Biotechnologische Energieumwandlung: Gegenwärtige Situation, Chancen und künftiger Forschungsbedarf (acatech DISKUTIERT) (German Edition)

THOMAS BLEY Der Sauerstoff in der Erdatmosphäre ist das Ergebnis des Stoffwechsels von Mik- organismen vor etwa 700 Millionen Jahren. Die fossilen Rohstoffe, die den überw- genden Teil des Energiebedarfs der Menschheit decken, sind gewandelte Biomassen, im Wesentlichen p?anzlichen und mikrobiellen Ursprungs. Bis vor etwa 200 Jahren, also vor vergleichsweise kurzer Zeit, waren Biomassen als nachwachsende Rohstoffe die wi- tigste Quelle für die Energieversorgung der Menschheit – zum Heizen, zum Kochen, bei der Metallgewinnung und als „Treibstoff“ für die Arbeitstiere. Wenn wir heute einen Anteil der erneuerbaren Energien am gesamten Primärenergieverbrauch von ca. fünf Prozent erreichen und davon wiederum nur 25 Prozent auf eine biotechnologisch gewandelte Biomasse entfallen (der Rest wird schlicht im Ofen verbrannt), so ist das verbleibende 1 eine Prozent zunächst wohl als vernachlässigbare Größe anzusehen. 1 POTENZIAL DER BIOTECHNOLOGISCHEN ENERGIEUMWANDLUNG IN DEUTSCH- LAND Eine Diskussion, die sich noch nicht einmal mit der energetischen Nutzung von Biomasse insgesamt beschäftigen will, sondern nur mit einem Teil davon, nämlich jenem, der noch eine biotechnologische Energieumwandlung erfährt – ist das relevant? Tatsächlich spielt die biotechnologische Energieumwandlung (Bioethanol, Biogas) gegenwärtig eine wichtige Rolle. In der öffentlichen Wahrnehmung handelt es sich dabei um eine CO -neutrale, ökologisch wertvolle Art der Energie- und insbesondere 2 auch der Kraftstoffbereitstellung. Die gegenwärtige Situation bei der Beurteilung der biotechnologischen Energieumwandlung ist, besonders auch in Deutschland, durch eine Vielzahl von Partikularinteressen (Landwirtschaft, Automobilwirtschaft, Energ- wirtschaft) geprägt. Title Page 1 Copyright Page 2 Table of Contents 4 VORWORT 8 1 POTENZIAL DER BIOTECHNOLOGISCHEN ENERGIEUMWANDLUNG IN DEUTSCHLAND 8 2 BIOTECHNOLOGISCHE ENERGIEUMWANDLUNG 9 3 DAS acatech PROJEKT 9 4 LITERATUR 10 BIOENERGIE IN DEUTSCHLAND 11 1 GRUNDLEGENDE ASPEKTE DER BIOENERGIE 11 1.1 PRIMÄRENERGIEVERBRAUCH UND ERNEUERBARE ENERGIEN 11 1.2 POTENZIALE UND POLITISCHE OPTIONEN 12 1.3 ALLGEMEINE BIOKRAFTSTOFFBEWERTUNG 14 2 BIOKRAFTSTOFFE DER 1. GENERATION 15 2.1 BIOETHANOL DER 1. GENERATION 16 2.1.1 