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Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag

Dagmar Oertel

Industrielle stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe

Sachstandsbericht zum Monitoring »Nachwachsende Rohstoffe«

TAB-Arbeitsbericht Nr. 114. Berlin 2007, 256 Seiten

Zusammenfassung

Seitens der chemischen Industrie zeigt sich ein beachtliches Engagement, verstärkt auf nachwachsende Rohstoffe zurückzugreifen. Obwohl in den letzten Jahren bereits eine Reihe von Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo) auf den Markt gekommen ist (z. B. biologisch abbaubare Verpackungen), steht man in dieser Entwicklung noch am Anfang. Aufgrund der großen Vielfalt in der stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe werden komplexe Fragen bezüglich der technischen Machbarkeit sowie der ökologischen und ökonomischen Vor- und Nachteile möglicher Pfade zur Bereitstellung von auf nachwachsenden Rohstoffen basierenden Produkten aufgeworfen.

Eine zukünftig verstärkte stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe könnte eine Reihe von Vorteilen bringen. Dazu gehören u. a. der Ersatz endlicher, nichterneuerbarer Rohstoffe sowie eine Reduzierung von Importabhängigkeiten. Der Anbau nachwachsender Rohstoffe könnte zudem zur Erhaltung der biologischen Vielfalt beitragen. Beim Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen ist in Bezug auf CO2-Emissionen ein Ausgleich in der Bilanz möglich, sofern das bei einer (energetischen) Nutzung freiwerdende CO2 mengenmäßig dem in der Wachstumsphase aus der Atmosphäre »entnommenen« entspricht. Zudem lässt sich an eine stoffliche Nutzung meist eine energetische anschließen (Kaskadennutzung). Weiterhin besitzen Produktentwicklungen aus nachwachsenden Rohstoffen ein beachtliches Innovationspotenzial – einerseits in der Weiterentwicklung von Herstellungstechnologien (z. B. für zukünftige sog. Bioraffinerien) und andererseits aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften (z. B. biologische Abbaubarkeit).

Diskutiert wird die Option einer verstärkten (stofflichen) Nutzung nachwachsender Rohstoffe aber nicht nur vor dem Hintergrund der zunehmenden Verknappung fossiler Rohstoffe und einer bisher vorwiegend energetischen Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen. Vielmehr rückt die Vision einer nachhaltig schadstoffarmen und ressourcenschonenden Versorgung mit Grundchemikalien und daraus hergestellten Produkten verstärkt ins Blickfeld.

Der TAB-Bericht gibt einen Überblick über die verschiedenen Forschungs- und Anwendungsfelder im Bereich der industriellen stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe. Damit sollen der erreichte Stand und die zukünftigen Perspektiven dokumentiert werden. Analyse und Bewertung der technischen Machbarkeit einer verstärkten stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe sind – im Vergleich zur energetischen – noch deutlich weniger untersucht. Diese Diskrepanz kann mit vorliegender Studie nicht überbrückt, sondern nur als solche dargestellt werden.

Die aktuelle stoffliche Nutzung steht im Mittelpunkt des Berichts. In vergleichender Perspektive wird die energetische Nutzung nachwachsender Rohstoffe einbezogen. Zum einen soll damit eine Einordnung der stofflichen in die gesamte Nutzung vorhandener Biomasseressourcen ermöglicht und zum anderen sollen Flächen- und Nutzungskonkurrenzen zwischen den verschiedenen Einsatzmöglichkeiten aufgezeigt werden, da heute bereits eingesetzte und zukünftig angedachte Mengen an nachwachsenden Rohstoffen für eine energetische Nutzung sich potenzialbegrenzend auswirken können.

Neben der Übersicht heute bereits praktizierter und zukünftig angedachter Verarbeitungspfade wesentlicher Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen (auf der Basis einer Literaturauswertung) wird für ausgewählte Fälle eine ökologische Bewertung zur Diskussion gestellt. Darüber hinaus werden zukünftige Bioraffinerieansätze analysiert. Des Weiteren wird diskutiert, inwieweit Engpässe bei der verfügbaren Biomasse im Falle eines deutlichen Ausbaus der stofflichen wie auch der energetischen Nutzung auftreten könnten. Abschließend wird auf marktrelevante Aspekte von Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen sowie auf offene Fragen eingegangen. Der Hauptfokus der Betrachtungen liegt auf Deutschland.

Zum aktuellen Stand stofflicher Nutzung

Die Einsatzmöglichkeiten von nachwachsenden Rohstoffen sind bereits heute relativ breit gestreut. Das Spektrum reicht von etablierten Verfahren (z. B. Papierherstellung aus Zellstoff) über Nischen- (z. B. Hochleistungsbioschmierstoffe, Biokunststoffe) bis hin zu in der Entwicklung befindlichen Anwendungen (z. B. Verbundwerkstoffe aus thermoplastischen Kunststoffen und Holzfasern oder Holzspänen, sog. Wood-Plastic-Composites). Gerade der Bereich der »neuen Werkstoffe« wird als einer der attraktivsten Zukunftsmärkte eingeschätzt.

Der Marktanteil chemischer Grundstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen liegt in Deutschland derzeit bei ca. 10 % (bezogen auf die eingesetzte Rohstoffbasis). Die wichtigsten Vertreter sind Oleochemikalien (Tenside, Bioschmierstoffe etc.) und Chemikalien (z. B. Zitronen-, Milch-, Lävulinsäure, Sorbit, Glyzerin und Cellulosederivate). Jährlich werden in Deutschland im industriellen, chemisch-technischen Bereich (chemisch-pharmazeutische Industrie, Papierindustrie, naturfaserverarbeitende Industrie) ca. 2,7 Mio. t nachwachsende Rohstoffe stofflich genutzt. Dabei machten 2005 pflanzliche Öle (0,8 Mio. t) und Stärke (0,64 Mio. t) den Hauptteil der stofflich genutzten Rohstoffe für technische Anwendungen aus.

Als landwirtschaftlich genutzte Fläche stehen in Deutschland ca. 17 Mio. ha zur Verfügung, die sich aus ca. 12 Mio. ha Ackerfläche und ca. 5 Mio. ha Grünland zusammensetzen. Der Anbau nachwachsender Rohstoffe erfolgte 2005 auf etwa 1,4 Mio. ha. Die Anbaufläche zur stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe liegt bei etwa 0,28 Mio. ha. Dabei macht in Deutschland Stärke den größten Anteil aus (ca. 0,13 Mio. ha), gefolgt von Rapsöl (0,1 Mio. ha). Neben Anbaubiomasse gehört zur stofflich nutzbaren Biomasse auch Holz, welches ob seiner zumeist bereits etablierten Nutzung keinen Schwerpunkt in der Darstellung bildet – mit Ausnahme seines Bestandteils Lignocellulose.

Ausgangsstoffe und wesentliche Einsatzbereiche

Gewonnen werden pflanzliche Öle und Fette unter deutschen Klimabedingungen hauptsächlich aus (Winter-)Raps, Öllein, Sonnenblumen und Senf. Weltweit machen allerdings nichtheimische Ölsorten wie Palmöl und »Laurinöl« (Kokos- und Palmkernöl) mit 27 % den Hauptteil an der Ölproduktion aus; bei Hinzunahme von Sojaöl liegt der Anteil sogar bei 52 %. Die Bedeutung von Raps- und Sonnenblumenöl ist mit 17 % deutlich geringer (für 2003). Dies spiegelt sich auch in der Verfügbarkeit pflanzlicher Öle in Deutschland wider: Die größte Bedeutung besitzt Rapsöl mit 44 % (1,4 Mio. t), gefolgt von Palmöl (16 %, 0,5 Mio. t), welches ausschließlich importiert wird, und von Sojaöl (14 %, 0,45 Mio. t), welches in Deutschland zwar produziert wird, allerdings aus importierten Rohstoffen (2003). Der Verbrauch pflanzlicher Öle für die Herstellung oleochemischer Produkte wurde für 2003 auf 330.000 t geschätzt, wovon ca. 38 % aus heimischem Anbau stammten. Lein- und Sonnenblumenöl sowie andere Ölsaaten werden hauptsächlich zu Seifen, Farben und Lacken verarbeitet oder finden in anderen chemisch-technischen Bereichen Verwendung. Für Bioschmierstoffe und -öle haben sich hauptsächlich Raps- und mit geringen Anteilen Sonnenblumenöl als Rohstoffquelle etabliert. Insbesondere bei der Verwendung von Rapsöl hat sich der Anteil technischer Öle (inklusive Kraftstoffe) im Verhältnis zu Speise- und Nahrungsölen deutlich erhöht.

