Biokraftstoffe als Ersatz fossiler Energieträger - Eine umwelt- und ressourcenökonomische Analyse


Magisterarbeit, 2008

72 Seiten, Note: 2,3


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Einleitung

1. Typen, Besonderheiten und Produktion moderner Biokraftstoffe
1.1. Bioethanol
1.2. Biodiesel
1.3. Biokraftstoffe der zweiten Generation

2. Gründe für Entstehung und Nutzung von Biokraftstoffen
2.1. Verminderung der CO2 – Emissionen
2.2. Antwort auf permanente Erdölpreissteigerungen und Diversifizierung der Energiequellen
2.3. Entwicklung der Landwirtschaft, Schaffung neuer Arbeitsplätze

3. Negative Folgen und Kritik an Biokraftstoffen
3.1. Ernährungspreiserhöhung
3.2. Folgen für die Umwelt, Entwaldung, Bodenerosion, Artenvielfalt
3.3. Hoher Ressourcenverbrauch
3.4. Netto-Energie
3.5. Weitere Nachteile

4. Modelle für Entwicklung der Biokraftstoffproduktion und deren Einfluss auf Nahrungsmittelpreise
4.1. Ausblick auf Biokraftstoffproduktion und –konsum bis 2030
4.2. Einfluss der Biokraftstoffproduktion auf Lebensmittelpreise bis 2020
4.3. Anmerkungen und Kritik

Fazit

Literaturverzeichnis

Anhang: Tabellen

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Herstellungsverfahren und Verwendungszwecke für Bioethanol

Abb. 2: Herstellungsverfahren und Verwendungszwecke für Biodiesel

Abb. 3: Entwicklung der Erdölpreise zwischen 1960 und 2008

Abb. 4: Angebot-Nachfrage-Diagramm für Energiepflanzen

Abb. 5: Angebot-Nachfrage-Diagramm für weitere Lebensmittel (Substitutionsgüter)

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Weltweite Produktion von Bioethanol im Jahre 2007

Tab. 2: Weltweite Produktion von Biodiesel im Jahre 2005

Tab. 3: Prozentuale Änderungen der Weltpreise für Grundnahrungsmittel unter drei Szenarien im Vergleich zum Basisjahr 1997

Tab. 4: Der weltweite Biokraftstoffkonsum nach Szenarien

Tab. 5: Der Bodenbedarf für Biokraftstoffproduktion

Einleitung

Seit Jahrhunderten sucht die Menschheit nach verschiedenen Energiequellen. Erdöl, Kohle und Erdgas beinhalten viel Energie, die die Menschen viele Jahre lang verbraucht haben. Die wirtschaftliche Entwicklung, die zur Entstehung vieler Betriebe und Erzeugnisse geführt hat, verlangt immer mehr Energie. Der unkontrollierte Verbrauch der in den fossilen Energieträgern enthaltenen Energien hat zu negativen Folgen geführt, die in deren Verknappung, ökologischen Verschmutzung und Klimaerwärmung zum Ausdruck gekommen sind. In den letzten 50 Jahren wurden die Ökosysteme durch menschliche Intervention schneller und erheblicher als in jeder beliebigen Periode davor geändert. Das schnelle Bevölkerungswachstum hat diesen Effekt noch verstärkt.

So entstand die Notwendigkeit, nach erneuerbaren und umweltfreundlichen Energieträgern zu suchen. Neben der Wind- und Sonnenenergie haben Biokraftstoffe in der letzten Zeit ihren festen Platz in den Wirtschaften einiger Länder gefunden, die auch wegen der Konzentration der fossilen Kraftstoffe in bestimmten Ländern ihre Abhängigkeit von denen reduzieren und ihre Energiequellen diversifizieren wollen. Obwohl Biokraftstoffe zurzeit einen ziemlich kleinen Teil an den gesamten Verkehrskraftstoffen betragen, sind sie zu einer Multimilliardenindustrie geworden, die auch durch nationale Regierungen unterstützt wird.

