Umschlagbild - Naturforschende Gesellschaft in Zürich NGZH

Umschlagbild
Energie- und Kohlenstofffluss durch die Biosphäre:
Heutiger Zustand mit geringer Nutzung der Bioenergie durch den Menschen. Der grösste
Teil der energiereichen Biomasse wird durch die Zersetzer zu CO2 abgebaut. Die
Verbrennung der fossilen Brennstoffe trägt wesentlich zur Erhöhung des CO2-Gehaltes der
Atmosphäre bei.
Möglichkeiten von morgen mit optimaler Nutzung der Bioenergie. Durch Vergasung und
Fermentationen wird Biomasse in gasförmige und flüssige Energieträger umgewandelt, die
als Roh- und Treibstoffe vielfältig genutzt werden können.
Kommentar:
Dieses Neujahrsblatt ist schon lange vergriffen. Daher wurde ein Master-Exemplar gemacht,
das auf einem Kopierer vervielfältigt werden kann. Dazu kamen vier Seiten auf ein
Blatt: (zum falzen, zusammenstellen, kleben. und mit dem Umschlag versehen) Ergibt
Hefte von 207.4 x 148.6 mm, also etwas kleiner als das Original.
Der Text wurde ähnlich dem Original auf die Seiten verteilt. d.h.: der Text ist nicht zeilentreu
und nur einigermassen Seitentreu. Dieses Exemplar ist zum normalen Lauftext umgearbeitet.
Formales
Offset-Druck, Lichtsatz
125 g, 230 x 157.5 mm; Satzspiegel: 127x181 mm
Papierdicken: Gesamt:2.86 mm, .062 mm/Blatt , Deckel 0.16 mm
Bindung: genäht (8,8,7,7,8 Blatt) und geklebt
Serifenschrift, etwa Times.
OCR-Wandlung mit Xerox-Software.
Der Inhalt wurde während der Semesterferien im Sommer 1979 erarbeitet, z.T. als Vorbereitung
für eine neue Vorlesung (mündl. Mitt. R.Bachofen).
Zehner-Exponenten: kilo:3, Mega:6, Giga:9, Tera:12, Peta:15, Exa:18, Zeta:21

NEUJAHRSBLATT
herausgegeben von der
Naturforschenden Gesellschaft
in Zürich
auf das Jahr 1981
183. Stück
1981
Orell Füssli Graphische Betriebe AG Zürich

Veröffentlichung
der
Naturforschenden Gesellschaft in Zürich
im Anschluss an den Jahrgang 125 der
Vierteljahrsschrift der Naturforschenden Gesellschaft in
Zürich
als Heft Nummer 5
Redaktion Prof. Dr. E.A. Thomas, Limnologische Station, Seestrasse 187, 8802 Kilchberg
Ausgegeben am 31. Dezember 1980
Nachdruck, auch auszugsweise nur mit Quellenangabe gestattet.

Bio-Energie
heute- morgen
von
Reinhard Bachofen
mit einem Titelbild und 37 Abbildungen im Text

4 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Zusammenfassung
Bioenergie ist Energie, gewonnen aus Biomasse, d.h. aus lebender und toter organischer
Substanz, die in rezenter Zeit durch lebende Systeme - Pflanzen, Tiere und
Mikroorganismen - gebildet wurde. Die Grundlage bilden die Leistungen der grünen
Pflanzen, die als autotrophe Organismen mit Hilfe von Sonnenlicht aus Kohlendioxid und
Wasser organische Verbindungen aufzubauen vermögen.
Weltweit liegt in der vorhandenen Biomasse gleich viel Energie gespeichert vor wie in
allen uns bekannten Reserven an Kohle, Öl und Gas. Und doch ist dieses grosse
Energiepotential bisher nur für wenig mehr als unsere Nahrung energetisch genutzt worden.
Die Möglichkeiten der Nutzung der Biomasse als Alternative und Ersatz der in naher
Zukunft versiegenden fossilen Energieträger werden heute intensiv studiert. Die
vorliegende Übersicht soll einen Eindruck vermitteln, wo gute Nutzungsmöglichkeiten
vorhanden sind, aber auch wo Probleme liegen. Es ist gewissermassen eine
Momentaufnahme, erstellt aufgrund veröffentlichter Arbeiten. Schon morgen werden
vielleicht neue Daten vorliegen, neue Technologien eingeführt, geeignetere Pflanzen
gefunden und höhere Umwandlungsausbeuten erzielt.
Verdankung
Ich danke allen Kollegen und Mitarbeitern für interessante Gespräche und Diskussionen,
insbesondere Prof. Dr. D. O. HALL, dem Pionier für die Verbreitung der Ideen der biologischen
Sonnenenergienutzung, Drs. O. ANNER, H. ASPER, M. EGLI und H. ZÜRRER für die Hilfe bei der
Gestaltung des Textes, dem Schweizerischen Nationalfonds, der im Rahmen der Nationalen
Programme unser Projekt «Biologische Wasserstoffproduktion mit photosynthetischen
Mikroorganismen» unterstützte, Dr. W. EGGER für photographische Arbeiten, wie auch besonders Frl.
H. MOLLER für die gekonnte Herstellung der Zeichnungen.
1 MJ = 0.27778 kWh = 238.85 kcal
1 t Kohleäquivalent = 26.9 GJ
1 t Öläquivalent = 44.8 GJ
1000 m3 Erdgas = 38.9 GJ
Verwendete Energieeinheiten:

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 5
1. Einleitung
Eine Analyse der weltweiten Energiesituation gibt uns das Bild einer unbekümmerten
Menschheit, die auf einem immer schmaler werdenden Gratweg einem
Abgrund zustrebt. Noch scheint eine Umkehr möglich. Besinnen wir uns auf die
Grundlagen: die Sonne ist Ursprung der Erde und Urkraft des Lebens auf unserem
Planeten!
Die fossilen Energieträger schwinden; zu lange wurden sie gedankenlos
geplündert. Mahn- und Warnrufe verhallten ungehört. Können die konventionellen
Energieträger durch Sonnenenergie abgelöst werden?
Vergegenwärtigt man sich die fast nicht messbaren solaren Energiereserven - allein
die jährlich auf die Erde fallende Strahlungsenergie übersteigt mit über 3.10 24 J die
gesamten heute bislang bekannten Lager an Öl, Gas, Kohle und Uran um das
Hundertfache -, wird augenfällig, weshalb immer mehr Fachleute sich um ihre
Nutzung bemühen.
Die optimistische Zukunftsvorstellung eines möglichen Sonnenzeitalters darf
nicht dazu verleiten, zwei Randbedingungen zu vergessen, die sich der effizienten
Nutzung der Sonnenenergie als einschneidend limitierende Hürden in den Weg
stellen:
- die Energiedichte ist gering,
- der Energiefluss ist nicht kontinuierlich (Tag-Nacht-Wechsel, Jahreszeiten,
Witterungseinflüsse).
Daraus ergeben sich als Konsequenzen:
- grosse Kollektorflächen,
- gute Speichersysteme.
Vorläufig erfüllen weder Anlagen mit Sonnenkollektoren zur Wärmegewinnung
noch Solarzellen zur Transformation des Lichtes in elektrischen Strom diese beiden
unabdingbaren Voraussetzungen befriedigend.
Aus dieser Sicht wird die Photosynthese, der Prozess, der letztlich alles Leben
ermöglicht, zum bestangepassten Umwandlungsverfahren der frei verfügbaren
Strahlungsenergie: Seit Millionen von Jahren wird Sonnenenergie fixiert, mit
geringer Ausbeute, dafür aber in einem dauerhaften Speicherprodukt, der
Biomasse, die wir auch mit den fossilen Energieträgern Öl, Gas und Kohle als
umgewandelte Produkte der Photosynthese geologischer Epochen nutzen.
Die Photosynthese als Energieumwandlungssystem liefert an chemisch
gespeicherter Energie das Zehnfache des heutigen Weltenergieverbrauches: 3.10 21 J
jährlich. Bedenkt man, dass die Biomasse bis anhin nur in Bruchteilen

6 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
von und für den Menschen genutzt wurde, erwachsen aus diesen Grössenordnungen
optimistische Zukunftsperspektiven. Bis vor kurzem wäre die Vorstellung belächelt
worden, dass Pflanzen (Algen und Bakterien eingeschlossen) je der Menschheit helfen
könnten, sich aus der Energiekrise zu retten; heute lässt ein weites Spektrum von Projekten
[43, 118-130] hoffen, dass mittels biologischer Systeme die energetische Zukunft unseres
Planeten mindestens z. T. gemeistert werden kann.
1.1. Energiefluss und Stoffkreisläufe
Schon in den Religionen der alten Kulturvölker kam der Sonne - Inkas, Inder,
Ägypter, Griechen und Römer huldigten ihr - eine besondere Bedeutung als
Erhalterin des irdischen Lebens zu.
Die Ergebnisse der Biochemie lehren uns heute, dass das in hohem Mass geordnete
System einer lebenden Zelle oder eines ganzen Organismus nur unter ständiger
Energiezufuhr - letztlich aus der Sonne - in diesem Zustand erhalten bleibt. Ein
Ausbleiben der Energie von aussen führt über kurz oder lang zum Tod.
Dieses Gesetz gilt für alle Organismen, die Art der Energiezufuhr ist jedoch
verschieden:
Abb. 1 Schematische Darstellung des Energie- und Materialflusses in einem Ökosystem. Die Zahlen
für den Energiefluss gelten für einen Quellteich in Florida, angegeben in MJ/m² Jahr (aus [36]). -
Ebenfalls eingetragen sind die Kreisläufe der Elemente, die am Aufbau der Organismen beteiligt sind
(C, H, O, N und weitere, in kleineren Mengen vorkommende Elemente). Im Gegensatz zum
nichtzyklischen Fluss der Energie in der Natur, welcher nur durch ständige Zufuhr von Seiten der
Sonne erhalten bleibt, bilden die Elemente spezifische Kreisläufe (punktierte Pfeile), in denen, in
grossen Räumen gesehen, die Menge konstant bleibt.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 7
- Menschen, Tiere, Pilze und viele Bakterien sind auf organische Nährstoffe
angewiesen (heterotrophe Ernährungsweise);
- chemoautotrophe Bakterien vermögen den Energiegehalt anorganischer
Verbindungen zu nutzen;
- grüne Pflanzen und einige pigmentierte Bakterien sind allein befähigt, das
Sonnenlicht direkt auszuwerten (Photoautotrophe Lebewesen).
Die eigentliche Schlüsselstellung kommt damit dieser letzten Organismengruppe
zu: sie vermittelt die Weltraumressourcen dem Leben auf unserer Erde. Diese
photosynthetisierenden Systeme regeln alles übrige Wachstum; die heterotrophen
Organismen sind durch deren Leistung limitiert.
Der Energiefluss in der Biosphäre ist komplex vernetzt; der Analyse selbst klar
begrenzter Ökosysteme erwachsen erhebliche Schwierigkeiten. Es erstaunt daher
nicht, dass das überschaubare System Teich und See zu einem bevorzugten
ökologischen Objekt wurde [36], an welchem wesentliche Grunderkenntnisse
erarbeitet worden sind (Abb. 1). In einer Nahrungskette wird von Stufe zu Stufe
stets nur etwa 1/10 der fixierten Energie weiterverwertet, vom Rest geht ein Teil
Abb. 2 Schlüsselstellung der grünen Pflanze bei der Umwandlung von Lichtenergie in chemische
Energie als Nahrung für Mensch und Tier. - Unsere bekannten fossilen Energieträger sind Produkte
der Photosynthese früherer Epochen, sie werden heute in einer im Vergleich zur Bildung unglaublich
raschen Geschwindigkeit genutzt und entwertet. Pflanzliche und tierische Faserstoffe dienten uns zur
Isolation, um unsere Energieverluste zu verringern. Holz ist als Brennstoff die erste Fremdenergie des
Menschen.

8 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
als Wärme verloren, ein anderer dient in den Ausscheidungsprodukten als
Energiequelle der abbauenden Mikroorganismen.
In der Biosphäre ist der Energiefluss auch Materialfluss. Jener fliesst irreversibel
in den Weltraum zurück, während die Elemente in globalen Kreisläufen regeneriert
werden. Die Schlüsselstellung der grünen Pflanze wird in Abb. 2 deutlich: durch
die Umwandlung der Lichtenergie in chemische Energie in der Photosynthese wird
Energie mit Materie verknüpft, in den Abbauvorgängen der Atmung und Gärung
unter Nutzung von der Materie wieder getrennt.
1.2. Der Energieverbrauch des Menschen
Die Geschichte des Menschen ist die Geschichte seiner Fähigkeiten, Energie
ausserhalb seiner natürlichen physiologischen Möglichkeiten transformieren zu
können.
Die Art und Menge der verfügbaren Energiequellen und das Wissen, diese zu
nutzen, wurden in den letzten hundert Jahren Grundlagen des wirtschaftlichen
Wachstums und des hohen Lebensstandards der Industrieländer.
Abb. 3 Vergleich von Energieverbrauch und Entwicklungsstufe des Menschen (in MJ/Kopf. Tag,
nach [25]). - Die ersten Menschen benötigten etwa 10 MJ/Tag für das Sammeln und Jagen ihrer
täglichen Nahrung. Diese Energiemenge mag sich mit der Nutzung des Feuers zu Heiz- und
Kochzwecken etwa verdoppelt haben. Die Herstellung einfacher Jagd- und Bodenbearbeitungsgeräte
und der Einsatz von Tieren im Ackerbau bedeutete eine weitere Verdopplung. Unsere heutige, voll
industrialisierte und extrem mobile Gesellschaft in den Ländern Westeuropas und in den USA ist bei
einem über 100mal grösseren Energieverbrauch pro Kopf von 970 MJ/Tag angelangt.
Die enorme Zunahme des weltweiten Energiebedarfs ergibt sich aus
Bevölkerungswachstum und Zunahme des Lebensstandards. Die
Verdopplungszeiten des Energieverbrauchs verkürzten sich beständig. Nicht nur
die rein quantitative Zunahme ist beängstigend. Durch das überbordende
Wirtschaftswachstum der letzten 20 Jahre wurden die einfacher nutzbaren fossilen
Energieträger bevorzugt verbraucht: die Nutzung von Kohle, wie auch von
Biomasse, wurde gegenüber Öl und Gas vernachlässigt.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 9
Tab. 1 Verbrauch an Energie durch den Menschen weltweit (1970)
(alle Werte x 10 18 J/Jahr)
Regenerierbare Nicht regenerierbare
Energiequellen Energiequellen
Nahrung aus Pflanzen 15,3 Erdöl 120
Nahrung aus Tier 24,1 Erdgas 48
Kleidung, Fasern 0,4 Kohle 81
Papier 4,3
Bauholz 6,1
Brennholz 12,0
Wasserkraft 16 Kernenergie 4
Die Wachstumsrate des Energiekonsums in der Schweiz war in den sechziger
Jahren gross, innert 10 Jahren trat eine Verdoppelung ein; seit wenigen Jahren aber
ist eine deutliche Dämpfung eingetreten. Drei Gründe sind dafür verantwortlich:
Abb. 4 Korrelation zwischen Bruttosozialprodukt und Energieverbrauch pro Kopf für einige Nationen
(aus [14]). - Der Zusammenhang zwischen Energieverbrauch und Wirtschaftsentwicklung ist deutlich.
Abweichungen von einer Geraden weisen auf mehr oder weniger stark energieabhängige Industrien
und unterschiedliche Wirkungsgrade bei Energieumwandlungen und -konservierung hin. In den USA,
weit an der Spitze stehend, verbrauchen 6% der Bevölkerung über 35% der Energie. - Weniger
industrialisierten Ländern, besonders denjenigen der Dritten Welt, kann in Abb. 3 eine frühere
Entwicklungs- resp. Energieverbrauchsstufe zugeordnet werden.

10 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
- die Rechnungen im Bericht des Clubs von Rom haben deutlich gemacht, dass die
fossilen Energieträger mit Gewissheit in wenigen Jahrzehnten bis
Jahrhunderten aufgebraucht sein werden [75];
- erhöhte gesetzliche Einschränkungen durch Forderungen des Umweltschutzes:
Verringerung von Luft- und Gewässerverschmutzung, Problematik der
Abwärme thermischer Kraftwerke usw.;
- die Ölkrise, erstmals im Jahre 1973 mit gewaltigen Preissteigerungen für Heizöl,
Benzin und Produkte der Petrochemie.
Abb. 5 Entwicklung des Primär-Energieverbrauchs der Schweiz seit 1910 und Aufteilung desselben
nach verschiedenen Energieträgern (aus [14]). - Während in der Mitte des letzten Jahrhunderts noch
Holz den grössten Teil des Energiebedarfes decken konnte, dominieren heute neben Hydroelektrizität
die flüssigen fossilen Energieträger. In dieser Darstellung nicht enthalten sind die Energiezufuhr
durch die Photosynthese - die tägliche Nahrung, Faser- und Baustoffe - wie vor allem auch die
Wärmestrahlung der Sonne, die uns auf der Erde die für Leben notwendigen Bedingungen schafft.
Die Energiepolitik der Zukunft wird gezwungen sein, wohldokumentierte
Nachfragen sorgfältig zu prüfen. Es gilt nicht nur, die Erhältlichkeit und die
aktuellen Kosten abzuwägen, Folgekosten müssen berücksichtigt, die
Erneuerbarkeit abgeschätzt und die Umweltbelastung umsichtig hochgerechnet
werden.
Nicht zuletzt sind auch der Mensch und die menschliche Gesellschaft in die
Rechnung einzubeziehen: ein uneingeschränktes Wachstum des Energieverbrauches
ist sowohl vom beschränkten Vorhandensein der Quellen der
Primärenergie wie auch von den Folgen deren Nutzung einfach unmöglich und
würde zur Katastrophe führen [41].

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 11
Tab. 2 Vergleich der Reserven an fossilen Brennstoffen mit der Sonneneinstrahlung
und der Produktion an Biomasse (aus [46])
Gesicherte Vorkommen: als t Kohleäquivalente
Kohle 5. 10 11 t
Erdöl 2. 10 11 t
Erdgas 1 10 11 t
8 10 11 t = 25. 10 21 J
Vermutete Vorkommen
Kohle 85. 10 11 t
Erdöl 5.10 11 t
Gas 3. 10 11 t
93. 10 11 t = 300. 10 21 J
Jährlicher Energieverbrauch weltweit etwa 5.1 10 9 t 2,3.10 20 J
Jährliche Sonneneinstrahlung auf die Erde 3,6.10 24 J
Jährliche Nettoproduktion 8. 10 15 t C = 3. 10 21 J
durch Photosynthese (2. 10 11 t Biomasse)
deren Produktion auf Kulturland 0,4. 10 10 t C
Weltweit gespeicherte Biomasse (90% - Bäume) 8. 10 11 t C = 20. 10 21 J
davon auf kultiviertem Land 0,06. 10 11 t C
Energieverbrauch des Menschen für Nahrung 1,4. 10 19 J
Sowohl die Grössen der bekannten Reserven an fossilen Energieträgern, des weltweiten
Jahresverbrauches an Energie wie auch der Energiemenge, die pro Jahr durch die Pflanzen in
Biomasse fixiert sowie weltweit gesamthaft in Biomasse gespeichert ist, sind Schätzungen, die mit
Fehlern behaftet sind. Trotzdem wird deutlich, dass der Gesamtverbrauch an Energie ca. 1/10 der
heute durch die Photosynthese fixierten Sonnenenergie ausmacht und dass die auf der Erde in
Biomasse gespeicherte Energie in der gleichen Grössenordung liegt wie die nachgewiesenen Vorräte
an fossilen Brennstoffen.
1.3. Das Potential der Sonnenenergie und die Eigenschaften der Sonnenstrahlung
Durch Fusion leichter Atomkerne
wird aus der Sonnenmasse (1,39. l0 7 km Durchmesser, 1,99. 10 33 g) eine ungeheure
Menge Energie frei (3,82.10 26 W), die sich radial im Weltall ausbreitet. Im Abstand
von 1,5.10 8 km lässt sich auf der Erde ausserhalb der Atmosphäre eine
Energiedichte von 1,36 kW/m 2 (=81,5 kJ/m 2 . Min.) errechnen (Solarkonstante).
Damit fallen jährlich nach Abzug von ca. 30-40% Reflexions- und
Absorptionsverlusten ca. 3.10 24 J Sonnenenergie auf die Erde, ein Wert, der den

12 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Abb. 6 Jahreszeitliche Veränderung der Sonnenstrahlung ausserhalb der Atmosphäre am Äquator (a),
am 40. (b) und 80. (c) Breitengrad (aus [120]). - Die geographische Breite und die Jahreszeit
bestimmen die Verluste an Strahlungsenergie, die auf eine horizontale Fläche fallen. Es sind die
grossen Unterschiede in den Wintermonaten, die für die auf die Hälfe verringerte Einstrahlung in
Mitteleuropa gegenüber z.B. den Wüstengebieten Nordafrikas verantwortlich sind.
Abb. 7 Verteilung der mittleren globalen Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche auf einer
horizontalen Ebene (in W/m², gemittelt über 24 Stunden (aus [120]). – Die grösste
Strahlungsintensität findet sich in den Wüstengebieten unter den beiden Wendekreisen, das
Strahlungsmaximum liegt mit über 300 W/m 2 im Raum des Roten Meeres. In unseren gemässigten
Zonen kann eine mittlere Einstrahlung von etwa 150 W/m 2 gemessen werden (Zürich: globale
Strahlung 128 W/ m 2 , davon 67 W/m 2 diffuse, 61 W/m 2 direkte Strahlung).

