oder Kohle, sowie bei der Betankung seines Autos nicht immer bewusst, dass die Energieform, die er jeweils nutzt, fossile Biomasse ist.

Sie ist durch die Photosynthese über hunderte von Millionen Jahren entstanden. Lebewesen der Gewässer und der Landflächen haben durch den grundlegenden Prozess allen Lebens - die Photosynthese - die unvorstellbar grossen Mengen an Sonnenenergie eingefangen, die wir vor allem in den letzten 50 Jahren in exponentiell steigendem Tempo verbrauchen.

Mit der Sonnenenergieakkumulation wurde bei der Photosynthese auch Sauerstoff freigesetzt, ohne den lungenatmende Säugetierorganismen wie der Mensch nicht hätten entstehen können. Diesen "fossilen" Sauerstoff verbrauchen wir bei der Verbrennung der fossilen Biomasse Erdgas, Erdöl und Kohle in gleichen Mengen, wie sie bei der Bildung der Lebewesen freigesetzt wurden.
Die globalen Folgen dieser Verbrennung durch den Treibhauseffekt und sonstige Umweltwirkungen sind hinlänglich bekannt.

Was ist Bioenergie?

Zur Energiegewinnung aus Biomasse stehen eine Vielzahl von Ausgangsstoffen pflanzlicher und tierischer Herkunft zur Verfügung. Hierbei wird unterschieden in

• feste (z.B. Holz, Stroh, Landschaftspflegematerial),
• flüssige (z.B. Pflanzenöl, Biodiesel, Alkohol) und
• gasförmige (Biogas) Bioenergieträger.

Biogas

Biogas ist eine Gasgemisch und besteht überwiegend aus Methan und Kohlendioxid. Es entsteht durch den Abbau pflanzlicher oder tierischer Biomasse durch Mikroorganismen unter Sauerstoffausschluss. Biogas ensteht aus Gülle oder Stallmist der Tierproduktion, speziell angebauten Pflanzen oder Materialien aus der Landschaftspflege. Dieses Energiepotential wurde bisher zu wenig genutzt, weil die fossile Energie zu billig war. Unter den heute vorliegenden Energiepreisverhältnissen wird Biogas künftig erheblich an Bedeutung gewinnen.

Flüssige Bioenergieträger

Pflanzenöle und Alkohole sind flüssige Bioenergie. In vielen Ländern der Welt wird aus stärke- und zuckerhaltigen Pflanzen Bioethanol (Trinkalkohol) zum menschlichen Verzehr hergestellt und auch als Energieträger zum Betrieb von Motoren. Insbesondere Brasilien wurde durch sein Gasoholprogramm bekannt, mit dem es von Erdölimporten für den Kraftfahrzeugbetrieb unabhängiger werden wollte. In den USA werden Beimischungen von Bioalkoholen benutzt um die Emissionen von Kraftfahrzeugen vor allem in Ballungsgebieten zu reduzieren. Technisch ist der Einsatz von Ethanol bzw. seinem Umwandlungsprodukt Ethyltertiärbutylester in Motoren kein Problem mehr. In Deutschland spielt dieser Zweig der Bioenergie nach einigen Demonstrationsversuchen in den 80er Jahren keine Rolle mehr. Möglicherweise wird sich das künftig ändern.

In Deutschland erreichten die Pflanzenöle als flüssige Bioenergieträger eine gewisse Bedeutung. Dabei spielt vor allem die Rapspflanze als ertragreichste einheimische Ölpflanze eine Rolle. Deren Öl kann in unveränderter Form kaltgepresst als Treibstoff für Dieselmotoren eingesetzt werden. Die Dieselmotoren müssen jedoch an die Besonderheiten des Pflanzenöles mit seiner deutlich höheren Viskosität als Dieseltreibstoff angepasst werden. Der Umbau eines Vierzylindermotors kostet etwa fünf- bis achttausend Mark.

