Hintergrund | 20.02.2012 | Drucken | Teilen

Energie

Tank gegen Teller

Biokraftstoffe sind umstritten. Am schwersten wiegt der Einwand, dass sie Anbauflächen beanspruchen, die dann nicht mehr für die Nahrungsmittelproduktion zur Verfügung stehen. Fortschritte in der Landwirtschaft wie in der Kraftstoffherstellung sollen diese Konkurrenz entschärfen.
Blühende Biomasse

Als die Formel-1-Rennfahrer von Ferrari vor zwei Jahren beim Großen Preis von Bahrain den ersten und zweiten Platz belegten, hatten sie eine außergewöhnliche Mischung in ihren Tanks: Der Sprit enthielt einen kleinen Anteil von Biokraftstoff der so genannten zweiten Generation, gewonnen aus Lignozellulose. Selbst die oktangeschwängerte Welt der Formel 1 stellt sich also langsam der Realität des Klimawandels und der schwindenden Ölreserven. Seit 2008 schreibt das Formel-1-Reglement vor, dass mindestens 5,75 Prozent des Kraftstoffs aus pflanzlichen Quellen stammen müssen. Der beigemischte Biosprit in den Tanks der Ferraris erfüllte dies in vorbildlicher Weise, indem er aus nichtessbaren Pflanzenteilen gewonnen wurde.

Damit machte der renommierte Rennstall vor, wie Biokraftstoffe unseren Energiehunger stillen können, ohne die Nahrungsmittelproduktion zu gefährden. Nach Angaben der Welternährungsorganisation FAO stiegen die Nahrungsmittelpreise in jüngster Vergangenheit außergewöhnlich stark. Kritiker lasten das dem zunehmenden Gebrauch von Biotreibstoffen der ersten Generation an. Diese werden aus essbaren Teilen von Nahrungspflanzen – etwa Zuckerrohr oder Mais – hergestellt und anschließend dem gewöhnlichen Benzin oder Diesel beigemischt. In vielen Entwicklungsländern kommt es wegen der hohen Lebensmittelpreise zu sozialen Unruhen. Ist es da ethisch überhaupt vertretbar, dass westliche Regierungen die Nutzung von Biokraftstoffen zunehmend fördern? Lassen sich Klimaschutz und Nahrungsversorgung unter einen Hut bringen?

Spektrum der Wissenschaft Heft 03/2012
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Für Ferrari lautet die Antwort eindeutig Ja. Das Team entschied sich für Ethanol aus Stroh, das in der Landwirtschaft als Restprodukt anfällt – ein Beispiel dafür, wie sich die derzeitigen Probleme der Biokraftstoffe überwinden lassen. Neue chemische Verfahren, bessere Landnutzungsstrategien und höhere landwirtschaftliche Erträge könnten uns den Weg aus der Zwickmühle "Tank oder Teller" weisen. Die Idee, aus Anbaupflanzen Treibstoff zu gewinnen, ist nicht neu. Bereits im 19. Jahrhundert fuhren die Motoren von Rudolf Diesel mit pflanzlichen Ölen. Und die Brasilianer mischen ihrem Benzin seit 1929 Ethanol bei, der aus Zuckerrohr stammt. Doch erst seit gut zehn Jahren spielen Biokraftstoffe eine wichtige Rolle in der globalen Energie- und Klimapolitik.

Gerodeter Regenwald, explodierende Maispreise

Dem zu Grunde liegen die zunehmende Angst um die sichere Versorgung mit Erdöl, die Befürchtungen hinsichtlich des Klimawandels und der unerbittlich wachsende Energiehunger. Die Eile, mit der Biokraftstoffe weltweit eingeführt wurden, haben indes zu handfesten Landnutzungskonflikten geführt. Auf dem malaiischen Teil Borneos etwa rodeten Bauern und Großunternehmer riesige Dschungelgebiete, um sie durch Palmölplantagen zu ersetzen. Andernorts werden enorme Mengen von geernteten Nahrungspflanzen – etwa Mais – zu Bioraffinerien transportiert, um sie dort in Sprit zu verwandeln. 2007 pflanzten US-Farmer Mais auf der Rekordfläche von 375 000 Quadratkilometern an. Nicht weniger als ein Drittel davon ging in die Ethanolherstellung. Das war nach Ansicht mancher Fachleute der Grund dafür, dass die Maispreise gegen Ende 2010 um mehr als 70 Prozent anstiegen. Zu Beginn des Jahres 2011 verzeichnete die Welternährungsorganisation einen Höchststand bei ihrem Index der Lebensmittelpreise.

