Die Rolle der Bioenergie im Energiesystem der Zukunft

Heimische Bioenergieträger lieferten im Jahr 2017 den mit Abstand größten Beitrag zur erneuerbaren Energieversorgung in Deutschland. Die Nutzung der Bioenergie erstreckt sich bereits über alle drei Sektoren und nimmt sektorübergreifend einen Anteil von etwa 55 Prozent der Erneuerbaren Energien in Deutschland ein. Bioenergie umfasst neben der Nutzung von Holzenergie die Nutzung von Energiepflanzen, also Pflanzen, die sich dafür eignen, zur Erzeugung von Strom, Wärme oder Kraftstoffe zu dienen, sowie Reststoffe, die bei einer anderen, vorherigen Nutzung von Biomasse anfallen (z.B. in der Landwirtschaft, bei der Pflege von Parks und Gärten oder bei der Produktion von Nahrungsmitteln). 

Die Nutzung von Bioenergie bringt viele Vorteile mit sich, wie beispielsweise die Entsorgung von Reststoffen, die Bereicherung der Fruchtfolge durch Energiepflanzen und die Aufwertung der Forstflächen sowie die Stärkung des ländlichen Raums. Dennoch sieht sich die Bioenergie häufig kontroversen Debatten ausgesetzt: Während sich ihre Rolle im Stromsektor von der Grundlast zum flexiblen Ausgleich des fluktuierenden Wind- und Solarstroms verschiebt, schwankt das Ansehen im Wärme- und Verkehrssektor von Vorurteilen bezüglich Nutzungs- und Flächenkonkurrenzen bis hin zu der Einschätzung, dass die Bioenergie der Hoffnungsträger für die Energiewende sei.

Ein Blick auf die Potenziale und Nutzungsmöglichkeiten von Bioenergie in den Sektoren zeigt, in welchem Umfang diese künftig eingesetzt werden kann. Denn die Bioenergie springt ein, wenn Alternativen für eine direkte Elektrifizierung fehlen, wie bei der Prozesswärmeerzeugung in der Industrie und zur Herstellung von Biokraftstoffen . Ohne die Nutzung der Bioenergie werden die Kosten der Energiewende in Zukunft wesentlich in die Höhe schnellen.

Die AEE Metaanalyse „Nutzungspfade der Bioenergie für die Energiewende“ stellt dar, dass die Verwendung von Bioenergie in den meisten untersuchten Langfristszenarien bis 2050 steigt, auch wenn die Schwankungsbreite erheblich ist. Zusammenfassend wird deutlich, dass alle Prognosen Bioenergie als unverzichtbar für den Erfolg der Energiewende ansehen.

Wärme und Prozesswärme

Im Wärmebereich wird die Bioenergie nach allen Prognosen weiterhin eine wichtige Rolle spielen, sowohl im Hinblick auf dezentrale Anlagen als auch für die Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen, beispielsweise mittels Biogas-KWK-Anlagen. Insbesondere im Prozesswärmebereich kann die Bioenergie als Joker auftreten. Die Prozesswärme stellt den größten Anteil am Energiebedarf der Industrie: Von den 718 Mrd. kWh des industriellen Energieverbrauchs im Jahr 2016 sind circa 66 Prozent (476 Mrd. kWh) auf die Prozesswärme zurückzuführen, wovon die Erneuerbaren Energien lediglich fünf Prozent ausmachen. Temperaturen unter 300 Grad Celsius sind gut erschließbar für Solarthermie, Tiefengeothermie und Wärmepumpen. Bei der Betrachtung des Prozesswärmebedarfs aller Wirtschaftszweige wird deutlich, dass lediglich ein Viertel dieser Wärme mit einem Temperaturniveau von unter 500 Grad Celsius benötigt. Der Großteil des Prozesswärmebedarfs fällt hingegen auf den Temperaturbereich über 500 Grad Celsius. Aufgrund der Temperaturbegrenzung der genannten Technologien empfiehlt sich der Einsatz von Bioenergie bei der Prozesswärme insbesondere im Hochtemperaturbereich. So werden bei Verbrennung von fester Biomasse und Biogas leicht über 500 Grad Celsius erreicht, während mit Biomethan (aufbereitetes und gereinigtes Biogas) auch weit über 500 Grad Celsius zu realisieren sind.

Flexible Biogasanlagen für Markt- und Netzintegration

Vor allem Bioenergie und Wasserstoff bzw. erneuerbares Methan springen in Zukunft als speicherbare Energieträger genau dann ein, wenn fluktuierender Solar- und Windstrom dies erfordert. Diese flexiblen Technologien können durch zuschaltbare Speicher oder steuerbare Verbraucher unterstützt werden. Da in naher Zukunft die zwanzigjährige EEG-Förderperiode für viele Bioenergieanlagen endet und diese ohne faire Marktbedingungen bisher nicht wirtschaftlich sind, suchen Anlagenbetreiber nach zukunftsfähigen Optionen. Biogas-BHKW sollen künftig verstärkt bedarfsgerecht laufen. Dieselbe Menge Biogas wird nicht mehr rund um die Uhr verstromt, sondern kann dank größerer Speicher- und- Erzeugungskapazitäten an den einzelnen Anlagen gezielt zu den Zeiten hoher Nachfrage und geringer Einspeisung aus Sonne und Wind in Elektrizität umgewandelt werden. Gefragt ist jetzt das schnelle Hoch- und Herunterfahren in Abhängigkeit von Preissignalen des Strommarkts.