In den letzten Jahren hat die sich immer ändernde Energiesituation eine intensive Diskussion über Biokraftstoffe ausgelöst. Viele Wissenschaftler sowie nationale Regierungen sehen in Biokraftstoffen eine umweltfreundliche Energiequelle, die weitere Treibhausgasemissionen vermeiden oder reduzieren kann, und versprechen hohe Gewinne für Landwirte, die die für die Biokraftstoffproduktion notwendigen Pflanzen produzieren. Die Anderen meinen, dass Biokraftstoffe mehr Nachteile als Vorteile bringen werden. Die starken Lebensmittelpreissteigerungen, die in den letzten 2 – 3 Jahren stattgefunden haben, verbinden sie mit der Erweiterung der Biokraftstoffproduktion, die eine große Menge von Getreide und Ölpflanzen verbraucht. So wird das Lebensmittelangebot für arme Menschen verringert. Es gibt aber auch viele andere Faktoren, die zum Anstieg der Lebensmittelpreise führen können. Wie groß der Einfluss von Biokraftstoffen und von weiteren Faktoren auf die Nahrungsmittelpreise ist, soll in dieser Arbeit untersucht werden. Es wird auch für möglich gehalten, dass Biokraftstoffe die ökologischen Ziele nicht erreichen können, worüber viel diskutiert wird.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, Vor- und Nachteile der Biokraftstoffproduktion zu vergleichen und verschiene Meinungen bezüglich der ökologischen und wirtschaftlichen Folgen zu analysieren. Der Mittelpunkt ist aber der Einfluss der Biokraftstoffe auf die Lebensmittelpreise und entsprechend die Auswirkungen auf arme Lebensmittelkonsumenten.

Im ersten Kapitel dieser Arbeit werden die wichtigsten und meist verbreiteten Biokraftstoffarten – Bioethanol und Biodiesel – beschrieben, ihre Produktion, Rohstoffe und Anwendungsbereiche dargestellt. Außerdem werden Biokraftstoffe der 2. Generation, ihre potentiellen Entwicklungsmöglichkeiten und Vorteile gegenüber der 1. Generation betrachtet.

Im zweiten Kapitel werden Gründe für die Entstehung von Biokraftstoffen analysiert, die in der Verminderung der CO2-Emissionen (Kohlenstoffdioxid), in der Diversifizierung der Energiequellen und in der landwirtschaftlichen Entwicklung ihren Ausdruck finden.

Die Kritik und Nachteile der Biokraftstoffproduktion, deren negative Folgen für die Umwelt und Wirtschaft sowie deren Einfluss auf Lebensmittelpreise werden im dritten Kapitel dieser Arbeit beschrieben. Außerdem werden hier die Meinungen verschiedener Wissenschaftler zur Netto-Energie von Ethanol und Biodiesel dargestellt.

Im vierten Kapitel werden zwei Modelle über die zukünftige Entwicklung der Biokraftstoffe betrachtet. Das erste Modell wurde durch die International Energy Agency (IEA) im Jahre 2006 entwickelt und zeigt die zukünftige Produktion und den Konsum der Biokraftstoffe bis 2030. Das zweite Modell, das durch International Food Policy Research Institute (IFPRI) im Jahre 2006 erarbeitet wurde, prognostiziert verschiedene Szenarien der Lebensmittelpreisentwicklung bis 2020. Schließlich folgen Anmerkungen und Kritik an den Modellen.

1. Typen, Besonderheiten und Produktion moderner Biokraftstoffe

Der Treibstoff der Zukunft kommt aus den Sträuchern vom Straßenrand oder aus Äpfeln, Unkraut, Sägemehl - praktisch allem. Es gibt Treibstoff in jedem Pflanzenstückchen, das fermentiert werden kann. Es gibt genug Ethanol in einer Einjahresernte von Kartoffeln, um Maschinen für hundertjährige Kultivierung zu trieben. Es ist nur geblieben, dass jemand herausfindet, wie dieser Treibstoff kommerziell produziert werden kann – besserer Treibstoff für einen niedrigeren Preis, den wir jetzt wissen[1].

Henry Ford (1925)

Biokraftstoffe sind flüssige oder gasförmige Kraftstoffe, die aus Pflanzen und pflanzlichen Resten, wie land- und forstwirtschaftlichen Kulturen und Rückständen, hergestellt werden und die als Substitute für fossile Energieträger auftreten[2]. Biokraftstoffe ersetzen entweder ganz oder teilweise herkömmliche Kraftstoffe in Fahrzeugmotoren in Form einer Beimischung[3]. Heute existieren viele verschiedene Biokraftstofftypen, zum Beispiel (z.B.) Bioethanol, Biodiesel, Biogas, Biobutanol, Biomethanol, synthetische Biokraftstoffe (Biomass-to-Liquid bzw. BtL-Kraftstoffe) und andere (u.a.). Man unterscheidet zwischen Biokraftstoffen der 1. und der 2. Generation. Zur 1. Generation gehören Kraftstoffe, die aus ölhaltigen oder zuckerhaltigen Pflanzen hergestellt wurden. Durch Pressen der ölhaltigen Pflanzen bekommt man Biodiesel, durch Vergärung der zuckerhaltigen – Bioethanol. Für die Herstellung der Biokraftstoffe der 2. Generation benutzt man organische Abfälle wie Holzreste, Stroh, Kraut, Altholz, minderwertiges Waldholz, Abfallprodukte aus der Agrarwirtschaft u.a[4].