Bei genauer Betrachtung zeigt sich allerdings, dass Biokraftstoffe nur ein Teil des Problems sind. Gemäß dem Weltbankreport "A Note on Rising Food Prices" von 2008 waren sie zwar hauptverantwortlich dafür, dass die Lebensmittelpreise in den vergangenen Jahren nach oben kletterten, doch Börsenspekulationen und extreme klimabedingte Ereignisse trugen ebenfalls dazu bei. Auch dürfen die steigenden Kosten für Erdöl nicht außer Acht gelassen werden. Sie haben einen direkten Einfluss auf Nahrungsmittelpreise, sagt Ottoline Leyser. Die Pflanzengenetikerin an der Cambridge University (Großbritannien) hat ein Gutachten über Biokraftstoffe mitverfasst, das der Nuffield Council on Bioethics – eine gemeinnützige britische Organisation, die sich mit bioethischen Fragen befasst – unlängst herausgab. Um Ernten einzubringen, zu transportieren und zu verarbeiten, bedarf es Leyser zufolge viel Energie, hauptsächlich in Form fossiler Kraftstoffe.

Energie vom Acker
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Ausdauernde Gräser der Gattung Miscanthus eignen sich möglicherweise gut als künftige Energiepflanzen, da sie schnell wachsen und anspruchslos sind.

Aber die Nahrungsmittelpreise sind nicht die einzigen Kritikpunkte. Obwohl die meisten Biokraftstoffe nicht speziell dafür entwickelt worden sind, den Ausstoß von Treibhausgasen zu vermindern, erwartet man dies doch von ihnen. Nigel Mortimer vom englischen Energieberatungsunternehmen North Energy hat jedoch in einer Analyse gezeigt, dass Biokraftstoffe oft nur minimal besser dastehen als fossile Kraftstoffe, was die Treibhausgasemission anbelangt. Und laut Angela Karp, wissenschaftliche Direktorin am landwirtschaftlichen Forschungszentrum Rothampsted im britischen Harpenden, werden für Biokraftstoffe der ersten Generation oft große Mengen an Wasser und Stickstoff benötigt, um genügend Pflanzenmasse wachsen zu lassen. Das wirkt sich ebenfalls negativ auf ihre Klimabilanz aus. Kenneth Stone, Agraringenieur an der Forschungseinrichtung Agricultural Research Service in Florence (South Carolina, USA), kommt zu dem Schluss, dass sich der Wasserverbrauch in der Landwirtschaft versechsfachen würde, wenn man gemäß den Zielen des US-Energieministeriums künftig verstärkt Bioethanol aus Mais herstellen würde.

Dennoch bleibt der Kampf um die Anbauflächen eines der schwierigsten Probleme. Idealerweise sollte die Herstellung von Biokraftstoffen nur geringwertige, kohlenstoffarme Äcker in Anspruch nehmen, sagt Ian Crute, Chefwissenschaftler im Agriculture and Horticulture Development Board (Entwicklungsausschuss für Landwirtschaft und Gartenbau) im englischen Kenilworth. Tatsächlich aber bauen immer mehr Farmer Energiepflanzen auf hochwertigen Böden an, die eigentlich für die Nahrungsmittelproduktion vorgesehen sind, weil sie damit hohe Erlöse erzielen können. Das betont Olivier Dubois, Koordinator der FAO-Bioenergiegruppe in Rom. Um diesen Konflikt zu entschärfen, müsse zusätzliches Land urbar gemacht werden.

