11. – 13. Schuljahr

Annett Krüger

Energie aus Biomasse

Ein Stationenlernen zur Rolle der Energiepflanzen bei der Energieversorgung

Die Biomasse nimmt innerhalb der erneuerbaren Energien einen wichtigen Stellenwert ein. Deren energetische Nutzung wird jedoch im Kontext der Flächennutzungen für Lebensmittelproduktion und der so auftretenden Konfliktpotenziale zunehmend kontrovers diskutiert. Die Schülerinnen und Schüler stellen die Ursachen der Flächenkonkurrenz dar und bewerten die Energieerzeugung in Biogasanlagen.

Sachanalyse
Der Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland schreitet weiter voran. Im Jahr 2018 wurden insgesamt 428 Terawattstunden (TWh, eine Terawattstunde entspricht dabei einer Milliarde Kilowattstunden) aus erneuerbaren Energien bereitgestellt, dies entspricht fast 17  % des Endenergieverbrauchs in Deutschland. Von dieser Energiemenge entfielen etwa 53  % (oder 226 TWh) auf die Stromproduktion, rund 40  % (oder 171 TWh) auf den Wärmesektor und etwa 7  % auf biogene Kraftstoffe im Verkehrsbereich (32 TWh).
Hinsichtlich der sogenannten Energiewende spielen die nachwachsenden Rohstoffe und die durch Anbau von Energiepflanzen mögliche Energiegewinnung eine wesentliche Rolle. Deutschland benötigt nur einen geringen Teil der landwirtschaftlich genutzten Flächen für den Ausbau der Bioenergie. Für den Ausbau bis 2020 wird eine Fläche von 3,7 Millionen Hektar in Anspruch genommen. Das entspricht 21,9  % der heutigen landwirtschaftlich genutzten Flächen. Zum Vergleich: 2008 betrug die Fläche 1,6 Millionen Hektar (9,5 % der landwirtschaftlich genutzten Flächen).
Arten der Energieerzeugung aus Biomasse
Der Begriff Biomasse bezeichnet die Masse an organischem Material, welche zur Energieerzeugung, zum Beispiel für die Wärmebereitstellung aus Brennholz, genutzt werden kann. Biomasse umfasst somit die gesamte organische Substanz, die durch Pflanzen und Tiere anfällt oder erzeugt wird. Die Pflanzen bauen über die Fotosynthese Biomasse in Form von Kohlenhydraten unter Nutzung der Sonnenenergie auf.
Die Möglichkeiten der Biomassenutzung sind vielfältig. Sie umfassen die Energiebereitstellung zur Stromerzeugung in sogenannten Biomassekraftwerken, die Wärmeerzeugung durch verschiedene Biomasseheizungen (Kaminöfen, Holzpelletheizungen, Festbrennstoffkessel mit Scheitholzfeuerung, Biomasseheizwerke), die Gewinnung von Biotreibstoffen. In Biogasanlagen lässt sich neben flüssigen Kraftstoffen auch Biogas, welches zu 50 – 75 % aus brennbarem Methan und zu 25 – 45 % aus Kohlendioxid besteht, herstellen (vgl. Quaschning 2009). Die Nutzung von Biogas erfolgt hauptsächlich in Verbrennungsmotoren. Nach Aufbereitungsschritten zur Abtrennung von Wasser, Kohlendioxid und Spurengasen wie Ammoniak oder Schwefelwasserstoff lässt sich Biogas aber auch direkt in das Endgasnetz einspeisen.
Anbau von Energiepflanzen
Bei der Nutzung von Biomasse wird unterschieden zwischen der Nutzung von Reststoffen aus der Land- und Forstwirtschaft und dem gezielten Anbau von sogenannten Energiepflanzen zur Energiebereitstellung.
Zu den Energiepflanzen zählen Pflanzen aus dem Nahrungs- bzw. Futtermittelanbau wie zum Beispiel Raps (s. Abb. 1 ), Getreide, Mais (s. Abb. 2 ), Zuckerrüben, Ackergras und Grünland, aber auch „neue, d.h. schnell wachsende Kulturen wie Sudangras (s. Abb. 3 ), Durchwachsene Silphie, Futterhirse, Miscanthus. Letztere zeichnen sich durch eine schnelle Fotosynthese und damit durch einen höheren Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Biomasse als sogenannte C4-Pflanzen aus.
Eine weitere Bereitstellung von Energiepflanzen erfolgt durch den Anbau von schnell wachsenden Baumarten wie Pappel und Weide in sogenannten Kurzumtriebsplantagen, oft als eine Nutzungsform von ehemaligen Brach- und Konversionsflächen. In diesem Fall besteht keine direkte Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion wie bei den landwirtschaftlichen Nutzflächen. Darüber hinaus bietet eine Gestaltung von nachhaltigen Biogasfruchtfolgen...

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