In Zeiten, in denen die Welt mit den Folgen des Klimawandels zu kämpfen hat, rücken alternative Energiequellen wie die erneuerbaren Energien immer mehr in den Fokus. Eine davon ist Biomasse bzw. die daraus gewonnene Bioenergie, die als Kraftstoff, zum Heizen und zur Stromerzeugung verwendet werden kann.
Was ist Biomasse?
Bioenergie wird aus „Biomasse“ gewonnen, also die gesamte durch Pflanzen oder Tiere erzeugte organische Substanz. Dazu gehört unter anderem. Holz, Lebensmittelabfälle, landwirtschaftliche Reste und sogar Algen. Schon der Urmensch nutzte Bioenergie, indem er Holz zum Heizen und Kochen verwendete. Heutzutage wird sie hauptsächlich zur Stromerzeugung und zum Heizen verwendet.
Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA)stieg der Anteil der modernen Bioenergie zwischen 2010 und 2022 um durchschnittlich fast 3 % pro Jahr, und dieser Trend setzt sich fort. Derzeit stammen etwa 6 % der weltweiten Energieversorgung und 55 % der erneuerbaren Energien aus moderner Bioenergie, die damit die grösste erneuerbare Energiequelle darstellt. Um das Netto-Null-Ziel bis 2050 zu erreichen, muss diese Energieform stärker genutzt werden und bis 2030 fossile Brennstoffe ersetzen.
5 Hauptarten und Beispiele von Biomasse
1. Holz und landwirtschaftliche Produkte: Biomasse, die aus Wäldern, landwirtschaftlichen Kulturen und Reststoffen gewonnen wird. Beispiele: Holzscheite, Holzspäne, Stroh, Maisstroh.
2. Feste Abfälle: Organische Materialien, die in festen Siedlungsabfällen enthalten sind. Beispiele: Essensreste, Papier, Pappe.
3. Deponiegas und Biogas: Gase, die bei der anaeroben Zersetzung von organischem Material in Deponien und Fermentern entstehen. Beispiele: Methan aus Mülldeponien, Biogas aus Tiermist.
4. Bioethanol: Biokraftstoff, der durch die Vergärung von in Pflanzen enthaltenen Zuckern gewonnen wird. Beispiele: Ethanol aus Mais, Biodiesel aus Sojabohnen.
5. Aquatische Biomasse: Biomasse, die von Wasserpflanzen und Algen stammt. Beispiele: Mikroalgen, Meeresalgen.
Ist Biomasse eine saubere Energiequelle?
Da Biomasse aus pflanzlichen oder tierischen Materialien und somit aus nachwachsenden Rohstoffen besteht, zählt es zu den erneuerbaren Energien. Sie gilt auch als klimaneutral, da bei der Verbrennung oder Verrottung nur so viel Kohlendioxid entsteht, wie die Pflanze aus der Atmosphäre aufgenommen hat. Das gilt allerdings nur so lange, wie die verbrauchte Menge die nachwachsende Menge nicht übersteigt. Die Pflanzen speichern die Sonnenenergie, indem sie durch den Prozess der Fotosynthese Nährstoffe aus Licht, Wasser und Kohlendioxid herstellen. Diese Nährstoffe benötigen die Pflanzen zum Wachsen. Die Energie, die die Pflanze nicht verbraucht, wird als Reserve in Form von Zucker, Stärke oder Öl gespeichert. Diese Energie kann in Wärme, Strom oder Biokraftstoff umgewandelt werden.
„Biomasse ist ein wesentlicher Bestandteil des Kohlenstoffkreislaufs der Erde. Der Kohlenstoffkreislauf ist der Prozess, durch den Kohlenstoff zwischen allen Schichten der Erde ausgetauscht wird: Atmosphäre, Hydrosphäre, Biosphäre und Lithosphäre“.
Energie aus Biomasse, National Geographic Education
Zwar wird Biomasse als erneuerbare Energiequelle und damit als nachhaltig eingestuft, doch sie kann erhebliche Auswirkungen auf die Natur und Umwelt haben. Für die Produktion von Biogas und Biokraftstoffe werden häufig Mais- und Rapsmonokulturen angebaut – mit negativen Auswirkungen auf Boden, Wasser und Biodiversität. Der steigende Bedarf von Holzbiomasse hat zudem dazu geführt, dass Wälder gerodet werden. Deshalb spielt die Herkunft der Biomasse eine entscheidende Rolle über die Nachhaltigkeit der Energieform.
Umwandlung von Biomasse in Bioenergie
Biomasse kann durch verschiedene Verfahren in Bioenergie umgewandelt werden:
- Verbrennung: Direkte Verbrennung von Biomasse zur Erzeugung von Wärme, die zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
- Vergasung: Umwandlung von Biomasse in Synthesegas (ein Gemisch aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Methan) durch Hochtemperaturverarbeitung.
