Biomasse und flüssiger Biokraftstoff (Technische Zusammenfassung)

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Kurzbeschreibung

• Informationstyp: Grundlagen

Einführung

Hintergrund Biomasse-Rückstände können auch in verschiedene nicht-feste Brennstoffformen umgewandelt werden. Diese Brennstoffe werden als Biogas und flüssige Biokraftstoffe bezeichnet. Ziel dieses Umwandlungsprozesses ist es, die Qualität, den spezifischen Energiegehalt, die Transportfähigkeit usw. der Rohbiomasse zu verbessern oder Gase aufzufangen, die bei mikrobiologischem Abbau oder teilweiser Verbrennung von Biomasse natürlich entstehen. Biogas ist in vielen Ländern ein etablierter Brennstoff zum Kochen und Beleuchten, während die Entwicklung flüssiger Biokraftstoffe vor allem durch den Wunsch motiviert ist, Erdöl-Kraftstoffe zu ersetzen. In diesem Beitrag schauen wir uns einige dieser Brennstoffe, ihre Anwendungen und die Umwandlungstechnologien an.

In Europa, den USA und mehreren Entwicklungsländern gibt es eine Entwicklung hin zu speziell für Energiezwecke angebauten Energiepflanzen. Das weltweite Potenzial für Energie aus Biomasse ist enorm. Je knapper und teurer fossile Brennstoffe werden, je stärker CO₂-Emissionen in den Fokus rücken und je mehr Menschen die Vorteile integrierter Energiesysteme erkennen, desto mehr kann Biomasse ihr volles Potenzial als Energiequelle entfalten.

Technik

Biogas Biogas entsteht durch anaerobe Vergärung (anaerobe Digestion). Dabei wird organische Substanz durch mikrobiologische Aktivität ohne Sauerstoff abgebaut. Das passiert natürlich z. B. am Grund von Teichen und Sümpfen und erzeugt Sumpfgas (hauptsächlich Methan), ein brennbares Gas.

Es gibt zwei gängige künstliche Technologien zur Biogasgewinnung: 1. Die weit verbreitete Vergärung von menschlichen und/oder tierischen Abfällen in speziell konstruierten Fermentern (Digestern). 2. Das Auffangen von Methan aus kommunalen Mülldeponien (neuere Technik).

Die Größe einfacher Biogasanlagen reicht von kleinen Haushalts-Systemen bis zu großen kommerziellen Anlagen mit mehreren tausend Kubikmetern.

Die Vergärung von Tier- und Menschenkot bringt mehrere Vorteile:

• Produktion von Methan als Brennstoff. Der Rückstand ist eine nährstoffreiche Gülle, die als idealer Dünger dient – in manchen Fällen ist der Dünger sogar das Hauptprodukt und das Biogas nur Nebenprodukt. Während der Vergärung werden Bakterien im Mist abgetötet – ein großer Vorteil für die Umwelt- und Gesundheit.

Zwei beliebte einfache Designs sind der chinesische Festdome-Digester und der indische Schwimmdeckel-Digester (siehe Abbildungen 1 & 2). Der Vergärungsprozess ist gleich, nur die Gaserfassung unterscheidet sich. Beim Schwimmdeckel steigt die wasserdichte Abdeckung mit dem Gas und dient als Speicher, beim Festdome ist die Gasspeicherkapazität geringer und gute Abdichtung entscheidend.

Abbildung 1: Festdome-Digester

Abbildung 2: Schwimmdeckel-Digester

Das Material wird über das Einlassrohr zugeführt und im Vergärungsraum abgebaut. Die Temperatur ist entscheidend – Methan-bildende Bakterien arbeiten optimal bei 30–40 °C oder 50–60 °C. In kalten Klimazonen muss ggf. geheizt werden. Das Produkt ist eine Mischung aus Methan und CO₂ (typisch 60:40). Die Vergärungszeit dauert Wochen bis Monate (je nach Rohstoff und Temperatur). Der Restgülle wird über den Auslass entnommen und als Dünger verwendet.

Biogas hat vielfältige Anwendungen. Tabelle 1 zeigt Äquivalente für 1 m³ Biogas:

Anwendung	1 m³ Biogas entspricht
Beleuchtung	60–100-Watt-Glühbirne für 6 Stunden
Kochen	3 Mahlzeiten für eine Familie mit 5–6 Personen
Kraftstoffersatz	0,7 kg Benzin
Wellenleistung	1-PS-Motor für 2 Stunden
Stromerzeugung	1,25 kWh Strom

Tabelle 1: Einige Äquivalente für Biogas Quelle: angepasst nach Kristoferson, 1991.