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 13
jährlichen technischen Gesamtenergieverbrauch der Menschheit um etwa das
Zehntausendfache übersteigt.
Das Emissionsspektrum der Sonne vor Eintritt in die Lufthülle der Erde
entspricht weitgehend dem Emissionsspektrum eines schwarzen Körpers bei 5900
0 K, der Temperatur der Sonnenoberfläche. Durch selektive Strahlungsabsorption
einzelner Komponenten der Lufthülle wird ein grosser Teil des Ultravioletts,
bestimmte Banden des kurzwelligen Infrarots wie praktisch das gesamte
langwellige Infrarot herausfiltriert.
Während die schwarze Oberfläche eines Sonnenkollektors den gesamten
Strahlungsbereich zu absorbieren vermag, kann die grüne Pflanze im wesentlichen
nur den Bereich des sichtbaren Lichtes bei der Energieumwandlung nutzen.
Abb. 8 Spektrale Verteilung der Sonnenstrahlung ausserhalb der Atmosphäre (a) und auf Meereshöhe
(b) (aus [120]). - Absorptionsbanden im nahen Infrarot sind verursacht durch H20, CO2 und O3. Als
Balken sind darüber die Wellenlängebereiche angegeben, die durch die verschiedenen solaren
Anwendungsbereiche genutzt werden können: „Schwarze“ Sonnenkollektoren zur Erzeugung von
Wärme vermögen den gesamten angegebenen Spektralbereich zu nutzen, während die obere Grenze
für Solarzellen zur Erzeugung elektrischen Stromes bei 1100 bis 1400 nm liegt. Im Gegensatz dazu
können photosynthetische Organismen nur die Strahlung aus den Wellenbereichen 350-720 nm
(grüne Pflanzen) resp. bis 900 nm (photosynthetische Bakterien) in chemische Energie umwandeln.

14 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Im Gegensatz zu Sonnenkollektor und Sonnenzelle, wo eine Langzeitspeicherung
noch grosse Probleme bietet, liefern uns die photosynthetischen Organismen leicht
speicherbare und dauerhafte Umwandlungsprodukte wie Stärke, Fette, Zellulose
oder Holz, eben Biomasse.
2. Der Mechanismus der Photosynthese und die Ausbeute der
photosynthetischen Energieumsetzung
2.1. Zur Geschichte der Photosynthese
Pflanzenwachstum wurde bis ins 19. Jahrhundert durch Flüsse der
wesentlichen Elemente der organischen Substanz C, H und O beschrieben;
energetische Betrachtungen sind kaum 150 Jahre alt. Als erster studierte wohl
ARISTOTELES (384-322 v.Chr.) die Zusammenhänge zwischen Pflanzenwachstum
und Umwelt, für ihn lieferte der Boden der Pflanze verdaute Nahrung, und die
Blätter hatten nur Schutzfunktion. Um 1450 n. Chr. postulierte NIKLAUS VON
CUSA, dass Wasser Bodensubstanz in die Pflanze bringe, die dort durch die
Wirkung der Sonne - unsere Wärmequelle - eingedickt werde. Diese Idee gab
vielleicht den Anstoss zum bekannten Experiment von VAN HELMONT (1577-
1644), worin dieser nachwies, dass eine Weide innert 5 Jahren 164 Pfund Gewicht,
einzig durch Zugabe von Wasser, zulegen konnte.
Erst in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts wurde, nachdem GREW (1641-
1712) und MALPIGHI (1628-1694) die Spaltöffnungen an Blättern beschrieben
hatten, eine Beziehung zwischen Pflanze und Luft diskutiert (PRIESTLEY [1733-
1804], SCHEELE (1742-1786], INGEN-HOUSZ [1730-1799], SENEBIER (1742-
1808]). INGEN-HOUSZ war der erste, der die Notwendigkeit von Licht für die
Aufnahme von CO2 (bei PRIESTLEY noch «schlechte Luft») und die Abgabe von O2
(= gute Luft) beobachtete, ohne aber energetische Zusammenhänge zu erkennen.
Zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurde von DE SAUSSURE die noch heute
gültige Stöchiometrie aufgestellt:
LIEBIG (ca. 1840) ergänzte diese Gleichung durch den Nachweis, dass Biomasse
nur in Gegenwart der für das Pflanzenwachstum notwendigen Mineralsalze
gebildet wird. Etwa gleichzeitig formulierte J. R. MAYER, der Begründer der
Gesetze der Thermodynamik, die Photosynthese als die wichtigste
Energieumwandlungsreaktion in der Natur:
«Die Sonne ist eine nach menschlichen Begriffen unerschöpfliche Quelle
physischer Kraft. Der Strom dieser Kraft, der sich auch über unsere Erde ergiesst,
ist die beständig sich spannende Feder, die das Getriebe irdischer Tätigkeiten im
Gange erhält Die Natur hat sich die Aufgabe gestellt, das der Erde zuströmende

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 15
Licht im Fluge zu haschen und die beweglichste aller Kräfte, in starre Form
umgewandelt, aufzuspeichern. Zur Erreichung dieses Zweckes hat sie die
Erdkruste mit Organismen überzogen, welche lebend das Sonnenlicht in sich
aufnehmen und unter Verwendung dieser Kraft eine fortlaufende Summe
chemischer Differenz erzeugen. Diese Organismen sind die Pflanzen. Die
Pflanzenwelt bildet ein Reservoir, in welchem die flüchtigen Sonnenstrahlen fixiert
und zur Nutzniessung geschickt niedergelegt werden;... »
Um 1860 wies SACHS die Stärke als wichtiges Speicherprodukt chemischer
Energie in der Pflanze nach.
Erste Messungen von Pflanzenerträgen ergaben Werte von etwa 4 t/ha für
Kartoffeln und Getreide und 6,5 t/ha für Waldbäume in Mitteleuropa. Aus solchen
Einzelmessungen wurde von LIEBIG und EBERMAYER eine weltweite
Abb. 9 Weltkarte der Biomasseproduktion (aus [69]). - Dies ist der erste Versuch, alle vorhandenen
Informationen über die Grösse der pflanzlichen Produktion in den verschiedenen Kontinenten in einer
Weltkarte zu vereinen.

16 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
jährliche Produktion an Biomasse von 10 10 bis 10 11 t geschätzt, ein Wert, der den
heutigen auf vielen Messpunkten beruhenden Berechnungen immer noch recht
nahe kommt (Abb. 9).
2.2. Überblick über die photosynthetischen Reaktionen in grünen Pflanzen
[17, 51]
Die Blätter der höheren Pflanzen sind die Sonnenkollektoren, in welchen in
den Chloroplasten - Träger der photosynthetischen Pigmente - Sonnenenergie in
Biomasse umgewandelt wird (Abb. 10). Die Chloroplasten gliedern sich in die
grünen Granalamellen und das farblose Stroma.
In den ersteren laufen die Lichtreaktionen, im zweiten die Dunkelreaktionen
ab, beide schon 1905 aufgrund physiologischer Messungen von BLACKMAN
postuliert. Die Reaktionswege in den beiden Chloroplastenkompartimenten sind
heute zu einem grossen Teil bekannt; ihr Verständnis ist für die Diskussion einer
möglichen Veränderung der pflanzlichen Reaktionen von grosser Bedeutung (Abb.
12 und 13). Genaue Kenntnisse vor allem ihrer Regulation dürften es in Zukunft
möglich machen, die chemische Zusammensetzung
Abb. 10 Schematische Darstellung eines Blattquerschnittes und eines einzelnen Chloroplasten. - Der
eigentliche Ort der Energieumwandlung sind die Chloroplasten; sie finden sich im Palisadenund
Schwammgewebe des Blattes angehäuft. Zwischenräume (= Interzellularen) sorgen für einen guten
Gasaustausch (Zufuhr von CO2 , Abgabe von O2) mit der Aussenluft. Dies ist eine Voraussetzung für
die Energieumwandlung, wird doch die absorbierte Sonnenenergie in neuen C-C- und C-H-
Bindungen wie auch in der O-O-Bindung im abgegebenen Sauerstoff fixiert. - Die Chloroplasten
enthalten das lichtabsorbierende grüne Pigment Chlorophyll, das in den vielfach geschichteten
inneren Membranstrukturen, den Grana, lokalisiert ist. Im umliegenden ungefärbten Stroma befinden
sich die Enzyme, die aus CO2 und den Produkten der Lichtreaktionen Zucker und andere organische
Stoffe aufzubauen vermögen. Durch die Gestalt des Blattes, die Anordnung der Zellen im Blatt und
durch innere Membranen im Chloroplasten wird eine grosse Oberflächenvergrösserung erreicht und
damit eine möglichst vollständige Lichtabsorption gewährleistet.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 17
Abb. 11 Ablauf der Energieumwandlung im Chloroplasten. In den Granalamellen wird das Licht
absorbiert und vorerst in relativ unstabile Formen chemischer Energie umgewandelt, diese wird
anschliessend im Stroma in den eigentlichen pflanzlichen Speicherprodukten fixiert. Die Zeitangaben
geben einen Hinweis auf die Geschwindigkeitskonstanten für die drei Gruppen von
Umwandlungsreaktionen. (Abkürzungen siehe Abb. 13.)
Abb. 12 Vereinfachtes Reaktionsschema für die CO2 -Fixierung im Chloroplasten (nach [51]). - Der
in der Mehrheit der grünen Pflanzen vorkommende Reaktionsweg der CO2 -Fixierung (der
sogenannte Calvinzyklus) ist hier vereinfacht dargestellt. CO2 wird an einen phosphorylierten (=
aktivierten) C5-Zucker (RuDP = Ribulosediphosphat) gebunden, und aus einem nicht isolierbaren C6-
Zwischenprodukt bilden sich 2 Moleküle Phosphoglycerinsäure (PGS) (= Carboxylierungsphase, 1).
Diese wird mit Hilfe von ATP und NADPH2, Produkte der in den Grana ablaufenden
Lichtreaktionen, zu Triosephosphaten reduziert (= Reduktionsphase, II) und zum grössten Teil wieder
zum CO2 -Akzeptor RuDP regeneriert (Regenerationsphase, III). Damit ist der Zyklus geschlossen.
Aus dem Überschuss, einem C3-Körper pro drei Zyklusumgänge, baut schliesslich die Pflanze die
verschiedenen Assimilationsprodukte auf (Synthesen, IV). (Abkürzungen siehe Abb. 13.)

18 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
der Assimilationsprodukte zu verändern, um z.B. mehr oder weniger eines
bestimmten Pflanzenproduktes zu erhalten oder auch den Eigenverbrauch der
Pflanze zu verringern, um damit zu höheren Ausbeuten zu gelangen.
Grundlage für die in den Granalamellen im Licht gebildete chemische Energie
ist ein lichtgetriebener Elektronentransport, der Elektronen vom positiven
Redoxpotential des Wassers über zwei hintereinanderliegende Photoreaktionen auf
ein Redoxpotential von ca. -400 mV anhebt und damit ein starkes Reduktions-
Abb. 13 Schema des photosynthetischen Elektronentransportes im Chloroplasten höherer Pflanzen.
Das einfallende Sonnenlicht wird durch die photosynthetischen Pigmente (Chlorophylle und
verschiedene Carotinoide) absorbiert (= Lichtsammlerpigmente) und auf die speziellen Chlorophylle
der Reaktionszentren der beiden in Sequenz liegenden Photoreaktionen geleitet. Hier findet der
wesentliche Umwandlungsschritt statt, indem die in einem angeregten Pigment-Molekül enthaltene
Energie (Chl*) in eine elektrochemische Potentialdifferenz Chl + + A - umgewandelt wird (A ist der
Akzeptor des energiereichen Elektrons im Reaktionszentrum). Da die Komponenten des
photosynthetischen Elektronentransportes asymmetrisch in der Granamembran lokalisiert sind und
z.T. reine Elektronenüberträger, z.T. aber Wasserstoffüberträger sind, resultiert parallel zum
Elektronentransport ein Protonenfluss durch die Membran von aussen nach innen. Dies führt zu
Protonen- und Ionen- sowie Ladungsgradienten in der Membran selbst und quer zu ihr. Diese
elektrochemischen Potentialdifferenzen sind energetisch gekoppelt mit der ebenfalls an der Membran
ablaufenden ATP-Synthese. (Chl = Chlorophylle, Fd = Ferredoxin, NADP = Nicotinamidadenin-
dinukleotid-phosphat, ADP = Adenosindiphosphat, ATP = Adenosintriphosphat, P = Phosphat)

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 19
mittel liefert. Gleichzeitig findet die Synthese des wichtigsten biochemischen
Energieträgers ATP, aus ADP und Phosphat, statt (Abb. 13).
Sehr vereinfacht kann der photosynthetische Elektronentransport mit einer
Sonnenzelle und anschliessender Wasserelektrolyse verglichen werden: In
belichteten Chloroplasten wird eine Ladungsseparierung induziert, die zu einer
Wasserspaltung, zu Sauerstoff und Wasserstoff, führt. Letzterer bleibt allerdings
unter physiologischen Bedingungen an Zellkomponenten gebunden und wird im
Gegensatz zum Sauerstoff nicht als Gas frei (Abb. 14).
Abb. 14 Vereinfachte Darstellung der primären Reaktionen im Chloroplasten. Die Absorption von
Licht führt zu einer Ladungstrennung; diese treibt einen Elektronentransport, wobei Wasser in
molekularen Sauerstoff und an Träger gebundenen Wasserstoff gespalten wird.
2.3. Die Ausbeute der photosynthetischen Reaktionen [17]
Durch die Pflanzen wird weltweit nur etwa ein Zehntelprozent der jährlich
einfallenden Energie der Sonnenstrahlung in Biomasse fixiert. Wegen dieser
scheinbar geringen Ausbeute wird der Nutzung der Sonnenenergie über die
Biomasse häufig abgesprochen, dass sie ausserhalb der Lieferung der Nahrung je
einen entscheidenden Beitrag an den Energiekonsum der Menschheit beitragen
könne. Der niedrige Wert der über die ganze Erde und das Jahr gemittelten
photosynthetischen Ausbeute entspricht aber nicht den tatsächlichen Leistungen
des Prozesses, sind es doch in grossen Gebieten der Erde andere Faktoren, die die
pflanzliche Produktion einschränken. Es muss beachtet werden, dass es sich bei der
Photosynthese um die Ausbeute für eine Umwandlungssequenz in ein echtes
Speicherprodukt handelt und nicht um den maximalen Umwandlungsfaktor des
lichtabsorbierenden Systems, wie dies häufig in anderen Sonnenenergieumwandlungstechnologien
angegeben wird. Unter Berücksichtigung aller
denkbaren Verluste sollte unter optimalen Bedingungen (Energiezufuhr durch
Licht als einzigen produktionsbegrenzenden Faktor) mit einer Ausbeute von 5 - 6%
gerechnet werden können. Unter Laborbedingungen sind solche und noch höhere
Werte tatsächlich erzielt worden.
Zum Vergleich sind für einige Kulturpflanzen in verschiedenen Klimagebieten
die gemessenen Ausbeuten in Tab. 4 zusammengestellt. Diese liegen, bezogen auf
das Jahr, zwischen 0,5 und 2% und damit deutlich über dem weltweiten

20 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Tab. 3 Mögliche Ausbeute der photosynthetischen Sonnenenergieumwandlung (nach [36])
Gesamteinstrahlung pro Tag 2100 J/cm²
davon in sichtbarem Licht, 400 - 700 nm 930 J/cm²
Quantendichte im sichtbaren Licht 4300 µEinstein/cm²
- Albedoverluste -360 µEinstein/cm²
- inaktive Absorption -432 µEinstein/cm²
Photosynthetisch wirksam 3528 µEinstein/cm²
C-fixiert 353 µMol/cm²
Verluste durch Atmung 116 µMol/cm²
Nettoproduktion an (CH2O) 237 µMol/cm²
(=114 J/cm²)
Nettoproduktion in g: 71 g/m²
Von der gesamthaft eingestrahlten Energie kann nur der sichtbare Anteil photobiologisch genutzt
werden, das sind 43%. Davon gehen 10-30% durch Transmission und Reflexion verloren. Die
grössten Verluste haben ihre Ursache darin, dass der eigentliche Energieumwandlungsschritt von den
energieärmsten Lichtquanten des sichtbaren Bereichs (Wellenlänge 680-700 nm) ausgeht, während
das Emissionsmaximum des Sonnenlichtes bei 500 nm liegt. Schliesslich sind nach heutigen
Erkenntnissen 8-10 Lichtquanten zur Fixierung eines Moleküls CO 2 notwendig. Oft wird vergessen,
dass die Pflanze als Lebewesen um 30-40% der fixierten Energie für ihren eigenen Haushalt benötigt
(Aufrechterhaltung der Lebensvorgänge im Dunkeln und in nichtgrünen Organen).
Mittel. Der Grund, dass die photosynthetische Ausbeute von Kulturen verglichen
etwa mit Einzelpflanzen im Laboratorium deutlich hinter der berechneten
theoretischen Ausbeute zurückliegt, ist darin zu suchen, dass in der Regel im Felde
nicht das Licht der begrenzende Wachstumsfaktor ist. Der tiefe CO2 -Gehalt der
Luft, die in unseren Breiten suboptimalen Temperaturen, die Nährstoffversorgung
und die in grossen Teilen der Erde ungenügende Wasserversorgung der Pflanzen
bestimmen die photosynthetische Ausbeute weit mehr als die Menge des
einfallenden Lichtes!
3. Der heutige Stellenwert von Biomasse und Bioenergie
3.1. Biomasse als Nahrung und Futter [7]
Nur ein sehr kleiner Anteil der jährlich weltweit produzierten Biomasse wird
als Nahrung für die heute ca. 4. 10 9 Menschen benötigt. Trotzdem sind ganze
Völker unterernährt und werden durch Hungersnöte immer wieder heimgesucht.
Dies liegt offenbar nicht an einer ungenügenden Produktion an Nahrungsmitteln,
sondern am mangelhaften Verteilungssystem, an unkontrollierten Lagerund
Transportverlusten und häufig auch an der falschen Wahl der an bestimmten Orten
angebauten Pflanzen (Produktion für den Export hat oft den Vorrang gegenüber
dem Eigenbedarf). Das Problem ist politisch und nicht biologisch: Die Nahrung
muss zu den Menschen gebracht werden, die sie benötigen, und diesen ist ein
Einkommen zu geben, das ihnen erlaubt, Nahrung kaufen zu

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 21
Tab. 4 Biomasseproduktion einiger Kulturpflanzen (nach [44] und [101])
Pflanze Stoff- Land Kurzzeit- photosynthe- Jahres- photosynthe
wechsel- wachstums- tische produktion tische
typ rate Ausbeute Ausbeute
bezogen auf bezogen
Wachstums- auf Jahr
phase
(g/m².Tag) (%) (t/ha.Jahr) (%)
(Trockenge- (Trockenge
wicht) wicht)
gemässigte
Zone
Mais C4 USA 40 3,4 22 0,8
Zuckerrübe C3 England 31 4,3 23 1,1
Weizen C3 Holland 18 1,7 29 1,1
subtropische
Zone
Mais C4 USA 52 2,9 26 0,8
Kartoffel C3 USA 37 2,3 22 0,6
Zuckerrohr C3 USA 31 2,8 - -
tropische
Zone
Reis C3 Philippinen 27 2,9 45 1,4
Mais C4 Thailand 31 2,7 16 0,5
Zuckerrohr C4 Hawaii 37 3,8 64 1,8
Es fällt auf, dass weder die täglichen Zunahmen an Trockengewicht noch die photosynthetische
Ausbeute in den verschiedenen Klimagebieten eindeutige Unterschiede zeigen. Grössere
Abweichungen zwischen Pflanzen und Klimagebieten ergeben sich eher bei der Berechnung der
Jahresproduktion: die Vegetationszeit macht in den gemässigten Klimagebieten nur einen Bruchteil
des Jahres aus, dagegen sind in der tropischen Zone in der Regel zwei, oft sogar drei Ernten jährlich
möglich.
Ausnehmend hohe photosynthetische Ausbeuten wurden für Sonnenblumen und Karotten unter
Versuchsbedingungen (7,5%) und kürzlich für Algenmischkulturen (18%) berichtet [86]. C3-
Pflanzen besitzen den in Abb. 12 skizzierten Typ der CO2 -Fixierung, während bei den C4-Pflanzen
ein wirkungsvoller Fixierungsmechanismus zu C4-Verbindungen als ersten Produkten führt.
können. Dass dies heute noch nicht gelungen ist, hat verschiedenste Gründe und ist
an andern Orten ausführlich diskutiert worden [9, 23, 103, 109].
Der Anteil des landwirtschaftlich bebauten Bodens ist in vielen Industrieländern
eher gering (England und USA ca. 20%, Schweiz ca. 26%); ein grosser
Teil davon dient der Viehzucht (USA 60%, Schweiz 72%) [64]. Trotzdem häufen
sich Überschüsse vor allem der tierischen Produktion, die nur umständlich zu
konservieren und kaum mehr zu vermarkten sind. In vielen Regionen liegen

