Bioenergie: Sonnenlicht, in Chemie gespeichert
Biomasse ist die einzige Erneuerbare, die zugleich ein Brennstoff ist, und damit die einzige, die sich als Haufen lagern, per Lastwagen fahren und bei Bedarf verbrennen lässt. Diese Flexibilität ist der Grund, warum sie fortbesteht. Sie ist zugleich der Grund, warum ihre Klimabilanz umstrittener ist als die jeder anderen Erneuerbaren: Der freigesetzte Kohlenstoff ist real, der wieder aufgenommene ein Versprechen über die Zukunft.
Sonnenlicht in chemischer Form
Die Photosynthese nimmt Kohlendioxid, Wasser und Licht und erzeugt Kohlenhydrate und Sauerstoff. Die Energie der Photonen landet in chemischen Bindungen, weshalb Pflanzenmaterial brennt: Die Verbrennung kehrt die Reaktion um, setzt die Energie als Wärme frei und gibt das Kohlendioxid zurück.
Nach technischen Maßstäben ist diese Umwandlung ineffizient. Der theoretische Höchstwirkungsgrad der Photosynthese liegt bei rund 6 Prozent für den günstigsten Weg, und wirkliche Kulturen erreichen über eine Vegetationsperiode 0,5 bis 2 Prozent, sobald Atmung, Saisonalität und nicht nutzbare Pflanzenteile abgezogen sind. Ein Photovoltaikmodul auf derselben Fläche wandelt 20 Prozent und mehr desselben Sonnenlichts in Echtzeit.
Dieser Vergleich wird oft als entscheidend präsentiert, und das ist er nicht. Das Modul erzeugt Strom in dem Augenblick, in dem die Sonne scheint, und nachts gar nichts; die Pflanze erzeugt einen festen Gegenstand, der ein Jahr in der Scheune liegen und im Februar verbrannt werden kann. Biomasse tauscht Umwandlungswirkungsgrad gegen Lager- und Transportfähigkeit, also gegen die beiden Dinge, in denen Strom am schlechtesten ist. Als Form der Energiespeicherung ist ein Holzstapel bemerkenswert leistungsfähig.
Die Energiedichte folgt der Chemie. Trockenes Holz hält rund 15 bis 19 Megajoule je Kilogramm, gegenüber etwa 40 bei Diesel, und der Feuchtegehalt wiegt enorm - nasses Holz verbraucht einen erheblichen Teil seiner eigenen Energie darauf, sein Wasser zu verdampfen.
Drei Wege, die Energie zurückzuholen
Die direkte Verbrennung ist die älteste und noch immer größte. Holz, Pellets, landwirtschaftliche Reststoffe und Siedlungsabfall verbrennen in Kesseln und erzeugen Dampf für Wärme oder Strom. Der elektrische Wirkungsgrad eines reinen Biomassekraftwerks ist mit 20 bis 30 Prozent bescheiden, denn es gelten dieselben thermischen Grenzen wie bei Kohle. Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung, die die Abwärme für Fernwärme oder industrielle Prozesse nutzen, erreichen 80 Prozent Gesamtausnutzung - dort ergibt Verbrennung den meisten Sinn.
Die anaerobe Vergärung geht einen anderen Weg. Bakterien bauen feuchtes organisches Material ohne Sauerstoff ab und erzeugen Biogas, typischerweise mit 50 bis 70 Prozent Methan. Der Einsatzstoff ist das, was sonst ein Entsorgungsproblem wäre - Gülle, Speisereste, Klärschlamm -, und das Verfahren verarbeitet Material, das zum Verbrennen zu nass ist. Nach Abtrennung des Kohlendioxids ist das Produkt chemisch gleichwertig mit Erdgas und kann in das bestehende Netz. Allein in Deutschland laufen rund 9.000 Vergärungsanlagen.
Flüssige Biokraftstoffe bedienen den Verkehr, wo die Energiedichte je Liter zählt. Ethanol aus Zucker- oder Stärkepflanzen wird in Brasilien und den USA großtechnisch dem Benzin beigemischt. Biodiesel aus Pflanzenölen und Altfetten ersetzt Dieselkraftstoff. Beide sind ausgereift, und beide konkurrieren unmittelbar mit der Nahrungsmittelerzeugung, wenn sie aus eigens angebauten Kulturen stammen - das ist der zentrale Einwand gegen sie.
Ein vierter Weg, die Vergasung, wandelt feste Biomasse bei hoher Temperatur und begrenztem Sauerstoff in ein brennbares Gasgemisch. Sie bietet höhere elektrische Wirkungsgrade als die direkte Verbrennung und einen Ausgangsstoff für synthetische Kraftstoffe, erwies sich im kommerziellen Maßstab aber als anhaltend schwierig im zuverlässigen Betrieb.
Was Klimaneutralität tatsächlich voraussetzt
Das Argument für Biomasse als klimafreundlich ist im Umriss einfach. Einen Baum zu verbrennen setzt Kohlenstoff frei, den der Baum beim Wachsen aufgenommen hat. Wächst ein neuer Baum nach, kommt der Kohlenstoff wieder aus der Atmosphäre heraus. Nettowirkung über den Zyklus: null.
Jedes Wort daran hängt daran, dass der Zyklus sich schließt, und die Schwierigkeit ist der Zeitpunkt. Der Kohlenstoff wird an einem Nachmittag frei und über eine Umtriebszeit wieder aufgenommen, die bei Stroh eine Saison, bei schnellwachsender Weide sieben Jahre und bei einem alten Wald achtzig Jahre betragen kann. In den Jahrzehnten dazwischen ist der Kohlenstoff in der Atmosphäre und tut, was Kohlenstoff dort tut. Diese Lücke heißt üblicherweise Kohlenstoffschuld, und bei langsam wachsendem Material kann sie lang genug sein, um für nahe Klimaziele erheblich ins Gewicht zu fallen.
