Energiepflanze

Eine Energiepflanze ist eine Pflanze, die als eine kostengünstige und wartungsarme Ernte gezüchtet wird, die zur Herstellung von Biotreibstoffen wie Bioethanol verwendet wird, oder deren Energiegehalt zur Erzeugung von Elektrizität oder Wärme verbrannt wird. Energiepflanzen werden allgemein als holzige oder krautige Pflanzen klassifiziert; viele der letzteren sind Gräser der Familie Graminaceae.

Kommerzielle Energiepflanzen sind typischerweise dicht bepflanzte, ertragreiche Pflanzenarten, die zu Biotreibstoff verarbeitet und verbrannt werden, um Energie zu erzeugen. Gehölzpflanzen wie Weiden oder Pappeln sind weit verbreitet, ebenso wie gemäßigte Gräser wie Miscanthus und Pennisetum purpureum (beide bekannt als Elefantengras). Wenn Kohlenhydratgehalt für die Produktion von Biogas gewünscht wird, können ganze Kulturen wie Mais, Sudangras, Hirse, weißer Klee und viele andere zu Silage verarbeitet und dann in Biogas umgewandelt werden.

Durch gentechnische Veränderung und Anwendung der Biotechnologie können Pflanzen manipuliert werden, um höhere Erträge zu erzielen, hohe Energieerträge können aber auch mit bestehenden Sorten realisiert werden. Allerdings ergeben sich einige zusätzliche Vorteile wie reduzierte Nebenkosten (dh Kosten während des Herstellungsprozesses) und weniger Wasserverbrauch kann nur erreicht werden, indem Genetically_modified_crops # Biofuel gentechnisch veränderte Pflanzen verwendet werden.

Definition und Abgrenzung
Energiepflanzen sind landwirtschaftliche Nutzpflanzen, deren Hauptziel die Erzeugung von Energie ist, im Gegensatz zu Pflanzen für die Nahrungsmittelproduktion, Futterpflanzen und Industriepflanzen. Wildpflanzen, die z. B. als Brennholz energetisch eingesetzt werden, zählen nicht zu den Energiepflanzen. Waldpflanzen, die auf landwirtschaftlichen Flächen zur Energiegewinnung angebaut werden (z. B. in Kurzumtriebsplantagen), sind in der Regel eingeschlossen. Teilweise werden Energiepflanzen nur dann gesprochen, wenn in der gesamten Anlage Energie verbraucht wird.

Entscheidend ist die Nutzung der Pflanze. So werden Mais sowohl als Mais für den menschlichen Verzehr als auch als Futtermais (Maissilage) für Tierfutter oder als Energiemais für die Biogasproduktion angebaut. Je nach Nutzungsrichtung unterscheiden sich die für Energiepflanzen verwendeten Sorten und Anbaumethoden teilweise von denen für Lebens- und Futtermittel.

Pflanzengruppen und Verwendung
Zahlreiche Pflanzenarten sind zur energetischen Nutzung geeignet. Darunter sind sowohl traditionelle Ackerbaukulturen, für die zum Teil für die Nutzung von Energie optimierte Sorten angebaut werden (zB Raps, Mais), als auch Kulturen, die nicht oder kaum bewirtschaftet, aber unter dem Aspekt der energetischen Nutzung interessant sind (z. B. Miscanthus, Perennial Silphie, Sida hermaphrodita). Bisher hat sich der Anbau auf bereits weit verbreitete Ackerkulturen konzentriert.Die Züchtung neuer Sorten und der Einsatz neuer Pflanzen stehen erst am Anfang. In der folgenden Tabelle sind einige Pflanzenarten und -gruppen aufgeführt, die in Mitteleuropa als Energiepflanzen angebaut werden. Energiepflanzen mit bedeutender Anbaufläche oder potenziellem Potenzial in anderen Regionen können betroffen sein. ein. Soja, Ölpalme, Spülmutter und Zuckerrohr.

In zunehmendem Maße werden schnell wachsende Gehölze wie Weiden, Pappeln und Robinien auf landwirtschaftlichen Flächen in Mitteleuropa angebaut, um der wachsenden Nachfrage nach Holzbiomasse gerecht zu werden. Dies zeigt, dass besonders feuchte Feldstandorte für den Anbau von Weiden und Pappeln geeignet sind, da ihr Wachstum stark von der Wasserverfügbarkeit abhängt. Zum Beispiel zeigen potenzielle Schätzungen für Deutschland besondere günstige Standorte im Nordwesten (Methoden und Ergebnisse, mit Daten und Karten in den Quellen). Beim Wachstum ist jedoch zu beachten, dass der hohe Wasserverbrauch von Pflanzen auch negative Auswirkungen auf empfindliche aquatische Ökosysteme haben kann. Dennoch bietet der Anbau eine alternative Nutzungsform für überfülltes Ackerland.

