Biomasse

Biomasse kann in der Industrie

• strukturell,
• stofflich oder
• energetisch

genutzt werden. In allen Nutzungspfaden wird der Bedarf voraussichtlich deutlich zunehmen. Durch die Umstellung und die vermehrte Nutzung von biobasierten, nachhaltigen Produkten wird der Biomasseeinsatz in bestehenden Wirtschaftszweigen mit eher strukturellem Einsatz hoch bleiben, beziehungsweise tendenziell noch zunehmen, wie in der Papier-, Textil- und Baustoffindustrie. Darüber hinaus wird sich die stoffliche Nutzung vor allem in Branchen erhöhen, die Kohlenstoff für ihre Produkte oder in ihren Prozessen benötigen. Hier muss zur Erreichung von Klimaneutralität fossiler Kohlenstoff durch nachhaltige Alternativen ersetzt werden (Defossilisierung). Biomasse ist dabei eine nachhaltige Kohlenstoffquelle, die auch im Rahmen einer CO₂-Wirtschaft und Circular Economy berücksichtigt werden muss. Zu diesen Branchen zählen vor allem die chemische Industrie und die Metallurgie. Zudem wird Biomasse zur Bereitstellung von Energie im industriellen Bereich genutzt.

Struktureller und stofflicher Biomasseeinsatz

Bereits heute werden rund 3,6 Millionen Tonnen nachwachsende Rohstoffe stofflich in unterschiedlichen Anwendungsbereichen der Prozessindustrie eingesetzt (Stand 2020) – etwa 72 Prozent davon in der chemischen Industrie zur Herstellung biobasierter Zwischen- und Endprodukte (wie Fein- und Spezialchemikalien oder Biopolymere). Perspektivisch wird sich der Biomasseeinsatz allein in der chemischen Industrie laut Prognosen bis 2040 vervierfachen.

Auch in der Metallurgie ist perspektivisch eine Steigerung des Biomasseeinsatzes zu erwarten. Sie kann hier theoretisch in Form von Biokohlen(-staub) als Substitut für fossilen Kohlenstoff zur Reduktion der metallischen Erze (zum Beispiel in der Aluminium- oder Eisen- und Stahlherstellung) oder zur Einstellung der gewünschten Materialeigenschaften (wie beim Aufkohlen in der Eisen- und Stahlherstellung) eingesetzt werden. Die Nutzung von Biomasse beziehungsweise Biokohlen als Kohlenstoffquelle in metallurgischen Prozessen ist aktuell noch Gegenstand der Forschung und wird je nach Verfahren, Einsatzzweck und anvisiertem Endmetall im Labormaßstab bis hin zu Pilotanlagen getestet. Auch dadurch wird die Biomassenutzung voraussichtlich weiter zunehmen.

Prozesswärme aus Biomasse

Neben dem strukturellen und stofflichen Einsatz ist Biomasse im industriellen Kontext verstärkt zur Bereitstellung von Prozesswärme sinnvoll. Biomasse bietet dabei den Vorteil, Hochtemperatur-Prozesswärme auf entsprechenden Temperaturniveaus (bis zu 500 °C bei der direkten thermischen Nutzung von unbehandelter fester Biomasse oder bis über 1.500 °C bei aufbereiteter Biomasse wie Industriepellets, Biokohlen oder Biomethan) bereitstellen zu können. Der Einsatz in Niedertemperatur-Anwendungen erscheint daher wenig sinnvoll. Die Nutzung für Prozesswärmebedarfe empfiehlt sich insbesondere dann, wenn zusätzlich zur Wärme auch noch Kohlenstoff in den Prozess mit eingebracht werden muss, das heißt sowohl eine thermische als auch eine stoffliche Nutzung – als sogenannte Koppelnutzung – erfolgen kann. Auf diese Weise lässt sich Biomasse besonders effizient einsetzen.

Alternativ kann der Biomasseeinsatz zur Prozesswärmebereitstellung in Anwendungen erfolgen, in denen prozessbedingtes CO₂ auftritt und voraussichtlich auch in Zukunft abgeschieden werden muss, wie bei der Zement- und Kalkherstellung. Hier bietet sich mit dem Einsatz von Biomasse und der Abscheidung und anschließenden Speicherung des Kohlendioxids (BECCS) die Möglichkeit, negative Emissionen zu erzeugen. Alternativ ist auch eine stoffliche Nutzung des abgeschiedenen Kohlendioxids (BECCU) denkbar, zum Beispiel als Einsatzstoff in der chemischen Industrie.

