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Biokraftstoff

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Akronym: BtL = biomass to liquid

Definition: ein Kraftstoff, der aus Biomasse hergestellt wird

Englisch: biomass fuel

Kategorien: Energieträger, Fahrzeuge

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 22.02.2013; letzte Änderung: 17.05.2015

Heute wird fast der gesamte weltweite Bedarf an Kraftstoffen aus Erdöl hergestellt. Da Erdöl jedoch ähnlich wie andere fossile Energieträger allmählich knapper wird und seine Verwendung außerdem das klimaschädliche Kohlendioxid (CO2) freisetzt, gibt es verstärkte Bemühungen, Kraftstoffe aus verschiedenen Formen von Biomasse zu gewinnen. Damit erhält man einerseits erneuerbare Energie, die der Menschheit also nie ausgehen kann, und andererseits theoretisch auch CO2-neutrale Energie: Beim Aufwachsen der Pflanzen, aus denen Biomasse gewonnen wird, wird so viel CO2 gebunden, wie später bei der Verbrennung freigesetzt wird. Allerdings ist damit nicht berücksichtigt, dass der Ackerbau auf verschiedene Weisen CO2 und andere klimaschädliche Gase (z. B. Methan und Lachgas) freisetzen kann, so dass die Klimabilanz mancher Biokraftstoffe sogar wesentlich schlechter ist als der von erdölbasierten Kraftstoffen [1]. Auch andere Umweltschädigungen durch die Herstellung von Biokraftstoffen können erheblich sein. Allerdings sind pauschale Urteile nicht sinnvoll, da die Umweltbelastungen wie auch andere Nachteile stark von den jeweiligen Ausgangsstoffen und Herstellungsverfahren abhängen. Es ist auch zu beachten, dass die Umweltbelastung der Erdölgewinnung tendenziell zunimmt, da zunehmend sogenannte unkonventionelle Fördermethoden angewandt werden müssen, um die Produktion aufrechterhalten zu können.

Wenn Biokraftstoffe (umgangssprachlich auch Biosprit) aus eigens angebauten Energiepflanzen (nicht aus Reststoffen) hergestellt werden, spricht man auch von Agrokraftstoffen oder Agrokraftstoffen (oder auch Agrotreibstoffen). Diese Bezeichnungen werden von Kritikern teils bevorzugt und sind auch zutreffender, zumal die oft falsche Assoziation mit bio = gesund und umweltfreundlich vermieden wird.

Da Biokraftstoffe bislang deutlich teurer sind als Erdölprodukte, ist ihre Verwendung nicht wirtschaftlich. Als Beitrag zum Klimaschutz und zur Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Energieträgern wurde jedoch eine EU-Richtlinie beschlossen (und mehrfach weiter entwickelt), die einen gewissen (mit der Zeit steigenden) Anteil von Biokraftstoffen verlangt. In Deutschland wird diese Richtlinie mit dem Biokraftstoffquotengesetz umgesetzt, das von den Anbietern Biokraftstoff-Beimischungen verlangt. Es ist vorgesehen, dass bis 2020 mindestens 10 % des Energiebedarfs des Verkehrs aus erneuerbaren Quellen stammen sollen. Um dieses Ziel schrittweise zu erreichen, werden bisher gewisse Beimischungsquoten (siehe unten) gefordert. Zukünftig könnten diese Quoten durch eine bestimmte Minderung der CO2-Belastung ersetzt werden; es würde also berücksichtigt, wie viel CO2 die beigemischten Biokraftstoffe tatsächlich vermeiden. Hierfür wäre es natürlich notwendig, dass entsprechende Werte mit plausiblen Methoden auf der Basis überprüfbarer Angaben ermittelt werden.

Reine Biokraftstoffe und Beimischungen

Bisher werden Biokraftstoffe größtenteils als Beimischung zu Erdöl-Kraftstoffen verwendet.