Energiepflanzen in Mitteleuropa und ihre Verwendung

Rohmaterial Methode Produkt Pflanze (Frucht)
Zucker und stärkehaltige Pflanzenteile Fermentation (Ethanol-Fermentation) biogener Flüssigkraftstoff
(Bioethanol, Kraftstoffadditive)
Zuckerrübe, Kartoffel,
Maiskorn, Maiskorn
ölige Pflanzenteile Drücken / Extrahieren,
(Umesterung)
biogener Flüssigkraftstoff
(Pflanzenölkraftstoff, Biodiesel)
Rapssamen, Sonnenblumenkerne
biogene feste Brennstoffe
(Ganz- oder Teilpflanze, Stückholz, Hackschnitzel, Pellets)
Verbrennung Wärme und Elektrizität aus biogenen festen Brennstoffen Bäume, Gräser, Getreide (Getreide),
Miscanthus
vergärbare Biomasse
(Substrat: ganze oder teilweise Pflanze, organischer Abfall)
Fermentation (anaerober Abbau mit Methanbildung) Wärme und Strom aus Biomasse,
biogenes Brenngas (Biomethan)
Mais, Getreide, Getreide,
Zuckerrübe

Energiepflanzen werden zur Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie sowie von Biokraftstoffen verwendet. Es wird eine Vielzahl von Nutzungspfaden verwendet, insbesondere die Fermentation oder Biogasproduktion in Biogasanlagen (Verwendung als Gärsubstrat), Verbrennung (Verwendung als Biokraftstoff) und verschiedene andere Formen der vollständigen oder teilweisen Umwandlung der Biomasse (einschließlich Pyrolyse, Herstellung synthetischer Biokraftstoffe ( BtL)).Energieträger sind entweder das Pflanzensubstrat selbst nach der Zerkleinerung (z. B. biogene feste Brennstoffe wie Brennholz, Pellets), Pressen / Extraktion oder Weiterverarbeitung (z. B. biogene Flüssigbrennstoffe wie Pflanzenölkraftstoff, Bioethanol, Biodiesel, BTL) oder energiereiche Gase durch Vergasung der Biomasse (z. B. biogene Brenngase wie Biogas, Synthesegas, Wasserstoff) erhalten.
Typen

Nach Staat

Feste Biomasse
Energie, die durch das Verbrennen von zu diesem Zweck gezüchteten Pflanzen erzeugt wird, oft nachdem die Trockensubstanz pelletiert wurde. Energiepflanzen werden zum Abfeuern von Kraftwerken verwendet, entweder allein oder gemeinsam mit anderen Brennstoffen. Alternativ können sie für die Erzeugung von Wärme oder Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) verwendet werden.

Um den steigenden Anforderungen an Holzbiomasse gerecht zu werden, wurden Kurzumtriebsplantagen (KUP) auf landwirtschaftlichen Flächen eingesetzt. Innerhalb dieser Anbausysteme werden schnell wachsende Baumarten wie Weiden und Pappeln in Wachstumszyklen von drei bis fünf Jahren gepflanzt. Die Kultivierung dieser Kulturen ist abhängig von feuchten Bodenverhältnissen und könnte eine Alternative für Feuchtfeldsiedlungen sein. Ein Einfluss auf lokale Wasserverhältnisse konnte jedoch nicht ausgeschlossen werden. Dies deutet darauf hin, dass ein Betrieb die Nähe zu gefährdeten Feuchtgebietökosystemen ausschließen sollte.

Gasbiomasse (Methan)
Anaerobe Fermenter oder Biogasanlagen können direkt nach dem Silieren mit Energiepflanzen ergänzt werden. Der am schnellsten wachsende Sektor der deutschen Biofarmerzeugung liegt im Bereich “Erneuerbare Energiepflanzen” auf knapp 500.000 ha Land (2006). Energiepflanzen können auch angebaut werden, um die Gasausbeute dort zu erhöhen, wo Rohstoffe einen niedrigen Energiegehalt aufweisen, wie Dünger und verdorbenes Getreide. Es wird geschätzt, dass der Energieertrag von Bioenergiepflanzen, die über Silage zu Methan umgewandelt werden, etwa 2 GWh / km2 (1,8 × 1010 BTU / Quadratmi) beträgt. Kleine gemischte Anbaufirmen mit Tieren können einen Teil ihrer Anbaufläche nutzen, um Energiepflanzen anzubauen und umzubauen und den Energiebedarf der gesamten Farm mit etwa einem Fünftel der Anbaufläche zu decken. In Europa und insbesondere in Deutschland ist dieses schnelle Wachstum jedoch nur mit erheblicher staatlicher Unterstützung wie im deutschen Bonussystem für erneuerbare Energien erfolgt. Ähnliche Entwicklungen bei der Integration von Ackerbau und Bioenergieproduktion über Silage-Methan wurden in Nordamerika fast vollständig übersehen, wo politische und strukturelle Probleme und ein enormer anhaltender Druck zur Zentralisierung der Energieproduktion positive Entwicklungen überschattet haben.

