Biomasse
Biomasse ist pflanzliches Material, das als Brennstoff zur Erzeugung von Wärme oder Strom verwendet wird. Beispiele sind Holz und Holzreste, Energiepflanzen, landwirtschaftliche Rückstände und Abfälle aus Industrie, Landwirtschaft und Haushalten. Da Biomasse direkt als Brennstoff verwendet werden kann (z. B. Holzscheite), verwenden manche Leute die Begriffe Biomasse und Biokraftstoff synonym. Andere fassen den einen Begriff unter dem anderen zusammen. Regierungsbehörden in den USA und der EU definieren Biokraftstoff als flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff, der für den Transport verwendet wird. Die Gemeinsame Forschungsstelle der Europäischen Union verwendet den Begriff fester Biokraftstoff und definiert ihn als rohes oder verarbeitetes organisches Material biologischen Ursprungs, das zur Energiegewinnung verwendet wird, z. B. Brennholz, Holzspäne und Holzpellets. ⓘ
Im Jahr 2019 wurden 57 EJ (Exajoule) Energie aus Biomasse erzeugt, verglichen mit 190 EJ aus Erdöl, 168 EJ aus Kohle, 144 EJ aus Erdgas, 30 EJ aus Kernenergie, 15 EJ aus Wasserkraft und 13 EJ aus Wind, Sonne und Geothermie zusammen. Etwa 86 % der modernen Bioenergie wird für Heizzwecke verwendet, 9 % für den Verkehr und 5 % für die Stromerzeugung. Der größte Teil der weltweiten Bioenergie wird aus Waldressourcen gewonnen. Kraftwerke, die Biomasse als Brennstoff verwenden, können eine stabile Stromerzeugung liefern, im Gegensatz zu der unsteten Energie, die von Solar- oder Windkraftanlagen erzeugt wird. ⓘ
Die Internationale Energieagentur (IEA) bezeichnete 2017 die Bioenergie als die wichtigste Quelle für erneuerbare Energien. Die IEA wies auch darauf hin, dass der derzeitige Einsatz von Bioenergie weit unter dem Niveau liegt, das in künftigen kohlenstoffarmen Szenarien erforderlich ist, und dass ein beschleunigter Einsatz dringend erforderlich ist. Im IEA-Szenario "Netto-Null bis 2050" wird die traditionelle Bioenergie bis 2030 auslaufen, und der Anteil der modernen Bioenergie an der gesamten Energieversorgung steigt von 6,6 % im Jahr 2020 auf 13,1 % im Jahr 2030 und 18,7 % im Jahr 2050. Im Jahr 2014 prognostizierte die IRENA (Internationale Agentur für erneuerbare Energien) eine Verdoppelung der aus Biomasse erzeugten Energie im Jahr 2030, wobei die traditionelle Bioenergie nur einen geringen Beitrag leistet (6 EJ). Das IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) argumentiert, dass die Bioenergie ein erhebliches Klimaschutzpotenzial hat, wenn sie richtig eingesetzt wird, und die meisten der Klimaschutzpfade des IPCC beinhalten erhebliche Beiträge der Bioenergie im Jahr 2050 (durchschnittlich 200 EJ). ⓘ
Die Rohstoffe mit dem größten Potenzial für die Zukunft sind lignozellulosehaltige (nicht essbare) Biomasse (z. B. Niederwald oder mehrjährige Energiepflanzen), landwirtschaftliche Reststoffe und biologische Abfälle. Diese Rohstoffe haben auch die kürzeste Zeitspanne, bevor sie einen Nutzen für das Klima bringen. Die Wärmeerzeugung ist normalerweise "klimafreundlicher" als die Stromerzeugung, da die Umwandlung von chemischer in Wärmeenergie effizienter ist als die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Wärme aus der Verbrennung von Biomasse ist auch schwieriger durch Wärme aus alternativen erneuerbaren Energiequellen zu ersetzen; diese sind entweder teurer oder durch die maximale Temperatur des Dampfes, den sie liefern können, eingeschränkt. Fester Biokraftstoff ist wahrscheinlich klimafreundlicher als flüssiger Biokraftstoff, da die Herstellung von festem Biokraftstoff energieeffizienter ist. ⓘ
Als Biomasse wird die Stoffmasse von Lebewesen oder deren Körperteilen bezeichnet. Diese Stoffgemische werden mithilfe ihrer Masse quantifiziert. ⓘ
In der Ökologie wird die Biomasse häufig nur für ausgesuchte, räumlich klar umrissene Ökosysteme oder nur für bestimmte, einzelne Populationen erfasst. Gelegentlich gibt es zudem Versuche, die Biomasse der gesamten Ökosphäre abzuschätzen. ⓘ
Die Vegetation entwickelt sich nach dem Prinzip der „Optimalgesellschaft“ immer nach einer möglichst großen Primärproduktion durch die Umwandlung der vorhandenen abiotischen Faktoren mit Hilfe der Photosynthese in Biomasse. Sehr große Niederschlagsmengen, hohe Luftfeuchtigkeit und staunasse Böden sind ideal für eine große Biomasseproduktion, die sich immer in Wäldern verwirklicht. Das Maximum wird in Bezug auf die weltweiten Biome bei den tropischen Regenwäldern erreicht; auf der Ebene regionaler Biotope sind es jedoch Wälder in etwas kühlerem (noch fast frostfreiem) Klima mit gedämpfter Sonneneinstrahlung, wie es etwa bei den Küstenmammutbaumwäldern Kaliforniens und den Riesen-Eukalyptus-Wäldern Südost-Australiens und Tasmaniens vorhanden ist. ⓘ
In der Ökologie existiert kein einheitlicher Biomasse-Begriff. In der Energietechnik ist mit Biomasse nur die energetisch nutzbare Biomasse gemeint. ⓘ
Biomasse-Kategorien
Biomasse wird entweder als direkt zur Energiegewinnung geerntete Biomasse (primäre Biomasse) oder als Rückstände und Abfälle (sekundäre Biomasse) eingeteilt: ⓘ
Direkt für die Energiegewinnung geerntete Biomasse
Die wichtigsten Arten von Biomasse, die direkt für die Energiegewinnung geerntet werden, sind Holz, einige Nahrungspflanzen und alle mehrjährigen Energiepflanzen: Holzige Biomasse, die direkt für Energiezwecke geerntet wird, besteht hauptsächlich aus Bäumen und Sträuchern, die für traditionelle Koch- und Heizzwecke geerntet werden (vor allem in Entwicklungsländern). 25 EJ pro Jahr werden weltweit für traditionelles Kochen und Heizen ausgegeben. Die IEA argumentiert, dass die traditionelle Bioenergie nicht nachhaltig ist und in ihrem Szenario "Netto-Null bis 2050" bereits im Jahr 2030 auslaufen wird. Kurzumtriebsplantagen und Kurzumtriebswälder werden ebenfalls direkt zur Energiegewinnung geerntet, und der Energiegehalt liegt bei 4 EJ. Diese Kulturen gelten als nachhaltig, und das Potenzial (zusammen mit mehrjährigen Energiepflanzen) wird auf mindestens 25 EJ jährlich bis 2050 geschätzt. ⓘ
Die wichtigsten Nahrungspflanzen, die zur Energiegewinnung geerntet werden, sind zuckerproduzierende Pflanzen (z. B. Zuckerrohr), stärkehaltige Pflanzen (z. B. Mais) und ölproduzierende Pflanzen (z. B. Raps). Zuckerrohr ist eine mehrjährige Pflanze, während Mais und Raps einjährige Pflanzen sind. Zucker- und stärkehaltige Pflanzen werden zur Herstellung von Bioethanol verwendet, ölhaltige Pflanzen zur Herstellung von Biodiesel. Die USA sind der größte Hersteller von Bioethanol, während die EU der größte Hersteller von Biodiesel ist. Der Energiegehalt der weltweiten Produktion von Bioethanol und Biodiesel beträgt 2,2 bzw. 1,5 EJ pro Jahr. Biokraftstoff aus Nahrungspflanzen, die zur Energiegewinnung geerntet werden, wird auch als Biokraftstoff der ersten Generation" oder traditioneller" Biokraftstoff bezeichnet und weist relativ geringe Emissionseinsparungen auf.
Mehrjährige Energiepflanzen werden als die "[...] bevorzugte Kategorie von Pflanzen für die Energieerzeugung [...]" angesehen, da sie hohe Erträge und "[...] ein (viel) besseres ökologisches Profil als einjährige Pflanzen [...]" aufweisen. Die kommerzielle Produktion dieser Pflanzen ist jedoch derzeit weltweit nicht von Bedeutung. Im Vereinigten Königreich erklärte die Regierung, dass die für mehrjährige Energiepflanzen und Kurzumtriebsplantagen vorgesehenen Flächen im Jahr 2021 von 10.000 auf 704.000 Hektar steigen werden. Die globale Schätzung von IRENA für 2030 liegt bei 33-39 EJ, was als konservativ gilt. Das technische globale Energiepotenzial allein für mehrjährige Energiepflanzen wurde auf 300 EJ jährlich geschätzt.
Nach Angaben von IRENA werden derzeit 1,5 Milliarden Hektar Land für die Nahrungsmittelproduktion genutzt, während "[...] etwa 1,4 Milliarden ha [Hektar] zusätzliches Land geeignet, aber bisher ungenutzt ist und daher in Zukunft für die Bioenergieversorgung bereitgestellt werden könnte". 60 % dieser Fläche befinden sich jedoch im Besitz von nur 13 Ländern. Der IPCC schätzt, dass es weltweit zwischen 0,32 und 1,4 Milliarden Hektar an Grenzertragsflächen gibt, die für Bioenergie geeignet sind. Das EU-Projekt MAGIC (Marginal Lands for Growing Industrial Crops) schätzt, dass in der Europäischen Union 45 Millionen Hektar (449 901 km2; vergleichbar mit der Größe Schwedens) an verfügbaren Grenzertragsflächen für die mehrjährige Kulturpflanze Miscanthus × giganteus (12 EJ) und 62 Millionen Hektar (619 182 km2; vergleichbar mit der Ukraine) an verfügbaren Grenzertragsflächen für Bioenergie im Allgemeinen zur Verfügung stehen. ⓘ
Ein Drittel der weltweiten Waldfläche von 4 Milliarden Hektar wird für die Holzproduktion oder andere kommerzielle Zwecke genutzt. Wälder liefern 85 % der gesamten weltweit zur Energiegewinnung genutzten Biomasse. Wälder liefern auch 60 % der gesamten in der EU für Energiezwecke genutzten Biomasse, und die größte Energiequelle für Waldbiomasse sind Holzabfälle und -reste. ⓘ
Biomasse in Form von Rückständen und Abfällen
Rückstände und Abfälle sind Nebenprodukte aus biologischem Material, das hauptsächlich für nicht-energetische Zwecke geerntet wird. Die wichtigsten Nebenprodukte sind Holzabfälle, landwirtschaftliche Rückstände und kommunale/industrielle Abfälle:
Holzrückstände sind Nebenprodukte aus der Forstwirtschaft oder der holzverarbeitenden Industrie. Wären die Rückstände nicht gesammelt und für Bioenergie genutzt worden, wären sie auf dem Waldboden oder auf Deponien verrottet (und hätten daher Emissionen verursacht) oder am Straßenrand in Wäldern oder außerhalb von Holzverarbeitungsanlagen verbrannt worden (und hätten Emissionen verursacht).
Bei den Nebenprodukten der Forstwirtschaft handelt es sich um Baumkronen, Äste, Stümpfe, beschädigte, absterbende oder tote Bäume, unregelmäßige oder gekrümmte Stammabschnitte, Durchforstungen (kleine Bäume, die entfernt werden, damit die größeren Bäume größer werden können) und Bäume, die zur Verringerung der Waldbrandgefahr entfernt werden. Der Umfang der Entnahme von Holzabfällen ist von Region zu Region unterschiedlich, aber das Interesse an der Nutzung dieses Rohstoffs nimmt zu, da das nachhaltige Potenzial groß ist (15 EJ jährlich). 68 % der gesamten Waldbiomasse in der EU besteht aus Stammholz und 32 % aus Stümpfen, Ästen und Wipfeln. ⓘ
Die Nebenprodukte der holzverarbeitenden Industrie werden als Holzverarbeitungsrückstände bezeichnet und bestehen aus Schnittgut, Hobelspänen, Sägemehl, Rinde und Schwarzlauge. Holzverarbeitungsrückstände haben einen Gesamtenergiegehalt von 5,5 EJ pro Jahr. Holzpellets werden hauptsächlich aus Holzverarbeitungsrückständen hergestellt und haben einen Gesamtenergiegehalt von 0,7 EJ. Holzhackschnitzel werden aus einer Kombination von Rohstoffen hergestellt und haben einen Gesamtenergiegehalt von 0,8 EJ. ⓘ
Der Energiegehalt von landwirtschaftlichen Reststoffen, die zur Energiegewinnung genutzt werden, beträgt etwa 2 EJ. Landwirtschaftliche Reststoffe haben jedoch ein großes ungenutztes Potenzial. Der Energiegehalt der weltweiten Produktion von landwirtschaftlichen Rückständen wird auf 78 EJ jährlich geschätzt, wobei der größte Anteil auf Stroh entfällt (51 EJ). Andere Schätzungen liegen zwischen 18 und 82 EJ. IRENA geht davon aus, dass die Nutzung von landwirtschaftlichen Rückständen und Abfällen, die sowohl nachhaltig als auch wirtschaftlich machbar ist, auf 37 bis 66 EJ im Jahr 2030 ansteigen wird. ⓘ
Siedlungsabfälle erzeugten 1,4 EJ und Industrieabfälle 1,1 EJ. Holzabfälle aus Städten und der Industrie erzeugten ebenfalls 1,1 EJ. Das nachhaltige Potenzial für Holzabfälle wurde auf 2-10 EJ geschätzt. Die IEA empfiehlt einen drastischen Anstieg der Abfallverwertung auf 45 EJ jährlich im Jahr 2050. ⓘ
Biokraftstoff aus mehrjährigen Energiepflanzen, Rückständen und Abfällen wird manchmal als Biokraftstoff der zweiten Generation" oder fortschrittlicher" Biokraftstoff bezeichnet (d. h. nicht essbare Biomasse). Algen, die zur Energiegewinnung geerntet werden, werden manchmal als Biokraftstoff der dritten Generation" bezeichnet. Aufgrund der hohen Kosten hat sich die kommerzielle Produktion von Biokraftstoff aus Algen noch nicht durchgesetzt. ⓘ
Umwandlung von Biomasse
Rohe Biomasse kann durch einfaches Pressen (z. B. Holzpellets) oder durch verschiedene Umwandlungen, die allgemein als thermisch, chemisch und biologisch klassifiziert werden, in bessere und praktischere Brennstoffe umgewandelt werden: ⓘ
Thermische Umwandlung
Bei der thermischen Veredelung werden feste, flüssige oder gasförmige Brennstoffe erzeugt, wobei die Wärme der wichtigste Umwandlungsfaktor ist. Die grundlegenden Alternativen sind Torrefizierung, Pyrolyse und Vergasung, die sich vor allem dadurch unterscheiden, wie weit die beteiligten chemischen Reaktionen fortschreiten dürfen. Das Fortschreiten der chemischen Reaktionen wird hauptsächlich durch die Menge des verfügbaren Sauerstoffs und die Umwandlungstemperatur gesteuert.
Bei der Torrefizierung handelt es sich um eine milde Form der Pyrolyse, bei der organische Materialien unter Ausschluss von Sauerstoff auf 400-600 °F (200-300 °C) erhitzt werden. Bei diesem Erhitzungsprozess werden (durch Vergasung) die Teile der Biomasse mit dem geringsten Energiegehalt entfernt, während die Teile mit dem höchsten Energiegehalt übrig bleiben. Das heißt, etwa 30 % der Biomasse werden während des Torrefizierungsprozesses in Gas umgewandelt, während 70 % übrig bleiben, in der Regel in Form von gepressten Pellets oder Briketts. Dieses feste Produkt ist wasserbeständig, leicht zu mahlen, nicht korrosiv und enthält etwa 85 % der ursprünglichen Energie der Biomasse. Grundsätzlich ist der Masseanteil stärker geschrumpft als der Energieanteil, was zur Folge hat, dass der Heizwert von torrefizierter Biomasse deutlich ansteigt, so dass sie mit Kohle, die zur Stromerzeugung verwendet wird (Dampf-/Thermokohle), konkurrieren kann. Die Energiedichte der gebräuchlichsten Dampfkohlen liegt heute bei 22-26 GJ/t. Es gibt noch andere, weniger verbreitete, experimentelle oder firmeneigene thermische Verfahren, die Vorteile bieten können, z. B. die hydrothermale Veredelung (manchmal auch "nasse" Torrefizierung genannt). ⓘ
Bei der Pyrolyse werden organische Materialien unter nahezu vollständiger Abwesenheit von Sauerstoff auf 800-900 °F (400-500 °C) erhitzt. Durch die Pyrolyse von Biomasse werden Brennstoffe wie Bioöl, Holzkohle, Methan und Wasserstoff erzeugt. Beim Hydrotreating wird Bioöl (aus der Schnellpyrolyse) mit Wasserstoff bei hohen Temperaturen und Drücken in Gegenwart eines Katalysators zu erneuerbarem Diesel, erneuerbarem Benzin und erneuerbarem Flugzeugtreibstoff verarbeitet. ⓘ
Bei der Vergasung werden organische Materialien auf 800 bis 900 °C erhitzt, wobei kontrollierte Mengen an Sauerstoff und/oder Dampf in den Behälter eingeleitet werden, um ein kohlenmonoxid- und wasserstoffreiches Gas zu erzeugen, das als Synthesegas oder Syngas bezeichnet wird. Synthesegas kann als Kraftstoff für Dieselmotoren, zum Heizen und zur Stromerzeugung in Gasturbinen verwendet werden. Es kann auch behandelt werden, um den Wasserstoff vom Gas zu trennen, und der Wasserstoff kann verbrannt oder in Brennstoffzellen verwendet werden. Das Synthesegas kann mit Hilfe der Fischer-Tropsch-Synthese zur Herstellung flüssiger Kraftstoffe weiterverarbeitet werden. ⓘ
Chemische Umwandlung
Eine Reihe chemischer Verfahren kann eingesetzt werden, um Biomasse in andere Formen umzuwandeln, z. B. um einen Brennstoff zu erzeugen, der praktischer zu lagern, zu transportieren und zu verwenden ist, oder um eine Eigenschaft des Prozesses selbst zu nutzen. Viele dieser Verfahren basieren zum großen Teil auf ähnlichen kohlebasierten Prozessen, wie der Fischer-Tropsch-Synthese. Ein chemischer Umwandlungsprozess, die so genannte Umesterung, dient der Umwandlung von Pflanzenölen, tierischen Fetten und Schmierstoffen in Fettsäuremethylester (FAME), die zur Herstellung von Biodiesel verwendet werden. ⓘ
Biologische Umwandlung
Da Biomasse ein natürliches Material ist, haben sich in der Natur viele biologische Prozesse entwickelt, um die Biomassemoleküle abzubauen, und viele dieser Umwandlungsprozesse können genutzt werden. In den meisten Fällen werden für den Umwandlungsprozess Mikroorganismen eingesetzt: anaerobe Vergärung, Fermentation und Kompostierung. Bei der Fermentation wird Biomasse in Bioethanol umgewandelt, und bei der anaeroben Vergärung wird Biomasse in erneuerbares Erdgas umgewandelt. Bioethanol wird als Fahrzeugkraftstoff verwendet. Erneuerbares Erdgas - auch Biogas oder Biomethan genannt - wird in anaeroben Faulbehältern in Kläranlagen und in Molkereien und Viehzuchtbetrieben erzeugt. Es entsteht auch in Deponien für feste Abfälle und kann dort aufgefangen werden. Richtig aufbereitetes erneuerbares Erdgas hat dieselben Verwendungsmöglichkeiten wie Erdgas aus fossilen Brennstoffen. ⓘ
IRENA argumentiert, dass der Erfolg eines groß angelegten internationalen Bioenergiehandels die Umwandlung von Biomasse erfordert, um Rohstoffe mit hoher Dichte zu niedrigen Kosten zu transportieren. ⓘ
Auswirkungen auf das Klima
Früher wurde die Verwendung von holzartiger Biomasse für Bioenergie im Allgemeinen als kohlenstoffneutral angesehen. Als Forscher jedoch begannen, die Auswirkungen von Landnutzungsänderungen und der Abholzung alter Wälder zu berechnen, änderte sich die Situation. Derzeit wird eine lebhafte Debatte über die tatsächliche Kohlenstoffintensität einer Reihe von Bioenergiepfaden, einschließlich der Forstwirtschaft, geführt. Die Kritiker sind vor allem über die kurz- oder mittelfristigen Auswirkungen auf das Klima besorgt. Kritiker sind sowohl unter Forschern als auch unter Umweltaktivisten zu finden. Gleichzeitig argumentieren Befürworter der Bioenergie in einflussreichen Forschungsorganisationen wie dem IPCC, der IEA und der Gemeinsamen Forschungsstelle der EU immer noch, dass Bioenergie klimafreundlich ist, wenn sie richtig eingesetzt wird (siehe unten). Im Folgenden werden die wichtigsten wissenschaftlichen Argumente in dieser Debatte vorgestellt. ⓘ
Grundsätze der Kohlenstoffbilanzierung
Unterschiedliche Methoden der Kohlenstoffbilanzierung haben einen erheblichen Einfluss auf die berechneten Ergebnisse und damit auf die wissenschaftlichen Argumente. Im Allgemeinen besteht der Zweck der Kohlenstoffbilanzierung darin, die Kohlenstoffintensität eines Energieszenarios zu bestimmen, d. h. ob es kohlenstoffpositiv, kohlenstoffneutral oder kohlenstoffnegativ ist. Bei kohlenstoffpositiven Szenarien ist davon auszugehen, dass sie netto CO2 emittieren, bei kohlenstoffnegativen Projekten, dass sie netto CO2 absorbieren, während bei kohlenstoffneutralen Projekten die Emissionen und die Absorption perfekt ausgeglichen sind. ⓘ
Als Folge sowohl natürlicher Ursachen als auch menschlicher Praktiken fließt der Kohlenstoff ständig zwischen den Kohlenstoffpools, beispielsweise dem atmosphärischen Kohlenstoffpool, dem Waldkohlenstoffpool, dem Kohlenstoffpool für geerntete Holzprodukte und dem Kohlenstoffpool für fossile Brennstoffe. Wenn der Kohlenstoffgehalt in anderen Pools als dem atmosphärischen Kohlenstoffpool zunimmt, sinkt der Kohlenstoffgehalt in der Atmosphäre, was zur Eindämmung der globalen Erwärmung beiträgt. Wenn der Forscher die Menge an Kohlenstoff zählt, die von einem Pool in einen anderen wandert, kann er Erkenntnisse gewinnen und Praktiken empfehlen, die die Menge an Kohlenstoff maximieren, die in anderen Kohlenstoffpools als dem atmosphärischen Kohlenstoffpool gespeichert ist. Drei Konzepte sind besonders wichtig, nämlich Kohlenstoffschuld, Kohlenstoffrückflusszeit und Kohlenstoffparitätszeit: Eine Kohlenstoffschuld entsteht, wenn Biomasse aus einem Anbaugebiet, zum Beispiel einem Wald, entfernt wird. Sie wird gezählt, wenn die Bäume gefällt werden, weil die UNFCCC (die UN-Organisation, der die Länder ihre Emissionen melden) beschlossen hat, dass die Emissionen bereits zu diesem Zeitpunkt gezählt werden sollten und nicht erst zum Zeitpunkt der Verbrennung. ⓘ
Die Kohlenstoffrückzahlungszeit ist die Zeit, die vergeht, bis dieser Kohlenstoff an den Wald "zurückgezahlt" wird, indem der Wald eine entsprechende Menge Kohlenstoff aus der Atmosphäre wieder aufnimmt. ⓘ