TECHNISCHE ANFORDERUNGEN AN DEN BIOKRAFTSTOFF 16 2.1.2 BIOLOGISCH-CHEMISCHER HINTERGRUND VON BIOETHANOL 16 2.1.3 AKTUELLE SITUATION BIOETHANOL 16 2.2 BIODIESEL UND PFLANZENÖLKRAFTSTOFFE 17 2.2.1 TECHNISCHE ANFORDERUNGEN AN BIODIESEL 17 2.2.2 BIOLOGISCH-CHEMISCHER HINTERGRUND VON BIODIESEL 17 2.2.3 PFLANZENÖLKRAFTSTOFFE 18 2.2.4 AKTUELLE SITUATION BIODIESEL UND PFLANZENÖLKRAFTSTOFFE 18 3 BIOKRAFTSTOFFE DER 2. GENERATION 18 3.1 BIOETHANOL DER 2. GENERATION 19 3.2 BIOBUTANOL DER 2. GENERATION 21 3.4 BTL-KRAFTSTOFFE 21 4 BIOGENES METHAN 22 4.1 BIOGASERZEUGUNG – BIOLOGISCH-CHEMISCHER HINTERGRUND 22 4.2 BIOGASANLAGEN: VIELE VERSCHIEDENE VERFAHREN 23 4.3 AKTUELLE SITUATION BIOGAS 23 5 BIOWASSERSTOFF 25 5.1 ERZEUGUNG VON BIOWASSERSTOFF 25 5.2 FORSCHUNG AUF DEM GEBIET BIOWASSERSTOFF 26 5.3 FORSCHUNGSGRUPPEN AUF DEM GEBIET BIOWASSERSTOFF 27 6 ZUSAMMENFASSUNG 28 7 LITERATUR 30 ERFOLGSFAKTOREN DER BIOETHANOLPRODUKTION 34 1 BIOETHANOL ERGÄNZT UND ERSETZT BENZIN 34 2 ERFOLGSFAKTOREN 35 2.1 ROHSTOFFAUSWAHL 35 2.1.1 PFLANZENART UND BIOCHEMISCHE FAKTOREN 35 2.1.2 LANDWIRTSCHAFTLICHE FAKTOREN 37 2.1.3 LOGISTIKKOSTEN 37 2.1.4 BESTIMMUNG DES PRODUKTIONSPROZESSES 38 2.1.5 MÖGLICHE ENERGIEQUELLEN FÜR DIE PRODUKTIONSANLAGEN 39 2.1.6 ROHSTOFFBEDINGTE PRODUKTIONSKOSTEN 39 2.2 NIEDRIGE ENERGIEKOSTEN 40 2.3 MAXIMIERUNG DER RAUM-ZEIT-AUSBEUTE 41 2.3.1 MAXIMIERUNG DER RAUM-ZEIT-AUSBEUTE DURCH HEFE-RÜCKFÜHRUNG 41 2.4 PRODUKTVERBUND 42 2.5 ROBUSTHEIT DER FERMENTATION 44 2.5.1 REAKTIONSFÜHRUNG 45 2.5.2 WAHL DES PRODUKTIONSORGANISMUS 45 2.5.3 ANPASSUNG DES PRODUKTIONSORGANISMUS 45 2.6 FREIE MARKTGETRIEBENE NACHFRAGE 46 2.7 NACHHALTIGKEIT 48 3 ZUSAMMENFASSUNG UND SCHLUSSFOLGERUNG 49 3.1 BIOETHANOL IST BEREITS EIN ERFOLGREICHER OTTOKRAFTSTOFF 49 3.2 POTENZIAL FÜR DEUTSCHLAND 50 4 LITERATUR 50 BIOETHANOL DER 2. GENERATION 54 1 EINLEITUNG 54 2 POTENZIALE EINER ENERGIEPOLITIK AUF BASIS NACHWACHSENDER ROHSTOFFE 54 3 POLITISCHE INITIATIVEN UND ERFORDERNISSE FÜR EINE FÖRDERUNG VON BIOKRAFTSTOFFEN DER 2. GENERATION 55 4 FAZIT 56 VERBESSERUNG DER EFFIZIENZ UND UMWELTVER- TRÄGLICHKEIT VON BIOGASANLAGEN 57 1 EINLEITUNG 57 2 AKTUELLER ENTWICKLUNGSSTAND UND GEGENWÄRTIGE PROBLEME 59 3 ZUKÜNFTIGE ENTWICKLUNGEN 61 3.1 SUBSTRATE 61 3.2 GÄRPROZESS 63 3.3 ANLAGENTECHNIK 63 3.4 GASVERWERTUNG 64 3.5 GÄRRESTVERWERTUNG 65 4 FORSCHUNGSBEDARF 65 5 FAZIT 65 6 LITERATUR 66 BRENNSTOFFZELLEN FÜR BIOGAS: AUFBAU UND