Flüssige Biomasse

Biodiesel
Die europäische Produktion von Biodiesel aus Energiepflanzen ist in den letzten zehn Jahren stetig gewachsen, wobei der Schwerpunkt hauptsächlich auf Raps für Öl und Energie liegt. Die Produktion von Öl / Biodiesel aus Raps umfasst allein in Deutschland mehr als 12.000 km² und hat sich in den letzten 15 Jahren verdoppelt. Die typische Ausbeute an Öl als reinem Biodiesel kann 100.000 L / km2 oder mehr betragen, was Biodieselpflanzen wirtschaftlich attraktiv macht, vorausgesetzt, es gibt nachhaltige Fruchtfolgen, die nährstoffausgeglichen und präventiv sind von der Verbreitung von Krankheit wie clubroot. Biodiesel-Ausbeute von Sojabohnen ist deutlich niedriger als die von Raps.

Typisches Öl, das nach Gewicht extrahierbar ist

Ernte Öl %
Kopra 62
Rizinussamen 50
Sesam 50
Erdnusskern 42
Jatropha 40
Raps 37
Palmkern 36
Senfkörner 35
Sonnenblume 32
Palmenfrucht 20
Sojabohne 14
Baumwollsamen 13

Bioethanol
Energiepflanzen für Biobutanol sind Gräser. Zwei führende Non-Food-Pflanzen für die Produktion von Bioethanol auf Zellulosebasis sind Rutenhirse und Riesen-Miscanthus. In Amerika hat man sich mit Zellulose-Bioethanol beschäftigt, da die landwirtschaftliche Struktur, die Biomethan unterstützt, in vielen Regionen fehlt, ohne dass ein Kredit oder ein Bonussystem vorhanden ist. Folglich werden viele private Geld- und Anlegerhoffnungen auf marktfähige und patentierbare Innovationen in der Enzymhydrolyse und dergleichen gesetzt.

Bioethanol bezieht sich auch auf die Technologie, bei der hauptsächlich Mais (Maissaatgut) verwendet wird, um Ethanol direkt durch Fermentation herzustellen, ein Prozess, der unter bestimmten Feld- und Prozessbedingungen so viel Energie verbrauchen kann wie der Energiewert des erzeugten Ethanols und daher nicht nachhaltig. Neue Entwicklungen bei der Umwandlung von Getreideschlempe (Distillers Grain Stilllage oder DGS) in Biogas-Energie sehen vielversprechend als Mittel zur Verbesserung der schlechten Energie-Verhältnis dieser Art von Bioethanol-Prozess.

Durch Widmung
Dedicated Energiepflanzen sind Non-Food-Energiepflanzen wie Riesen Miscanthus, Switchgrass, Jatropha, Pilze und Algen. Engagierte Energiepflanzen sind vielversprechende Cellulosequellen, die in vielen Regionen der USA nachhaltig produziert werden können.

Zusätzlich können die Grünabfallnebenprodukte von Nahrungsmittel- und Nicht-Nahrungsmittel-Energiepflanzen verwendet werden, um verschiedene Biokraftstoffe herzustellen.

Anbauumfang und Entwicklung
In Deutschland werden Energiepflanzen auf 2,28 Millionen Hektar (Stand 2011) angebaut. Dies entspricht 19% der gesamten Ackerfläche in Deutschland. Davon sind mehr als eine Million Hektar für den Anbau von Raps für Biodiesel und Pflanzenöltreibstoff vorgesehen, Pflanzen produzieren mehr als 500.000 Hektar für die Biogasproduktion und über 250.000 Hektar werden für den Anbau von Zucker- und Stärkepflanzen für Bioethanol genutzt. Der Anbau von Energiepflanzen hat in den letzten Jahren dramatisch zugenommen – 1998 betrug die gesamte Anbaufläche für nachwachsende Rohstoffe insgesamt (einschließlich des Anbaus für die stoffliche Nutzung) weniger als 500.000 ha.Nach aktuellen Schätzungen schätzt die Agentur für Nachwachsende Rohstoffe (FNR) die Anbaufläche für nachwachsende Rohstoffe in Deutschland im Jahr 2012 auf rund 2,5 Millionen Hektar. Der Großteil dieser 2,1 Millionen Hektar wird mit Energiepflanzen angebaut. Die wichtigsten Energiepflanzen sind weiterhin Raps für Biokraftstoffe sowie Mais, andere Getreide und Gräser für Biogasanlagen. Der kleinere Teil der Anbaufläche wird für nachwachsende Rohstoffe genutzt, die in der Industrie für chemisch-technische Zwecke genutzt werden.

