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Referat "Nachwachsende Rohstoffe" Zum Kongreß vom 14.02.2000 Technischer Umweltschutz Ulrike, Stefan, Boris, Constantin Seite 1 von 4 Nachwachsende Rohstoffe Definition: Unter nachwachsenden Rohstoffen versteht man Pflanzen oder deren Inhaltsstoffe, die ganz oder in Teilen als Rohstoffe für die Industrie oder als Energieträger genutzt werden können. Im Gegensatz zu fossilen Rohstoffen erneuern sie sich jährlich oder in überschaubaren Zeiträumen. Aber auch tierische Produkte wie z.B. Schurwolle, Leder, Häute, Talg und Gelatine sind nachwachsende Rohstoffe. Schon früher wurden sie als Nahrungsmittel, Baustoff, Grundstoff für die Kleidungs- und chemische Industrie, als Energielieferant und Brennstoff genutzt, gerieten aber aufgrund der neu entdeckten und entwickelten Stoffe in den Hintergrund. Diese Rohstoffe, besonders die fossilen Brennstoffe, gehen aber langsam in ihren Lagerstätten dem Ende zu und reichern sich auch konzentriert als Schadstoffe, Sondermüll oder in Form von verbranntem Kohlenstoff als CO 2 in der Atmosphäre an. Dies führt zu Umweltverschmutzungen, dem Treibhauseffekt und zu den sog. Zivilisationskrankheiten wie Allergien und ähnliches. Diesem Trend muss entgegengesetzt werden. Viele dieser heute genutzten Stoffe könnten auch durch nachwachsende Rohstoffe ersetzt werden, die umweltverträglich angebaut werden können, vollständig abbaubar sind, dem Menschen und der Natur nicht nachhaltig schaden, den CO2 Haushalt wieder in ein Gleichgewicht bringen und somit der herrschenden Umweltzerstörung entgegen-wirken. Die Natur produziert jährlich weltweit ca. 170 Mrd. Tonnen Biomasse, wovon der Mensch nur ca. 6 Mrd. Tonnen wirtschaftlich nutzt. Beim Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen geht es um die Nutzung von Biomasseresten wie Holz und Stroh, von Biomasseresten aus der Verarbeitung von Nahrungsmitteln sowie um Landschaftspflegeaufwuchs und um den Anbau spezieller Rohstoffpflanzen Durch den bestehenden Nahrungsüberschuss in den EU-Ländern müssen Flächen für den Anbau von Nahrungsmitteln stillgelegt werden. Durch die 1992 eingeleitete Agrarreform ist es nun möglich auf diesen Flächen nachwachsende Rohstoffe anzubauen. Eine Alternative zur zwangsweisen Stillegung von Flächen ist daher die Erzeugung von nachwachsenden Rohstoffen für die Industrie und für die Energiegewinnung. Der Anbau und die Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen ermöglicht einen naturnahen Kreislauf, wodurch fossile Ressourcen geschont werden ein Beitrag zur einheimischen Energieversorgung geleistet wird CO2 Emissionen vermieden werden die Stabilität der ländlichen Wirtschaftsräume gefördert wird (da das Geld nicht mehr aus der Region wegfließt) und die Beschäftigungssituation verbessert wird Zum Beispiel würde der Anbau von 1,2 Millionen Hektar Ölpflanzen (Raps, Sonnenblume, u.a.) für technische Zwecke bis zu 20.000 Arbeitsplätze stellen. Einteilung der nachwachsenden Rohstoffe Man teilt sie in zwei Gruppen ein: 1. Industriepflanzen 2. Energiepflanzen Und die Energiepflanzen noch einmal in die drei Gruppen 1. feste Form (Verbrennung, z.B. Holzreste, Holzhackschnitzel, Stroh) 2. nach Aufbereitung flüssige Form (z.B. Biodiesel aus Raps, Ethanol) 3. nach Aufbereitung gasförmig (z.B. Biogas) Die verschiedenen