Zukunftsfähige Bioenergie und nachhaltige Landnutzung

148 7 Anbau und energetische Nutzung von Biomasse
Kasten 7.1-9
Algen als Lieferanten von Bioenergie
Algen zur Wasserstoffproduktion
Die einzellige Algenart Chlamydomonas reinhardtii hat
die Eigenschaft, dass ihre Photosynthese unter Stressbedingungen
als Nebenprodukt Wasserstoff erzeugt (Hydrogenese).
Da hierdurch keine Treibhausgase freigesetzt werden,
kann die Algenart zur klimafreundlichen Produktion
von Energie verwendet werden. In Laborversuchen wurde
ermittelt, dass die Algen vor allem bei einem vorübergehenden
Entzug des Spurenelements Schwefel Wasserstoff
produzieren. Des Weiteren gelang es mit Hilfe gentechnischer
Veränderungen, die Wasserstoffproduktion deutlich
zu erhöhen, so dass bei der Umwandlung von Sonnenlicht
in Wasserstoff der Wirkungsgrad von 0,1 auf 2,5 % gesteigert
werden konnte.
Trotz dieser Fortschritte sind einige hemmende Faktoren
noch nicht überwunden: Die Algen müssen weiterhin
unter Stressbedingungen gehalten werden, um Wasserstoff
zu erzeugen. Längere Stresssituationen können allerdings
massive Schädigungen der Organismen hervorrufen, weshalb
periodische Regenerationsphasen ermöglicht werden
müssen, in denen kein Wasserstoff produziert wird. Des
Weiteren benötigen die Algen sehr viel Sonnenlicht, so
dass jeweils nur in einer sehr dünnen Oberflächenschicht
einer mit Chlamydomonas durchsetzten wässrigen Lösung
Wasserstoff produziert wird. Selbst wenn es gelänge, die
Algen auf lichtleitenden Fasern zu kultivieren, würden für
die industrielle Nutzung sehr große Flächen benötigt.
Weitere Forschungsansätze zielen darauf ab, die
Enzyme zur Hydrogenese aus der Algenart zu isolieren,
so dass unabhängig von lebenden Zellkulturen Wasserstoff
erzeugt werden kann. Dieser Ansatz befindet sich aber in
der Entwicklungsphase und ist noch weit von Pilotanwendungen
entfernt (Melis und Happe, 2001).
lenstoffsequestrierungspotenzial auf (Al-Kaisi und
Grote, 2007).
7.1.2
Kurzumtriebsplantagen
Bei einer Kurzumtriebsplantage (KUP; Kasten
7.1-10) steht die stoffliche und energetische Nutzung
des Holzes im Vordergrund. Dazu werden schnellwüchsige
Arten – z. B. Pappel und Weide in den
gemäßigten und Eukalyptus oder Pinus radiata in
den subtropischen und tropischen Breiten – angebaut.
In tropischen Böden sind der Nährstoffverlust
und die Belastung des lokalen Wasserhaushalts
bereits nach wenigen Umtriebszeiten sehr groß.
Zudem kann der Streufall einzelner Eukalyptusarten
phytotoxisch wirken und somit einen erosionsverhindernden
Unterwuchs unterdrücken (Poore und Fries,
1985). Allgemeine Vor- und Nachteile von KUP sind
in Tabelle 7.1-2 dargestellt. Die Baumpflanzungen
erfolgen auf landwirtschaftlichen Flächen und
Biomasse‑ und Dieselproduktion aus Abgasen
Getrocknete Algenbiomasse kann grundsätzlich zu Biodiesel,
Bioethanol oder Biogas umgewandelt werden. Der
Ölanteil verschiedener Algenarten erreicht bis zu 40–50
Gewichtsprozente, was sie zu potenten Biodiesellieferanten
macht (FAO, 2007c). Im kürzlich gestarteten Pilotprojekt
„Technologien zur Erschließung der Ressource
Mikroalgen“ (TERM) in Hamburg werden Abgase aus
einem Blockheizkraftwerk in ein Wasserbecken mit Algenkulturen
geleitet. Die Algen können einen Teil des CO 2
aufnehmen und in Biomasse umwandeln. Laut Angaben
des Projektes können in solchen Algenbädern pro ha und
Jahr bis zu 450 t CO 2 sequestriert werden, was einer Biomassemenge
von etwa 150 t entspricht. Damit wäre die
Flächenproduktivität um den Faktor 10 höher als bei der
landwirtschaftlichen Biomasseproduktion. Im Pilotprojekt
ist geplant, die Algen in Biodiesel umzuwandeln und
energetisch zu nutzen. Somit ergäbe sich zwar kein direkter
Senkeneffekt, im Gesamtsystem würde sich das emittierte
CO 2 aber auf zwei Energieprodukte verteilen, wodurch die
Treibhausgasintensität pro Energieeinheit sinken würde.
In Hinblick auf eine großindustrielle Anwendung
erscheint das Konzept aber nur von begrenzter Anwendbarkeit:
Um die CO 2 -Emissionen eines Steinkohlekraftwerks
mit einer Leistung von 800 MW zu sequestrieren,
müsste in der Nachbarschaft der Anlage ein Algenbad mit
100 km 2 Fläche bereitgestellt werden. Vorteile könnte das
System allerdings auf versiegelten und kontaminierten
Flächen (Industriebrachen) entfalten, die kaum anderweitig
genutzt werden können. Hier erscheint eine Kopplung
mit kleineren Anlagen durchaus viel versprechend. Bis
jetzt wurde allerdings noch kein Nachweis erbracht, dass
eine großskalige Algenproduktion mit der dazu benötigten
aufwändigen Infrastruktur und die anschließende Aufbereitung
des Treibstoffs insgesamt eine positive CO 2 -Bilanz
aufweist (Ullrich, 2008). Auch die Produktion von Biodiesel
aus Algen gestaltet sich heute noch sehr kostenintensiv
(Ackermann, 2007; FAO, 2007c).
unterstehen in Europa rechtlich der landwirtschaftlichen
Gesetzgebung und nicht dem Waldgesetz, d. h.
es bestehen keine gesetzlichen Einschränkungen
bezüglich Kahlschlag und Rodungen.
KUP eignen sich für die Bepflanzung von stillgelegten
Flächen (Brachen, Altlastenböden). In
Deutschland werden für die Anlage auf einer stillgelegten
Fläche im Rahmen des Anbaus für nachwachsende
Rohstoffe Beihilfen geleistet. Das Holz kann
sowohl stofflich als auch energetisch verwertet werden.
Falls intensiv genutztes Grünland umgebrochen
wird, um Energiepflanzen anzubauen, sind in
Deutschland Pappel-KUP zur Gewinnung von Hackschnitzeln
nachhaltiger als der Maisanbau für die
Ethanolproduktion, wie eine Studie des Forschungszentrums
Karlsruhe aufzeigt (Rösch et al., 2007). Der
Umbruch von Grasland zur Produktion von Biomasse
für Energiezwecke sollte allerdings vermieden
werden (EU-Kommission, 2005d). Der SRU fordert
in seinem Sondergutachten zu Biomasse und Klimaschutz
ein generelles Verbot für die Umwandlung