Kleine Biogasanlagen dienen meist Haushaltsbeleuchtung und -kochen. Große Programme gibt es z. B. in Tansania (integrierte Ressourcennutzung aus kommunalen und industriellen Abfällen für Strom und Dünger).

Biomassevergasung Vergasung ist grundlegend anders als Biogasproduktion: Hier wird feste Biomasse durch Hitze (teilweise Verbrennung mit kontrollierter Luftzufuhr) in ein brennbares Gas (Producer Gas) umgewandelt. Typische Rohstoffe: Holz, Holzkohle, Reishülsen, Kokosnussschalen.

Die Anlage besteht aus einem Reaktor (ähnlich einem Ofen), in den die Biomasse gefüllt wird. Luftzufuhr ist so dosiert, dass nur Teilverbrennung stattfindet. Dabei entstehen brennbare Gase (Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan) neben CO₂ und Stickstoff.

Zwei Reaktortypen: Wirbelschicht (für Großanlagen) und Festbett (für Kleinanlagen). Festbett hat drei Varianten: Aufstrom (updraft), Abstrom (downdraft) und Querstrom (crossdraft) – jeweils unterschiedliche Gasverhältnisse, Temperaturen und Reinheitsgrade.

Das Gas kann direkt in Brennern für Prozesswärme genutzt oder (nach Reinigung und Kühlung) in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Kleinanlagen erreichen mehrere kW bis Hunderte kW Strom oder mehrere MW Wärme. Wirkungsgrade variieren stark.

In China gibt es seit den 1960er Jahren Abstrom-Reaktoren für Reishülsen – Hunderte im Einsatz, auch in Mali, Surinam und Indien. Im Zweiten Weltkrieg liefen Millionen Fahrzeuge in Europa mit Producer Gas; heute in Brasilien und Philippinen kommerziell verfügbar.

Flüssige Biokraftstoffe Flüssige Biokraftstoffe werden aus Biomasse hergestellt und zu brennbaren Flüssigkeiten verarbeitet. Zwei Hauptkategorien:

• Alkoholkraftstoffe: Ethanol und Methanol
• Pflanzenöle: aus Samen (Sonnenblume, Sesam, Lein, Raps usw.)

Ethanol ist der am weitesten verbreitete flüssige Biokraftstoff. Er wird durch Vergärung von Zucker, Stärke oder Zellulose gewonnen. Meist aus Zuckerrohr oder Zuckerrüben (Stärke/Zellulose brauchen teure Vorbehandlung). Ethanol dient als erneuerbarer Kraftstoff, aber auch in Kosmetik, Pharmazie und Getränken.

In Brasilien ist der Ersatz von Benzin durch Ethanol eines der größten Biomasse-zu-Energie-Programme weltweit. Reine Benzinmotoren gibt es nicht mehr – stattdessen reine Ethanol- oder Gasohol-Motoren (78 % Benzin + 22 % Ethanol). Dank effizienterer Zuckerrohrproduktion ist Ethanol günstig. Das Programm hat die Abhängigkeit von Importöl reduziert, Arbeitsplätze geschaffen, die Luftqualität verbessert und (da nachwachsend) kaum Netto-CO₂ hinzugefügt.

Quelle: Goldemberg et al., Renewable Energy Sources for Fuels and Electricity, 1993

Methanol entsteht durch chemische Umwandlung aus Biomasse mit <60 % Feuchte (Wald-/Landwirtschaftsrückstände, Holz, Energiepflanzen). Kann mit Benzin gemischt oder rein genutzt werden. Bevorzugter Kraftstoff für Rennwagen.

Pflanzenöle (Biodiesel) Öl wird wie Speiseöl extrahiert (aus Sonnenblume, Kokos, Baumwolle, Palm, Raps, Soja, Erdnuss usw.). Energiegehalt ca. 85 % von Diesel.

Zwei Technologien: - Einfache Schneckenpresse (mechanisch, für Kleinproduktion in ländlichen Gebieten – motorisiert oder handbetrieben). - Lösemittelextraktion (chemisch, effizienter, aber für große Anlagen).

Das Öl kann für Beleuchtung, Heizung und in Dieselmotoren genutzt werden.