nachwachsenden Rohstoffe Von den nachwachsenden Rohstoffen ist Holz wohl das bekannteste und auch das mit der ältesten Tradition. Neben Holz werden aber auch verschiedene Zellstoffarten, Öle und Fette, Stärke, Zucker, Arzneien und Gewürze, Fasern und Farbstoffe zu den nachwachsenden Rohstoffen gezählt. Einige dieser Rohstoffe sollen nun genauer betrachtet werden. Biomasse Die verschiedenen Arten der Biomasse entstehen durch die photosynthetische Aktivität der Pflanzen, die die Energie der Sonne dazu benutzen, CO2 in gespeicherte Sonnenenergie, also in Biomasse zu überführen. Im Gegensatz zu z.B. Windenergie und Solarenergie ist diese Biomasse ein Energieträger der sich speichern und lagern lässt. Für die thermische Nutzung von Biomasse spricht, das die fossilen Energieträger in wenigen Jahrzehnten aufgebraucht sein werden der erhöhte CO2-Anstieg durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern Agrarüberschüsse nicht nur in der EU bestehen und Probleme bereiten und Defizite in der Durchforstung von Wäldern Referat "Nachwachsende Rohstoffe" Zum Kongreß vom 14.02.2000 Technischer Umweltschutz Ulrike, Stefan, Boris, Constantin Seite 2 von 4 Nimmt man nun Holz als ein Beispiel heraus, so findet man aber auch einige Probleme, da sich im Holz mit der Zeit Schwermetalle abgelagert haben, die nach der Verbrennung in der Asche vorliegen und gesondert deponiert werden müssen. Diese Schwermetalle stammen aber aus anthropogenen Quellen, sind oder sollten also eigentlich auch vermeidbar sein. Unvermeidlich bei der Verbrennung von Holz sind die Emissionen von CO2, Wasserdampf, Nox (aus der Luft und aus dem Brennstoff) und Asche. Vermeidbare Emissionen sind dagegen Kohlenwasserstoffe, CO und Ruß. Bei der Emission von CO 2 ist jedoch daraufhinzuweisen, das durch die Nutzung von Holz als Energieträger ein geschlossener CO 2- Kreislauf entsteht, es also nicht zu einer Erhöhung des CO2- Haushaltes in der Atmosphäre kommt. Ein weiterer negativer Punkt ist, das die Kosten für ein Biomasse-Heizwerk /Holz-Klein-Feuerungsanlage höher sind als die für konventionelle Feuerungsanlagen. Holz Holz wird aber neben der Nutzung als Energieträger auch als CO2- Speicher genutzt, sowie in der Bau- und Möbelwirtschaft, in der Verpackungs- und Dämmstoffindustrie, sowie als Zellstoff für Papier und Pappe. Es ist äußerst elastisch, druckfest, langlebig, leicht, mit geringem Energieaufwand herzustellen und zu bearbeiten, vielseitig einsetzbar und 100% biologisch abbaubar. Biogas Biogas entsteht, wenn organisches Material unter Ausschluss von Sauerstoff mikrobiell abgebaut wird. Methanquellen sind fossilen Ursprungs, Reisfelder, der Darmtrakt aller Wiederkäuer, Kohlegruben, Mülldeponien und Kläranlagen. Zur Zeit werden 1% des deutschen Primärenergiebedarfs durch Biogas gedeckt. Dies könnte man drastisch steigern, da sich Biogasanlagen durch ihr gutes Input-Output-Verhältnis auch gut als Einzelanlagen und Kleinanlagen nutzen Durch die Nutzung von Biogas wird ebenfalls ein geschlossener CO2-Kreislauf geschaffen, wobei man sich aber noch nicht ganz sicher ist, ob durch die Nutzung von Methan der CO2-Haushalt der Atmosphäre nicht ansteigt oder nicht. Außerdem scheint die Konzentration von Ammoniak größer zu sein, als die bei der Lagerung von Gülle. Cellulose Cellulose wird aus