Biokraftstoffe werden einerseits in reiner Form verwendet und andererseits in Form von Beimischungen zu Kraftstoffen, die hauptsächlich aus Erdölprodukten bestehen:

Das Beimischen geringer Mengen hat den Vorteil, dass kaum Änderungen an den Verbrennungsmotoren nötig sind. Da bis auf weiteres ohnehin nur sehr begrenzte Mengen von Biokraftstoffen zur Verfügung stehen, könnten sie im Prinzip vollständig durch Beimischen verwertet werden. Falls dagegen zukünftig sehr große Mengen von Biokraftstoffen produziert werden, sollten dies Drop-in Fuels sein, die direkt Benzin oder Dieselkraftstoff ersetzen können, weil sie diesen chemisch ähnlicher sind.

In geringen Mengen wird heute auch reiner Biodiesel verkauft, oder E85-Kraftstoff: Benzin mit 85 % Ethanolanteil. Für beide Kraftstoffe müssen die Motoren speziell angepasst werden, weswegen dieser Markt klein ist.

Biokraftstoffe der ersten Generation

Diverse Biokraftstoffe der ersten Generation sind bereits großtechnisch eingeführt worden. In Europa decken sie z. Zt. einige Prozent des gesamten Kraftstoffbedarfs. Ihre wichtigsten Formen:

Zum Teil werden Reststoffe der Landwirtschaft und der Nahrungsmittelindustrie für die Herstellung solcher Kraftstoffe verwendet. Dies ist praktisch immer sehr sinnvoll, da die Grundstoffe sonst anderweitig entsorgt werden müssten. Allerdings sind bislang große Teile der Pflanzen nicht nutzbar, beispielsweise die Stängel, die viel Cellulose enthalten. Dies ist auch ein Grund, warum das Potenzial von Biokraftstoffen aus Abfällen bisher sehr begrenzt ist.

Inzwischen werden zunehmend Energiepflanzen eigens für die Energiegewinnung angebaut; beispielsweise wird dies für Biogas (siehe unten) in Deutschland auch explizit gefördert durch den sogenannten Nawaro-Bonus, d. h. ein Bonus bei der Einspeisevergütung, wenn Energiepflanzen als nachwachsende Rohstoffe verwendet werden. Die beim Anbau entstehenden Umweltbelastungen sind natürlich dem Kraftstoff anzurechnen, und sie sind oft so erheblich, dass die gesamte Umweltbilanz (auch die Klimabilanz) sogar schlechter sein kann als bei fossilen Kraftstoffen. Ebenfalls tritt meist eine Konkurrenz zum Anbau von Nahrungsmitteln auf; knapper werdende landwirtschaftliche Flächen erhöhen dann die Nahrungsmittelpreise und natürlich auch die Preise der Substrate für die Biokraftstoffe. Vor allem aus diesen beiden Gründen sind die Biokraftstoffe der ersten Generation inzwischen sehr in die Kritik geraten. Der Artikel über Biomasse erläutert dies detaillierter und geht auch auf Nachhaltigkeitskriterien ein.

Ist der Anbau von Energiepflanzen durch den Klimaschutz motiviert oder eher durch die Interessen der Agrarlobby?

Die Politik hat die Kritik an Biokraftstoffen wohl längst zur Kenntnis genommen, reagiert auf diese aber oft nur sehr beschränkt. Auch ausdrückliche Empfehlungen von Expertenkommissionen, zumindest auf die Förderung bestimmter Formen von Biokraftstoffen zu verzichten, werden oft ignoriert. Dies dürfte zum guten Teil daran liegen, dass sich in einigen Ländern die Agrarlobby sehr auf die neuen Absatzchancen für Biomasse eingerichtet hat und die Politik dahingehend beeinflusst wird, dass diese erhalten bleiben – unabhängig von ökologischen oder volkswirtschaftlichen Vorzügen oder Nachteilen. Ein weiteres Problem ist, dass die Politik gewisse Klimaschutzziele gesetzt hat, die teilweise durch Biokraftstoffe erreicht werden sollen. Wenn deren Beiträge verringert würden oder auch faktisch wegen zuvor ignorierter Nebenwirkungen geringer sind, müsste dies durch andere Maßnahmen kompensiert werden, was nicht einfach ist.

Biokraftstoffe der zweiten und dritten Generation

Lösen Biokraftstoffe der zweiten Generation die Nachteile der bisherigen Biokraftstoffe?

