Ist Biogas wirklich CO2-neutral?

Von Otto Glinzer      

Biogas gilt als „erneuerbare Energie“ und ermöglicht im Unterschied zu Wind und Photovoltaik eine bedarfsgerechte Stromproduktion – aber ist es wirklich CO2-neutral?

Die Bundesregierung plant im EEG21-Gesetz eine Erhöhung der Energiegewinnung aus Biomasse um ca. 50 % – vor allem in Süddeutschland. Biogas ist jedoch von der Energie- und Treibhausgas-Bilanz her kaum besser als Erdgas (ist also nicht wirklich „erneuerbar“), führt aber zu Landflächenverbrauch (Äcker statt Wälder), Mono­kulturen, dadurch zur Abnahme der Biodiversität und steht in Konkurrenz zur Lebensmittel­produktion. Warum nimmt man dann nicht gleich Erdgas zur Deckung der Grundlast und für die Tage und Nächte, an denen die Sonne nicht scheint und der Wind nicht weht?

Zum 1.1.2021 soll mit dem EEG21 ein grundlegend novelliertes EEG in Kraft treten. Das Gesetzgebungsverfahren in Bundestag und Bundesrat soll bis Ende 2020 abgeschlossen werden. Am 23.9.2020 wurde ein Referentenetwurf für ein Gesetz zur Änderung des EEG und weiterer energierechtlicher Vorschriften publiziert. Interessant sind darin vor allem die weiterführenden Informationen und die Stellungnahmen.

Unter „weiterführende Informationen“ findet sich der Link „Erneuerbare Energien“ mit der folgen­den Grafik, aus der man ablesen kann, dass im Jahr 2017 die Biomasse 46 * 1000 / 8760 = 5,25 GW zur Bruttostromerzeugung beigetragen hat. Im EEG21-Gesetz ist bis 2030 eine erhebliche Erweite­rung auf 8,4 GW vorgesehen, die aufgrund einer „Südquote“ vor allem Süddeutschland betreffen soll.

Die auf 2017 bezogene BMWi-Grafik kann man in folgende Tabelle übersetzen:

Quelle Nennleistung „Wind“ (2017): wind-energie.de
Quelle Nennleistung „Photovoltaik“ (2017) foederal-erneuerbar.de

Biogasrat: Biogas sichert bedarfsgerechte Stromproduktion

Unter „Stellungnahmen“ wurde auf der BMWi-Seite die Stellungnahme EEG21 des Biogasrats mit den folgenden Aussagen publiziert (Seite 5):

f) zu § 100 Abs. 2 Nr. 12 EEG 2021 – Flexibilitätsprämie
Grundsätzlich begrüßt der Biogasrat+ e.V. die Fortführung der Flexibilitätsprämie und Streichung der Deckelung auf 1000 MW für Bestandsanlagen. Die technische Flexibilisierung von Anlagen zur Erzeugung von Strom aus Biogas und Biomethan sichert die nachfrageorientierte, d.h. bedarfsgerechte, erneuerbare Stromproduktion und ist damit das ideale Backup für die dargebotsabhängige Stromproduktion aus Wind und Sonne und wird künftig durch den Wegfall fossiler Kraftwerkskapazitäten noch wichtiger zur Deckung der Residuallast. Aus unserer Sicht ist mit Blick auf den weiteren Zubau fluktuierender, d. h. unflexibler erneuerbarer Energien sowie dem Wegfall fossiler und atomarer Kraftwerkskapazitäten die Förderung der flexiblen Energieversorgung für die Gewährleistung der Energieversorgungssicherheit unverzichtbar. Darüber hinaus begrüßt der Biogasrat+ e.V., dass künftig für die Inanspruchnahme der Flexibilitätsprämie ein echtes Qualitätskriterium eingeführt wird. Gleichwohl verhindert die im Referentenentwurf vorgesehene Regelung eine wirtschaftliche Fahrweise der Gesamtanlage.

