Umschlagbild - NGZH2013.ngzh.ch/pdf/Neuj1981.pdf · 2011. 1. 12. · der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich im Anschluss an den Jahrgang 125 der Vierteljahrsschrift der Naturforschenden

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 ge-macht, 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 zeilen-treu und nur einigermassen Seitentreu. Dieses Exemplar ist zum normalen Lauftext umge-arbeitet. 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 Vorbe-reitung 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.

Verwendete Energieeinheiten:

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

R. BACHOFEN Bio-Energie, heute- morgen 5

1. Einleitung

Eine Analyse der weltweiten Energiesituation gibt uns das Bild einer unbe-kümmerten 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 3.1024 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: 3.1021 J jährlich. Bedenkt man, dass die Biomasse bis anhin nur in Bruchteilen


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.


- 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.


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.


Tab. 1 Verbrauch an Energie durch den Menschen weltweit (1970) (alle Werte x 1018 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.


- 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 Energie-verbrauches ist sowohl vom beschränkten Vorhandensein der Quellen der Primärenergie wie auch von den Folgen deren Nutzung einfach unmöglich und würde zur Katastrophe führen [41].


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. 1011t Erdöl 2. 1011t Erdgas 1 1011t

8 1011t = 25. 1021J Vermutete Vorkommen

Kohle 85. 1011t Erdöl 5.1011t Gas 3. 1011t

93. 1011t = 300. 1021J Jährlicher Energieverbrauch weltweit etwa 5.1 109 t 2,3.1020J Jährliche Sonneneinstrahlung auf die Erde 3,6.1024J Jährliche Nettoproduktion 8. 1015t C = 3. 1021J durch Photosynthese (2. 1011t Biomasse) deren Produktion auf Kulturland 0,4. 1010t C Weltweit gespeicherte Biomasse (90% - Bäume) 8. 1011t C = 20. 1021J davon auf kultiviertem Land 0,06. 1011t C Energieverbrauch des Menschen für Nahrung 1,4. 1019J 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. l07 km Durchmesser, 1,99. 1033 g) eine ungeheure Menge Energie frei (3,82.1026 W), die sich radial im Weltall ausbreitet. Im Abstand von 1,5.108 km lässt sich auf der Erde ausserhalb der Atmosphäre eine Energiedichte von 1,36 kW/m2 (=81,5 kJ/m2. Min.) errechnen (Solarkonstante). Damit fallen jährlich nach Abzug von ca. 30-40% Reflexions- und Absorptionsverlusten ca. 3.1024 J Sonnenenergie auf die Erde, ein Wert, der den


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/m2 im Raum des Roten Meeres. In unseren gemässigten Zonen kann eine mittlere Einstrahlung von etwa 150 W/m2 gemessen werden (Zürich: globale Strahlung 128 W/ m2, davon 67 W/m2 diffuse, 61 W/m2 direkte Strahlung).


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 0K, 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.


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


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.


jährliche Produktion an Biomasse von 1010 bis 1011 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.


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.)


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)


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 Sonnenenergie-umwandlungstechnologien 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


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 CO2 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. 109 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


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 Industrie-ländern 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


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.


Abb. 15 Produktivitätsstei-gerung im Maisanbau in der Schweiz seit 1910 (aus [53]). - Ertragssteigerungen seit 1950 sind auf die Einführung von Hybridmais, Sorten-verbesserung und neue An-bautechniken zurückzufüh-ren. 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 schwei-zerischen 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


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 m3 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 m3/ha, 1945 von 3,0 m3/ha angegeben wurde, liess sich in den letzten Jahrzehnten eine Steigerung bis auf 8,4 m3/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 3.1010 J/ha Fremdenergie scheinen verglichen mit der Sonneneinstrahlung von ca. 2. 1013 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


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 1010 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.


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 1018 J ins gesamte Nahrungssystem der Vereinigten Staaten; 1970 waren es 9 x 1018 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.


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.


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.


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 = 1015 J. - Der Energieaufwand hat sich in dieser Zeit fast versechsfacht, während der Ertrag sich kaum verdoppelte.


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 1015 J im Jahre 1939 auf 16,6 x 1015 J im Jahre 1976 angestiegen, was ungefähr einer Versechsfachung entspricht [15, 105, 125]. Der Ertrag stieg gleichzeitig von ca. 10 x 1015 J (1939) auf 18 x 1015 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 1015 J Treibstoffe: Benzin 57.106 ℓ 2,51 Diesel 85.106 ℓ 3,66 Düngemittel: N 37.106 kg 2,94 P 38.106 0,69 K 61.106 0,59 Pflanzenschutzmittel: 4,7.106 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


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.


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]).


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 m3 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. 5-10.106 m3

Heizwert des jährlichen Zuwachses ca. 2.106 t Öl Erdöleinfuhr 1974 13.106 t Nutzung des Holzes als Brennholz total 1930 1,49 2,85.106 m3

1943 3,25 5,25 1950 0,29 3,35 1960 0,48 3,62 1973 0,72 3,74


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.


- 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.


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 106 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.


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.


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


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


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.


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 Energie-plantagen 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


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 106 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].


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


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).


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.


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.


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


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


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])

106J/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.


Tab. 19 Geschätzte Ausbeuten an potentieller Energie von landwirtschaftlichen Rückständen in EWG-Ländern (in 106 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.


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 m3. 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).


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 -


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


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 109 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 m3/Tag. In der Zuckerfabrik Frauenfeld fallen in den Herbstmonaten täglich 500-600 m3 hochbelastete Abwässer an, ferner 25-30 t Biomasse in Form von Blättern und Rübenbruchstücken und grosse Mengen an zuckerhaltiger Rübenerde. Auch bei der


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.


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.


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.


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.


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 103 m3/ 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 20.106 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 m3 Reinmethan an das örtliche Gasnetz abgegeben werden. Für die ausgebaute Deponie wird geschätzt, dass dieser während 15-30 Jahren täglich bis 300000 m3 Rohgas entnommen werden können.


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 m3 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 m3 Methan gewonnen werden könnten. Aus Probebohrungen auf einer Fläche von 1000 m² wurden bis jetzt täglich 40-60 m3 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.


Tab. 26 Geschätzte Kosten für Treibstoffe und Elektrizität aus Biomasse im Vergleich zur konventionellen Herstellung (aus [45])

Kosten (Fr. pro l09 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 Roh-materialkosten durch den erzielten Ertrag und die verschiedenen Aufwendungen bestimmt; diese sind von Jahr zu Jahr und lokal sehr verschieden. Die Umwand-lungskosten werden durch die angewendeten Verfahren und vor allem auch durch die Anlagegrösse festgelegt. Aus gegen 40 Einzeluntersuchungen für die Äthanol-produktion 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-


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].


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


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)


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


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 3.1015 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.


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 80 106 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:


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.


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):


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 120.106 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.


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.


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.

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Umschlagbild - NGZH2013.ngzh.ch/pdf/Neuj1981.pdf · 2011. 1. 12. · der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich im Anschluss an den Jahrgang 125 der Vierteljahrsschrift der Naturforschenden