Die Kohlenstoffparitätszeit ist die Zeit, die ein Energieszenario benötigt, um Kohlenstoffparität mit einem anderen Szenario zu erreichen (d. h. die gleiche Menge an Kohlenstoff zu speichern wie ein anderes Szenario). Eines dieser Szenarien kann beispielsweise ein Bioenergieszenario sein, bei dem der Kohlenstoff in dem Teil des Waldes, der nicht geerntet wurde, als gespeichert und der Kohlenstoff für die Menge des geernteten Waldes als verloren gezählt wird (vgl. die oben genannte UNFCCC-Regel). Die Menge an Kohlenstoff, die in den aus diesem Holzeinschlag hergestellten Baumaterialien und Biokraftstoffen enthalten ist, kann jedoch für die Zeit, die vergeht, bis dieser Kohlenstoff auf natürliche Weise zerfällt oder zur Energiegewinnung verbrannt wird, in den Kohlenstoffpool des Bioenergieszenarios "zurückgerechnet" werden. Das alternative Szenario kann beispielsweise ein Waldschutzszenario sein, bei dem der im gesamten Wald gespeicherte Kohlenstoff angerechnet wird - ein Wald, der größer ist als im Bioenergieszenario, weil überhaupt keine Bäume geerntet wurden, und der außerdem weiter wächst (während man darauf wartet, dass der im Bioenergieszenario gespeicherte Kohlenstoff sein eigenes Kohlenstoffniveau wieder erreicht). Der implizite "Lock-in" des Kohlenstoffs im Wald bedeutet jedoch auch, dass dieser Kohlenstoff nicht mehr für die Produktion von holzigen Baumaterialien und Biokraftstoffen zur Verfügung steht, was bedeutet, dass diese durch andere Quellen ersetzt werden müssen. In den meisten Fällen sind die realistischsten Quellen fossile Quellen, was bedeutet, dass das Waldschutzszenario hier dadurch "bestraft" wird, dass die Emissionen fossiler Brennstoffe, für die es verantwortlich ist, von seinem Kohlenstoffpool abgezogen werden. (Es ist zu beachten, dass dieser fossile Kohlenstoff technisch gesehen oft dem Bioenergie-Kohlenstoffpool zugerechnet wird (anstatt von dem Kohlenstoffpool ohne Bioenergie abgezogen zu werden) und als "verdrängter" oder "vermiedener" fossiler Kohlenstoff bezeichnet wird). ⓘ
Eine Nettokohlenstoffschuld für das Bioenergieszenario wird berechnet, wenn die Nettokohlenstoffmenge, die im Kohlenstoffpool des Waldschutzszenarios gespeichert ist, größer ist als die Nettokohlenstoffmenge, die in den Kohlenstoffpools des Bioenergieszenarios gespeichert ist. Eine Netto-Kohlenstoffgutschrift für das Bioenergieszenario wird berechnet, wenn die im Kohlenstoffpool des Waldschutzszenarios gespeicherte Nettomenge an Kohlenstoff kleiner ist als die in den Kohlenstoffpools des Bioenergieszenarios gespeicherte Nettomenge an Kohlenstoff. Die Kohlenstoffparitätszeit ist dann die Zeit, die das Bioenergieszenario benötigt, um von Schulden zu Krediten zu wechseln. ⓘ
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Projekt oder Szenario ausschließlich nach seinen eigenen Vorzügen bewertet werden kann, insbesondere nach der Zeit, die für die Rückzahlung des entfernten Kohlenstoffs benötigt wird (Kohlenstoffrückflusszeit). Es ist jedoch üblich, alternative Szenarien (auch "Referenzszenarien" oder "kontrafaktische Szenarien" genannt) zum Vergleich heranzuziehen. Wenn es mehr als ein Szenario gibt, können die Kohlenstoffparitätszeiten zwischen diesen Szenarien berechnet werden. Die alternativen Szenarien reichen von Szenarien mit nur geringfügigen Änderungen im Vergleich zum bestehenden Projekt bis hin zu radikal anderen Szenarien (z. B. Waldschutzszenarien oder kontrafaktische Szenarien "ohne Bioenergie"). Mit anderen Worten: Die angegebenen Emissionseinsparungen sind relative Einsparungen; Einsparungen im Vergleich zu einem alternativen Szenario, das der Forscher vorschlägt. Dadurch erhält der Forscher einen großen Einfluss auf die berechneten Ergebnisse. ⓘ
Systemgrenzen der Kohlenstoffbilanzierung
Neben der Wahl des alternativen Szenarios müssen auch andere Entscheidungen getroffen werden. Die so genannten "Systemgrenzen" bestimmen, welche Kohlenstoffemissionen/-absorptionen in die eigentliche Berechnung einbezogen und welche ausgeschlossen werden. Zu den Systemgrenzen gehören zeitliche, räumliche, effizienzbezogene und wirtschaftliche Grenzen: ⓘ
Zeitliche Systemgrenzen
Die zeitlichen Grenzen legen fest, wann die Kohlenstoffzählung beginnt und wann sie endet. Manchmal werden "frühe" Ereignisse in die Berechnung einbezogen, zum Beispiel die Kohlenstoffaufnahme im Wald vor der ersten Ernte. Manchmal werden auch "späte" Ereignisse einbezogen, z. B. Emissionen, die durch das Ende der Nutzungsdauer der betreffenden Infrastruktur verursacht werden, z. B. durch den Abriss von Fabriken. Da sich die Emission und Absorption von Kohlenstoff im Zusammenhang mit einem Projekt oder Szenario im Laufe der Zeit ändert, kann die Netto-Kohlenstoffemission entweder als zeitabhängiger Wert (z. B. eine Kurve, die sich entlang einer Zeitachse bewegt) oder als statischer Wert dargestellt werden; dies zeigt die durchschnittlichen Emissionen, die über einen bestimmten Zeitraum berechnet wurden. ⓘ
Die zeitabhängige Nettoemissionskurve zeigt in der Regel hohe Emissionen zu Beginn (wenn die Zählung mit der Ernte der Biomasse beginnt). Alternativ kann der Startpunkt auf den Zeitpunkt der Anpflanzung zurückverlegt werden; in diesem Fall kann die Kurve potenziell unter Null sinken (in den kohlenstoffnegativen Bereich), wenn keine Kohlenstoffschuld aus der Landnutzungsänderung zurückgezahlt werden muss und außerdem immer mehr Kohlenstoff von den gepflanzten Bäumen absorbiert wird. Die Emissionskurve steigt dann bei der Ernte steil nach oben. Der geerntete Kohlenstoff wird dann in andere Kohlenstoffpools verteilt, und die Kurve bewegt sich im Gleichschritt mit der Menge an Kohlenstoff, die in diese neuen Pools verschoben wird (Y-Achse), und der Zeit, die der Kohlenstoff braucht, um aus den Pools zu verschwinden und über die Atmosphäre in den Wald zurückzukehren (X-Achse). Wie oben beschrieben, ist die Kohlenstoffrückflusszeit die Zeit, die der geerntete Kohlenstoff benötigt, um in den Wald zurückzukehren, und die Kohlenstoffparitätszeit ist die Zeit, die der in zwei konkurrierenden Szenarien gespeicherte Kohlenstoff benötigt, um das gleiche Niveau zu erreichen. ⓘ
Der statische Kohlenstoffemissionswert wird durch Berechnung der durchschnittlichen jährlichen Nettoemission für einen bestimmten Zeitraum ermittelt. Bei dem spezifischen Zeitraum kann es sich um die erwartete Lebensdauer der betreffenden Infrastruktur handeln (typisch für Lebenszyklusanalysen), um politisch relevante Zeithorizonte, die sich am Pariser Abkommen orientieren (z. B. die verbleibende Zeit bis 2030, 2050 oder 2100), um Zeitspannen, die auf unterschiedlichen Treibhauspotenzialen (GWP; typischerweise 20 oder 100 Jahre) basieren, oder um andere Zeitspannen. In der EU wird bei der Quantifizierung der Netto-Kohlenstoffauswirkungen einer Landnutzungsänderung eine Zeitspanne von 20 Jahren verwendet. Im Allgemeinen wird in der Gesetzgebung der statische Zahlenansatz gegenüber dem dynamischen, zeitabhängigen Kurvenansatz bevorzugt. Die Zahl wird als so genannter "Emissionsfaktor" (Nettoemission pro erzeugter Energieeinheit, z. B. kg CO2e pro GJ) oder noch einfacher als durchschnittlicher Prozentsatz der Treibhausgaseinsparungen für bestimmte Bioenergiepfade angegeben. Die von der EU veröffentlichten prozentualen Treibhausgaseinsparungen für bestimmte Bioenergiepfade, die in der Erneuerbare-Energien-Richtlinie (RED) und anderen Rechtsdokumenten verwendet werden, basieren auf Lebenszyklusanalysen (LCAs). ⓘ
Räumliche Systemgrenzen
Die räumlichen Grenzen definieren die "geografischen" Grenzen für die Berechnungen der Kohlenstoffemissionen/-absorption. Die beiden gebräuchlichsten räumlichen Grenzen für die CO2-Absorption und -Emission in Wäldern sind 1.) entlang der Ränder eines bestimmten Waldbestands und 2.) entlang der Ränder einer ganzen Waldlandschaft, die viele Waldbestände mit zunehmendem Alter umfasst (die Waldbestände werden nacheinander geerntet und wieder aufgeforstet, und zwar über so viele Jahre hinweg, wie es Bestände gibt). Eine dritte Möglichkeit ist die so genannte Kohlenstoffbilanzierung auf Bestandsebene: - Bei der Kohlenstoffbilanzierung auf Bestandsebene kann der Forscher ein großes Emissionsereignis zählen, wenn der Bestand geerntet wird, gefolgt von kleineren, jährlichen Absorptionsmengen während der Akkumulationsphase, die andauert, bis der Bestand ein hohes Alter erreicht hat und erneut geerntet wird. ⓘ
- Ebenso zählt der Forscher bei der Bilanzierung des zunehmenden Bestandsniveaus ein großes Emissionsereignis, wenn der Bestand geerntet wird, gefolgt von der Absorption kleinerer Kohlenstoffmengen pro Jahr während der Akkumulationsphase. Ein Jahr nach der ersten Ernte wird jedoch ein neuer Bestand geerntet. Der Forscher zählt nicht den Kohlenstoff, der in diesem zweiten Bestand absorbiert wurde, nachdem der erste, benachbarte Bestand geerntet wurde, sondern nur die große Emission bei der Ernte des zweiten Bestands. Im nächsten Jahr wird dasselbe Verfahren für den dritten Bestand wiederholt; der Kohlenstoff, der von diesem Bestand nach der Ernte des ersten und zweiten Bestandes absorbiert wurde, wird nicht gezählt, während eine große Emissionsmenge gezählt wird, wenn der dritte Bestand geerntet wird. Mit anderen Worten, bei der Bilanzierung auf Bestandsebene setzt sich das gesamte Kohlenstoffkonto aus einer Reihe von Einzelkonten auf Bestandsebene zusammen, von denen jedes seinen eigenen, individuellen Ausgangspunkt hat. ⓘ
- Bei der Bilanzierung auf Landschaftsebene zählt der Forscher ein großes Emissionsereignis, wenn der erste Bestand geerntet wird, gefolgt von der Absorption kleinerer Kohlenstoffmengen jedes Jahr während des Akkumulationszeitraums für diesen bestimmten Bestand. Wie bei der Bilanzierung auf der Ebene des zunehmenden Bestandes wird im zweiten und dritten Jahr ein neuer Bestand geerntet usw., und diese Emissionsereignisse werden alle gezählt. Anders als bei der Bilanzierung auf zunehmender Bestandsebene zählt der Forscher jedoch auch den Kohlenstoff, der von allen Beständen nach der Ernte des ersten Bestands in der Waldlandschaft absorbiert wird. Mit anderen Worten: Anstatt die Kohlenstoffemissionen von vielen verschiedenen Ausgangspunkten aus zu berechnen, wird bei der Bilanzierung von Waldlandschaften nur ein einziger, gemeinsamer Ausgangspunkt für die gesamte Waldlandschaft verwendet, nämlich das Jahr, in dem der erste Bestand geerntet wurde. ⓘ
Der Forscher muss also entscheiden, ob er sich auf den einzelnen Bestand, eine wachsende Zahl von Beständen oder die gesamte Waldlandschaft konzentrieren will. ⓘ
Laut Lamers et al. ist die Wahl der räumlichen Begrenzung auf Bestandsebene typisch für die frühe Kohlenstoffmodellierung und führt zu Kohlenstoffkreisläufen, die einem Sägezahn ähneln (dramatischer Anstieg der Emissionen bei der Ernte, gefolgt von einem langsamen Rückgang, wenn der Waldbestand Kohlenstoff absorbiert). Der Hauptvorteil der Analyse auf Bestandsebene ist ihre Einfachheit, und dies ist der Hauptgrund dafür, dass sie auch heute noch Teil der Kohlenstoffanalysen ist. Während jedoch die Untersuchung einzelner Bestände leicht nachvollziehbare Ergebnisse liefert (z. B. zu den Kohlenstoffauswirkungen verschiedener Ernteentscheidungen), bestehen reale Holz-/Holzbiomasse-Versorgungsgebiete aus mehreren Beständen unterschiedlicher Reifegrade, z. B. 80. Über einen Zeitraum von 80 Jahren werden dann alle Bestände nacheinander geerntet und neu bepflanzt. Um den Kohlenstofffluss über so große Flächen genau zu berechnen, muss die räumliche Grenze der Berechnung von der Bestandsebene auf die Landschaftsebene erweitert werden, da die Wald-"Landschaft" alle einzelnen Waldbestände enthält. Cowie et al. argumentieren, dass die Bilanzierung auf Landschaftsebene repräsentativer für die Art und Weise ist, wie die Forstwirtschaft eine kontinuierliche Versorgung mit Holzprodukten sicherstellt. Der IPCC empfiehlt ebenfalls eine Kohlenstoffbilanzierung auf Landschaftsebene (siehe unten "Kurzfristige Dringlichkeit"). ⓘ
Außerdem muss der Forscher entscheiden, ob die Emissionen aus direkten/indirekten Landnutzungsänderungen in die Berechnung einbezogen werden sollen. Die meisten Forscher beziehen die Emissionen aus direkten Landnutzungsänderungen mit ein, z. B. die Emissionen, die durch die Abholzung eines Waldes verursacht werden, um dort ein landwirtschaftliches Projekt zu starten. Die Einbeziehung von indirekten Landnutzungsänderungen ist umstrittener, da sie schwer genau zu quantifizieren sind. Andere Entscheidungen betreffen die Definition der wahrscheinlichen räumlichen Grenzen der Wälder in der Zukunft. Ist z. B. eine verstärkte Holzernte und vielleicht sogar eine Ausweitung der Wälder realistischer als der Schutz der Wälder in einer Situation mit hoher Nachfrage nach Forstprodukten? Oder sind kleinere Wälder in einer Situation mit geringer Nachfrage nach Forsterzeugnissen und hohem Bedarf an neuen Flächen oder neuen Gebieten für Wohn- und Stadtentwicklung realistischer als Waldschutz? Lamers & Junginger argumentieren, dass aus der Perspektive des Naturschutzes und der Bewertung der Kohlenstoffstrategie der Waldschutz eine gültige Option ist. Allerdings ist der Schutz von Forstplantagen unwahrscheinlich - bei fehlender Nachfrage nach Forstprodukten (z. B. Holz, Zellstoff oder Pellets) "[...] können Optionen wie die Umwandlung in Landwirtschaft oder Stadtentwicklung realistischere Alternativen sein [...]." Cowie et al. argumentieren, dass Wälder in Privatbesitz häufig zur Schaffung von Einkommen genutzt werden und daher im Allgemeinen empfindlich auf Marktentwicklungen reagieren. Der Schutz der Wälder ist ein unrealistisches Szenario für die meisten Wälder in Privatbesitz, es sei denn, die Waldbesitzer können für ihre Einkommensverluste entschädigt werden. Nach Angaben der Gemeinsamen Forschungsstelle der EU sind 60 % der europäischen Wälder in Privatbesitz. In den USA befinden sich im Osten über 80 % in Privatbesitz und im Westen über 80 % in öffentlichem Besitz. ⓘ
Effizienzbezogene Systemgrenzen
Die effizienzbezogenen Grenzen definieren eine Reihe von Brennstoffsubstitutionswirkungsgraden für verschiedene Biomasse-Verbrennungspfade. Verschiedene Versorgungsketten emittieren unterschiedliche Mengen an Kohlenstoff pro gelieferter Energieeinheit, und verschiedene Verbrennungsanlagen wandeln die in verschiedenen Brennstoffen gespeicherte chemische Energie mit unterschiedlichen Wirkungsgraden in Wärme oder elektrische Energie um. Der Forscher muss dies wissen und einen realistischen Wirkungsgradbereich für die verschiedenen in Betracht kommenden Biomasse-Verbrennungspfade wählen. Die gewählten Wirkungsgrade werden verwendet, um so genannte "Verdrängungsfaktoren" zu berechnen - einzelne Zahlen, die angeben, wie effizient fossiler Kohlenstoff durch biogenen Kohlenstoff ersetzt wird. Wenn beispielsweise 10 Tonnen Kohlenstoff mit einem Wirkungsgrad verbrannt werden, der halb so hoch ist wie der eines modernen Kohlekraftwerks, werden nur 5 Tonnen Kohle tatsächlich als verdrängt gezählt (Verdrängungsfaktor 0,5). Schlamadinger & Marland beschreiben, wie ein solch niedriger Wirkungsgrad zu hohen Paritätszeiten führt, wenn Bioenergie- und kohlebasierte Waldschutzszenarien verglichen werden, und andererseits, wie ein mit dem Kohleszenario identischer Wirkungsgrad zu niedrigen Paritätszeiten führt. Im Allgemeinen werden Brennstoffen, die in ineffizienten (alten oder kleinen) Verbrennungsanlagen verbrannt werden, niedrigere Verdrängungsfaktoren zugewiesen als Brennstoffen, die in effizienten (neuen oder großen) Anlagen verbrannt werden, da mehr Brennstoff verbrannt (und somit mehr CO2 freigesetzt) werden muss, um die gleiche Energiemenge zu erzeugen. ⓘ
Da die Herstellung von Holzbaustoffen einen geringeren Einsatz fossiler Brennstoffe erfordert als die Herstellung fossiler Baustoffe (z. B. Zement oder Stahl), werden den Holzbaustoffen Verdrängungsfaktoren zugewiesen, wenn die Substitution von zement- und stahlbasierten Baustoffen realistisch ist, d. h. wenn sie den gleichen Nutzen im Bauwesen haben. Je mehr Emissionen aus fossilen Brennstoffen durch die Verwendung von nutzungsäquivalenten Holzbauprodukten vermieden werden, desto höher sind die zugewiesenen Verdrängungsfaktoren. Darüber hinaus kann der Kohlenstoff, der in Holzprodukten während ihrer Lebensdauer gespeichert wird, und der fossile Kohlenstoff, der bei der Verbrennung der Holzprodukte zur Energiegewinnung am Ende ihrer Lebensdauer verdrängt wird, in die Berechnung der Verdrängungsfaktoren einbezogen werden. Bislang ist dies jedoch noch nicht üblich. (52% der geernteten Waldbiomasse in der EU wird für Materialien verwendet). ⓘ
Sathre & O'Connor untersuchten 21 Einzelstudien und fanden für Holzbauprodukte Verdrängungsfaktoren zwischen -2,3 und 15, wobei der Durchschnitt bei 2,1 lag, was bedeutet, dass für jede Tonne erzeugten biogenen Kohlenstoffs im Durchschnitt 2,1 Tonnen fossilen Kohlenstoffs verdrängt werden. Bei Biokraftstoffen auf Holzbasis schwankten die Verdrängungsfaktoren zwischen etwa 0,5 und 1, "[...] was weitgehend von der Art der ersetzten fossilen Brennstoffe und den relativen Verbrennungswirkungsgraden abhing". Die Autoren schreiben, dass bei der energetischen Verbrennung von Bauholzprodukten am Ende ihrer Nutzungsdauer der Verdrängungseffekt manchmal in die Berechnung einfließt, "[...] da die THG-Vorteile sowohl des Materialersatzes als auch des Brennstoffersatzes anfallen". In einer anderen Metastudie über Holzbauprodukte, in der dieser zusätzliche Substitutionseffekt durch Verbrennung am Ende der Nutzungsdauer ausgeschlossen wurde, fanden die Autoren etwas niedrigere Verlagerungsfaktoren. Die verbrennungsspezifischen Verdrängungsfaktoren waren ähnlich, allerdings mit einer größeren Bandbreite (siehe Diagramme rechts). ⓘ
Der Verdrängungsfaktor variiert mit der Kohlenstoffintensität sowohl des Biomassebrennstoffs als auch des verdrängten fossilen Brennstoffs. Wenn Bioenergie negative Emissionen erreichen kann (z. B. durch Aufforstung, Energiegrasplantagen und/oder Bioenergie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (BECCS)) oder wenn fossile Energieträger mit höheren Emissionen in der Versorgungskette in Betrieb genommen werden (z. B. durch Fracking oder den verstärkten Einsatz von Schiefergas), wird der Verdrängungsfaktor steigen. Andererseits wird der Verdrängungsfaktor sinken, wenn neue Grundlast-Energiequellen mit geringeren Emissionen als fossile Brennstoffe in Betrieb genommen werden. Ob eine Änderung des Verdrängungsfaktors in die Berechnung einfließt oder nicht, hängt davon ab, ob sie innerhalb des Zeitraums erwartet wird, der von den zeitlichen Systemgrenzen des jeweiligen Szenarios abgedeckt wird. ⓘ
Ökonomische Systemgrenzen
Die ökonomischen Systemgrenzen legen fest, welche Markteffekte gegebenenfalls in die Berechnung einbezogen werden sollen. Veränderte Marktbedingungen können zu kleinen oder großen Veränderungen bei den Kohlenstoffemissionen und -absorptionen aus Lieferketten und Wäldern führen, z. B. Veränderungen der Waldfläche als Reaktion auf eine veränderte Nachfrage. Miner et al. beschreiben, wie Forscher damit begonnen haben, die forstliche Bioenergie in einem breiteren, integrierten Rahmen zu untersuchen, der auch die Auswirkungen auf den Markt berücksichtigt. Auf der Grundlage von empirischen Daten und Modellierungen haben diese Studien ergeben, dass eine erhöhte Nachfrage häufig zu Investitionen in die Forstwirtschaft führt, die die Waldfläche vergrößern und Anreize für Verbesserungen in der Waldbewirtschaftung schaffen. Je nach den Umständen kann diese Dynamik den Kohlenstoffbestand der Wälder erhöhen. Wenn die Wachstumsraten relativ hoch sind und die Investitionen stark reagieren, können die Netto-THG-Vorteile einer verstärkten Nutzung von Bäumen zur Energiegewinnung innerhalb von ein oder zwei Jahrzehnten realisiert werden, je nachdem, welche fossilen Brennstoffe ersetzt werden und wann die Investitionen reagieren. Wenn das Wachstum der Bäume langsam ist und die Investitionsreaktion ausbleibt, kann es viele Jahrzehnte dauern, bis die Nettovorteile aus der Nutzung von Rundholz zur Energiegewinnung sichtbar werden. Die Investitionsreaktion hat sich als besonders wichtig in Gebieten wie dem Süden der USA erwiesen, wo sich die wirtschaftliche Rendite von Land nachweislich direkt auf Gewinne und Verluste bei der Waldfläche auswirkt. Abt et al. argumentieren, dass der Süden der USA der größte Holzproduzent der Welt ist und dass der Wald in Privatbesitz ist und daher vom Markt bestimmt wird. Außerdem argumentiert die Gemeinsame Forschungsstelle der EU, dass makroökonomische Ereignisse/politische Veränderungen Auswirkungen auf den Kohlenstoffbestand der Wälder haben können. Wie bei den indirekten Landnutzungsänderungen sind jedoch auch wirtschaftliche Veränderungen schwer zu quantifizieren, so dass einige Forscher es vorziehen, sie bei der Berechnung nicht zu berücksichtigen. ⓘ