Ein zweiter Weg zum Einsatz von Pflanzenöl als Treibstoff für moderne Dieselmotoren ist die Anpassung des Treibstoffs an die Motoren. Durch die sehr einfache chemische Umwandlung ("Umesterung") wird dem Pflanzenöl der dreiwertige Alkohol Glyzerin entzogen und durch drei Moleküle des einwertigen Alkohols Methanol ersetzt. Dies geschieht in modernen Anlagen bei Umgebungsdruck und niedriger Temperatur, wobei je nach Verfahren als Nebenprodukt Dünger anfällt.

Schädliche Nebenprodukte entstehen bei der Herstellung von Biodiesel nicht. Das bei der Umwandlung entstehende Glyzerin ist ein begehrter Chemierohstoff, der auch ohne die Biodieselherstellung in großen Mengen aus Erdgas erzeugt würde. Das Glyzerin aus Biodieselherstellung ist vor allem bei der Kosmetikindustrie beliebter als das technisch erzeugte Produkt. Der Energieaufwand für die Transporte der Öle zum Pressen und zur Umesterung sind geringer als die für die technische Herstellung von Glyzerin aus Erdgas ansonsten erforderliche Energie.

Alkohol - Treibstoff nicht nur für den Menschen

Dies ist ein Ergebnis der Arbeiten des "Instituts für Energie- und Umweltforschung - IFEU" in Heidelberg, das Basisdaten für ökologische Bilanzierungen erarbeitet hat. Übrigens darf nicht vergessen werden, dass auch die Bereitstellung des zu ersetzenden Dieseltreibstoffs vom Bohrloch bis zur Tankstelle bereits Energie für Transport und Verarbeitung erfordert.

Biodiesel verbrennt in modernen Dieselmotoren sehr sauber und insbesondere die kanzerogenen und mutagenen Partikelemissionen sind drastisch reduziert. Biodiesel wäre daher ein geeigneter Treibstoff, um Busflotten und Lieferverkehr in den Ballungsgebieten im Interesse der Gesundheit der Menschen schnell sauberer zu machen. Biodiesel ist von Natur aus schwefelfrei, während bei der Diskussion um die Entschwefelung von Mineralöldiesel nicht erwähnt wird, dass dieser Vorgang sehr viel Energie erfordert, was die fossilen Rohstoffquellen noch schneller erschöpfen lässt. Die meisten modernen Dieselmotoren sind für den Betrieb mit Biodiesel von den Herstellern freigegeben und der Autor hat auch mit einem nicht für Biodiesel freigegebenen Fahrzeug seit fünf Jahren bzw. 130.000 Kilometern nur gute Erfahrungen.

Biodieselpotential - wieviel Treibstoff könnte man erzeugen?

Beim Anbau von Ölpflanzen müssen Fruchtfolgebedingungen und Standortansprüche der Pflanzen im Hinblick auf eine nachhaltige, umweltverträgliche Landwirtschaft beachtet werden. Aber auch die derzeit im Inland herstellbaren sechs Prozent Biodiesel - bezogen auf den Inlandsverbrauch von Dieselkraftstoff aus Mineralöl - sind im Hinblick auf eine nachhaltige CO₂-reduzierende Deckung unserer Mobilitätsbedürfnisse ein beachtlicher Anteil.

Biodiesel wird derzeit im Inland an rund 1.000 Tankstellen angeboten. Bei der großen Reichweite moderner Dieselfahrzeuge kommt man mit einer Tankfüllung üblicherweise problemlos bis zur nächsten Biodieseltankstelle selbst quer durch die Republik. Sollte eine Biodieseltankstelle ausnahmsweise nicht erreichbar sein, so kann ohne Probleme normaler Dieseltreibstoff getankt werden. Biodiesel wird in der Regel fünf bis zehn Pfennige unter dem Mineralöldieselpreis angeboten. Biogas und Biotreibstoffe können in diesem Beitrag leider nur gestreift werden.