Holz, Stroh, Chinaschilf, Flachs, Hanf, Altpapier und Baumwolle gewonnen und zu Papier, Pappe, Klebstoffen, Bauwerkstoffen, Filmen, Folien, Kosmetika und pharmazeutischen Mittel verarbeitet. Flachs Flachs wird aus dem Faserlein oder Öllein gewonnen und wächst aufgrund seiner geringen Ansprüche auf fast allen Böden. Durch seine Genügsamkeit benötigt man sehr wenig Dünger, um Flachs anzubauen. Verwendet wird Flachs als Dämmstoff, als Formteil, Füllstoff, als Erosionsschutzmatten, technische Vliese, als Substituent für Asbest- und Kohlefasern und in der Textilindustrie. Hanf Da man aus bestimmten Teilen der Hanfpflanze Drogen herstellen kann, wurde der Anbau von THC (Tetrahydrocannabinol) haltigem Hanf in Deutschland verboten. Dies Verbot wurde 1996 zurückgenommen, mit der Auflage, nur Hanfpflanzen mit einer THC-Konzentration von 0,3% anbauen zu dürfen. Kontrolliert wird der Anbau von Hanf von der Bundesanstalt für Ernährung und Landwirtschaft, die in unregelmäßigen Abständen Kontrollen durchführt Hanf ist biologisch Abbaubar, besitzt ein geringes Gewicht und ist relativ resistent gegen viele Unkräuter, Schädlinge und Krankheiten, was ihn auszeichnet als Nutzpflanze, die Ernte ist aber sehr aufwendig. Daher ist der Anbau von Hanf heutzutage noch nicht wirtschaftlich. Aus Hanf werden Textilien, Papier, Pappe, Seile, Bindfäden, Taue, Säcke, Segeltuch, Dichtungen (Gas-Wasserrohre), Hanföl (hoher Vitamin E-Gehalt), Baustoffe, Dämmstoffe und Arzneimittel hergestellt, außerdem wird er als Faserverbundstoff und als Ersatz für Verpackungsgarne, Glas- und Kohlefasern verwendet. Naturfaserverstärkte Kunststoffe in der Automobilindustrie Sie bieten gegenüber den bisher eingesetzten Glasfasern viele technische Vorteile, da sie bis zu 10% Gewicht einsparen, gut mit Standardverfahren zu be- und verarbeiten sind, größtenteils die selben technischen Eigenschaften besitzen, ebenso ökologische Vorteile (z.B. keine Schadstofffreisetzung Verbrennung, stoffliche Wiederverwertung). Gegenüber Glasfasern bieten Naturfasern arbeitsmedizinische Vorteile durch einfaches Handling und drastische reduzierte Neigung zur Auslösung von Haut- und Lungenirritationen. Auch sind die Rohstoffpreise und der zeitliche Aufwand beim Verarbeiten. Die Altautoverordnung schreibt vor, das ab dem Jahre 2005 nach Ende des Produktzyklus eines Automobils nur noch ein Anteil von 5 % deponiert werden darf. Ein Problem bei der Verwendung von Naturfasern ist, das es keine Versuche über das Langzeitverhalten von Naturfasern und das Versageverhalten bei schlagartiger Beanspruchung gibt. Stärke Stärke wird aus Mais, Kartoffeln und Weizen gewonnen und findet als Kleister, Klebstoff und Zuckerzusatz Verwendung, ebenso in der Papier- und Papierindustrie, als Waschmittelrohstoff (Zuckertenside), in der Kosmetik, Textilindustrie (gegen Abrieb beim weben), Pharmaindustrie, als Zuckerzusatz, als Binde- und Gleitmittel in der Bauindustrie (z.B. Gips- und Mineralfaserplatten). Aus Stärke lassen sich biologisch abbaubare Werkstoffe herstellen, mit denen man Kunststoffe ersetzen könnte, so zum Beispiel Formteile für Einweggeschirr, Verpackungen, mit denen der Müll reduziert werden könnte. Insgesamt gibt es mehr als 6000 Stärkeprodukte. Referat "Nachwachsende Rohstoffe" Zum Kongreß vom 14.02.2000 Technischer Umweltschutz Ulrike, Stefan, Boris, Constantin