Die Biogas-Produzenten formulieren es knallhart: Biogas sichert bedarfsgerechte Stromproduktion und wird nach dem Wegfall fossiler und nuklearer Kraftwerkskapazitäten noch wichtiger zur Deckung der Residuallast – und unverzichtbar für die Energieversorgungssicherheit!

Wie „erneuerbar“ und CO2-neutral ist Bioenergie?

Die selbstbewußten Äußerungen des Biogasrats sind umso bemerkenswerter, wenn man ihnen eine Stellungnahme Bioenergie der Leopoldina von 2013 gegenüberstellt, wo im „Einleitenden Kapitel“ (Seite 5) darauf hingewiesen wird, daß „Bioenergie“ in Wahrheit gar nicht so „erneuerbar“ und CO2-neutral ist:

Bioenergie wird häufig als eine erneuerbare und CO2-neutrale Energie betrachtet, weil bei der Erzeugung von Biomasse durch Photosynthese dieselbe Menge von CO2 assimiliert wird, wie bei der Verbrennung dieser Biomasse als Energiequelle freigesetzt wird; diese Annahme lässt jedoch die folgenden drei wichtigen Tatsachen außer Acht:

(a) Der Kohlenstoff-Kreislauf ist eng mit den Nährstoff-Kreisläufen von Stickstoff, Phosphor, Schwefel und Metallen verknüpft, die alle auch Bestandteile von Biomasse sind, und ist von Wasser abhängig, das bei der Bildung von Biomasse benötigt wird. Wann immer Biomasse erzeugt wird, werden diese Nährstoffe im Boden verbraucht. Wann immer Biomasse wiederholt aus einem Ökosystem entfernt oder deren Bildung durch menschliche Eingriffe beschleunigt wird, müssen diese Nährstoffe durch Düngemittel ersetzt werden. Die Anwendung von stickstoffhaltigen Düngemitteln hat jedoch die Emission von Distickstoffoxid (N2O, Lachgas) zur Folge, das ein viel höheres Erwärmungspotenzial als CO2 hat;

(b) neben den N2O-Emissionen führt die intensive Landwirtschaft fast immer auch zur Emission der Treibhausgase CO2 und Methan (CH4), die als Folge der Landbewirtschaftung, des Einsatzes von Düngemitteln und Pflanzenschutzmitteln (Pestiziden) sowie der Tierhaltung freigesetzt werden. Außerdem müssen die Kohlenstoffkosten der Produktions- und Transformationsprozesse und die damit verbundenen Kosten der Humanressourcen berücksichtigt werden;

(c) es gibt einen dritten Grund, warum die CO2-Fixierung durch Pflanzenwachstum an sich die CO2-Emissionen aus der Verbrennung der geernteten Biomasse nicht kompensiert. Wenn Flächen, die für das Wachstum von Energiepflanzen verwendet werden, nicht für diesen Zweck genutzt würden, dann wären sie schlicht und einfach Wiesen oder Wälder. So entwickeln sich verlassene Ackerflächen häufig in Wald zurück. Wald würde Kohlenstoff aus der Atmosphäre entnehmen und den Kohlenstoffvorrat in Biota und Böden für Jahrzehnte oder Jahrhunderte erhöhen, bis ein neues Gleichgewicht erreicht wird. Diese durch Landnutzungsänderung (LUC, von land use change) verlorene Kohlenstoffbindung kann unter Umständen erheblich sein.

Alle drei Kostenfaktoren und die Folgen für die Umwelt und das Ökosystem sowie die Auswirkungen des großflächigen Anbaus von Biomasse auf die biologische Vielfalt müssen in einer vollständigen Lebenszyklusanalyse/ Ökobilanz (Kapitel 1.7) berücksichtigt werden. In einigen Fällen können diese Kosten die Nettoreduktion von Treibhausgasen bei Verwendung von Biomasse als Energiequelle verringern oder sogar neutralisieren. In diesen Fällen ist Bioenergie weder erneuerbar noch CO2-neutral, stattdessen ist sie unter Energie- und CO2-Emissionsgesichtspunkten negativ zu betrachten.