Es gibt inzwischen diverse Bemühungen, Biokraftstoffe der zweiten Generation zu entwickeln, die möglichst die Nachteile der Biokraftstoffe der ersten Generation nicht mehr oder zumindest in stark verringertem Umfang haben sollen:

Diese Ziele werden aber durchaus nicht von allen Biokraftstoffen der zweiten Generation erreicht. Es werden vorwiegend die verfügbaren Energiepotenziale erweitert, aber die Probleme der Konkurrenz mit dem Nahrungsmittelanbau und der negativen Umweltauswirkungen vom Anbau von Energiepflanzen werden oft allenfalls ein Stück weit gemindert.

Die Unterscheidung zwischen der zweiten und dritten Generation ist nicht eindeutig; es gibt hierzu in der Literatur verschiedene Einstufungen.

Bisher sind Biokraftstoffe der zweiten Generation nur in kleineren Anlagen zu Versuchszwecken erzeugt worden. Die noch bestehenden technischen Probleme und die hohen Kosten verhindern bislang einen großtechnischen Einsatz. Jedoch könnte sich dies durch die weitere Entwicklung ändern.

Es folgt eine Übersicht über die wichtigsten Biokraftstoffe der zweiten oder dritten Generation:

Biomethan

Biogas entsteht bei anaerober Vergärung feuchter Biomasse. Es kann weiter zu Biomethan aufbereitet werden. Dieses kann unter anderem als Kraftstoff in Erdgasfahrzeugen verwendet werden. Hier ist die energetische Flächenproduktivität rund dreimal höher als bei flüssigen Biokraftstoffen. Andererseits ist Gas als Kraftstoff im Fahrzeug weniger leicht mitzuführen, und dies führt zu einer reduzierten Fahrzeugreichweite. Da Biomethan z. B. in Deutschland heute vorwiegend aus Energiepflanzen hergestellt wird, von denen nur die Früchte genutzt werden können, werden die Probleme der Biokraftstoffe der ersten Generation nicht vermieden, aber immerhin durch die vergleichsweise hohe Flächenproduktivität gegenüber Bioethanol und Biodiesel erheblich vermindert.

Cellulose-Alkohol

Es gibt Verfahren, um auch Cellulose für die Herstellung von Bioethanol nutzen zu können. Hierfür müssen die cellulosehaltigen Pflanzenteile zunächst durch eine thermische und mechanische Vorbehandlung vorbereitet und dann mit speziellen Enzymen, teils auch mit Säuren zu Stärke und schließlich zu Zuckern verarbeitet werden. Aus den Zuckern entsteht durch Vergärung dann Ethanol.

Verschiedene Verfahren der Holzverzuckerung wurden bereits vor langer Zeit entwickelt, aber sie wurden nie wirtschaftlich interessant. An verbesserten Verfahren wird wieder gearbeitet, aber der Aufwand ist bislang recht hoch, und die benötigten Enzyme sind teuer. Vielleicht wird es zukünftig möglich werden, die Enzyme wesentlich kostengünstiger herzustellen. Auch Stroh könnte dann besser energetisch verwertet werden.

Kraftstoffe aus der Biomassevergasung und -verflüssigung

Die Biomassevergasung eröffnet interessante Optionen, ist allerdings verfahrenstechnisch noch nicht genügend entwickelt.

Große Hoffnungen werden in die Biomassevergasung und -verflüssigung gesetzt. Hier wird aus der Biomasse – beispielsweise aus Holz – zunächst eine Art von Synthesegas hergestellt, das Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) enthält. Aus diesem Gas können dann nach einer relativ aufwendigen Reinigung z. B. mit dem Fischer-Tropsch-Verfahren flüssige Kohlenwasserstoffe (vor allem Alkane) hergestellt werden. Das Fischer-Tropsch-Verfahren wurde ursprünglich für die Kohleverflüssigung entwickelt, ist aber genauso auch für Synthesegas aus Biomasse anwendbar. Man erhält damit Substanzen, die teils für Benzin und teils für Dieselkraftstoff nutzbar sind. Solche Verfahren werden mit “Biomass-to-Liquid” (BtL) bezeichnet, und die erhaltenen Kraftstoffe werden entsprechend BtL-Kraftstoffe genannt. Die Energieausbeute pro Hektar Landfläche und Jahr ist noch etwas höher als bei Biogas durch Vergärung, somit viel höher als für die Biokraftstoffe der ersten Generation. Die Qualität solcher Kraftstoffe kann höher sein als diejenige von Erdölprodukten, und Anpassungen der Verbrennungsmotoren wären nicht nötig; man spricht deswegen auch von Drop-in Fuels.