Die Rolle von Biomasse im Energiesektor hat sich in den vergangenen Jahren deutlich gewandelt. Während die Biomasse im Verkehrssektor und im Bereich der Wärmeproduktion unter den Erneuerbaren Energien eine dominante Rolle ausübt, ist die Stromproduktion aus Biomasse in Deutschland weniger ausgeprägt als diejenige mittels Windenergie und Photovoltaik. Dies ist auch sinnvoll, da wir bei Wind und Sonne über nahezu uneingeschränkte Potenziale verfügen. Der größte Vorteil von Biomasse besteht darin, dass sie speicherbar ist und somit  zum Ausbau der Erneuerbaren Energien beiträgt. Speicherbarkeit von Biomasse ist bereits bei den Substraten gegeben. So kann zum Beispiel Altholz, also Holz, das im Einklang mit dem Kaskadenprinzip bereits strukturell verwertet wurde, in Biomasseheizkraftwerken nach Bedarf zur Strom- und Wärmeproduktion beitragen. Biomasse wird mit der Konversion der Substrate zunehmend netz- und systemdienlich. So zum Beispiel mit der Umwandlung zu Biogas, das in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) flexibel zu Strom und Wärme umgesetzt werden kann. Ein anderes Beispiel ist die Aufbereitung von Biogas zu Biomethan und die Einspeisung von Methan ins Gasnetz. In dieser Form kann Biomasse dank der hohen Speicherkapazität des Pipelinenetzes flexibel, überregional und somit bedarfsgerecht genutzt werden.

Da die energetische Nutzung von Biomasse in der Kaskadennutzung die niedrigste Stufe bildet, ist es auch hier im Kontext des Klimaschutzes wichtig, die Biomasse nicht nur systemdienlich, sondern idealerweise im Rahmen geschlossener Kreisläufe zu nutzen. So kann beispielweise die bei der hydrothermalen Karbonisierung gewonnene Biokohle weiter stofflich verwertet werden. Dabei ist zu beachten, dass bei einer energetischen Biomassenutzung CO₂ entsteht und man deshalb von einer sogenannten Defossilisierung spricht, nicht von Dekarbonisierung. Damit der Kohlenstoff nicht wieder in die Atmosphäre gelangt, kann dieser in Form von CO₂ entweder bei der Aufbereitung von Biogas zu Biomethan oder mit BECCU/BECCS-Technologien aus den Abgasen abgeschieden und weiterer Verwendung zugeführt oder für die Erreichung von Negativemissionen genutzt werden. Mit diesen Technologien, die jedoch noch auf den breiteren Einsatz warten, können dann weitere Wertschöpfungsketten für den Kohlenstoff erschlossen werden.

Flexibilität von Biomasseanlagen

Mit der Flexibilität im Kontext der Strom- und Wärmeproduktion aus Biomasse ist vor allem die flexible, bedarfsgerechte Fahrweise eines BHKW gemeint. Durch die Direktvermarktung, idealerweise als Teil eines virtuellen Kraftwerks, können sie die Netze stabilisieren. Zum Beispiel, wenn auf dem Markt eine hohe Nachfrage nach Strom herrscht und gleichzeitig die volatilen Energiequellen wenig Strom in die Netze einspeisen. So kann Strom aus Biogas zum Beispiel mittels Biogas- und Biomethan-Kraft-Wärme-Kraftwerke vermehrt im Winter produziert werden, wenn der Ertrag aus der Photovoltaik saisonal bedingt gering ausfällt.

Biomethan zur Speicherung im Gasnetz

Ein anderer Weg, Biomasse systemdienlich zu verwenden ist die Aufbereitung von Biogas zu Biomethan – entweder von einer Biogasanlage, oder im Rahmen einer gemeinsamen Aufbereitungsanlage über eine Biogassammelleitung. Beim Biogas handelt es sich um eine Gasmischung. In der Regel besteht der größte Anteil von Biogas aus Methan, enthält jedoch noch weitere Gase wie Kohlenstoffdioxid. Bei der Aufbereitung von Biogas werden in unterschiedlichen Verfahren die Begleitgase vom Methan separiert. Das Biomethan, dass dann aus mindestens 98 Prozent Methan besteht, kann in das heutige bestehende Erdgasnetz eingespeist werden oder vor Ort als Kraftstoff zum Einsatz kommen.

Im Gebäudesektor wird Biomasse vor allem zur Defossilisierung der Wärmeerzeugung genutzt. Zum Beispiel können Heizungen auf Basis von Pellets oder Holzhackschnitzeln betrieben werden. Aktuell erscheint es jedoch sinnvoll, die Nutzung von Biomasse im Gebäudebereich nicht unbegrenzt und großflächig auszubauen, sondern zu prüfen, inwieweit stattdessen alternative, klimafreundliche Heizungssysteme eingesetzt werden können. Gründe dafür liegen in begrenzten Biomassepotenzialen und einer in den nächsten Jahren zu erwartenden stark ansteigenden Nachfrage – zum Beispiel seitens der Industrie. Diese Aspekte werden zu einer Veränderung des Biomassemarktes führen. Die dadurch voraussichtlich steigenden Biomassepreise können die Wirtschaftlichkeit heutiger Biomasseanwendungen reduzieren. Die Biomassenutzung sollte daher zur Vermeidung negativer Folgeeffekte mit Blick auf das Gesamtsystem priorisiert für effiziente Anwendungen mit mangelnden Alternativen eingesetzt werden. Im Gebäudebereich sind Alternativen vor allem durch andere klimafreundliche Heizsysteme wie der Installation von Wärmepumpensystemen oder dem Anschluss an ein Wärmenetz gegeben. Zudem ist eine Reduktion der Wärmebedarfe schon vor dem Wechsel des Heizsystems durch Sanierungs- und Effizienzmaßnahmen möglich und dem Gesamtsystem dienlich.