Auswirkungen an den Systemgrenzen
Die gewählten Systemgrenzen sind für die Berechnungsergebnisse sehr wichtig. Kürzere Amortisations-/Paritätszeiten werden berechnet, wenn die fossile Kohlenstoffintensität, die Waldwachstumsrate und die Effizienz der Biomasseumwandlung zunehmen oder wenn der anfängliche Waldkohlenstoffbestand und/oder das Ernteniveau abnimmt. Kürzere Amortisations-/Paritätszeiten werden auch berechnet, wenn der Forscher die Kohlenstoffbilanzierung auf Landschaftsebene der auf Bestandsebene vorzieht (wenn die Kohlenstoffbilanzierung bei der Ernte und nicht bei der Pflanzung beginnt). Umgekehrt werden längere Amortisations-/Paritätszeiten berechnet, wenn die Kohlenstoffintensität, die Wachstumsrate und die Umwandlungseffizienz abnehmen oder wenn der anfängliche Kohlenstoffbestand und/oder das Ernteniveau zunimmt oder wenn der Forscher die Kohlenstoffbilanzierung auf Bestandsebene der auf Landschaftsebene vorzieht. ⓘ
Kritiker argumentieren, dass unrealistische Systemgrenzen gewählt werden oder dass enge Systemgrenzen zu irreführenden Schlussfolgerungen führen. Andere argumentieren, dass die große Bandbreite der Ergebnisse zeigt, dass es zu viel Spielraum gibt und dass die Berechnungen daher für die Entwicklung politischer Maßnahmen unbrauchbar sind. Das Join Research Center der EU stimmt zu, dass unterschiedliche Methoden zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, argumentiert aber auch, dass dies zu erwarten ist, da verschiedene Forscher bewusst oder unbewusst unterschiedliche alternative Szenarien/Methoden wählen, die sich aus ihren ethischen Idealen in Bezug auf die optimale Beziehung des Menschen zur Natur ergeben. Der ethische Kern der Nachhaltigkeitsdebatte sollte von den Forschern explizit gemacht werden, anstatt ihn zu verstecken. ⓘ
Klimaauswirkungen, die sich mit der Zeit verändern
Nach Angaben der Gemeinsamen Forschungsstelle der EU hat die Verwendung von borealem Stammholz, das ausschließlich für Bioenergie geerntet wird, nur langfristig eine positive Auswirkung auf das Klima, während die Verwendung von Holzresten auch kurz- bis mittelfristig eine positive Auswirkung auf das Klima hat. Das Diagramm auf der rechten Seite gibt einen Überblick über die erwarteten Emissionsminderungen durch verschiedene forstliche Bioenergiepfade, einschließlich Stammholz, Restholz und Neuanpflanzungen, im Vergleich zur Energieerzeugung aus Kohle und Erdgas in den alternativen Szenarien. Stämme aus Kurzumtriebsplantagen oder Kurzumtriebswäldern haben kurz- bis mittelfristig ebenfalls positive Klimaeffekte (siehe unten). ⓘ
Kurze Kohlenstoffrückzahlungs-/paritätszeiten für Waldrestholz
Kurze Kohlenstoffrückzahlungs- bzw. -paritätszeiten ergeben sich, wenn das realistischste No-Bioenergy-Szenario ein traditionelles Forstwirtschaftsszenario ist, bei dem "gutes" Stammholz für die Holzproduktion geerntet wird und die Rückstände verbrannt oder im Wald oder auf Deponien zurückgelassen werden. Die Sammlung solcher Rückstände liefert Material, das "[...] seinen Kohlenstoff (durch Verrottung oder Verbrennung) ohnehin wieder an die Atmosphäre abgegeben hätte (über Zeitspannen, die durch die Verrottungsrate des Bioms definiert sind) [...]." Mit anderen Worten, die Amortisations- und Paritätszeiten hängen von der Zerfallsgeschwindigkeit ab. Die Zerfallsgeschwindigkeit hängt ab von a.) dem Ort (denn die Zerfallsgeschwindigkeit ist "[...] ungefähr proportional zu Temperatur und Niederschlag [...]") und b.) der Dicke der Rückstände. In warmen und feuchten Gebieten verrotten Rückstände schneller, und dünne Rückstände verrotten schneller als dicke Rückstände. Dünne Rückstände in warmen und feuchten Wäldern der gemäßigten Zonen verrotten daher am schnellsten, während dicke Rückstände in kalten und trockenen borealen Wäldern am langsamsten verrotten. Wenn die Rückstände stattdessen im Szenario ohne Bioenergie verbrannt werden, z. B. außerhalb der Fabriken oder am Straßenrand in den Wäldern, entstehen die Emissionen sofort. In diesem Fall gehen die Paritätszeiten gegen Null. ⓘ
Madsen & Bentsen untersuchten die Emissionen sowohl von Waldrestholz als auch von Kohle, die in derselben nordeuropäischen KWK-Anlage (Kraft-Wärme-Kopplung) verbrannt wurden, und stellten fest, dass die Zeit der Kohlenstoffparität ein Jahr betrug. Die niedrige Paritätszeit ist vor allem auf die Verwendung von Reststoffen, die allgemein hohen Umwandlungswirkungsgrade von KWK-Anlagen im Vergleich zu normalen Kraftwerken (in diesem Fall 85,9 %) und die längere Transportstrecke für Kohle zurückzuführen. Die Autoren stellen fest, dass die meisten Studien über Bioenergieemissionen eher hypothetische als reale Daten aus der Praxis verwenden und dass in der EU in KWK-Anlagen 16 Mal mehr Biomasse verbrannt wird als in reinen Elektrizitätswerken. Mit anderen Worten, es sind wärmebezogene Amortisations-/Paritätszeiten wie diese, die für die aktuelle Situation am relevantesten sind. Andere Forscher fanden ähnliche Paritätszeiten, darunter Cintas et al. (0 Jahre, Schweden), Zetterberg & Chen (0 Jahre, Schweden), Repo et al. (0 Jahre, Finnland) und Zanchi et al. (0 Jahre, Österreich). Im Allgemeinen hängen solche niedrigen Paritätszeiten von einem alternativen Szenario der Kohlenutzung ab, bei dem der Wald überhaupt nicht für Bioenergie, sondern weiterhin für die Holzproduktion genutzt wird. Wenn die Holzproduktion gleich bleibt, aber die Kohle im Alternativszenario durch Erdgas ersetzt wird, fanden die meisten Forscher Paritätszeiten von etwa 5-20 Jahren, je nach Rückstandsdicke und Standort. IRENA empfiehlt KWK-Anlagen gegenüber Solarthermie, Wärmepumpen oder Geothermie, weil KWK Prozesswärme billiger und mit den erforderlichen Temperaturen erzeugen kann. ⓘ
Holmgren untersuchte die Klimaauswirkungen tatsächlicher forstwirtschaftlicher Praktiken in einem ganzen Land über einen Zeitraum von 40 Jahren (Schweden 1980-2019) und stellte fest, dass auf der Ebene der nationalen Landschaft zu keinem Zeitpunkt in diesem Zeitraum eine Kohlenstoffschuld entstand. Die tatsächliche forstwirtschaftliche Praxis wurde mit zwei alternativen Waldschutzszenarien verglichen. Die gezählten Emissionen, die durch die anfängliche Ernte im aktuellen Forstwirtschaftsszenario verursacht wurden, führten nicht zu einer Kohlenstoffschuld, weil 1.) die anfänglichen erntebedingten Kohlenstoffemissionen durch die Kohlenstoffabsorption, die durch das Wachstum an anderer Stelle im Wald verursacht wurde, aufgewogen wurden (ein Trend, der sich voraussichtlich in der Zukunft fortsetzen wird) und 2.) weil eine nationale Waldschutzpolitik große anfängliche Emissionen aus der nationalen Infrastruktur für holzbasierte Produkte und Energie verursachen würde, wenn diese auf die Arbeit mit fossilen Brennstoffen umgestellt wird. Die Umstellung wird als "[...] einmalige Umstellung beschrieben, die größere und erforderliche Änderungen der Energiesysteme, der Infrastruktur, der industriellen Verarbeitung, des Bausektors, der Herstellung von Konsumgütern und anderer wirtschaftlicher Aktivitäten in Richtung einer fossil basierten Produktion bedeutet, wenn ein Szenario ohne Holzernte umgesetzt würde." Wenn das anfängliche erntebedingte Emissionsereignis des Bioenergieszenarios durch 1.) Waldwachstum an anderer Stelle und 2.) Infrastrukturumwandlungsemissionen (im Waldschutzszenario) aufgewogen wird, fallen natürlich überhaupt keine Kohlenstoffschulden an, und die Amortisations- und Paritätszeiten reduzieren sich auf Null. Der Autor argumentiert, dass der Schutz der Wälder höchstwahrscheinlich dazu führen wird, dass fossiler Kohlenstoff anstelle von biogenem Kohlenstoff emittiert wird, und dass der praktische Effekt des Waldschutzes einfach ein Transfer von Kohlenstoff aus dem unterirdischen fossilen Kohlenstoffpool über die Verbrennung in den atmosphärischen Kohlenstoffpool und dann über die Photosynthese in den Waldkohlenstoffpool ist. Wenn der Kohlenstoff jedoch in Wäldern statt in unterirdischen fossilen Reservoirs gespeichert ist, ist er instabiler, d. h. er kann sich aufgrund natürlicher Störungen leichter in CO2 umwandeln. Ein konservativer Verdrängungsfaktor von 0,78 Tonnen verdrängten fossilen Kohlenstoffs pro Tonne produzierten biogenen Kohlenstoffs wird sowohl für geerntete Holzprodukte (HWP) als auch für Energie verwendet. Der Autor kritisiert Studien, die die Kohlenstoffbilanzierung auf die Kohlenstoffflüsse in den Wäldern selbst beschränken und fossile Verdrängungseffekte außer Acht lassen, und argumentiert, dass diese enge Systemgrenze im Wesentlichen als "[...] eine Rechtfertigung für fortgesetzte fossile Emissionen an anderer Stelle ohne Nettogewinn für das globale Klima" dient. In Schweden wird die für die Energieerzeugung verfügbare Biomasse hauptsächlich in Heizungsanlagen verwendet (7,85 Mio. t RÖE für Heizzwecke, 0,84 Mio. t RÖE für Strom). ⓘ
In den USA fanden Walker et al. heraus, dass bei der Verwendung von Waldrestholz in Neuengland als Ersatz für Kohle in einem regulären Elektrizitätswerk auf Versorgungsebene eine Paritätszeit von 10 Jahren oder weniger erreicht wird. Ebenso argumentieren Miner et al., dass in den östlichen Teilen der USA alle Arten von Waldrestholz für Bioenergie verwendet werden können, wobei die Klimavorteile innerhalb von 10 Jahren im Vergleich zu einem Alternativszenario auf Kohlebasis und innerhalb von 20 Jahren im Vergleich zu einem Alternativszenario auf Erdgasbasis liegen.
Hanssen et al. verglichen ein Bioenergieszenario, das eine fortgesetzte Pelletproduktion im Südosten der USA vorsah, mit drei alternativen Szenarien für einen fossilen Brennstoffmix, die alle als realistischer angesehen wurden als der Waldschutz: 1.) Verwendung der gesamten geernteten Biomasse zur Herstellung von Papier, Zellstoff oder Holzplatten, 2.) Beendigung der Durchforstungspraxis, d. h. Belassen der kleinen Bäume, so dass mehr von ihrem Wachstumspotenzial genutzt wird, und 3.) Belassen der Rückstände, so dass sie im Laufe der Zeit auf natürliche Weise verrotten und nicht sofort in Kraftwerken verbrannt werden. Für jedes Alternativszenario wurden drei verschiedene Nachfrageniveaus (niedrig, durchschnittlich, hoch) berücksichtigt. Die Paritätszeiten lagen bei allen Nachfrageszenarien zwischen 0 und 21 Jahren und bei den Szenarien mit durchschnittlicher Nachfrage zwischen 0 und 6 Jahren (siehe Grafik rechts). Die Autoren verwendeten eine Kohlenstoffbilanzierung auf Landschaftsebene, die Rotationszeit betrug 25 Jahre, und es wurden Markteffekte berücksichtigt.
Lamers & Junginger untersuchten eine Reihe von Studien über (sub)boreale Waldrückstände (in einigen Fällen auch Baumstümpfe) und kamen zu Kohlenstoffparitätszeiten zwischen 0 und 16 Jahren. Das Bioenergieszenario wurde mit einem alternativen Referenzszenario verglichen, bei dem die Rückstände entweder in den Wäldern belassen wurden, um natürlich zu verrotten, oder am Straßenrand verbrannt wurden. Die Paritätszeit betrug 0 Jahre im Vergleich zu einem Szenario, bei dem die Rückstände am Straßenrand verbrannt und stattdessen Strom in Kohlekraftwerken erzeugt wurde. Die Paritätszeiten stiegen jedoch auf 3-24 Jahre, wenn die Verbrennung an der Straße durch natürliche Verrottung und die Kohle durch Öl ersetzt wurde. Die Paritätszeiten erhöhten sich weiter auf 4-44 Jahre, wenn Öl durch Erdgas ersetzt wurde. Bei allen Bioenergieszenarien wurde die Kohlenstoffbilanzierung auf Landschaftsebene verwendet. ⓘ
Zanchi et al. stimmen darin überein, dass die Verwendung von leicht abbaubaren Waldrückständen für die Bioenergie von Anfang an Vorteile für das Klima mit sich bringt. Sie schreiben auch, dass "[...] neue Bioenergie-Pflanzungen auf Flächen mit niedrigem anfänglichem C [Kohlenstoff]-Vorrat, wie z.B. landwirtschaftliche Grenzertragsflächen, die deutlichsten Vorteile in Bezug auf die Emissionsreduzierung haben". Der Grund dafür ist, dass neu bepflanzte Flächen (die jetzt einen großen Bestand an Bäumen oder anderen Pflanzen haben) viel mehr Kohlenstoff aufnehmen als früher. Solche Flächen bauen ein Kohlenstoffguthaben anstelle einer Kohlenstoffschuld auf, wobei das Guthaben später (bei der Ernte) zum Erwerb "schuldenfreier" Biomasse verwendet wird. Im Allgemeinen wird eine solche "frühe" Kohlenstoffbilanzierung, die bei der Pflanzung und nicht bei der Ernte ansetzt (siehe oben "Zeitliche Systemgrenzen"), für neue Bioenergie-Plantagen auf sehr vegetationsarmen Flächen als unumstritten angesehen. Auf der anderen Seite wird für Flächen, auf denen bereits eine große Menge an Vegetation vorhanden ist, häufig eine "späte" Kohlenstoffbilanzierung bevorzugt. In diesem Fall beginnt die Kohlenstoffbilanzierung mit der Ernte, ohne dass vorher ein Kohlenstoffguthaben aufgebaut wird. Bei dieser Art der Kohlenstoffbilanzierung zeigen die berechneten Ergebnisse, dass es kurz- bis mittelfristig zu negativen Auswirkungen kommt, wenn Bäume ausschließlich für Bioenergie gefällt werden (so genannte "zusätzliche Fällungen"). Die Situation verschlimmert sich, wenn die Rückstände auf dem Waldboden verrotten gelassen werden. Negative Auswirkungen sind auch zu befürchten, wenn Flächen mit großen Mengen an Biomasse, wie z. B. Wälder, gerodet werden, um Platz für wenig produktive Forstplantagen zu schaffen. ⓘ
Die Bewertung solcher "zusätzlichen Abholzungen" von "neuen" Bioenergie-Plantagen nach Abschluss der ersten Umdrehung hängt von der gewählten Kohlenstoffbilanzierungsmethode ab. Wenn die "frühe" Kohlenstoffbilanzierung fortgesetzt wird, wird auch nach der ersten Umdrehung, d. h. ab dem Zeitpunkt, zu dem die Bäume neu gepflanzt wurden, eine Kohlenstoffgutschrift aufgebaut. Wenn die Forscher zu diesem Zeitpunkt zu einer "späten" Kohlenstoffbilanzierung übergehen, wird keine Kohlenstoffgutschrift berechnet, und am Ende der zweiten Umdrehung (bei der Ernte) entsteht stattdessen eine große Kohlenstoffschuld, wodurch sich die Amortisations- und Paritätszeiten drastisch verlängern. ⓘ
Lange Kohlenstoffrückzahlungs-/Paritätszeiten für Waldrestholz
Die Gemeinsame Forschungsstelle der EU legt zeitabhängige Emissionsschätzungen für die Stromerzeugung in großem Maßstab aus Holzpellets, Getreidestroh und Biogas aus Gülle vor, verglichen mit einem Szenario ohne Bioenergie, bei dem die Emissionen dem derzeitigen Strommix der EU entsprechen. Die Umwandlungswirkungsgrade liegen bei 34 %, 29 % und 36 % für Holzpellets, Stroh und Biogas. Wenn sie nicht für die Stromerzeugung genutzt würden, würden die Waldreste auf dem Waldboden verrotten, die Strohreste würden ebenfalls auf den Feldern verbleiben, und der Rohdünger würde als organischer Dünger verwendet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass, wenn diese Biomassearten stattdessen zur Elektrizitätserzeugung verwendet würden, nach etwa 50, 10 bzw. 5 Jahren der Nutzung ein Effekt zur Abschwächung der globalen Erwärmung eintreten würde, und zwar für Holz, Stroh und Biogas. Der Hauptgrund für die lange Paritätszeit für Holzpellets ist der Vergleich mit Strom aus dem EU-Strommix (der Strom aus Sonnen- und Windenergie sowie aus fossilen Brennstoffen mit geringeren Emissionen als Kohle enthält). Außerdem umfasst die Kategorie der Waldreststoffe auch Baumstümpfe. ⓘ
Die Gemeinsame Forschungsstelle der EU stellte außerdem fest, dass in Finnland die Paritätszeiten für alle Arten von Reststoffen, einschließlich Baumstümpfen, 0 Jahre betragen, wenn man sie mit einem Alternativszenario auf Kohlebasis vergleicht. Bei einem Vergleich mit einem erdgasbasierten Alternativszenario erreichen Stümpfe jedoch je nach Breitengrad Paritätszeiten von 30-50 Jahren (siehe Grafik rechts): "Der Ersatz von Kohle führt zu einer fast sofortigen CRF-Reduktion [kumulativer Strahlungsantrieb] [Temperatursenkung], aber der Ersatz von Erdöl und Erdgas führt zwar zu einer langfristigen CRF-Reduktion, aber zu einem Anstieg der CRF während der ersten 10-25 Jahre." ⓘ
Die GFS stellte auch fest, dass die Paritätszeiten für Ernterückstände (einschließlich Äste, Durchforstungen und Stümpfe) im Vergleich zu einigen anderen Alternativszenarien zwischen 0 und 35 Jahren liegen. In Finnland betrugen die Paritätszeiten für Stümpfe 22 Jahre im Vergleich zu Erdöl und 35 Jahre im Vergleich zu Erdgas, wobei die Kohlenstoffbilanzierung auf Bestandsebene erfolgte. In Kanada verlängerte sich die Paritätszeit von 16 auf 74 Jahre, wenn die geerntete Biomasse zur Herstellung von Ethanol anstelle von Holzpellets verwendet und mit einem benzinbasierten Alternativszenario anstelle eines kohlebasierten Alternativszenarios verglichen wurde. Die Ethanolproduktion aus ganzen Bäumen, die aus alten Wäldern in Oregon, USA, entnommen wurden (die als Restholz kategorisiert wurden, weil die Bäume gefällt wurden, um Waldbrände zu verhindern), erhöhte die Paritätszeit dramatisch, wobei das Worst-Case-Szenario bei 459 Jahren lag. Die Autoren verwendeten eine Kohlenstoffbilanzierung auf Bestandsebene, beginnend mit dem Ernteereignis, nahmen ein zusätzliches, kontrolliertes Abbrennen alle 25 Jahre an und verglichen dies mit einem Szenario ohne feuerverhindernde Fällungen und einem schweren Waldbrand alle 230 Jahre. Bei den fraglichen Bäumen handelte es sich um riesige westliche Hemlocktannen und Küstendouglasien, die beide Hunderte von Jahren zur Reife brauchen und aufgrund ihrer sehr dicken Stämme Waldbränden standhalten können. Da die energieintensive Ethanolproduktion einen niedrigen Verdrängungsfaktor von nur 0,39 verursacht, wurde eine lange Paritätszeit berechnet. Im Allgemeinen wurden die von der GFS angegebenen Paritätszeiten durch den Verdrängungsfaktor, das alternative Szenario, die Größe der Rückstände und den Klimatyp beeinflusst. Siehe obiges Diagramm. ⓘ
Kurze Kohlenstoffrückzahlungs-/Paritätszeiten für Stammholz
Wenn ein bestehender natürlicher Wald gerodet wird, um Platz für Forstplantagen zu schaffen, führt die damit verbundene Kohlenstoffveränderung zu einer beträchtlichen Kohlenstoffschuld, die in etwa der Kohlenstoffmenge entspricht, die in den gefällten Bäumen steckt (fossile Forstwirtschaft verursacht eine zusätzliche, geringe Schuld). In diesem Fall wird stattdessen mit dem Heranwachsen der Bäume bald ein Kohlenstoffguthaben aufgebaut. Wenn diese Bäume später gefällt werden, wird die Kohlenstoffmenge, die in den Bäumen steckt, von der aufgebauten Kohlenstoffgutschrift abgezogen (nicht die Kohlenstoffmenge in den stehenden Bäumen), so dass in diesem Fall keine Kohlenstoffschuld entsteht. Da bei der Ernte keine Kohlenstoffschuld entsteht, sind die Amortisations- bzw. Paritätszeiten sowohl für Restholz als auch für Stammholz gleich null oder sehr niedrig. ⓘ
Kurzumtriebswälder haben auch niedrige Umtriebszeiten. Lamers & Junginger untersuchten eine Reihe von Einzelberichten über die Stammholzernte für Bioenergie in Plantagenwäldern im Süden der USA. Diese Bäume haben eine Umtriebszeit von 20-25 Jahren (die Umtriebszeit ist die Zeit, die neue Bäume benötigen, um die gleiche Größe wie die geernteten Bäume zu erreichen). In den Bioenergieszenarien wurden die Holzstämme ausschließlich für die Stromerzeugung geerntet. Die Bioenergieszenarien wiesen Kohlenstoffparitätszeiten von 12 bis 46 Jahren auf, wenn man sie mit verschiedenen alternativen Szenarien vergleicht, bei denen der Wald stattdessen geschützt und der Strom durch Kohlekraftwerke erzeugt wurde. Die Paritätszeiten stiegen auf 35 bis 50 Jahre, wenn die Umtriebszeit auf 35 Jahre erhöht und die Kohle in den alternativen Szenarien durch einen fossilen Brennstoffmix ersetzt wurde. Die Autoren fanden auch heraus, dass natürliche (nicht bewirtschaftete) boreale Wälder in British Columbia (Kanada) eine Paritätszeit von 0 Jahren aufwiesen, wenn die Bäume durch Insekten getötet und anschließend für Bioenergie geerntet wurden, und zwar mit einem Alternativszenario auf Kohlebasis. Wenn jedoch lebende Bäume in drei anderen langsam wachsenden borealen Waldgebieten für die Bioenergiegewinnung geerntet wurden, erreichten die Paritätszeiten ein Maximum von 105 Jahren, ebenfalls im Vergleich zu einem Alternativszenario auf Kohlebasis. Die Autoren stellen jedoch fest, dass "[...] es höchst unwahrscheinlich ist, dass Stammholz in Sägeholzqualität systematisch als Bioenergie-Rohstoff endet". ⓘ