Eine höhere Flexibilität macht das erneuerbare Energiesystem der Zukunft effizienter, da Strom-, Wärme- und Gasnetze besser ausgelastet werden und gut aufeinander abgestimmte Erzeuger und Verbraucher kostengünstiger als das bisher relativ starr getrennte System sein können. Schließlich entfällt das teure Bereithalten von Erzeugungskapazitäten und Infrastrukturen, die kaum genutzt werden. Über KWK auf Basis von Biogas und Biomethan werden schon heute im Energiesystem die Sektoren Strom und Wärme verknüpft. Auch hier besteht ein großes Potenzial für die Zukunft.

Die Rolle biogener Gase bei der Verknüpfung von Strom, Wärme und Verkehr

Auch feste Biomasse kann zur Sektorenkopplung beitragen: Holz(heiz-)kraftwerke sind eher auf wärmegeführten Grundlastbetrieb ausgelegt, können prinzipiell aber dieselben Funktionen übernehmen, die im folgenden Kapitel für flexible Biogas-BHKW beschrieben werden. Biogene Gase sind Biogas, Klärgas und Holzgas. Werden diese zu Biomethan aufbereitet, sind sie mit fossilem Erdgas und synthetischem Methan identisch. Während Biogas, Klärgas und Holzgas bereits seit den 1990er Jahren für die kombinierte Strom- und Wärmeerzeugung in BHKW etabliert sind, steht Biomethan auch der Weg ins bestehende Erdgasnetz offen. Auch der Einsatz in Fahrzeugen mit Gasmotor wird möglich. Damit sind biogene Gase ein zentrales Element der Sektorenkopplung. Im Energiesystem der Zukunft werden sich die Einsatzgebiete der Bioenergie voraussichtlich verschieben, hin zu einer flexiblen, planbaren Stromerzeugung. Biogene Gase sind dafür ideal geeignet. In Zeiten, in denen der Wind nicht weht und die Sonne nicht scheint, springen mit biogenen Gasen betriebene BHKW schnell und bedarfsgerecht ein.

Auch für Power-to-Gas-Verfahren sind biogene Gase wichtig. Für die Produktion von synthetischem Methan wird CO₂ benötigt, welches bei der Aufbereitung von biogenen Gasen zu Biomethan sowieso anfällt. Eine Möglichkeit für das Speichern bzw. Rückverstromen von erneuerbarem Strom mit Hilfe von Biogasanlagen ist die Aufbereitung von Biogas zu Biomethan (CH4) und die anschließende Speicherung im Gasnetz. Des Weiteren kann die Bioenergie als CO₂-Quelle in der Methanisierung des Power-to-Gas-Verfahrens dienen: Ein Überangebot von erneuerbarem Strom kann durch Elektrolyse zu Wasserstoff und anschließend in synthethisches Methan (CH4) umgewandelt werden. Dabei wird Kohlendioxid hinzugeführt, das bei der Aufbereitung von Biogas zu Biomethan angefallen ist. Das im Power-to-Gas-Verfahren erzeugte synthetische Methan kann wiederum im Gasnetz gespeichert werden. Die Nutzbarkeit von CO₂ aus Biogasanlagen, biogasbetriebenen Blockheizkraftwerken oder Biomethananlagen stellt ein hohes Potenzial als Ressource für PtG-Verfahren oder zur Methanol-Herstellung dar.

Zusammenfassend ist die Bioenergie der Alleskönner unter den Erneuerbaren Energien Technologien und wird auch weiterhin wichtiger Teil eines Energiesystems der Zukunft sein.

Dieser Text wurde im RENEWES SPEZIAL NR. 86 / Januar 2019 veröffentlicht.

Veranstaltungshinweis: 

Fachtagung: "Welche Rolle spielen Biokraftstoffe für den Klimaschutz und eine erfolgreiche Verkehrswende?" am 6. Juni 2019 im Hotel Aquino, Tagungszentrum Berlin.

Welche Rolle können Biokraftstoffe für die Dekarbonisierung des Verkehrssektors spielen? Wie kann Deutschland seine Klimaziele erreichen? Diesen und weiteren Fragen widmen wir uns beim „Brennpunkt Biokraftstoffe“. Wir möchten Sie herzlich einladen, mit verantwortlichen Politikerinnen und Politiker aus den verschiedenen Fraktionen sowie Wissenschaftlern zum Thema nachhaltige Mobilität und Bioenergie bei unserem Dialogforum zu diskutieren.