22 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
ursprünglich landwirtschaftlich genutzte Flächen brach; diese könnten für eine
erweiterte Produktion von Nahrungsmitteln und Futter, aber auch für die
Produktion von Biomasse für die Gewinnung von Brennstoffen oder chemischen
Grundstoffen zur Verringerung der Abhängigkeit von Importen ohne weiteres
genutzt werden. Solche Reserven sind für jedes Land sehr verschieden, und das
allfällig vorhandene Potential muss für jede Region einzeln bestimmt werden.
In den vergangenen Jahrzehnten wurden auf immer weniger Landfläche immer
mehr Nahrungsmittel produziert [68]. Durch gezielte Verbesserungen von
Massnahmen, die sich auf den Ertrag auswirken, sind gewaltige
Ertragssteigerungen möglich geworden. Genaue Kenntnisse der den Ertrag
beeinflussenden Aussenfaktoren und die Möglichkeit der Veränderung derselben
durch den Menschen müssen demzufolge auch heute noch zu grossen Ernte-
Steigerungen führen [10, 115].
Einer dieser limitierenden Faktoren ist das Wasser. Weltweit können etwa 15
% des Kulturlandes bewässert werden, diese Fläche vermag aber 40% der
menschlichen Nahrung zu erzeugen. Bewässerung ist gerade für die neuen, hoch
ertragreichen Sorten neben guter Düngung absolute Voraussetzung für einen
entsprechenden Ertrag.
Erweiterung der bewässerten Gebiete oder andere Veränderungen der Umwelt
zum Zwecke der Ertragssteigerung sind möglich, können aber nur mit einem
entsprechenden Energieaufwand realisiert werden. Dies wird am besten
dokumentiert durch einen Rückblick auf die in den vergangenen Jahrzehnten
erzielten Produktionssteigerungen.
Tab. 5 Mittlere Ernten 1973 und 1974 und bisherige Rekordernten für einige pflanzliche und
tierische Landwirtschaftsprodukte in den USA (nach [114])
mittlere Ernte Rekordernte
1973 1974 weltweit
Mais (m³/ha) 8,4 6,4 27,3
Weizen (m³/ha) 2,8 2,5 19,2
Sojabohne (m³/ha) 2,5 2,1 9,8
Hafer (m³/ha) 4,4 4,3 26,3
Kartoffel (m³/ha) 34,2 37,3 124,4
Zuckerrübe (t/ha) 49,4 46,9 133,3
Milch (kg/Kuh) – 4635 22 500
Eier (Stück/Henne) – 230 365
Wie leicht errechnet werden kann, liegen die Rekordwerte 3- bis 8mal höher als die mittleren
Ernteerträge 1973 und 1974. Dies zeigt deutlich, dass die Vielzahl der sich auf die Produktion
auswirkenden Umweltbedingungen selten optimal sind.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 23
Abb. 15 Produktivitätssteigerung
im Maisanbau in der
Schweiz seit 1910 (aus [53]).
- Ertragssteigerungen seit
1950 sind auf die Einführung
von Hybridmais, Sortenverbesserung
und neue Anbautechnikenzurückzuführen.
Die umweltbedingten
Variationen im Ertrag sind
heute im allgemeinen grösser
als früher. Man glaubt, noch
in diesem Jahrhundert
Durchschnittserträge von 10
t/ha erzielen zu können, eine
Produktivität, die im schweizerischen
Mittelland heute
nur in Ausnahmefällen, im
Tessin dagegen schon recht
häufig erreicht wird.
In Tabelle 6 ist der Aufwand zusammengestellt, der für die Produktion des
wichtigsten Getreides der USA, von Mais, anfällt (Produktion 1971 in den USA
3.108 t) [84]. Mais nimmt, bezogen auf den Energieaufwand für die Kultur, unter
den landwirtschaftlichen Produkten etwa eine Mittelstellung zwischen den hohen
Aufwand erfordernden Früchten und Gemüse und der eher extensiven
Graswirtschaft ein (siehe Abb. 16 und 17) und kann daher als Mass für die gesamte
Landwirtschaft genommen werden [81]. Ein grosser Teil der vorhandenen Daten
stammt aus den USA. Die Art und Weise, wie in Nordamerika verglichen mit
Europa pflanzliche und tierische Nahrung produziert wird, ist so verschieden, dass
Daten aus den USA kaum quantitativ auf unsere Verhältnisse übertragen werden
können. Dagegen dürfte es sich für uns lohnen, Denkanstösse aus amerikanischen
Entwicklungen zu bekommen, um für die Nahrungsproduktion in der Schweiz
einen besseren Weg einschlagen zu können.
Werden Aufwand und Ertrag in Energieeinheiten ermittelt und miteinander
verglichen, zeigt sich, dass der Anstieg des Ertrages über die beobachtete
Zeitperiode der Zunahme des Aufwandes nicht folgen konnte. Während noch 1945
pro

24 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Tab. 6 Energieaufwand für die Produktion von Mais in den USA (je pro ha Kulturland) (nach
[84])
1945 1954 1964
1970
Arbeit Arbeitsstunden 57 42 27 22
Maschinen Bau, Reparaturen, MJ 1865 3110 4370 4370
Treibstoff 1 133 170 185 195
Dünger N kg 8 30 65 125
P kg 8 13 20 35
K kg 5 20 32 67
Samen 1 15 22 29 29
Bewässerung MJ 197 281 353 353
Insektizide kg 0 0,3 1,1 1,1
Herbizide kg 0 0,1 0,4 1,1
Trocknung MJ 105 622 1260 1260
Elektrizität MJ 336 1050 2100 3213
Transporte MJ 210 462 714 714
mittlerer Ertrag m 3 3,0 3,6 6,0 7,2
Umrechnung der obigen Werte in Energie:
Total Aufwand GJ 9,7 16,0 23,1 30,2
Körnerertrag GJ 35,7 43,7 71,0 84,8
Verhältnis Ausbeute/Aufwand 3,7 2,7 3,0 2,8
Während für 1909 ein mittlerer Ertrag von 2,3 m 3 /ha, 1945 von 3,0 m 3 /ha angegeben wurde,
liess sich in den letzten Jahrzehnten eine Steigerung bis auf 8,4 m 3 /ha im Jahre 1973 erzielen.
Gleichzeitig mit der Ertragssteigerung von mehreren 100% reduzierte sich der Arbeitsaufwand um
60% durch eine intensive Mechanisierung: die Zahl der Traktoren stieg um 88%, und die Stärke
derselben nahm 2,6mal zu, so dass 1970 gegen 5mal mehr mechanische Leistung als 1950 zur
Verfügung stand, was auch in einem erhöhten Treibstoffverbrauch pro Ackerfläche sichtbar wird.
Extrem zugenommen haben seit 1945 der Einsatz von Dünger (N-Dünger 16mal mehr!) wie auch der
Energiebedarf für die Trocknung der Körner (bedingt auch durch neuere Sorten mit höherem
Feuchtigkeitsgehalt).
Die vorliegenden Zahlen belegen deutlich, dass die Erhöhung der Flächenerträge in den
vergangenen Jahrzehnten für die Produktion von Mais in den USA, aber ebenso für viele andere
Kulturen in verschiedensten Ländern, auf der Zufuhr von Fremdenergie, vor allem der vergänglichen
fossilen Brennstoffe, basiert.
3,7 J Ertrag in Maiskörnern 1 J Fremdenergie nötig war, erzielte 1970 dieselbe
Menge Fremdenergie nur noch das 2,8fache an Energie im Pflanzen-produkt. Die
für 1970 angegebenen 3.10 10 J/ha Fremdenergie scheinen verglichen mit der
Sonneneinstrahlung von ca. 2. 10 13 J/ha verschwindend klein. Bei einer
angenommenen photosynthetischen Ausbeute von 1,3% macht die Fremdenergie
ca. 11% der Gesamtenergiezufuhr aus, bei einer tatsächlichen Energieausbeute von
0,4% (da vom Mais nur die Körner genutzt werden), steigt der Fremdenergieanteil
auf sogar 36%.
Es verwundert daher wenig, wenn unter dem Druck steigender Energiekosten
gerade in den USA Möglichkeiten gesucht werden, den Energieaufwand in der
Landwirtschaft zu reduzieren. Der kleinste Betrag der zugeführten Energie

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 25
entspricht dem der menschlichen Arbeit; durch eine Vergrösserung dieses
Einzelpostens könnten andere gewaltig reduziert werden. Würde z.B. eine einzige
Herbizidbehandlung statt mechanisch von Hand durchgeführt, so benötigte man
dafür nur 1/60 Energie; eine zusätzliche Reduktion erbrächte eine nur fleckenweise
Behandlung der kritischen Flächen [84].
Weiter könnte Energie eingespart werden durch die Wahl der geeignetsten
Ausrüstung und deren Einsatz unter optimalen Bedingungen, ein Punkt, der auch in
der Schweiz mehr beherzigt werden könnte. Häufig trifft man in unserer alpinen
Landwirtschaft überdimensionierte und damit für die zu verrichtende Arbeit
ungeeignete Traktoren. Nicht umsonst macht STUDER auf die richtige Wahl des
Fahrzeugs und der Pneus, aber auch auf die richtige Fahrweise aufmerksam. In den
USA kommt heute ein Traktor auf 25 ha (in der Schweiz auf 10 ha); eine
Verkleinerung dieses Quotienten könnte den Aufwand für Maschinen entsprechend
verringern.
Die für die Herstellung von Stickstoffdünger notwendige Energie übersteigt
sogar diejenige von Treibstoff. Die für 1970 pro ha angegebene Menge
Stickstoffdünger entspricht dem N-Gehalt der jährlichen Ausscheidungen von etwa
2½ Kühen oder 200 Hühnern, und verschiedentlich wird daher die Rückkehr zum
traditionellen gemischten Landwirtschaftsbetrieb mit Ackerbau und Viehzucht als
wirtschaftlich realistische Alternative vorgeschlagen [81, 84]. Ausserdem fördert
der Einsatz von Tierdung die Humusbildung, was sich positiv auf das Bodenleben,
auf die Fähigkeit, Wasser zu speichern, und auf die Krümelstruktur des Bodens
auswirkt und die Bodenerosion durch Wind und Wasser verringert [31].
Im Zusammenhang mit der Stickstoffernährung wird oft wieder auf die früher
gebräuchliche Wechselkultur hingewiesen. So ergibt z. B. die Saat von Klee oder
Wicken im Frühherbst und Unterpflügen der Pflanzen im April eine
Stickstoffanreicherung von 140-170 kg/ha, was einer Energieeinsparung von rund
10 10 J/ha entspricht [30]. Mit Wechselkulturen können zusätzlich wirkungsvoll
verschiedene Maiskrankheiten und -parasiten wie auch Unkrautprobleme
kontrolliert werden.
Neben der Landwirtschaft zählt auch die amerikanische Nahrungsmittel-
Industrie zu den energieaufwendigsten und auch teuersten Systemen, die kaum als
Vorbild für die Zukunft genommen werden können.
Technologische Entwicklungen werden im freien Wirtschaftssystem durch
denjenigen Produktionsfaktor gesteuert, der ökonomisch limitierend ist [62]. Für
die USA waren dies bisher zweifellos die hohen Löhne und der Mangel an billigen,
landwirtschaftlichen Arbeitskräften, die zur weitgehenden Mechanisierung des
gesamten Nahrungsproduktionssystems geführt haben. Durch eine geänderte
Technologie wurde versucht, das System nach rein ökonomischen Gesichtspunkten
zu optimieren. Nahrungssysteme verschiedener Länder oder früherer Epochen
dürfen aber nicht nach dem Kostenaufwand, sondern können nur durch genaue
Bestimmung des Energieaufwandes verglichen werden, ähnlich wie dies für die
Produktion von Mais gezeigt worden ist.

26 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Zu den energetischen Produktionskosten aller unserer Nahrungsmittel zählen
auch diejenigen der Verarbeitung, Verpackung, Lagerung, des Transportes und des
Verkaufs sowie der Mahlzeitenzubereitung selbst. Dies beinhaltet ebenso die
Produktion aller Verpackungen, Gefrier- und Küchengeräte; ebenso muss die
Kehrichtabfuhr mit allen energieverbrauchenden Strukturen zu einem ansehnlichen
Teil dem Nahrungsmittelsystem angelastet werden.
1940 flossen - umfassend gerechnet - 2,9 x 10 18 J ins gesamte Nahrungssystem
der Vereinigten Staaten; 1970 waren es 9 x 10 18 J.
Wird die landwirtschaftliche Produktion der vergangenen Jahrzehnte als
Funktion der Fremdenergiezufuhr aufgezeichnet, so zeigt sich deutlich, dass durch
eine weitere Erhöhung der Fremdenergie die landwirtschaftliche Produktion kaum
mehr wesentlich gesteigert werden kann. Jede weitere Vergrösserung der
Energiezufuhr muss sich damit zwangsläufig in einem verschlechterten Input/
Output-Verhältnis auswirken. Für die verschiedenen Nahrungspflanzen ist das
Aufwand/Ertrags-Verhältnis in der Grossflächenkultur deutlich verschieden, und
grosse Unterschiede bestehen auch zwischen der Produktion der pflanzlichen
Grundnahrungsmittel und der Produktion tierischer Nahrung (Abb. 16
Abb. 16 Zufuhr an Fremdenergie für die Kultur pflanzlicher Nahrungsmittel. Das Aufwand-Ertrags-
Verhältnis ist dem pro Flächeneinheit notwendigen Energieaufwand für die Kultur gegenübergestellt
(nach [58]). - Verschiedene Früchte und viele Gemüse zählen zu den energieintensiven
Anbauprodukten, sind doch in der Grosskultur mehr Dünger, mehr Bewässerung, mehr Pestizide und
mehr Bodenbearbeitung erforderlich als z. B. bei Getreide oder Sojabohnen. Zusätzlich sind die
Verluste grösser, da häufig extreme Anforderungen an Uniformität und Qualität gestellt werden. Im
Gegensatz dazu zeigen Hirse, Zuckerrohr und Mais die günstigsten Aufwand/Ertrags- Verhältnisse.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 27
und 17) [16, 18, 33, 68, 101, 102, 106]. Steigende Energiekosten werden uns
zwingen, zu einer weniger energieaufwendigen Nahrungsmittelproduktion zu
wechseln. Unser täglicher Einkaufkorb könnte mehr unverarbeitete Nahrung
enthalten anstelle von Büchsen oder gerüsteten, gefrorenen Gemüsen und Früchten.
Früher genügten als Verpackung einfache Papiersäcke, heute dienen aufwendige
Hüllen vor allem der Werbung. Bei
Abb. 17 Zufuhr an Fremdenergie für die Produktion verschiedener pflanzlicher und tierischer
Nahrungsmittel (nach [102]). - Für das gesamte US-Nahrungssystem ist das Aufwand-Ertrags-
Verhältnis von 1910 bis 1980 von ca. 1 auf 10 angestiegen. Der Energieaufwand für tierische
Produkte, Milch, Eier, Fleisch, ist weit höher als für die pflanzlichen Nahrungsmittel. Die grosse
Spannweite bei den pflanzlichen Produkten von 0,2 z. B. für Maissilage bis 5 für Tomaten oder
Blumenkohl bringt es mit sich, dass eine Fleischproduktion auf der Basis des energieeffizienten Mais
gesamthaft bessere Ausbeuten bringen kann als energieintensive Gemüsekulturen. Bei primitiven
Völkern genügt 1 Kalorie Fremdenergie aus sich erneuernder Biomasse für die Bereitstellung von 5
bis 50 Kalorien Nahrungsenergie. Auch in unseren heutigen Haus- und Schrebergärten dürften wir bei
geschickter Nutzung von Haushalt- und Gartenabfällen noch in diesem Bereich liegen. Im
industrialisierten Nahrungssystem dagegen sind im Durchschnitt 5-10 Kalorien nötig, um eine einzige
Nahrungskalorie zur Verfügung zu haben.

28 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Glas- und Aluminiumverpackungen scheint sich bei uns nach einer relativ kurzen
Zeit der Wegwerfverpackung der Gedanke der Materialrückführung (= Recycling)
doch langsam durchzusetzen.
Schliesslich erhöht sich nach amerikanischen Berechnungen der
Fremdenergieanteil an Nahrung etwa um weitere 15 % durch die Einkaufsfahrten
zum Shopping- Center. Der Einkaufsspaziergang zum Dorfladen oder das von G.
Dutt-
Abb. 18 Maisernte bei den Amisch (Photo A. BINDER). - Das Pferdegespann zieht die
Erntemaschinen, die von einem Motor angetrieben werden.
Tab. 7 Vergleich von Farmgrösse, Ertrag und Aufwand/Ertrags-Verhältnis von verschiedenen
bewirtschafteten Farmen in Pennsylvanien (P) und Wisconsin (W) (aus [60])
mittlere mittlere Ertrag Aufwand Auf-
Farm- Rinder- wand/
grösse zahl Futter Treib- Dünger Maschi- Ertrag
stoff nen
(ha) MJ/ha MJ/ha MJ/ha MJ/ha MJ/ha
konservativere
Amisch (P) 30,0 12,8 7,2 1,8 1,1 1,3 0,2 0,66
Amisch (P) 32,6 31,0 13,2 5,3 3,4 2,2 0,8 0,99
Amerikaner (P) 73,4 47,3 12,9 3,0 14,0 3,2 3,4 1,81
Amisch (W) 60,8 14,5 5,5 0,7 1,6 0,3 1,0 0,62
Amerikaner (W) 71,6 24,5 7,0 5,5 17,4 3,0 7,1 3,65
Amerikaner (W) 107,6 40,9 8,7 3,1 13,1 3,9 5,1 2,53
Die Farmgrösse - Fläche, Tierzahl - ist bei den Amisch geringer als bei den gewöhnlichen
«amerikanischen» Nachbarbetrieben. Bei den konservativen Gruppen ist der Hektarertrag nur die
Hälfte desjenigen der Vergleichsbetriebe, das Energie-Input/Output-Verhältnis für Viehwirtschaft
aber extrem günstig. Die Kühe werden noch von Hand gemolken, und die Milch wird mit Wasser
gekühlt. Die Bauernhöfe machen einen eher ärmlichen Eindruck, ähnlich wie in weniger entwickelten
Ländern. Die zweite Amisch-Gruppe in Pennsylvanien hat für die Region vergleichbare Hektarerträge
und ein für Milchwirtschaft gutes Input/Output-Verhältnis von 1. Ähnlich liegen die Verhältnisse in
Südwestwisconsin. In der Grösse vergleichbare, gewöhnliche Betriebe arbeiten energetisch viel
ineffizienter.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 29
weiler realisierte System fahrender Läden sind heute uns noch zur Verfügung
stehende, günstigere Möglichkeiten!
Welches sind Alternativen zur industrialisierten Landwirtschaft?
Die kleine, ca. 70 000 Personen umfassende Bevölkerungsgruppe der Amisch,
vorwiegend in den Staaten Pennsylvanien, Wisconsin, Illinois und Ohio, betreibt
Landwirtschaft z. T. heute noch nach konservativen, arbeitsintensiven Methoden
des 16.-18. Jahrhunderts [60]. Aus religiösen Gründen ist eine Mechanisierung nur
langsam erfolgt; stationäre Motoren werden gelegentlich eingesetzt, aber nur selten
werden Motoren zum Antrieb von Fahrzeugen benutzt. In Tab. 7 sind
Energieaufwand und -ertrag für Farmer ausgesprochener Milchwirtschaftsgebiete
in Zentralpennsylvanien und Südwestwisconsin untereinander verglichen. Die
Aufwand/Ertrags-Verhältnisse liegen für die Gruppe der Amisch bei 1 und
darunter, während für die konventionelle Landwirtschaft 1,8 bis 3,7 errechnet
wurde. Dank einer einfachen Technologie gelang es diesen Kleinbetrieben, die
Konzentrierung zu Riesenbetrieben in der amerikanischen Landwirtschaft zu
überleben. Die Daten beweisen, dass in einer Zeit der Energieverknappung mit
vermehrtem Einsatz menschlicher Arbeitskraft die gleichen
Abb. 19 Energieaufwand (Input) und -ertrag (Output) der Schweizer Landwirtschaft 1939 und 1976
(nach [105]). 1 PJ = 10 15 J. - Der Energieaufwand hat sich in dieser Zeit fast versechsfacht, während
der Ertrag sich kaum verdoppelte.