Aus der Vielfalt unterschiedlicher Biokraftstoffe sind Bioethanol und Biodiesel die einzigen, die in großen Mengen produziert werden. Als wichtigste und zahlreichste Biokraftstoffe der 1. Generation werden deshalb im Folgenden nur diese Biokraftstofftypen betrachtet. Biokraftstoffe der 2. Generation, welche für die Zukunft eine besondere Rolle spielen werden, betrachtet Abschnitt 1.3.

1.1. Bioethanol

„Bioethanol [heißt] Ethanol, das aus Biomasse und/oder dem biologisch abbaubaren Teil von Abfällen hergestellt wird und für die Verwendung als Biokraftstoff bestimmt ist“[5]. Ethanol kann aus einem beliebigen biologischen Rohstoff hergestellt werden, der eine bestimmte Menge von Zucker oder Stoffen, die leicht in Zucker konvertiert werden können, beinhaltet, beispielsweise (bspw.) Stärke. Zuckerrübe und Zuckerrohr sind entsprechende Beispiele für Pflanzen, die Zucker beinhalten. In den Körnern von Mais, Weizen und anderem Getreide gibt es Stärke, die relativ leicht in Zucker konvertiert werden kann. Bäume und Kräuter bestehen hauptsächlich aus Cellulose und Hemicellulose, die auch in Zucker umgesetzt werden können, gleichwohl mit mehr Schwierigkeiten als die Stärke[6]. Dieser Prozess gehört zur 2. Generation von Biokraftstoffen und wird deshalb im Abschnitt 1.3. näher behandelt.

Im Grunde der Alkoholerzeugung liegt ein Gärprozess. Die Ethanolgewinnung aus den zuckerhaltigen Rohstoffen ist am einfachsten und am effizientesten, da die beteiligten Hefen nur Zucker in Ethanol umsetzen können. Wenn stärkehaltige Rohstoffe verwendet werden, dann muss die Stärke vor der Gärung durch spezielle Enzyme verflüssigt und verzuckert werden[7]. Ein Herstellungsverfahren von Bioethanol ist auf der Abb. 1 dargestellt.

Der traditionelle Fermentierungsprozess basiert auf Hefe, die Sechs-Carbon-Zucker (meistens Glucose) in Ethanol umwandelt. Da die Stärke viel leichter als Cellulose in Glucose umgewandelt werden kann, wird beinahe sämtliches Ethanol in nördlichen Ländern aus Getreide hergestellt. Alle notwendigen Mikroorganismen und Enzyme, die für Stärkeumwandlung und Glucosefermentierung auf dem kommerziellen Niveau benötigt werden, sind verfügbar[8].

Zuckerrohr und Zuckerrüben beinhalten viel Zucker. Deshalb wird Ethanol in einigen Ländern der Europäischen Union (EU), wie z.B. Frankreich, aus Zuckerrüben produziert. Bis in den 1930er Jahren wurde Ethanol auch in den USA aus zuckerhaltigen Pflanzen produziert, solange bis Zucker als Rohstoff für Ethanol in diesem Land teurer geworden ist als Getreide. In Brasilien und anderen tropischen Ländern ist Zuckerrohr der meist verbreitete Rohstoff für die Ethanolproduktion. In nichttropischen Ländern wird Ethanol meistens aus Getreidestärke (vor allem Mais, Weizen und Gerste) produziert. Im üblichen Korn-zu-Ethanol-Prozess wird nur der stärkehaltige Teil der Pflanze verwendet. Bei Mais und Weizen werden bspw. nur ihre Kerne weiterverarbeitet. Stärkehaltige Kerne sind aber nur ein ziemlich kleiner Teil der gesamten Pflanzenmasse, die größtenteils unbenutzt bleibt (z.B. Kornspelze und Stängel)[9].

Abb. 1: Herstellungsverfahren und Verwendungszwecke für Bioethanol

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: eigene Darstellung, basierend auf: o.V. (2004), Europäische Kommission, S. 4.