Jonker et al. berechneten sowohl die Kohlenstoffrückzahlung als auch die Kohlenstoffparität für Stammholz mit einer Umtriebszeit von 20 bis 25 Jahren, das aus Wäldern im Südosten der USA geerntet wurde, wobei sie sowohl die Kohlenstoffbilanzierung auf Bestandsebene als auch auf Ebene der Landschaft verwendeten. Bei der Kohlenstoffbilanzierung auf Bestandsebene ermittelten die Autoren Kohlenstoffrückflusszeiten von 5, 7 bzw. 11 Jahren für das Szenario mit hohem, mittlerem bzw. niedrigem Ertrag. Bei einer Bilanzierung auf Bestandsebene betrug die Amortisationszeit 12, 13 bzw. 18 Jahre im Szenario mit hohem, mittlerem bzw. niedrigem Ertrag. Bei einer Bilanzierung auf Landschaftsebene lag die Amortisationszeit für alle Ertragsszenarien unter 1 Jahr. Die Autoren berechneten auch Paritätszeiten für ein Szenario, bei dem nur Holzpellets aus Stämmen (keine Reststoffsammlung) zur Mitverbrennung in einem durchschnittlichen Kohlekraftwerk verwendet wurden. Der Umwandlungswirkungsgrad betrug 41 %, was zusammen mit einer effizienten Lieferkette zu einem relativ hohen Verdrängungsfaktor von 0,92 führt. Das alternative Szenario war ein Szenario ohne Bioenergie, bei dem das Stammholz stattdessen für die Schnittholzproduktion verwendet wurde, so dass in diesem Fall überhaupt keine Mitverbrennung stattfand (ausschließlich Kohleverstromung). Bei Anwendung des Rechnungsprinzips der zunehmenden Bestandsebene berechneten die Autoren Paritätszeiten von 17, 22 bzw. 39 Jahren für das Szenario mit hohem, mittlerem und niedrigem Ertrag. Bei der Anwendung des Rechnungsprinzips auf Landschaftsebene errechneten die Autoren Paritätszeiten von 12, 27 bzw. 46 Jahren für das Szenario mit hohem, mittlerem bzw. niedrigem Ertrag. Ein anderes Alternativszenario war ein Waldschutzszenario, bei dem überhaupt keine Biomasse aus dem Wald entnommen wurde, weder für Schnittholz noch für Bioenergie. Der Wald wurde einfach sich selbst überlassen und wuchs daher recht langsam nach. Die Paritätszeiten auf Landschaftsebene für dieses Szenario betrugen 3, 3 bzw. 30 Jahre für das Szenario mit hohem, mittlerem bzw. niedrigem Ertrag (Paritätszeiten auf Bestandsebene oder mit zunehmender Bestandsebene wurden nicht angegeben). ⓘ
Die Autoren stellen fest, dass "die Ergebnisse der Kohlenstoffbilanzen deutlich zeigen, dass die Wahl der Kohlenstoffbilanzierungsmethode einen erheblichen Einfluss auf die Berechnung der Kohlenstoffrückzahlung und der Paritätspunkte für den Kohlenstoffausgleich hat". Sie argumentieren, dass die kurzen Paritätszeiten durch die schnellen Wachstumsraten (10-12 Tonnen Trockenmasse pro Hektar und Jahr) in den Nadelholzplantagen im Südosten der USA verursacht werden. Andere Forscher haben sich bei ihren Berechnungen häufig auf die langsamen Wachstumsraten gestützt, die für Laubholz in natürlichen borealen Wäldern typisch sind, was zu wesentlich höheren Amortisations- und Paritätszeiten führt. Die Autoren argumentieren auch, dass es bei etablierten Nadelholzplantagen keine Kohlenstoffschuld durch Landnutzungsänderungen gibt. Außerdem ist der Verdrängungsfaktor hier höher als in einigen anderen Studien, was auf die effiziente Versorgungskette und den hohen Umwandlungswirkungsgrad zurückzuführen ist, der erreicht wird, wenn Holzpellets zur Mitverbrennung in regulären Kohlekraftwerken und nicht in kleinen Bioenergieanlagen verwendet werden; letzteres wird in anderen Studien oft als gegeben angenommen. Diese günstigen Systemgrenzen führen dazu, dass sich die Paritätszeit auf eine oder zwei Umdrehungen verkürzt. Die Kohlenstoffschuld ist vor dem Paritätszeitpunkt gering, und die anschließende Kohlenstoffgutschrift steigt nach Überschreiten des Paritätszeitpunkts stark an: "Es ist auch klar, dass der absolute Umfang der vorübergehenden negativen Kohlenstoffbilanz begrenzt ist, während die positive Kohlenstoffbilanz nach dem Erreichen des Gleichgewichts bald ein Vielfaches davon erreicht". Die Autoren argumentieren, dass das Szenario ohne Bioenergie und Waldschutz im Untersuchungsgebiet unrealistisch ist, da die Wälder hier in Privatbesitz sind und es bereits eine große Holzverarbeitungsindustrie gibt. In dieser Situation (ohne praktikable Alternativszenarien) argumentieren die Autoren, dass die relevanteste zeitliche Metrik die Kohlenstoffrückflusszeit von unter einem Jahr für alle Ertragsszenarien ist, basierend auf dem Prinzip der Kohlenstoffbilanzierung auf Landschaftsebene. Abt et al. argumentieren auch, dass im Südosten der USA Waldschutzszenarien unrealistisch sind, da sich die Wälder in Privatbesitz befinden.
Die Gemeinsame Forschungsstelle der EU untersuchte eine Reihe von Studien und kam zu dem Ergebnis, dass die fortgesetzte Ernte von Stammholz, das sowohl für Bioenergie als auch für Holzprodukte geerntet wird, in einem Zeitrahmen von 40 Jahren besser für das Klima ist als der Waldschutz. Der Grund dafür ist der größere Verdrängungseffekt von Holzprodukten im Vergleich zu Bioenergie. Wenn Holzprodukte am Ende ihrer Lebensdauer energetisch genutzt werden (so genannte "Kaskadennutzung"), wird der Verdrängungseffekt noch größer, und unter optimalen Bedingungen können sich die Paritätszeiten von mehreren Jahrhunderten auf Null reduzieren. Die GFS argumentiert daher, dass Studien, die den Verlagerungseffekt von Holz für die stoffliche Nutzung nicht berücksichtigen, zu irreführenden Schlussfolgerungen führen können. Wird ein Wald hingegen ausschließlich für Bioenergie geerntet, treten keine Verdrängungseffekte für Holzprodukte auf, was einen niedrigeren Verdrängungsfaktor und somit einen Nettoanstieg der berechneten CO2-Emissionen "[...] kurz- und mittelfristig (Jahrzehnte) [...]" im Vergleich zu fossilen Brennstoffen bedeutet, es sei denn, es handelt sich um Neuanpflanzungen auf marginalen, landwirtschaftlichen oder Weideflächen. In diesem Fall kommt es zu einem unmittelbaren Nettoanstieg des Kohlenstoffs am Standort, da die Anpflanzung ohne vorherige Baumfällung die Menge der dort vorhandenen Biomasse erhöht. Auch hier gilt, dass sich die Amortisations- und Paritätszeiten auf Null reduzieren, wenn keine Kohlenstoffschuld besteht. ⓘ
Lange Kohlenstoffrückfluss-/Paritätszeiten für Stammholz
Zanchi et al. fanden heraus, dass die Paritätszeiten bei einem Alternativszenario auf Kohlebasis 175 Jahre und bei einem Alternativszenario auf Erdgasbasis 300 Jahre erreichen können, wenn Fichtenstämme in den österreichischen Alpen ausschließlich für Bioenergie geerntet werden. Der Hauptgrund dafür ist die lange Umtriebszeit dieser Bäume (90 Jahre). Normalerweise brauchen Bäume in borealen Wäldern 70-120 Jahre, um zu reifen. Kritiker entgegnen, dass Stämme, die den Qualitätsanforderungen entsprechen, für die Herstellung hochwertiger Produkte wie Schnittholz und Holzwerkstoffe wie Brettsperrholz verwendet werden und nicht für geringwertige Produkte wie Holzpellets. In einem anderen Szenario, in dem Wälder dieses Typs gerodet und zu 50 % für Bioenergie und Massivholzprodukte genutzt und anschließend durch Wälder mit Kurzumtrieb ersetzt werden, schwanken die Paritätszeiten zwischen 17 und 114 Jahren für das alternative Kohleszenario, wobei die kürzeste Paritätszeit von dem Wald mit der kürzesten Umtriebszeit und dem höchsten Ertrag (10 Jahre Umtriebszeit mit einem Ertrag von 16 Tonnen pro Hektar und Jahr) erreicht wird. Die Paritätszeiten erhöhen sich auf 20 bis 145 Jahre im Vergleich zu einem alternativen Szenario für Strom aus Erdöl und auf 25 bis 197 Jahre im Vergleich zu einem alternativen Szenario für Strom aus Erdgas. Für ein Szenario mit Aufforstung und einem Mix aus fossilen Brennstoffen wurde eine Paritätszeit von 0 Jahren angegeben. ⓘ
Die Autoren weisen darauf hin, dass es sich bei diesen Szenarien um "illustrative Beispiele" handelt und dass "die Ergebnisse stark von den getroffenen Annahmen beeinflusst werden". Die Autoren gingen davon aus, dass die Rückstände nicht eingesammelt werden, sondern auf dem Waldboden verbleiben, wo sie verrotten und somit Emissionen erzeugen. Wenn diese Rückstände stattdessen gesammelt und für Bioenergie genutzt werden, verringern sich die Paritätszeiten um 100 Jahre. Die zusätzlichen Emissionen, die durch die längeren Lieferwege für fossile Brennstoffe im Vergleich zu Holzbrennstoffen entstehen, wurden bei der Berechnung nicht berücksichtigt. Zusätzliche Emissionen durch Schädlinge, Windwurf und Waldbrände (die normalerweise zunehmen, wenn unbewirtschaftete Wälder altern), wurden ebenfalls nicht in die Berechnung einbezogen. Markteffekte wurden nicht berücksichtigt. Andererseits wurde die Kohlenstoffbilanzierung auf Landschaftsebene verwendet, und die angenommene Umwandlungseffizienz für Bioenergie und Kohle war die gleiche. ⓘ
Wie andere Wissenschaftler stellen auch die GFS-Mitarbeiter fest, dass die Ergebnisse der Kohlenstoffbilanzierung sehr unterschiedlich ausfallen, und führen dies auf unterschiedliche Methoden zurück. In den untersuchten Studien fand die GFS Kohlenstoffparitätszeiten von 0 bis 400 Jahren (siehe Diagramm rechts) für Stammholz, das ausschließlich für Bioenergie geerntet wurde, abhängig von verschiedenen Merkmalen und Annahmen sowohl für das Wald-/Bioenergiesystem als auch für das alternative fossile System, wobei die Emissionsintensität der verdrängten fossilen Brennstoffe als wichtigster Faktor gilt, gefolgt von der Umwandlungseffizienz und der Wachstumsrate/Umlaufzeit der Biomasse. Weitere Faktoren, die für die Dauer der Kohlenstoffparität relevant sind, sind der anfängliche Kohlenstoffbestand und das vorhandene Ernteniveau; sowohl ein höherer anfänglicher Kohlenstoffbestand als auch ein höheres Ernteniveau bedeuten längere Paritätszeiten. Flüssige Biokraftstoffe haben hohe Paritätszeiten, da etwa die Hälfte des Energiegehalts der Biomasse bei der Verarbeitung verloren geht. ⓘ
Klimaauswirkungen ausgedrückt als statische Zahlen
Statische Emissionsschätzungen für eine Reihe von Bioenergiepfaden
Die Gemeinsame Forschungsstelle der EU hat eine Reihe von Schätzungen der Bioenergieemissionen in der Literatur untersucht und auf der Grundlage dieser Studien die prozentualen Treibhausgaseinsparungen für Bioenergiepfade bei der Wärmeerzeugung, der Erzeugung von Kraftstoffen für den Verkehr und der Stromerzeugung berechnet (siehe Diagramme auf der rechten Seite). Die Berechnungen beruhen auf dem Prinzip der attributiven Ökobilanzierung. Sie umfassen alle Emissionen der Versorgungskette, von der Rohstoffgewinnung über die Energie- und Materialproduktion und die Herstellung bis hin zur Behandlung am Ende des Lebenszyklus und zur endgültigen Entsorgung. Dazu gehören auch die Emissionen im Zusammenhang mit der Herstellung der in der Lieferkette verwendeten fossilen Brennstoffe. Ausgeschlossen sind Emissions-/Absorptionseffekte, die außerhalb der Systemgrenzen stattfinden, z. B. marktbezogene, biogeophysikalische (z. B. Albedo) und zeitabhängige Effekte. Da marktbezogene Berechnungen ausgeschlossen sind, gelten die Ergebnisse nur für die Energieerzeugung in kleinem Maßstab als gültig. Außerdem haben die Bioenergiepfade typische Umwandlungswirkungsgrade im kleinen Maßstab. Feste Biobrennstoffe für die Stromerzeugung haben in den meisten Fällen einen Wirkungsgrad von 25 %, in einigen wenigen Fällen von 21-34 %. Biogas für die Stromerzeugung hat einen Wirkungsgrad von 32-38 %. Wärmewege haben einen Wirkungsgrad von 76-85%. Die Kategorie Waldrestholz umfasst Baumstämme und -stümpfe, was die Kohlenstoffintensität insbesondere in Wäldern mit langsamer Verrottung erhöht. ⓘ
Die Diagramme haben vertikale Balken, die die Emissionsspanne darstellen, die für jeden Bioenergiepfad gefunden wurde (da die Emissionen für denselben Pfad von Studie zu Studie variieren). Das obere Ende der Spanne stellt die Emissionswerte dar, die in Studien gefunden wurden, die beispielsweise von langen Transportwegen, niedrigen Umwandlungswirkungsgraden und keinem Verdrängungseffekt fossiler Brennstoffe ausgehen. Das untere Ende des Bereichs entspricht den Emissionswerten von Studien, die von einer optimierten Logistik, höheren Umwandlungswirkungsgraden, der Nutzung erneuerbarer Energien für die Bereitstellung von Prozesswärme und Prozessstrom sowie von Verdrängungseffekten durch die Substitution fossiler Brennstoffe ausgehen. Die Balken können mit den Emissionswerten verglichen werden, die mit mehreren in der EU verfügbaren alternativen Energiesystemen verbunden sind. Die gepunkteten, farbigen Bereiche stellen die prozentualen Emissionseinsparungen für die Pfade im Vergleich zu den Alternativen für fossile Brennstoffe dar. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass "die meisten biobasierten Rohstoffe entlang ihrer Lieferkette weniger Treibhausgase freisetzen als fossile Produkte; das Ausmaß der Treibhausgasemissionen hängt jedoch stark von der Logistik, der Art der Rohstoffe, der Bewirtschaftung von Land und Ökosystemen, der Ressourceneffizienz und der Technologie ab". ⓘ
Aufgrund des unterschiedlichen Klimaschutzpotenzials der verschiedenen Biokraftstoffpfade haben Regierungen und Organisationen verschiedene Zertifizierungssysteme eingerichtet, um die Nachhaltigkeit der Biomassenutzung zu gewährleisten, z. B. die RED (Renewable Energy Directive) in der EU und die ISO-Norm 13065 der Internationalen Organisation für Normung. In den USA schränkt der RFS (Renewables Fuel Standard) die Verwendung traditioneller Biokraftstoffe ein und legt fest, welche Treibhausgasemissionen über den gesamten Lebenszyklus hinweg mindestens zulässig sind. Biokraftstoffe gelten als traditionell, wenn sie im Vergleich zum petrochemischen Äquivalent eine Reduzierung der THG-Emissionen um bis zu 20 % erreichen, als fortschrittlich, wenn sie mindestens 50 % einsparen, und als zellulosehaltig, wenn sie mehr als 60 % einsparen. ⓘ
Statische Emissionsschätzungen für Holzpellets
In Übereinstimmung mit den Diagrammen besagt die EU-Richtlinie über erneuerbare Energien (RED), dass die typischen Einsparungen an Treibhausgasemissionen beim Ersatz von fossilen Brennstoffen durch Holzpellets aus Waldrestholz für die Wärmeerzeugung je nach Transportentfernung zwischen 69 % und 77 % variieren: Liegt die Entfernung zwischen 0 und 2500 km, beträgt die Emissionseinsparung 77 %. Die Emissionseinsparungen sinken auf 75 %, wenn die Entfernung zwischen 2500 und 10 000 km liegt, und auf 69 %, wenn die Entfernung über 10 000 km beträgt. Bei der Verwendung von Stammholz schwanken die Emissionseinsparungen je nach Transportentfernung zwischen 70 % und 77 %. Bei der Verwendung von Reststoffen aus der Holzindustrie schwanken die Einsparungen zwischen 79 % und 87 %. ⓘ
Auf der Grundlage einer ähnlichen Methodik fanden Hanssen et al. heraus, dass die Einsparungen an Treibhausgasemissionen bei der Stromerzeugung auf der Grundlage von Holzpellets, die im Südosten der USA hergestellt und in die EU geliefert werden, zwischen 65 % und 75 % liegen, verglichen mit dem fossilen Brennstoffmix der EU. Sie schätzen, dass sich die durchschnittlichen Netto-THG-Emissionen von Holzpellets, die aus den USA importiert und in der EU zur Stromerzeugung verbrannt werden, auf etwa 0,2 kg CO2-Äquivalente pro kWh belaufen, während sich die durchschnittlichen Emissionen aus dem derzeit in der EU zur Stromerzeugung verwendeten Mix fossiler Brennstoffe auf 0,67 kg CO2-Äquivalente pro kWh belaufen (siehe Grafik rechts). Die Emissionen des Seeverkehrs belaufen sich auf 7 % der verdrängten Emissionen aus dem fossilen Brennstoffmix pro erzeugter kWh. ⓘ
Ebenso schätzt die IEA Bioenergy, dass in einem Szenario, in dem kanadische Holzpellets Kohle in einem europäischen Kohlekraftwerk vollständig ersetzen, die mit dem Seetransport verbundenen Emissionen (für die Strecke Vancouver - Rotterdam) etwa 2 % der gesamten kohlebedingten Emissionen des Kraftwerks ausmachen. Der niedrigere Prozentsatz ist darauf zurückzuführen, dass es sich bei dem Alternativszenario um ein bestimmtes Kohlekraftwerk handelt und nicht um den Mix fossiler Brennstoffe in der EU. Cowie et al. argumentieren, dass Berechnungen von tatsächlichen Versorgungsketten niedrige Emissionen aus dem interkontinentalen Biomassetransport zeigen, zum Beispiel die optimierte Holzpelletversorgungskette vom Südosten der USA nach Europa. Lamers & Junginger argumentieren, dass der zukünftige EU-Import von Holzpellets "[...] wahrscheinlich weiterhin von Nordamerika dominiert werden wird, insbesondere aus dem Südosten der USA [...]." Im Jahr 2015 kamen 77 % der importierten Pellets aus den USA. ⓘ
Statische Emissionsschätzungen für Energiepflanzen mit Kurzumtrieb
Während reguläre Waldbestände Umtriebszeiten von Jahrzehnten haben, haben Kurzumtriebsforstbestände (SRF) eine Umtriebszeit von 8-20 Jahren und Kurzumtriebskappungsbestände (SRK) eine Umtriebszeit von 2-4 Jahren. 12 % der EU-Wälder sind Niederwaldbestände. Mehrjährige Gräser haben eine Umtriebszeit von einem Jahr in gemäßigten Gebieten und von 4-12 Monaten in tropischen Gebieten. Nahrungspflanzen wie Weizen und Mais haben ebenfalls eine Umtriebszeit von einem Jahr. ⓘ
Da Energiepflanzen mit kurzer Umtriebszeit nur für eine kurze Zeit wachsen bzw. Kohlenstoff akkumulieren konnten, bevor sie geerntet werden, ist es relativ einfach, die erntebedingte Kohlenstoffschuld zurückzuzahlen, vorausgesetzt, es gibt keine zusätzlichen großen Kohlenstoffschulden aus Landnutzungsänderungen (z. B. durch die Abholzung eines natürlichen Waldes, um diese Fläche für Energiepflanzen zu nutzen) und keine bessere klimatische Nutzung für die fraglichen Flächen. Schlamadinger & Marland schreiben, dass "[...] Kurzumtriebs-Energiepflanzen viel früher und in größerem Umfang zur Verringerung des Kohlenstoffausstoßes beitragen, wenn sie auf zuvor unbewaldetem Land angebaut werden, als wenn zunächst ein Wald abgeholzt wird, um Platz für die Plantage zu schaffen". Die Gemeinsame Forschungsstelle der EU stellt fest: "Wenn es keine Verlagerung von Rohstoffen aus anderen Sektoren wie Lebensmitteln, Futtermitteln, Fasern oder Änderungen der Kohlenstoffvorräte im Boden aufgrund direkter oder indirekter Landnutzungsänderungen gibt, kann die Annahme der Kohlenstoffneutralität für einjährige Pflanzen, Agrarsubstrate, Kurzumtriebsplantagen und Energiegräser mit kurzen Umtriebszyklen weiterhin als gültig angesehen werden. Dies kann auch für Analysen mit Zeithorizonten gelten, die viel länger sind als die Wachstumszyklen der Rohstoffe". Andere Forscher argumentieren, dass die geringen Kohlenstoffschulden, die mit der Ernte von Energiepflanzen verbunden sind, kurze Kohlenstoffrückzahlungs- und Paritätszeiten bedeuten, oft weniger als ein Jahr. IRENA argumentiert, dass Kurzumtriebs-Energiepflanzen und landwirtschaftliche Reststoffe kohlenstoffneutral sind, da sie jährlich geerntet werden. Die IEA schreibt in ihrem Sonderbericht über das Erreichen von Netto-Null-Emissionen im Jahr 2050, dass die "[...] Transformation des Energiesektors im NZE-Szenario [Netto-Null-Emissionen-Szenario] die CO2-Emissionen von AFLOU [Landwirtschaft, Forstwirtschaft und andere Landnutzung] im Jahr 2050 um etwa 150 Mio. t CO2 reduzieren würde, da die Umstellung von konventionellen Kulturen und die Zunahme der Produktion von fortschrittlichen Kurzumtriebs-Energiepflanzen auf Grenzertragsflächen und Weideland erfolgen würde". ⓘ
Da die langen Amortisations- und Paritätszeiten, die für einige forstwirtschaftliche Projekte berechnet wurden, für Energiepflanzen als kein Problem angesehen werden (außer in den oben erwähnten Fällen), berechnen die Forscher stattdessen statische Klimaschutzpotenziale für diese Pflanzen, indem sie LCA-basierte Kohlenstoffbilanzierungsmethoden verwenden. Ein bestimmtes Bioenergieprojekt auf der Basis von Energiepflanzen wird als kohlenstoffpositiv, kohlenstoffneutral oder kohlenstoffnegativ eingestuft, basierend auf der Gesamtmenge der CO2-Äquivalent-Emissionen und -Absorptionen, die während seiner gesamten Lebensdauer anfallen: Wenn die Emissionen während des Anbaus, der Verarbeitung, des Transports und der Verbrennung höher sind als das, was von den Pflanzen während der Lebensdauer des Projekts sowohl über als auch unter der Erde absorbiert (und gespeichert) wird, ist das Projekt kohlenstoffpositiv. Wenn die Gesamtabsorption höher ist als die Gesamtemissionen, ist das Projekt kohlenstoffnegativ. Mit anderen Worten: Kohlenstoffnegativität ist möglich, wenn die Netto-Kohlenstoffakkumulation die Netto-Treibhausgasemissionen während des Lebenszyklus mehr als ausgleicht.