30 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Erträge erzielt werden können wie im heutigen hoch mechanisierten System.
Auch in der Schweiz hat in den letzten 50 Jahren eine Industrialisierung der
Landwirtschaft stattgefunden. Der Bedarf an Fremdenergie in Form von Dünger,
Pflanzenschutzmitteln, Treibstoff, Elektrizität und Maschinen ist von 2,8 x 10 15 J
im Jahre 1939 auf 16,6 x 10 15 J im Jahre 1976 angestiegen, was ungefähr einer
Versechsfachung entspricht [15, 105, 125]. Der Ertrag stieg gleichzeitig von ca. 10
x 10 15 J (1939) auf 18 x 10 15 J (1976) nur auf weniger als das Doppelte, so dass sich
das Energieaufwand/Ertrags-Verhältnis in dieser Zeit von 0,3 auf 0,9 erhöhte. Nach
HAUSER lag das Aufwand/Ertrags-Verhältnis schon 1970 leicht über 1 (Tab. 8).
Wie könnte in der Schweiz das Input/Output-Verhältnis verkleinert werden
[6]?
STUDER nennt als sofort realisierbare Möglichkeiten die geeignete Wahl der
Traktoren (hier könnte die Subventionierungspraxis auch steuernd eingreifen),
Sparmassnahmen bei der künstlichen Grastrocknung und sparsameren Einsatz von
Hilfsstoffen [105]. In der künstlichen Grastrocknung wird nur für die Trocknung
allein mehr Energie aufgewendet, als dem Energiegehalt des Futters entspricht (45-
70 ℓ Heizöl/100 kg Trockengras). Anlagen, in welchen Trockenöfen durch
Sonnenkollektoren ersetzt wurden, zeigen die Wirtschaftlichkeit der technischen
Sonnenenergienutzung im landwirtschaftlichen Bereich (Abb. 21). Eine Reduktion
des Düngereinsatzes würde nicht nur den Energieaufwand bei den Hilfsstoffen
verkleinern, sondern könnte auch einen Beitrag an die Erhaltung unserer Gewässer
liefern, wird doch z.B. von Nitrat im Mittel 25% aus dem Boden ausgewaschen.
Tab. 8 Energiebilanz der schweizerischen Landwirtschaft 1970 (aus [54])
Primärenergieaufwand in 10 15 J
Treibstoffe:
Benzin 57.10 6 ℓ 2,51
Diesel 85.10 6 ℓ 3,66
Düngemittel:
N 37.10 6 kg 2,94
P 38.10 6 0,69
K 61.10 6 0,59
Pflanzenschutzmittel: 4,7.10 6 0,49
Maschineneinsatz:
Abschreibungen,
Reparaturen 2,49
Elektrizität: 1,18
Gesamtenergieaufwand, ohne Arbeitskraft und Sonnenenergie 14,55
Inlandproduktion (ohne auf importierten Futtermitteln beruh-
ende Produktion) 13,82
Aufwand/Ertrags-Verhältnis 1,05:1

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 31
Abb. 20 Struktur des direkten Energieverbrauches der Schweizer Landwirtschaft 1975
(aus[105]). - Der gemittelte direkte Energieverbrauch der Schweizer Landwirtschaft beträgt mit
9200 TJ etwa 1,5% des Gesamtenergieverbrauchs des Landes; unter Berücksichtigung der in
zugekauftem Dünger, in Pflanzenschutzmitteln und Maschinen enthaltenen Energie steigtder
Anteil auf 2,7% (1975). Dieselöl für den Betrieb von Traktoren und Arbeitsmaschinen(35%)
und Heizöl für die künstliche Grastrocknung (15%) sind die grössten Einzelposten.
3.2. Der Wald als Energielieferant
Der grösste Teil der Biomasse liegt als Holz vor, dem ältesten vom
Menschengenutzten Energieträger. Noch heute deckt Holz zwischen 10 und 15%
des weltweiten Gesamtenergieverbrauchs. In wenig entwickelten Ländern zählt
Holz zum wichtigsten Energieträger, dagegen macht sein Anteil am
Energieverbrauch der industrialisierten Länder nur noch wenige Prozente aus.

32 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Abb. 21 Scheune mit im Dach eingebautem Sonnenkollektor zur Grastrocknung. - Der
Sonnenkollektor hat eine Grösse von ca. 250 m². Mittels eines Heugebläses (10-15 m3Luft/Sekunde)
wird die um 5-12 0C erwärmte Luft abgesogen und durch einen Rost unter dem Heustock in das zu
trocknende Gras eingeblasen.
Tab. 9 Anteil des Energieträgers Holz am Gesamtenergieverbrauch einiger Länder
(OECD, 1970)
Entwicklungsländer Industrieländer
Nepal 95,8% Griechenland 8,7%
Tansania 96,0% Sowjetunion 3,6%
Nigeria 90,6% Finnland 14,6%
Kenia 90,2% Schweden 3,0%
Brasilien 59,1% Frankreich 1,5%
Rhodesien 32,7% Schweiz 1,5%
Abb. 22 Holzzuwachs für einige Baumarten in der Schweiz (in m3/ha Jahr, aus [94]).

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 33
Holz ist eine der günstigsten Formen von Biomasse, in welche Sonnenenergie
umgewandelt werden kann. Dank der problemlosen und guten Speicherbarkeit
kann der Zeitpunkt der Ernte beliebig gewählt werden. Dies ist für die
Verarbeitungs- und Umwandlungsinfrastruktur sehr wesentlich.
Holz ist nicht nur ein guter Brennstoff für direkte Verbrennung (3 kg Holz
entsprechen ca. 1 Liter Erdöl), es ist auch gut in andere Energieträger überführbar
(Vergasung, Verflüssigung). Daneben ist Holz ein ausgezeichneter Rohstoff, der
Erdöl in der chemischen Industrie weitgehend ersetzen könnte.
Tab. 10 Waldverhältnisse der Schweiz (1976)
Gesamtfläche Schweiz 41 293 km²
davon Wald 10 777 26%
Produktive Waldfläche 9 698 90%
davon Nadelwald rein 6 460 60%
Laubwald rein 2 480 23%
Im Gegensatz zur Verbrennung fossiler Energieträger ändert eine Nutzung von
Holz im Umfange der Biomasseproduktion des Waldes das CO2/O2-Gleichgewicht
nicht.
In der Schweiz wird heute weniger Holz geerntet als produziert: Vielerorts hat
sich der Holzvorrat im Wald seit anfangs dieses Jahrhunderts verdoppelt. 15% der
Waldfläche wurde 1975 nicht mehr genutzt, und gegen 200 000 m 3 Holz sollen
unaufgerüstet im Wald liegen geblieben sein [116]. Verschiedene Gründe sind für
diese Unternutzung verantwortlich:
- grosse Teile des Schweizer Waldes sind schwer zugänglich (Voralpen und
Alpen), und die Erschliessung ist ungenügend;
- die Nachfrage war lange Zeit gering und schwankend, die Preise entsprechend
gedrückt, so dass sich beim heutigen Lohnniveau eine Bewirtschaftung nicht
lohnte.
In Zukunft wird auch in der Schweiz die Waldwirtschaft einen grösseren
Anteil an die Energieversorgung leisten müssen [57]!
Tab. 11 Holznutzung in der Schweiz
Produktive Waldfläche 973 631 ha
Jährlicher Holzzuwachs 5-10 m3/ha ca. 5-10.10 6 m3
Heizwert des jährlichen Zuwachses ca. 2.10 6 t Öl
Erdöleinfuhr 1974 13.10 6 t
Nutzung des Holzes als Brennholz total
1930 1,49 2,85.10 6 m 3
1943 3,25 5,25
1950 0,29 3,35
1960 0,48 3,62
1973 0,72 3,74

34 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
4. Energie aus Biomasse: der Weg in die Zukunft [47, 48, 96]
Biomasseproduktion ist Land- und Forstwirtschaft! Unabhängig von der
nachfolgenden Umwandlungstechnologie soll vorerst die Produktionstechnologie
studiert werden. Mehr noch als bei der Nutzung der Biomasse als hochwertige
Nahrung und Tierfutter muss auf minimales Aufwand/Ertrags-Verhältnis und auf
hohen Flächenertrag geachtet werden. Es ist selbstverständlich, dass
Nahrungsproduktion immer den Vorrang hat und es nie zu einer Preiskonkurrenz
zwischen Nahrung und Brennstoff kommen darf.
4.1. Möglichkeiten der Steigerung der Biomasseproduktion
Verschiedene Faktoren begrenzen die Produktivität einer Pflanzengesellschaft
an einem gegebenen Standort. Einzelne davon können nicht geändert werden
(geringer CO2-Gehalt der Luft, Länge der Vegetationszeit, Sonnenscheindauer,
Bodenart), andere Faktoren dagegen lassen sich mit geringem Aufwand verändern
(Pflanzendichte, Pflanzzeit, Samenqualität, Genotyp der Kultur). Die Veränderung
einer dritten Gruppe von Faktoren ist energetisch und finanziell aufwendig, hierher
gehören zusätzliche Wasser- und Nährstoffzufuhr, Bekämpfung von Schädlingen
und Unkraut wie auch anschliessende Produktelagerung und Verkaufsorganisation
[16].
Die Kosten für Saatgut machen nur wenige Prozente der landwirtschaftlichen
Produktionskosten aus. Genetische Verbesserungen zur Erhöhung des
Flächenertrages und Senkung des Energieaufwandes sind daher von Bedeutung
und mit relativ geringem energetischem Einsatz zu lösen. Solche Verbesserungen
könnten innerhalb der folgenden Problemkreise erzielt werden:
- Verringerung des Energieverbrauchs der Pflanze selbst: Bei den meisten unserer
Kulturpflanzen gehen schon während der ersten Fixierungsreaktionen bis 50%
des eingebauten CO2 durch die sogenannte Lichtatmung wieder verloren. Gräser,
vor allem solche tropischer Verbreitung - sogenannte C4- Pflanzen - (bei unseren
Kulturpflanzen nur der Mais), haben einen CO2-Fixierungsmechanismus, bei
dem diese Lichtatmung fehlt. Diese Pflanzen sind zudem befähigt, auch hohe
Lichtintensitäten weitgehend zu nutzen und CO2 noch bei geringsten
Konzentrationen aufzunehmen; die Produktion ist ferner weniger vom
Wassergehalt des Bodens beeinflusst. Eine Übertragung der entsprechenden
Gene in die wichtigen Kulturpflanzen der gemässigten Zone - Getreide,
Kartoffel, Zuckerrübe - könnte deren photosynthetische Ausbeute deutlich
steigern.
- Der Abbau von Assimilaten für den pflanzeneigenen Stoffwechsel in der
Dunkelatmung ist häufig energetisch ineffizient; durch entsprechende genetische
Veränderungen könnten ebenfalls massive Produktionssteigerungen erzielt
werden.
- Resistenz gegen Schädlinge und deren Toxine, wie auch gegen Schwermetalle,
und Toleranz gegen Herbizide sind genetisch fixiert und daher durch
züchterische Massnahmen kombinierbar.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 35
- Geringere Wasser- und Nährstoffbedürfnisse der Pflanze würden die
landwirtschaftlich nutzbare Fläche vergrössern.
- Erzielung eines erhöhten Nährwertes des genutzten Pflanzenteils: Eine
Steigerung des Proteingehaltes von Mais von heute 9% auf 15% ergäbe eine
Einsparung von rund 107 t Sojamehl in Futtermitteln allein in den USA. Durch
Verringerung des Wassergehaltes von Samen könnte ferner bei der
Erntetrocknung zusätzlich Energie gespart werden.
- Erhöhung der Biomasseausbeute pro Flächeneinheit durch eine veränderte
Morphologie der Pflanzen; z. B. andere Blattstellungen, dank welcher eine
engere Pflanzung und damit eine vollständigere Lichtabsorption möglich ist.
- Ein vorläufig eher spekulatives Gebiet der Pflanzenzüchtung ist die Übertragung
der Gene, die verschiedene Bakterien und Blaualgen befähigen, Luftstickstoff zu
binden, auf Getreidearten oder andere Nutzpflanzen. Denkbar wäre auch die
Erzielung einer Symbiose zwischen höherer Pflanze und Stickstoff-fixierenden
Mikroorganismen, wie dies beispielsweise bei Leguminosen verwirklicht ist.
Die Pflanzenzüchtung bedient sich heute vermehrt der modernen Methoden
des Gentransfers und der Protoplastenfusion [27]. Dies erlaubt, wesentlich rascher
und unabhängig von Sterilitätsbarrieren zu neuen Formen zu gelangen. Bei allem
Optimismus ist zu beachten, dass der Wert der bisherigen Zuchterfolge durch
Verluste scheinbar unbedeutender Eigenschaften der Wildpflanzen, wie etwa
Resistenz gegen Trockenheit, Kälte oder Schädlinge, gemindert wurde. Je weiter
man die ursprünglichen Pflanzen verändert, um so mehr Pflege und Fremdenergie
benötigen sie in der Regel. Dies wird gerade für jene Völker, die am meisten auf
den hohen Ertrag angewiesen sind, zu einem finanziellen Problem.
Tab. 12 Produktion und Ausbeute von landwirtschaftlichen Kulturen
photosynthetische Ertrag
Ausbeute t Trocken
gewicht/
ha. Jahr
Mais, England 0,9 17
davon Körner 0,2 5
Weizen, USA 1,1 30
davon Körner 0,4 12
Reis, S-Amerika 0,7 22
davon Körner 0,2 7
Bei den meisten Kulturpflanzen macht der genutzte Anteil
nur 20- 40% der Gesamtbiomasse aus.

36 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Die vorhandene Biomasse wird oft schlecht ausgewertet. Die Ausbeute der
Sonnenenergieumwandlung und der Flächenertrag sinken um 60-80%, wenn nicht
das gesamte produzierte organische Material, sondern nur der heute genutzte
Pflanzenteil in der Rechnung berücksichtigt wird. Erbsen enthalten z. B. mehr
Protein in den ungenutzten Pflanzenteilen als in den in Konservenindustrien
verarbeiteten Samen!
Obwohl die Idee der Nutzung von Blatteiweiss für die Nahrung bis ins 18.
Jahrhundert zurückgeht [90], beschäftigte man sich erst während des Zweiten
Weltkrieges mit der praktischen Auswertung [82, 83, 130]. Geräte wurden gebaut,
welche Blätter mit minimalem Energieaufwand gleichzeitig zerkleinern und
auspressen. Durch Erhitzen des Blattextraktes werden die Eiweisse ausgefällt und
diese zu Nahrungsmitteln weiterverarbeitet. Der faserreiche, zellulosehaltige
Rückstand kann zu Futter getrocknet oder siliert werden oder die Zellulose als
Ausgangsmaterial für Treibstoffgewinnung dienen. Eine Extraktion der löslichen
Eiweisse vor der Silierung von Biomasse würde zusätzlich die unsere Gewässer
belastenden Siloabwässer eliminieren.
Als Quelle von Blattproteinen dienten bisher Getreide-, Klee- oder
Luzerneblätter. Zusätzliche Ausbeuten bis zu 5 t Trockenprotein/ha und Jahr
wurden erzielt. Kartoffelstauden liefern, Ende Juli geerntet, 600 kg Protein pro ha;
es wurde errechnet, dass durch Vernichtung der Kartoffelstauden in England
jährlich 60 000 t Eiweiss verloren gehen. Ebenfalls z. T. ungenutzt bleibt das
Eiweiss des Zuckerrübenkrautes und der Abfälle der Konservenindustrie. Ferner
könnten die Blätter der in Energieplantagen zum Zwecke der Holznutzung
gezogenen Bäume zusätzlich einen Eiweissertrag liefern. Es muss allerdings betont
werden, dass es wenig Sinn hat, Proteine aus Blättern zu extrahieren, die ihrerseits
als Ganzes gegessen werden könnten!
Eine gute Quelle von Blattproteinen dürften auch Wasserunkräuter sein, die
heute häufig mechanisch entfernt oder chemisch vernichtet werden, wie etwa
Wasserhyazinthen oder Wasserlinsen, sofern diese Pflanzen nicht einfacher zu
Futter verarbeitet oder über Methangärung als Brennstoff genutzt werden können.
Für Entwicklungsländer sieht man zusätzlich eine Vielfalt von Möglichkeiten, wie
diese Wasserunkräuter indirekt durch Umwandlung in tierisches Protein der
menschlichen Nahrung zugänglich gemacht werden könnten, sei es über
Graskarpfen oder andere pflanzenfressende Fische, Krabben, Gänse oder
Schweine. In den USA sind rund 10 6 ha mit Wasserhyazinthen bedeckt und
könnten jederzeit genutzt werden!
Das aus Blättern extrahierbare Material enthält 60-70% Eiweisse hohen Nährwertes und 20-30%
zum grössten Teil ungesättigte Lipide, wodurch allerdings dessen Lagerung erschwert wird. Das
grösste Problem bei der Verwertung dieser Eiweisse bilden vorderhand die Ernährungsgewohnheiten
des Menschen. Eine neue Nahrung wird wohl dort am ehesten akzeptiert, wo Gemüse in
verschiedenster Zubereitung schon zur täglichen Mahlzeit gehören und wo vielfältige Eintopfgerichte
Tradition sind. Solange aber auch in unterernährten Völkern die westliche Küche Vorbild und das
angestrebte Entwicklungsziel die Lebensweise unserer hoch industrialisierten Länder ist, solange wird
es schwierig sein, Hungersnöten mit neuen Nahrungsformen begegnen zu wollen.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 37
Eine Steigerung des Ertrages an Biomasse ist weltweit schliesslich durch
Vergrösserung der zu nutzenden Anbaufläche möglich. Die Ozeane bedecken ca.
70% der Erdoberfläche, ihre Produktion an pflanzlicher Biomasse wird aber nur
wenig genutzt. Im «Marine Farm Project» werden Tange (Macrocystis) auf
verankerten, ca. 200 x 200 m messenden Gitterfeldern gezogen. Das Wachstum
konnte durch Düngung mit Tiefenwasser deutlich stimuliert werden (Frischgewicht
verzehnfacht in 12-15 Tagen). Als Assimilate werden besondere Kohlenhydrate
gebildet (Algin, Laminarin), die 50-75% des Trockengewichtes ausmachen; Lignin
fehlt ganz. Erträge in der Grössenordnung von 2 bis 15 t Trockengewicht/ ha sind
in Grossversuchen erzielt worden [123, 128]. Die Primärproduktion erreicht unter
natürlichen Bedingungen allerdings nur für einen kleinen Teil der Weltmeere
Werte dieser Grösse.
Als weitere Möglichkeit der Erweiterung der Anbaufläche sind natürliche oder
künstliche Teiche und Seen in Gebieten hoher Einstrahlung zu nennen, in welchen
Algen zu Nahrungszwecken gezüchtet werden. Ein solches Beispiel ist der
Texcacosee, wo im Hochland von Mexiko die Blaualge Spirulina (Abb. 23)
produziert wird, eine Alge, die schon von den Azteken, den «Söhnen der Sonne»,
als Nahrungsmittel verwendet worden ist.
In Japan und China ist die Massenkultur der Grünalge Chlorella verbreitet.
1975 sind davon in Japan ca. 400 t konsumiert worden [123]. Die Kosten liegen
allerdings weit über den Kosten von Sojaprotein, und die Produktion ist nur
möglich, weil Chlorellaprotein zu hohen Preisen als Reformnahrung verkauft
werden kann. Wegen des raschen Wachstums haben Mikroorganismen als
Nahrungsproduzenten erhebliche Vorteile. Ein Rind von 1 t Gewicht produziert pro
Tag 1 kg Protein, 1 t Sojapflanzen synthetisieren in der gleichen Zeit 100 kg
Protein, Mikroorganismen wie Futterhefen verhundertfachen ihr Gewicht pro Tag!
Abb. 23 Mikroskopische Aufnahme von Fäden des Cyanobakteriums Spirulina. - Im 850 ha grossen
Texcacosee werden Algenerträge von 35 t Trockengewicht/ha jährlich erzielt; eine Versuchsanlage
verarbeitet heute l t/Tag. Die Alge hat einen hohen Proteingehalt von 70%, damit ist der Proteinertrag
pro Fläche bis 50mal grösser als für ein Maisfeld.

