Bioenergie

Rudolf Diesel entwickelte seinen Selbstzündungsmotor in den 1890er Jahren, das erste erfolgreiche Modell war 1897 fertig. Auf der Pariser Weltausstellung 1900 wurde ein kleiner Dieselmotor der französischen Otto Company auf Wunsch der französischen Regierung mit Erdnussöl vorgeführt. Der Motor war für gewöhnliche Öle gebaut worden, lief aber ohne Umbau mit Pflanzenöl.

Biomasse und Biokraftstoffe können lange gelagert und immer dann genutzt werden, wenn Energie gebraucht wird, und geben Ländern das ganze Jahr über Energiesicherheit. Das hängt jedoch von der Art des Biokraftstoffs ab, und es gibt Ausnahmen. Die Lagerdauer unterscheidet sich stark je nach Kraftstoff, Zusammensetzung und Lagerbedingungen, und manche Biokraftstoffe sind viel weniger stabil als andere ^{[58-64,66,68]}.

Zum Beispiel reagieren Holzpellets und andere feste Biomasse besonders empfindlich auf Feuchtigkeit, Temperatur, Belüftung und Handhabung. Schlechte Bedingungen können biologischen Abbau, Energieverlust oder Selbsterhitzung verursachen, während trockene und gut belüftete Lagerung ihre Qualität erhalten kann ^[60,61].

Ein langlebiger Biokraftstoff wie HVO (hydriertes Pflanzenöl) ist sehr widerstandsfähig gegen Oxidation und kann laut Anbietern etwa 10 Jahre halten, bevor er sich zersetzt, sofern passende Lagerbedingungen eingehalten werden ^A. Unabhängige Forschung bestätigt ebenfalls die vergleichsweise hohe Stabilität von HVO, auch wenn es Biodiesel - Diesel-Gemischen beigemischt wird ^[64]. Die Stabilität von FAME-Biodiesel (Fettsäuremethylester) hängt stark von seiner Fettsäurezusammensetzung ab: Gesättigte FAMEs sind meist stabiler und halten länger als ungesättigte FAMEs, je nach den Abfällen, aus denen sie hergestellt werden. Deshalb kann der ursprüngliche Rohstoff für den Biokraftstoff die Lagerdauer deutlich beeinflussen ^[62,63].

Obwohl Biodiesel leicht biologisch abbaubar ist, wird er bei der Lagerung vor allem durch Oxidation und Verunreinigung beeinträchtigt, nicht durch seine biologische Abbaubarkeit selbst. Hitze und Kontakt mit Luft, Licht, Wasser oder bestimmten Metallen können den Abbau beschleunigen, während Antioxidantien und passende Lagerbedingungen ihn bremsen können ^[58,62,63]. Eine Studie berichtet, dass Biodiesel 6 Monate gelagert werden kann, bevor der Abbau beginnt, und nach einem Jahr möglicherweise nicht mehr direkt in Motoren genutzt werden kann ^[58,59].

Mischungen aus Biokraftstoffen (z. B. FAME-Biodiesel mit fossilem Diesel oder HVO) können die Stabilität verbessern, die Lagerdauer verlängern und ihre Wirksamkeit als direkt nutzbarer Kraftstoff für Standardmotoren erhalten, wobei das Ergebnis von den beteiligten Kraftstoffen und ihren Anteilen abhängt ^{[58,59,62,64]}.

Speziell entwickelte Nano-Biodiesel werden mit Nanopartikeln versetzt, die sie weniger anfällig für Oxidation machen, und können deshalb viel länger stabil bleiben ^[59]. Sie können außerdem die Kraftstoffverbrennung und Energieeffizienz verbessern und den Ausstoß einiger Schadstoffe verringern. Ihre Wirkung hängt jedoch von Material, Konzentration, Kraftstoff und Motor ab, und manche Zusammensetzungen können die Stickoxid-Emissionen erhöhen ^B.

Biokraftstoffe sind weniger lange haltbar als normale fossile Brennstoffe (doch HVO ist eine wichtige Ausnahme). Trotzdem können sie helfen, das Problem der schwankenden Wind-/Solarenergie zu lösen: Selbst Biokraftstoffe, die Monate statt Jahre gelagert werden, können schnell verfügbare Reserveenergie und Energiesicherheit in Zeiten mit wenig Wind- oder Solarstrom liefern, wenn genug Vorräte und Anlagen vorhanden sind ^[23,66,68]. Wenn Rohstoffe und Lieferketten nachhaltig gesteuert werden, können sie zu CO₂-Neutralität und umfassenderen Emissionssenkungen beitragen ^{[19-22,72-76]}.