Holz, Stroh & Co - Energiepotentiale, die lohnen?

Theoretisch würde die Nettoprimärproduktion der Landbiomasse der Erde, also alles das, was jährlich an Landpflanzen neu wächst, ausreichen, um den gesamtem Energiebedarf der Menschheit mehr als elfmal zu decken. So richtig dies theoretisch ist, so wenig hilfreich ist es leider für die praktische Energiebedarfsdeckung.

Der größte Teil der Landbiomasse entsteht in Gebieten, die nur sehr dünn besiedelt sind, während der Energieverbrauch dort stattfindet, wo nur wenig Platz für die Bioenergieerzeugung ist. In vielen Entwicklungsländern deckt Holz heute noch 90% des Energiebedarfs, wobei jedoch sehr oft die Holzrohstoffquellen übernutzt werden. Bei uns hingegen wird den Wäldern etwa 30% Holz weniger entnommen als jährlich neu zuwächst. Unter Gesichtspunkten der Waldgesundheit müsste unseren Wäldern deutlich mehr Holz entnommen werden als es derzeit der Fall ist, und mancher Eindruck eines durch Umwelteinflüsse geschädigten Waldes ist die Folge zu geringer Durchforstung. Eine stärkere Nachfrage nach Holz würde dies zum Vorteil des Waldes verändern.

Auch das Stroh hat als Nebenprodukt der Getreideerzeugung ein sehr großes und bedeutendes Energiepotential. Je nach Getreideart fallen pro Tonne Getreide eine halbe bis eine Tonne Stroh an. Dieses wird zum Teil zur Deckung des Humusbedarfs der Böden gebraucht, ein großer Teil könnte aber ohne Schaden energetisch genutzt werden.

Bei einer Ernte von zehn Tonnen Getreide stehen also ca. fünf Tonnen Stroh zur Energienutzung zur Verfügung. Da drei Tonnen lufttrockenes Stroh etwa 1.000 Liter Heizöl ersetzen können, erntet man also etwa 1.600 Liter Heizöl in Form von Stroh mit - oder lässt es auf dem Acker. Derzeit wird Stroh bis auf sehr wenige Ausnahmefälle nicht zur Energiegewinnung genutzt. Dies liegt vor allem darin begründet, dass der Einsatz von Stroh Feuerungsanlagen mit wassergekühlten Verbrennungszonen erfordert, weil bei einer Brennraumtemperatur über 750° C die Asche des Strohs bereits zu schmelzen beginnt.

Diese Feuerungsanlagen sind deutlich teurer als solche für Holz, weshalb Anlagen zur Strohverbrennung erst bei höheren fossilen Rohstoffpreisen wirtschaftlich werden als Holzfeuerungen. In Zukunft wird das Stroh aber sicher als Brennstoff genutzt werden. Selbstverständlich können wir den deutschen Energieverbrauch von jährlich rund 490 Millionen Tonnen Steinkohleeinheiten nicht nachhaltig aus deutschen Wäldern und von einheimischen Feldern decken. Es gibt viele Berechnungen bekannter Wirtschafts- und Energieforschungsinstitute zu Potentialen der Bioenergie. Zu nennen sind hier z. B. das PROGNOS- Institut, das Deutsche Institut für Wirtschaftsforschung DIW, das Institut für Energiewirtschaft und rationelle Energieanwendung IER, das Institut für Landtechnik der TU München-Weihenstephan, die Bandbreiten von 5% bis über 20% Beitrag der einheimischen Bioenergie zur Deckung des Primärenergieverbrauchs schätzen.

Offener Kamin, Kachelofen oder was?