Konkurrenz auf dem Acker

Einen ähnlichen Verdrängungswettbewerb gibt es bei der Viehzucht. Bruce Dale, Chemieingenieur an der Michigan State University in East Lansing, fand heraus, dass mehr als 80 Prozent der US-amerikanischen Landwirtschaftsproduktion als Viehfutter dienen. "Eine unglaubliche Verschwendung", kommentiert Leyser. Der weltweit zunehmende Fleischkonsum erweist sich somit als weiterer wichtiger Grund dafür, dass die Nahrungsmittelpreise in die Höhe schießen. Zugleich wird es mit zunehmender Weltbevölkerung immer schwieriger, genügend neue Anbauflächen zu erschließen. In 40 Jahren werden voraussichtlich neun Milliarden Menschen auf der Welt leben, also 2,3 Milliarden mehr als heute, die ernährt werden müssen, wie der FAO-Bericht "How to feed the world in 2050" vermerkt. Schlimmer noch: Weil Fleischkonsum und Kalorienverzehr pro Kopf stetig zunehmen, steigt der Bedarf an Lebensmitteln überproportional an. "Im Jahr 2050 brauchen wir 70 Prozent mehr Nahrungsmittel", schätzt Dubois.

Die Nutzung von Pflanzen zur Energiegewinnung verschärft die Situation weiter. In den kommenden 25 Jahren nimmt der Energieverbrauch in den Schwellenländern voraussichtlich um 84 Prozent zu. Nahezu ein Drittel davon wird vermutlich aus Biokraftstoffen stammen. Wenn die Landwirtschaft weltweit nicht schon bald einen deutlichen Entwicklungsschub erfährt, werden diese Entwicklungen zu einer dramatischen Verknappung von Anbauflächen führen – sowohl für Nahrung als auch für Biotreibstoffe. Zwar ließen sich die landwirtschaftlich nutzbaren Flächen in den kommenden vier Jahrzehnten theoretisch verdoppeln. Doch rechnet die FAO in diesem Zeitraum nur mit einem Zuwachs von etwa fünf Prozent, weil viele anbaufähige Gebiete voraussichtlich dem Wachstum der Städte anheimfallen werden. Um die landwirtschaftliche Produktivität zu erhöhen, müssen deshalb die Ernteerträge deutlich steigen, meint Dubois.

Trends bis 2050
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Im Jahr 2050 werden voraussichtlich neun Milliarden Menschen auf der Welt leben – 34 Prozent mehr als heute. Darüber hinaus wachsen Kalorienverzehr und Energieverbrauch pro Kopf stetig an. Deshalb wird die Nachfrage nach Lebensmitteln und Kraftstoffen drastisch zunehmen. Um damit Schritt zu halten, müssen Landwirtschaft und Industrie künftig deutlich mehr produzieren.

Leider sprechen die bisherigen Entwicklungen eine andere Sprache. Zwar wuchsen die globalen Ernteerträge innerhalb der letzten 50 Jahre, jedoch mit abnehmendem Tempo: Die Steigerungssrate fiel von 3,2 Prozent im Jahr 1960 auf 1,5 Prozent im Jahr 2000. Dennoch ist Ian Crute hoffnungsvoll. Es gäbe trotz alledem immer noch Wachstum, sagt er, und außerdem jede Menge Raum für Verbesserungen. So existierten nach wie vor enorme Ertragsunterschiede zwischen den Ländern und damit noch viel "Luft nach oben". Beispielsweise liegen große Flächen in Afrika brach, hauptsächlich deshalb, weil sie unzureichend an die Infrastruktur angebunden sind. Die dortigen Bauern haben keine Möglichkeit, ihre Produkte auf den Markt bringen, und pflanzen folglich nur das an, was ihre Familien benötigen, erläutert Crute. Der Anbau von Energiepflanzen in diesen Regionen könnte einen positiven Einfluss haben sowohl auf die Infrastruktur als auch auf die Nahrungsmittelproduktion.

Gentechnik als Ausweg?