Die klimafreundlichsten Energiepflanzen scheinen mehrjährige Energiegräser zu sein, da sie einen geringen Energieeintrag und große Mengen an im Boden gespeichertem Kohlenstoff aufweisen. Die Forscher argumentieren, dass das durchschnittliche Verhältnis zwischen Energieeinsatz und -ausstoß bei der mehrjährigen Pflanze Miscanthus zehnmal besser ist als bei einjährigen Pflanzen und dass die Treibhausgasemissionen 20-30 mal besser sind als bei fossilen Brennstoffen. Mit Miscanthus-Chips für Heizzwecke konnten im Vereinigten Königreich 22,3 Tonnen CO2-Emissionen pro Hektar und Jahr eingespart werden, mit Mais für Heizung und Strom 6,3 Tonnen. Raps für Biodiesel sparte 3,2. Andere Forscher kommen zu ähnlichen Ergebnissen. ⓘ
Mehrjährige Pflanzen binden in der Regel mehr Kohlenstoff als einjährige Pflanzen, da die Wurzelbildung über viele Jahre hinweg ungestört fortgesetzt werden kann. Außerdem entfallen bei mehrjährigen Kulturen die jährlichen Bodenbearbeitungsmaßnahmen (Pflügen, Umgraben), die beim Anbau einjähriger Pflanzen anfallen. Die Bodenbearbeitung unterstützt die Mikrobenpopulationen im Boden bei der Zersetzung des verfügbaren Kohlenstoffs, wodurch CO2 entsteht. Es wurde beobachtet, dass der organische Kohlenstoffgehalt des Bodens unter Rutenhirse größer ist als unter Ackerland, insbesondere in Tiefen unter 30 cm. Eine von Harris et al. durchgeführte Metastudie mit 138 Einzelstudien ergab, dass die auf Ackerland gepflanzten mehrjährigen Gräser Miscanthus und Switchgrass im Durchschnitt fünfmal mehr Kohlenstoff im Boden speichern als Niederwald mit Kurzumtrieb oder Forstplantagen mit Kurzumtrieb (Pappel und Weide). McCalmont et al. verglichen eine Reihe von europäischen Einzelberichten über die Kohlenstoffbindung von Miscanthus × giganteus und stellten Akkumulationsraten zwischen 0,42 und 3,8 Tonnen pro Hektar und Jahr fest, mit einer mittleren Akkumulationsrate von 1,84 Tonnen bzw. 25 % des gesamten geernteten Kohlenstoffs pro Jahr. ⓘ
Grundsätzlich wirkt die unterirdische Kohlenstoffakkumulation als Instrument zur Eindämmung von Treibhausgasen, weil sie Kohlenstoff aus dem oberirdischen Kohlenstoffkreislauf (dem Kreislauf von der Pflanze in die Atmosphäre und zurück in neue Pflanzen) entfernt. Der Kreislauf wird durch Photosynthese und Verbrennung angetrieben: Zunächst nimmt eine Pflanze CO2 auf und assimiliert es als Kohlenstoff in ihrem Gewebe, sowohl ober- als auch unterirdisch. Wenn der oberirdische Kohlenstoff geerntet und dann verbrannt wird, wird das CO2-Molekül erneut gebildet und wieder in die Atmosphäre freigesetzt. Dann wird die gleiche Menge CO2 vom Wachstum der nächsten Saison wieder aufgenommen, und der Zyklus wiederholt sich.
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Dieser oberirdische Kreislauf hat das Potenzial, kohlenstoffneutral zu sein, aber natürlich bedeutet die menschliche Beteiligung an seinem Betrieb und seiner Steuerung einen zusätzlichen Energieaufwand, der häufig aus fossilen Quellen stammt. Wenn die für den Betrieb aufgewendete fossile Energie im Vergleich zur erzeugten Energiemenge hoch ist, kann der gesamte CO2-Fußabdruck dem CO2-Fußabdruck, der sich aus der ausschließlichen Verbrennung fossiler Brennstoffe ergibt, nahe kommen, ihn erreichen oder sogar übertreffen, wie dies bei mehreren Biokraftstoffprojekten der ersten Generation nachgewiesen wurde. Verkehrskraftstoffe könnten in dieser Hinsicht schlechter sein als feste Brennstoffe. ⓘ
Das Problem kann sowohl unter dem Gesichtspunkt der Erhöhung der unterirdisch gespeicherten Kohlenstoffmenge als auch unter dem Gesichtspunkt der Verringerung des Einsatzes fossiler Brennstoffe für den oberirdischen Betrieb angegangen werden. Wenn genügend Kohlenstoff unter der Erde gespeichert wird, kann er die gesamten Lebenszyklusemissionen eines bestimmten Biokraftstoffs ausgleichen. Wenn die oberirdischen Emissionen sinken, ist weniger Kohlenstoffspeicherung im Boden erforderlich, damit der Biokraftstoff kohlenstoffneutral oder negativ wird.
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Whitaker et al. argumentieren, dass eine Miscanthus-Pflanze mit einem Ertrag von 10 Tonnen pro Hektar und Jahr genug Kohlenstoff speichert, um sowohl die landwirtschaftlichen als auch die verarbeitungs- und transportbedingten Emissionen zu kompensieren. Das Diagramm auf der rechten Seite zeigt zwei kohlenstoffnegative Produktionspfade für Miscanthus und zwei kohlenstoffpositive Produktionspfade für Pappel, dargestellt in Gramm CO2-Äquivalenten pro Megajoule. Die Balken sind fortlaufend und bewegen sich nach oben und unten, je nachdem, wie der atmosphärische CO2-Gehalt schätzungsweise zunimmt oder abnimmt. Die grauen/blauen Balken stehen für die mit der Landwirtschaft, der Verarbeitung und dem Transport verbundenen Emissionen, die grünen Balken für die Kohlenstoffveränderung im Boden und die gelben Rauten für die gesamten endgültigen Emissionen. Das zweite Diagramm zeigt die durchschnittlichen Erträge, die erforderlich sind, um für Böden mit unterschiedlichen Mengen an vorhandenem Kohlenstoff langfristig Kohlenstoffnegativität zu erreichen. Je höher der Ertrag, desto wahrscheinlicher ist die Kohlenstoffnegativität. Andere Forscher stellen die gleiche Behauptung über die Kohlenstoffnegativität für Miscanthus in Deutschland auf, mit einem Ertrag von 15 trockenen Tonnen pro Hektar und Jahr und einer Kohlenstoffspeicherung von 1,1 Tonnen pro Hektar und Jahr. ⓘ
Die erfolgreiche Speicherung hängt von den Pflanzstandorten ab, da die besten Böden diejenigen sind, die derzeit wenig Kohlenstoff enthalten. Für das Vereinigte Königreich wird eine erfolgreiche Speicherung auf Ackerland in den meisten Teilen von England und Wales erwartet, während die Speicherung in Teilen von Schottland aufgrund der bereits kohlenstoffreichen Böden (bestehende Wälder) nicht erfolgreich sein dürfte. In Schottland ist es außerdem aufgrund der relativ geringeren Erträge in diesem kälteren Klima schwieriger, eine negative Kohlenstoffbilanz zu erzielen. Zu den Böden, die bereits reich an Kohlenstoff sind, gehören Torfböden und alte Wälder. Die erfolgreichste Kohlenstoffspeicherung im Vereinigten Königreich findet unter verbessertem Grünland statt. Da der Kohlenstoffgehalt von Grünland jedoch sehr unterschiedlich ist, variiert auch die Erfolgsquote von Landnutzungsänderungen von Grünland zu Stauden. Auch wenn die Nettokohlenstoffspeicherung unter mehrjährigen Energiepflanzen wie Miscanthus und Switchtgrass die Nettokohlenstoffspeicherung unter normalem Grünland, Wald und Ackerbaukulturen bei weitem übersteigt, ist der Kohlenstoffeintrag einfach zu gering, um den Verlust an vorhandenem Bodenkohlenstoff während der frühen Etablierungsphase auszugleichen. Im Laufe der Zeit kann der Bodenkohlenstoff jedoch zunehmen, auch bei Grünland. ⓘ
Forscher argumentieren, dass nach anfänglichen Diskussionen nun (2018) ein Konsens in der wissenschaftlichen Gemeinschaft besteht, dass "[...] die THG [Treibhausgas]-Bilanz des Anbaus mehrjähriger Bioenergiepflanzen oft günstig sein wird [...]", auch wenn man die impliziten direkten und indirekten Landnutzungsänderungen berücksichtigt. ⓘ
Klimaauswirkungen von Albedo und Evapotranspiration
Pflanzen verändern die Farbe der Erdoberfläche, was sich auf das Reflexionsvermögen der Oberfläche auswirkt (der so genannte "Albedo"-Effekt). Helle Farben neigen dazu, Wärme zu reflektieren, und dunklere Farben neigen dazu, Wärme zu absorbieren. Wenn sich beispielsweise die Farbe einer Fläche von erdigem Braun zu Grün ändert, wird weniger Wärme absorbiert. Umgekehrt wird mehr Wärme absorbiert, wenn die Farbe einer verschneiten Fläche von weiß zu grün wechselt. Untersuchungen zeigen, dass die Aufforstung in verschneiten, borealen Gebieten (auch nach Berücksichtigung der durch die Aufforstung verursachten Kohlenstoffabsorption) einen Nettoerwärmungseffekt hat, da die Farbe der Bäume dunkler ist als die Farbe des Schnees. Mit anderen Worten: Der Albedo-Effekt trägt dazu bei, die langen Amortisations- und Paritätszeiten zu kompensieren, die durch die Abholzung in solchen Gebieten verursacht werden. Die Albedo der Wälder hat global gesehen eine leicht kühlende Wirkung. ⓘ
Pflanzen bewirken eine höhere Evapotranspiration und damit eine höhere lokale Luftfeuchtigkeit. Die erhöhte Luftfeuchtigkeit führt dazu, dass ein größerer Teil der einfallenden Sonnenenergie zur Verdunstung von Wasser und nicht zur Erwärmung des Bodens verwendet wird, was eine kühlende Wirkung hat. In tropischen Wäldern können durch die Verdunstung auch tief hängende Wolken entstehen, die das Sonnenlicht reflektieren und so den Albedo-Effekt verstärken. Wälder setzen kleine Partikel frei, die als organischer Kohlenstoff bezeichnet werden, sowohl durch Verbrennung als auch direkt von lebenden Bäumen. Diese Partikel reflektieren das Sonnenlicht und haben somit selbst eine kühlende Wirkung, tragen aber auch zur Bildung von Wolken bei, da Wasserdampf um die Partikel kondensiert. In beiden Fällen hat die Reflexion eine kühlende Wirkung. ⓘ
Würden einjährige Pflanzen im Zentrum der USA durch mehrjährige Gräser ersetzt, würde dies zu einer beträchtlichen globalen Abkühlung führen, vor allem aufgrund von Verdunstungseffekten, aber auch aufgrund der Albedo. Der Albedo-Effekt allein war sechsmal größer als der Effekt, den die Gräser durch die Verdrängung fossiler Brennstoffe haben. Der Grund für den Albedo-Effekt liegt in diesem Fall darin, dass mehrjährige Gräser die Oberfläche im Vergleich zu einjährigen Pflanzen über einen längeren Zeitraum im Jahr grün halten. ⓘ
Auswirkungen auf die Umwelt
Stromerzeugungsdichten an der Oberfläche
Die Umweltauswirkungen der Erzeugung von Biomasse oder anderen erneuerbaren Energien hängen bis zu einem gewissen Grad von ihrem Flächenbedarf ab. Für die Berechnung des Flächenbedarfs ist es wichtig, die entsprechende Energieerzeugungsdichte (z. B. Energieerzeugung pro Quadratmeter) zu kennen. Vaclav Smil schätzt, dass die durchschnittliche Lebenszyklus-Oberflächenleistungsdichte für moderne Biokraftstoffe, Wind-, Wasser- und Solarenergie 0,3 W/m2, 1 W/m2, 3 W/m2 bzw. 5 W/m2 beträgt (Leistung in Form von Wärme für Biokraftstoffe und Strom für Wind-, Wasser- und Solarenergie). Die Oberflächenenergiedichte über den gesamten Lebenszyklus umfasst die Flächen, die für die gesamte unterstützende Infrastruktur, die Herstellung, den Abbau/die Ernte und die Stilllegung genutzt werden. Van Zalk et al. schätzt 0,08 W/m2 für Biokraftstoffe, 0,14 W/m2 für Wasserkraft, 1,84 W/m2 für Windkraft und 6,63 W/m2 für Solarenergie (Mittelwerte, wobei keine der erneuerbaren Energiequellen 10 W/m2 überschreitet). Fossiles Gas hat mit 482 W/m2 die höchste Oberflächendichte, während Kernkraft mit 240 W/m2 die einzige Energiequelle mit hoher Dichte und niedrigem Kohlenstoffgehalt ist. Der durchschnittliche Energieverbrauch des Menschen auf eisfreiem Land liegt bei 0,125 W/m2 (Wärme und Strom zusammen), steigt jedoch in städtischen und industriellen Gebieten auf 20 W/m2 an. ⓘ
Der Grund für die niedrige Energiedichte einiger Biokraftstoffe ist eine Kombination aus geringen Erträgen und der nur teilweisen Nutzung der Pflanze (Ethanol wird z. B. in der Regel aus dem Zuckergehalt von Zuckerrohr oder dem Stärkegehalt von Mais hergestellt, während Biodiesel häufig aus dem Ölgehalt von Raps oder Sojabohnen gewonnen wird).
Bei der Ethanolerzeugung erzeugen Miscanthus-Plantagen mit einem Ertrag von 15 Tonnen pro Hektar und Jahr 0,40 W/m2. Maisfelder erzeugen 0,26 W/m2 (Ertrag 10 t/ha). In Brasilien erzeugen Zuckerrohrfelder in der Regel 0,41 W/m2. Winterweizen (USA) erzeugt 0,08 W/m2 und deutscher Weizen erzeugt 0,30 W/m2. Beim Anbau von Sojabohnen für Flugzeugtreibstoff werden 0,06 W/m2 erzeugt, während Palmöl 0,65 W/m2 erzeugt. Jathropa, das auf Grenzertragsflächen angebaut wird, erzeugt 0,20 W/m2. Raps, der für Biodiesel angebaut wird, erzeugt 0,12 W/m2 (EU-Durchschnitt). Die Herstellung flüssiger Biokraftstoffe erfordert im Vergleich zur Herstellung fester Biokraftstoffe einen hohen Energieeinsatz. Wenn dieser Energieaufwand kompensiert wird (d. h. wenn die verbrauchte Energie von der erzeugten Energie abgezogen wird), sinkt die Leistungsdichte weiter: Die auf Raps basierende Biodieselproduktion in den Niederlanden weist mit einer bereinigten Leistungsdichte von 0,08 W/m2 die höchste Energieeffizienz in der EU auf, während das in Spanien hergestellte Bioethanol aus Zuckerrüben mit nur 0,02 W/m2 die niedrigste aufweist.