Biomasseheizungen für Einzelgebäude

Nicht bei allen Gebäuden können alternative Lösungen zur Defossilisierung der Heizungssysteme verwendet werden. So bleibt der Biomasseeinsatz bei Gebäuden mit Sanierungsschwierigkeiten (zum Beispiel unter Denkmalschutz stehende Gebäude) und/oder fehlender Anschlussmöglichkeit an ein Wärmenetz oder andere regenerative Versorgungsmöglichkeiten essenziell. In diesen Fällen ist eine effiziente Nutzung von besonderer Bedeutung: Diese kann zum Beispiel in Form von automatisch beschickten, dem Bedarf entsprechend dimensionierten und mit ausreichender Abscheidetechnik versehenen Pelletkesseln gewährleistet werden.  

Bioenergie in Wärmenetzen

Die aktuell oftmals auf fossilen Brennstoffen basierende netzgebundenen Wärmeversorgung sollte mit Hilfe klimafreundlicher Alternativen dekarbonisiert werden. Eine Möglichkeit dafür ist, die Grundlast mittels industrieller Abwärme oder Geothermie zu decken. Ein Einsatz von Biomasse sollte mit Hilfe von effizienten KWK-Anlagen hingegen nur zur Deckung der Spitzenlast oder als Redundanz erfolgen.

Auch beim Neubau von Wärmenetzen sollte Biomasse erst dann zum Einsatz kommen, wenn eine alternative klimafreundliche Versorgung durch industrielle Abwärme, Geothermie, (konzentrierende) Solarthermie oder Wärmepumpen nicht möglich ist und bisher ungenutzte lokale Biomassepotenziale langfristig verfügbar sind. Vereinzelt können Wärmenetze vor allem im ländlichen Raum vergleichsweise effizient lokale Biomasseangebotsüberschüsse nutzen. Beim Einsatz von Biomasse sollten darüber hinaus vor allem Alt- und Restholz genutzt werden, da diese bereits durch die vorherige stoffliche Nutzung im Einklang mit dem Kaskadenprinzip stehen (siehe Biomasse im Energiesystem).

Die Nutzung von Biokraftstoffen für verschiedene Formen der Mobilität birgt Vor- und Nachteile: Einerseits kann mit Ihnen eine Dekarbonisierung des Verkehrs ohne große Umstellungen der Infrastruktur erreicht werden – andererseits stehen dem sowohl der hohe Flächenbedarf für den Biomasseanbau als auch der niedrige Wirkungsgrad der Kraftstoffe entgegen.

Biokraftstoffe können zwar auf die Treibhausgasminderungs-Quote (THG-Quote), die jeder Inverkehrbringer von fossilen Kraftstoffen, wie etwa Mineralölkonzerne, erfüllen muss, angerechnet werden. Gleichzeitig dürfen sie aktuell aber nur 4,4 Prozent (Stand 2023) daran ausmachen. Eine Übersicht zur Quotenregelung und Anrechnung von Biokraftstoffen bietet der Zoll.

Allein um diesen recht geringen Anteil fossilen Kraftstoffs in Deutschland zu ersetzen, braucht es große Anbauflächen für Nahrungs- und Futtermittelpflanzen im In- und Ausland: Zusammengenommen rund ein Fünftel der deutschen Ackerfläche. Daher ist die Zukunft dieser Kraftstoffe politisch stark umstritten. Um diese sogenannte Tank-Teller-Diskussion zu vermeiden, sollten ausschließlich biologische Reststoffe zur Kraftstoffgewinnung genutzt werden. Deren Potenzial ist jedoch begrenzt und der Einsatz steht dadurch in Nutzungskonkurrenz zu anderen Sektoren. Generell ist es daher empfehlenswert, sowohl biogene als auch strombasierte synthetische Kraftstoffe dort einzusetzen, wo es mittelfristig keine oder kaum Optionen zur Elektrifizierung gibt, wie im Flug- oder Schiffsverkehr. Insbesondere für den Individualverkehr erscheinen perspektivisch elektrische Antriebe als die aussichtsreichste Lösung.