BETRIEB EINES SOFC-SYSTEMS 68 1 EINLEITUNG 68 2 MOTIVATION UND ZIELSETZUNG 68 3 SYSTEMKONZEPT UND KONSTRUKTIVE UMSETZUNG 70 4 EXPERIMENTELLE ERGEBNISSE 73 5 AUSBLICK UND WEITERES VORGEHEN 75 6 WIRTSCHAFTLICHE UMSETZUNG 75 7 ZUSAMMENFASSUNG 76 8 LITERATUR 77 BIOMASSE HOLZ 78 1 AUSGANGSSITUATION UND PROBLEMSTELLUNG 78 2 POTENZIALE UND LÖSUNGSANSÄTZE 78 3 FAZIT 79 4 LITERATUR 80 MIKROALGEN ALS ENERGIETRÄGER DER ZUKUNFT 81 1 EINLEITUNG 81 2 MIKROALGEN 81 3 BIOTECHNOLOGISCHE NUTZUNG 83 4 INDUSTRIELLE PRODUKTION VON TREIBSTOFFEN 85 4.1 ALGENKULTIVIERUNGSSYSTEME 85 4.2 NEUE SYSTEME IN DER ERPROBUNGSPHASE 87 5 AKTUELLER STAND DER TECHNIK 89 6 FAZIT 89 „BIOMASSENUTZUNG IN MITTELDEUTSCHLAND“: EIN PROJEKT DER SÄCHSISCHEN AKADEMIE DER WISSENSCHAFTEN 90 1 ZIELE DES PROJEKTNETZWERKES 90 2 HANDLUNGSBEDARF UND POTENZIALE 90 3 KOOPERATIONEN UND REGIONALE VERANKERUNG DES PROJEKTNETZWERKES 91 4 ZUKUNFTSWEISENDE FRAGESTELLUNGEN 92 POTENZIAL DER BIOTECHNOLOGISCHEN ENERGIE- UMWANDLUNG IN DEUTSCHLAND: EIN RESÜMEE DER DISKUSSION 93 LITERATUR 95 AUTORENVERZEICHNIS 97 acatech – DEUTSCHE AKADEMIE DER TECHNIKWISSENSCHAFTEN 102 acatech DISKUTIERT 102 BISHER SIND IN DER REIHE „acatech DISKUTIERT“ FOLGENDE BÄNDE ERSCHIENEN: 103 Front Matter....Pages 1-11 Bioenergie in Deutschland....Pages 13-35 Erfolgsfaktoren der Bioethanolproduktion....Pages 37-56 Bioethanol Der 2. Generation....Pages 57-59 Verbesserung der Effizienz und Umweltver-Träglichkeit von Biogasanlagen....Pages 61-71 Brennstoffzellen für Biogas: Aufbau und Betrieb Eines Sofc-Systems....Pages 73-82 Biomasse Holz....Pages 83-85 Mikroalgen als Energieträger der Zukunft....Pages 87-95 „Biomassenutzung in Mitteldeutschland“: Ein Projekt der Sächsischen Akademie der Wissenschaften....Pages 97-99 Potenzial der Biotechnologischen Energie-Umwandlung in Deutschland: Ein Resümee der Diskussion....Pages 101-104 Back Matter....Pages 105-112 Was kommt nach den fossilen Energieträgern? Wie ist der Einsatz von Biomasse für die Energiegewinnung zu bewerten? Der Band versammelt ausgewählte Diskussionsbeiträge eines von der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (acatech) im Herbst 2008 veranstalteten Workshops. Im Mittelpunkt der Diskussion stehen die Energieträger Bioethanol und Biogas sowie Algen und Pflanzen als regenerative Energiequellen – insbesondere mit Blick auf den Beitrag, den die Biotechnologie leisten kann.