^A HVO-Kraftstoff für lange Haltbarkeit und Sicherheit lagern | Vectec

^B Anwendungen der Nanotechnologie bei der Biodieselverbrennung und nach der Verbrennung | Renewable and Sustainable Energy Reviews

Bioenergie ist nicht automatisch CO₂-neutral. Ihre Klimawirkung hängt vom Ausgangsmaterial, dem Nachwachsen, davon, was sonst mit der Fläche oder dem Material passiert wäre, den Emissionen in der Lieferkette und der Zeit ab, die nötig ist, um das freigesetzte CO₂ wieder aufzunehmen. Verfahren auf Basis von Abfällen und Reststoffen können relativ emissionsarm sein, während Landnutzungsänderungen oder die Ernte langsam nachwachsender Wälder eine CO₂-Schuld schaffen können, die Jahre oder Jahrzehnte anhält.

Siehe: Carbon Accounting for Sustainable Biofuels - Analysis | IEA

In Brasilien wurden Millionen Hektar Regenwald, Savanne und andere heimische Ökosysteme für die Landwirtschaft gerodet, darunter für den Anbau von Soja und Zuckerrohr.

Trase verknüpfte Brasiliens Sojaernte 2020 mit 562.000 Hektar - 5.620 Quadratkilometern - jüngster Entwaldung und Umwandlung natürlicher Vegetation. Dazu gehörten etwa 76.400 Hektar im Amazonas und 23.600 Hektar im Atlantischen Regenwald, obwohl der Großteil im Cerrado und in den Pampas lag. Das Cerrado-Biom, ein wichtiges Gebiet für Soja und Zuckerrohr, hat besonders umfangreiche Landumwandlungen erlebt ^[82,83]. Diese Zahlen verbinden die brasilianische Sojaproduktion mit Landumwandlungen von Tausenden Quadratkilometern, darunter große Regenwaldflächen.

Sowohl Soja als auch Zuckerrohr sind mit Brasiliens Biokraftstoffindustrie verbunden ^[78,80,81]. Etwa die Hälfte des brasilianischen Zuckerrohrs wird zu Ethanol verarbeitet ^C. Sojabohnen werden vor allem als Tierfutter angebaut, liefern aber als Nebenprodukt Sojaöl, das rund 70 % des Biodiesels im Land ausmacht ^D. In ganz Südamerika hat sich die mit Soja bepflanzte Fläche von 26,4 Millionen Hektar im Jahr 2000 auf 55,1 Millionen Hektar im Jahr 2019 mehr als verdoppelt ^[82]. Die Ausweitung des Anbaus dieser Pflanzen kann Entwaldung direkt antreiben, wenn die Pflanzen heimische Vegetation ersetzen, oder indirekt, wenn sich ihr Anbau auf bestehendes Agrarland ausdehnt und dadurch Viehweiden oder andere Aktivitäten in neu gerodete Gebiete verdrängt ^[78-82,84].

Die mit Soja verbundene Entwaldung in Brasilien ist deutlich größer als direkte Rodungen für Zuckerrohr ^[80-83]. Ab 2009 begrenzte die Politik der Zuckerrohr-Agroökologischen Zonierung (ZAE Cana) die Ausweitung von Zuckerrohr in wichtigen Biomen wie dem Amazonas und dem Pantanal (obwohl die Politik 2019 aufgehoben wurde, was die Sorgen über Entwaldung verstärkte) ^[81]. Der Zuckerrohranbau konzentrierte sich daher historisch auf zentrale und südliche Regionen außerhalb des Amazonas, oft auf bestehendem Agrarland, degradierten Weiden oder im Cerrado. Sein direkter Beitrag zum Verlust des Amazonas-Regenwalds ist daher viel kleiner als der von Rindern oder Soja. Trotzdem kann seine Ausweitung in den Cerrado oder auf Weiden heimische Vegetation ersetzen oder andere landwirtschaftliche Aktivitäten verdrängen und so zu stärkerem Entwaldungsdruck beitragen ^[78,80,81]. Tatsächlich prognostizierte eine Modellstudie aus dem Jahr 2010, dass die Ausweitung von Zuckerrohr-Ethanol bis 2020 indirekt zu etwa 50.000 km² (5 Millionen Hektar) Entwaldung beigetragen haben könnte, vor allem indem sie Rinderweiden in Waldgebiete verdrängte ^[85].