Beförderung
Der Anbau von Energiepflanzen wurde bislang im Rahmen der Gemeinsamen Agrarpolitik der Europäischen Union mit Direktzahlungen (so genannte Energiepflanzenprämie) finanziell unterstützt.Diese Förderung von maximal 45 € / ha wurde 2010 abgeschafft. Im Rahmen der obligatorischen Flächenstilllegung bis 2007 durften die Landwirte auf einem Teil ihres Ackerlandes weder Nahrung noch Futter anbauen und erhielten eine Flächenstilllegungsprämie. Der Anbau von Energiepflanzen in diesen Gebieten war jedoch erlaubt. Eine Energiepflanzenprämie wird nur Landwirten für nicht stillgelegtes Land gewährt. Durch die Abschaffung der obligatorischen Flächenstillegung und der Energiepflanzenprämie verliert die direkte Förderung des Energiepflanzenanbaus an Bedeutung.

Auswirkungen auf die Umwelt
Durch den Einsatz von Energiepflanzen können Energiequellen umweltschonend bereitgestellt werden. Die Verringerung der Kohlendioxidemissionen (CO2) zur Verringerung des Treibhauseffekts ist ein wichtiger Faktor. Die Klimawirkung von Anbau und Nutzung von Energiepflanzen wird kontrovers diskutiert. Neben der CO2-Einsparung durch den Einsatz nachwachsender Rohstoffe müssen in den Klimabilanzen des Ackerbaus auch die klimarelevanten Emissionen von Lachgas N2O berechnet werden, die vor allem in stickstoffgedüngten Ackerkulturen entstehen. Anbau und Landnutzung können auch die Klimawirkung von Energiepflanzen wesentlich beeinflussen: Die Rodung von Regenwäldern, die Kultivierung von Mooren oder der Wechsel von Grünland zur Erzeugung von Energiepflanzen setzen große Mengen an Treibhausgasen frei.

Die Europäische Union hat die Erneuerbare-Energien-Richtlinie (EU) verabschiedet, die ab Juni 2009 gilt. Sie legt unter anderem Nachhaltigkeitskriterien für die Förderung von Biokraftstoffen und deren Einbeziehung in EU-Biokraftstoffziele fest. Diese Nachhaltigkeitskriterien wurden mit der Biomasse-Stromnachhaltigkeitsverordnung (Biost-NachV, gültig ab August 2009) und der Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung (Biokraft-NachV, gültig ab September 2009) in deutsches Recht umgesetzt.

Ein Ziel der Energiepflanzenforschung ist es, den Energieertrag pro Fläche durch den Einsatz ganzer Anlagen zu verbessern und Prozesse zu optimieren. Darüber hinaus werden Verfahren zur Erweiterung der Nutzfläche untersucht, z. Zucht von Salzwasseralgen in Wüstengebieten oder Anbau der Spargelpflanze Jatropha.

Die für den Anbau von Energiepflanzen benötigten Flächen könnten aber auch für andere ökonomisch und ökologisch sinnvolle Zwecke genutzt werden (z. B. nachwachsende Rohstoffe für die stoffliche Nutzung, Extensivierung der Landwirtschaft). Außerdem stehen sie nicht mehr für die Lebensmittelproduktion zur Verfügung (Flächenwettbewerb). Angesichts des Bevölkerungswachstums werden in diesem Zusammenhang ethische Fragen diskutiert, insbesondere wird die Verwendung von Lebensmitteln wie Getreide (zB Getreideverbrennung) kritisiert (Nutzungskonkurrenz).

Der Anbau von Energiepflanzen wird oft als Landwirtschaft mit hoher Intensität betrieben, ua im Hinblick auf Dünger- und Pestizideinsatz, was zu ökologischen Schäden führen kann. Der Anbau von Pflanzen aus fremden Herkunftsregionen als Energiepflanzen birgt Risiken, z. durch die Verbreitung von Neophyten.