Ethanol ist ein gutes Substitut für Benzin in Ottomotoren. Natürlich können die existierenden Motoren ohne wesentliche Modifizierung mit 100%em Ethanol nicht laufen. Allerdings können 85%ige oder 15%ige Mischungen mit nur kleinen Anpassungen der Motoren verwendet werden[10]. Gewöhnlich wird es auch mit einem Anteil von 5% dem herkömmlichen Benzin als Zusatz beigemischt. In den Ottomotoren mit Fremdzündung kann diese Mischung ohne technische Veränderungen verwendet werden. Aus einer Reaktion von Bioethanol mit Isobutylen bekommt man den sogenannten (sog.) Ethyl-ter-butylether (ETBE), das mit einer bis zu 15%igen Beimischung zum Benzin verwendet wird (siehe Abb. 1)[11].

In der letzten Zeit ist die weltweite Produktion von Bioethanol deutlich angestiegen. Immer mehr Länder sehen Vorteile und Möglichkeiten in diesem Kraftstoff. Von 2004 bis 2007 ist die weltweite Bioethanolproduktion von 40.8 Mrd. auf 49.6 Mrd. Liter gestiegen[12].

Eine der führenden Bioethanolproduzenten sind heute die USA (siehe Tab. 1). Mitte der 1970er Jahre haben die OPEC-Staaten (Organisation Erdöl exportierender Länder) einen Ölboykott gegenüber westlichen Staaten ausgerufen. Das war die 1. Ölkrise. Als Antwort auf diese Ereignisse machte der US-amerikanische Kongress die ersten legislativen Schritte in Richtung der Promotion von Bioethanolproduktion aus Mais als ein alternativer Kraftstoff. Einige Bundesstaaten haben angefangen die Herstellung von Bioethanol finanziell zu unterstützen. Der sog. Energy Tax Act (1978) befreite die Biokraftstoffe von der Verbrauchssteuer. Andere Programme der Regierung garantierten billige Kredite für Bioethanolproduzenten. Momentan wird die Produktion von Bioethanol subventioniert[13]. Im Jahre 2005 unterschrieb der amerikanische Präsident George W. Bush ein Gesetz, das unter anderem eine 100%ige Steigerung der Produktion von Bioethanol und Biodiesel bis 2012 vorsieht[14]. Das heißt (d.h.) es sollen 28,4 Mrd. Liter Biokraftstoffe für Fahrzeuge hergestellt werden[15].

Tab. 1: Weltweite Produktion von Bioethanol im Jahre 2007

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: eigene Darstellung, basierend auf: o.V. (2008a), Renewable Fuels Association, S. 16.

Der zweitgrößte Produzent von Bioethanol ist Brasilien. Bis 2005 war dieses Land der größte Hersteller, wurde aber mittlerweile von den USA überholt. Bioethanol wird in Brasilien aus Zuckerrohr produziert, dessen Herstellkosten dort relativ niedrig sind[16]. Die Produktion von Bioethanol hat in Brasilien in den 1980er Jahren als Alternative zu teueren Ölimporten angefangen. In den 1990er Jahren waren die Zuckerpreise so hoch, dass die Ethanolproduktion in Brasilien fast aufgehört hat. Mittlerweile verzeichnet man aber einen starken Aufschwung. Im Jahre 2007 hat Brasilien fast 19 Mrd. Liter Bioethanol produziert (siehe Tab. 1), von denen ca. 16,7 Mrd. Liter im Innland verbraucht wurden. Heute bleibt Brasilien mit Abstand der größte Bioethanolexporteur weltweit. Der Anteil von Ethanol im Benzin ist 20% bis 25%, was Motorenmodifikationen verlangt. Deshalb werden in Brasilien überwiegend sog. Flexible Fuel Vehicles eingesetzt, die bis zu 85% Ethanolbeimischung vertragen können[17].

Bereits in den 1980er Jahren gab es in Europa eine unmerkliche Beimischung von Bioethanol in Benzin, um seine Oktanzahl zu erhöhen. Insbesondere hat man Bioethanol als Bestandteil von ETBE verwendet. Heute wird Ethanol meistens direkt dem Benzin mit 5%igem Anteil beigemischt[18]. Im Jahre 2003 hat die Europäische Kommission die Biokraftstoffrichtlinie erlassen, in der die europäischen Richtwerte festgelegt worden sind. Laut dieser Richtlinie sollte der Ersatz herkömmlicher Kraftstoffe im Verkehrssektor durch Biokraftstoffe im Jahre 2005 in der Höhe von 2% sein und 5,75% im Jahre 2010[19]. Diese Werte beziehen sich nicht auf die Beimischung von Bioethanol oder Biodiesel, sondern stellen den Gesamtanteil der Biokraftstoffe am gesamten Kraftstoffbedarf dar. Im März 2007 wurde vom Europäischen Rat noch ein Ziel bestimmt: 10% bis 2020. Diese Ziele hatten einen empfehlenden Charakter. Deshalb wurde das 2005-Ziel nicht erreicht. Ab dem 1. Januar 2007 wird aber die deutsche Mineralölwirtschaft verpflichtet einen bestimmten Anteil an Biokraftstoffen zu vertreiben. Auch die Steuerbefreiung wird bis 2012 sowohl für Bioethanol als auch für Biodiesel stufenweise abgeschafft und es werden sogar Steuern eingeführt[20]. An dem Beispiel von Deutschland sieht man, dass Europa von einer Förderungs- zu einer Zwangspolitik übergeht.