38 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Weite Landflächen, die heute grösstenteils ungenutzt sind, befinden sich in den
ariden Klimagebieten der Steppen und Wüsten. Herkömmliche bekannte
Kulturpflanzen für die Nahrungsgewinnung gedeihen dort kaum, dagegen sind in
diesen Gebieten Pflanzen mit besonderen Inhaltsstoffen, z. B. Terpenen, häufig, die
für die chemische Industrie interessante Rohstoffe liefern könnten.
4.2. Energieplantagen [5, 29, 74, 119]
Unter dem Begriff Energieplantagen versteht man die Kultur von Biomasse
zum Zwecke der Brenn- und Treibstoffproduktion. Flüssiger oder gasförmiger
Treibstoff aus Biomasse ist die einzige Möglichkeit, diesen wie auch chemische
Grundstoffe durch einen erneuerbaren Prozess zu produzieren. In verschiedenen
Ländern laufen grossangelegte Studien, in welchen die besten lokalen Bedingungen
für Energieplantagen gesucht werden. Vor- und Nachteile gegenüber
konventionellen Energieträgern sind in Tab. 13 zusammengestellt.
Gerade in wenig entwickelten Ländern, in denen Holz einen grossen Teil der
Energie deckt und decken muss, dürften Energieplantagen von grosser Bedeutung
werden, indem dadurch der Entwaldung und deren Folgeschäden (Versteppung,
Überschwemmungen) sowie der ungeeigneten Nutzung von Abfällen der
Landwirtschaft (Verbrennen aller pflanzlichen und tierischen Abfälle) Einhalt
geboten werden kann. Selbstverständlich darf der Anbau von Energieplantagen nie
zum Verschwinden der heutigen Wälder mit ihrem wertvolleren Bau- und
Industrieholz führen.
Eine der wesentlichsten Fragen bei der Beurteilung der Zweckmässigkeit einer
Energieplantage betrifft die Wahl der Pflanzen. Bestimmend sind z. B. Grösse und
Art des zur Verfügung stehenden Landes, Art des anschliessenden
Umwandlungsprozesses und des zu bildenden Treibstoffs wie auch Art der zur
Verfügung stehenden Mittel für Ernte und Transport. Sind diese Grössen
festgelegt, dürfte eine Berechnung des Input/Output-Verhältnisses möglich sein.
Tab. 13 Vorteile und Probleme der Energiegewinnung aus Biomasse
Vorteile: Probleme:
- gute Speicherform -grosse Landflächen nötig
- erneuerbar - Konkurrenz zu Land für Ernährung des Men-
- verschiedene Umwandlungsmöglichkeiten schen
- Technologie weitgehend bekannt, nicht ka- - braucht gewisse Zeit, bis Dauerproduktion
pitalintensiv etabliert
- Entwicklung mit heutigen Arbeitskräften - Düngung und Bewässerung nötig für hohe Erund
aus vorhandenen Rohstoffen träge
- grosses Potential für biotechnologische Ent- - heutige land- und forstwirtschaftliche Gewicklungen
wohnheiten
- schafft Arbeitsplätze - Transport zum Verbraucher
- vernünftig im Preis
- ökologisch wenig problematisch
- erhöht CO2-Konzentration der Luft nicht

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 39
Eine Vielzahl bekannter Pflanzen ist in dieser Hinsicht untersucht worden,
einige sind mit ihren Ausbeuten in Tab. 14 aufgeführt. Hohe Ausbeuten reduzieren
die nötige Fläche und damit die Kosten für Land, Landbearbeitung und Ernte. Ein
wesentliches Kriterium ist im weiteren, dass die Biomasse zu allen Jahreszeiten
geerntet und umgewandelt werden kann, eine Notwendigkeit für eine
gleichmässige Auslastung der Ernte- und Verarbeitungsmaschinen. Diese Kriterien
deuten darauf hin, dass in tropischen Gebieten sowohl krautige einoder
mehrjährige Pflanzen wie auch Bäume, in gemässigten Klimagebieten wohl nur
verholzte mehrjährige Pflanzen geeignet sind.
Grossversuche mit Bäumen laufen in verschiedenen Ländern, vor allem in den
USA und Australien, aber auch in Ländern der Dritten Welt wie Indien, Korea,
China, Tansania und Kenia wurden Brennholzplantagen mit Erfolg aufgebaut.
Im Unterschied zur normalen Holzwirtschaft wird die Zeit zwischen dem
Setzen der Bäume und der Holzernte kurz gehalten (2-8 Vegetationsperioden). In
dieser Zeit bilden sich erst dünne Stämme, und das Pflanzenmaterial kann praktisch
mit konventionellen landwirtschaftlichen Geräten geerntet werden. Geeignete
Baumarten sind Eucalyptus, Platane, Pappel und Robinie. Besonders günstig sind
diejenigen Arten, die sich durch Stecklinge vermehren lassen und bei denen es
nach dem Abernten rasch wieder zu Stockausschlägen kommt. Pappeln in engster
Bepflanzung ergeben Pflanzendichten von 15 000-17 000 Bäumen/ ha. Bei einer
Düngung mit Abwasser sind Erträge von 35-85 t Trockengewicht/ha erzielt
worden. Pappeln scheinen nur bescheidene
Tab. 14 Ausbeute an Biomasse für mögliche Energiepflanzungen (nach [5] und [67])
einjährige t/ha Jahr
Sonnenblume Russland 33
Mohrenhirse USA 30
Mais USA 15
Kenaf USA 49
Zuckerrübe Holland 22
Kartoffeln Holland 22
mehrjährige
Wasserhyazinthe USA 40
Zuckerrohr Hawaii 64
Zuckerrohr Maximalernte 124
Alfalfa USA 20
Bambus USA 12
verholzte
Buche Schweiz 10
Fichte Japan 14
Pappeln (Hybrid) USA 20
Eucalyptus USA 59
Weide Schweden 52

40 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Abb. 24 Versuchsenergieplantage in Georgia (USA). Nach Entwaldung des Versuchsfeldes, Düngung
(ca. 1100 kg/ha), Herbizidbehandlung (3,7 kg/ha) wurden vor zwei Jahren einjährige Jungpflanzen
(Robinie, Platane) gesetzt. Unkraut schützt vor Bodenerosion und verhindert Wildschäden an den
Pflanzungen. Die Pflanzung erfolgt in Reihen (Abstand 60-180 cm, Zwischenräume 100-240 cm);
dadurch wird der Einsatz von Maschinen für Pflege und Ernte erleichtert.
Bedürfnisse in bezug auf den Boden zu haben, können doch Abfalldeponien
und Abraumhalden damit aufgeforstet werden. Weiter wird vorgeschlagen, das
nicht nutzbare Land an Autobahnen für Energieplantagen einzusetzen. Es wurde
errechnet, dass der heutige Bedarf der USA an Treibstoffen und Heizöl durch
Bepflanzen einer Fläche von 500 000 km², also auf weniger als 6% der Landfläche,
mit Biomasse gedeckt und eine totale Unabhängigkeit von importiertem Erdöl
erreicht werden könnte [29, 56].
In den Neuenglandstaaten sind schon heute eine ganze Anzahl thermischer
Kraftwerke in Betrieb, die auf Holz als Brennstoff umgestellt haben. Ein 50- MW-
Werk, das etwa 50 000 Personen mit Elektrizität versorgt, benötigt jährlich 800 000
t Frischholzschnitzel, die aus einer Fläche von etwa 60 km² im Zweijahreszyklus
gewonnen werden können.
Um die Transportwege möglichst kurz zu halten, sollten Energieplantagen
nicht zu gross angelegt werden. Transport, Verteilung und Lagerung des Holzes
können vereinfacht werden, wenn es sofort nach der Ernte zu Schnitzeln zerkleinert
wird. Selbstfahrende Maschinen verarbeiten pro Tag 250-500 t Frischholz, wobei
der Energieverbrauch bei 2% des Energiegehaltes des zerkleinerten Holzes liegt.
Man hat heute noch keine Erfahrungen, wie weit eine Monokultur von Pappeln
anfällig auf Krankheiten oder Schädlinge ist. Vor allem um auf den teuren
Stickstoffdünger verzichten zu können, werden in Georgia auf sehr kargem Boden
(Humusgehalt unter 0,5%) Mischkulturen gezogen und der Einfluss von Baumarten
mit stickstoffbindenden Symbionten (Robinie, Erle) untersucht.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 41
Unter nicht verholzten Pflanzen sind gute Zucker-, Stärke- oder Ölproduzenten
auch für die Energiegewinnung von Interesse; besonders studiert und heute auch
schon genutzt werden z.B. Zuckerrohr (Saccharum officinarum), Maniok (Manihot
esculenta), Kenaf (Hibiscus cannabinus), Hirse (Sorghum bicolor und S. dochna),
Sonnenblume (Helianthus annuus) wie sogar Elefantengras (Pennisetum
purpureum) [35, 74].
Zuckerrohr hat unter diesen durch seine ausgedehnte Nutzung in Energieplantagen
in Brasilien wohl die grösste Bedeutung erlangt. Vergärung zu Äthanol
liefert nicht nur einen hochwertigen Brennstoff, sondern nach chemischer
Umwandlung zu Äthylen auch einen Rohstoff, von dem aus eine Vielzahl
chemischer Produkte hergestellt werden kann. Schon zwischen dem Ersten und
Zweiten Weltkrieg wurde Äthanol in verschiedenen Ländern durch Vergärung von
Zuckern grosstechnisch hergestellt. Diese Technologie geriet in Vergessenheit und
wurde kaum weiterentwickelt, nachdem Äthanol weit billiger aus Äthylen, das bei
der Erdölraffinierung anfällt, hergestellt werden konnte. Bei den heutigen
Weltmarktpreisen für Erdölprodukte dürfte eine Äthanolproduktion aus Biomasse
in jenen Gebieten wieder aktuell werden, wo genügend Rohmaterial zu geringen
Kosten zur Verfügung steht. Die Erträge in Brasilien für Zuckerrohr liegen bei 50
t/ha Jahr, in einzelnen Gebieten bis 90 t/ha Jahr. Die Pflanzen werden sehr dicht
kultiviert (bis 160 000 Stengel/ha>, so dass kaum noch Licht ungenutzt auf den
Boden gelangt. Um Zuckerrohr während der ganzen Zeit bei optimalem Wachstum
zu halten, muss intensiv gedüngt und bewässert werden; ein Teil des Düngers kann
durch Rezirkulation der salzreichen Fermentationsrückstände ersetzt werden (siehe
auch Abb. 36) [19].
Trotz dieses Aufwandes hat die Zuckerrohrproduktion im Vergleich zu andern
Kulturpflanzen ein günstiges Energie-Input/Output-Verhältnis von 0,2. Bei dessen
Ermittlung wurde als Energiezufuhr der Aufwand für Aussaat, Düngung,
Kultivierung, Herbizide, Ernte und Transport zur Verarbeitungsstelle
berücksichtigt. Ursache für dieses günstige Verhältnis dürfte vor allem der
Umstand sein, dass eine Pflanzung über 10 und mehr Jahre hohe Erträge abwirft
und die erstmaligen Pflanzungskosten sich daher über eine längere Zeit verteilen.
Günstig für eine energetische Gesamtbilanz wirkt sich schliesslich aus, dass die
faserhaltigen Abfälle, die Bagasse, immer mehr als Rohstoff für Zellulose- und
Papiergewinnung gefragt sind. Während Brasilien heute noch jährlich 300 000 t
Papier und Zellulose einführt, rechnet man 1985 mit einem Export von 200 000 t
pro Jahr; dies aus den ca. 40% Bagasseüberschüssen, die bei der Zucker- und
Alkoholproduktion nicht für Prozessenergie verwendet werden können. Während
in den feuchten, tropischen Gebieten Brasiliens mit Zuckerrohr, aber auch mit
Mohrenhirse und Maniok für Energieplantagen sowohl hohe Flächenerträge wie
auch günstige Energieaufwand/ Ertrags-Verhältnisse erzielt werden können, sind in
trockenen Gebieten die Verhältnisse ungünstiger. Nach einer neueren
Untersuchung hat sich für solche Gebiete besonders Ananas als geeignet erwiesen.
Während Zuckerrohrkulturen bei Niederschlagsmengen von weniger

42 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Tab. 15 Kohlenhydrat- und Alkoholerträge für Zuckerrohr, Maniok und Ananas (nach [72])
Kohlenhydrat- Wasserbedarf Äthanolproduktion
produktion
(t/ha. Monat) (mm pro Monat) (1/ha. Monat)
Zuckerrohr 1,15-1,31 180 921
Maniok 0,6-0,9 125 611
Ananas 1,25 83 964
Ein Vergleich der drei Kulturpflanzen zeigt, dass mit Ananas mit einem wesentlich geringeren
Wasserbedarf und Energieaufwand ähnlich hohe Erträge erzielt werden können wie mit
Zuckerrohr. Ohne zusätzlichen Energieaufwand lässt sich damit Land geringerer Qualität für
Energieplantagen nutzen.
als 200 cm/Jahr nicht mehr wirtschaftlich sind, liefern Ananas noch gute Erträge u.
U. bei Niederschlagsmengen von nur 60 cm/Jahr. Die gute Trockenresistenz beruht
auf xeromorphen Merkmalen, wie wenig Spaltöffnungen, dicke Kutikula,
wasserspeicherndes Blattgewebe, und dem Crassulaceensäurestoffwechsel.
Obwohl die CO2-Aufnahmerate von Ananas wesentlich unter derjenigen von
Zuckerrohr und Maniok liegt, ist die Trockengewichtszunahme unwesentlich
geringer als bei den beiden andern Pflanzungen, vor allem dank hohem
Blattflächenindex und geringem Transpirationsquotient. Die Produktionserträge
pro ha und Monat liegen deshalb für Ananas ähnlich hoch wie für Zuckerrohr und
deutlich besser als für Maniok [72]. In Brasilien liegen zurzeit 1,7 x 10 6 km² Land
brach, weil die Menge und die jährliche Verteilung der Niederschläge und die
Bodenqualität eine Bewirtschaftung mit bisherigen Kulturpflanzen nicht erlauben.
Ananaspflanzungen könnten hier einen Ausweg bedeuten und sowohl für Nahrung,
Tierfutter und Energie verwendet werden. Möglicherweise sind auch andere
Pflanzen mit Crassulaceenstoffwechsel (Aloe, Yucca) für Energieplantagen
geeignet; es fehlen aber heute die entsprechenden Untersuchungen über Erträge in
Grosskulturen.
In Einwänden gegen «Energy farming» wird behauptet, dass dabei ein nicht
erneuerbares Gut, nämlich Land, mit geringer Nutzung gebraucht werde und dass
die Alkoholproduktion mehr Energie verschlinge, als nachher im Produkt vorläge.
Auch wird hervorgehoben, dass in Energieplantagen bis 200mal mehr Wasser pro
Treibstoffeinheit verbraucht wird (Transpiration der Pflanzen) als vergleichsweise
bei der Kohlenverflüssigung. In den USA würden daher Energieplantagen Erdöl
wegen Wassermangels nie ersetzen können. Ausserdem benötige Bioenergie,
bezogen auf die Menge der dem Menschen zur Verfügung gestellten Energie, 100-
1000mal grössere Landflächen als konventionelle Energieumwandlungssysteme (z.
B. thermische Kraftwerke) [42].

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 43
Letzteres ist bedingt durch die eingangs erwähnte geringe Energiedichte der
Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche. Sicher muss ein Teil des Landes aus
ökologischen oder ästhetischen Gründen, aber auch im Sinne eines genetischen
Reservoirs in seinem ursprünglichen, wilden Zustand gelassen werden. Ernst zu
nehmen ist auch das Problem der ökologischen Beeinflussung durch die
vorgeschlagene intensive Bewirtschaftung. Bei der Nutzung fossiler Energieträger
werden letztere irreversibel verbraucht, bei einer sinnvollen Nutzung des ebenfalls
nicht vergrösserbaren Landes dieses zwar gebraucht, aber nicht verbraucht!
4.3. Pflanzen, die besondere Stoffe produzieren: Kohlenwasserstoffe [35, 49, 50]
Die für Energieplantagen geeigneten Pflanzen zeichnen sich durch eine hohe
Ausbeute der Umwandlung der Sonnenenergie in Biomasse aus; diese muss für die
meisten Anwendungen in eine andere Form, Wärme, Elektrizität, Äthanol,
Methanol oder Methan, umgewandelt werden. Nur die letzten drei Energieträger
können Erdöl im eigentlichen Sinne ersetzen. Anderseits gibt es auch eine ganze
Anzahl von Pflanzen, die neben den normalen Assimilationsprodukten
(Kohlehydrate, Eiweisse und Lipide) direkt Kohlenwasserstoffe, also erdölartige
Substanzen produzieren. Diese können sowohl als Rohstoffe für die Herstellung
von Treibstoffen wie auch für chemische Synthesen eingesetzt werden.
Zu den bekannten Pflanzen zählt der Gummibaum Hevea brasiliensis. Dessen
Produkt, Latex, ist eine milchige Suspension mit einem Kohlenwasserstoffgehalt
von ca. 30%. Als Brennstoff sind diese Kohlenwasserstoffe wegen des hohen
Molekulargewichtes von 1-2 Millionen allerdings wenig geeignet. Neben Hevea
kommen solche Kohlenwasserstoffe, es sind Polymere von Isopren (C5H8), in einer
ganzen Anzahl dikotyler Pflanzen vor. Die Nutzung beschränkte sich bisher
praktisch auf Hevea, weil hier durch einfaches Anzapfen der Baumstämme Latex
in kurzen Zeitabständen über mehrere Jahre gewonnen werden konnte. In
Plantagen liegt die Ausbeute heute bei ca. 2 t Gummi/ha x Jahr; in kleineren
Experimentierfeldern wurden schon 2-3fache Ausbeuten erzielt.
Eine andere, vielversprechende Pflanze ist Guayule (Parthenium argentatum),
welche in den Trockengebieten im Süden der USA und in Mexiko gedeiht. Nach 2
Jahren liegt der Gummigehalt bei 10-25% des Trockengewichtes. Da bei Guayule
sich die Milch nicht in einem speziellen Milchröhrensystem ansammelt, muss die
Rohgummimasse aus dem Pflanzengewebe extrahiert werden.
Guayulegummi wurde noch anfangs dieses Jahrhunderts in grösseren Mengen in den USA
gewonnen (1910 ca. 10 000 t); er deckte damals 50% des USA-Verbrauches; auch während des
Zweiten Weltkrieges war die Guayulegummiproduktion in den USA und Mexiko wieder hoch.
Guayule gedeiht in warmen Gebieten (Wachstum nur oberhalb 16 °C), die aber relativ trocken sein
können (ab 28 cm Niederschlag jährlich). Die Pflanzen können damit in Gebieten kultiviert werden,
die für Ackerbau und Milchwirtschaft ungeeignet sind. Wachsende Pflanzen enthalten wenig
Kohlenwasserstoffe, erst durch kühlere Temperaturen und Wassermangel wird die

44 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Gummiproduktion induziert. Mit dem Aufkommen des synthetischen Gummis nach dem Zweiten
Weltkrieg wurden die Guayuleplantagen in den USA aufgegeben; einzig in Mexiko wird noch heute
aus wild wachsenden Pflanzen Gummi extrahiert.
Weitere bekannte gummiliefernde Pflanzen sind der russische Löwenzahn
(Taraxacum kok-saghyz), eine Goldrutenart (Solidago leavenworthi), zwei
Kompositen und viele Arten aus den Wolfsmilchgewächsen. Der Milchsaft der
letzteren enthält Kohlenwasserstoffe von kleinerem Molekulargewicht als Gummi;
solche Verbindungen scheinen daher als Ölersatz besser geeignet. Bekannt
geworden ist etwa Euphorbia tirucalli oder E. lathyris, die in
Expenmentierplantagen in Kalifornien, ausgehend von Stecklingen, in einer
Vegetationsperiode eine Biomassevermehrung um den Faktor 1000 erreichten.
Dies entspricht einer «Öl»-Produktion von 46 t/ha und Jahr. Andere Euphorbia-
Arten wurden früher in Marokko, Äthiopien und Brasilien genutzt [20]. Ein
besonderer Baum im brasilianischen Urwald scheint Copaifera (bes. C. langsdorfii
zu sein. Der Baum kann angezapft werden, und der austretende Saft besteht zu 65-
80% aus Ölen, vorwiegend C15-Terpenen. Dieser Saft wurde
Abb. 25 Ältere Darstellung von Zweigen der ölhaltigen Bäume Croton tigijum und Copaifera
officinalis. Von der letzteren Pflanze wird in älteren Berichten mitgeteilt, dass sich in Hohlräumen bis
zu 50 1 Flüssigkeit ansammle, so dass der Stamm durch den aufgebauten Druck gesprengt werde.
Sammler bohren den Baum an, und an einer Bohrstelle können pro Stunde bis zu 5 1 Saft auslaufen
(aus Catalogue des plantes économiques pour les colonies, L'Horticole coloniale).

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 45
Tab. 16 Kohlenwasserstoffe aus Botryococcus braunii (aus [8])
Kohlenwasserstoff
Gelpi et al. Maxwell et al. Brown et al. Belcher
Formel (1968) (1969) (1969) (1969)
C17H34 1,52 - - -
C23H46 0,14 - - -
C25H46 0,10 - - -
C25H48 0,65 - - -
C27H52 11,10 - 7,2 -
C28H54 0,65 - - -
C29H54 5,54 - 23,0 -
C29H56 50,40 - 32,6 -
C31H60 27,90 - 25,1 -
C31H62 2,0 - - -
C34H58 - 83,5 - -
C34H58 (iso) - 8,2 - -
anderes Öl - 8,3 12,1 -
Total Kohlen
wasserstoffe in % 0,3% 75% bis 17% 15-22%
des Trocken
gewichtes
Herkunft Laboratoriums- Freiland- Laboratoriums- Laborato-
der Algen Kultur Kultur Kultur riums
1-2 Wochen Oakmere Kultur
Cheshire ca. 16 Wo
chen
Wachstums- exponentiell Algen- exponentiell Stationär
Zustand grün blüte grün Zustand
braun grün
Während für wachsende Zellen in Laboratoriumskulturen ein Kohlenwasserstoffanteil von
0,3-22% des Trockengewichtes angegeben wird, finden wir in den während der Algenblüte
geernteten Zellen einen Gehalt von 75%. Der grösste Teil davon besteht aus Botryococcen
(Formel siehe unten) und dem Isomer Isobotryococcen C34H58.