Die energetische Nutzung fester Biomasse ist effizienter als die Verwendung von Flüssigkeiten, da die gesamte Pflanze genutzt werden kann. Maisplantagen, die feste Biomasse für die Verbrennung produzieren, erzeugen beispielsweise bei gleichem Ertrag mehr als die doppelte Energiemenge pro Quadratmeter im Vergleich zu Maisplantagen, die für Ethanol produzieren: 10 t/ha erzeugen 0,60 W/m2 bzw. 0,26 W/m2, ohne dass ein Ausgleich für den Energieaufwand erfolgt. Es wurde geschätzt, dass großflächige Plantagen mit Kiefern, Akazien, Pappeln und Weiden in gemäßigten Regionen einen Ertrag von 5-15 Trockentonnen pro Hektar und Jahr erzielen, was einer Energieerzeugungsdichte von 0,30-0,90 W/m2 entspricht. Bei ähnlich großen Plantagen mit Eukalyptus, Akazien, Leukainen, Kiefern und Dalbergien in tropischen und subtropischen Regionen liegen die Erträge in der Regel bei 20-25 t/ha, was einer Flächenstromerzeugungsdichte von 1,20-1,50 W/m2 entspricht. Mit diesem Ertrag liegt die Energiedichte dieser Plantagen zwischen der von Wind- und Wasserkraft. In Brasilien liegt der durchschnittliche Ertrag von Eukalyptus bei 21 t/ha, aber in Afrika, Indien und Südostasien liegen die typischen Eukalyptuserträge unter 10 t/ha. ⓘ
Trockene Ofenbiomasse im Allgemeinen, einschließlich Holz, Miscanthus und Pfeifengras, hat einen Heizwert von etwa 18 GJ/t. Bei der Berechnung der Energieerzeugung pro Quadratmeter erhöht jede t/ha trockener Biomasseertrag die Energieerzeugung einer Plantage um 0,06 W/m2. Wie bereits erwähnt, liegt der Weltdurchschnitt für die Stromerzeugung aus Wind-, Wasser- und Sonnenenergie bei 1 W/m2, 3 W/m2 bzw. 5 W/m2. Um diese Flächenleistungsdichten zu erreichen, müssen die Plantagenerträge 17 t/ha, 50 t/ha bzw. 83 t/ha für Wind, Wasser und Sonne erreichen. Dies scheint für die oben erwähnten tropischen Plantagen (Ertrag 20-25 t/ha) und für Elefantengräser, z. B. Miscanthus (10-40 t/ha) und Napier (15-80 t/ha), erreichbar zu sein, ist aber für Wald und viele andere Arten von Biomassepflanzen unwahrscheinlich. Um den Weltdurchschnitt für Biokraftstoffe (0,3 W/m2) zu erreichen, müssen Plantagen 5 Tonnen Trockenmasse pro Hektar und Jahr produzieren. Legt man stattdessen die Van Zalk-Schätzungen für Wasser-, Wind- und Solarenergie (0,14, 1,84 bzw. 6,63 W/m2) zugrunde, müssen die Plantagenerträge 2 t/ha, 31 t/ha und 111 t/ha erreichen, um konkurrenzfähig zu sein. Allerdings scheinen nur die ersten beiden dieser Erträge erreichbar zu sein. ⓘ
Man beachte, dass bei alten Verbrennungsanlagen die Erträge angepasst werden müssen, um den Feuchtigkeitsgehalt der Biomasse auszugleichen (das Verdampfen von Feuchtigkeit, um den Zündpunkt zu erreichen, ist Energieverschwendung, es sei denn, der entstehende Dampf kann energetisch genutzt werden). Die Feuchtigkeit von Stroh oder Ballen aus Biomasse hängt von der Luftfeuchtigkeit der Umgebung und eventuellen Vortrocknungsmaßnahmen ab, während Pellets einen genormten (nach ISO definierten) Feuchtigkeitsgehalt von unter 10 % (Holzpellets) und unter 15 % (andere Pellets) haben. Auch bei Wind-, Wasser- und Solarenergie sollten die Übertragungsverluste von etwa 8 % weltweit berücksichtigt werden. Wenn Biomasse nicht zur Wärmeerzeugung, sondern zur Stromerzeugung genutzt werden soll, muss der Ertrag etwa verdreifacht werden, um mit Wind-, Wasser- und Solarenergie konkurrieren zu können, da der derzeitige Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wärme in Strom nur 30-40 % beträgt. Vergleicht man einfach die Stromerzeugungsdichte von Biokraftstoffen, Wind-, Wasser- und Solarkraftwerken ohne Berücksichtigung der Kosten, so wird deutlich, dass sowohl Wasser- als auch Solarkraftwerke selbst für die ertragreichsten Plantagen unerreichbar sind, was die Stromdichte angeht. ⓘ
Biologische Vielfalt
Gasparatos et al. geben einen Überblick über die aktuelle Forschung zu den Nebenwirkungen aller Arten von erneuerbarer Energieerzeugung und argumentieren, dass im Allgemeinen ein Konflikt zwischen "[...] standort-/lokalspezifischen Erhaltungszielen und nationalen energiepolitischen Prioritäten bzw. Prioritäten zur Eindämmung des Klimawandels [...]" besteht. Die Autoren argumentieren, dass zum Beispiel die biologische Vielfalt als ein ebenso "[...] legitimes Ziel der Grünen Wirtschaft wie die Eindämmung der Treibhausgasemissionen" angesehen werden sollte. Ölpalmen und Zuckerrohr sind Beispiele für Anbaupflanzen, die mit einer Verringerung der biologischen Vielfalt in Verbindung gebracht wurden. Weitere Probleme sind die Verschmutzung von Boden und Wasser durch den Einsatz von Düngemitteln/Pestiziden und die Emission von Luftschadstoffen, vor allem durch die Verbrennung von Rückständen auf dem Feld. ⓘ
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Die Autoren stellen fest, dass das Ausmaß der Umweltauswirkungen "[...] zwischen den verschiedenen Biomasse-Energieoptionen erheblich variiert". Zur Abmilderung der Auswirkungen empfehlen sie "[...] die Einführung umweltfreundlicher Verfahren zur Erzeugung von Bioenergie, z. B. die Begrenzung der Ausdehnung von Monokulturen, die Einführung wildtierfreundlicher Produktionsverfahren, die Installation von Verschmutzungskontrollmechanismen und die kontinuierliche Überwachung der Landschaft". Sie empfehlen auch "[...] multifunktionale Bioenergielandschaften". Weitere Maßnahmen sind "[...] eine sorgfältige Auswahl der Rohstoffe, da verschiedene Rohstoffe radikal unterschiedliche Umweltauswirkungen haben können. So haben US-amerikanische Studien gezeigt, dass Rohstoffe der zweiten Generation, die auf ungedüngten Böden angebaut werden, im Vergleich zu monokulturellen einjährigen Pflanzen wie Mais und Soja, bei denen in großem Umfang Agrochemikalien eingesetzt werden, Vorteile für die biologische Vielfalt bieten können. Miscanthus und Rutenhirse sind Beispiele für solche Pflanzen. ⓘ
Da die biologische Vielfalt von der EU als wichtiges politisches Ziel definiert wurde, hat die Gemeinsame Forschungsstelle der EU untersucht, wie sichergestellt werden kann, dass sich die verstärkte Nutzung von Bioenergie nicht negativ auf die biologische Vielfalt in den europäischen Wäldern auswirkt. Es wurden nur Bioenergiepfade berücksichtigt, die im Vergleich zu den bestehenden forstwirtschaftlichen Praktiken zusätzliche Bioenergieressourcen liefern, nämlich 1.) die verstärkte Nutzung von Abholzungsrückständen, 2.) die Aufforstung ungenutzter Flächen und 3.) die Umwandlung von Naturwäldern in produktivere Forstplantagen. Die Autoren unterteilten die Ergebnisse in vier Kategorien, je nach ihrem Potenzial für den Klimaschutz und die biologische Vielfalt: 1.) Win-Win-Szenarien (grüner Quadrant in der Grafik rechts) haben positive Folgen sowohl für das Klima als auch für die biologische Vielfalt, 2.) Win-Lose-Szenarien (gelber Quadrant) sind Trade-Off-Szenarien mit positiven Folgen für das Klima, aber negativen Folgen für die biologische Vielfalt, 3.) Lose-Win-Szenarien (gelber Quadrant) sind Trade-Off-Szenarien mit negativen Folgen für das Klima, aber positiven Folgen für die biologische Vielfalt, und 4.) Lose-Lose-Szenarien (roter Quadrant) haben negative Folgen sowohl für das Klima als auch für die biologische Vielfalt (siehe Grafik rechts). ⓘ
Langfristig könnte sich ein Anstieg der Bioenergie positiv auf die biologische Vielfalt auswirken, da "[...] der Klimawandel an sich ein Hauptfaktor für den Verlust der biologischen Vielfalt ist. Dies ist jedoch schwer zu quantifizieren, weshalb die Autoren als konservative Maßnahme nur Bioenergiepfade empfehlen, deren Auswirkungen auf die biologische Vielfalt kurzfristig als positiv angesehen werden. Dasselbe gilt für die Auswirkungen auf das Klima; es wurden nur Bioenergiepfade mit positiven kurzfristigen Folgen empfohlen (kurzfristig ist definiert als ein Zeitraum von 0-20 Jahren, mittelfristig von 30-50 Jahren und langfristig über 50 Jahre). Das Alternativszenario für alle Bioenergieszenarien war ein fossiler Brennstoffmix ("fossile Quellen"), d. h. nicht ausschließlich Kohle. Es wurden keine Markteffekte berücksichtigt, so dass die Ergebnisse nur für den Einsatz von Bioenergie in kleinem Maßstab gelten. ⓘ
Zu den Win-Win-Szenarien gehören die verstärkte Nutzung ganzer Bäume aus Niederwäldern, die verstärkte Nutzung dünner Waldreste aus borealen Wäldern mit langsamer Verrottungsgeschwindigkeit und die verstärkte Nutzung aller Arten von Reststoffen aus Wäldern der gemäßigten Zonen mit schnellerer Verrottungsgeschwindigkeit. Zu den Win-Win-Szenarien gehört auch die Aufforstung ehemaliger landwirtschaftlicher Flächen mit gemischten oder natürlich nachwachsenden Wäldern. Zu den Win-Lose-Szenarien (gut für das Klima, schlecht für die biologische Vielfalt) gehören die Aufforstung alter, an biologischer Vielfalt reicher Grasland-Ökosysteme, die nie Wälder waren, und die Aufforstung ehemaliger landwirtschaftlicher Flächen mit Monokultur-Plantagen. Zu den Lose-Win-Szenarien (schlecht für das Klima, gut für die biologische Vielfalt) gehört die Ausdehnung natürlicher Wälder auf ehemaligen landwirtschaftlichen Flächen. Zu den Lose-Lose-Szenarien gehören die verstärkte Nutzung von dicken Waldresten wie Baumstümpfen aus einigen borealen Wäldern, die nur langsam verrotten, und die Umwandlung von Naturwäldern in Forstplantagen. Einige der negativen Folgen in den Trade-Off-Szenarien (gelbe Quadranten) können durch die Umsetzung der RED-II-Nachhaltigkeitskriterien minimiert werden, z. B. durch No-Go-Areas für die Biomasse-Ernte. Da die europäischen Wälder jedoch altern, erwarten die Autoren einen moderaten Anstieg des Erntevolumens aufgrund der "Waldaltersdynamik" und um Emissionen durch Waldbrände, Schädlinge und Stürme zu vermeiden. Im Allgemeinen können Wissenschaftler die Situation so beschreiben, wie sie sie sehen, und politische Optionen aufzeigen, aber letztlich sollte es den Politikern überlassen bleiben, in den Abwägungsszenarien Prioritäten zwischen Klima- und Biodiversitätsschutz zu setzen, da diese Prioritätensetzung auf ethischen Wertentscheidungen und nicht auf der Wissenschaft beruht. ⓘ
Verschmutzung
Die traditionelle Verwendung von Holz in Kochöfen und offenen Feuern erzeugt Schadstoffe, die schwerwiegende Folgen für Gesundheit und Umwelt haben können. Eine Umstellung auf moderne Bioenergie trägt jedoch zur Verbesserung der Lebensbedingungen bei und kann die Bodendegradation und die Auswirkungen auf die Ökosystemleistungen verringern. Dem IPCC zufolge gibt es deutliche Hinweise darauf, dass moderne Bioenergie "große positive Auswirkungen" auf die Luftqualität hat. Ebenso argumentiert die IEA, dass die traditionelle Bioenergie ineffizient ist und dass der schrittweise Ausstieg aus dieser Energiequelle sowohl große gesundheitliche als auch große wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt. Bei der Verbrennung in Industrieanlagen werden die meisten Schadstoffe aus holzartiger Biomasse im Vergleich zur offenen Verbrennung um 97-99 % reduziert. Eine Studie über den riesigen braunen Dunst, der regelmäßig große Gebiete in Südasien bedeckt, ergab, dass er zu zwei Dritteln durch Kochen in Privathaushalten und landwirtschaftliche Verbrennung und zu einem Drittel durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe verursacht wurde. ⓘ
Lokale Proteste
Während man sich allgemein einig ist, dass Bioenergie die Treibhausgasemissionen auf globaler Ebene verringern kann, argumentieren Umweltschützer, dass eine erhöhte Nachfrage nach Biomasse an den Standorten, an denen die Biomasse erzeugt wird, zu erheblichen sozialen und ökologischen Belastungen führen kann. Die Auswirkungen hängen in erster Linie mit der geringen Oberflächenenergiedichte von Biomasse zusammen. Die niedrige Flächenleistungsdichte hat zur Folge, dass für die Erzeugung der gleichen Energiemenge wesentlich größere Landflächen benötigt werden als beispielsweise für fossile Brennstoffe. ⓘ
Machbarkeitsstudien zum Ersatz von Kohle in deutschen Kraftwerken durch Buschbiomasse, die in Namibia geerntet wird, wo mehr als 30 Millionen Hektar Buschland betroffen sind, haben Proteste von Umweltorganisationen hervorgerufen. Die Organisationen argumentieren, dass die Bäume und Sträucher Kohlenstoff speichern und ihre Verbrennung im Vorfeld mehr CO2 freisetzt als die Verbrennung von Kohle. Namibische Forscher argumentieren, dass das Vordringen des Busches zu Einkommenseinbußen bei den Landwirten, einer geringeren Artenvielfalt, einem niedrigeren Grundwasserspiegel und der Vertreibung von Wildtieren führt. Der Transport von Biomasse über weite Strecken wurde als verschwenderisch und nicht nachhaltig kritisiert, und in Schweden und Kanada gab es Proteste gegen den Export von Waldbiomasse. ⓘ
In Mississippi wurde ein Unternehmen, das Holzpellets für Kraftwerke im Vereinigten Königreich herstellt, zu einer Geldstrafe von 2,5 Mio. Dollar verurteilt, weil es über mehrere Jahre hinweg die Grenzwerte für flüchtige organische Verbindungen überschritten hatte. In einigen Fällen wurden große Flächen natürlicher Wälder illegal abgeholzt (z. B. in Rumänien und Sibirien), und der verbleibende Wald wurde in Brand gesetzt, um die illegalen Aktivitäten zu vertuschen. ⓘ
Die Debatte über Waldbiomasse
Schornsteinemissionen von Waldbiomasse im Vergleich zu Kohle
Die Schornsteinemissionen pro erzeugter Energieeinheit hängen vom Feuchtigkeitsgehalt des Brennstoffs, den chemischen Unterschieden zwischen den Brennstoffen und dem Umwandlungswirkungsgrad ab. Der Feuchtigkeitsgehalt von Holzpellets liegt normalerweise unter 10 %, wie in der ISO-Norm 17225-2:2014 definiert. Die Kohleart Anthrazit enthält in der Regel weniger als 15 % Feuchtigkeit, während bituminöse Kohle 2-15 %, subbituminöse Kohle 10-45 % und Braunkohle 30-60 % enthält. Die häufigste Kohleart in Europa ist Braunkohle. ⓘ
Bei der Verbrennung in Verbrennungsanlagen mit dem gleichen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wärme in Strom stößt ofentrockenes Holz im Vergleich zu ofentrockener Kohle etwas weniger CO2 pro erzeugter Wärmeeinheit aus. Viele reine Biomasse-Verbrennungsanlagen sind jedoch relativ klein und ineffizient im Vergleich zu den in der Regel viel größeren Kohlekraftwerken. Außerdem kann rohe Biomasse (z. B. Holzschnitzel) einen höheren Feuchtigkeitsgehalt haben als Kohle (insbesondere wenn die Kohle getrocknet wurde). In diesem Fall muss ein größerer Teil der dem Holz innewohnenden Energie allein für die Verdampfung der Feuchtigkeit aufgewendet werden als bei der trockeneren Kohle, was bedeutet, dass pro erzeugter Wärmeeinheit mehr CO2 ausgestoßen wird. ⓘ
Einige Forscher (z. B. die Forschungsgruppe Chatham House) argumentieren daher, dass "[...] die energetische Nutzung von holzartiger Biomasse höhere Emissionen freisetzen wird als Kohle [...]." Ebenso argumentiert das Manomet Center for Conservation Sciences, dass bei kleineren Versorgungsunternehmen bei einem Umwandlungswirkungsgrad von 32 % für Kohle und 20-25 % für Biomasse die Kohleemissionen um 31 % geringer sind als die Emissionen von Holzspänen. Der angenommene Feuchtigkeitsgehalt von Holzhackschnitzeln beträgt 45 %. Ein angenommener Feuchtigkeitsgehalt für Kohle wird nicht angegeben. ⓘ
Hektor et al. argumentieren, dass das Feuchtigkeitsproblem durch moderne Verbrennungsanlagen wirksam entschärft wird. Cowie et al. argumentieren, dass die Schornsteinemissionen für Biomasse und Kohle gleich sind, wenn Biomasse in großen Kraftwerken zusammen mit Kohle verbrannt wird, und dass torrefizierte Biomasse einen höheren Umwandlungswirkungsgrad hat als niedrig inkohlte Kohle. Holzpellets, die im britischen Drax-Kraftwerk (dem größten Biomassekraftwerk der Welt) verbrannt werden, haben einen Feuchtigkeitsgehalt von 7 %, und bei der Verbrennung hat das Kraftwerk einen höheren Umwandlungswirkungsgrad als der Durchschnitt der Kohlekraftwerke im Vereinigten Königreich (38,6 gegenüber 35,9 %). Die Schornsteinemissionen lagen 2015 um 2 % über dem britischen Durchschnitt für Kohle. Bezieht man die Emissionen aus der Lieferkette für Holzpellets mit ein (die Pellets werden aus den USA nach Großbritannien geliefert), werden die Emissionen nach Angaben von Drax im Vergleich zu Kohle um über 80 % reduziert.
Die Bioenergie-Beratungsgruppe FutureMetrics argumentiert, dass Holzpellets mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 6 % im Vergleich zu subbituminöser Kohle mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 15 % 22 % weniger CO2 für die gleiche Menge an erzeugter Wärme ausstoßen, wenn beide Brennstoffe in Anlagen mit dem gleichen Umwandlungswirkungsgrad (hier 37 %) verbrannt werden. Ebenso wird festgestellt, dass "[...] getrocknetes Holz mit einem MC [Feuchtigkeitsgehalt] von unter 20 % die gleichen oder geringere CO2-Emissionen pro MMBTU [Million British Thermal Units] aufweist wie die meiste Kohle. Holzpellets mit einem Feuchtigkeitsgehalt von unter 10 % verursachen unter sonst gleichen Bedingungen weniger CO2-Emissionen als Kohle". Wenn jedoch stattdessen rohe Holzspäne verwendet werden (45 % Feuchtigkeitsgehalt), emittiert diese Holzbiomasse bei der gleichen Menge erzeugter Wärme 9 % mehr CO2 als Kohle im Allgemeinen. ⓘ
Unter Berücksichtigung der bestehenden Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen schätzt die IEA Bioenergy, dass Waldbiomasse im Durchschnitt 10 % mehr CO2 als Kohle erzeugt, und der IPCC geht von 16 % aus. Beide Forschungsgruppen argumentieren jedoch, dass die Konzentration auf die Bruttoemissionen am Thema vorbeigeht; was zählt, ist der Netto-Klimaeffekt aus Emissionen und Absorption zusammengenommen. IEA Bioenergy kommt zu dem Schluss, dass das zusätzliche CO2 aus Biomasse "[...] irrelevant ist, wenn die Biomasse aus nachhaltig bewirtschafteten Wäldern stammt." ⓘ
Nachhaltige Forstwirtschaft und Waldschutz
Im Zusammenhang mit der CO2-Minderung ist der wichtigste Maßstab für die Nachhaltigkeit der Wälder die Größe des Kohlenstoffvorrats im Wald: "Das Kernziel aller Programme zur nachhaltigen Bewirtschaftung von Wirtschaftswäldern ist es, ein langfristiges Gleichgewicht zwischen Ernte und Wiederaufwuchs zu erreichen. [...] [D]ie praktische Auswirkung der Aufrechterhaltung eines Gleichgewichts zwischen Ernte und Nachwachsen besteht darin, die langfristigen Kohlenstoffvorräte in bewirtschafteten Wäldern stabil zu halten." Der IPCC definiert nachhaltige Forstwirtschaft in ähnlicher Weise und bezieht dabei ökologische, wirtschaftliche und soziale Kriterien mit ein. ⓘ
Nach Angaben der FAO ist der Kohlenstoffbestand der Wälder zwischen 1990 und 2020 weltweit um 0,9 % und der Baumbestand um 4,2 % zurückgegangen. Der IPCC stellt fest, dass Uneinigkeit darüber besteht, ob der globale Waldbestand schrumpft oder nicht, und zitiert Forschungsergebnisse, wonach der Baumbestand zwischen 1982 und 2016 um 7,1 % zugenommen hat. Der IPCC schreibt: "Während die oberirdischen Biomasse-Kohlenstoffvorräte in den Tropen schätzungsweise abnehmen, nehmen sie weltweit zu, weil die Vorräte in den Wäldern der gemäßigten und borealen Zonen zunehmen [...]." ⓘ
Einige Forscher scheinen mehr zu wollen als "nur" nachhaltig bewirtschaftete Wälder; sie wollen das volle Kohlenstoffspeicherpotenzial der Wälder nutzen. So schreibt die EASAC: "Es besteht die reale Gefahr, dass die gegenwärtige Politik die Nutzung der Wälder für die Energieerzeugung überbetont, anstatt die Waldbestände für die Kohlenstoffspeicherung zu vergrößern." Weiter argumentieren sie, dass "[...] es die älteren Wälder mit längerem Umtrieb und geschützte Altwälder sind, die die höchsten Kohlenstoffvorräte aufweisen." Chatham House argumentiert, dass alte Bäume eine sehr hohe Kohlenstoffabsorptionsrate haben und dass das Abholzen alter Bäume bedeutet, dass dieses große Potenzial für die künftige Kohlenstoffabsorption verloren geht. Außerdem gehe durch die Abholzung auch Kohlenstoff im Boden verloren. ⓘ
In Europa stehen 25 % aller Wälder unter Schutz, darunter 89 % der Primärwälder und Altbestände. Die neue Version der Richtlinie über erneuerbare Energien (RED II), die 2021 eingeführt wird, erweitert ihre Nachhaltigkeitskriterien von der Produktion flüssiger Biokraftstoffe auf feste (und gasförmige) Biokraftstoffe, die mit größerer Wahrscheinlichkeit aus Waldbiomasse hergestellt werden. ⓘ
Stephenson et al. stimmen darin überein, dass alte Bäume aufgrund der größeren Blattfläche ausgewachsener Bäume mehr CO2 absorbieren als junge Bäume. Allerdings wird der alte Wald (als Ganzes) irgendwann aufhören, CO2 zu absorbieren, weil die CO2-Emissionen der abgestorbenen Bäume die CO2-Absorption der verbleibenden lebenden Bäume aufheben. Die alten Wälder (oder Waldbestände) sind auch anfällig für natürliche Störungen, die CO2 erzeugen. Der IPCC schreibt: "Wenn die Vegetation reift oder wenn die Kohlenstoffspeicher in der Vegetation und im Boden gesättigt sind, geht die jährliche CO2-Entnahme aus der Atmosphäre gegen Null, während die Kohlenstoffvorräte erhalten bleiben können (hohes Vertrauen). Der in der Vegetation und in den Böden gespeicherte Kohlenstoff ist jedoch durch künftige Verluste (oder eine Umkehrung der Senke) gefährdet, die durch Störungen wie Überschwemmungen, Dürre, Feuer oder Schädlingsbefall oder durch künftige schlechte Bewirtschaftung ausgelöst werden (hohes Vertrauen)". Zusammenfassend schreibt der IPCC, dass "[...] Landschaften mit älteren Wäldern mehr Kohlenstoff akkumuliert haben, aber ihre Senkenstärke abnimmt, während Landschaften mit jüngeren Wäldern weniger Kohlenstoff enthalten, aber sie entfernen CO2 aus der Atmosphäre mit einer viel höheren Rate [...]." ⓘ
Die Gemeinsame Forschungsstelle der EU schreibt, dass die gemessenen Auswirkungen von Ernte und Wiederaufforstung auf den Bodenkohlenstoff "[...] kurzfristig gering sind, wobei sich die Kohlenstoffabnahme auf den Waldboden und nahe der Bodenoberfläche konzentriert und die Kohlenstoffzunahme in den tiefen mineralischen Bodenschichten erfolgt". Die GFS argumentiert auch, dass "die Ernte von Bäumen zur Biomasseerzeugung langfristig nur geringe Auswirkungen auf die Kohlenstoffvorräte im Boden hat, wenn die oberflächlichen Bodenschichten, die organisches Material enthalten (O-Horizont), vor Ort belassen werden, die Nährstoffversorgung gewährleistet ist und der Standort sich regenerieren kann [...]". Der IPCC stellt fest, dass die derzeitige wissenschaftliche Grundlage nicht ausreicht, um Emissionsfaktoren für den Bodenkohlenstoff zu ermitteln. ⓘ