1.2. Biodiesel

Das Europäische Parlament und der Rat der Europäischen Union bestimmen den Begriff Biodiesel als „Methylester eines pflanzlichen oder tierischen Öls mit Dieselkraftstoffqualität, der für die Verwendung als Biokraftstoff bestimmt ist“[21]. Die meist verbreitete Technologie für die Produktion von Biodiesel ist die Umesterung des pflanzlichen Öls oder tierischen Fetts. Dieser Prozess umfasst Rohstofffilterung, um Wasser und andere Fremdstoffe zu entfernen, Mischung mit Alkohol (meistens Methanol) und einem Katalysator. Das führt dazu, dass sich Ölmoleküle auf Ether (Biodiesel) und Glyzerol zerschlagen. Sie werden dann voneinander getrennt und gereinigt. Dieser Prozess produziert auch Glyzerin, das in Kosmetik, Medizin und Ernährung verwendet wird[22].

Rapsöl ist der dominante Rohstoff für die Produktion von Biokraftstoffen in Europa und beträgt ca. 70%, obwohl Sonnenblumenöl dafür auch benutzt wird. Trotzdem nimmt Raps nur den zweiten Platz unter den Biodieselrohstoffen ein. Die wichtigste Quelle für Pflanzenöl, die für Nahrungsmittel sowie für Biokraftstoffe verwendet wird, ist aber Soja. In den USA verwendet man diese Pflanze für die Biodieselproduktion, weil Soja in diesem Land in größeren Mengen produziert wird als alle anderen ölhaltigen Pflanzen zusammen. In tropischen und subtropischen Ländern werden Palmen-, Kokosnuss- und Jatrophaöl in Betrieb genommen[23]. Ölabfälle aus Koch- und Tierfetten können auch verarbeitet werden.

Biodiesel hat seine kommerzielle Verwendung in vielen Ländern gefunden. Er kann sowohl rein, als auch als Mischung mit fossilem Diesel verwendet werden. Reiner Biodiesel wird als B100 bezeichnet, während seine Mischungen mit „B XX“ markiert werden. XX stellt den Prozentanteil von Biodiesel in der Kraftstoffmischung dar[24]. In der EU findet Biodiesel gewöhnlich seine Verwendung als 5%ige Beimischung in Privatfahrzeugen mit Dieselmotoren und bis zu 30%ige Beimischung in den Fahrzeugen der Fahrzeugflotten, wie Stadtbussen (siehe Abb. 2)[25]. Biodieselbeimischungen verlangen keine Motorenmodifikationen. Im Gegenteil sind sie, wegen eines sehr guten Schmierungseffekts, sogar sehr gut für den Motor. In Frankreich z.B. fährt jedes zweite Dieselauto mit 2%igem Biodieselzusatz, sogar, wenn es auf der Zapfsäule nicht geschrieben steht, ohne das zu Wissen. Der reine Biodiesel wird auch verwendet, meistens in Deutschland und Österreich. Dafür braucht man aber eine geringe Motorenmodifikation. Bei niedrigen Temperaturen können aber bei reinem Biodiesel Probleme entstehen, weil er sich dabei kristallisiert[26].

Abb. 2: Herstellungsverfahren und Verwendungszwecke für Biodiesel

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: eigene Darstellung, basierend auf: o.V. (2004), Europäische Kommission, S. 4.

Ca. 90% des weltweiten Biodiesels wird in Europa produziert und konsumiert. Deutschland und Frankreich sind die größten Produzenten (siehe Tab. 2), gefolgt von Italien, Tschechien, Österreich, Belgien und Dänemark. In Europa hat Biodiesel viel größere Verwendung gefunden als Bioethanol. In Deutschland, wo fast 40% der Autos mit Dieselmotoren ausgestattet sind, verkaufen jährlich mehr als 1800 Tankstellen ca. 2 Mio. Liter Biodiesel. Außerdem sind die meisten Busse, Schiffe und LKWs dieselbetrieben[27]. Einige nichteuropäische Länder wie die USA, Brasilien und Australien haben die Produktion von Biodiesel vor relativ kurzer Zeit angefangen. Z.B. Brasilien hat seinen ersten Betrieb erst im März 2005 gebaut. Der internationale Biodieselhandel ist momentan sehr gering[28].