Die Verbrennungstechniken zur Energiegewinnung aus Holz haben sich deutlich weiterentwickelt. Brennholz wird als Scheitholz, als Holzhackschnitzel oder als Holzpellets angeboten. Zunächst sei bemerkt, dass drei Kilogramm lufttrockenes Holz (ca. 3,4 kWh) etwa dem Heizwert von einem Liter Heizöl (10 kWh) entsprechen. Gepresste Holzpellets aus Holzspänen der Säge- und Hobelwerke haben je Kilogramm fünf Kilowattstunden Energieinhalt und entsprechen einem halben Liter Öl oder einem halben Kubikmeter Erdgas.

Offene Kamine
verwerten das Holz mit dem niedrigsten Wirkungsgrad und mit den ungünstigsten Emissionen. Sie tragen leider häufig zum schlechten Ruf von Holz als Energieträger bei, weil ganze Ortsteile unter den Emissionen leiden müssen - oft genug nur durch falsche Bedienung. Mit trockenem Holz und richtig betriebene offene Kamine brauchen aber keine Belästigungen hervorzurufen! Dennoch sind offene Kamine nicht als vollwertige Heizsysteme zu betrachten.

Kachelöfen
können Holz bereits mit deutlich höherer Effizienz energetisch verwerten und sind auch hinsichtlich der Emissionen wesentlich günstiger zu bewerten. Sie sind ein Schritt in Richtung vollwertiges Heizsystem sind aber in der Regel nicht geeignet, den Komfort eines Zentralheizsystems mit Brauchwassererwärmung zu garantieren.

Zentralheizungskessel für Scheitholz
wurden in den vergangenen Jahren gewaltig weiterentwickelt. Die Holzkessel sind so konstruiert, dass das Holzgas als "langflammiger Brennstoff" ausreichend lange Verweilzeiten in der heißen Verbrennungszone hat, wobei zusätzlich Sekundärluft nach Bedarf zudosiert wird.

Durch diese konstruktiven Maßnahmen werden sehr niedrige Emissionswerte erreicht. Die Regelung der Holzkessel ist teilweise sehr ausgefeilt und nutzt verschiedene Temperatursensoren und die Lambdasonde zur Steuerung einer effizienten Verbrennung. Moderne Scheitholzkessel erreichen Wirkungsgrade um die 90 Prozent und es gibt bereits Entwicklungen in Richtung "Holzbrennwertkessel".

Scheitholzkessel brennen auch im Teillastbereich mit vertretbar guten Emissionen. Dennoch sollten sie mit einem ausreichend dimensionierten Pufferspeicher betrieben werden, damit sie möglichst bei Volllast und damit am effizientesten benutzt werden können. Diese Forderung ist gerade im Hinblick auf die Kombination mit einer solarthermischen Anlage unproblematisch, da für die Solaranlage ohnehin ein Pufferspeicher gebraucht wird. In Kombination mit einem Holzkessel sollte man den Speicher eher etwas größer dimensionieren. Das verbessert nicht nur Emissionen und Effizienz, sondern auch den Komfort.

Heutige Scheitholzkessel haben groß dimensionierte Füllräume für die Holzscheite, die lange Nachfeuerungsintervalle ermöglichen. Moderne Scheitholzkessel sind in haushaltsüblichen Leistungsgrößen ab ca. achttausend Mark in guter Qualität zu erhalten. Der geringe Mehrpreis gegenüber Öl- und Gaskesseln amortisiert sich durch den deutlich günstigeren Brennstoffpreis schnell. Allerdings muss die Bereitschaft da sein, sich um seine Energieversorgung etwas mehr zu kümmern.

Holzpelletfeuerungen
sind vermutlich für den Leserkreis der Energiedepesche die interessanteste Variante der Holzfeuerungen. Sie sind in den USA bereits seit den 70er Jahren verbreitet. Dort werden jährlich mehr als 16 Millionen Tonnen Holzpellets zum Heizen genutzt. Auch in Schweden und in Österreich sind Holzpellets als Brennstoff verbreitet. Holzpelleteinzelöfen stehen z.B. im Wohnzimmer und verbreiten durch Sichtscheiben auch den romantischen Effekt des Holzfeuers, während sie zugleich hinsichtlich Emissionen, Wirkungsgrad und automatischem Heizkomfort weit entwickelt sind.