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Der IPCC argumentiert, dass der Netto-Klimaeffekt der Umwandlung von unbewirtschaftetem in bewirtschafteten Wald je nach den Umständen positiv oder negativ sein kann. Der Kohlenstoffbestand wird verringert, aber da bewirtschaftete Wälder schneller wachsen als unbewirtschaftete Wälder, wird mehr Kohlenstoff aufgenommen. Positive Auswirkungen auf das Klima ergeben sich, wenn die geerntete Biomasse effizient genutzt wird. Es besteht ein Zielkonflikt zwischen den Vorteilen eines maximalen Waldkohlenstoffbestands, der keinen weiteren Kohlenstoff mehr aufnimmt, und den Vorteilen, die sich ergeben, wenn ein Teil dieses Kohlenstoffbestands "freigesetzt" wird und stattdessen als erneuerbarer Ersatz für fossile Brennstoffe dient, beispielsweise in Sektoren, deren Dekarbonisierung schwierig oder teuer ist. Bei der Nutzung wandert dieser Kohlenstoff aus dem Kohlenstoffpool des Waldes in forstwirtschaftliche Erzeugnisse und Energieträger, dann über die Verbrennung in die Atmosphäre und schließlich über die Photosynthese zurück in den Wald. Bei jedem Hin- und Rückweg verdrängt er mehr und mehr Kohlenstoff aus fossilen Brennstoffen, die normalerweise für die Wärmeerzeugung, die Industrie und die Stromerzeugung verwendet werden. Nach einigen Umläufen übersteigt die Menge des verdrängten Kohlenstoffs die Menge des eingeschlossenen Kohlenstoffs bei weitem: "Die in den nachfolgenden Umläufen kumulativ erzeugte Biomasse kann die im Szenario ohne Bioenergie erzeugte Biomasse bei weitem übersteigen und stellt somit eine 'zusätzliche Biomasse' dar, die kumulative Netto-THG-Einsparungen liefert, die die THG-Kosten der Reduzierung des Kohlenstoffbestands im Wald übersteigen [...]." Anders formuliert: "Wenn man den Wald weiter wachsen lässt, wird Energie aus Biomasse durch fossile Brennstoffe ersetzt und Holzprodukte werden durch alternative Materialien ersetzt." Die Bergleute argumentieren, dass "langfristig die Verwendung von nachhaltig erzeugter Waldbiomasse als Ersatz für kohlenstoffintensive Produkte und fossile Brennstoffe eine größere dauerhafte Verringerung des atmosphärischen CO2 bewirkt als die Erhaltung." ⓘ
Zusammenfassend schreibt die IEA Bioenergy: "Wie der IPCC in mehreren Berichten hervorgehoben hat, können Wälder, die für die Produktion von Schnittholz, Bioenergie und anderen Holzprodukten bewirtschaftet werden, aus drei Gründen einen größeren Beitrag zur Abschwächung des Klimawandels leisten als Wälder, die nur zum Schutz bewirtschaftet werden. Erstens nimmt die Senkenwirkung mit zunehmender Reife der Schutzwälder ab. Zweitens werden durch Holzprodukte treibhausgasintensive Materialien und fossile Brennstoffe verdrängt. Drittens ist der Kohlenstoff in Wäldern anfällig für Verluste durch natürliche Ereignisse wie Insektenbefall oder Waldbrände, wie kürzlich in vielen Teilen der Welt, darunter Australien und Kalifornien, zu beobachten war. Die Bewirtschaftung der Wälder kann dazu beitragen, die Gesamtmenge des in den Kohlenstoffpools der Wälder und Holzerzeugnisse gebundenen Kohlenstoffs zu erhöhen, das Risiko des Verlusts von gebundenem Kohlenstoff zu verringern und den Einsatz fossiler Brennstoffe zu reduzieren. ⓘ
Der IPCC argumentiert, dass eine nachhaltige Waldbewirtschaftung "[...], die auf die Bereitstellung von Holz, Fasern, Biomasse und Nichtholz-Ressourcen abzielt, den Lebensunterhalt von Gemeinschaften langfristig sichern, das Risiko der Waldumwandlung in nicht-waldbezogene Nutzungen (Siedlungen, Ackerbau usw.) verringern und die Bodenproduktivität aufrechterhalten kann, wodurch die Risiken der Bodendegradation verringert werden [...]." Der Zusammenhang zwischen den wirtschaftlichen Möglichkeiten der Forstwirtschaft und der Vergrößerung des Waldes wird auch von anderen Forschern hervorgehoben. Cowie et al. argumentieren jedoch, dass in einigen Situationen, "[...] wie etwa in hohen Breitengraden, in denen die Waldproduktivität sehr gering ist, eine größere Reduktion aus dem Erhalt und der Verbesserung der Kohlenstoffvorräte der Wälder resultieren kann als aus der Abholzung von Wäldern für Holzprodukte einschließlich Bioenergie, insbesondere wenn die THG-Einsparungen aus der Bioenergienutzung gering sind [...]". Sie argumentieren auch, dass Wälder, die Einkommen für private Waldbesitzer produzieren, wahrscheinlich nicht geschützt werden. Wenn Waldprodukte gefragt sind und die Wälder daher für die Holzproduktion bewirtschaftet werden, ist das realistischste No-Bioenergie-Szenario nicht der Schutz der Wälder, sondern die fortgesetzte Holzproduktion ohne die Sammlung und Nutzung von Reststoffen. In diesem Fall verrotten die Rückstände stattdessen von selbst oder werden verbrannt, was in beiden Fällen zu Emissionen führt, ohne dass fossile Brennstoffe verdrängt werden. Die realistischsten No-Bioenergy-Szenarien bei geringer Nachfrage nach forstwirtschaftlichen Erzeugnissen sind die Umstellung der Landnutzung auf natürliche Wälder (mit erhöhtem Risiko für Waldbrände) oder die Abholzung zur Vorbereitung der Landwirtschaft oder der Urbanisierung. ⓘ
Daten der FAO zeigen, dass die meisten Holzpellets in Regionen produziert werden, in denen nachhaltig bewirtschaftete Wälder vorherrschen, was die obigen Argumente möglicherweise untermauert. Europa (einschließlich Russland) stellte 2019 54 % der weltweiten Holzpellets her, und der Kohlenstoffbestand der Wälder in diesem Gebiet stieg zwischen 1990 und 2020 von 158,7 auf 172,4 Gt. In der EU nimmt die oberirdische Waldbiomasse im Durchschnitt um 1,3 % pro Jahr zu, allerdings verlangsamt sich der Anstieg, weil die Wälder reifen. Im Jahr 2020 wird die bewaldete Fläche 39,8 % der gesamten Landfläche der EU ausmachen. Ebenso wurden 2019 in Nordamerika 29 % der weltweiten Pellets produziert, während der Kohlenstoffbestand der Wälder im gleichen Zeitraum von 136,6 auf 140 Gt anstieg. In Afrika sank der Kohlenstoffbestand von 94,3 auf 80,9 Gt, in Süd- und Südostasien zusammen von 45,8 auf 41,5 Gt, in Ozeanien von 33,4 auf 33,1 Gt, in Mittelamerika von 5 auf 4,1 Gt und in Südamerika von 161,8 auf 144,8 Gt. Die Holzpelletproduktion in diesen Gebieten zusammengenommen lag 2019 bei 13,2 %. Chatham House argumentiert jedoch, dass "die Kohlenstoffvorräte in den Wäldern aus Gründen, die nichts mit der energetischen Nutzung zu tun haben, gleich bleiben oder zunehmen könnten." ⓘ
Kurzfristige Dringlichkeit
Einige Forschungsgruppen argumentieren nach wie vor, dass der Kohlenstoffbestand der Wälder in Europa und Nordamerika zwar zunimmt, es aber einfach zu lange dauert, bis die abgeholzten Bäume wieder nachwachsen. EASAC beispielsweise argumentiert, dass die Welt auf dem besten Weg ist, das vereinbarte Ziel eines Temperaturanstiegs von 1,5 Grad bereits in etwa einem Jahrzehnt zu erreichen, und dass Bioenergie aus Quellen mit hohen Amortisations- und Paritätszeiten das Erreichen dieses Ziels erschwert. Sie schlagen daher vor, dass die EU ihre Nachhaltigkeitskriterien so anpassen sollte, dass nur erneuerbare Energien mit Kohlenstoffrückzahlungszeiten von weniger als 10 Jahren als nachhaltig definiert werden, z. B. Wind- und Solarenergie, Biomasse aus Holzresten und Baumdurchforstungen, die sonst verbrannt werden oder relativ schnell verrotten würden, sowie Biomasse aus Kurzumtriebsplantagen (SRC). ⓘ
Cowie et al. argumentieren, dass "[...] eine 10-jährige Amortisationszeit als Kriterium für die Identifizierung geeigneter Minderungsoptionen mit dem langfristigen Temperaturziel des Pariser Abkommens unvereinbar ist, das verlangt, dass in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts ein Gleichgewicht zwischen Emission und Abbau erreicht wird [...]." Sie argumentieren auch, dass sich die Emissionen aus Bioenergie grundlegend von den Emissionen aus fossilen Brennstoffen unterscheiden, da erstere zirkulär und letztere linear sind. Biomasse ist mit der derzeitigen Energieinfrastruktur kompatibel, funktioniert also schon heute, während vorgeschlagene Alternativen mit geringen Emissionen "[...] möglicherweise durch eine unausgereifte Entwicklung, hohe Kosten oder die Abhängigkeit von einer neuen Infrastruktur eingeschränkt werden." ⓘ
Chatham House argumentiert, dass es auf der Temperaturskala Kipppunkte geben könnte, an denen sich die Erwärmung beschleunigt. Cowie et al. argumentieren, dass Kipp-Punkte eine Ungewissheit sind, aber ein globaler Kipp-Punkt scheint unwahrscheinlich, "[...] wenn die Erwärmung 2°C nicht überschreitet [...]". Der IPCC argumentiert, dass es zwar "[...] Argumente für die Existenz regionaler Kipppunkte gibt, insbesondere in der Arktis [...]", dass es aber "[...] in keinem der umfassendsten Modelle, die bisher in Studien über die Klimaentwicklung im 21. ⓘ
Eine wichtige Voraussetzung für das Argument "das Nachwachsen der Bäume ist zu langsam" ist die Ansicht, dass die Kohlenstoffbuchhaltung erst dann beginnen sollte, wenn die Bäume eines bestimmten, abgeernteten Waldbestands verbrannt werden, und nicht, wenn die Bäume in diesem Bestand zu wachsen beginnen (siehe oben: Zeitliche Systemgrenzen). In diesem Rahmen ist es möglich zu argumentieren, dass das Verbrennungsereignis eine Kohlenstoffschuld erzeugt, die durch das Nachwachsen des abgeernteten Bestands zurückgezahlt werden muss. ⓘ
Wenn man stattdessen davon ausgeht, dass die Kohlenstoffbuchhaltung mit dem Beginn des Wachstums der Bäume beginnen sollte, wird es unmöglich zu argumentieren, dass der emittierte Kohlenstoff eine Schuld darstellt. FutureMetrics zum Beispiel argumentieren, dass der geerntete Kohlenstoff keine Schuld ist, sondern "[...] ein Nutzen, der durch 30 Jahre Management und Wachstum verdient wurde [...]". Ebenso argumentieren Lamers & Junginger, dass die Eigentümer bestehender intensiv bewirtschafteter Wälder mit gleichmäßigem Alter wahrscheinlich das Gründungsjahr der Plantage als logisches Startjahr für die Kohlenstoffbilanzierung betrachten werden und dass die Ernte eine Kohlenstoffgutschrift einlöst, anstatt eine neue Schuld zu schaffen. Aus der Sicht eines politischen Entscheidungsträgers stellt sich jedoch [...] eher die Frage, ob er/sie Anreize für die Ernte zur Nutzung von Bioenergie schaffen sollte oder nicht." Mit anderen Worten: "[...] was für die Klimapolitik wichtig ist, ist das Verständnis des Unterschieds in den zukünftigen atmosphärischen Treibhausgaswerten mit und ohne Umstellung auf holzartige Biomasseenergie. Das frühere Wachstum des Waldes ist für die politische Frage irrelevant [...]". Wenn diese Argumentation später auch auf neue Forstplantagen angewandt wird, die auf "leeren" Flächen gepflanzt werden (z. B. auf landwirtschaftlichen Flächen oder Grenzertragsflächen), verschiebt sich der Beginn der Kohlenstoffbilanzierung vom Zeitpunkt der Pflanzung zum Zeitpunkt der Ernte, z. B. nach dem zweiten Umtrieb. ⓘ
Wie bereits in den räumlichen Systemgrenzen erwähnt, beschränken einige Forscher ihre Kohlenstoffbilanzierung auf bestimmte Waldbestände und ignorieren die Kohlenstoffabsorption, die im übrigen Wald stattfindet. Andere Forscher beziehen die gesamte Waldlandschaft in ihre Kohlenstoffbilanzierung ein. FutureMetrics zum Beispiel argumentiert, dass der gesamte Wald kontinuierlich CO2 absorbiert und daher die relativ geringen Mengen an Biomasse, die in Biomasseanlagen von Tag zu Tag verbrannt werden, sofort ausgleicht. Ebenso kritisiert IEA Bioenergy, dass EASAC die Kohlenstoffabsorption in der Waldlandschaft ignoriert und darauf hinweist, dass es keinen Nettoverlust an Kohlenstoff gibt, wenn die jährliche Ernte geringer ist als das jährliche Wachstum des Waldes. ⓘ
Der IPCC argumentiert in eine ähnliche Richtung: "Während einzelne Bestände in einem Wald entweder Quellen oder Senken sein können, wird die Kohlenstoffbilanz des Waldes durch die Summe der Nettobilanz aller Bestände bestimmt." Der IPCC stellt außerdem fest, dass der einzige universell anwendbare Ansatz für die Kohlenstoffbilanzierung derjenige ist, der sowohl die Kohlenstoffemissionen als auch die Kohlenstoffabnahme (Absorption) für bewirtschaftete Flächen (z. B. Waldlandschaften) berücksichtigt. Bei der Berechnung der Gesamtsumme werden natürliche Störungen wie Brände und Insektenbefall abgezogen, und was übrig bleibt, ist der menschliche Einfluss. ⓘ
Rundholz und Rückstände
Die Forscher diskutieren auch über die Verwendung von Rundholz im Vergleich zu Holzabfällen. Die Gemeinsame Forschungsstelle der EU definiert Rundholz als das gesamte holzige Material, das aus dem Wald entnommen wird, und Holzabfälle als die Teile, die höchstwahrscheinlich im Wald verbleiben würden, wenn keine Nachfrage nach Bioenergie bestünde. 20 % der gefällten Biomasse verbleiben derzeit als Holzabfälle im Wald. Zu den Rückständen gehören Baumkronen, Äste und Stümpfe, aber auch Durchforstungsholz (kleine, dünne, junge Bäume, die zur Steigerung der Produktivität des gesamten Waldbestands gerodet werden), Bergungsholz und Bäume, die zur Bekämpfung der Brandgefahr gerodet werden. Stammholz ist eine Art von Rundholz; nach der Definition der GFS wird der Stamm des Baumes in einer Höhe von 15 cm über dem Boden abgeschnitten und erstreckt sich in gerader Linie bis zu einem Punkt, an dem der Stammdurchmesser mindestens 9 cm betragen sollte. Siehe Fußnote für die vollständigen Definitionen von Rundholz, Stammholz, Brennholz, Bergungsholz, Zellstoffholz und Schnittholz. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass Restholz und kaskadiertes Holz (Holzprodukte, die am Ende ihrer Nutzungsdauer zur Energiegewinnung verbrannt werden) die "positiven Klimaauswirkungen der Bioenergie" maximieren. In Europa werden etwa 20 % des Stammholzes für die Bioenergie genutzt, der Rest besteht aus Holzabfällen, Verarbeitungsrückständen und Gebrauchsholz. Mindestens die Hälfte des Stammholzes stammt aus Niederwäldern mit Kurzumtrieb, die geringe Amortisationszeiten haben und Ökosystemleistungen erbringen. ⓘ
Chatham House argumentiert, dass es besser wäre, wenn ein Teil der als Rundholz definierten Biomasse (vor allem Stämme) nicht geerntet und für Holzpellets verwendet würde, da dies den wachsenden Kohlenstoffbestand im Wald erhöhen würde. Außerdem argumentieren sie, dass "[...] Bäume, die nicht als hochwertiges Sägeholz eingestuft werden, dennoch für Zellstoff, Platten oder laminierte Produkte verwendet werden könnten". Mit anderen Worten: Es wäre besser, diese geringwertige Biomasse als Rohstoff für andere Produkte zu verwenden als für Holzpellets, da der Kohlenstoff im ersteren Fall länger gespeichert wird. Chatham House argumentiert auch, dass alle verfügbaren Sägereste bereits für die Pelletproduktion genutzt werden, so dass es keinen Spielraum für eine Ausweitung gibt. Damit der Bioenergiesektor in Zukunft erheblich expandieren kann, muss ein größerer Teil des geernteten Zellstoffs an Pelletierwerke geliefert werden. ⓘ
Cowie et al. argumentieren, dass in den USA etwa 20 % "[...] Rundholz (auch als Stammholz bezeichnet), wie z. B. kleine Stämme aus der Durchforstung [...]" für Holzpellets verwendet werden. Die Verwendung von Stammholz aus Kurzumtriebswäldern hat jedoch eine kurze Umtriebszeit, und in Langumtriebswäldern besteht das für Holzpellets verwendete Stammholz in der Regel aus Nebenprodukten der Schnittholzproduktion (Durchforstungen oder unregelmäßige/geschädigte Stammabschnitte von größeren Bäumen). Die Schnittholzproduktion sichert über 90 % des Einkommens der Förster und ist der Hauptgrund für die Existenz der Forstwirtschaft. Ohne einen Markt für die minderwertigen Stammabschnitte oder Durchforstungen würden diese im Wald verrotten oder am Straßenrand verbrannt werden. Cowie et al. argumentieren außerdem, dass die Verwendung von Durchforstungsholz für Bioenergie den Kohlenstoffverschiebungseffekt von Holzprodukten verstärkt, da durch die Durchforstung mehr Schnittholz erzeugt wird. ⓘ
Ebenso argumentiert FutureMetrics, dass es für Förster keinen Sinn macht, Rundholz in Sägeholzqualität an Pelletierwerke zu verkaufen, da sie von den Sägewerken viel mehr Geld für diesen Teil des Baumes erhalten. Die Förster verdienen 80-90 % ihres Einkommens mit Rundholz in Sägeholzqualität und nur 10-15 % mit Zellstoffholz, definiert als a.) der obere Teil des Stammes, der zu dünn oder zu krumm ist, um für die Schnittholzproduktion verwendet zu werden, sowie Äste und b.) Durchforstungsholz. Diese geringwertige Biomasse wird hauptsächlich an Zellstofffabriken für die Papierherstellung verkauft, in einigen Fällen aber auch an Pelletfabriken für die Pelletproduktion. Pellets werden in der Regel aus Sägerestholz in Gebieten mit Sägewerken, aber auch aus Zellstoff in Gebieten ohne Sägewerke hergestellt. Lamers & Junginger argumentieren, dass der "[...] höhere wirtschaftliche Wert von Holz- und Zelluloseprodukten eine großflächige Nutzung von ganzen Bäumen für energetische Zwecke höchst unwahrscheinlich macht, wo immer es einen regionalen Wettbewerb um die Fasern gibt." Laut der Gemeinsamen Forschungsstelle der EU sind sowohl der Bioenergiesektor als auch der Holzplatten- und der Zellstoffsektor "[...] alle von der Nachfrage nach Schnittholz abhängig und konkurrieren um dieselben Rohstoffe". ⓘ
Kurzfristige vs. langfristige Klimavorteile
Cowie et al. zufolge "[...] wird die wahrgenommene Attraktivität bestimmter forstwirtschaftlicher Bioenergieoptionen durch die Priorität beeinflusst, die kurzfristigen gegenüber längerfristigen Klimazielen eingeräumt wird". Der IPCC stellt beispielsweise fest, dass Strategien zur Vermeidung von Kohlenstoffemissionen durch Wälder immer einen kurzfristigen Nutzen für die Abschwächung des Klimawandels bringen, argumentiert aber, dass der langfristige Nutzen nachhaltiger forstwirtschaftlicher Aktivitäten wichtiger ist:
Bezogen auf eine Basislinie werden die größten kurzfristigen Gewinne immer durch Minderungsmaßnahmen erzielt, die auf die Vermeidung von Emissionen abzielen [...]. Aber sobald eine Emission vermieden wurde, werden die Kohlenstoffvorräte in diesem Wald lediglich beibehalten oder leicht erhöht. [...] Langfristig wird eine nachhaltige Waldbewirtschaftungsstrategie, die darauf abzielt, die Kohlenstoffvorräte des Waldes zu erhalten oder zu erhöhen und gleichzeitig einen jährlichen Ertrag an Holz, Fasern oder Energie aus dem Wald zu erzielen, den größten nachhaltigen Nutzen für den Klimaschutz bringen. ⓘ
In ähnlicher Weise stellt der IPCC in Bezug auf die Frage der Klimaauswirkungen der modernen Bioenergie im Allgemeinen fest: "Die Lebenszyklus-THG-Emissionen moderner Bioenergie-Alternativen sind in der Regel niedriger als die von fossilen Brennstoffen [...]." Folglich beinhalten die meisten THG-Minderungspfade des IPCC einen erheblichen Einsatz von Bioenergietechnologien. Begrenzte oder fehlende Bioenergiepfade führen zu einer Verstärkung des Klimawandels oder zu einer Verlagerung der Minderungslast der Bioenergie auf andere Sektoren. Darüber hinaus steigen die Kosten für den Klimaschutz. ⓘ
Die IEA Bioenergy argumentiert, dass eine ausschließliche Fokussierung auf die kurze Frist es schwieriger macht, langfristig eine effiziente Kohlenstoffreduzierung zu erreichen, und vergleicht Investitionen in neue Bioenergietechnologien mit Investitionen in andere Technologien für erneuerbare Energien, die erst nach 2030 zu Emissionsreduzierungen führen, z. B. die Ausweitung der Batterieherstellung oder die Entwicklung der Eisenbahninfrastruktur. Die National Association of University Forest Resources Programs empfiehlt einen Zeithorizont von 100 Jahren, um eine realistische Einschätzung der kumulativen Emissionen zu erhalten. ⓘ
Begriff
Bisher konnte sich kein einheitlicher Biomasse-Begriff etablieren. Die in der Literatur auffindbaren Biomasse-Begriffe unterscheiden sich mehr oder weniger stark. Zudem lassen sie sich in zwei Gruppen gliedern:
- Ökologische Biomasse-Begriffe sind nicht einheitlich. Ein Grund ist, dass Biomasse sich verändert, während Lebewesen untereinander und mit ihrer unbelebten Umwelt wechselwirken. Derzeit besteht keine Einigkeit über die Definition. Stattdessen existiert eine bunte Vielfalt von ökologischen Biomasse-Begriffen nebeneinander. ⓘ
- Energietechnische Biomasse-Begriffe umfassen ausschließlich solche biotischen Stoffe, die als Energiequellen genutzt werden können. Die diversen energietechnischen Biomasse-Begriffe unterscheiden sich voneinander bloß in Nuancen. ⓘ
Ökologischer Begriff „Biomasse“
Die Entwicklung des ökologischen Biomasse-Begriffs führt zurück in die 1920er. Damals versuchte der russische Naturwissenschaftler Wladimir Iwanowitsch Wernadski (1863–1945) zu schätzen, welche Masse alle irdischen Lebewesen zusammen genommen besitzen könnten. Er stellte seine Schätzungen das erste Mal 1922 oder 1923 vor, als er in Paris Vorlesungen über Geochemie hielt. Ein Essay zur Vorlesung wurde 1924 in französischer Sprache veröffentlicht. Nach weiteren Überlegungen ließ Wernadski 1926 ein kurzes Buch in russischer Sprache folgen. In seinen Überlegungen verwendete er allerdings noch nicht den Ausdruck Biomasse. ⓘ
Die Bezeichnung Biomasse wurde ein Jahr später eingeführt. Die Einführung erfolgte durch den deutschen Zoologen Reinhard Demoll (1882–1960). Die Bezeichnung wurde 1931 aufgegriffen vom russischen Ozeanographen Lev Aleksandrovich Zenkevich (1889–1970):
„By biomass (Demoll) we term the quantity of substance in living organisms per unit of surface or volume.“
„Mit Biomasse ([nach Reinhard] Demoll) bezeichnen wir die Menge an Substanz in lebenden Organismen pro Einheit Oberfläche oder [pro Einheit] Volumen.“
Zenkevich – und vor ihm Demoll – benannten mit Biomasse einfach die Masse, die alle lebenden Organismen eines bestimmten Bereichs zusammen genommen besitzen. Hier zeigt sich die erste Definition des ökologischen Biomasse-Begriffs, die immer noch verwendet wird. ⓘ
- Biomasse (Demoll 1927): Masse der Lebewesen pro Raumbereich. ⓘ
Zenkevich beeinflusste die erste naturwissenschaftliche Publikation, die in ihrem Titel den Ausdruck Biomasse führte. Sie wurde ebenfalls von einem Russen verfasst. Im Jahr 1934 veröffentlichte der Gewässerbiologe Veniamin Grigor'evič Bogorov (1904–1971) seine Studie Seasonal Changes in Biomass of Calanus finmarchicus in the Plymouth Area in 1930. ⓘ
Bogorov befasste sich mit der Biomasse aller Ruderfußkrebse der Art Calanus finmarchicus in den Gewässern von Plymouth. Er betrachtete demnach die Biomasse einer bestimmten Population – also der Individuen einer Art innerhalb eines bestimmten Areals, die miteinander eine Fortpflanzungsgemeinschaft bilden. Aus Bogorovs Studie geht außerdem hervor, dass er die Biomasse erst maß, nachdem die gefangenen Organismen in einem Exsiccator über Calciumchlorid getrocknet worden waren. Er maß also ihr Trockengewicht. Somit entwickelte Bogorov eine zweite Definition des ökologischen Biomasse-Begriffs, die ebenfalls bis heute Gültigkeit besitzt. ⓘ
- Biomasse (Bogorov 1934): Gemeinsame Trockenmasse aller Individuen einer Population. ⓘ
Innerhalb von sieben Jahren waren bereits zwei verschiedene Definitionen des ökologischen Biomasse-Begriffs entwickelt worden. In den darauf folgenden Jahrzehnten gesellten sich viele weitere hinzu, die von den beiden ursprünglichen Definitionen mehr oder weniger stark abwichen:
- Die meisten ökologischen Biomasse-Begriffe beziehen sich auf getrocknete Biomasse. Gelegentlich jedoch wird der Wassergehalt nicht heraus gerechnet.