Stärke wird in Deutschland v.a. aus Kartoffeln (3 Mio. t verarbeitet), gefolgt von Weizen (0,9 Mio. t) und Mais (0,6 Mio. t) gewonnen. Im Jahr 2004 wurden ca. 640.000 t an Stärke für technische Anwendungen genutzt. Der Einsatz von Stärke erfolgt zum Teil chemisch unverändert, zum Teil aber auch modifiziert oder abgebaut. Überwiegend werden ihre spezifischen Eigenschaften als Zusatzstoff genutzt (z.B. Quellvermögen). Stärke wird eingesetzt u.a. als Zusatzstoff in der Papierindustrie und für Wasch- und Reinigungsmittel, zur Herstellung chemischer Grundstoffe (z.B. Tenside, Stabilisatoren, organische Säuren), als Bindemittel, in Klebstoffen, zur Herstellung von Biokunststoffen (Polymilchsäure, PLA), als Füllstoff und für Schäume (z.B. Verpackungsindustrie) sowie in Pharmazeutika.

Die Zuckergewinnung erfolgt in Deutschland (und in der EU) aus der Zuckerrübe; weltweit eher aus Zuckerrohr. Als Industrierohstoffe werden Einfachzucker wie Glucose und Fructose, aber auch polymerisierte Zucker sowie Zuckerderivate genutzt. Als Polymerkomponenten und als Derivate kommen Zucker in Kunststoffen (z.B. Polyurethane) sowie in Tensiden, in Kosmetika, in Waschmitteln und in Farbstoffen zum Einsatz. Sie werden zudem verwendet als Abbindeverzögerer (für Zement/Beton, Gießereien), in Klebstoffen/Anstrichmitteln, als Textilhilfsmittel sowie im pharmazeutischen Bereich. Durch Fermentation wird Zucker z.B. in Polyhydroxybuttersäure,Biopolymere, Zitronensäure oder Enzyme umgewandelt. Weiterhin können aus Zucker auch chemische Grundstoffe hergestellt werden, wie technische Lösungsmittel (z. B. Polyalkylenglykoläther) oder Milchsäure bzw. ihre Salze und Ester. Darüber hinaus wird Zucker zur Bioethanolherstellung verwendet.

Als Rohstoffe für pflanzliche Naturfasern haben vor allem weltweit Baumwolle, Jute, Flachs und Sisal Bedeutung. In Deutschland werden aufgrund klimatischer Gegebenheiten hauptsächlich Flachs und Hanf angebaut. Die heutige deutsche Hanfproduktion wird hauptsächlich zu Dämmstoffen und in geringeren Anteilen zu Vliesen für die Automobilindustrie verarbeitet. In der deutschen Textilindustrie spielen Naturfasern – außer Baumwolle und Wolle – in der Verarbeitung praktisch keine Rolle. Industriell verwendet werden Verstärkungsfasern aus Hanf, Flachs für die Textilindustrie (technische Textilien), Taue, Seile sowie für Dachbedeckungen und als Dämmmaterial. Eine wesentliche Rolle spielen naturfaserverstärkte Kunststoffe.

Färberpflanzen spielen in Deutschland eine untergeordnete Rolle. Auch die Nutzung von Proteinen macht derzeit nur einen vergleichsweise kleinen Anteil an der gesamten stofflichen Nutzung aus. Proteine sind zur Herstellung von chemischen Grundstoffen (Klebstoffe, Additive zur Papierherstellung, Bindemittel für Sperrholz etc.), von Biokunststoffen sowie zur Einkapselung von Pharmazeutika nutzbar.

Holz ist ein traditionell verwendeter nachwachsender Rohstoff, welcher in der holzverarbeitenden sowie in der Papier- und Zellstoffindustrie verwendet wird. Neue Nutzungen von Holz(bestandteilen) beziehen sich z. B. auf den Einsatz von Lignocellulose, einem Gemenge aus Cellulose und Lignin. Neben Holz gibt es noch weitere Rohstoffquellen für Lignocellulose: Miscanthus sinensis, Getreidestroh, Schilf, Gras, aber auch Reststoffe (Papierabfälle etc.). Lignocellulose kann eingesetzt werden als Faser im Baustoffbereich sowie zukünftig in sog. Lignocellulose-Bioraffinerien. Darüber hinaus können aus Lignocellulose auch Kraftstoffe gewonnen werden.

Produkte

Die wichtigsten Vertreter chemischer Grundstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen sind Oleochemikalien (Tenside, Bioschmierstoffe etc.), aber auch Chemikalien wie Zitronen-, Milch- und Lävulinsäure, Sorbit, Glyzerin und Cellulosederivate. Die Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen in der chemischen Industrie erfolgt sowohl durch chemische als auch fermentative Konversion. Charakteristisch für die Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen im chemisch-technischen Bereich sind vergleichsweise geringe Produktionsmengen.

Tenside stellen die mengenmäßig bedeutendste Stoffgruppe dar, die heute bereits in der chemischen Industrie in relevanten Anteilen auf nachwachsenden Rohstoffen basiert. Sie werden sowohl aus petrochemischen (Erdölbasis) als auch aus oleochemischen (NaWaRo-Basis) Grundstoffen gewonnen (derzeit anteilig zu jeweils 50 %). Rohstoffe für umweltverträgliche Tenside sind pflanzliche Fette und Öle sowie niedermolekulare Kohlenhydrate. Zu den Vorteilen von Tensiden (und daraus hergestellten Wasch- und Reinigungsmitteln) auf Basis nachwachsender Rohstoffe im Vergleich zu synthetischen Tensiden gehören, dass diese in Abwässern relativ schnell biologisch vollständig abbaubar und zudem hautverträglicher als Erdölprodukte sind.

Bioschmierstoffe werden auf Basis von Fetten und Ölen hergestellt, wobei hier aufgrund ihrer besseren Schmiereigenschaften vorrangig langkettige Fettsäuren eingesetzt werden. Die aktuell vom Markt nachgefragten Rohstoffe Rapsöl und in begrenztem Umfang Sonnenblumenöl sind in Deutschland vorhanden. Der »Flaschenhals« der Rohstoffbereitstellung liegt eher auf der ersten Verarbeitungsstufe bei den Ölmühlen: Die Kapazität der derzeit bestehenden Großanlagen ist mit der sich stark ausweitenden Herstellung von Biodiesel weitgehend ausgelastet. Der Einsatz biogener Schmierstoffe und Hydrauliköle bietet sich – aufgrund ihrer Bioabbaubarkeit – in umweltsensiblen Bereichen an (z. B. in der Forstwirtschaft).

Biokunststoffe sind ausschließlich oder anteilig aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellte Polymere, die in relativ kurzer Zeit biologisch abbaubar sind. Stärke ist der wichtigste nachwachsende Rohstoff für die Herstellung von Biokunststoffen. Eingesetzt werden zumeist Stärkeblends (Kunststoffmischungen). Ein weiteres wichtiges synthetisches Polymer mit thermoplastischen Eigenschaften und ein »transparenter Kunststoff« ist Polymilchsäure (PLA). Eingesetzt werden können diese Polymere zur Herstellung von Folien, Fasern, Beschichtungen, Klebstoffdispersionen, Einwegverpackungen für Lebensmittel sowie als Additive für andere Kunststoffe. Kunststoffähnliche Werkstoffe sind die sog. biologisch abbaubaren Werkstoffe (BAW). Herstellung und Verarbeitung von verschiedensten Biopolymeren bzw. -produkten sind heute technisch möglich, jedoch erst ansatzweise etabliert. Bei den Biokunststoffen zielt ein wesentlicher Teil der Entwicklungen, die inzwischen auch zur Marktreife gelangt sind, darauf ab, Massenkunststoffe wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS) in kurzlebigen Anwendungen wie z. B. Verpackungen zu substituieren.