Die Rechnung muss außerdem einbeziehen, was sonst geschehen wäre. Auf dem Feld verbliebene Ernterückstände verrotten und geben ihren Kohlenstoff ohnehin ab, sodass ihre Verbrennung den Zeitpunkt ändert und nicht die Menge. Ein stehender Baum, der weitergewachsen wäre, ist ein völlig anderer Fall. In dieser Gegenrechnung liegt der größte Teil der echten wissenschaftlichen Uneinigkeit, und deshalb unterscheidet sich die Politik zur Biomasse zwischen Rechtsräumen so stark.
Die Flächennutzung ist das zweite Bilanzproblem. Eigens angebaute Energiepflanzen belegen Boden, der Nahrung tragen oder Wald halten könnte, und die mittelbaren Wirkungen - verdrängte Landwirtschaft, die andernorts Flächen rodet - sind real und schwer zu beziffern. Reststoffe und Abfälle umgehen das weitgehend, weshalb sorgfältige Bewertungen ihnen gegenüber eigens erzeugtem Brennstoff meist den Vorzug geben.
Wo sie hingehört
Rund zwei Drittel der weltweiten Bioenergie sind traditionelle Nutzung: Holz, Holzkohle und Dung, verbrannt zum Kochen und Heizen, überwiegend in einkommensschwachen Regionen. Das ist keine Klimatechnik, sondern eine Entwicklungsfrage, und die damit verbundene Luftverschmutzung in Innenräumen verursacht jährlich Millionen vorzeitiger Todesfälle. Sie durch saubereres Kochen zu ersetzen ist eine Priorität der öffentlichen Gesundheit und hat mit der Biomassedebatte wohlhabender Länder wenig zu tun.
Moderne Biomasse besetzt bestimmte Nischen, in denen ihre Lagerfähigkeit den Ausschlag gibt. Industrielle Prozesswärme oberhalb dessen, was Wärmepumpen erreichen, Fernwärme in waldreichen Regionen mit Sägewerksresten vor der Tür, und abrufbarer Strom für eine windstille, dunkle Woche - dieselbe Rolle, für die Wasserkraft mit Speicher und Kernspaltung geschätzt werden und die wetterabhängige Quellen nicht ausfüllen können.
Die Luftfahrt ist die Anwendung, in der flüssige Biokraftstoffe am wenigsten ersetzbar sind, denn Batterien liegen weit von der Energiedichte entfernt, die Langstreckenflug verlangt, und werden das auf absehbare Zeit bleiben.
Verbunden mit Kohlenstoffabscheidung ergibt die Biomasseverbrennung einen Pfad zu negativen Emissionen, denn der von der Pflanze aufgenommene Kohlenstoff landet unter der Erde statt zurück in der Atmosphäre. Das taucht in den meisten modellierten Wegen zur Klimaneutralität auf, in Größenordnungen, die sehr große Mengen nachhaltig gewonnener Biomasse erfordern würden - womit die Diskussion zu Flächennutzung und Nachwachsen zurückkehrt, wo sie begann.
Häufige Fragen
Ist die Verbrennung von Biomasse klimaneutral?
Nur wenn das geerntete Material nachwächst und der Zeitraum kurz genug ist, um zu zählen. Stroh wächst in einer Saison nach, ein alter Wald braucht Jahrzehnte, in denen der freigesetzte Kohlenstoff in der Atmosphäre steht. Reststoffe, die ohnehin verrottet wären, haben einen starken Fall; langsam wachsendes Holz, eigens als Brennstoff geerntet, einen viel schwächeren.
Warum ist Photosynthese so viel ineffizienter als Photovoltaik?
Eine Pflanze setzt deutlich unter 1 Prozent des einfallenden Sonnenlichts in nutzbare Biomasse um, ein Photovoltaikmodul 20 Prozent und mehr. Die Pflanze erzeugt dafür einen lagerfähigen Feststoff, der Monate später verbrannt werden kann, während das Modul nur Strom liefert, solange die Sonne scheint. Getauscht wird Wirkungsgrad gegen Lagerfähigkeit.
Was unterscheidet Biogas von Biomasse?
Biomasse ist das organische Material selbst. Biogas ist ein daraus gewonnenes Produkt, durch anaerobe Vergärung: Bakterien bauen feuchtes organisches Material ohne Sauerstoff ab und erzeugen ein Gas mit typischerweise 50 bis 70 Prozent Methan. Die Vergärung verarbeitet Stoffe, die zum Verbrennen zu nass sind, etwa Gülle und Speisereste.
Konkurriert Biomasse mit der Nahrungsmittelerzeugung?
Eigens angebaute Energiepflanzen tun das, unmittelbar über die Fläche und mittelbar, indem sie Landwirtschaft andernorts verdrängen. Reststoffe und Abfälle - Stroh, Gülle, Sägewerksreste, Deponiegas - weitgehend nicht, weshalb sorgfältige Bewertungen ihnen den Vorzug geben. Die Unterscheidung zwischen abfallbasierter und eigens angebauter Biomasse wiegt schwerer als das Etikett selbst.
Wie viel Weltenergie stammt aus Biomasse?
Rund 10 Prozent der Primärenergie, womit sie nach diesem Maßstab die größte erneuerbare Quelle ist. Etwa zwei Drittel davon sind traditionelle Nutzung zum Kochen und Heizen in einkommensschwachen Regionen und keine moderne Stromerzeugung, und dieser Anteil sinkt, während sich sauberere Alternativen ausbreiten.
