„Biokraftstoffe - Potenziale und Grenzen“

Uwe Lahl

Einleitung

Die öffentliche Diskussion zum Thema Biokraftstoffe hat sicherlich viele Beobachter aus der Fachwelt verblüfft. Es ist wenige Jahre her, da eröffnete die damalige Bundeslandwirtschaftsministerin Renate Künast das Thema mit der Kritik, dass die Chancen für die Landwirtschaft auf dem Feld der Erneuerbaren Energien (EE-Sektor) noch nicht ausreichend erkannt seien. Es wurde das Bild der zukünftigen Ölscheichs in Grün bemüht. Zu Beginn der großen Koalition der letzten Regierung wurden dann in Deutschland politische Entscheidungen getroffen, die Biokraftstoffproduktion deutlich zu erhöhen. Im vorletzten Jahr kam dann von Seiten verschiedener NGOs und einzelner Wissenschaftler die Kritik auf, dass dies der völlig falsche Weg wäre und auch viel zu hohe Ziele politisch festgelegt seien [1]. Zwischenzeitlich hat sich diese Diskussion wieder beruhigt und erste Stimme aus der NGO-Szene unterstreichen wieder, dass Biokraftstoffe im Mobilitätssektor doch der richtige Weg sind [2].

Biokraftstoffe

Biokraftstoff ist nicht gleich Biokraftstoff, es gibt erhebliche Unterschiede, was deren Gewinnung, ökologischen Wert und Kosten anbelangt.

In Deutschland wurde in einem ersten Schritt zur Steigerung des Biokraftstoffeinsatzes im Mobilitätssektor festgelegt, dass dem Benzin 5 % Ethanol und dem Diesel 7 % Biodiesel beigemischt wird, - alles bisher Biokraftstoffe der 1. Generation. Weiter wurde ein europaweites Regelwerk geschaffen, was relativ strenge Anforderungen an die Nachhaltigkeit von Biokraftstoffen festlegt [4]. Dieses Regelwerk wird in den nächsten Jahren greifen und dazu führen, dass die Landwirtschaft auch in den Ländern, die Biokraftstoffe nach Europa exportieren, vergleichsweise hohe ökologischen Standards genügen müssen. Damit sind Biokraftstoffe verglichen mit anderen landwirtschaftlichen Produktionssektoren in ihrem ökologischen Standard weit vorne. Die anderen landwirtschaftlichen Sektoren wie der Nahrungsmittel- oder Futtermittelanbau sind weit von diesem Standard entfernt.

Abbildung 1: Chemische Pfade von Biomasse über Synthesegas zu Synthesekraftstoffen und Basischemikalien (DME = Dimethylether). (Quelle: Dinjus/Dahmen Woche 12, Jahr 2008)

Klimaschutz durch "Erneuerbare Energien"

Biokraftstoffe sind ein Teilsegment eines neuen landwirtschaftlichen Sektors, der Produkte für die Energieumwandlung erzeugt. Die erzeugte Biomasse wird beispielsweise in Biomasse-Kraftwerken zu Strom umgewandelt oder zu Heizzwecken verwendet. Neben dem Mobilitätssektor, für den die Biokraftstoffe hergestellt werden, geht Biomasse insbesondere in die Elektrizitätswirtschaft, den Wärmemarkt und in die chemische Industrie. Diese Biomasse gehört zu den "Erneuerbaren Energien", ebenso wie die Sonnenenergie oder die Windkraft. Als "Erneuerbare Energie" wird Biomasse deshalb bezeichnet, weil sie nachwächst und hierbei den Kohlenstoff, den die Verbrennung von Biomasse als Kohlendioxid freigesetzt hat, wieder bindet bzw. einlagert.

In der öffentlichen Wahrnehmung, sicherlich auch durch die polarisierte Diskussionen zur Energiepolitik der 1990er Jahre mit verursacht, wird "Erneuerbare Energie" als klimaneutral angesehen, im Unterschied zu konventioneller Energieerzeugung. Dies ist aber nicht zutreffend! Nicht nur bei Biokraftstoffen ist die Sachlage etwas komplizierter, denn alle "Erneuerbare Energien" weisen eine mehr oder weniger lange so genannte (ökobilanzielle) Vorkette auf, denn Solarkollektoren oder Windräder müssen hergestellt werden und fallen nicht vom Himmel. Hierfür bedarf es Energie, Metalle, Beton, Transporte u.v.m. Ähnliches gilt für Biomasse. Auch Biomasse fällt nicht vom Himmel. Sie wird in der Landwirtschaft produziert. Hierfür wird Energie benötigt, Düngemittel, Transporte u.v.m. Und während des Anbaus kommt es zu klimaschädlichen Emissionen. Wenn Biomasse auf dafür umgebrochenen Regenwaldflächen angebaut wird, kommen weitere Emissionen durch die Vernichtung des Regenwalds hinzu [5] usw. usf.