Tab. 2: Weltweite Produktion von Biodiesel im Jahre 2005

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: eigene Darstellung, basierend auf: o.V. (2006), Research Institute for Sustainable Energy.

1.3. Biokraftstoffe der zweiten Generation

Der größte Teil der Pflanzenmasse besteht nicht aus Zucker oder Stärke, sondern aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Der grüne Teil der Pflanzen besteht fast ausschließlich aus diesen drei Komponenten. Nachdem Cellulose und Hemicellulose in Zucker umgewandelt werden, kann man daraus Ethanol gewinnen. Dieser Prozess ist aber viel komplizierter als die Umwandlung von Stärke in Zucker und dann in Ethanol. Im Laufe eines einfachen Korn-zu-Ethanol-Prozesses wird nur ein kleiner stärkehaltiger Teil der Pflanze für die Produktion von Biokraftstoffen genutzt[29].

Die Umwandlung der Cellulose in Ethanol erfolgt in zwei Schritten. Erstmals muss der cellulose- und hemicellulosehaltige Anteil der Biomasse in Zucker zerlegt werden. Diesen Prozess nennt man Verzuckerung. Weiter muss dieser Zucker in Ethanol fermentiert werden, wie es beim Korn-zu-Ethanol-Prozess erfolgt. Der erste Schritt ist die größte Herausforderung. Es wurden viele thermische, chemische und biologische Prozesse entwickelt, um die Verzuckerung auf ein effizientes und kostengünstiges Niveau zu bringen[30].

Es gibt zwei Möglichkeiten, Biokraftstoffe aus Biomasse zu produzieren[31]:

- Biokatalytische Umwandlung der Cellulose in Bioethanol. Das verlangt die Verbesserung existierender Zuckerfermentierungsprozesse mit Hilfe der enzymatischen Vorbehandlung der Cellulose.
- Thermochemische „biomass-to-liquid“ Umwandlung. Sie umfasst thermische Gasifikation der Biomasse und deren weitere Synthese in flüssige Kraftstoffe mit Hilfe des Fischer-Tropsch-Prozesses. Dieser Prozess wurde in den 1920er Jahren entwickelt und benutzt katalytische Reaktionen, um komplexe Kohlenwasserstoffe aus einfacheren organischen Stoffen zu synthetisieren. Diese Kraftstoffe sind chemisch mit den üblichen fossilen Kraftstoffen identisch. Deshalb verlangt die Verwendung solcher Biokraftstoffe keine Motorenmodifikationen oder Änderungen in der Lieferungsinfrastruktur. Außerdem haben sie geringere Schwefel- und Schadstoffbelastung[32].

Ein sehr wichtiger Unterschied zwischen der cellulosischen und der herkömmlichen Ethanolproduktion ist die Wahl des Kraftstoffes, der den Umwandlungsprozess betreibt. Diese Wahl hat einen großen Einfluss auf die Netto-Energiebilanz und auf Treibhausgasemissionen. Beim gegenwärtigen Korn-zu-Ethanol-Produktionsprozess werden in Nordamerika und in Europa fast alle Energieprozesse durch fossile Inputs wie Erdgas geführt. Bei der Cellulose-zu-Ethanol-Umwandlung werden fast alle Energieprozesse durch Biomasse durchgeführt, vornehmlich durch ungenutzte cellulose- und ligninhaltige Pflanzenteile. Heutzutage werden nur sehr kleine Mengen der stärkelosen Pflanzenteile bei der Ethanolgewinnung verwendet. Bis jetzt war es leichter und billiger dabei fossile Energiequellen zu benutzen, obwohl es viel mehr Treibhausgasemissionen verursacht als die Verwendung der Bioenergie als Prozesskraftstoff[33].