Ein grundlegendes Problem ist leider, dass Biomasse dezentral anfällt, Vergasungsanlagen zwar auch gut hierauf zugeschnitten werden können, dass aber die Kraftstoffherstellung wohl große zentrale Anlagen erfordern würde. Es würden also Transporte nötig:

Wie löst man das Problem, dass Biomasse dezentral anfällt, für die Kraftstoffherstellung aber nur große zentrale Anlagen geeignet sind?

  • Eine Möglichkeit wäre, die Biomasse über weite Strecken zu zentralen Bioraffinerien zu transportieren, die dann ähnlich wie Erdölraffinerien eine effiziente gekoppelte Erzeugung verschiedener Produkte ermöglichen. Aufgrund der geringen Energiedichte ist der Transport der Biomasse allerdings ungünstig.
  • Theoretisch könnte das Synthesegas aus dezentralen Biomassevergasungsanlagen über Pipelines zu zentralen Bioraffinerien geschickt werden; der Aufwand für solche Pipelines wäre aber hoch.
  • Gemäß dem bioliq-Verfahren würde dezentral durch eine Schnellpyrolyse ein “Bio-Slurry” erzeugt, der besser transportierbar wäre. Er könnte mit Fahrzeugen zu zentralen Bioraffinerien gebracht werden.

Eine andere Möglichkeit ist die Synthese von Biomethanol aus Synthesegas. Dies ist technisch einfacher als z. B. das Fischer-Tropsch-Verfahren. Das Biomethanol kann in der Industrie verwendet werden, jedoch auch als Kraftstoff oder als Kraftstoffbeimischung. Methanol hat jedoch einen relativen geringen Heizwert.

Wasserstoff aus Biomassevergasung (Biowasserstoff) könnte im Prinzip auch als Kraftstoff zum Einsatz kommen. Da aber Brennstoffzellen für Fahrzeuge noch nicht genügend entwickelt sind, Verbrennungsmotoren den Wasserstoff nicht sehr effizient nutzen würden und Wasserstoff für die Mitführung im Fahrzeug weniger gut geeignet ist, erscheint dies bislang nicht als eine günstige Option.

Ebenfalls kann eine Methanisierung des Synthesegases erfolgen; man gewinnt Biomethan, welches u. a. als Biokraftstoff in Erdgasfahrzeugen eingesetzt werden kann.

Biokerosin

Auch Kerosin, das vor allem als Flugzeugtreibstoff Verwendung findet, lässt sich durch Biokraftstoffe ersetzen. Biokerosin kann durch Hydrierung von Pflanzenölen gewonnen werden, etwa aus Rapsöl, Palmöl, Jatrophaöl oder zukünftig vielleicht auch aus Algen mit hohem Ölanteil. Bisherige Versuche mit Biokerosin waren zwar technisch erfolgreich, jedoch hat die Nutzung z. B. von Palmöl sehr negative Folgen auf Regenwälder, so dass die Umwelt- und Klimabilanz sehr negativ sein kann. Die Biomassevergasung und -verflüssigung (siehe oben) könnte zukünftig bessere Möglichkeiten bieten, auch um Biokerosin herzustellen.

Andere Biokraftstoffe

Auch an anderen Biokraftstoffen wird gearbeitet, die allerdings noch keine wesentliche Bedeutung gewinnen konnten:

  • Es gibt Versuche, Biomasse ohne vorherige Vergasung in eine Art von Dieselkraftstoff umzuwandeln.
  • Aus Bioethanol kann Bio-ETBE (Ethyl-Tertiär-Butylether) hergestellt werden. Diese Substanz kann anstelle des Bioethanols dem Benzin beigemischt werden; sie dient also eher als Additiv zur Kraftstoffverbesserung denn als eigener Kraftstoff: Die Klopffestigkeit wird stärker erhöht als bei Beimischung derselben Menge von Ethanol. Analog gibt es Bio-MTBE (Methyl-Tertiär-Butylether) aus Biomethanol.
  • Biobutanol ist ein schwererer Alkohol und kann ähnlich wie Bioethanol durch Vergärung von Zuckern gewonnen werden. Hierfür dienen gewisse Mikroorganismen, z. B. das Bakterium Clostridium acetobutylicum, anstelle der sonst Ethanol produzierenden Mikroorganismen. Butanol ist dem Benzin ähnlicher als Ethanol und eignet sich deswegen auch für stärkere Beimischungen.
  • Bio-Dimethylether kann aus Biomethanol hergestellt und Benzin oder Dieselkraftstoff beigemischt werden. Aufgrund seines tiefen Siedepunkts (ca. −25 °C) muss er ähnlich wie Flüssiggas in Drucktanks gelagert werden.

Potenzial der Biokraftstoffe

Biokraftstoffe der ersten Generation decken bereits einige Prozent des Kraftstoffbedarfs in Europa. Da hierfür allerdings landwirtschaftliche Flächen in erheblichem Umfang benötigt werden, setzt eine weitere starke Ausweitung der Biokraftstoffproduktion voraus, dass Biokraftstoffe der zweiten oder dritten Generation großtechnisch anwendbar werden. Die hiermit erreichbaren Potenziale sind umstritten:

Können BtL-Kraftstoffe zukünftig einen großen Teil des Bedarfs decken?

Ein wesentlicher Teil der bisherigen Biokraftstoffherstellung ist keineswegs “bio”.

Soll Biomasse eher für Kraftstoffe oder eher für die Stromerzeugung genutzt werden, nachdem die Potenziale begrenzt sind?

Es ist allerdings klar, dass die Energiewende auf dem Transportsektor wohl stark auf eine Ausweitung des Einsatzes von Biokraftstoffen angewiesen sein wird, da die Elektrifizierung nur begrenzte Möglichkeiten bietet. Die Einführung von Elektroautos wird durch die Batterie-Problematik nicht schnell geschehen können, und für den Schiffs- und Flugverkehr ist die Elektrifizierung wohl kaum möglich. Von daher ist zu hoffen, dass die weitere Entwicklung der Herstellung von Biokraftstoffen wesentliche Fortschritte bringen wird. Insbesondere wäre es wichtig, dass Abfallstoffe möglichst umfassend genutzt werden können, und dass eine hohe Flächenproduktivität erzielt wird. Diesbezüglich sind die Biokraftstoffe der ersten Generation noch sehr unbefriedigend. Die Problematik könnte ein Stück weit entschärft werden durch entschiedene Maßnahmen zur Reduktion des Bedarfs an Kraftstoffen, beispielsweise durch strengere staatliche Vorgaben zur Erhöhung der Energieeffizienz der Fahrzeuge und durch ein Zurückdrängen des Individualverkehrs und Lastwagenverkehrs.

Förderung von Biokraftstoffen durch die Politik

Biokraftstoffe werden durch die Politik in vielen Ländern gefördert, und zwar auf verschiedene Weisen:

Wie oben bereits ausgeführt, wird die staatliche Förderung von Biokraftstoffen zwar meist mit Klimaschutz und verringerter Abhängigkeit von fossilen Energieträgern begründet, ist oft aber auch wesentlich durch Einflüsse der Agrarlobbies motiviert, was die Korrektur von Fehlentwicklungen erschwert.

Literatur

[1]Studie der schweizerischen EMPA über die ökologische Qualität verschiedener Formen von Bioenergie, http://www.empa.ch/plugin/template/empa/*/125527
[2]U. R. Fritsche et al, “Kriterien zur Bewertung des Pflanzenanbaus zur Gewinnung von Biokraftstoffen in Entwicklungsländern unter ökologischen, sozialen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten”, Öko-Institut (2005), http://www.oeko.de/oekodoc/232/2004-023-de.pdf

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Kraftstoff, Biomasse, Drop-in Fuel, Bioethanol, Biodiesel, Biogas, Biomethan, Biowasserstoff, Biomassevergasung, CO2-neutral, Energiepflanzen, Nachhaltigkeit
sowie andere Artikel in den Kategorien Energieträger, Fahrzeuge

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