46 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
bisher etwa für Lacke und in der Medizin verwendet; nach CALVIN soll das leicht
abtrennbare Öl ohne weitere Behandlung zum Betriebe eines Dieselmotors
genügen [73]!
Auch Arten aus der Gattung Croton (C. tiglium, C. sonderianus) liefern Öle,
deren Daten ähnlich denjenigen von Erdöl sind. Allerdings ist der Ölanteil an der
Pflanzenmasse wesentlich kleiner als bei den vorher beschriebenen Pflanzen. -
Jojoba (Simmondsia chinensis) dürfte als Ersatz für Walrat (wachsähnliches Öl des
Potwals) zu einer grösseren Bedeutung gelangen [34, 59]. Die Synthese von
Kohlenwasserstoffen ist auch von Algen bekannt. Besonders auffallend ist der
hohe Gehalt derselben bei Botryococcus braunii. Diese Grünalge kommt weltweit
vor. Massenentwicklungen und Wasserblüten sind aber selten zu beobachten. Im
wachsenden Zustand ist die Alge grün, im Ruhezustand wegen des hohen Gehaltes
an Carotinoiden gelborange gefärbt. In ruhenden Zellen findet eine ausgeprägte
Kohlenwasserstoffsynthese statt, der Anteil an Kohlenwasserstoffen kann bis 85%
des Trockengewichtes erreichen. In Seen rahmen die ölhaltigen Zellen auf. Dies
führt am Ufer zu teerähnlichen Ablagerungen, die nach dem Ort des Vorkommens
als Balkaschit oder Korongit gezeichnet und die von der einheimischen
Bevölkerung als Brennstoff genutzt werden.
Für eine praktische Nutzung von Botryococcus sind allerdings noch viele
Fragen offen, unter anderen, welche Aussenfaktoren die Steuerung zur Bildung des
Ruhestandes bewirken. Es ist bekannt, dass Stress-Situationen in vielen Algen eine
verstärkte Lipidsynthese induzieren, der orange Ruhezustand von Botryococcus
liess sich aber bisher im Laboratorium noch nie hervorrufen. Unter der Annahme
einer Wachstumsgeschwindigkeit, wie wir sie von anderen Grünalgen (Chlorella,
Scenedesmus) kennen, wäre eine Ausbeute von ca. 40 t Öl/ha. Jahr zu erwarten, ein
Wert, der weit über denjenigen der Kohlenwasserstoffe produzierenden
Landpflanzen liegt [8].
Neben diesen aus Isopren-Einheiten aufgebauten Terpenen könnten auch
«normale » pflanzliche Öle - Triglyceride - als Brennstoffe eine Rolle spielen (z.B.
Ole aus Sonnenblumen, Erdnüssen, Ölpalme u.a.). Tatsächlich laufen in
verschiedenen Ländern (Südafrika, USA, Brasilien) erfolgreich Versuche, für die
landwirtschaftlichen Fahrzeuge wenigstens einen Teil des Dieselöls durch Öl selbst
angebauter Pflanzen zu ersetzen. So dürfte es auf einer Farm im Maisgürtel der
USA genügen, etwa 10% der Landfläche mit Sonnenblumen zu bebauen, um den
Betrieb unabhängig von Erdöl zu machen (der Futteranbau für Zugpferde machte
früher 15% aus). Der Anbau von Ölpflanzen zur Treibstoffherstellung ist von der
Energiebilanz aus betrachtet möglicherweise vorteilhafter als derjenige von
Zucker- und Stärkepflanzen, deren Nutzung energieaufwendige Fermentations- und
Destillationsanlagen erfordert. Stets aber muss sorgfältig geprüft werden, in
welchem Umfange Biomasse der Nahrungsproduktion der Gegend entzogen
werden darf. Ein Entscheid fällt dann leicht, wenn die Brennstoffproduktion auf
Land geringer Qualität möglich ist und somit keine Konkurrenz für die
Nahrungsproduktion entsteht.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 47
Tab. 17 Nutzbare Abfälle aus Biomasse
Quelle Art Produkte Anfall
Landwirtschaft Ernterückstände Äthanol vorwiegend im Herbst
Dünger
Wärme
Jauche, Mist Methan ganzjährig
Forstwirtschaft Rinde, Aste, Holzgas ganzjährig, vorwiegend
Wurzelstöcke Alkohole im Winter
Wärme
Haushalte Hauskehricht, Papier Äthanol ganzjährig
Wärme
Abwasser Methan
Industrie
Nahrungsmittel Verarbeitungsrückstände Äthanol vorwiegend im Herbst
Abwässer von Milch-, Methan und z. T. ganzjährig, z.T.
Fleisch- und Zucker- Äthanol saisonal
rübenverarbeitung, von
Konservenindustrie
Holzverarbeitung Abfälle, Sägemehl Holzgas ganzjährig
Wärme
Alkohole
4.4. Abfälle aller Art als Quelle von Biomasse
Neben land- oder forstwirtschaftlichen Kulturen bilden auch Abfälle
verschiedenster Art ein schon jetzt zur Verfügung stehendes Potential an nutzbarer
Bioenergie: Abfallbeseitigung ist in jeder Zivilisation unumgänglich. In unserer
Industriegesellschaft werden Riesensummen und grosse Energiemengen
aufgewendet, um der steigenden Abfallflut Herr zu werden. Umwandlung von
Abfällen in eine nutzbare Energieform ist eine sich aufdrängende Alternative. In
Tab. 17 sind die in grossen Mengen anfallenden verwertbaren Abfälle klassiert.
Nicht abbaubare Abfälle wie Glas und Metalle, evtl. auch Papier, sollen rezirkuliert
werden.
Zu den Forstrückständen zählen Rinde, Äste, Zweige und Wurzelstöcke; bei
der Holzverarbeitung fallen Sägemehl, Holzabschnitte, Schwarten usw. an.
Fertigprodukte enthalten oft nur die Hälfte des Ausgangsmaterials. Auch die
Rückstände im Wald, besonders die Wurzelstöcke, können einen gleich grossen
Energiegehalt aufweisen wie das zu Nutzung bereitgestellte Holz. Zusätzlich zu
diesem Abfallholz muss noch dasjenige gerechnet werden, das bei uns
normalerweise überhaupt nicht genutzt wird, wie Schlag- oder Fallholz, mit Pilz
oder Insekten befallene Teile, Holz in Hecken usw.
In der Landwirtschaft sind es vor allem Ernterückstände aller Art, in unseren
Breiten besonders das Getreidestroh [88, 125], das bisher als energiereiche
Biomasse nicht oder kaum genutzt wurde. Bei der heutigen mechanisierten
Landwirtschaft bleiben über 50% der Biomasse auf dem Feld: 0,4-12 t/ha stehen

48 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Abb. 26 Schematischer Fluss der verschiedenen Holzmaterialien im Produktions-, Verarbeitungsund
Verwertungsablauf (aus [57]). - Die Energieproduktion aus Holz hängt mit dem gesamten
Holzverwertungssystem zusammen. Nicht nur das traditionelle Brennholz, sondern auch alle bei der
Holzverarbeitung anfallenden Abfälle und der grosse Anteil Nutzholz (Bau- und Möbelholz), letzterer
nach Gebrauch (nach 10 bis 100 Jahren), können zur Energieproduktion eingesetzt werden. Im
traditionell nicht genutzten Holz (Wurzelstöcke, Fallholz, Hecken usw.) lieg noch ein
Energiepotential, das nicht unterschätzt werden darf.
als Reserve zur Verfügung [100]. Allerdings sind die Grösse der Bodenerosion, die
Struktur und Fruchtbarkeit des Bodens weitgehend davon abhängig, wie weit dem
Boden je nach Lage, Niederschlägen, Wind usw. Restbiomasse zurückgegeben
wird. In den USA mit in weiten Gebieten hoher Bodenerosion (Bodenverluste bis
45 t/ha. Jahr) ist man in bezug auf die Strohverwertung eher pessimistisch, und die
zusätzlich zur essbaren Biomasse «erntbaren» Biomasserückstände müssen für
jedes einzelne Feld bestimmt werden [85]. Bodenbeschaffenheit und Klima in
Europa dagegen erlauben eher eine weitergehende

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 49
Nutzung. In Frankreich, Deutschland und Dänemark werden ausgedehnte
Nutzungsprojekte diskutiert.
Ein grosses Energiepotential liegt auch in den tierischen Abfällen. In Ländern
der Dritten Welt wird Kuhdung getrocknet und verbrannt (in Indien ca. 70
Millionen Tonnen jährlich). Dabei geht der grösste Teil der Düngewirkung
(Stickstoff!) verloren. Beim anaeroben Abbau zu Methan dagegen wird ein grosser
Teil der Energie zu Heizzwecken gewonnen, ohne dass die Rückstände an
Düngewert verloren hätten (gutes C/N-Verhältnis, wenig pathogene Keime)! Diese
Rückstände lassen sich sogar zu einem proteinreichen Futterzusatz aufarbeiten. Die
Nutzung der tierischen Abfälle durch anaeroben Abbau zu Methan - in Ländern der
Dritten Welt schon bei wenigen Vieheinheiten wirtschaftlich - wird in
Industrieländern erst von einer kleinen, aber wachsenden Zahl von Pionieren
vorangetrieben. Für grosse Schweinemästereien und Geflügelzuchten mit den
gekoppelten Abfallproblemen dürfte der anaerobe Abbau der tierischen Abfälle
eine energetisch günstige Lösung bringen.
Eine weitere, heute nur teilweise genutzte Energiequelle sind Haushaltabfälle,
welche vorwiegend aus Papier (bis 40%) und anderen organischen Stoffen (bis
50%, davon Nahrungsmittelabfälle bis 15%) bestehen [66]. Der Wassergehalt liegt
bei 30-40%; dies ermöglicht eine direkte Verbrennung mit Gewinnung von Wärme
und Elektrizität [113]. In den USA hat der jährlich anfallende Kehricht (Haushalt
und Industrie, 1974) einen Energiegehalt von 6,2 x 1018 J, was etwa 8,5% des
Gesamtenergieverbrauchs des Landes entspricht. Von Industrieabfällen sind
diejenigen der Nahrungsmittelindustrie zu erwähnen (in der Schweiz besonders
Zucker- und Konservenfabriken, ferner die Milch- und Obstaufarbeitung). Diese
Abfälle haben alle einen hohen Wassergehalt und können,
Tab. 18 Energieaufwand für die Aufarbeitung von Stroh zu Futterzwecken für Wiederkäuer
(nach [89])
10 6 J/t
Bilden und Sammeln der Strohballen 277
Transport 112
Behandlung: NaOH 2500
Trocknung 490
Futterwert des Produktes 8000
Wegen des grossen Volumens von Stroh kommen zentrale Verarbeitungsstätten kaum in Frage.
Die einfachste Nutzung auf dem Hof liegt in der direkten Verbrennung, dafür sind besondere Öfen
schon entwickelt worden. Eine Vorbehandlung (Dampf, Lauge) schliesst die Lignozellulosekomplexe
im Stroh auf, dieses wird damit zu einem hochwertigen Futterzusatz für Wiederkäuer. Man beachte,
dass die für die Aufwertung des Strohs notwendige Energie nur etwa 40% des späteren Futterwertes
ausmacht.

50 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Tab. 19 Geschätzte Ausbeuten an potentieller Energie von landwirtschaftlichen Rückständen in
EWG-Ländern (in 10 6 t Öläquivalente) (aus [22])
Getreide- tierische pflanzliche Total in t/ha land-
Land rückstände Abfälle Abfälle wirtschaftlich
(als Biogas) genutztes
Land
Belgien und
Luxemburg 0,6 0,7 0,3 1,6 0,95
Dänemark 2,2 0,9 0,1 3,2 1,10
Frankreich 12,7 4,0 1,3 18,0 0,60
Deutschland 7,4 3,4 0,9 11,7 0,95
Holland 0,4 1,2 0,4 2,0 0,95
Irland 0,5 0,9 0,1 1,5 0,30
Italien 5,3 2,0 0,8 8,1 0,50
Grossbritannien 4,4 2,3 0,5 7,2 0,45
TOTAL 33,5 15,4 4,4 53,3 0,85
sofern sie als Tierfutter nicht geeignet sind, zur Biogasgewinnung eingesetzt
werden. Nachteilig wirkt sich aus, dass die Abfälle saisonal anfallen und die
Umwandlungsanlage nur wenige Monate des Jahres im Betrieb stehen könnte, weil
eine Speicherung der Abfälle kaum wirtschaftlich wäre.
Tab. 20 Durchschnittliche Zusammensetzung von Hausmüll (aus [66])
a) Chemische Zusammensetzung b) Zusammensetzung nach Abfallgruppen
Wasser 30 - 40% Papier, Karton 40%
Organische Substanzen 40 - 45% Küchenreste 12%
Anorganische Substanzen 20 - 25% Gläser, Steine, Keramik 12%
Metalle 6%
Holz 4%
Plastik 4%
Textilien 4%
Gummi, Leder 2%
andere 16%
Der Energiegehalt von frischem Hausmüll liegt bei 8 MJ/kg. In Industrieländern rechnet man
mit einem Anfall von 1-2 kg pro Kopf und Tag. Verbrennung mit Elektrizitätserzeugung scheint erst
von einer gewissen Anlagegrösse an wirtschaftlich (ca. 200 t/Tag). Andere Möglichkeiten sind die
Kompostierung (keine Energierückgewinnung) und die anaerobe Deponie. Bei letzterer kann durch
die Verwertung des Methans Energie wirtschaftlich nutzbar gemacht werden. Im Gegensatz zu den
Abfällen aus Land- und Forstwirtschaft müssen die häuslichen Abfälle eingesammelt werden;
Energieaufwand und Kosten für Einsammeln und Transport können damit nicht dem
Energiegewinnungssystem angelastet werden.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 51
Abb. 27 Abwasserreinigung und Methanproduktion durch eine Algen-Bakterien-Mischpopulation mit
Sonnenenergie (aus [80]). - Organische Abfälle werden durch Bakterien zu CO2, NH3, Phosphat und
andere Stoffe zersetzt. Diese Abbauprodukte dienen den Algen als Wachstumssubstrate, um daraus
im Licht Biomasse und den für den Abbau notwendigen Sauerstoff zu produzieren. Die
sedimentierbaren Stoffe des Abwassers, Bakterien und Algen, können in einer zweiten, anaeroben
Stufe mit hoher Ausbeute zu Methan umgesetzt oder als Tierfutter verwendet werden. Um eine
effiziente Absorption des Sonnenlichtes zu gewährleisten, sollte die Beckentiefe 60 cm nicht
überschreiten.
4.5. Produktion von Algen und Wasserpflanzen mit Abwasser
Die erzielbaren Ausbeuten an Biomasse sind für Algen und höhere
Wasserpflanzen bei guter Düngung im Vergleich zu Landpflanzen gross. Der hohe
Wassergehalt der Biomasse von über 95% erlaubt keine direkte Verbrennung.
Dagegen kann diese Biomasse gut durch anaeroben Abbau zu Methan, Dünger und
evtl. Futter umgewandelt werden. In kalifornischen Grossanlagen zur
Abwasserreinigung, sogenannten Oxidationsteichen, werden Algen zusammen mit
aeroben und anaeroben Bakterien gezogen. Bei niederen Landpreisen kommen Bau
und Betrieb solcher Anlagen wesentlich günstiger zu stehen als die konventionelle
Abwasserreinigung [11, 39, 78, 79].
Die grössten bisher gebauten Becken haben einen Inhalt von bis zu 1 000 000
m 3 . Die photosynthetische Ausbeute lag, mit Ausnahme seltener Wintermonate,
zwischen 0,6 und 1,7%. Variable Ausbeuten sind nicht nur durch Licht,
Temperatur und sich veränderndes Abwasser bedingt, sondern auch durch die sich
ändernde Algenpopulation. Letztere kann in den grossen, offenen Teichen nicht
konstant gehalten werden. Dies beeinflusst auch die Technik der Ernte; während
fädige Blaualgen leicht verklumpen und sedimentieren, sind kleine, kugelige
Zellen nur mit grossem Aufwand vom Medium abzutrennen. Eine Energiebilanz
weist noch grosse Unsicherheiten auf (es ist zurzeit noch offen, ob solche Anlagen
je wesentlich zur Energieversorgung einer Region etwas beitragen können).

52 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Das energieaufwendige Separieren der mikroskopischen Algen vom Substrat kann
umgangen werden, indem die Zellsuspension in einen Teich mit Austern und
Muscheln geleitet wird, in welchem die Mikroorganismen in tierisches Protein
umgewandelt werden [92].
Neben Algen nehmen auch höhere Wasserpflanzen (Wasserhyazinthen,
Wasserlinsen) effizient Nährstoffe aus Abwasser auf. Wasserhyazinthen vermehren
sich bei warmer Witterung um 15% der Wasseroberfläche pro Tag; somit können
20-40 t frische Pflanzen/ha und Tag geerntet werden. Gleichzeitig wird Stickstoff
von 2000 und Phosphor von 800 Personen oder Einwohnergleichwerten dem
Wasser entzogen. Ähnliche Resultate wurden auch mit Wasserlinsen erhalten.
Gegenüber der Wasserhyazinthe haben Wasserlinsen den Vorteil der leichteren
Ernte; ferner enthalten sie weniger Faserstoffe und können Fischen, Enten und
Schweinen als proteinreiches Futter verabreicht werden [1].
4.6.Umwandlung von Biomasse in hochwertige Energieformen [40, 63, 126]
Bei der Umwandlung von Biomasse in andere Energieträger sind zwei
Technologien zu unterscheiden: thermochemische und biochemische
Umwandlungen.
Bei den thermochemischen Umwandlungen ist die direkte Verbrennung die
älteste und immer noch häufigste Methode (Wohnraumbeheizung, industrielle
Dampf- und Elektrizitätserzeugung) [104, 119]. Nach Austreiben der
Restfeuchtigkeit und Erhitzen auf ca. 600 0C zersetzt sich das organische Material
in brennbare Gase, Destillationsprodukte und Kohle und oxidiert bei der
Verbrennung hauptsächlich zu CO2 und H2O. Nur bei unvollständiger Verbrennung
entstehen Rauch und Russ, was zu Umweltbelastungen führen kann. Holz,
Holzabfälle und Kehricht werden häufig durch direkte Verbrennung genutzt.
Durch Vergasung von Holz bei hoher Temperatur in Gegenwart geringer
Mengen von Sauerstoff wird ein gasförmiges Brennstoffgemisch (hauptsächlich H2
und CO) gebildet [125]. Dieses Verfahren, das während des Krieges für den
Tab. 21 Spezifischer Reizwert einiger Brennstoffe aus Biomasse (MJ/kg) (aus [66]).
Spezifischer Heizwert
trocken frisch
Holz 19-21 6-8
Stroh 16 11-16
Hausmüll 11-16 5-8
Faulschlamm 6,5 0
Papierabfälle 17 -
Laub 18 -
Heizöl als Vergleich 43 -

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 53
Betrieb von Lastwagen populär war, wird heute wieder für Dieseltraktoren in
Betracht gezogen (Eidgenössische Forschungsanstalt, Tänikon).
Durch Pyrolyse wird Biomasse bei niedrigerer Temperatur als bei der
Vergasung in teer- und ölartige Brennstoffe und Gase (H2 + CO) zersetzt. Im
Vergleich zu den biochemischen Umwandlungsprozessen sind Vergasung und
Pyrolyse rasche Reaktionen, die nur kleine Anlagen benötigen für die
Umwandlung verschiedenster, aber relativ trockener Formen von Biomasse in ein
einzelnes oder mehrere energiereiche Produkte. Zu den biochemischen
Umwandlungsprozessen zählen die erst in letzter Zeit grosstechnisch wieder
wichtig gewordenen Fermentationen zu Äthanol und Methan (Biogas).
4.6.1. Umwandlung zu Äthanol
Die Herstellung von Äthanol aus vergärbaren Zuckern zählt zu den ältesten
vom Menschen genutzten biochemischen Prozessen. Ausgangsmaterialien sind
lösliche Zucker (Traubenzucker, Rohrzucker) oder Stärke (rohe Melasse,
Kartoffeln, Maissirup), d.h. Ressourcen, die an sich einen hohen Futter- oder
Nahrungswert besitzen und damit zum Konflikt Nahrung oder Brennstoff
beitragen.
Bilanz der alkoholischen Gärung für Glucose:
Summenformeln: C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2
Formelgewichte: 180 g 92 g + 88 g
Energiegehalt pro Mol 2826 kJ 2750 kJ
1kg 0,651=0,51kg
Theoretisch entstehen also aus 1 kg Zucker 0,65 1 reiner Äthanol, der noch 97%
(2750/2826 kJ) der im Zucker vorhandenen Energie enthält. In der Praxis liegt die
energetische Ausbeute bei 90-95%, da neben Äthanol noch andere Produkte wie
etwa Glycerin entstehen.
Bei der Zuckerrohrverwertung wird das Pflanzenmaterial mechanisch
aufgeschlossen, mit Dampf extrahiert und die entstandene Zuckerlösung (10-12%)
vergoren. Stärkehaltige Substrate müssen vor der Vergärung in lösliche Zucker
Tab. 22 Veränderung der Nährstoffzusammensetzung von Maisfutter durch alkoholische Gärung
und Destillation (in % nach Trocknung) (nach [87])
vor nach
Gärung Destillation
Restfeuchtigkeit 11 8
Protein 10 29,5
Faserstoffe 2,2 12,8
Fette 3,5 8,0
Phosphat 0,32 0,95

54 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
zerlegt werden: für die Herstellung von Trinkalkohol erfolgt die Stärkespaltung
enzymatisch; für die Brennstoffproduktion wird auch die Säurehydrolyse
angewendet. Der Eiweissgehalt (10-12% des Trockengewichtes) von Getreide
bleibt während der Vergärung erhalten. So entsteht als Nebenprodukt ein
hochwertiges Futterkonzentrat.
Von besonderem Interesse ist die Alkoholgewinnung aus zellulosehaltigen
Rohstoffen. Verfahren dazu wurden bereits während des Zweiten Weltkrieges
entwickelt. Der Aufschluss (Hydrolyse der Zellulose) erfolgt chemisch, mit Säure
oder Lauge, unter erhöhtem Druck und hoher Temperatur. Heute noch im Betrieb
stehende Anlagen zeigen, dass die Verfahrenskosten für die Treibstoffherstellung
zu hoch sind. Die Möglichkeit des Einsatzes von zellulose-spaltenden Pilzen
(besonders Trichoderma viride) wird in verschiedenen Laboratorien untersucht,
doch ist noch kein grosstechnisch brauchbares, kontinuierliches Verfahren
entwickelt worden. Neuerdings wurde ein vielversprechendes physikalisch-
chemisches Aufschlussverfahren publiziert, durch welches Zellulose kontinuierlich
in einen Glucose-Sirup (60%) umgewandelt wird; Anlagen mit einer Kapazität von
135 t/Tag sind im Bau [2].
Die zu vergärende Lösung wird nach Pasteurisation (falls notwendig) mit Hefe
versetzt (1-2,5 kg/1000 1) und die Gärung nach 50-70 h abgebrochen. Die
Destillation bei 78 0C ergibt ein Alkohol-Wasser-Gemisch mit 95% Äthanol.
Neuerdings werden auch thermophile Stämme von Clostridien untersucht, die
Zellulose bei Temperaturen von 60-70 zu solubilisieren vermögen und direkt zu
Äthanol vergären [112].
Durch die Verteuerung des Erdöls ist besonders in den USA das Interesse für
Äthanol als Treibstoff geweckt worden. Im Maisgürtel wird bereits Gasohol
produziert und verkauft, ein Motorentreibstoff aus 90% Benzin und 10% Äthanol.
Bis 1981 sollen in den USA jährlich 2 x 10 9 1 Äthanol als Treibstoff hergestellt
werden. Zusatz von Äthanol erhöht die Oktanzahl; damit kann der Bleigehalt des
Treibstoffes reduziert werden. Trotz des geringeren Energiegehaltes von Gasohol
gegenüber Benzin liegen die Verbrauchswerte wegen der besseren Verbrennung
tiefer. Der Staat unterstützt die Bauern durch Herausgabe genauer Beschreibungen
der technischen und wirtschaftlichen Aspekte des Prozesses. In erster Linie sollen
so die Farmer selbst erdölunabhängig gemacht werden [3].
Neben der zum Zwecke der Alkoholgewinnung eigens in Energiepflanzungen
gewonnenen Biomasse dürften verschiedene Abfälle für die Vergärung zu Äthanol
interessant sein. Sulfitablaugen der Zelluloseindustrie enthalten, bezogen auf das
Trockengewicht, ca. 20% vergärbare Zucker, die genutzt werden können. Der
Anfall an Abwässern einer deutschen Zuckerrübenfabrik beläuft sich in den
Monaten Oktober bis Dezember auf 7000 m 3 /Tag. In der Zuckerfabrik Frauenfeld
fallen in den Herbstmonaten täglich 500-600 m 3 hochbelastete Abwässer an, ferner
25-30 t Biomasse in Form von Blättern und Rübenbruchstücken und grosse
Mengen an zuckerhaltiger Rübenerde. Auch bei der

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 55
Abb. 28 Schematische Darstellung der Energiebilanz der Alkoholproduktion aus Biomasse (nach
[111]). - Mit einem Kulturaufwand von 1 l Treibstoff können mit heutigen Technologien 2,3-2,5 1
Äthanol (1,5-1,7 1 Treibstoffäquivalent) hergestellt werden. Es ist offensichtlich, dass durch jede
Reduktion des Energieaufwandes für die landwirtschaftliche Produktion eine Verbesserung der
Ausbeute resultiert, ähnlich wie dies bei der Nahrungsmittelproduktion gezeigt worden ist. Solche
Verbesserungen sind möglich durch bessere Sortenwahl, Verzicht auf Trocknen der Körner,
Verwendung von Überschussernten und Ernten minderer Qualität auf landwirtschaftlicher Seite,
verbesserte Fermentations- und Destillationstechnologie oder Nutzung von Abwärme von andern
Prozessen auf der Stufe der Umwandlung der Biomasse in Alkohol wie auch durch zusätzliche
Nutzung aller andern beim Prozess anfallenden Produkte.
Stärkeherstellung ergeben sich kohlenhydratreiche Abwässer; diese wurden bisher
z.T. unter hohem Energieaufwand eingedickt und als Futtermittel verwendet.
Im Zusammenhang mit der wachsenden Popularität des Gasohol in den USA
wurde eine genaue Aufwand/Ertrags-Rechnung für Alkohol aus Mais erstellt [21,
26, 111]. Die Energiebilanz ist nicht in jedem Fall positiv. Wenn der ganze Betrieb
der Farm, die Verarbeitung der Maiskörner zu Äthanol und der
Destillationsprozess nach heutigen Technologien mit Erdöl betrieben werden, hat
das resultierende Äthanol einen geringeren Energiegehalt als das verbrauchte
Erdöl. Wenn aber anderseits der Wert der als Futter verwertbaren Nebenprodukte
mit berücksichtigt wird und die Prozessenergie durch die Verbrennung der festen
Rückstände gedeckt werden kann, wird die Energiebilanz positiv. Schematisch ist
der Energiefluss in Abb. 28 dargestellt.
Günstiger als für Mais in den USA liegen die Verhältnisse für Zuckerrohr und
Süsshirse in Brasilien; mit Zuckerrohr kann in Äthanol das 2,4fache, mit Süsshirse
das Zweifache der eingesetzten Energie gewonnen werden.

56 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
4.6.2. Der anaerobe Abbau zu Methan [65, 76, 119]
Der anaerobe Abbau von organischem Material ist Teil des natürlichen
Energieflusses. Er kommt in verschiedenen anaeroben Ökosystemen vor, z.B. in
Böden und Gewässersedimenten, im Pansen und Darmtrakt von Tieren wie auch in
Jauchegruben, Miststöcken, im Faulturm der Kläranlagen und in Abfalldeponien.
Aus zwei Gründen besteht heute wachsendes Interesse für die anaeroben
Abbauvorgänge, einerseits sind es die Probleme der Abfallbeseitigung (im
anaeroben Abbau erfolgt eine viel grössere Volumenverminderung der Biomasse
als in aeroben Systemen), anderseits die mögliche Energienutzung (im Methan
Abb. 29 Biochemische Sequenz der Methanbildung aus Biomasse. - Im Gegensatz zum vollständigen
aeroben Abbau zu CO2 und H2O gibt es keine Organismen, die allein den anaeroben Abbau von
Biopolymeren, z. B. Stärke, zu CH4, CO2 und H2O, zu leisten vermögen; die komplexe
Reaktionsfolge des Abbaus erfordert eine komplexe Organismenfolge. Ein vollständiger anaerober
Abbau ist daher nur mit einer Mischpopulation möglich. Eine erste Mikroorganismengruppe baut
Biomasse zu einfachen organischen Säuren wie Acetat oder Propionat, eine andere diese zu CO2 und
H2 ab. Aus diesen Substraten synthetisieren die eigentlichen methanogenen Bakterien schliesslich
Methan. Weitere Bakteriengruppen wirken für Zwischenprodukte konkurrenzierend, so dass für eine
aktive Methanbildung ein genaues Zusammenwirken der verschiedenen Bakteriengruppen (z. B. in
Organismenkonzentration, Generationszeit) notwendig ist. Es erstaunt daher nicht, dass dieses System
besonders empfindlich ist auf Störungen von aussen (Änderungen des pH, der Temperatur, der
Zusammensetzung und Menge des Zuflusses). Biotechnologisch können noch nicht alle Parameter
zufriedenstellend geregelt werden.
bleiben 80% der in der Biomasse enthaltenen Energie erhalten). - Die theoretische
Gasausbeute aus Kohlenhydraten beträgt bei Normalbedingungen 415 ℓ CH4 pro kg
Ausgangsmaterial, Fette und Proteine geben höhere Gasausbeuten.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 57
Abb. 30 Kinetik der Methanbildung aus Kohlenhydraten und Eiweissen. Deutlich wird dabei, dass das
Substrat durch die hydrolytischen Mikroorganismen rasch angegriffen wird und sich organische
Säuren akkumulieren. Erst nach 7-10 Tagen beginnt die Methanproduktion als letzter Schritt des
anaeroben Abbaus (das freigesetzte Methan ist im halben Massstab gezeichnet).
Tab. 23 Zusammensetzung von Biogas
Biogas
Gas Volumenanteil
CH4 61%
CO2 38%
H2O 1%
H2S 10-l0 000 ppm
versch. Verunreinigungen
1-2500 ppm
Biogas ist ein niederwertiges Heizgas, kann aber durch Reinigung (Methangehalt grösser als
98%) veredelt werden.

58 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Zwei Typen von Fermentationsbehältern [55] sind heute gebräuchlich,
einerseits diejenigen einfacher Technologie, wie sie in Biogasanlagen in Indien,
China [97-99], aber auch bei Selbstbau in der Landwirtschaft der Industrieländer
[32] verbreitet sind, anderseits die von Industriefermentoren abgeleiteten
Rührkessel, wie sie von der Verfahrenstechnik etwa für Schlammstabilisierung und
Biogasgewinnung angeboten werden.
Fermentationskessel mit homogener Durchmischung des Inhaltes sind für die
Biogasgewinnung in der Landwirtschaft wegen des notwendigen hohen
Betriebsaufwandes wenig wirtschaftlich und werden kaum grosse Verbreitung
finden. In neuster Zeit wurde für verdünnte Abwässer ein als anaerobes
Organismenfilter wirkendes System verwirklicht, in welchem die biologische
Retentionszeit durch festsitzende Organismen hochgehalten wird, die hydraulische
dagegen nur wenige Stunden beträgt. Das organische Material hochbelasteter
Abwässer der Nahrungsmittelindustrie liess sich so unter Energiefreisetzung als
Biogas auf 5-10% reduzieren.
Abb. 31 Schema einer indischen Biogasanlage (a) und Bild einer Anlage in der Schweiz (b) (Photo
Projekt Biogas, ETHZ). Die indische Biogasanlage arbeitet kontinuierlich und hat je nach Tierzahl (2
Kühe/m3) etwa 2-30 m3 Inhalt. Das Gefäss ist aus Backstein und der Gasbehälter aus Stahl. Heizung
und Rührung fehlen. Die Retentionszeit liegt bei 50-60 Tagen, und es können ca. 450-900 1 Gas/m3
Volumen täglich erwartet werden. In Indien sind um 100 000, in China 7 Millionen solcher
Kleinanlagen in Betrieb, während in der Schweiz bis anfangs 1980 53 Biogasanlagen in
Landwirtschaftsbetrieben gebaut worden sind.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 59
Tab. 24 Spezifische Produktion und Zusammensetzung von Biogas (30 Tage)
ℓ Gas/
kgTS %CH4
1) Rinderjauche 342 76
2) Schweinejauche 415 81
3) Stroh roh 367 79
4) Stroh, gemahlen 423 81
5) Gras 557 84
6) Maisstengel 514 83
7) Kartoffelkraut 606 75
8) Abwasser 265 -
1)+8) gemischt 407 -
Die Gasproduktion pro kg Abfall hängt stark von dessen Zusammensetzung (besonders dem
C/N-Verhältnis) wie auch von der Leichtigkeit, mit der dieser abgebaut wird, ab. Gemische zweier
Abfallsubstrate (Beispiel 1 + 8) können damit oft bessere Ausbeuten ergeben als die einzelnen
Abfalltypen (TS = Trockensubstanz).
Der Rückstand nach der Methangärung enthält nichtabgebautes Material der
ursprünglichen Biomasse und Mikroorganismen. Im Gegensatz zum aeroben
Abbau bleibt der Rückstand reicher an Stickstoffverbindungen; er ist deshalb ein
hochwertiger Dünger und Bodenverbesserer. Anderseits hat das getrocknete
Material auch einen hohen Futterwert; durch den Abbauvorgang
Tab. 25 Für Methanproduktion genutzte Kehrichtdeponien (nach [65])
in Betrieb Produk
seit tion in
10 3 m 3 /
Tag
Azuza, Calif. 1978 21,3
City of Industry, Calif. 1978 19,9
Los Angeles, Calif. 1979 73,8
Monterey Park, Calif. 1979 113,5
Montain View, Calif. 1978 19,9
Newark, N.J. 1979 8,5
Palos Verdes, Calif. 1975 21,3
Watson, Calif. 1978 42,6
Die Deponie von Palos Verdes hat z.B. eine Grösse von ca. 1 km², und täglich
werden dort 3000-4000 t Abfälle abgelagert. Die Endgrösse der Deponie ist auf
20.10 6 t geplant. Wegen Pflanzenschäden und Explosionsgefahr wurde früher auf
der seit 1957 benutzten Deponie das gebildete Gas abgepumpt und abgefakkelt.
Seit 1975 wird das austretende Gas gereinigt. In den letzten Jahren konnten täglich
20 000 m 3 Reinmethan an das örtliche Gasnetz abgegeben werden. Für die
ausgebaute Deponie wird geschätzt, dass dieser während 15-30 Jahren täglich bis
300000 m 3 Rohgas entnommen werden können.

60 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
wurden zellulosehaltige Stoffe in besser verdauliche Formen umgewandelt. Der
Stickstoff liegt in Form von Proteinen vor. Wenn in Rinderfutter herkömmliche
Komponenten (Gerste, Alfalfa, Maissilage, Stroh) im Ausmasse von 6-20% durch
Rückstände der Methanfermentation ersetzt wurden, ergaben sich gleiche
Gewichtszunahmen bei Mastvieh.
In den USA sind heute Biogasanlagen jeder Grösse in Betrieb. Um
wirtschaftlich zu sein, wird bei uns mit einer Mindestgrösse von 25 Rindern
gerechnet. Die grössten Anlagen bauen die Abfälle von Rindermasten mit 50 000-
100 000 Tieren zu Biogas ab. Sie produzieren pro Tag 30 000 bis 50 000 m 3 Gas.
Ähnlich wie mit Abwasser oder Jauche bildet sich auch aus Hauskehricht unter
anaeroben Bedingungen Methan. Kontinuierliche Feststoff-Fermentoren sind erst
in Entwicklung, dagegen stellt jede abgeschlossene Kehrichtdeponie einen
«natürlichen» Feststoff-Fermentor dar. In den USA werden eine ganze Anzahl
Mülldeponien zur Gaserzeugung genutzt.
Die Gasausbeute ist bei den heutigen Deponiegewohnheiten bei weitem nicht
optimal. So enthält der Kehricht u. U. toxische und nicht abbaubare Stoffe, oder die
Deponie als Fermentor ist ungenügend abgedichtet. Trotzdem ist die Nutzung
lohnend und auch in kleineren Anlagen möglich.
In der Schweiz wird z. B. Hausmüll der Region Lugano versuchsweise
deponiert und daraus Methan gewonnen. Bei einem Einzugsgebiet von ca. 100 000
Einwohnern wird mit einer täglichen Müllmenge von 75 000 kg gerechnet, woraus
ca. 3000 m 3 Methan gewonnen werden könnten. Aus Probebohrungen auf einer
Fläche von 1000 m² wurden bis jetzt täglich 40-60 m 3 Biogas abgesaugt und zur
Warmwasserproduktion verbrannt. Auch Versuche mit Verbrennungsmotoren
waren erfolgreich, allerdings darf die Gaszusammensetzung wenig variieren, sonst
werden Vergaser- und Zündungsanpassung nötig [37].
Abb. 32 Schema der Nutzung einer Kehrichtdeponie zur Methangewinnung. Erdabdeckung und
Lehmschichten verhindern unkontrollierte Gasverluste. Das Gas wird abgepumpt und kann als Gas
niederen Energiegehaltes direkt verbrannt oder nach einer Reinigung in das örtliche Gasnetz
eingespeist werden.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 61
Tab. 26 Geschätzte Kosten für Treibstoffe und Elektrizität aus Biomasse im Vergleich zur
konventionellen Herstellung (aus [45])
Kosten (Fr. pro l0 9 J, resp. pro kWh) Biomasse/
konventionell aus Biomasse konventionell
Methanol 14 l4-26 1,0-1,9
Äthanol 32 25-60 0,8-1,9
Heizgas 5-8 8-12 1,0-2,4
Heizöl 5 6-13 1,2-2,6
Elektrizität 0,15-0,10 0,05-0,25 0,5-5
4.7. Kosten der Biotreibstoffe
Die Kosten von Treibstoffen, die aus Biomasse gewonnen wurden, sind nicht
einfach zu ermitteln und variieren stark. Bei Energieplantagen sind die Rohmaterialkosten
durch den erzielten Ertrag und die verschiedenen Aufwendungen
bestimmt; diese sind von Jahr zu Jahr und lokal sehr verschieden. Die Umwandlungskosten
werden durch die angewendeten Verfahren und vor allem auch durch
die Anlagegrösse festgelegt. Aus gegen 40 Einzeluntersuchungen für die Äthanolproduktion
aus Zuckerrohr, Melasse, Zuckerrübe, Maniok, Mais, Weizen und Holz
wurde eine Bandbreite von etwa 15-50 ¢/ℓ Treibstoff errechnet. Im Vergleich zu
den heutigen Kosten für Treibstoffe fossiler Herkunft liegen die aus Biomasse
hergestellten zwischen dem 0,5- und 4,5-fachen Betrag.
4.8 Biomasse als Rohstoff für die Industrie [24, 61]
Auch nachdem Holz für die Wärmeerzeugung durch die fossilen Brennstoffe
Kohle, Öl und Gas praktisch verdrängt worden war, blieb Biomasse für gewisse
wenige herkömmliche Industriezweige (z.B. Papier und Faserstoffe) wichtiger
Rohstofflieferant. Im Bauwesen hat sich Holz mindestens teilweise halten können.
Die Entwicklung der chemischen Industrie erfolgte in diesem Jahrhundert aber
ausschliesslich auf der Basis von Kohle und Öl, und diese billigen Quellen
verhinderten eine sorgfältige Abklärung des Potentials der Biomasse bezüglich
seiner Bedeutung als Rohstoff der Chemie. Die Verknappung der fossilen
Grundstoffe zwingt zur Überlegung, wieweit Biomasse hier an Stelle der fossilen
Energieträger treten kann.
Neben besonderen von der Pflanze produzierten Stoffen müsste das
Hauptassimilationsprodukt, die Zellulose, das grösste Interesse wecken [19]. Es
dürfte für die heutige Grundlagenforschung in der Chemie eine besondere
Herausforder-

62 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Abb. 33 Zuckerrohr als Beispiel für Biomasse als Rohstoffquelle für eine vielseitige Nutzung in der
Chemie (nach [19]). - Für Zuckerrohr sind die wesentlichsten Verwendungsmöglichkeiten aufgezeigt.
Hauptweg ist die alkoholische Gärung; aus Äthanol lässt sich, wie auch aus Erdölderivaten, Äthylen
oder Äthylenchlorid als wichtigsten Grundstoff synthetisieren. Nebenprodukte verschiedenster Art
können über andere Gärungen erhalten werden, wie auch andere mikrobielle Produkte (Vitamine,
Proteine, Antibiotika, Enzyme usw.) durch biologische Verfahren produziert werden können.
Anderseits ist es auch möglich, direkt von den Hexosezuckern aus zu verschiedensten heute aus Öl
produzierten Chemikalien zu gelangen, wie etwa Polyurethane, Polyester oder Polyamide.
rung sein, Wege zu finden, um die vielen heute gebräuchlichen chemischen Stoffe
aus erneuerbarer Biomasse herstellen zu können oder auf diesen Grundlagen neue
Stoffe mit den gewünschten Eigenschaften zu produzieren.
Ökonomische Betrachtungen lassen verschiedene pflanzliche Kulturen für eine
energetische Nutzung als unwirtschaftlich erscheinen, sei es, dass der
Flächenertrag zu gering oder die benötigte Landfläche zu gross wird. Die gleiche
Kultur kann aber als Rohstoffgrundlage für die Chemie ihre Berechtigung haben
[93].
Die Nutzung von Biomasse für die Produktion von Treibstoffen führt
möglicherweise zu einer Anzahl kleinerer dezentraler Umwandlungszentren, in
welchen neben der Nahrungs- und Treibstoffherstellung auch die Bereitstellung
chemischer Grundstoffe erfolgen kann [70].
Schliesslich muss die energetische Bedeutung von Holz als Baustoff
hervorgehoben werden. Die Herstellung von 1 t Bauholz benötigt 453 kWh
Energie, für die gleiche Menge Eisen sind 8,3mal mehr, für Aluminium sogar
45mal mehr notwendig [13].

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 63
Abb. 34 Synthese verschiedenster Chemikalien aus Holz (nach [95]).
4.9 Biologische Energieumwandlungssysteme, die unabhängig vom
Kohlenstoffkreislauf in der Pflanze sind
Die Grundlage zu allen bisher beschriebenen Möglichkeiten einer vermehrten
oder veränderten Nutzung der Sonnenenergie über lebende Organismen war die
Umwandlung von Lichtenergie in Kohlenstoffbindungen in der Vielfalt der

64 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
organischen Verbindungen der Natur. Daneben gibt es besonders bei
Mikroorganismen Reaktionswege, bei welchen eine Energieumwandlung ohne
Beteiligung des Kohlendioxids erfolgt und die Energie nachher in einfachen
chemischen Verbindungen wie H2, NH3 oder H2O2 vorliegt.
Wie wir einleitend gesehen haben, ist die Ausbeute der photosynthetischen
Energieumwandlung ganzer Pflanzengesellschaften im Jahresmittel relativ gering.
Der Primärvorgang in den Reaktionssequenzen der Photosynthese dagegen hat eine
wesentlich höhere Ausbeute und könnte damit als Grundlage für modifizierte
photosynthetische Prozesse dienen.
4.9.1. Biologische H2-Produktion [52, 110]
Die Verwirklichung einer H2-Produktion im grosstechnischen Massstab in
irgendeiner Technologie dürfte in jedem Industriestaat einen entscheidenden
Einfluss auf die Energiepolitik haben. Ein Einsatz würde wohl zuerst in der
chemischen Industrie erfolgen, später dürfte H2 auch als Treib- und Brennstoff
grosse Bedeutung erlangen, eine Funktion, die er in bezug auf Abgasprobleme
ideal erfüllen könnte.
Wasserstoff kann nicht nur mittels physikalischen oder chemischen Verfahren,
sondern auch biologisch erzeugt werden. Biologische Wasserstoffproduktion ist
gekoppelt an die Anwesenheit von Hydrogenase, dem Enzym, das die folgende
Gleichung katalysiert:
2H + + 2e - ↔ H2
Dass H2 sich am Stoffwechsel photosynthetischer Bakterien beteiligen kann,
konnte schon 1934 gezeigt werden; die photosynthetische Wasserstoffproduktion
wurde 1949 zum erstenmal beschrieben. Zellen von Rhodospirillum rubrum geben
unter gewissen Wachstumsbedingungen H2 ab. Die Zugabe von NH3 oder N2 stoppt
die Reaktion sofort, was auf die Beteiligung der Nitrogenase schliessen lässt. Auch
H2-adaptierte Grünalgen und vor allem Blaualgen (Cyanobakterien) zeigen im
Licht Wasserstoff-Freisetzung.
Nitrogenase ist unter photosynthetischen Bakterien und Blaualgen weit
verbreitet, und viele der untersuchten Arten vermögen auf gasförmigen Stickstoff
(N2) als einziger Stickstoffquelle zu wachsen und damit auch Wasserstoff zu
produzieren. In beiden Gruppen ist die H2-Freisetzung streng lichtabhängig; über
die Kopplung von Lichtreaktionen mit der Wasserstoff-Freisetzung in ganzen
Zellen ist heute noch wenig bekannt. Möglicherweise übernimmt die Hydrogenase
oder Nitrogenase Elektronen vom stark reduzierenden Elektronenakzeptor des
Photosystems 1 (Abb. 13); damit wird in der Energiespeicherung der komplizierte
Stoffwechsel der CO2-Fixierung umgangen. Physiologisch unterscheiden sich
photosynthetische Bakterien und Blaualgen vor allem darin, dass letztere wie
höhere grüne Pflanzen die Elektronen dem Wasser entziehen und damit Sauerstoff
freisetzen, während die photosynthetischen Bakterien nur das Photosystem 1
besitzen und auf die dauernde Anwesenheit einer reduzierten Verbindung (eine
organische wie Malat oder anorganische wie Sulfid)

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 65
Tab. 27 Beispiele für Raten der Photoproduktion von Wasserstoff durch photosynthetische
Bakterien (aus [77])
Art gebildeter H2 Elektronen- Licht
µMol/mg donator intensität
Protein .h
Rhodospirillum rubrum 1,7 Malat 10 800 lux
1,68 Malat 135 W/m²
0,96 Malat 46 W/m²
1,8 Lactat 300 W/m²
Rhodopseudomonas capsulata 12 Pyruvat 10 800 lux
Rhodopseudomonas capsulata (Mutante) 4,8 Malat 6 500 lux
Rhodopseudomonas palustris 0,78 Glucose 29 W/m²
Rhodopseudomonas sphaeroides 0,54 Glucose 8 000 lux
Chromatium D 1,2 Thiosulfat 50 000 lux
Thiocapsa roseopersicina 1,84 Pyruvat 20 W/m²
angewiesen sind. Eine grosstechnische Nutzung der beiden Organismengruppen
zur photobiologischen Wasserstoffproduktion muss deshalb getrennt betrachtet
werden.
Photosynthetische Bakterien könnten schon heute für eine
Wasserstoffproduktion eingesetzt werden, sofern genügend und geeignete billige
Substrate zur Verfügung stehen [77]. In Laborversuchen wurden neben
synthetischen Elektronendonatoren (Lactat, Acetat, Pyruvat, Succinat, Malat,
Propionat u.a.) auch mit Gemischen von organischen Verbindungen aus Abwässern
der Milch- und Zuckerrübenverarbeitung ähnliche Raten der H2-Produktion
erhalten wie mit reinen Substraten. Diese Systeme sind stabil gegen
Ausseneinflüsse und können während Monaten mit gleichbleibender Aktivität aus
Abfallsubstraten Wasserstoff produzieren.
In Blaualgen dagegen ist Wasser das eigentliche Substrat für die
Wasserstoffproduktion: die Gesamtreaktion erscheint als Wasserphotolyse. Der bei
der Photosynthese gebildete Sauerstoff setzt jedoch sehr rasch die H2-Freisetzung
der Zellen herab, sofern kein Schutzmechanismus vorhanden ist, denn sowohl
Nitrogenase wie auch Hydrogenase sind sehr empfindlich selbst auf Spuren von
O2. Beste H2-Freisetzungsraten wurden unter Stickstoffmangel und anaeroben
Bedingungen erzielt. Dabei ändern sich die interzellulären Strukturen und die
Pigmentzusammensetzung. Diese Änderungen sind irreversibel und bewirken den
Verlust der H2-Freisetzungsaktivität nach 10-20 Tagen. Jedoch verlängert eine
dauernde oder intermittierende Zudosierung minimaler Mengen von gasförmigem
Stickstoff die aktive Phase wesentlich [12].
Der Mechanismus der Photoproduktion von Wasserstoff ist in zellfreien
Systemen weit übersichtlicher. Isolierte Chloroplasten reduzieren im Licht den
Elektronenakzeptor Ferredoxin, und mit Hilfe zugegebener bakterieller

66 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Abb. 35 Freilandfermentor zur Wasserstoffproduktion mit photosynthetischen Bakterien
(Rhodospirillum rubrum) (nach [117]). - Der aus einer Polycarbonat-Doppelstegplatte gebaute
Fermentor fasst 14 ℓ Kulturflüssigkeit und hat eine Fläche von 0,8 m². Ein Gefäss mit Kühlschlangen
(oben aufsitzend) verhindert eine zu starke Erwärmung der Zellen und bewirkt eine Zirkulation der
Zellsuspension. Als Nährmedium dienen Abfälle der Milch- und Zuckerverarbeitungsindustrie. An
sonnigen Tagen wurden bis 15 ℓ Gas gebildet, das zu ca. 70% aus Wasserstoff besteht.
Hydrogenase wird H2 freigesetzt. In solchen künstlichen Hybridsystemen fallen
energieverbrauchende Stoffwechselreaktionen weg, und es können höhere
photosynthetische Ausbeuten erzielt werden als mit zellulären Systemen.
Problematisch bleibt vorderhand die relative Instabilität, d.h. die rasche
Inaktivierung isolierter Zellkomponenten. Es ist möglich, dass der Ersatz der
natürlichen Elektronenüberträger (Ferredoxin, Hydrogenase) durch künstlich
synthetisierte stabilere Analoga Fortschritte bringt.
4.9.2 Biologische Stickstoff-Fixierung [30]
Die Schweizer Landwirtschaft benötigt heute für die Bereitstellung von
Stickstoffdünger eine Energiemenge von 3.10 15 J jährlich, die aus fossilen
Brennstoffen und Elektrizität stammt. Jedes auf Sonnenenergie basierende
biologische System, das diese Fremdenergie zu verkleinern vermag, ist
gesamtwirtschaftlich von grosser Bedeutung.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 67
Bis gegen die Mitte dieses Jahrhunderts spielten mineralische Stickstoffdünger
eine untergeordnete Rolle; der dem Boden entnommene Stickstoff wurde durch
tierische Abfälle und den Fruchtwechsel mit Leguminosen zurückgeführt.
Leguminosen vermögen dank der Wurzelsymbiose mit Bakterien Luftstickstoff in
Mengen von 50-600 kg/ha und Jahr zu binden. Weltweit gesehen beläuft sich die
biologische Stickstoff-Fixierung auf etwa 80 10 6 t/ Jahr, d.h. die industrielle N2-
Fixierung beträgt schon über 30% der gesamten Stickstoffreduktion!
Die Reaktion des gasförmigen Stickstoffs mit Wasserstoff zu Ammoniak
3 H2 + N2 → 2 NH3
ist exotherm; dagegen wird anfänglich eine beträchtliche Aktivierungsenergie
benötigt. Diese stammt in der biologischen N2-Fixierung aus den Assimilaten der
Pflanze. Es erstaunt daher nicht, dass eine Stimulierung der CO2-Fixierung eine
erhöhte Stickstoffbindung nach sich zieht. Eine Erhöhung des CO2-Gehaltes der
Luft in einem Treibhaus steigerte z.B. die Stickstoffbindung bei Sojabohnen von
75 auf 425 kg N/ha Jahr.
Solche Beobachtungen wurden nicht nur bei Leguminosen gemacht, wo die
N-fixierenden Mikroorganismen in Symbiose mit der höheren Pflanze leben,
sondern auch bei den Wurzelassoziationen freilebender Stickstoff-Fixierer mit
Getreidearten wie z.B. Mais.
Das Schlüsselenzym der Reaktion, die Nitrogenase, ist sehr
sauerstoffempfindlich. Symbiotische Systeme - Wurzelknöllchen bei Leguminosen
und Nichtleguminosen - und Blaualgen mit Heterozysten, in denen die Nitrogenase
vor Oxidation geschützt ist, scheinen am sichersten hohe Erträge an gebundenem
Stickstoff liefern zu können. Die Grundlagenforschung hat sich erst im letzten
Jahrzehnt intensiv mit der Stickstoff-Fixierung befasst. Bei genügender finanzieller
Unterstützung sind in der kommenden Zeit in diesem Gebiet Resultate zu erwarten,
die, in die Praxis umgesetzt, einen weitgehenden Ersatz des mit fossiler Energie
hergestellten Stickstoffdüngers durch biologisch fixierten Stickstoff ermöglichen
dürfte. Diskutiert werden z.B. die folgenden Problemkreise:
- die Übertragung der Gene, die die Stickstoff-Fixierung kodieren, in Zellen
höherer Pflanzen oder wenigstens in andere Bakterien, die mit neuen Pflanzen
symbiotische Systeme bilden können,
- die Entwicklung von Stämmen, deren Nitrogenase auf NH3 unempfindlich ist
(auch für die H2-Produktion wichtig),
- die genetische Steigerung der CO2-Fixierung bei Leguminosen; dies würde
automatisch zu höheren Stickstoff-Fixierungsraten führen.
4.9.3. Photobiologische NH3- und H2O2-Bildung [17, 71]
Lichtenergie, in photosynthetischen Systemen in Redoxenergie umgesetzt,
kann im weiteren auch genutzt werden, um Nitrat zu Ammoniak oder Sauerstoff zu
Wasserstoffperoxid zu reduzieren:

68 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
NO3 - +4 H2O + 2 H + + Licht. Chloroplasten → NH4 + + 2 O2 + 3 H2O
∆G0' = +361 kJ
H2O + O2 + Licht. Chloroplasten → H2O2 + ½O2
∆G0' = +101 kJ
Neben der Bedeutung von Ammoniak in der Chemie und Landwirtschaft ist dieser
auch als Treibstoff für Verbrennungsmotoren und Raketen geeignet, letzteres gilt
auch für Wasserstoffperoxid, dessen Zerfall in O2 und H2O stark exergonisch ist.
Sowohl NH3 wie auch H2O2 müssten für eine Nutzung als Brennstoff
konzentriert werden; eine entsprechende Technologie ist aber noch nicht
vorhanden. Laborergebnisse zeigen aber mindestens, welche vielseitigen
Möglichkeiten in biologischen lichtumwandelnden Systemen liegen können.
4.9.4 Künstliche photosynthetische Systeme [17]
Wie früher erwähnt, können zellfreie Systeme mit Chloroplasten, ergänzt
durch besondere, zum Teil bakterielle Enzyme, Licht absorbieren und Wasserstoff
oder Ammoniak als energiereiche chemische Verbindungen produzieren. Unstabile
funktionelle Proteine konnten durch stabilere, synthetisierte Katalysatoren ersetzt
werden, so z.B. das Eisen-Schwefel-Protein Ferredoxin durch synthetische Fe-S-
Verbindungen oder die extrem empfindliche Hydrogenase durch einen
Platinkatalysator. Ein Ersatz des Chlorophylls durch synthetische Farbstoffe führt
schliesslich in das Feld der Photochemie, wo ebenfalls grosse Anstrengungen
gemacht werden, Sonnenenergie in chemische Energie umzusetzen.
Kürzlich wurde vorgeschlagen, chemische und biologische Reaktionen zu
koppeln, um so zu höherer Ausbeute der Lichtenergieumwandlung zu kommen
[107]. In einem solarthermischen Schritt wird Eisen reduziert:
Wärme
2FeCl3 + H2O →→→→ 2FeCl2+2HCl+½O2
←←←←
Thiobacillus
Der chemolithotrophe Organismus Thiobacillus ferroxidans bildet aus CO2 im
Dunkeln Biomasse, wobei Fe2 + wieder zu Fe3 + oxidiert wird. Die Ausbeute der
solarthermischen Bildung von Fe2 + wird mit 30-50%, diejenige der bakteriellen
Umwandlung in Biomasse mit 35% angegeben, so dass mit einer Gesamtausbeute
von 10-18% gerechnet werden kann. Ein solches System ist unabhängig von
Wasservorräten und könnte gut in unfruchtbaren Gebieten mit hoher
Sonneneinstrahlung gebaut werden.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 69
Abb. 36 Flussdiagramm einer vollständigen Nutzung von Biomasse für die Produktion von Äthanol
als Treibstoff. - Neben Äthanol als Brennstoff fallen zusätzlich verschiedene Chemikalien wie auch
Hefezellen an, aus denen wiederum mannigfaltige Produkte gewonnen werden können. Der
Heizenergiebedarf des Systems wird zum grössten Teil durch Methan aus den Abwässern gedeckt;
eine eventuelle Ergänzung geschieht ebenfalls durch Biomasse, Holz oder Bagasse. Dünger wird
vollständig rezirkuliert.
4. 10. Integrierte Nutzung von Biomasse
Am Beispiel der Äthanolproduktion aus Zuckerrohr und Mais wurde
ersichtlich, dass es besonderer Anstrengungen in der Technologie bedarf, damit die
Herstellung finanziell und energetisch einen Nutzen bringt. Häufig wird der
Sekundäraufwand wie Lagerung, Transport, Beseitigung von Abfällen und
Abwässern in der Rechnung nicht berücksichtigt.
Wenn ein Nettogewinn fraglich erscheint, muss eine Lösung in sorgfältig
geplanten, integrierten Nutzungssystemen gesucht werden, mit Nutzung aller
Neben- und Abfallprodukte.
Ein Beispiel für die vollständige Nutzung von Zuckerrohr, Cassava und Mais
zur Äthanolproduktion ist in Abb. 36 gezeigt. Für die Schweiz sei als Beispiel die
Produktion der Zellulosefabrik Attisholz [91] dargestellt (Abb. 37):

70 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Bei der Produktion von Zellulose aus Holz wird nur die Hälfte der zugeführten
Biomasse genutzt; die andere fällt in Form verschiedenster Verbindungen in der
Sulfitablauge an. In verschiedenen Ländern wird dieses Abwasser ungereinigt an
die Umwelt abgegeben; bei der heutigen Jahresweltproduktion an Zellstoff
Abb. 37 Flussdiagramm der Holznutzung in der Zellulosefabrik Attisholz (nach [91]). - Die
Zelluloseproduktion in Attisholz beläuft sich jährlich auf rund 100 000 t, dazu werden 600 000 m3
Holz benötigt. Aus der Ablauge produziert die Firma jährlich 8 000 000 1 Alkohol, 6500 t Hefe als
Futter und Nahrungsmittelzusatz und 9500 t Ligninsulfonate, die als Netzmittel für Farbstoffe und
Insektizide Verwendung finden. Bezogen auf das zugeführte Holz, findet hier eine Biomassenutzung
von 98% statt.
sind dies immerhin 120.10 6 t Biomasse, die so verloren gehen und die Gewässer
belasten. Die strengen Vorschriften in der Schweiz verlangen eine praktisch
vollständige Reinigung der Abwässer. Attisholz löste das Problem durch eine fast
vollständige Verwertung der in der Sulfitablauge enthaltenen Stoffe.

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 71
Schlusswort
Eine Vielfalt von Projekten und Nutzungsmöglichkeiten ist vorgestellt worden.
Sie stehen z.T. erst im Forschungsstadium, z.T. laufen sie aber auch schon in
grösserem Massstab. Vielfach sind solche Anlagen aus privater Initiative
entstanden, da die meisten Länder erst seit kurzem nationale Energieprogramme
haben, in welchen die Forschung in Bioenergie unterstützt wird.
Die USA hatten 1978 ein Budget für ihre verschiedenen Biomasseprogramme
von 22 Millionen $. 1981 sollen 88 Milliarden $ für die Entwicklung synthetischer
Treibstoffe bewilligt werden; Projektstudien befassen sich mit der Herstellung von
Dieseltreibstoff aus Sojabohnenöl in Alabama, Holzgas aus Abfallholz in
Arkansas, Methan aus häuslichen Abwässern in Kalifornien, Vergärung von
Kohlehydraten aus Kartoffeln und Zuckerrüben in Kalifornien, Methan aus
Reishülsen in Texas und Alkohol aus Molke in Vermont (Tages-Anzeiger vom
24.9.1980).
Kanadas Biomasseprogramme basieren vor allem auf dem Holzreichtum des
Landes, und man rechnet, dass bis im Jahr 2025 mindestens 40% des Benzins
durch Methanol aus Holz gedeckt werden können.
Brasilien hat grosse Hoffnungen auf sein Äthanolprogramm aus Zuckerrohr
und Cassava gesetzt [38]. Die Zahl der Destillationsanlagen wurde vermehrt. Für
1980 wird mit einer Produktion von ca. 3 Milliarden Liter Alkohol gerechnet, bis
1985 soll es 3-4mal mehr sein. Brasilien hat für ein solches Programm
entscheidende Vorteile, vor allem genügend Anbaufläche. Um Erdöl als Treibstoff
durch Äthanol ersetzen zu können, genügen ca. 2% seiner Landfläche.
Australien glaubt in Eucalyptus, Cassava, Kenaf und Zuckerrohr ebenfalls gute
Pflanzen gefunden zu haben, aus welchen neben landwirtschaftlichen Abfällen der
grösste Teil der benötigten flüssigen Treibstoffe erzeugt werden könne.
In Europa laufen in verschiedenen Ländern, so auch in der Schweiz,
detaillierte Untersuchungen, wie weit Biomasse und vor allem Abfälle als
Energiequellen in Zukunft wirtschaftlich genutzt werden können. Neben
Bundesstellen, Hochschulen und dem Schweizerischen Nationalfonds (Nationale
Forschungsprogramme) sind auch private Institutionen wie der Nationale
Energieforschungsfonds an diesen Projekten beteiligt [28]. Schwerpunkte liegen
bei der Holznutzung und der Verwendung der tierischen Abfälle zur Gewinnung
von Biogas. 1979 wurden für Forschung und Entwicklung im Gebiete der
Bioenergie in der Schweiz 3,4 Millionen Franken aufgewendet.
Indien hat verschiedene Forstprogramme, u. a. auch um der fortschreitenden
Entwaldung entgegenzutreten, ebenso wird die Nutzung von Biogas auf der Ebene
der Dorfgemeinschaften gefördert.
In China kann in ländlichen Gegenden der grösste Teil der Bedürfnisse durch
Biogas gedeckt werden. In einem Aufforstungsprogramm wurde in den
vergangenen Jahrzehnten die Waldfläche von 5 auf 13% vergrössert.

72 Neujahrsblatt der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich 1980
Diese Aufzählung macht deutlich, dass man sich vielerorts wieder bewusst
geworden ist, dass eine Nutzung der landeseigenen Biomasse die Energieimporte
verringert und verbilligt und damit auch ein wirksames Mittel gegen die Inflation
ist. Kein Energieprogramm jedoch ist glaubwürdig ohne ein Energiesparprogramm,
hier bestehen in der Schweiz wie weltweit noch grosse Lücken. Landesweite
Energieprogramme lassen wenig Erfolg erwarten, wenn kein Spielraum besteht, für
einzelne Regionen, Dörfer oder sogar Höfe die dort optimalen Lösungen zu
verwirklichen.
Die heute dominierende Energieproblematik ist nur ein Teil der Probleme, mit
denen unsere Nachfahren fertig werden müssen; für die Fragen des
Bevölkerungswachstums mit der folgenden Raum- und Bodenverknappung, des
Verkehrswachstums mit parallel einhergehendem Verlust an nutzbarer Landfläche,
der steigenden Industrieproduktion, gefolgt von einer Verknappung aller Rohstoffe
oder der Verdrängung kreativer Arbeitsplätze durch Automatisierung usw.,
scheinen mir weit weniger konkrete Lösungsmöglichkeiten vorzuliegen als bei der
Energiefrage. Die vielfältigen Möglichkeiten bei der Nutzung von Bioenergie
lassen hoffen, dass sich Lösungen finden werden, bei denen die natürlichen
Regelkreise möglichst ungestört erhalten oder wieder zurückgewonnen werden
können.
Literatur
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Adresse des Autors:
Prof. Dr. Reinhard Bachofen, Institut für Pflanzenbiologie, Zollikerstr. 107, CH-8008 Zürich.