Seite 3 von 4 Durch den Anbau von Kartoffeln und Mais als stärkehaltige Nutzpflanzen kann es zu Erosionsschäden des Gebietes kommen, da die Bodenbedeckungsdauer sehr kurz ist. Bei der Kartoffel kommt es noch zu erhöhtem Transportaufwand, womit sie also nur im Anbau unmittelbar neben einer verarbeitenden Fabrik wirtschaftlich wäre. Der Grund zur Entwicklung von Biologisch Abbaubaren Werkstoffen (BAW's) sind eine naturnahe Kreislaufwirtschaft und die Verringerung der Müllmenge. Zur Zeit sind die BAW's noch vergleichsweise teuer (6-15 DM/Kg), bei 5 DM/Kg wären sie aber schon wirtschaftlich. Bis zum Jahr 2005 rechnet man mit einer Produktion von 40.000- 400.000 t biologisch abbaubaren Werkstoffe, was einen Kg-Preis von 5 DM/Kg zur Folge hätte. Ein Problem ist die Anerkennung von BAW's in der Bevölkerung und Wirtschaft, was aber bei den Biomüllsäcken schon erfolgreich durchgeführt wurde. Zucker Zucker wird aus Zuckerrohr, Zuckerrüben, Zuckerhirse, Topinambur und dem Zichorie gewonnen und in der Pharmazie-, Kosmetik-, Waschmittel-, Betonzusatzmittelindustrie, verwendet, in der Fermentation, als Nahrung für Mensch und Tier. In der Lebensmittelindustrie, für Farbe und als Ausgangsstoff für Kunststoffe. Kunststoffe aus Zucker , sog. PHB-Werkstoffe (Polyhydroxylbuttersäure) sind schnell abbaubar. Zur Zeit sind sie noch teurer als herkömmliche Werkstoffe und daher wenig auf dem Markt zu finden. Pflanzenöle Die Pflanzenöle werden aus verschiedenen Pflanzen gewonnen, unter anderem von der Rapspflanze, Sonnenblume, Kokospalme, Ölpalme, Sojabohne und dem Lein. Sie finden Verwendung als Treibstoff, Schmierstoff, Wasch- und Reinigungsmittel (Tenside), Farben, Lacke, Kosmetika, Hilfsstoffe für die Textil-, Kunststoff-, Leder-, Gummi-, Papierindustrie, Speiseöle, Hydrauliköle und als Kühlschmiermittel. Durch ihre Nutzung erreicht man einen geschlossenen CO2- Kreislauf und sie sind fast vollständig in sehr kurzer Zeit biologisch abbaubar. Zur Zeit sind Pflanzenöle in der Herstellung und Verarbeitung noch teurer als Mineralöle, aber wesentlich besser abzubauen bei Unfällen und Leckagen. Raps als Kraftstoffbasis Die Ölpflanze Raps kann auf den stillgelegten Flächen der Landwirtschaft angebaut werden und liefert den Grundstoff zur Herstellung von Biodiesel. Der Raps wird geerntet, die Saat von dem Stroh getrennt und in einer Ölmühle gemahlen und abgepresst. Es entsteht Rapsöl, welches durch Umesterung zu Rapsmethylester (Biodiesel) verarbeitet wird. Bei der Umesterung wird Methanol dazugegeben, um das im Öl enthaltene Glycerin abzuspalten. Bei diesem ganzen Prozess entstehen keine Nebenprodukte, die nicht weitergenutzt werden könnten. Das Rapsstroh kann verfüttert werden, der Rapsschrot einen Teil des importierten Sojaschrots ersetzen und das pflanzliche Glycerin kann das Synthetische substituieren. Beim Anbau von Raps wird durch den erhöhten Bedarf an Stickstoffdünger befürchtet, das wesentlich mehr Lachgas (N2O/starkes Treibhausgas) entsteht als bei anderen Nutzpflanzen. Zu diesem Thema wurden einige Messungen durchgeführt, die dieses nicht bestätigen konnten, da keine signifikante Erhöhung der Lachgasemissionen im Vergleich zu anderen Vegetationen festgestellt wurden. Hinzu kommt der sehr hohe Flächenbedarf für den Anbau von Raps als Nutzpflanze. Bei einer kompletten Substitution