Naturfasern werden derzeit hauptsächlich als thermo- und duroplastische Formpressteile, teilweise auch beim Naturfaser-Polypropylen-Spritzguss eingesetzt. Neben Flachs und Hanf werden auch exotische Fasern (wie Kenaf, Sisal, Jute, Kokosfasern) sowie Holzfasern verarbeitet. Haupteinsatzgebiet ist der Innenausbau in Fahrzeugen. Zu den naturfaserverstärkten Werkstoffen lassen sich auch die naturfaserverstärkten Kunststoffe (NFK) zählen. Dazu wiederum gehören die sog. Wood-Plastic-Composites (WPC), die zumeist aus thermoplastischen Kunststoffen und Holzfasern (sowie Additiven) bestehen. In Deutschland hat diese Pro­duktgruppe noch keine hohe Relevanz. Haupteinsatzgebiete werden im Bausektor, bei Inneneinrichtung (Möbel, Fußboden) und im Automobilbereich gesehen.

Bei Naturdämmstoffen dominieren in Deutschland Holz- und Cellulosedämmstoffe. Während im Werkstoffbereich eher die sog. Kurzfasern Verwendung finden, sind es in der Textilindustrie die Langfasern. Beispielsweise werden aus Cellulose Chemiefasern hergestellt (z.B. Viskose, Modal, Lyocell). Diese werden mit synthetischen Fasern oder untereinander zu Mischfasern verarbeitet, wodurch verbesserte Textileigenschaften erzielt werden (z. B. Beeinflussung der Formstabilität, Trockenzeit, Knitteranfälligkeit).

Lacke auf Pflanzenölbasis machen nur einen geringen Anteil der aus Fetten und Ölen hergestellten Produkte (ca. 8 % dieser Ausgangsstoffe werden dafür eingesetzt) in Deutschland aus. Rohstoffbasis ist größtenteils Leinöl. Sonnenblumen- oder Rapsöl spielen nur eine untergeordnete Rolle. Zur Herstellung von Druckfarben werden Pflanzenöle, Cellulose und Baumharze verwendet.

Ökologische Aspekte

Bei Aussagen zu den ökologischen Vor- und Nachteilen der betrachteten Produkte und Verfahren steht als Grundannahme zumeist im Raum, dass auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen hergestellte Produkte tendenziell »ökologisch besser abschneiden« als solche aus fossilen Rohstoffen. Um eine solche Aussage fundiert und belastbar treffen zu können, eignet sich die Methode der Ökobilanzierung. Es zeigt sich jedoch, dass eine umfassende Bilanzierung extrem aufwendig ist. Sie stellt dennoch einen notwendigen ersten Schritt in Richtung einer Gesamtbewertung dar, die als solche noch durchzuführen wäre und in welche nachfolgend auch ökonomische Kriterien einbezogen werden sollten. Im vorliegenden Bericht wurden Aussagen verfügbarer Studien für drei heute bereits genutzte Bioproduktgruppen – Bioschmierstoffe, Biokunststoffe und Faserprodukte – zu den gängigen Kategorien einer Ökobilanz zusammengestellt:

Bei den Bioschmierstoffen ergibt sich aus dem Vergleich der Lebenswege von Raps- und fossilem Hydrauliköl (auf Erdölbasis), dass Rapsöl deutliche Vorteile beim Aufwand an nichterneuerbaren Energieträgern und beim Treibhauseffekt aufweist. Für die Kategorien Eutrophierung, Ozonabbau und Versauerung ergeben sich Nachteile für Rapsöl, die jedoch bei der Versauerung am wenigsten ausgeprägt sind. Für die Emissionen von toxischen Luftschadstoffen entsteht ein uneinheitliches Bild: Für den biogenen Schmierstoff ergeben sich bei den Schwefeldioxid- und Dieselpartikelemissionen Vorteile, bei den Ammoniakemissionen Nachteile. Bei Stickoxiden resultiert ein leicht vorteilhaftes Ergebnis.

Bei den verschiedenen Biokunststoffen ergibt ein exemplarischer Vergleich der Lebenswege von Polymilchsäure (PLA) aus Maisstärke und von Polyethylen (PE) aus Erdöl bezüglich ihrer Umweltfolgen große Bandbreiten. Damit lässt sich auf Basis verfügbarer Studien keine allgemeine Tendenz hinsichtlich der Vor- oder Nachteile von nachwachsenden Rohstoffen gegenüber ihren konventionellen Pendants feststellen.

Bei den Fasermaterialien und -produkten war der Ausgangspunkt der exemplarische Vergleich der Lebenswege von Autoinnenverkleidungsteilen aus Hanffaserverbundwerkstoff und aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS). Unter Berücksichtigung unterschiedlicher Systemgrenzen (z.B. mit oder ohne Verwertung/Entsorgung) ergeben sich nur wenige eindeutige, verallgemeinerbare Ergebnisse: Vorteile zeigen sich für die Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen beim Aufwand an nichterneuerbaren Energieträgern und beim Treibhauseffekt. Bei allen übrigen Kategorien ist keine verallgemeinerbare Aussage möglich.

Einordnung der Ergebnisse

Insgesamt lässt sich festhalten, dass die im Bericht aufgeführten ökobilanzierenden Aussagen einen nachvollziehbaren Einblick in die Bewertungsproblematik geben. Differenzen zwischen den Ergebnissen der ausgewerteten Studien resultieren im Wesentlichen aus verschiedenen Systemgrenzen. Als eine Hauptaussage zeigen sich bei den untersuchten Produktgruppen Biohydraulik- und Bioschmieröle sowie Fasermaterialien und -produkte tendenziell Vorteile für nachwachsende Rohstoffe beim Aufwand an nichterneuerbaren Energien und beim Treibhaus­effekt. Weiterführende verallgemeinerte Aussagen zu Vor- und Nachteilen von »Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen an sich« im Bereich der stofflichen Nutzung sind mit dem vorliegenden Datenmaterial nicht möglich. Hier besteht weiterer Forschungsbedarf.

Für einen Vergleich von verschiedenen Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen untereinander lässt sich die Flächeneffizienz heranziehen. Durch den Bezug der Differenzen »biogen – fossil« (Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen – konventionelle Produkte) der einzelnen Umweltwirkungen auf die Anbaufläche (z. B. in Einwohnerwerten pro 100 ha Anbaufläche) lassen sich Aussagen zur Effizienz der Flächennutzung ableiten. Beispielsweise zeigen sich hier beim Aufwand an nichterneuerbaren Energien zumeist klare Vorteile für die untersuchten Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen. Ein über die drei oben genannten Produktkategorien mit Bezug zur Flächeneffizienz hinaus verallgemeinerbares Ergebnis lässt sich aus der vorhandenen Datenlage jedoch nicht ableiten. Angesichts absehbar zunehmender Flächenknappheit und unterschiedlichen Flächeneffizienzen der verschiedenen nachwachsenden Rohstoffe bleibt die Flächeneffizienz aber ein wesentliches Bewertungskriterium.

Zur weiteren Verbesserung der Ökobilanz von Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen (Nutzung der ermittelten Vorteile) ist es vermutlich notwendig, sämtliche Einzelprozesse des Gesamtlebensweges zu optimieren. Beispielsweise würde eine Reduzierung der NH3- und N2O-Emissionen aus der landwirtschaftlichen Produktion (etwa durch Verringerung des Stickstoffdüngerbedarfs über Pflanzen­züchtung und Anbauformen) auch zu Verbesserungen bei den problematischen Kategorien Versauerung, Eutrophierung und Ozonabbau führen. Nach Ende der Nutzung sollte eine thermische Verwertung vorgesehen werden, da diese für die Bilanz des Gesamtlebensweges von Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen häufig vorteilhaft ist (Substitution von fossilen Energieträgern). Die Kompostierung ist dagegen mit geringeren Gutschriften und fallweise mit erheblichen Methanemissionen verbunden. Bioabbaubarkeit bedeutet damit nicht zwangsläufig Umweltfreundlichkeit und muss auch nicht unbedingt ein Hauptziel der Produktentwicklung sein; vielmehr kann im Einzelfall eine längere Haltbarkeit des Produkts mit einer thermischen Verwertung sinnvoller sein.