Die erfolgreiche cellulosische Ethanoltechnologie würde eine Möglichkeit geben, eine viel größere Menge von cellulosehaltigen Rohstoffen für die Produktion von Biokraftstoffen zu nutzen. Es gibt eine sehr große Vielfalt an Rohstoffen, die für die Ethanolproduktion aus einer cellulosehaltigen Biomasse genutzt werden können. Das sind landwirtschaftliche Abfälle (auch diese, die aus der konventionellen Bioethanolproduktion resultieren), Schlagabraum, kommunale Restabfälle, Abfälle aus der Papierproduktion und Energiepflanzen. Landwirtschaftliche Abfälle, die für Ethanolproduktion geeignet sind, umfassen Pflanzenreste wie Weizenstroh, Maisreste (Blätter, Stängel und Kolben), Reisstroh und Bagasse (Zuckerrohrreste). Unter den Forstabfällen versteht man unausgenutztes Holz und Abholzungsreste, morsches und/oder totes Holz, überschüssige und kleine Bäume. Zu den kommunalen Restabfällen gehören cellulosehaltige Stoffe, wie Papier und Pappen. Energiepflanzen, die speziell für Kraftstoffe gezüchtet werden, sind schnellwachsende Bäume, Sträucher und Gräser, wie Pappelbaum, Weide und Switchgras. Der Anteil von Cellulose beträgt in diesen Materialien zwischen 30% und 70%. Der Rest ist Lignin, das in Zucker nicht umgewandelt werden kann. Es kann aber als Prozesskraftstoff für die Umwandlung der Cellulose in Ethanol dienen[34].

In Nordamerika werden als potentielle Rohstoffe Getreidestroh und Switchgrass betrachtet, in Europa sind Abfälle der Nahrungsmittelindustrie, Miscanthusgräser und schnellwachsende Bäume im Zentrum der Aufmerksamkeit. In Brasilien werden Zuckerrohrstängel (die Bagasse) für die Erzeugung von Wärme und Strom, die der Ethanolumwandlung dienen, bereits verwendet. Sie werden aber nicht direkt in Ethanol umgewandelt. Eine große Menge von Zuckerrohrresten bleibt auf den Feldern und wird verbrannt. Der fortgeschrittene cellulosische Umwandlungsprozess würde die komplette Ausnutzung der in der Pflanze enthaltenen Biomasse zulassen. Andere Arten der cellulosehaltigen Rohstoffe können auf ärmeren Böden gezüchtet werden als diese, die heutzutage für den Anbau der Getreide für herkömmliche Ethanolproduktion genutzt werden. Außerdem braucht man in diesem Fall weniger Düngemittel und Berieselungswasser. Die Produktionskosten könnten wesentlich niedriger sein als für Getreide, das gegenwärtig in Europa und den USA genutzt wird[35].

Es gibt viele Gründe dafür, dass cellulosehaltige Biomasse als eine sehr attraktive Möglichkeit betrachtet wird. Die Verwendung der Abfallbiomasse bietet eine Chance für die Schaffung eines öffentlichen Gutes, indem fossile Kraftstoffe mit einem Stoff ersetzt werden, der sowieso abgebaut werden muss, und ohne die Notwendigkeit zusätzliche Ackerländer heranzuziehen. Cellulosehaltige Biomasse von den schnellwachsenden mehrjährigen Energiepflanzen, wie schnellwachsende Bäume und hohe Kräuter, können auf einem viel breiteren Bereich von Bodentypen gezüchtet werden, was die Erderosionen vermeidet und zur Erhöhung der Kohlenstoffakkumulation beiträgt. Die zur Energieerzeugung nutzbaren Pflanzen können auf armen Böden gezüchtet werden, besonders auf den abgeschrägten Grundstücken, wo die Produktion von gebräuchlichen Lebensmittelkulturen wegen der Erderosionen nicht begehrenswert ist. Trotzdem kann der hohe Biomassenertrag nur auf dem guten Boden mit einer genügenden Wasserversorgung erreicht werden[36].

Außerdem kann man den Cellulose-zu-Ethanol-Prozess durch folgende weitere Vorteile auszeichnen[37]:

- Zugang zu einem viel breiteren Bereich von potentiellen Rohstoffen, einschließlich cellulosehaltiger Abfälle und Pflanzen, was die Möglichkeit gibt, die Ethanolproduktionsmengen sehr stark zu erhöhen.
- Partielle Lösung des Problems bezüglich der Nutzung der Ackerländer für Kraftstoffe und Ernährung.
- Viel bessere Ersetzung der fossilen Energie pro Liter des Kraftstoffs.
- Viel niedrigere Netto-CO2-Emissionen als bei Korn-zu-Ethanol-Produktion, die hauptsächlich durch fossile Energie getrieben wird.

Es ist viel schwieriger cellulosehaltige Biomasse abzubauen und zum liquiden Kraftstoff umzuwandeln. Trotzdem kann die cellulosehaltige Biomasse z.B. viel leichter für längere Perioden mit viel geringerem Verderb als bei zuckerbasierten Rohstoffen gelagert werden. Im Vergleich zu üblichen stärke- oder ölhaltigen Pflanzen, wo nur ein Teil der Pflanze für die Produktion der Biokraftstoffe genutzt werden kann, können mehrjährige zur Energieerzeugung nutzbare Pflanzen viel mehr Biomasse pro Hektar (ha) bringen[38].