- Pyrolyse: Zersetzung von Biomasse bei hohen Temperaturen unter Ausschluss von Sauerstoff, wobei Bioöl, Synthesegas und Holzkohle entstehen.
- Anaerobe Vergärung: Abbau von organischem Material durch Bakterien in einer sauerstofffreien Umgebung, wobei Biogas (hauptsächlich Methan und Kohlendioxid) entsteht.
- Fermentation: Mikrobielle Umwandlung von Biomasse in Alkohole wie Ethanol und Butanol.
Biomassekraftwerke
In einem Biomassekraftwerk wird die Biomasse in einem grossen Kessel verbrannt. Die dabei entstehenden Dämpfe werden durch verschiedene Kesselzüge geführt, um eine Turbine in Bewegung zu setzen, die an einen Generator gebunden ist. Das ist allerdings nur eine grobe Zusammenfassung. Deshalb erläutern wir im Folgenden die einzelnen Schritte etwas genauer:
- Aufbereitung und Brennstoffbereitstellung: Sammlung, Lagerung und Verarbeitung von Biomasse wie Holzhackschnitzeln, landwirtschaftlichen Rückständen und organischen Abfällen, um deren einheitliche Grösse und Feuchtigkeitsgehalt zu gewährleisten.
- Brennstoffzufuhrsystem: Die aufbereitete Biomasse wird über Förderbänder in die Brennkammer transportiert. Der Zuführungsmechanismus regelt die Zuführungsrate der Biomasse, um ideale Verbrennungsbedingungen zu gewährleisten.
- Verbrennung und Vergasung: Die Biomasse wird verbrannt, um Wärme und damit Dampf zu erzeugen. Alternativ wird die Biomasse durch Hochtemperaturverarbeitung in Synthesegas (ein Gasgemisch) umgewandelt. Anschliessend wird das Synthesegas zur Wärmeerzeugung in Turbinen oder Motoren verbrannt.
- Dampferzeugung: Kessel und Wärmetauscher nutzen die Wärme aus der Verbrennung oder Vergasung, um Wasser in Hochdruckdampf zu verwandeln. Mit diesem Dampf werden Turbinen angetrieben, die an elektrische Generatoren angeschlossen sind.
- Erzeugung von Elektrizität: Eine Dampfturbine wandelt die thermische Energie des Dampfes in mechanische Energie um, die einen Generator antreibt. Der Generator wandelt diese mechanische Energie in elektrischen Strom um.
- Abfallentsorgung und Recycling: Alle Rückstände aus der Verbrennung von Biomasse werden gesammelt und entweder entsorgt oder zur Verwendung in der Landwirtschaft oder im Baugewerbe wiederverwendet. In einem Biomasseheizkraftwerk wird die entstandene Wärme zum Heizen genutzt. Diese gemeinsame Strom- und Wärmeerzeugung nennt man auch Kraft-Wärme-Kopplung.
Die Rolle der Biomasse bei den erneuerbaren Energien
Biomasse ist eine nachhaltige Energiequelle, die zur Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und zur Senkung der Treibhausgasemissionen eingesetzt werden kann. Damit Biomasse bei der Verringerung der Treibhausgasemissionen wirksam ist, muss sie nachhaltig erzeugt werden. Deshalb muss sie laut EU-Vorschriften „auf nachhaltige und effiziente Weise erzeugt, verarbeitet und genutzt werden, um die Treibhausgaseinsparungen zu optimieren und die Ökosystemleistungen zu erhalten“. Die Energieerzeugung aus Biomasse bietet mehrere Vorteile:
1. Vielfältige Energieerzeugung
Die Energie aus Biomasse hat vielfältige Anwendungsformen. Sie kann zum Heizen, zur Stromerzeugung und als Kraftstoff verwendet werden.
- Heat Production: Heating homes, businesses, and district heating systems through the direct burning of biomass materials like wood and agricultural waste. As per IEA, buildings can get low-temperature heat from biomass combustion systems, up to 100°C, for heating (e.g. central heating systems of a building or a heating grid) and hot water supply.
- Stromerzeugung: Direkte Verbrennung, Vergasung oder anaerobe Vergärung sind die Methoden, die in Biomassekraftwerken zur Energieerzeugung eingesetzt werden. Diese Anlagen sind in der Lage, als Grundlaststromquellen gleichmässig und zuverlässig Strom zu erzeugen.
- Biokraftstoffe: Verarbeitung von Biomasse zur Herstellung flüssiger Kraftstoffe wie Ethanol und Biodiesel, die im Verkehr eingesetzt werden können und dazu beitragen, die Abhängigkeit von Kraftstoffen aus Erdöl zu verringern.