- Einige ökologische Biomasse-Begriffe beinhalten sowohl lebende als auch tote Biomasse. Andere beziehen sich ausschließlich auf lebende Biomasse.
- Die meisten ökologischen Biomasse-Begriffe umfassen die Masse der Zellen. Und sie umfassen zusätzlich jene Dinge, die von Zellen ausgeschieden oder abgesondert werden. Vereinzelt jedoch wird ausschließlich die Zellsubstanz als Biomasse bezeichnet.
- In der Vergangenheit bezogen sich viele ökologische Biomasse-Begriffe allein auf die Massen von Pflanzen und Tieren. Zunehmend wird aber auch die Masse der Mikroorganismen berücksichtigt. ⓘ
Kein ökologischer Biomasse-Begriff schließt fossile Energieträger, Kerogen oder biogene Sedimentgesteine mit ein, obwohl jene Stoffe abgewandelte Formen toter Biomasse darstellen. ⓘ
Energietechnischer Biomasse-Begriff
Der energietechnische Biomasse-Begriff umfasst ausschließlich tierische und pflanzliche Erzeugnisse, die zur Gewinnung von Heizenergie, von elektrischer Energie und als Kraftstoffe verwendet werden können. Im Vergleich mit den ökologischen Biomasse-Begriffen ist der energietechnische Biomasse-Begriff viel enger gefasst. Denn erstens bezieht er sich ausschließlich auf tierische und pflanzliche, nie jedoch auf mikrobielle Stoffe. Und zweitens umfasst er innerhalb der tierischen und pflanzlichen Stoffe nur solche Substanzen, die energietechnisch verwertet werden können. ⓘ
„Biomasse: Organische Stoffe biogener, nicht fossiler Art zur energetischen Nutzung. Verwendung in Biomasse-Heizanlagen.“
„Biomasse im Sinne dieser Verordnung sind Energieträger aus Phyto- und Zoomasse. Hierzu gehören auch aus Phyto- und Zoomasse resultierende Folge- und Nebenprodukte, Rückstände und Abfälle, deren Energiegehalt aus Phyto- und Zoomasse stammt.“
Als Formen energietechnisch berücksichtigter Biomasse werden genannt: Holzpellets, Hackschnitzel, Stroh, Getreide, Altholz, pflanzliches Treibgut, Biodiesel und Biogas. Energietechnisch relevante Biomasse kann demnach in gasförmiger, flüssiger und fester Form vorliegen. ⓘ
Typen von Biomasse
Lebende Biomasse
An der Basis der Bildung von Biomasse stehen die Primärproduzenten. Das sind Organismen, die energiearme Baustoffe der unbelebten Umwelt entnehmen und in Nährstoffe umwandeln. Die Energie, die sie für diese Umwandlung benötigen, entnehmen sie ebenfalls der unbelebten Umwelt (Autotrophie). Unbelebte Energiequellen der Autotrophie sind Licht (Photoautotrophie) und bestimmte chemische Reaktionen (Chemoautotrophie). Die meistverbreiteten, vielzelligen Primärproduzenten des Festlandes sind die photoautotrophen Landpflanzen. Die meistverbreiteten Primärproduzenten der lichtdurchfluteten Meeresbereiche sind mikroskopisch klein und gehören somit zum Phytoplankton. ⓘ
Konsumenten ernähren sich von den Primärproduzenten und/oder von anderen Konsumenten. Die verzehrten Organismen oder Organismenteile werden von den Konsumenten verdaut und anschließend genutzt, um eigene Biomasse aufzubauen. Auf diese Weise wird zum Beispiel pflanzliche Biomasse umgewandelt in tierische Biomasse (→ zum Beispiel Veredelung). ⓘ
Dabei kann nicht sämtliche verzehrte Biomasse vollständig verdaut werden. Ein gewisser Anteil wird wieder weitgehend unverdaut ausgeschieden. Zudem verwenden Konsumenten den größten Teil der verdaubaren Biomasse zur Energiebereitstellung (Katabolismus). Nur ein kleiner Teil wird in körpereigene Biomasse gewandelt (Anabolismus). Demzufolge stellen Konsumenten nur einen geringen Teil der gesamten Biomasse. ⓘ
Auch abgestorbene Pflanzen, Tiere und andere Lebewesen werden als Biomasse bezeichnet. Solche Biomasse wird wiederum von Destruenten zersetzt und zum Aufbau eigener Biomasse genutzt. Destruenten führen letztlich zum weitestgehenden Abbau von Biomasse. Am Ende werden wieder jene energiearmen Baustoffe freigesetzt, aus denen die Primärproduzenten neue Biomasse aufbauen können: Der Stoffkreislauf wird geschlossen. ⓘ
Tote Biomasse
Einen großen Anteil der Biomasse macht tote organ(ism)ische Substanz aus. Tote Biomasse wird allgemein Bestandsabfall genannt. ⓘ
Bei Pflanzen besteht die tote Biomasse (tote Phytomasse) aus abgestorbenen oder abgestoßenen Pflanzenteilen. Dazu zählen abgebrochene/abgerissene Blätter, Seitensprosse, Zweige und Äste. Außerdem das gefallene Laub, überzählige Pollen und Spermatozoiden, nicht gekeimte Pflanzensporen und -samen, sowie liegen gebliebene Früchte. Es können aber auch ganze Pflanzen absterben. Größere tote Äste und ganze abgestorbene Bäume werden Totholz genannt. ⓘ
Bei Tieren besteht die tote Biomasse (tote Zoomasse) ebenfalls aus abgestorbenen oder abgestoßenen Körperteilen. Dazu zählen ausgefallene oder ausgerissene Haare, Federn und Schuppen. Ebenso Exuvien, Puppenhüllen, Kokonreste, Eierschalen, Eihäute-Reste und abgestoßene Plazenten. Außerdem ausgerissene und abgetrennte Körperteile (→ Autotomie) und übrig gebliebenes Sperma (bei äußerer Befruchtung → Fischmilch). Es können aber natürlich auch ganze Tiere absterben (→ Kadaver) oder nicht befruchtete Eier anfallen. Zur toten Zoomasse gehören weiterhin viele Ausscheidungen, zuvörderst die Exkremente. ⓘ
Tote Phytomasse von Landpflanzen (ohne Totholz) heißt Streu. Streu bildet mit der Zeit auf der Erdoberfläche eine dicke Schicht (Streuschicht/Streuauflage). In die Streuschicht ist auch tote Zoomasse eingebettet. ⓘ
Der Bestandsabfall, der in Gewässern anfällt, wird Detritus genannt. ⓘ
Neben der Bezeichnung tote Biomasse existiert auch die Bezeichnung Nekromasse. In der fachwissenschaftlichen Literatur werden beide Bezeichnungen allerdings nur in einigen Fällen synonym verwendet. In anderen Fällen bezeichnet Nekromasse demhingegen ausschließlich tote Phytomasse. ⓘ
Ein Teil der toten Biomasse lagert sich in Bereichen ab, an denen Destruenten kaum existieren können. In derart destruentenarmen Bereichen herrscht meistens extreme Sauerstoffarmut (Hypoxie) oder gar Sauerstofffreiheit (Anoxie). Wegen der stark eingeschränkten Destruententätigkeit können sich in jenen Bereichen allmählich umfangreiche Mengen kaum zersetzter Biomasse ansammeln. Diese kaum zersetzte Biomasse wird zum Ausgangsstoff für Fossile Energieträger. Dazu zählen Erdgas und Erdöl sowie die beiden biogenen Sedimente Kohle und Torf. Fossile Energieträger werden nicht mehr als Biomasse betrachtet. Das Gleiche gilt für Kerogen und für die übrigen biogenen Sedimente. Zwar gehen auch biogene Kalksteine, biogene Kieselgesteine und biogene Phosphorite auf bestimmte Formen toter Biomasse zurück. Dennoch werden sie ebenfalls nicht zur Biomasse gezählt. ⓘ
Zusammensetzung von Biomasse
Biomasse besteht vor allem aus lebenden oder toten Lebewesen, die wiederum aus einer Vielzahl verschiedener Verbindungen bestehen. Die quantitativ wichtigsten Verbindungen lassen sich zu drei Verbindungsklassen zusammenfassen:
- Kohlenhydrate (Zucker): Sie machen den größten Teil der Biomasse aus und bestehen aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff. Sie kommen z. B. als Monomer (Monosaccharid, Einfachzucker) Glucose (Traubenzucker), Disaccharid (Zweifachzucker) Saccharose (Rohr- oder Rübenzucker) oder als Polysaccharid (Vielfachzucker) Stärke und Cellulose häufig vor. In Pflanzen dienen sie als Energiespeicher (v. a. Stärke) oder Baustoff (v. a. Cellulose).
- Fette (Öle, Lipide): Fette kommen vor allem als Triacylglycerid vor, einem Ester aus drei Fettsäuren und Glycerin. Die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff sind enthalten, wobei der Sauerstoff einen deutlich kleineren Anteil ausmacht, als bei den Kohlenhydraten. Daher ist Fett pro Masse deutlich energiereicher. Es findet sich in Derivaten als Baustoff der Zellmembran, aber vor allem als Speichersubstanz, z. B. in Ölfrüchten.
- Proteine (Eiweiße): Proteine sind Polymere aus verschiedenen Aminosäuren. Sie bestehen aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel. Als Enzyme oder Baustoff (Strukturproteine) erfüllen sie zentrale Funktionen bei Pflanzen und Tieren. ⓘ
Daneben finden sich noch viele weitere Verbindungen in Biomasse, wie Lignin, Nukleotide und anderes. ⓘ
Hinsichtlich der enthaltenen chemischen Elemente besteht Biomasse hauptsächlich aus Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor, Kalium, Calcium und Magnesium, zu geringeren Anteilen aus Eisen, Mangan, Zink, Kupfer, Chlor, Bor, Molybdän und weiteren Elementen. ⓘ
Den größten Teil der Biomasse machen lebende oder abgestorbene Pflanzen aus. Lebende Pflanzen bestehen vor allem aus Kohlenhydraten wie Cellulose. Mehrjährige Pflanzen bilden Holz, das vor allem aus Lignocellulose, einer Verknüpfung von Lignin und Cellulose, besteht. Nach dem Absterben von Pflanzen werden leicht abbaubare Verbindungen wie Proteine, Fette und Mono- und Oligosaccharide meist schnell abgebaut. Schwer bis sehr schwer abbaubare Verbindungen wie Cellulose und Lignocellulose überdauern deutlich länger. Im Falle von Lignin ist dies auf den hohen Anteil an Benzol-Ringen in der chemischen Struktur zurückzuführen. ⓘ
Mengen
Die Menge an Biomasse wird in der Regel angegeben als ihre Trockenbiomasse. Als Maßeinheiten werden verwendet Gramm (g), Kilogramm (kg), Tonne (Einheit) (t) und Gigatonne (109 t). Zunehmend wird anstelle der Trockenmasse auch ihr Gehalt an Kohlenstoff angegeben, denn auf diese Weise wird deutlich, wie viel Kohlenstoff in Biomasse gespeichert vorliegt. Weiterhin wird dadurch abschätzbar, wie viel anorganischer Kohlenstoff (in Kohlendioxid und Hydrogencarbonat) jährlich der unbelebten Umwelt entnommen und von den Lebewesen in Biomasse neu eingebaut wird. ⓘ
Mengen nach dem energietechnischen Biomasse-Begriff
- (siehe auch Artikel Biomassepotenzial)
- (zum Potenzial von Bioenergie siehe auch Artikel Bioenergie) ⓘ
Das Volumen der landwirtschaftlichen Abfälle wird auf 10 bis 14 km³ geschätzt. Das sind jährlich durchschnittlich 42,5 t neuer Biomasse pro ha. In naturbelassenen Wäldern steht dieser Produktion ein Abbau von Biomasse (Totholz, Laub etc.) in ähnlicher Dimension gegenüber, so dass netto keine Zu- oder Abnahme erfolgt. Die jährlich allein in den Wäldern produzierte Biomasse enthält das 25fache der Energie des jährlich geförderten Erdöls. ⓘ
Eine durchschnittliche 80-jährige Buche hat etwa eine Höhe von 25 Meter und besitzt eine Trockenmasse von 1,8 Tonnen Holz. In ihr sind etwa 0,9 Tonnen Kohlenstoff gebunden. Die Energiemenge des Holzes dieser Buche entspricht etwa 900 Liter Heizöl. Eine lebende Buche erzeugt den Sauerstoffbedarf für 10 Menschen. ⓘ
Aus technischen, ökonomischen, ökologische und anderen Gründen ist nur ein Teil der Biomasse für die Nutzung durch den Menschen erschließbar, so dass ihr potentieller Beitrag zur Energieversorgung begrenzt ist. ⓘ
Die Energie der jährlich erzeugten pflanzlichen Nahrungsmittel für die Erdbevölkerung entspricht etwa 20 Exajoule. Reste der Nahrungsmittelproduktion (Reis, Weizen, Mais, Zuckerrohr), die für den menschlichen Organismus nicht verwertbar sind wie Stängel, Hülsen usw. mit einem theoretisch gewinnbaren Energieinhalt von ca. 65 Exajoule werden derzeit einfach verbrannt. Die verbrannte Biomasse aus Resten der Nahrungsmittelproduktion beträgt jährlich etwa 2 Gigatonnen. Mindestens 38 Exajoule wären energetisch jährlich nutzbar. ⓘ
Das theoretisch nutzbare Biomassepotenzial der Erde entspricht einem Energieinhalt von 2000 bis 2900 Exajoule der Landmasse und etwa 1000 Exajoule in Gewässern und Meeren. Technisch könnte man jährlich ca. 1200 Exajoule nutzen. Manche technisch möglichen Nutzungen haben jedoch bei ökonomischen Belangen Grenzen. Ökonomisch nutzbar nach Abwägung der Kosten wären nur ca. 800 Exajoule im Jahr. Der weltweite Verbrauch an Primärenergie (Erdöl, Erdgas, Kohle, Atomenergie, erneuerbarer Energie) betrug im Jahre 2004 etwa 463 Exajoule. ⓘ
Biomassenutzung
Biomasse hat für Menschen eine wichtige Funktion als Lebensmittel und als Futtermittel in der Tierzucht, Rohstoff (nachwachsender Rohstoff – abgekürzt Nawaro) und Energieträger (so genannte Bioenergien wie Brennholz, Biokraftstoff etc.). Der Mensch nutzt derzeit einen beträchtlichen Teil der weltweit verfügbaren Biomasse. Aber auch vom Menschen nicht genutzte Biomasse hat eine wichtige Funktion in Ökosystemen, beispielsweise als Nährstoff oder Lebensraum für verschiedene Lebewesen. Darüber hinaus sind große Mengen Kohlenstoff in Biomasse gespeichert, die beim Abbau der Biomasse als das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO2) freigesetzt werden. Biomasse spielt deshalb eine bedeutende Rolle für das Klima. ⓘ
Vorteile
- Die Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen kann der Schonung von Rohstoffressourcen, wie beispielsweise Erdöl, dienen. Bei regionaler Bereitstellung der nachwachsenden Rohstoffe kann die politische und ökonomische Abhängigkeit zum Beispiel von Staaten mit großen Erdölvorkommen, sinken.
- Erneuerbare Energien aus nachwachsenden Rohstoffen ermöglichen eine CO2-neutrale bzw. eine CO2-ärmere Energieerzeugung.
- Nachwachsende Rohstoffe lassen sich relativ günstig lagern. ⓘ
Nachteile
- Bei Ausweitung der Biomassenutzung auf bislang ungenutzte Naturflächen (zum Beispiel Rodung von Wäldern) können Ökosysteme zerstört und die Biodiversität gefährdet werden. Vor allem bei der Brandrodung werden außerdem große Mengen CO2 freigesetzt.
- Die zunehmende energetische und stoffliche Nutzung kann zur Flächenkonkurrenz gegenüber der Nahrungsmittelproduktion führen. (siehe Artikel Bioenergie und Biokraftstoff)
- Bei der landwirtschaftlichen Biomasseerzeugung werden Düngemittel (Stickstoff-, Phosphor-, Kali-Dünger und andere Dünger) eingesetzt, was zu Treibhausgasemissionen (Distickstoffmonoxid aus Stickstoffdünger), Nitrat-Eintrag (NO3−) ins Grundwasser, Nährstoffeintrag in Oberflächengewässer (Eutrophierung) und weiteren Schädigungen führt. Durch Pestizideinsatz können Umwelt- und Gesundheitsschäden entstehen.
- Durch die Ausweitung der Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen werden Wasserressourcen genutzt, die ökologisch wichtig sind oder andernorts die Trinkwasserversorgung sicherstellen.
- Die Verbrennung fester Biomasse (beispielsweise Holz) ist ohne besondere Maßnahmen mit höheren Schadstoffemissionen (Kohlenmonoxid, Ruß, PAK) verbunden als bei Verbrennung von Öl oder Gas.
- Durch Verbrennung in Anlagen wird Trocken- und Totholz dem natürlichen Kreislauf entzogen und der über Jahrzehnte in den Sedimenten des Waldbodens gespeicherte Kohlenstoff in kurzer Zeit als CO2 in die Atmosphäre verbracht.
- Die Ernte, Aufarbeitung und Verbringung ist mit großem Verbrauch von fossilen Energiequellen und elektrischer Energie sowie umfangreichem maschinellen Aufwand verbunden. ⓘ
Biomassenutzung in Deutschland
Der größte Teil der in Deutschland genutzten Biomasse dient der Erzeugung von Lebensmitteln und Futtermitteln, als nachwachsender Rohstoff zur stofflichen Nutzung (Nutzholz, Stärke und dergleichen) oder der klassischen energetischen Verwendung in Form von Brennholz (auch in Form des Agraischen Anbaus in Kurzumtriebsplantagen). Rechtliche Definitionen enthält die Biomasseverordnung (BiomasseV). ⓘ
Seit mehreren Jahren findet eine deutliche Zunahme der Biomassenutzung statt. Hauptgrund ist die zunehmende energetische Verwendung (Bioenergie). Durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) wird unter anderem der Einsatz von Biomasse zur Stromerzeugung gefördert, wie beispielsweise die Verbrennung von Holz in Biomasseheizwerken und Biomasseheizkraftwerken, oder die Vergärung von Gülle und Silage aus Energiepflanzen in Biogasanlagen und anschließende Verstromung des Biogases. ⓘ
Biokraftstoffe werden durch reduzierte Steuersätze (Energiesteuergesetz) und Beimischungsquoten (Biokraftstoffquotengesetz) staatlich unterstützt, da sie fossile Rohstoffe schonen, das Klima weniger belasten und die Importabhängigkeit reduzieren. ⓘ
Der nachhaltige Anbau, also die Beachtung ökologischer und sozialer Kriterien, wird durch die Biomassestrom-Nachhaltigkeitsverordnung (BioSt-NachV) sichergestellt: Hersteller von Bioenergie oder Biokraftstoffen müssen nachweisen, dass die Produkte umwelt-, klima- und naturschonend hergestellt wurden. Der Nachweis erfolgt im Rahmen einer Zertifizierung durch akkreditierte Zertifizierungsstellen wie zum Beispiel Bureau Veritas oder den Technischen Überwachungs-Verein. Damit werden ökologische Schäden, wie zum Beispiel die energetische Nutzung von Palmöl aus abgeholzten Regenwaldgebieten, vermieden. ⓘ
Die Wärmeerzeugung aus Bioenergie wird durch das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) gefördert, vor allem die Nutzung von Biomasse für Pelletheizungen und Hackschnitzelheizungen. ⓘ
Die Nutzung von Holz und Stroh zu Heizzwecken in Deutschland steigerte sich von 1995 bis 2006 von 124 Petajoule auf 334 Petajoule. Die Herstellung von Biodiesel erhöhte sich von 2 Petajoule im Jahr 1995 auf 163 Petajoule im Jahr 2006. Die Biogasproduktion nahm von 14 Petajoule im Jahr 1995 auf 66 Petajoule im Jahr 2006 zu. Zum Vergleich: Der gesamte Mineralölverbrauch in Deutschland betrug 5179 Petajoule im Jahr 2006. Bei der Stromerzeugung steigerte sich der Anteil aus Biomasse und biogenem Abfall von 670 GWh bzw. 1.350 GWh im Jahr 1995 auf 14.988 GWh bzw. 3.600 GWh im Jahr 2006. Die Stromerzeugung aus Biomasse entsprach im Jahr 2006 etwa der Stromerzeugung aus Wasserkraft. ⓘ
2013 wurden in Deutschland auf mehr als einem Zehntel der Ackerbauflächen Energiepflanzen als Gärsubstrat für Biogasanlagen angebaut. ⓘ