Zukünftige stoffliche Nutzung – Bioraffinerien

Nachwachsende Rohstoffe könnten zukünftig in sog »Bioraffinerien« verarbeitet werden. Das Konzept der Bioraffinerien steht für die Gesamtheit von Technologien zur Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe bis hin zu industriellen Zwischen- und Endprodukten. Nachwachsende Rohstoffe sollen dabei in einer integrierten Produktion zu einer umfangreichen Produktpalette – z. B. in Futtermittel, biogene Werkstoffe, Kraftstoffe, Chemikalien – umgewandelt werden. Ziel ist die Fraktionierung und Weiterverarbeitung von nachwachsenden Rohstoffen zu Produkten, die konkurrenzfähig solche ersetzen können, die derzeit petrochemisch hergestellt werden. Der visionäre Gedanke besteht nun darin, die heute bekannten komplex vernetzten und historisch gewachsenen Strukturen der Kohle- und Erdölchemie (sog. Stammbaumsysteme) auf nachwachsende Rohstoffe zu übertragen. Solche vernetzten Strukturen existieren für nachwachsende Rohstoffe in vergleichbarer Weise derzeit noch nicht, erscheinen jedoch prinzipiell technisch umsetzbar.

Bei der Verarbeitung bzw. der rohstofflichen Verwertbarkeit sowohl fossiler als auch nachwachsender Rohstoffe wird zunächst prinzipiell von einer technisch analogen Verarbeitbarkeit bei den chemisch gleichen Grundbausteinen ausgegan­gen. Ein wesentlicher Unterschied besteht aber darin, dass Erdöl in der Qualität verwendet wird, wie es extraktiv aus der Natur gewonnen wird, während nachwachsende Rohstoffe – zumeist als Produkt eines landwirtschaftlichen Stoffwand­lungsprozesses – die Synthese(vor)leistung der Natur integrieren. Nachwachsende Rohstoffe können deshalb bereits im Verlauf ihrer Generierung so modifiziert werden, dass sie – dem Zweck der nachfolgenden Verarbeitung angepasst – bestimmte gewünschte Hauptprodukte vorgebildet (sog. Präkursoren) haben (z. B. durch Pflanzenauswahl, Züchtung, Gentechnik, Anbauverfahren).

Im ersten Schritt einer Bioraffinerie werden präkursorhaltige Biomassen einer physikalischen Stofftrennung unterworfen. Die Haupt- und Nebenprodukte werden nachfolgend mikrobiologischen und/oder chemischen stoffwandelnden Reaktionen ausgesetzt. Die Folgeprodukte können weiterkonvertiert oder in einer konventionellen Raffinerie weiterverarbeitet werden. Im vorliegenden Bericht werden das grüne Bioraffineriesystem, die Lignocellulose-Feedstock- und die Getreide-Ganzpflanzen-Bioraffinerie sowie Zwei-Plattformen-Systeme vorgestellt. Diese Systeme befinden sich in einem sehr frühen Entwicklungsstadium.

Grüne Bioraffinerie (GBR)

In der grünen Bioraffinerie können aus grünen »naturfeuchten« Rohstoffen wie Gras, Luzerne, Klee und unreifem Getreide eine Vielzahl von Produkten wie Futtermittel, Proteine, Brennstoffe, Chemikalien und über mikrobiologische Fermentation auch Produkte wie organische Säuren, Aminosäuren, Ethanol oder Biogas erzeugt werden. Dazu wird die grüne Biomasse in Presskuchen (enthält u.a. Cellulose, Stärke sowie weitere organische Substanzen) und in Presssaft (enthält u.a. Kohlenhydrate, Proteine, organische Säuren) getrennt. Beim grünen Presssaft liegt der Fokus auf Produkten wie Milchsäure und Derivaten, Aminosäuren, Ethanol und Proteinen. Aus dem Presskuchen können Futterpellets hergestellt werden. Diese können auch als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Chemikalien, wie Lävulinsäure, oder auch zur Konversion in Synthesegas und Kohlenwas­serstoffe (synthetische Kraftstoffe) dienen. Ein Schwachpunkt dieses Konzepts liegt darin, dass eine schnelle Primärverarbeitung des Grüngutes oder eine zu kontrollierende (da rohstoffverändernde Lagerung) Silage notwendig ist. Pilotanlagen zu grünen Bioraffinerien gibt es noch nicht. Die ersten Verarbeitungsstufen einer GBR werden derzeit z. B. am Standort der Futtermittelfabrik Selbelang (Havelland, Land Brandenburg) vorbereitet.

Lignocellulose-Feedstock-Bioraffinerie (LCF-Bioraffinerie)

In einer LCF-Bioraffinerie werden aus Stroh, Gräsern, Waldrestholz und cellulosehaltigen Abfällen (z. B. Papier) Produkte in drei verschiedenen Linien erzeugt: In der Lignin-Linie können Klebstoffe, Bindemittel, Brennstoffe oder Chemieprodukte hergestellt werden; in der Hemicellulose-Linie können zum einen Verdickungsmittel, zum anderen Folgeprodukte der Xylose (z. B. Furfural und Nylon) produziert und in der Cellulose-Linie aus der Glucose Fermentationsprodukte wie Ethanol oder Milchsäure gewonnen werden (u. a. auch Lävulinsäure). Unter den potenziellen Bioraffineriekonzepten könnte sich die LCF-Bioraffinerie vermutlich am ehesten durchsetzen, u. a. aufgrund der verfügbaren Rohstoffbasis sowie einer guten Marktperspektive potenzieller Konversionsprodukte. Auch hier gibt es noch keine Pilotanlage. Ein Schwachpunkt im LCF-Konzept ist momentan noch die Ligninverwertung: Diese würde derzeit entweder als Brenn-, Kleb- oder Füllstoff erfolgen. Das Ligningrundgerüst enthält aber auch erheb­liche Mengen an Monoaromaten, die zusätzlich genutzt werden könnten. Lignin ist bis heute nicht weiter aufspaltbar, an seiner chemisch-enzymatischen Aufspaltung wird gearbeitet.

Getreide-Ganzpflanzen-Bioraffinerie

In einer Getreide-Ganzpflanzen-Bioraffinerie können aus Getreidestroh – analog zu der LCF-Bioraffinerie – Produkte der drei Lignin-, Hemicellulose- und Cellulose-Linien erzeugt werden. Rohmaterialien sind Roggen, Weizen, Triticale und auch Mais. Wird das Stroh vergast, können aus dem Synthesegas Produkte wie Methanol oder Polyhydroxybutyrat (PHB) gewonnen werden. Aus dem Korn lässt sich Stärke gewinnen und in entsprechende Folgeprodukte weiterverarbeiten (Glucose, Acetatstärke, Glucosamine, Kunststoffe).

Das Zwei-Plattformen-Konzept

Ein weiterer Ansatz besteht in der Kombination zweier Konzepte – der Erzeugung und Verarbeitung von Zucker einerseits und der von Synthesegas (Syngas) andererseits. Die nachwachsenden Rohstoffe werden auf zwei technische Stränge (sog. Plattformen) aufgeteilt. Die »Zucker-Plattform« basiert wesentlich auf biochemischen Konversionen, deren Nutzung vom Wassergehalt der Biomasse abhängig ist. Die »Syngas-Plattform« besteht aus thermochemischen Konversionen (u. a. Fischer-Tropsch-Verfahren) und fokussiert auf eine Vergasung von Biomas­se und deren Nebenprodukten. Daneben laufen weitere Prozesse (wie Hydrothermolyse, Pyrolyse, Thermolyse) ab, die miteinander vernetzt werden können. Nachteilig bei der Synthesegasherstellung sind die Notwendigkeit der Entfernung von Heteroatomen (Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel) sowie von Mineralien aus den nachwachsenden Rohstoffen und der hohe Energiebedarf der Prozesse.

Ökologische Aspekte – Übersichtsökobilanzen

In Bioraffinerien werden einerseits hohe Erwartungen gesetzt. Andererseits können mit der Produktion und dem Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen in Bioraffinerien nicht nur Vorteile, sondern auch spezifische Nachteile verbunden sein (z. B. Nutzung fossiler Energieträger). Die augenblickliche Informationsbasis für eine ökologische Bewertung von Bioraffineriesystemen ist sehr lückenhaft. Im Rahmen des TAB-Projekts wurden dennoch erstmalig für eine erste Einordnung dreier Bioraffineriesysteme auf Basis heute verfügbarer Informationen Übersichtsökobilanzen erstellt.

Übersichtsökobilanz: grüne Bioraffinerie

Ausgangspunkt dieser Bilanz ist Grünschnitt, welcher gepresst wird, wobei aus dem Saft primär Milchsäure bzw. Lysin und aus dem Kuchen Grüngutpellets gewonnen werden. Daneben fallen Proteine und ein Gärrest an. Milchsäure bzw. Lysin ersetzen das gleiche, auf mikrobiologischem Wege hergestellte Produkt. Die Grüngutpellets und ein Teil der Proteine können als eiweißreiches Futtermittel eingesetzt werden und würden das (importierte) Eiweißfuttermittel Sojaschrot ersetzen. Proteine können weiterhin fossil produzierte Acrylate und Tenside substituieren. Der Gärrest kann als Düngemittel auf landwirtschaftlichen Flächen< ausgebracht werden (ersetzt Mineraldünger).

Insgesamt zeigen sich bei der Betrachtung des gewählten Konzepts der grünen Bioraffinerie gegenüber konventioneller Produktion signifikante Nachteile für das Konzept der grünen Bioraffinerie nur für den Einsatz fossiler Energien. Bei den übrigen Umweltwirkungen sind die Unterschiede weniger relevant, obwohl sich – abhängig von den erzeugten bzw. den durch sie ersetzten Produkten – in Einzelfällen auch größere Unterschiede in den Bilanzen ergeben können. Für das betrachtete grüne Bioraffineriekonzept resultiert der relativ hohe Energiebedarf primär aus der Trocknung des Grünguts (für die Pelletherstellung), was der weniger aufwendigen Herstellung von Sojaschrot gegenübersteht. Eine Rolle spielt ferner, dass die Produkte der grünen Bioraffinerie überwiegend andere nachwachsende Rohstoffe ersetzen, die ihrerseits oft einen relativ geringen Einsatz fossiler Energie erfordern und geringe Treibhausgasemissionen aufweisen.

In einem weiteren Schritt wird berücksichtigt, dass das Grüngut alternativ zur Variante »grüne Bioraffinerie« auch komplett zu Futtermittel (Variante »Trockenwerk«) oder zu Biogas (Variante »Biogasanlage«) verarbeitet werden könnte. Dann wird ökobilanziell der Futtermittelherstellung im »Trockenwerk« auch die Sojaschrotbereitstellung (Sojaanbaufläche) gegenübergestellt. Die Variante »Biogasanlage« ersetzt die Strom- und Wärmeerzeugung auf fossiler Basis und der Gärrest kann wiederum als Düngemittel ausgebracht werden (ersetzt Mineraldünger). Angenommen wird dabei zudem, dass das Grüngut jeweils in gleichen Mengen in den drei Varianten eingesetzt wird. Im Ergebnis könnte seine Nutzung in der »grünen Bioraffinerie« und im »Trockenwerk« landwirtschaftliche Fläche »einsparen«, nämlich die Anbaufläche des sonst nötigen Sojaschrots sowie (in geringerem Maße) die für die Milchsäure- bzw. Lysinproduktion benötigte Fläche für den Zuckerrübenanbau.

Die nichtbenötigte Fläche kann nun wiederum »brachliegen« oder »anderweitig genutzt« werden. Im Fall »brachliegender Flächen« ergeben sich beim »Trocken­werk« stärker ausgeprägte Nachteile als bei der »grünen Bioraffinerie« – gegenüber der Verwendung des ersetzten Sojaschrots – beim Aufwand an fossilen Energien, beim Treibhauseffekt und bei der Versauerung (Ausnahme: Lysin bei GBR). Vorteile zeichnen sich dagegen beim Ozonabbau ab. Die alternative Nutzung von Grüngut in der »Biogasanlage« weist Vorteile beim Einsatz fossiler Energien, beim Treibhauseffekt und beim Ozonabbau auf; Nachteile zeigen sich bei der Versauerung und beim Nährstoffeintrag. In der Relation betrachtet hat die »Biogasanlage« stärker ausgeprägte Nachteile bei der Versauerung und beim Nährstoffeintrag; beim Ozonabbau zeigt sich keine klare Tendenz.

Im Fall einer »anderweitigen Nutzung« wird davon ausgegangen, dass freiwerdende Fläche – trotz zunehmender Nutzungskonkurrenzen – nicht für die Nahrungs- und Futtermittelproduktion oder den Naturschutz benötigt wird, sondern für den Energiepflanzenanbau genutzt werden könnte (erweitertes Szenario). Die Berechnungen ergeben dann für alle betrachteten Varianten Vorteile für die biogene Option beim Einsatz fossiler Energien und beim Treibhauseffekt sowie Nachteile bei der Versauerung, beim Nährstoffeintrag und beim Ozonabbau (Aus­nahme: Biogasanlage beim Ozonabbau). Bei »Bioraffinerie« und »Trockenwerk« machen sich die typischen umweltspezifischen Implikationen von Anbau und Nutzung von Energiepflanzen bemerkbar.

Zusammenfassend ergibt die Einbeziehung der alternativen Flächennutzung für den Energiepflanzenanbau für die grüne Bioraffinerie gegenüber den anderen Nutzungsarten von Grüngut beim Einsatz fossiler Energien und beim Treibhauseffekt deutliche Vorteile. Bei der Bewertung des Systems »grüne Bioraffinerie« wäre eine zentrale Bewertungsfrage somit eher die nach der Flächennutzung im Gesamtnutzungskonzept; eine Gegenüberstellung einzelner Produkte (ob Milchsäure oder Bioenergie sinnvoller ist) wäre somit eher nachgeordnet.

Übersichtsökobilanz: LCF- und Getreide-Ganzpflanzen-Bioraffinerie

Hauptprodukte der betrachteten LCF-Bioraffinerie sind Tetrahydrofuran (ein chemischer Grundstoff), Ethanol und Gips, die auf konventionelle Art produzierte Waren in jeweils gleicher Menge ersetzen. Lignin (als Strohbestandteil) würde zur Substitution von Kunststoffen wie Acrylnitril-Butadien-Styrol(ABS)-Copo­lymerisat eingesetzt werden. Proteinhaltige Futtermittel ersetzen Sojaschrot; der Gärrest wird als Düngemittel ausgebracht (ersetzt Mineraldünger). Bei der ökobilanziellen Erfassung der Verarbeitung von Stroh ergeben sich Vorteile für die Verarbeitung in einer LCF-Bioraffinerie bei fast allen untersuchten Umweltwirkungen (Ausnahme: Ozonabbau). Hervorzuheben ist die Einsparung von ABS-Kunststoff, die – bedingt durch die relativ großen Mengen anfallenden Lignins, die stofflich weiterverarbeitet werden würden – ergebnisrelevant ist. Die Ergebnisse bleiben bei anderen ersetzten Kunststoffen in ihren Grundaussagen bestehen, jedoch kann sich die Höhe der Vorteile verändern.

Für die Getreide-Ganzpflanzen-Bioraffinerie wurde davon ausgegangen, dass zunächst nur der Strohanteil verarbeitet wird (Spezialform der LCF-Bioraffinerie), wobei die zusätzliche Verwendung des Getreides theoretisch ohne größeren Aufwand möglich wäre. Die Strohnutzung in der Getreide-(Ganzpflanzen-)Bio­raffinerie für die Produkte Ethylen, Gips, Proteine und Gärrest stellt sich insgesamt günstiger dar, als die Produktion und Nutzung der ersetzten konventionellen Produkte (Ethylen, ABS, Gips, Düngemittel, Sojaschrot). Vorteile für die Getreide-(Ganzpflanzen-)Bioraffinerie ergeben sich beim Einsatz fossiler Energie, beim Treibhauseffekt und bei der Versauerung. Beim Nährstoffeintrag und beim Ozonabbau zeigt sich dagegen keine klare Tendenz. Auch hier hat der ersetzte ABS-Kunststoff auf Ligninbasis den größten Einfluss auf das Ergebnis.