2. Abfallwirtschaft und -verwertung
Energieerzeugung aus Biomasse hilft bei der Bewirtschaftung und Verwertung von organischen Abfällen, wodurch die Menge der auf Deponien gelagerten Abfälle verringert und die Methanemissionen minimiert werden. Durch die Umwandlung von landwirtschaftlichen Reststoffen, Lebensmittelabfällen und anderen organischen Nebenprodukten in Energie unterstützt die Biomasse ein nachhaltigeres Abfallmanagementsystem und trägt zu einer Kreislaufwirtschaft bei.
3. Kohlenstoffneutralität und Eindämmung des Klimawandels
Da das von den Pflanzen während ihres Wachstums aufgenommene Kohlendioxid das bei der Verbrennung von Biomasse entstehende CO2 ausgleicht, wird Bioenergie häufig als kohlenstoffneutral bezeichnet. Im Vergleich zu fossilen Brennstoffen reduziert dieser geschlossene Kohlenstoffkreislauf die Netto-Treibhausgasemissionen, was zur Verlangsamung des Klimawandels beitragen kann.
4. Ländliche Entwicklung und wirtschaftlicher Nutzen
Biomasse-Energieprojekte können die wirtschaftliche Entwicklung in ländlichen Gebieten ankurbeln, indem sie Arbeitsplätze schaffen und Landwirten und Landbesitzern neue Einkommensmöglichkeiten bieten. Die Erzeugung, Sammlung, Verarbeitung und der Transport von Biomasse tragen zur lokalen Wirtschaft bei und können zu einer Verbesserung der Infrastruktur führen.
5. Energiesicherheit und Diversifizierung
Biomasse verbessert die Energiesicherheit durch Diversifizierung der Energiequellen. Sie stärkt die Widerstandsfähigkeit des Energiesystems und verringert die Abhängigkeit von importierten fossilen Brennstoffen. In Gebieten, die reich an forst- und landwirtschaftlichen Ressourcen sind, kann Biomasse auch eine verlässliche Energiequelle darstellen.
6. Unterstützung anderer erneuerbarer Energiequellen
Biomasse kann andere erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie ergänzen. Sie bietet eine planbare und stabile Energieversorgung, die Lücken füllen kann, wenn intermittierende erneuerbare Energiequellen keinen Strom produzieren. So können beispielsweise Biomassekraftwerke kontinuierlich betrieben werden und ihre Leistung an die Nachfrage anpassen, was die Netzstabilität unterstützt. Eine Kombination von Wärme und Strom (Kraft-Wärme-Kopplung) kann den Gesamtwirkungsgrad des Systems laut IEA auf bis zu 90 % steigern.
Biomasse und ihre Auswirkungen auf die Umwelt
Die Energieerzeugung aus Biomasse bietet grosse Vorteile für die Umwelt und gilt als nachhaltige und CO2-neutrale Energiequelle, da bei der Verbrennung oder Verrottung nur so viel CO2 entsteht, wie die Pflanze aus der Atmosphäre aufgenommen hat. Durch die Verringerung der Netto-Treibhausgasemissionen trägt dies zur Verlangsamung des Klimawandels bei. Durch die energetische Nutzung von organischen Abfällen und landwirtschaftlichen Reststoffen werden auch die Methanemissionen und der Deponieverbrauch verringert.
Durch die Diversifizierung der Energieversorgung und die Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verbessert die Energie aus Biomasse die Energieversorgungssicherheit, insbesondere in Gebieten, in denen Biomasse im Überfluss vorhanden ist. Ausserdem fördert sie die ländliche Entwicklung, indem sie Landwirten und Landbesitzern neue Einkommensquellen und Beschäftigungsmöglichkeiten eröffnet. Allerdings kann die Energiegewinnung aus Biomasse auch negative Auswirkungen auf die Umwelt haben, wie die Abholzung der Wälder, die Verschlechterung der Böden durch Mais- oder Rapsmonokulturen und die Luftverschmutzung durch die Verbrennung. Zudem kann die Ernährungssicherheit gefährdet werden, wenn landwirtschaftliche Flächen verstärkt für die Biomasseproduktion für die Energieerzeugung und nicht für die Nahrung für den Menschen oder für Futtermittel für Nutztiere verwendet werden.
Deshalb sind Vorschriften zur nachhaltigen Beschaffung und effiziente Umwandlungstechnologien unerlässlich, damit Biomasse eine entscheidende Rolle beim Übergang zu einer saubereren, nachhaltigeren Energiezukunft spielen und so zur Bekämpfung des Klimawandels und zur Förderung der ökologischen Nachhaltigkeit beitragen kann.
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Diese wiederverwendbare Vollmaske ist leicht, bequem und einfach zu bedienen. In Kombination mit den richtigen 3MTM-Partikelfiltern oder -patronen schützt sie die Atemwege vor Partikeln sowie einer Reihe von Gasen und Dämpfen.
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