Auch die Gentechnik könnte die Landwirtschaft beflügeln. Schon heute hilft sie, Pflanzen widerstandsfähiger gegen Schädlinge zu machen. "Bald werden wir auch Maissorten erzeugen, die weniger Wasser benötigen und Trockenzeiten besser überstehen", prognostiziert Crute. Zudem arbeiten die Forscher an salztoleranten Pflanzen. Sie sollen etwa in Regionen angepflanzt werden, in denen ein steigender Meeresspiegel zur Versalzung des Grundwassers führt. Mais und einige andere Pflanzen besitzen überdies deutlich effizientere Fotosynthesemechanismen als Weizen oder Reis, wie Crute betont. Diese könnten mittels Gentechnik von einer Pflanzenart auf andere übertragen werden.

Nicht nur Verbesserungen in der Landwirtschaft und Gentechnik, auch neue Produktionsverfahren für Biokraftstoffe dürften die Konkurrenz zwischen Tank und Teller entschärfen. Gelänge es, die gesamte Pflanze zu verwerten und nicht nur ihre essbaren Teile, ließen sich viel mehr Arten von Biomasse nutzen. In Sprossen, Blättern und Wurzeln ist deutlich mehr Energie gespeichert als in Früchten – diese Energie ist aber schwerer zu gewinnen, sagt Chris Somerville, Direktor am Energy Biosciences Institute der University of California in Berkeley. Deshalb ist die Verwertung kompletter Pflanzen teurer als die derzeitige Produktion von Ethanol aus Mais.

Um für das Ferrari-Team Biosprit aus Stroh herzustellen, nutzte die kanadische Biotechnologiefirma Iogen beispielsweise ein Enzym der Pilzart Trichoderma reesei. Mit dessen Hilfe verdaut der Pilz Lignin – einen Hauptbestandteil holziger Pflanzenteile – und gelangt dadurch an Nährstoffe in Bäumen. Es gibt noch andere ligninverdauende Enzyme, allerdings arbeiten die zurzeit verfügbaren allesamt nicht sehr effizient und kosten zwischen 10 und 20 Cent pro Liter erzeugtem Kraftstoff. Ganz im Gegensatz zu den Enzymen für die großtechnische Herstellung von Ethanol aus Mais: Sie kosten etwa einen halben Cent pro Liter.

Bioliq-Anlage
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Biokraftstoffe der zweiten Generation: Im Karlsruher Institut für Technologie entsteht zurzeit die bioliq-Pilotanlage, die Stroh und Holz zu Biosprit verarbeiten soll.
Es ist zwar möglich, Pflanzen gentechnisch so zu verändern, dass sich ihr Lignin einfacher aufbrechen lässt. Aber bis dahin liege noch ein weiter Weg vor uns, meint Somerville. Mehr Erfolg verspricht der Vorschlag, mittels genetischer Analysen nach besonders energiehaltigen Pflanzen zu fahnden oder diese selektiv zu züchten. Charles Wyman, ein Chemiker und Umweltingenieur an der University of California in Riverside, untersuchte beispielsweise 47 Pappelarten, um herauszufinden, bei welcher sich das Lignin am einfachsten zu Zucker aufschließen lässt. Gemeinsam mit seinen Kollegen ermittelte er eine erreichbare Zuckerausbeute zwischen 28 und 92 Prozent des theoretischen Maximums, abhängig von Gehalt und Struktur des Lignins.

Die ganze Pflanze ist gefragt

Mit verbesserten Technologien, um die bislang nicht nutzbaren Pflanzenteile großtechnisch und kostengünstig zu verwerten, wäre es möglich, dieselben Gewächse mehrfach zu nutzen. Zum Beispiel könnte man die Kolben von Maispflanzen als Lebensmittel verwenden und ihre Stängel und Blätter in Treibstoff umwandeln. Doch so elegant sich das anhört, so kompliziert ist die praktische Umsetzung, betont Dubois: "Pflanzenreste sind auch anderweitig sehr begehrt, nämlich als billiger organischer Dünger." Der kanadische Agrarwissenschaftler Guy Lafond wies im Jahr 2009 nach, dass die Qualität der Böden bereits zurückgehen würde, wenn man nur 40 Prozent weniger Stroh unterpflügte.