Vollautomatische Holzpelletzentralheizungen ermöglichen denselben Komfort, den wir von Öl, Gas oder Strom als Raumheizung und Brauchwassererwärmung gewohnt sind. Die Feuerungen sind in der Regel mit einem Monatsvorratsbehälter versehen, der 400 bis 600 Kilogramm Pellets fasst. Das entspricht etwa 200 bis 300 kg Heizöl. Dieser Zwischenbehälter kann entweder durch Schnecken oder durch Sauggebläse aus einem Pelletlager befüllt werden, oder von Hand aus 25 kg-Säcken.

Das Pelletlager kann in unterschiedlichen Bauweisen an der Stelle des früheren Heizöltanks errichtet werden. Es kann aber auch bis zu ca. 20 Metern vom Kessel entfernt sein. Pellets werden lose mit Silotransportwagen geliefert oder in Säcken verpackt. In Deutschland gibt es derzeit nur in Bayern und Baden-Württemberg Pelletproduktionen, aber es gibt Lieferanten für Pellets für das gesamte Land. Da Holzpellets leicht rieselfähig sind, ist die Zuführung zum Kessel technisch einfacher als bei Hackschnitzeln. Die Anlagen sind leichter und kleiner gebaut und damit billiger. Gute Pelletkessel sind ab dreizehntausend Mark zu haben. Der Autor hat derzeit in Königswinter weit ab von der Pelletproduktion drei Tonnen Pellets für 345 DM/t inclusive Mwst. gekauft. Das entspricht einem Heizölpreis von ca. 70 Pfennig/Liter, so dass Pellets derzeit schon billiger sind als Heizöl.

Ein sehr großer Anteil entfällt auf den Transport, da es in Nordwestdeutschland noch keine Pelletproduktion gibt und die Pellets noch aus Bayern, Baden-Württemberg oder Österreich kommen. Mit zunehmendem Absatz wird die Pelletproduktion in der holzverarbeitenden Industrie der verschiedenen Regionen aufgenommen werden, weil dies eine wirtschaftlichere Verwertung der Holzreste erlaubt als derzeit üblich. Bei anhaltend steigenden Energiepreisen für fossile Energieträger amortisieren sich die höheren Investitionskosten einer Pelletfeuerung während deren Lebensdauer. Gerade für die Leser der Energiedepesche bietet sich mit dem Holzpellet eine ausgesprochen praxisreife Möglichkeit der Wärmeversorgung in Kombination mit der Solarthermie.

Welche Vorteile bietet die feste Bioenergie?

Bioenergie ist gespeicherte Sonnenenergie, die folgende Vorteile aufweist:

• Bei ihrer Verbrennung wird nur in etwa so viel CO2 freigesetzt, wie vorher beim Wachstum der Pflanzen der Erdatmosphäre entnommen worden ist. Sie kann damit einen Beitrag zur CO2-Minderung liefern und wirkt dem Treibhauseffekt entgegen.
• Sie ist ausreichend verfügbar, denn vom jährlichen Zuwachs wird nur ein geringer Teil genutzt. Eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft wird möglich.
• Sie ist im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energien speicherbar und jederzeit abrufbar. Bioenergie steht damit immer dann zur Verfügung, wenn sie gebraucht wird.
• Durch ihren Einsatz werden die endlichen Energieressourcen geschont.
• Sie ermöglicht eine umweltverträgliche kostengünstige Nutzung von naturbelassenen Reststoffen und Nebenprodukten.
• Sie ist eine heimische Energiequelle und bietet vielfältige Möglichkeiten zur Schaffung neuer Arbeitsplätze in Industrie, Gewerbe sowie Dienstleistung und bietet Einkommensmöglichkeiten für die Land- und Forstwirtschaft.