In einem weiteren Schritt wird auch hier berücksichtigt, dass das Stroh alternativ auch komplett anderweitig verwendet werden könnte: Alternativ wurden die Varianten »Verbleib des Strohs auf dem Feld«, »Nutzung zur Produktion von Biomass-to-Liquid(BTL)-Kraftstoff« und »Einsatz im Heizkraftwerk« gegenübergestellt. Beide Bioraffineriekonzepte weisen in allen untersuchten Umweltwirkungen beim Stroheinsatz gegenüber den alternativen drei Nutzungsmöglichkeiten überwiegend Vorteile auf. Wesentlich ist dabei die Nutzung des Lignins: Die getroffenen Aussagen gelten nur unter der Annahme, dass damit hochwertige Kunststoffe und -harze ersetzt werden. Bei Substitution weniger aufwendiger Kunststoffe kann die energetische Strohnutzung ähnlich gut abschneiden wie die in den Bioraffinerien. Für den Fall einer energetischen Nutzung von Lignin wäre die direkte energetische Strohnutzung derjenigen in einer Bioraffinerie vorzuziehen. LCF- und Getreide-(Ganzpflanzen-)Bioraffinerien weisen somit interessante ökologische Potenziale auf. Die größte Herausforderung für die zukünftige Erschließung dieser Potenziale liegt in der stofflichen Nutzung von Lignin.

Energetische Nutzung

Der heutige Anteil der energetischen Biomassenutzung am Gesamtprimärenergieverbrauch ist noch relativ gering. 2004 betrug er 333 PJ bei einem Primärenergieverbrauch von 14.438 PJ. Bioenergie macht jedoch bei den erneuerbaren Energieträgern den größten Anteil aus. Der Großteil entfällt auf feste Bioenergieträger – im Wesentlichen Holz. Auch Biodiesel hat einen hohen Stellenwert bei der Primärenergiebereitstellung. Weniger bedeutend sind andere feste Bioenergieträger wie Stroh sowie der Kraftstoff Bioethanol und gasförmige Bioenergieträger (Bio-, Klär- und Deponiegas). In Deutschland werden als Energiepflanzen hauptsächlich Raps, Weizen und – zu kleineren Anteilen – auch Zuckerrüben angebaut.

Studien zu Biomassepotenzialen für die energetische Nutzung zeigen jeweils Bandbreiten für Biomassepotenziale zur Energiebereitstellung heute, für 2010 und 2030 (teilweise auch danach) auf. Für die Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen wird in den Szenarien der ausgewerteten Studien von zunehmenden Anteilen der Energiebereitstellung aus Biomasse bis 2030 ausgegangen. Im Ergebnis wird ausgewiesen, dass Bioenergie bis 2030 einen Anteil von 8 bis 14 % am Primärenergiebedarf in Deutschland decken kann, wenn Bestrebungen zur Effizienzsteigerung forciert werden. Dies würde nahezu dem Anteil entsprechen, den Stein- und Braunkohle dann am gesamten deutschen Energiemix voraussichtlich haben. Aus den Studien geht als Empfehlung hervor, dass biogene Reststoffe vorrangig stationär genutzt werden sollten und dass es die erwartete Flächenknappheit erfordert, zum Erreichen der Ziele (z.B. beim Primärenergiebedarf) auf zur Verfügung stehenden Flächen Energiepflanzen mit hohen Erträgen anzubauen.

Zu den Umweltwirkungen von Bioenergieträgern im Vergleich zu ihren fossilen Pendants liegt – im Gegensatz zur stofflichen Nutzung – eine Vielzahl von Untersuchungen vor. Eine Auswertung ausgewählter Studien ergibt für alle betrachteten Bioenergieträger aus Anbaubiomasse – im Vergleich zu fossilen Energieträgern – sowohl ökologische Vor- als auch Nachteile: Vorteile zeigen Bioenergieträger beim Verbrauch nichterneuerbarer Energieträger und beim Treibhauseffekt; Nachteile zeigen sich zumeist beim Ozonabbau, bei der Versauerung und bei der Eutrophierung. Auch hier lässt sich eine Entscheidung zugunsten eines Energieträgers daraus nicht zwingend ableiten. Sofern man aber – aufgrund einer normativen Setzung bzw. einer bestimmten Zielsetzung – z. B. der Minderung des Treibhauseffektes höchste ökologische Priorität einräumen würde, schnitten alle untersuchten Bioenergieträger besser ab als die fossilen Alternativen.

Ein limitierender Produktionsfaktor der zunehmenden Nutzung von Bioenergieträgern ist die verfügbare Anbaufläche. Daher wurden Bioenergieträger mit ihren fossilen Pendants verglichen, und darüber hinaus wurde ein flächenbezogener Ver­gleich von Bioenergieträgern (aus Anbaubiomasse) untereinander durchgeführt. Im Ergebnis kann festgehalten werden, dass Bioenergieträger Vorteile beim Verbrauch nichterneuerbarer Energieträger und beim Treibhauseffekt aufweisen. Für die übrigen Wirkungskategorien ist zwischen Anbaubiomasse und Reststoffen zu unterscheiden (Anbaubiomasse: Nachteile beim Ozonabbau, bei Versauerung und Eutrophierung; Reststoffe: häufiger Vor- oder eher geringere Nachteile). Ein Vergleich der Bioenergieträger untereinander ergibt, dass feste Bioenergieträger tendenziell günstiger abschneiden als Biokraftstoffe und gasförmige Bioenergieträger dazwischen liegen. Zudem ist ein erstes Ranking der Bioenergieträger möglich: Danach bieten Bioenergieträger, die verschiedene fossile Energieträger ersetzen können, die größten Vor- bzw. geringsten Nachteile, wenn sie Kohle ersetzen. Am wenigsten vorteilhaft ist die Substitution von Erdgas; Heizöl nimmt eine Mittelstellung ein.

Verfügbarkeit von Biomasse

Sowohl für die Bereitstellung von Biokraftstoffen als auch für den Ausbau der Strom- und Wärmeerzeugung aus Biomasse sind in Deutschland und Europa ehrgeizige Ziele gesteckt worden. Geht man davon aus, dass mittelfristig auch die Bereitstellung von nachwachsenden Rohstoffen für die stoffliche Nutzung größere Bedeutung erlangen wird als bisher, wird der Flächenbedarf dann weiter zunehmen, wenn die benötigten Flächen möglichst nicht in Konkurrenz zur Nahrungs- und Futtermittelproduktion stehen oder zu einem Import von Nahrungsmitteln führen sollen.

Für die energetische Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen ist bereits eine Reihe von Potenzialabschätzungen verfügbar. Die stoffliche Nutzung fällt unter derzeitigen Voraussetzungen weniger ins Gewicht. Die Nachfrage an nachwachsenden Rohstoffen und Energieträgern wird sich demnach künftig – v. a. im Bereich der energetischen Nutzung und hier durch politische Maßnahmen gefördert – dynamisch entwickeln. Die stoffliche Nutzung entwickelt sich dazu im Vergleich voraussichtlich verhaltener und eher in Nischenbereichen, wobei auch eine künftige Nutzung in Bioraffinerien – die vermutlich erst in 2030 signifikant ins Gewicht fällt – eine Rolle spielen könnte. Die Angebotsseite insgesamt (technisches Biomassepotenzial) wird durch den zunehmenden Anbau von Energiepflanzen auf freiwerdenden landwirtschaftlichen Flächen gekennzeichnet sein. Allerdings ist der Einfluss von agrar- und umweltpolitischen Rahmenbedingungen (u. a. ökologischer Landbau) auf das Biomassepotenzial hoch, wie auch der von zusätzlichen Maßnahmen im Umwelt- und Naturschutz (z. B. Etablierung von Naturschutz- und Kompensationsflächen, die nicht mehr für den Ackerbau genutzt werden können). Jedoch wird auch bei weitgehenden Naturschutzmaßnahmen prinzipiell von einer Zunahme des technischen Biomassepotenzials ausgegangen (z. B. durch Nutzungsextensivierungen).