Da ist es wenig erstaunlich, dass die Biotechfirma Iogen offenbar Probleme damit hat, genügend von diesem Reststoff aufzutreiben: Ihre Demonstrationsanlage erzeugt im Schnitt nur 256 000 Liter Ethanol pro Jahr, obwohl sie auf 1,9 Millionen Liter ausgelegt ist. Das Unternehmen erklärt die Lücke damit, dass es sich um eine Testanlage handle, die nicht kontinuierlich in Betrieb sei. Wenn aber der Ölkonzern Shell, einer der Hauptinvestoren von Iogen, die Bioethanolproduktion in kommerziellem Maßstab betreiben würde, dann läge der Bedarf bei 20 bis 30 Tonnen Stroh pro Tag, was zu Engpässen führen dürfte.

Um solche Mengen an Biomasse zu gewinnen, wird es nicht reichen, Anbaupflanzen mehrfach zu verwerten, prophezeit die Pflanzengenetikerin Ottoline Leyser. Vielmehr werde es nötig sein, schnell wachsende Pflanzen anzubauen, die nur für die Erzeugung von Biokraftstoff vorgesehen sind. Diese dürften aber nicht mit Nahrungspflanzen um Anbauflächen wetteifern. Schnell wachsende Pappeln oder Weiden etwa könnten auf belasteten Böden wachsen und sie dabei zugleich reinigen. Die Bäume wandeln Kohlendioxid schneller in Biomasse um als die meisten anderen Pflanzen.

Große Zukunft

Ausdauernde Gräser wie Miscanthus oder die Rutenhirse Panicum virgatum sind vielleicht noch bessere Kandidaten. Sie brauchen wenig Wasser und speichern Nährstoffe in ihren Wurzeln. "Bei der Ernte holt man nur oberirdische Pflanzenteile ein, die sehr wenig Nährstoffe enthalten", sagt Leyser, "dadurch wird der Boden kaum ausgelaugt und infolgedessen fast kein Dünger benötigt." Ausdauernde Gräser wachsen zudem auf Böden, die für Ackerkulturen unbrauchbar sind. Somerville hält den letzten Punkt für entscheidend: So manche Einöde könne zu einer Plantage für Energiepflanzen werden, etwa indem man dort trockentolerante Gewächse wie die Agave anbaut.

FAO-Koordinator Olivier Dubois hingegen meint, dass Biokraftstoffe der zweiten Generation ebenfalls Nachteile haben. Auch sie benötigten Anbauflächen, und selbst die genügsamsten Gewächse würden mit den Nahrungspflanzen um Ressourcen konkurrieren. Zudem habe die Technologie für Bioethanol der ersten Generation bereits ein halbes Jahrhundert Entwicklung hinter sich. "Um Biotreibstoffe der zweiten Generation in großem Maßstab zu produzieren, braucht es noch fünf bis zehn Jahre", lautet seine Einschätzung. Einiges tut sich bereits. So baut das Energieunternehmen BP im Highlands County (USA) für 400 Millionen Dollar eine Fabrik, die Zellulose aus energiereichem Zuckerrohr, aus Rutenhirse oder aus Miscanthus zu Ethanol verarbeiten soll. Das Werk ist auf eine Produktion von 136 Millionen Liter Treibstoff pro Jahr ausgelegt, was es nach den Kriterien des amerikanischen Energieministeriums zu einer kommerziellen Bioraffinerie machen würde. Obgleich sich die Menge gewaltig anhört, ist sie gering im Vergleich zu den Millionen Litern Benzin pro Tag, die herkömmliche Raffinerien ausstoßen.

Doch auch wenn sie noch eine Weile brauchen werden, um sich durchzusetzen: Die neuen Biokraftstoffe werden kommen. Ob am Ende Flüssigkeiten der zweiten Generation unsere Tanks füllen – und die der Formel-1-Wagen – oder ob es eine dritte und vierte Generation geben wird, sei dahingestellt. So oder so werden sie künftig eine wichtige Rolle spielen, um den globalen Energiehunger zu stillen. Und mit modernen Technologien, umsichtiger Landnutzung und schonendem Umgang mit Ressourcen sollten noch genügend Anbauflächen für Nahrungspflanzen bleiben.

© Spektrum.de
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