Die Nachfrage nach Biokraftstoffen kann daher zur Entwaldung beitragen, indem sie die Nachfrage nach Zuckerrohr-Ethanol und Sojaöl für Biodiesel erhöht. Die gesamte betroffene Fläche kann jedoch nicht speziell Biokraftstoffen zugeschrieben werden: Soja liefert auch Tierfutter und Lebensmittel, Zuckerrohr liefert auch Zucker, und ein großer Teil der umgewandelten Vegetation ist Savanne oder Grasland statt Regenwald. Angesichts des Ausmaßes der mit Soja verbundenen Umwandlung sowie der direkten und indirekten Effekte beider Pflanzen bleibt die Schätzung, dass Tausende Quadratkilometer brasilianischen Regenwalds teilweise für Biokraftstoffpflanzen gerodet wurden, dennoch hinsichtlich der Größenordnung plausibel, auch wenn sie keine genaue Gesamtsumme ausschließlich für Biokraftstoffe darstellt ^[78-84].

^C Brasiliens Aufteilung von Zuckerrohr zwischen Zucker und Ethanol | Reuters

^D Rund 70 % des brasilianischen Biodiesels stammen aus Sojabohnen | Reuters

Weiterführende Literatur:

In Brasilien wird der Zuckerrohr-Boom zur neuen Bedrohung für den Amazonas-Regenwald | Sierra Club

Brasiliens Zuckerrohrwachstum kann den Biokraftstoffbedarf decken, ohne Entwaldung anzutreiben: Studie | Mongabay

KORREKTUR: Rund 55 % der öffentlich angekündigten SAF-Zusagen und Liefervereinbarungen europäischer Fluggesellschaften sollen aus gebrauchten Ölen und Fetten stammen, darunter tierische Fette, gebrauchtes Speiseöl und andere Altöle. Das beschreibt Vereinbarungen und geplante Verträge, nicht bereits eingesetzten Treibstoff, wie im Video gesagt.

BECCS kann nur dann negative Emissionen erzeugen, wenn Biomasse beim Nachwachsen tatsächlich CO₂ aus der Atmosphäre aufnimmt und dauerhaft mehr von diesem CO₂ gespeichert als im gesamten Prozess freigesetzt wird. In der Realität hängt das von mehr ab als den Emissionen der Bioenergieanlage. Es hängt auch von Emissionen aus Lieferkette und Landnutzung sowie den langfristigen Kohlenstoffbilanzen ab. Dazu gehören Kohlenstoffverluste aus Vegetation und Böden; die Zeit, die Biomasse zum Nachwachsen braucht; Emissionen aus Anbau und Düngemitteln, Ernte, Verarbeitung und Transport; die Energie für das Abscheiden, Verdichten und Einpressen des CO₂ sowie jedes CO₂, das das Abscheidesystem nicht erfasst. Auch andere Treibhausgase wie Methan und Lachgas müssen einbezogen werden. Die endgültige Bilanz hängt daher vom Ausgangsmaterial, der Landbewirtschaftung, der Abscheiderate, den Energiequellen und dem betrachteten Zeitraum ab ^{[72-76,97-102,118-121]}.

Für die langfristige Speicherung wird abgeschiedenes CO₂ normalerweise verdichtet und in tiefe, poröse Gesteinsformationen wie Salzwasserformationen oder erschöpfte Öl- und Fossilgaslagerstätten eingepresst. In Wirklichkeit besetzt das CO₂ winzige Hohlräume im Gestein, statt einfach eine große unterirdische Kaverne oder einen Minenschacht zu füllen. Sorgfältige Standortwahl, sichere Bohrungen, Druckmanagement, Überwachung und langfristige Kontrolle sind entscheidend, damit es eingeschlossen bleibt ^{[118,127,128]}.

Das größte Leckagerisiko besteht darin, dass abgeschiedenes CO₂ beim Transport oder Einpressen entweicht oder später durch Verwerfungen, Risse oder beschädigte oder schlecht abgedichtete Bohrungen. Die Belege in [125-128] betreffen größtenteils mögliche Leckagewege, kontrollierte Experimente, Modellierungen und Risikobewertungen; sie zeigen nicht, dass Leckagen an gut geführten kommerziellen Speicherstandorten häufig sind. Bei richtig ausgewählten und überwachten geologischen Formationen wird erwartet, dass sie fast das gesamte eingepresste CO₂ sehr lange halten, auch wenn das Risiko nicht als null gelten kann. Die Menge an entweichendem CO₂ muss von der angegebenen Gesamtmenge des der Atmosphäre entzogenen CO₂ abgezogen werden, und die Leckagen müssen durch weitere Überwachung und Sanierung behoben werden.

Mikroalgen können in offenen Teichen oder geschlossenen Photobioreaktoren auf nicht landwirtschaftlich nutzbaren, degradierten, salzhaltigen oder sonst wenig wertvollen Flächen angebaut werden und konkurrieren so nicht direkt mit herkömmlichen Nahrungspflanzen. Geeignete Standorte brauchen trotzdem genug Licht, Wasser, Nährstoffe und CO₂, während der Flächenbedarf von Algenart, lokalem Klima und Anbausystem abhängt. Weil Algen schnell wachsen und pro Flächeneinheit mehr Kraftstoff liefern können als herkömmliche Biokraftstoffpflanzen, kann ihr gesamter Flächenbedarf deutlich geringer sein ^[129-134].

Seetang braucht weder Ackerland noch Süßwasser. Seetangfarmen können vorübergehende Lebensräume für Fische und wirbellose Tiere schaffen, überschüssige Nährstoffe aufnehmen, den lokalen Sauerstoffgehalt und pH-Wert erhöhen und die Wellenenergie verringern. Der Nutzen für die Artenvielfalt hängt von den angebauten Arten, Größe und Aufbau der Farm, Wasserbewegung, Standort und Erntemethoden ab. Eine sorgfältige Standortwahl kann diese Vorteile maximieren und gleichzeitig Schäden an bestehenden Lebensräumen wie Seegraswiesen oder die Einführung nicht heimischer Arten vermeiden ^[135-140].

Mikrobielle Brennstoffzellen nutzen Bakterien, um organische Stoffe im Abwasser abzubauen und die dabei frei werdenden Elektronen auf eine Elektrode zu übertragen, wodurch elektrischer Strom entsteht. Das Entfernen dieser organischen Stoffe hilft, das Abwasser zu reinigen, obwohl MFCs normalerweise nicht alle Behandlungsschritte allein übernehmen: Eine weitere Behandlung kann weiterhin nötig sein, um verbleibende organische Stoffe, Nährstoffe und Krankheitserreger zu entfernen ^[141-144].

In der Praxis liegt ihr wichtigster wirtschaftlicher Vorteil vielleicht eher darin, den Strombedarf der Behandlung zu senken, statt große Mengen Überschussstrom zu erzeugen, der anderswo genutzt werden kann. Herkömmliche Abwasserbehandlung braucht viel Energie, um Sauerstoff ins Wasser zu pumpen. MFCs können einen Teil dieser Belüftung einsparen und zugleich einen kleinen Teil der chemischen Energie des Abwassers als Strom zurückgewinnen, was den gesamten Energiebedarf der Kläranlage senken könnte. Zusammen könnten diese Vorteile die Abwasserbehandlung letztlich günstiger machen. Vorerst sorgen jedoch hohe Bau- und Materialkosten dafür, dass dies im kommerziellen Maßstab noch nicht zuverlässig gezeigt wurde ^[141-143].

Um diesen Punkt zu erreichen, müssen MFCs vielleicht nicht die Stromerzeugung maximieren. Anders gesagt ist das System, das den meisten Strom erzeugt, nicht unbedingt das wirtschaftlichste Behandlungssystem. Eine technoökonomische Studie ergab, dass günstigere Elektrodenmaterialien trotz geringerer Stromerzeugung eine kosteneffizientere Abwasserbehandlung ermöglichen könnten ^E. Das legt nahe, dass die praktische Entwicklung von MFCs davon profitieren könnte, einer kostengünstigen Behandlung Vorrang vor maximaler Stromerzeugung einzuräumen.

Die Stromerzeugung bleibt jedoch gering, insbesondere wenn das Abwasser sauberer wird und den Bakterien weniger organisches Material zur Verfügung steht. Größere Systeme müssen außerdem Herausforderungen bei den Kosten für Elektroden und Membranen, bei Fouling, ungleichmäßiger Leistung und langfristiger Zuverlässigkeit bewältigen. Eine Pilotstudie mit 1.000 Litern hat gezeigt, dass die Technologie mit echtem kommunalem Abwasser funktionieren kann, erreichte aber nur eine teilweise Reinigung und bescheidene Stromerzeugung. Vorerst bleiben MFCs daher vor allem eine experimentelle Methode, Abwasserbehandlung mit Energierückgewinnung in geringem Umfang zu verbinden, statt eine große Stromquelle zu sein ^[141-144].

^E Strom zugunsten einer kosteneffizienteren Behandlung opfern: Ein technoökonomischer Ansatz zur Entwicklung mikrobieller Brennstoffzellen | Chemosphere