Die alles entscheidende Frage ist die zahlenmäßige Bedeutung dieser Vorkette, oder präzise: Wie viel CO2 wurde im Rahmen dieser Vorkette emittiert und welche Emissionen weist dem gegenüber die fossile Variante der Energiegewinnung auf? So führt die Nutzung einer Energieeinheit (Megajoule, MJ) fossilen Kraftstoffs in einem PKW zu CO2-Emissionen von insgesamt 84 Gramm inkl. der Vorkette des Kraftstoffes von "well to wheel". Ein bilanziell "mittelprächtiger" Biokraftstoff der 1. Generation wie Ethanol aus Getreide trägt typischerweise eine Vorkette von 40 g CO2/MJ und ist damit nur um 52 % besser als der fossile Kraftstoff. Die besten Biokraftstoffe der 1. Generation schaffen es immerhin auf eine CO2-Minderung von 70 bis 80 %. Aber auch für diese Kraftstoffe verbleibt eine Vorkette von immerhin 17 bis 25 g CO2/MJ.

Zwar wurde in der öffentlichen Diskussion über Biokraftstoffe so getan, als ob nur Biokraftstoffe dieses "Vorketten-Problem" haben. Zum Glück für die anderen Biobranchen wurde medienseitig nicht tiefer gebohrt. Denn auch die anderen Branchen des EE-Sektors haben Vorketten-Probleme in mehr oder minder großem Umfang, auch wenn diese Vorketten in den amtlichen Klimaschutzstatistiken nicht auftauchen. Es gibt Bereiche, bei denen die Vorkette das Einsparergebnis nur marginal mindert. Es gibt aber auch Bereiche, für die die Vorkette eine beachtliche Höhe aufweist. Dies gilt beispielsweise für die heute mittlerweile sehr verbreitete Stromgewinnnung aus Biogas [6].

Trotz Vorkettenproblem ist es natürlich richtig, auf die Steigerung der "Erneuerbaren Energien" zu setzen. Es sollte jedoch nicht nur Ziel sein, die Quoten des EE-Sektors zu steigern, sondern auch, dies ist ein Ertrag der kontroversen Diskussion über Biokraftstoffe, die Vorketten zu senken. Letzteres sollte man unter den Begriff einer erforderlichen Effizienzsteigerung im EE-Sektor stellen.

Der Mobilitätssektor unter Klimaschutz

Eine weitere spannende Kontroverse im Verbund mit der Biokraftstoffdiskussion in 2008 war das Thema Nutzungskonkurrenz. Letztlich also die Frage, ob aus einer zumindest heute begrenzten Menge an Biomasse dadurch mehr für den Klimaschutz erreicht würde, wenn man die Biomasse besser zur Wärmegewinnung oder in die Stromerzeugung einbringt statt in den wenig effizienten Mobilitätssektor. Für letzteres wäre es, so ein eingängiges Argument, besser, kleinere und sparsame Autos zu bauen.

Einmal abstrahiert von der richtigen Feststellung, dass es auf allen Ebenen und insbesondere im Mobilitätssektor erforderlich ist, "abzurüsten" und effizientere bzw. sparsamere Maschinen zu bauen, beantwortet diese Feststellung nicht die Frage, wo Biomasse unter Klimaschutzgesichtspunkten mit höheren Wirkungsgraden eingesetzt werden kann. Der Vergleich der Wirkungsgrade ergibt ein klares Bild und eine schnelle wie einfache Antwort. Wärme kann aus Biomasse mit Wirkungsgraden oberhalb von 80 % entbunden werden, Kraft-Wärmekopplung (KWK) gelingt bis in den Bereich von 70 % und darüber. Reine Stromproduktion gelingt je nach Technik, sprich Größe der Anlagen, im Bereich von 20 bis über 35 % Wirkungsgrad. Biokraftstoffe bringen nur rund 30 % ihres Energiegehaltes auf die Straße. Also sollte, bezieht man noch den Aspekt mit ein, dass bei der Biomasseverbrennung ein deutlich höherer Anteil der Organik der Pflanze umgesetzt wird, Biomasse in den KWK- und Wärmesektor und nicht in den Mobilitätssektor gelenkt werden.

Nun gelten die genannten Wirkungsgrade nicht nur für Biomasse, sondern auch für die Nutzung fossiler Energiequellen. Daher stellt sich für den Mobilitätssektor, sollte er aus den besagten Gründen auf Biokraftstoffe verzichten müssen, die schwierige Frage, wie in diesem Sektor die ambitionierten Klimaschutzziele erreicht werden können. Bekanntlich soll, folgt man den internationalen Verpflichtungen zur Einhaltung des 2-Grad-Ziels, bis 2050 [7] in Industriestaaten 80 %, manche Experten fordern sogar über 90 % der heutigen CO2-Emissionen eingespart werden.

Im Mobilitätssektor kann über die Steigerung der Effizienz der Fahrzeuge kurz- bis mittelfristig einiges erreicht werden, wobei uns die Physik auch sehr schnell die Grenzen zieht. Dann wird die Bedeutung der Elektromobilität gerade in Großstädten deutlich zunehmen [8]. Vielleicht gewinnt langfristig die Elektromobilität auch im Güterverkehr eine größere Rolle. Nur zeigen alle seriösen Klimaschutzszenarien für den Mobilitätssektor, dass CO2-Einsparungen im Bereich der oben genannten 2-Grad-Ziele für 2050 nur erreicht werden können, wenn zusätzlich nachhaltig produzierte Biokraftstoffe (mit niedriger Vorkette) zur Verfügung stehen.

Biomasse ist für den Mobilitätssektor alternativlos, während für den Wärme- und Stromsektor die Biomasse nicht zwingend erforderlich ist, da die 2-Grad-Ziele hier über andere EE-Quellen wie Sonne, Wind, Geothermie etc. erreichbar sind.

Somit scheint es auf den zweiten Blick sinnvoller, Biomasse für den Mobilitätssektor zu reservieren, wenn Biomasse zukünftig ein knappes Gut sein sollte [9].

Potenziale und Grenzen

Was sind nun die globalen Potentiale zur Produktion von Biokraftstoffen? Im Folgenden wird unterstellt, dass es im nächsten Jahrzehnt gelingt, Biokraftstoffe der 2. Generation konkurrenzfähig zu entwickeln. Dies würde über die Möglichkeiten, größere Teile der Organik der Pflanze nutzen zu können, die Biokraftstoffmengen, die aus einem Hektar landwirtschaftlicher Fläche zu gewinnen ist, deutlich steigern. Dies kann bis zu einer Verdopplung der Erträge und darüber gehen. Dennoch beantwortet dies nicht die Frage nach Potenzial und Grenzen für den Mobilitätssektor.

Abbildung 2:Trends in der Nahrungsmittelproduktion 2007-2016. Die OECD-Staaten werden zur Getreidekammer der Welt. Die Entwicklungsländer bauen höherwertige Agrarprodukte aus.
(Quelle: Pütter Woche 22, Jahr 2008)

Eine Antwort kann zudem nicht für den Biokraftstoffsektor exklusiv gegeben werden, da Biomasse als "Erneuerbare Energie" auch für andere Sektoren zur Erreichung des 2-Grad-Ziels benötigt wird. Daher kann die Antwort nur global für den Energiesektor insgesamt im Rahmen von Szenarien gegeben werden.

Wieviel Energie wird die Welt 2050 konsumieren? Sofern die Weltgemeinschaft sich auf einen effizienten und sparsamen Umgang mit natürlichen Ressourcen verständigt, kann der Energieverbrauch in Grenzen gehalten werden. Die Internationale Energie Agentur IEA hat ein "Baseline" und ein "Blue Map" Szenario gerechnet (Tabelle 1) [10].

 Technologische und politische Perspektiven
 Baseline Szenario 2050 [EJ]Blue Map Szenario 2050 [EJ]
Welt Energie Bedarf977 750
Biomassebedarf, Primärenergie90150
davon Biokraftstoffe4,529,1
Tabelle 1:Biomasse und Biokraftstoffbedarf in 2050 in Exajoule* [EJ] nach IEA [10]
(*) 1 Exajoule = 1018 Joule = 1 Million Terajoule

Um Biomasse mit einem Primärenergiegehalt von 150 Exajoule (EJ) bereitzustellen, werden in etwa 375 bis 750 Millionen Hektar an landwirtschaftlicher Produktionsfläche benötigt. Geht dieser Flächenbedarf zu Lasten der Nahrungsmittelversorgung der Bevölkerung oder zu Lasten des Naturschutzes? Dies hängt, wie letztlich alle Risiken, die mit dem Thema Klimaschutz zusammen hängen, davon ab, ob eine gute politische Praxis (good governance) gelingt, um die vielen Probleme zu lösen.

Rein akademisch betrachtet ist das 2-Grad-Ziel erreichbar und die hierfür erforderlichen Biomassepotentiale sind erschließbar, ohne dass der Naturschutz oder die Nahrungsmittelversorgung unter die Räder kommen muss [11]. In den letzten Jahren sind rund ein Dutzend seriöse Studien durchgeführt worden, um das globale Biomassepotenzial für 2050 abzuschätzen. Die Ergebnisse schwanken im Bereich von 100 bis beinahe 1.000 EJ/a [11]. Die Schwankungsbreite erklärt sich über die jeweils eingeflossenen Annahmen und Randbedingungen. Zu den eher vorsichtigen Wissenschaftlern gehört der WGBU, der bei ausreichenden Finanzmitteln und good governance in den betreffenden Ländern 80 bis 170 EJ für möglich hält. Ohne diese Randbedingungen geht er eher von 40 bis 85 EJ aus [12].