Aus den in der Literatur dargestellten möglichen Entwicklungspfaden von Angebot und Nachfrage ergeben sich unterschiedliche Flächen- und Nutzungskonkurrenzen: Bei Fortschreibung der gegenwärtigen politischen Rahmenbedingungen wäre sowohl 2015 als auch 2030 ein ausreichendes Biomasseangebot vorhanden. Allerdings sind verstärkte Konkurrenzen um die (kostengünstigeren) Lignocellulosereststoffe zu erwarten, da bis 2030 eine Vielzahl neuer Technologien etabliert sein dürfte, etwa zur Umwandlung in Strom und Wärme, in Kraftstoffe sowie in chemische Rohstoffe. Da die Nachfrage allein mit Reststoffen voraussichtlich nicht gedeckt werden kann, ist eine zunehmende Bedeutung des Anbaus von Lignocellulosepflanzen zu erwarten.

Im Jahr 2015 wird die Verwendung nachwachsender Rohstoffe voraussichtlich nach wie vor energetisch dominiert sein. Bei Reststoffen könnte sich eine Nutzungskonkurrenz ergeben durch eine erhebliche Nachfrage zum einen zur Strom- und Wärmeerzeugung und zum anderen zur Deckung des Rohstoffbedarfs von (bis dahin möglicherweise entstandenen) LCF-Bioraffinerie(teil)systemen. Bei der Etablierung weiter gehender politischer Rahmenbedingungen in der Energiewirtschaft einerseits und in der Landwirtschaft andererseits dürfte bereits im Jahr 2015 die Nachfrage das Angebot an nachwachsenden Rohstoffen überschreiten. Dabei hängt das Ausmaß des Nachfrageüberhangs entscheidend von den politischen Rahmenbedingungen (z. B. EU-Kraftstoffdirektive) ab. Bei weiterer Förderung müsste eine zusätzliche Nachfrage an nachwachsenden Rohstoffen durch Importe gedeckt werden. Auch in dieser Betrachtung werden Reststoffe bzw. Energiepflanzen aus Lignocellulose voraussichtlich einen höheren Stellenwert einnehmen als heute.

Für 2030 kann qualitativ in erster Näherung davon ausgegangen werden, dass die Effekte hinsichtlich der Flächen- und Nutzungskonkurrenz vergleichbar sind mit 2015. Dies gilt dann, wenn man beispielsweise annimmt, dass bei Kraftstoffen die Nachfrage sich in erster Linie auf Reststoffe (z. B. lignocellulosehaltige) richtet, da entsprechende Verfahren etwa zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen (BTL) und von Bioethanol aus diesen Marktreife erlangt haben könnten. Weiterhin könnten aber auch biogene Kraftstoffe wie Biogas, Biodiesel und Bioethanol aus Anbaubiomasse an Bedeutung gewinnen. Aufgrund der dann voraussichtlich verfügbaren »technischen Vielfalt« bei der Konversion von Reststoffen werden es wohl eher wirtschaftliche Restriktionen sein, die ein Ausweichen auf Anbaubiomasse notwendig machen. Für 2030 wird daher – auch bereits bei Fortschreibung der gegenwärtigen politischen Rahmenbedingungen – angenommen, dass Reststoffe nicht in ausreichender Menge zur Deckung der Nachfrage zur Verfügung stehen. Tendenziell wird erwartet, dass die Diskrepanz zwischen der Nachfrage nach nachwachsenden Rohstoffen und der verfügbaren Biomasse größer wird. In diesem Fall müsste die Nachfrage nach stofflich und energetisch genutzten nachwachsenden Rohstoffen zusätzlich durch den Anbau von Energiepflanzen gedeckt werden.

Mit Blick auf ggf. notwendige Importe weist die Versorgungssituation mit nachwachsenden Rohstoffen in der EU-25 mittelfristig ein ausreichendes Angebot bei Beibehaltung der gegenwärtigen Rahmenbedingungen und ein Angebotsdefizit bei Etablierung weiter gehender Rahmenbedingungen aus. Dabei stellt Deutschland im europäischen Kontext nicht nur einen wesentlichen Biomasseabsatzmarkt, sondern auch einen vergleichsweise wichtigen Rohstofflieferanten dar. Grundsätzlich ist zu beachten, dass eine gemeinsame europäische Politik zum Umgang mit der nachwachsenden Rohstoffbasis gegenwärtig nicht verbindlich existiert; ein nichtabgestimmtes Vorgehen der Mitgliedstaaten könnte künftig zu einer Verschiebung erheblicher Biomasseströme durch Europa führen.

Die Sicht der Akteure und Marktaspekte

Die Durchdringung des Marktes mit Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen bleibt in den meisten Fällen noch weit hinter den heutigen technischen Einsatzmöglichkeiten zurück. Zu differenzieren ist zwischen Produkten, deren heutige Marktstellung auch durch gezielte Fördermaßnahmen bewirkt wurde (z. B. Bioschmierstoffe), und solchen, die bisher ausschließlich mit den z. B. ökologischen Vorteilen (und zumeist kostenseitigen Nachteilen) am Markt bestehen mussten (z. B. Biokunststoffe). Ein Haupthemmnis für die breitere Markteinführung von Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen ist ihr deutlich höherer Preis gegenüber herkömmlichen (auf fossiler Basis hergestellten) Produkten. Ein weiteres Hindernis stellen fehlende Informationen bei industriellen und privaten Verbrauchern über die Vorteile aktueller Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen dar.

Der Einsatz von Bioschmierstoffen war bisher durch eine geringe Verbraucherakzeptanz bzw. höhere Preise als herkömmliche Schmierstoffe deutlich eingeschränkt. Der Anteil an Bioschmierstoffen am Gesamtmarkt liegt derzeit etwa bei 4 %. Ein Pusheffekt vor allem im Hydrauliksektor konnte mit dem Markteinführungsprogramm (MEP) des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) erzielt werden.

Biokunststoffe haben in der EU derzeit einen Marktanteil von ca. 0,3 % der gesamten Kunststoffproduktion. Bezogen auf den Umsatz wird derzeit von einem Biokunststoffanteil von knapp 1 % ausgegangen. Stärke und Stärkeblends machen derzeit etwa 85 % bezogen auf den gesamten Biokunststoffmarkt aus. Das Haupthemmnis für die breitere Markteinführung von Biokunststoffen ist ihr deutlich höherer Werkstoffpreis gegenüber Massenkunststoffen auf fossiler Basis. Eine fast ebenso große Rolle spielen Informationsdefizite bei allen Anwenderschichten. Nicht zuletzt sind es auch gesetzliche Rahmenbedingungen (widersprüchliche Regelungen bei Verpackungs- und Bioabfallverordnung für Biokunststoffverpackungen), die eine signifikante Marktverbreitung von Biokunststoffprodukten in der Praxis behindern.

Bei weiteren Produkten ist als ein vergleichsweise größerer Markt der der Naturdämmstoffe zu benennen. Davon werden gegenwärtig jährlich ca. 1,3 Mio. m³ in Deutschland verwendet, was einem Marktanteil von ca. 5 % entspricht. In weiteren Einsatzfeldern – etwa bei naturfaserverstärkten Werkstoffen, Tensiden und sonstigen Chemikalien bis hin zu Lacken und Farben – konnten zwar Aussagen zu zukünftigen Entwicklungen gemacht, jedoch keine Marktanteile ermittelt werden.

Im Gegensatz dazu ist der Markt für die energetische Nutzung nachwachsender Rohstoffe zwar auch in weiten Teilen ein junger Markt, der jedoch insbesondere durch die Schaffung günstiger wirtschaftlicher Rahmenbedingungen – z. B. durch garantierte Einspeisevergütungen nach dem Erneuerbaren-Energien-Gesetz (EEG) bei der Produktion von Strom aus regenerativen Energien oder der Mineralölsteuerbefreiung – in den letzten fünf Jahren eine zunehmende Dynamik entwickelt hat. Bei der energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe ist Holz immer noch der wichtigste Rohstoff, insbesondere zur Wärmeerzeugung. Zukünftige marktliche Entwicklungen insbesondere in der Kraftstoffbranche sind noch wenig greifbar. Insbesondere BTL-Kraftstoffen und Ethanol aus Lignocellulose wird ein hohes Zukunftspotenzial zugeschrieben.