des Dieselverbrauches für Deutschland müsste man auf 22 Mio. ha Raps anbauen. Der Kraftstoff Biodiesel Die Nutzung von Biodiesel besitzt folgende Vorteile: Der Energieaufwand bei der Herstellung von Biodiesel ist deutlich geringer als der für fossilen Diesel. Die Emissionen bestimmter Schadstoffe (z.B. PAH, HC, CO und Partikel) sind geringer als beim normalen Diesel. Durch die Verwendung von Oxidationskatalysator kann die Emission von CO und HC um rund 80% reduziert werden und der Partikelaustoss um rund 70%. Nachteile von Biodiesel sind der große Flächenbedarf der anzubauenden Pflanzen und die Lösungsmitteleigenschaften, die bei der Betankung zu Lackschäden führen kann und die Dichtungen des Motors angreift. Diese müssen daher bei älteren Autos (bis Jahrgang 1995) ausgewechselt werden, was aber keine großen Probleme bereitet und finanziell tragbar ist. Es kann aber nach der Umrüstung zu Verstopfungen kommen, da festgesetzte Bestandteile des fossilen Diesels gelöst werden. Der Verbrauch von Biodiesel durch seine höhere Dichte liegt im Vergleich zu Diesel um rund 2% höher. Ethanol Da die fossilen Energieträger nicht unbegrenzt zur Verfügung stehen wird seid der Ölkrise, in den 70er Jahren, verstärkt nach Alternativen gesucht. Wichtig in diesem Zusammenhang ist die Suche nach flüssigen Brennstoffen, für Autos, Flugzeuge und Schiffe, wobei das Augenmerk auf pflanzliche Öle und Alkohole fiel. Ethanol entsteht im allgemeinen durch anaeroben Abbau von Glukose durch Hefepilze. Summenformel: C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 Formelgewichte: 180g 92g 88g Energiegehalt : 2826kJ 2750kJ (pro Mol) Wie man in der Tabelle sieht enthält das Ethanol theoretisch 97% der Energie die in der Glukose gespeichert ist. Da praktisch bei der Gärung Nebenprodukte z.B. Glycerin entstehen liegt der Energiegehalt zwischen 90%und 95%. Weitere Probleme ergeben sich dadurch, daß sich die Hefezellen bei einem Ethanolgehalt von ca. 18% in der Zuckerlösung selbst vergiften und eine Destillation nötig wird. Dieser Vorgang verbraucht wieder viel der gewonnenen Energie. Referat "Nachwachsende Rohstoffe" Zum Kongreß vom 14.02.2000 Technischer Umweltschutz Ulrike, Stefan, Boris, Constantin Seite 4 von 4 Herstellungsmethoden: Zuerst einmal die einfachste Herstellungsmethode aus zuckerhaltigen Rohstoffen wie z.B. Obst, Zuckerrüben, Betarüben (Kreuzung aus Zuckerrübe und Futterrübe) und Zuckerrohr. Diese Rohstoffe werden mechanisch zerkleinert und dann gepresst bzw. mit Dampf bearbeitet. Die so entstehende Zuckerlösung wird dann mit 1 bis 2,5 kg Hefe pro hl versetzt und 5070 Stunden vergoren. Da Monosacharide schnell zersetzt werden, speichern die Pflanzen die Energie oft in Form von Polysachariden, wie z.B. Stärke. Diese Polymere müssen für die Gärung erst gespalten werden, man verwendet für den Trinkalkohol Enzyme und für den Industriealkohol die Säurehydrolyse. Nach der Spaltung folgt die Gärung wie bei den Monosachariden. Die mit Abstand häufigste Form von Kohlenhydraten ist die Cellulose. Diese Tatsache legt den Gedanken nahe, diese gigantische Menge auch für die Treibstoffproduktion zu nutzen. Da die chemische Spaltung mit Hilfe von hohen Temperaturen, Druck und Säuren bzw. Basen zu teuer und damit unwirtschaftlich ist, sucht man nach biologischen Verfahren. Besonderes Interesse gilt Trichoderna viride, einem zellulosespaltenden Pilz. Noch günstiger wäre die Anwendung von thermophilen Stämmen von Clostridien, die bei 60 bis 70°C die Cellulose direkt zu Ethanol umsetzen. Eine weitere wichtige Rohstoffquelle sind Abfälle unter anderem kohlenhydratreiche Abwässer aus der Zuckerproduktion und der Celluloseherstellung (für Papier) und das Herbstlaub. Vor- und Nachteile des Ethanols Vorteile: Ethanol ist ein nachwachsender Rohstoff und somit gibt es keine CO2 Freisetzung außerhalb des natürlichen Kohlenstoffkreislaufes. Der Gärungsrückstand kann weiterverarbeitet werden, entweder zur Methangewinnung oder Tierfütterung (Eiweißgehalt bleibt während der Gärung konstant). Ethanol erhöht die Oktanzahl des Benzins und verbrennt sauberer als herkömmliches. Der Energiegehalt ist geringer als bei Benzin, aber durch die bessere Verbrennung verringert sich der Kraftstoffverbrauch. Durch steigende Rohölpreise ist es nur eine Frage der Zeit bis der Agrarethanol billiger als herkömmliches Benzin wird. In Deutschland ist die Möglichkeit gegeben großflächig Kartoffeln, Rüben und Holz zur Ethanolherstellung anzubauen. Nachteile: Es werden sehr große Flächen zur Rohstoffproduktion benötigt, z.B. um dem Benzin 5% Ethanol beizumischen, bräuchte man circa 360000ha Ackerland (5% der landwirtschaftlichen Fläche Deutschlands). Heutigen Standartmotoren kann man maximal 5% Ethanol beimengen. Amerikanische Autos, mit geringer Verdichtenden Motoren, können mit den dort angebotenen Gasohol (10%) fahren. In Brasilien wurden Motoren entwickelt, die mit bis zu 20% ethanolhaltigem Benzin fahren können. Es wird zur Herstellung von 2,4 Litern Ethanol ein Liter Treibstoff in der Landwirtschaft benötigt. Bei der Verbrennung entstehen mehr Aldehyde als bei Benzin. Da Ethanol auf alle Lebewesen toxisch wirkt, hätten Unfälle verheerende Folgen. Vor- und Nachteile von nachwachsenden Rohstoffen Vorteile Wirtschaft Nachteile schafft Arbeitsplätze geschlossene Kreislaufwirtschaften die Wirtschaftskraft in ländlichen Regionen steigt geringere Preissteigerung für nachwachssende Rohstoffe, als für fossile Rohstoffe höherer Preis Landwirtschaft Ausdehnung des Nutzpflanzenspektrums es wird sich wieder an alte Kulturen erinnert alternative Verwendungsmöglichkeiten für nicht genutzte landwirtschaftliche Flächen Umwelt Biologisch vollständig abbaubar Toxikologisch unbedenklich CO2 wird der Luft entzogen und Wieder freigesetzt geschlossener CO2-Kreislauf Treibhauseffekt wird verringert Schont die endlichen, fossilen Ressourcen höherer Entwicklungsaufwand Akzeptanzprobleme Konkurrenzprodukte lassen sich nicht ohne Widerstand verdrängen Hoher Flächenbedarf Wettbewerbsmäßig unterlegen Erfordert neues technisches Know-how Hoher Flächenbedarf Man sollte jedoch alle Ressourcen Schonen Recycling, langlebige Produkte, etc. Quellenverzeichnis: www.katalyse.de, www.biodiesel.de Nachwachsende Rohstoffe, Biomasse Reinhard Bachofen , Mario Snozzi, Hans Zürrer, Udo Pfriemer Verlag Biotechnologie in der Agrar- und Ernährungswirtschaft, Paul Parey Verlag Nachwachsende Rohstoffe, Verlag J. Kordt, Status Seminar zum Forschungsprogramm Nachwachsende Rohstoffe, Beides Bundesministerium für Ernährung , Landwirtschaft und Forsten Centrales Agar-Rohstoff-Marketing-Entwicklungs-Netzwerk (C.A.R.M.E.N.), Aulis Verlag Deubner