Eine große Menge verschiedener Studien beschäftigt sich mit dem Prozess der Extraktion des fermentierungsfähigen Zuckers vom cellulosehaltigen Stoff, der bspw. in Getreideschalen und –stängeln enthalten ist. Die Nutzung der Cellulose-zu-Ethanol-Produktion würde den Ethanol-Output erheblich erhöhen. Im Falle von Mais könnte ein viel größerer Teil der Pflanze für die Produktion von Kraftstoffen genutzt werden. Wenn z.B. die USA ihre Maisreste in Ethanol umwandeln würden, dann würden sie 10 Mal mehr Ethanol produzieren als jetzt. Umwandlungseffizienz beträgt 60% bis 70%. Die CO2-Emmissionen können im Vergleich zu fossilem Benzin um 90% gemindert werden[39].

[...]


[1] Msangi, S./Sulser, T. u.a., online, S. 2.

[2] Vgl. Giampietro, M./Ulgiati, S. u.a. (1997), S. 587.

[3] Vgl. o.V. (2004), Europäische Kommission, S. 5.

[4] Vgl. van Basshuysen, R./Schäfer, F. (2008), online.

[5] o.V. (2003), das Europäische Parlament, online, S. 44.

[6] Vgl. o.V. (2004), International Energy Agency, online, S. 34.

[7] Vgl. o.V. (2007), Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., online.

[8] Vgl. o.V. (2004), International Energy Agency, online, S. 34.

[9] Vgl. ebenda, S. 36.

[10] Vgl. Giampietro, M./Ulgiati, S. u.a. (1997), S. 587.

[11] Vgl. o.V. (2004), Europäische Kommission, S. 5.

[12] Vgl. o.V. (2008b), Renewable Fuels Association, online.

[13] Vgl. Runge, C. F./Senauer, B. (2007), online.

[14] Vgl. Engdahl, F. W. (2007), online.

[15] Vgl. von Braun, J/Pachauri, R. K. (2006), online, S. 12.

[16] Vgl. Avery, D. (2006), online, S. 13.

[17] Vgl. de Castro, L. B. (2005), online.

[18] Vgl. o.V. (2008), Alcosuisse, online.

[19] Vgl. o.V. (2004), Europäische Kommission, S. 9.

[20] Vgl. o.V. (2007), UFOP, online, S. 2ff.

[21] o.V. (2003), das Europäische Parlament, online, S. 44

[22] Vgl. o.V. (2006), International Energy Agency, online, S. 389f.

[23] Vgl. o.V. (2007), Worldwatch Institute, S. 19.

[24] Vgl. Kemp, W. H. (2006), S. 87.

[25] Vgl. o.V. (2004), Europäische Kommission, S. 5.

[26] Vgl. Lens, P./Westermann, P. u.a. (2005), S. 48.

[27] Vgl. Thomas, I. (2008), S. 20.

[28] Vgl. o.V. (2006), International Energy Agency, online, S. 390.

[29] Vgl. ebenda, S. 408.

[30] Vgl. o.V. (2004), International Energy Agency, online, S. 37ff.

[31] Vgl. Centi, G./van Santen, R. A. (2007), S. 393.

[32] Vgl. o.V. (2006), House of Commons, online, S. 22.

[33] Vgl. o.V. (2004), International Energy Agency, online, S. 39.

[34] Vgl. o.V. (2004), International Energy Agency, online, S. 38.

[35] Vgl. o.V. (2006), International Energy Agency, online, S. 409.

[36] Vgl. o.V. (2007), Worldwatch Institute, S. 45.

[37] Vgl. o.V. (2004), International Energy Agency, online, S. 37f.

[38] Vgl. o.V. (2007), Worldwatch Institute, S. 45.

[39] Vgl. o.V. (2006), International Energy Agency, S. 408f.

Ende der Leseprobe aus 72 Seiten

Details

Titel
Biokraftstoffe als Ersatz fossiler Energieträger - Eine umwelt- und ressourcenökonomische Analyse
Hochschule
Universität Trier
Note
2,3
Autor
Jahr
2008
Seiten
72
Katalognummer
V121314
ISBN (eBook)
9783640255078
ISBN (Buch)
9783640255238
Dateigröße
720 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Biokraftstoffe, Ersatz, Energieträger, Eine, Analyse
Arbeit zitieren
Roman Romanko (Autor), 2008, Biokraftstoffe als Ersatz fossiler Energieträger - Eine umwelt- und ressourcenökonomische Analyse, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/121314

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