Im Kraftstoffbereich ist Biodiesel (Pflanzenölmethylester) derzeit in Deutschland als weitaus bedeutender als Bioethanol einzustufen, wobei zu beachten ist, dass die Bioethanolbranche voraussichtlich in den nächsten Jahren deutlich an Marktvolumen zunehmen wird. Die Nutzung von Biodiesel wird heute – soweit Fahrzeuge eine entsprechende Freigabe des Herstellers haben – im Regelfall als wirtschaftlich angesehen. Dagegen rentiert sich die Nutzung von nativem Pflanzenöl als Kraftstoff – aufgrund der notwendigen Umrüstung eines konventionellen Motors – in der Regel nur bei Kraftfahrzeugen mit relativ hoher Auslastung.

Biogas wird derzeit vornehmlich zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt, welche ins Netz eingespeist werden kann. Eine Verwendung als Kraftstoff wäre nach entsprechender Reinigung zukünftig möglich, wobei die Marktstrukturen hierfür in Deutschland noch fehlen. Eine Einspeisung des Biogases ins Erdgasnetz wäre nach einer Reinigung auf Erdgasqualität zukünftig möglich.

Aus Herstellersicht werden klare Rahmenbedingungen für die Produktion und Vermarktung von Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen gefordert. Aus einer dokumentierten Fragebogenaktion bei Akteuren im Produktbereich nachwachsender Rohstoffe ergibt sich, dass eine positive Einstellung für die Zukunft überwiegt. Auch wenn dies nicht für alle Bereiche gilt, haben die meisten Unternehmen und Einrichtungen mehrere wirtschaftliche Standbeine, sodass eine kurzfristige Verschlechterung der wirtschaftlichen Lage in einem Einsatzfeld oftmals durch gegenläufige Entwicklungen in anderen Feldern ausgeglichen werden kann.

Verbraucher

Die verstärkte Nutzung von Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen stellt trotz einer Reihe ökologischer Vorteile keine Selbstverständlichkeit dar. Die Verbrauchersicht hierzu ist differenziert, wie regional begrenzte Modellversuche beispielsweise zu Bioverpackungen deutlich machen. Danach erwarten Verbraucher, dass Verpackungen aus nachwachsenden Rohstoffen vergleichbare funktionale und qualitative Eigenschaften wie herkömmliche Verpackungen aufweisen. Höhere Preise werden bei besserer Qualität oder einem Zusatznutzen am ehesten akzeptiert (z. B. Biotragetaschen, die auch als Biomüllbeutel verwendbar sind).

Insgesamt betrachtet wird eine ausreichende Produktvielfalt (Wählbarkeit zwischen verschiedenen Produktausführungen) erwartet, was ein entsprechend großes Sortiment an Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen voraussetzt. Umweltaspekte spielen zwar auch eine wichtige Rolle, jedoch vermögen diese nur in wenigen Fällen eine Kaufentscheidung bei einem erhöhten Preis auszulösen. Auch Gesundheitsaspekte werden i.d.R. positiv assoziiert. Erwartet wird weiterhin, dass die Information über das Produkt leicht verständlich und vollständig ist (z. B. Labeling) und dass die Produkte in Verbrauchernähe verfügbar sind. Auch spielen emotionale Aspekte und ästhetische Werte eine Rolle. Auffallend sind in vielen Fällen Informationsdefizite auf der Verbraucherseite in allen genannten Segmenten – angefangen von der technischen Eignung (z. B. bei Bioschmierstoffen) über die ökologischen Vorteile bis hin zu Bezugsquellen. Konsequentes Marketing beim Vertrieb seitens der Unternehmen ist deshalb unabdingbar.

Makroökonomische Aspekte

Sowohl für die stoffliche als auch für die energetische Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen ist es auf Basis der vorliegenden wissenschaftlichen Ergebnisse bislang nicht möglich, die volkswirtschaftlichen Effekte in Deutschland umfassend zu bewerten. Zu Beschäftigungswirkungen und Fiskaleffekten der energetischen Nutzung liegen zwar Studien vor, deren Ergebnisse jedoch teilweise deutlich divergieren. Ähnlich kontrovers wie Beschäftigungswirkungen werden Fiskaleffekte der energetischen Nutzung dargestellt, bei der v. a. die Auswirkungen der Mineralölsteuerbefreiung für Biokraftstoffe auf öffentliche Finanzen unterschiedlich beurteilt werden. Ähnliches gilt zudem für den Einfluss des EEG auf die Höhe der Strompreise für private Haushalte, im Gewerbe und in der Industrie sowie die daraus resultierende Nettobelastung (z. B. privater Stromkunden). Auch in anderen Analysedimensionen (z. B. der Effekt auf Agrarstrukturwandel und Einkommen in der Landwirtschaft, Kosteneffizienz im Hinblick auf ökologische Ziele, Exportchancen) ergibt sich ein wenig klares Bild. Bei der Untersuchung der makroökonomischen Effekte der Nutzung nachwachsender Rohstoffe besteht deshalb Forschungsbedarf.

Handlungsfelder, FuE-Bedarf, Umwelt- und Folgenanalysen

Die technischen Möglichkeiten, nachwachsende Rohstoffe stofflich zu nutzen, sind derzeit noch nicht ausgeschöpft. Mögliche Handlungsfelder zur Erschließung ihrer ökonomischen und ökologischen Potenziale sind u. a.:

  • Festlegung konkreter Zielsetzungen für die stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe: So wäre etwa eine »Roadmap für die stoffliche Nutzung« hilfreich, um Ziele klarer zu definieren und entsprechende Schwerpunkte, z. B. in Form von Forschungs- und Förderstrategien, zu setzen.
  • Verbesserung der technischen Möglichkeiten zur stofflichen Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe: Hierzu müssen Forschung, Entwicklung und Demonstration angesichts der spezifischen Unreife der Entwicklung in ausgewählten Bereichen gezielt voran getrieben werden.
  • Weiterentwicklung und gezielte Förderung des Schlüsselbausteins einer zukünftigen stofflichen industriellen Nutzung nachwachsender Rohstoffe der Bioraffineriekonzepte: Dort besteht noch enormer Entwicklungsbedarf hinsichtlich der Auslegung der Basiskonzepte, technischer Umsetzungsmöglichkeiten sowie entsprechender Demonstrationsanlagen.
  • Weiterentwicklung spezifischer Verfahren der energetischen Nutzung, da diese etwa für die Synthesegaserzeugung oder die Ethanolherstellung (als potenzielle Plattformchemikalie) eine »technische Verbindung« zur stofflichen Nutzung erfüllen.
  • Anbau- und züchterische Anpassungen von Pflanzen: Entsprechende Versuche und Forschungsanstrengungen wären für die stoffliche (Inhaltsstoffe) als auch energetische Nutzung (Energiepflanzen) auszubauen.
  • Etablierung einer Begleitforschung wie etwa die Durchführung von entsprechend ausgelegten Öko- und Folgenanalysen: Diese könnte helfen, den Stellenwert der industriell stofflichen Nutzung präziser zu bestimmen und Prioritätensetzung bei FuE sowie der Förderung vorbereiten.
  • Etablierung einer Markt- und Akzeptanzforschung für Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen: Sie könnte dazu beitragen, bei Herstellern, Anwendern und Verbrauchern Vorbehalte und damit derzeitige Markthemmnisse abzubauen;
  • Absehbare Flächen- und Nutzungskonkurrenzen der stofflichen und energetischen Verwendung nachwachsender Rohstoffe vorausschauend analysieren und in eine strategische Ausrichtung integrieren.
  • Verbesserung der Datenbasis zur statistischen Erfassung von Produktionsmengen und Produkten: Eine industrienahe Informations- und Datenerfassung würde mehr Transparenz schaffen und zum anderen die notwendige Basis für die Ermittlung makroökonomischer Effekte liefern.
  • Erfassung zusätzlicher Indikatoren: Für eine umfassende Bewertung wäre es sinnvoll, als Bilanzgröße CO2-Vermeidungskosten für ausgewählte Produktpfade zu integrieren.
  • Berrücksichtigung der konkreten Bereitstellungs- und Anbaubedingungen importierter nachwachsender Rohstoffe (Umwelt- und Sozialstandards) bei weiterführenden Bewertungskonzepten.
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