Prof. Schink/Konstanz, einer der Autoren der Leopoldina-Studie, faßte ihren Inhalt 2015 in Folien zusammen: „Grenzen und Möglichkeiten der Bioenergie„.

Die Leopoldina-Argumente sind nach wie vor aktuell – vgl. t-Online-Artikel „Biogas – wie klimafreundlich ist diese erneuerbare Energie?“ (Juliane Wellisch 29.6.2020).

Im Artikel „Bioenergie“ schrieb das Umweltbundesamt am 26.6.2020 in der Einleitung “ .. kann der Anbau von Biomasse mit vielfältigen negativen Wirkungen auf Mensch und Umwelt verbunden sein“ und wies im folgenden Text unter anderem auf die geringe Flächeneffizienz von Bioenergie hin:

Flächeneffizienz erneuerbarer Energien – Schlusslicht Bioenergie

Beim Vergleich der verschiedenen Techniken zur Nutzung erneuerbaren Energien ist die jeweilige Flächeninanspruchnahme ein wichtiges Kriterium. Denn insbesondere fruchtbare Flächen sind zunehmend knappe Ressourcen mit entsprechendem Konfliktpotenzial. Verschiedene Studien, wie die „Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien(29.3.2012; Seite 82), haben gezeigt, dass Wind- und Solarenergie der Biomasse in der Flächeneffizienz um ein Vielfaches überlegen sind. Dies gilt auch für die Umwandlung des Wind- und Solarstroms in chemische Energieträger wie Methan oder Wasserstoff. Aufgrund des enormen Flächenbedarfs kann die Anbaubiomasse auch künftig rein rechnerisch nur sehr gering zur Energieversorgung beitragen.

Vergleich Biomethan und Erdgas

In der Dissertation Energie- und Klimaeffizienz von Biogasanlagen mit Biogasaufbereitung und -einspeisung unter Nutzung von Silomais (Bärbel Hundt, 2010, Gießen) werden die in der Leopoldina-Publikation genannten Punkte anhand eines konkreten Beispiels im einzelnen untersucht. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist, dass die spezifischen Treibhausgasemissionen in einer ähnlichen Größenordnung liegen wie diejenigen erdgasbetriebener Blockheizkraftwerke.

(Dissertation Seite XI) Kurzfassung: Aus Sicht der Energiebilanz schneidet die Anlage dank des umfangreichen Wärmekonzepts gut ab, denn sie erreicht einen Erntefaktor von 4,5, der spezifische kumulierte Energieaufwand beträgt 1,68 MJ/MJ Endenergie und die energetische Amortisationszeit liegt bei 4,46 Jahren. Aus Sicht der Treibhausgasbilanz schneidet die Anlage eher schlecht ab, denn die prozentuale Treibhausgaseinsparung beträgt lediglich 46,8 % und die spezifischen Treibhausgasemissionen liegen mit 72,51 g CO2eq/MJ Endenergie in einer ähnlichen Größenordnung wie diejenigen erdgasbetriebener Blockheizkraftwerke. Zu den sensitivsten Parametern in Bezug auf die Energiebilanz zählen der Eigenstromverbrauch der Anlage, insbesondere der Stromverbrauch der Druckwasserwäsche, die Silageverluste und der Methanertrag des Substrates. Die Treibhausgasbilanz wird zusätzlich noch wesentlich von den Parametern „Methanschlupf“, „Lachgasemissionen“ und „Grünlandumbruch“ beeinflusst. Wird der Methanschlupf durch die Abdeckung des Gärrestlagers auf ein Minimum reduziert, kann die Anlage bereits eine Treibhausgaseinsparung von 71,5 % erreichen.