Biodiesel-Herstellung ist einfach (auch kleinmaßstäblich): Pflanzenöl + Ethanol/Methanol + Katalysator (Kalilauge/Natronlauge) → Reaktion → Glycerin trennt sich ab (sinkt nach unten). Glycerin kann als Entfetter oder weiterverarbeitet werden. Der Rest ist nutzbarer Biodiesel – Standard-Dieselmotoren laufen damit.

Weitere Themen

Aktueller Stand Kleinmaßstäbliche Biogasproduktion ist in ländlichen Gebieten etabliert, besonders in China und Indien. Ende 1993 hatten ca. 5,25 Millionen Bauernhaushalte Biogasfermenter (jährlich 1,2 Mrd. m³ Methan) plus 3500 kW installierte Biogas-Stromkapazität.

In Indien ist Vergasungstechnik weit verbreitet (z. B. Bewässerungspumpen, Dorfstromversorgung).

Ethanol-Programme laufen in mehreren Entwicklungsländern (Brasilien als Erfolgsbeispiel; Simbabwe seit 1983 ca. 40 Mio. Liter/Jahr mit lokaler Ausrüstung).

Biomasseenergie und Umwelt Zwei Hauptbedenken: 1. Landdegradation/Abholzung – lösbar durch nachhaltige Energiepflanzen-Management. Viel Biomasse kommt aus Rückständen (Lebensmittel-, Landwirtschafts-, Gewerbeabfälle). 2. CO₂-Emissionen – bei nachhaltiger Produktion kaum Netto-Zuwachs (im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen). Moderne Techniken reduzieren Emissionen stark.

Weitere Bedenken: Toxische Emissionen, Teer- und Rußbildung bei Vergasung.

Lokale Herstellung und Beteiligung Viele Technologien für ländliche Anwendungen sind einfach lokal herstellbar (Handwerker, kleine Werkstätten). In Simbabwe führte lokale Ethanol-Ausrüstung zu den weltweit niedrigsten Kosten pro Liter. In China/Indien produzieren lokale Handwerker Biogasanlagen in großen Stückzahlen. In Kenia (noch frühe Phase) haben lokale Hersteller schnell Potenzial erkannt.

Verbreitung Kenia ist zu 75 % von importiertem Erdöl abhängig. 1980 startete das Special Energy Programme (SEP) zur Reduzierung. Nach anfänglichen Problemen mit Bildungseinrichtungen wandte man sich lokalen Handwerkern und privaten Händlern zu. Schulungen für Maurer/Klempner, Förderung von Herstellung und Lagerung von Kochern/Lampen. Bis 1995 ca. 880 Anlagen installiert.

Literatur und Ressourcen

Ravindranath, N. H. und Hall, D. O.: Biomass, Energy and the Environment: A Developing Country Perspective from India. Oxford University Press, 1995. Karekezi, S. und Ranja, T.: Renewable Energy Technologies in Africa. AFREPEN, 1997. Kristoferson L. A. und Bokalders V.: Renewable Energy Technologies – their application in developing countries. ITDG Publishing, 1991. Johansen, T.B. et al.: Renewable Energy Sources for Fuels and Electricity. Island Press, Washington D.C., 1993. Gunnerson C. G. und Stuckey D. C.: Anaerobic Digestion – Principles and Practices for Biogas Systems. World Bank Technical Paper No 49, The World Bank, 1986. Gitonga, Stephen: Biogas Promotion in Kenya. Intermediate Technology Kenya, 1997. Stassen, H.E.: Small-scale biomass gasifiers for heat and power: a global review. World Bank technical paper no. 296, Energy Series 1995. Quaak, P., Knoef, H. und Stassen, H.E.: Energy from biomass: a review of combustion and gasification technologies. World Bank technical paper no. 422, Energy Series 1999. Anderson, T., Doig, A., Rees, D. und Khennas, S.: Rural Energy Services: A handbook for sustainable energy development. ITDG Publishing, 1999. Tickell, J., Teickell, K.: From the Fryer to the Fuel Tank: The Complete Guide to Using Vegetable Oil as an Alternative Fuel. Greenteach Publishing, 1999. Pahl, Greg: Biodiesel: Growing a New Energy Economy. Chelsea Green Publishing, 2004 http://www.chelseagreen.com/2004/items/biodiesel.

Dieser Howtopedia-Artikel basiert auf dem Practical Action Technical Brief „Biogas and Liquid Biofuels – Technical Brief“.

Originaldokument: http://practicalaction.org/?id=energy

Nützliche Adressen

Practical Action The Schumacher Centre for Technology & Development, Bourton on Dunsmore, RUGBY, CV23 9QZ, Vereinigtes Königreich.
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