Dabei ist in diesen Untersuchungen noch nicht eingeflossen, dass es gerade in Afrika möglich erscheint, die in den letzten Jahrzehnten durch schlechte landwirtschaftliche Praxis verloren gegangenen Landflächen mit einer zugegeben großen Kraftanstrengung wieder zurück zu gewinnen. Nach FAO sind 800 Millionen Hektar sehr schwer und 2.700 Millionen Hektar schwer degradiert. Es existiert also ein im Grundsatz ausreichendes Potenzial, um Agrarland substanziell zu vergrößern und gleichzeitig Entwicklung zu fördern [13].

Damit verbleibt am Ende nur ein politisches Fazit zu ziehen: Ja, man könnte ...

Schlauer Fuchs

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Literaturhinweise

[1] Greenpeace Deutschland: Biokraftstoffe und Klimaschutz, Berlin, 2008 http://www.greenpeace.de/fileadmin/gpd/user_upload/themen/klima/CBD/Studie_Biokraftstoffe_und_Klimaschutz.pdf
[2] WWF Deutschland: Modell Deutschland - Auswege aus der Krise, Berlin, 2010 http://www.wwf.de/presse/details/news/modell_deutschland_ausweg_aus_dem_treibhaus/
[3] So sind Verfahren zur thermischen Zerlegung der Biomasse und anschließender Neusynthese von Kohlenwasserstoffen in der Entwicklung. Z.B.: http://www.choren.com/de/biomass_to_energy/carbo-v-technologie/ oder http://iwrwww1.fzk.de/bioliq/konzept.html. Weiter sind Verfahren in der Entwicklung, die neben Zucker und Stärke auch das Zellstoffgerüst der Pflanze für die alkoholische Gärung erschließen wollen: http://www.iogen.ca/cellulosic_ethanol/what_is_ethanol/process.html. Schließlich sind in diesem Zusammenhang auch Entwicklungen auf dem Feld der Bioraffinerie zu nennen: http://www.wiley-vch.de/publish/dt/books/bySubjectCH00/ISBN3-527-31027-4/authorinformation/?sID=3e1dd0640fd006b852e8cc1bb8af814b
[4] http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2009:140:0016:0062:DE:PDF, bezüglich der Nachhaltigkeitsanforderung identisch mit der EU-Kraftstoffrichtlinie für Biokraftstoffe.
[5] Fargione J. et. al.: Land Clearing and the Biofuel Carbon Debt. Science 319, 5867, pp 1235 - 1238, 2008
[6] Grund hierfür ist, dass in den Kleinanlagen häufig nur Strom mit vergleichsweise geringem Wirkungsgrad ausgekoppelt wird. Bezieht man dann noch die Methanverluste beim Umgang mit den Gärresten ein, dann sind die ökobilanziellen Ergebnisse für diese Art der Stromproduktion schlechter als für viele "mittelprächtige" Biokraftstoffe der 1. Generation.
[7] Empfehlungen des IPCC, die CO2-Emissionen so zu senken, dass die mittlere globale Temperatur nicht über 2 Grad Celsius steigt (= atmosphärisches CO2 nicht deutlich über 450 ppm erhöhen). Auch auf der Klimaschutzkonferenz 2009 in Kopenhagen als Handlungsgrundlage der Weltgemeinschaft akzeptiert.
[8] Elektromobilität ist unter Klimaschutzgesichtspunkten aber nur dann interessant, wenn sie mit EE-Strom erfolgt. Siehe auch: http://www.pt-elektromobilitaet.de/downloads/praesentation_nep_090922.pdf
[9] Das Kernargument: Der Mangel an Alternativen, wenn man die für 2050 erforderlichen hohen CO2-Einsparungen erreichen will. Siehe auch WWF, Lit. 2
[10] IEA: Energy Technology Perspectives 2008: Scenarios and Strategies to 2050, OECD/IEA, Paris, 2008
[11] Lahl U.: Ölwechsel - Biokraftstoffe und nachhaltige Mobilität. Rhombos Verlag, Berlin, 2009
[12] WGBU: Zukunftsfähige Bioenergie und nachhaltige Landnutzung, Berlin 2008: http://www.wbgu.de/wbgu_jg2008_kurz.html
[13] Metzger JO & Huettermann A (2008). Sustainable global energy supply based on lignocellulosic biomass from afforestation of degraded areas. Naturwissenschaften, Online-Ausgabe.
BZL