(Dissertation Seite 31 – Stand des Wissens) Den Haupteinfluss (auf den Treibhauseffekt) haben der Anbau der Energiepflanzen sowie die aus der Stickstoffdüngung resultierenden Lachgasemissionen (52 %). Generell schnitt Biomethan bezogen auf die Wirkungskategorie Treibhauseffekt jedoch stets besser ab als Erdgas. Des Weiteren verglichen sie (Studie JURY, ET AL. 2010) die Auswirkungen von Erdgas und Biomethan mit Hilfe der Ecoindikator 99-Methode auf die Kategorien Ökosystem­qualität, Ressourcen­verbrauch, und menschliche Gesundheit.
Biomethan schnitt in den Kategorien Ökosystem­qualität und menschliche Gesundheit deutlich schlechter ab als Erdgas. Lediglich in der Kategorie Ressourcenverbrauch, die üblicherweise nur zu 20 % in die Endgewichtung eingeht, schnitt Biomethan besser ab als Erdgas. Das schlechte Abschneiden von Biomethan ist vor allem auf das hohe Versauerungs- und Eutrophierungspotential des Energiepflanzenanbaus zurückzuführen. Zudem wirkt sich der Flächenverbrauch negativ auf die Ökosystemqualität aus. Zusammenfassend beschrieben, reduziert Biomethan im Vergleich zu Erdgas die Wirkung auf den Treibhauseffekt um 10-20 %, schneidet allerdings bei der Punktebewertung nach der Ecoindikator 99-Methode 1,7 bis 2 mal schlechter ab als Erdgas.

Stickstoffdünger und Lachgas

(Seite 48) Die Düngemittelproduktion – insbesondere die Herstellung von Stickstoffdüngern (mit dem Haber-Bosch-Verfahren – s.u.) – ist sehr energieaufwendig. KONGSHAUG (1998) berechnete, dass die Düngemittelproduktion ca. 1,2 % der weltweit erzeugten Energie verbraucht und zudem für ca. 1,2 % der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich ist.

(Seite 53) Lachgas (N2O) gehört wie CO2, CH4 und H2O-Dampf zu den natürlich vorkommenden klimarelevanten Gasen. Verglichen mit CO2 hat N2O ein 298-mal höheres Treibhauspotential (IPCC 2007), so dass es bereits in geringen Konzentrationen klimawirksam ist. In Deutschland werden jährlich etwa 66,4 Mio. t CO2eq Lachgas emittiert, wobei 81,6 % davon auf die Landwirtschaft zurückzuführen sind (DÖHLER, ET AL. 2008). Global betrachtet werden 60 % aller anthropogenen Lachgasemissionen durch die Landwirtschaft verursacht (SMITH, ET AL. 2007).
Diese durch die Landwirtschaft verursachten Lachgasemissionen stehen in direktem Zusammenhang mit der Menge des applizierten Stickstoffdüngers, denn die Bildung von N2O in Böden findet hauptsächlich bei der mikrobiellen Umsetzung von Stickstoff durch Nitrifikation (unter aeroben Verhältnissen) und Denitrifikation (unter anaeroben Verhältnissen) statt (WILLIAMS, ET AL. 1992). Eine Zufuhr von Stickstoff, ob durch Düngung oder atmosphärischen Eintrag, führt demnach zu einem Anstieg der N2O-Bildung (LEICK 2003).

Stickstoffdünger und Nachhaltigkeit des menschlichen Stoffwechsels

(Bild der Wissenschaft, 2010) Seit 100 Jahren sorgt das Haber-Bosch-Verfahren, das aus dem Luftstickstoff (N2) Ammoniak (NH3) produziert (Einsatzstoffe: Stickstoff, Methan und Wasserdampf – Produkte: NH3 und CO2), für eine praktisch unbegrenzte Stickstoffquelle in der Landwirtschaft. Rund 100 Millionen Tonnen derart produzierten chemisch-synthetischen Stickstoffdüngers kommen jährlich weltweit zum Einsatz. 40 Prozent aller Menschen werden heute nur dank „Kunstdünger” satt, kalkuliert Vaclav Smil von der University of Manitoba in Kanada.

Anm.: Bei Berücksichtigung dieser Tatsache ist der menschliche Stoffwechsel sicher nicht als „nachhaltig“ anzusehen – vgl. kaltesonne-Blog (12.9.2020) „Wieviel CO2 macht der Mensch?“.

Zusammenhang von Stickstoffdünger-Produktion (Haber-Bosch-Verfahren) und Power-To-Gas-Planungen
Quelle „»Sektorkopplung« – Untersuchungen und Überlegungen zur Entwicklung eines integrierten Energiesystems“ (Leopoldina, Nov. 2017).

Der Schwachpunkt der dargebotsabhängigen Stromproduktion aus Wind und Sonne ist die Not­wen­digkeit der Energiespeicherung nach der Zerstörung der fossilen und nuklearen Strom­erzeugung, die bisher in Deutschland die Energie­versorgungs­sicherheit garantiert. Dazu Zitate aus der Leopoldina-Studie:

(Seite 67) Die Abtrennung, Aufreinigung und Umwandlung von CO2 zu neuen Substanzen wird als CCU (Carbon Capture and Utilization) bezeichnet. Langfristig könnte auch die Abtrennung von CO2 aus der Luft eine Rolle spielen, was jedoch aufgrund der geringen Konzentration des CO2 in der Atmosphäre (0,04 %) mit einem größeren energetischen Aufwand als die Abtrennung aus konzentrierten Punktquellen verbunden ist.

(Seite 72) Es wird angenommen, dass die einzelnen Branchen zunehmend einen stärkeren Beitrag leisten. Die Ammoniaksynthese trennt ohnehin CO2 ab und erleichtert damit eine Umsetzung von CCU.

Mit anderen Worten: Aus Methan und Wasserdampf gewinnt man Wasserstoff, der mit Stickstoff zu NH3 reagiert. Das dabei entstehende Nebenprodukt CO2 hoher Konzentration wird dann mit elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff wieder zu Methan synthetisiert. Warum nimmt man dann nicht gleich den elektrolytisch erzeugten Wasserstoff für das Haber-Bosch-Verfahren?
Weil CCU dann noch unwirtschaftlicher wäre? CO2 ist eben nur ein Spurengas …

Fazit

Dass die Bioenergie-Kapazitäten trotz geringer Flächeneffizienz (vgl. Umweltbundesamt) bis 2030 um 50% erhöht werden sollen, obwohl ihre Treibhausgas-Bilanz kaum besser als die von Erdgas ist, zeigt, daß den Verantwortlichen klar ist, daß Versorgungssicherheit mit den „dargebotsabhängigen“ Stromquellen Sonne und Wind nicht zu garantieren ist und Ersatz für die stillgelegten nuklearen und fossilen Kraftwerke geschaffen werden muß. Die im zitierten Umweltbundesamt-Artikel angesprochene Umwandlung des Wind- und Solarstroms in chemische Energieträger wie Methan oder Wasserstoff (Power-to-Gas) ist theoretisch denkbar, aber zur Zeit ohne großtechnische Bedeutung. Der einzige verfügbare chemische Energieträger, der – zumindest dem Namen nach – als „bio“ und „erneuerbar“ gilt, ist Biogas. Eine Entscheidung für den Ersatz von Biogas durch Erdgas aus Umweltschutz-Gründen käme dem Eingeständnis gleich, daß ein Land wie Deutschland nicht allein durch „erneuerbare“ Energien versorgt werden kann. Offenbar wiegt das bei den politisch Verantwortlichen alle Nachteile der Bioenergie im Vergleich zu Erdgas auf: Flächenverbrauch, Monokulturen, geringere Biodiversität, Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion.