Methan ist ein klimaschädigendes Treibhausgas. Verbrennt man jedoch Methan, wird dabei viel Energie frei. Diese Energie kann zur Erzeugung von Strom oder zur Erwärmung von Wasser genutzt werden.

Energiemais

Maisfelder dominieren in vielen Regionen inzwischen die Felder, obwohl der Verbrauch an Mais als Futter- oder Nahrungsmittel nicht gestiegen ist. Wer also hat so großen Hunger auf Mais? Es sind vor allem die Biogasanlagen, in denen die Maispflanzen von Bakterien zu Methan vergoren und so zur Energieerzeugung verwendet werden. Im Vergleich zu den anderen Getreidearten wie Weizen, Roggern oder Gerste liefert Mais tatsächlich die meiste Biomasse. Trotzdem wurde Mais jahrtausendelang als Nahrungs- und nicht als Energiepflanze kultiviert. Unsere Maispflanzen sind so gezüchtet, dass sie möglichst große Maiskolben mit vielen stärkehaltigen Körner hervorbringen. Das Zuchtziel, was bei Energiepflanzen jedoch an erster Stelle steht heißt: Biomasse. Der herkömmliche Mais soll also züchterisch so verändert werden, dass er weniger Kolben und mehr Blattwerk produziert.

Für eine Pflanze ist es energetisch sehr aufwändig, Samen zu produzieren. Körnermais ist züchterisch auf die Produktion von Samen, also Maiskörnern, optimiert. Energiemais soll jedoch keine Samen, sondern vor allem viel Pflanzenmasse liefern. Man muss den Energiemais also von der Blüte abhalten. Doch wie weiß eigentlich der Mais, wann die optimale Blütezeit gekommen ist?

Pflanzen haben eine innere Uhr. Anhand der Tageslänge wissen sie immer, welche Jahreszeit gerade herrscht und können ihre Stoffwechselvorgänge danach ausrichten. Das wird als Photoperiodismus bezeichnet. Dabei sind die Pflanzen sehr gut an ihre jeweiligen Standorte angepasst. Die Tage in Mitteleuropa sind länger als in südlichen Breitengraden, dafür haben wir weniger warme Sommermonate. Damit die Maispflanzen die warme Periode optimal zum Wachsen ausnutzen können, blühen sie in unseren Breitengeraden im Frühsommer. In Südeuropa sind die Tage im Sommer zwar etwas kürzer, dafür ist es bis in den Spätherbst hinein sehr warm. Die südeuropäischen Sorten blühen deshalb erst später im Jahr. Fügt man das Blüh-Gen aus den südlichen Sorten in die nördlichen ein, kommt die innere Uhr des Mais durcheinander. Dadurch kommt der Mais in unseren gemäßigten Breitengraden erst sehr spät oder gar nicht zur Blüte und verschwendet keine Energie auf die Produktion von Maiskolben. Stattdessen, so das ehrgeizige Ziel der Züchter, soll die Pflanze weiterwachsen, zwischen drei bis vier Meter hoch werden und somit etwa doppelt so viel Biomasse erzeugen wie normale Maissorten.

Für Biokraftstoffe der 2. Generation will man den ethischen Konflikt „Teller oder Tank“ entschärfen und nur die Teile von Pflanzen für die Erzeugung von Treibstoff benutzen, die für den Menschen nicht essbar sind. Pflanzen bestehen zum größten Teil aus Cellulose und deren effektive Spaltung birgt bisher die größten Probleme.

Vom Stroh zum Lignocellulose-Ethanol

Anders als tierische Zellen sind pflanzliche Zellen von einer Zellwand umgeben. Diese verleiht den Zellen die nötige Stabilität, damit zum Beispiel, dass Bäume hundert Meter in die Höhe wachsen können. Schließlich haben Pflanzen weder Knochen noch Muskeln, die ihnen dabei behilflich sein könnten. Außerdem dient sie als Barriere gegen feindliche Eindringlinge oder schädliche Umwelteinflüsse.

Der Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand ist mit etwa 50 Prozent Massenanteil die Cellulose. Cellulose ist das weltweit am meisten produzierte Biopolymer und besteht ähnlich wie Stärke aus Glukosemolekülen, nur die Art der Verknüpfung ist anders (β-Verknüpfung). Bis zu zehntausend Glukosemoleküle können sich zu einem einzigen unverzweigten Cellulosemolekül verbinden. Mehrere dieser langen Celluloseketten sind durch Wasserstoff-Brückenbindungen miteinander verknüpft, die zur Stabilität des Moleküls beitragen. Man spricht in diesem Fall auch von kristalliner Cellulose.

Der zweithäufigste Bestandteil der pflanzlichen Zellwand ist die Hemicellulose. Hemicellulose ist kein chemisch fest definiertes Molekül, sondern eine Gruppe von Vielfachzuckern, die aus verschiedenen Zuckerbausteinen bestehen. Hemicellulose verbindet Cellulose mit Lignin, das eine Art Schutzmantel um die Cellulosestränge bildet und dem Pflanzengewebe Druckfestigkeit verleiht. Eine solche Faser aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin wird als Mikrofibrille bezeichnet. Viele Mikrofibrillen lagern sich zu einer Makrofibrille zusammen.

Wie wird aus Lignocellulose Biokraftstoff?

Dieser Vorgang ist in zwei Teilschritte gegliedert: die Vorbehandlung und Verzuckerung sowie die alkoholische Gärung.

Zunächst müssen die beiden Zuckerkomponenten, Cellulose und Hemicellulose, vom Lignin getrennt werden. Dass geschieht heute meistens unter Einwirkung von Hitze und Säuren.

Als nächstes müssen die langen Zuckerketten in ihre einzelnen Zuckerbausteine aufgespalten werden (Verzuckerung). Dazu braucht man spezielle Enzyme, die sogenannten Cellulasen, welche die besonderen Bindungen (β-Bindungen) in den Cellulosemolekülen spalten können. Solche Cellulasen findet man in verschiedenen Mikroorganismen. Zum heutigen Zeitpunkt stehen vor allem der Pilz Trichoderma reesei und das Bakterium Clostridium thermocellum im Mittelpunkt der Forschung. Da der Cellulosespaltung jedoch die Hitze- und Säurebehandlung zur Entfernung des Lignins vorausgeht, sucht man vermehrt auch nach thermophilen und acidophilen Mikroorganismen – also Einzellern, die bei heißen Temperaturen oder im sauren Milieu besonders gut wachsen – mit den passenden Enzymen zur Cellulosespaltung.

Die zurzeit verfügbaren Cellulasen sind sehr teuer, weshalb die Produktion von Biokraftstoffen aus Cellulose nicht wirtschaftlich ist. Man muss viel mehr Geld in die cellulosespaltenden Enzyme stecken, als man mit dem Verkauf des Biokraftstoffs wieder verdienen kann.

Der letzte Schritt ist die Vergärung der einzelnen Zuckerbausteine, also der Abbau von Zucker zu Alkohol. Die Glukose, also der Grundbaustein der Cellulose, kann sehr einfach von normaler Bäckerhefe zu Alkohol abgebaut werden. Etwas komplizierter wird es bei den vielen verschiedenen Zuckern aus der Hemicellulose. Das bei Molekularbiologen beliebte Bakterium Eschericia coli ist im Labor mit bestimmten Enzymen versehen worden, die ihm die Fähigkeit verleihen, jeden beliebigen Zucker aus der Hemicellulose abzubauen.

Kann man Pflanzen verändern, sodass sie sich besser als Ausgangsstoff für Biokraftstoffe eignen?

Daran wird geforscht! Pflanzen sind jahrtausendelang nur auf ihre Eigenschaften als Nahrungslieferanten hin optimiert worden. Ihre Nutzung als Ausgangsmaterial für Biokraftstoffe stellt ganz andere Anforderungen an sie. Kriterien, die man züchterisch verändern möchte, sind zum Beispiel: die Zusammensetzung der Zellwand, die Wachstumsgeschwindigkeit, die Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche geographische Regionen und wie effizient die Pflanzen Wasser, Sonnenenergie und Nährstoffe nutzen. Manche Pflanzen, man nennt sie C4-Pflanzen, gehen nämlich wesentlich effizienter mit Sonnenlicht, Wasser und Stickstoff um als andere. Dazu gehören zum Beispiel die mehrjährigen Gräser Riesenchinaschilf, Rutenhirse oder Zuckerrohr. Leider wachsen diese Pflanzen bei Temperaturen unterhalb von 10°C nicht mehr. Deswegen konzentriert sich die Forschung in kälteren Gebieten vermehrt auf Bäume, wie die schnell wachsenden Pappeln und Eukalyptus-Bäume.

Die Biokraftstoffe der ersten Generation werden aus Pflanzenteilen hergestellt, die man auch für die Ernährung nutzen könnte. Ausgangsstoff für die Synthese von Biosprit ist zum Beispiel Stärke aus Mais und Roggenkörnern oder Zucker aus Zuckerrohr und Zuckerrübe. Biodiesel wird hingegen aus fetthaltigen Samen wie zum Beispiel Rapssamen gewonnen.

Von der Zuckerrübe zum Ethanol

Schon seit langer Zeit wurde Ethanol, wie unser Trinkalkohol in der Fachsprache heißt, bis zu einer Grenze von fünf Prozent normalen Kraftstoffen beigemischt. Ganz ohne Kennzeichnung. Seit Anfang 2011 gibt es an unseren Tankstellen Benzin mit zehn Prozent Ethanolgehalt (E10) und in Brasilien fahren die meisten Autos mit bis zu 85 Prozent Ethanol im Tank (E85). Im Jahr 2011 lag der Verbrauch von E10 noch bei rund 1,8 Millionen Tonnen und ist bis zum Jahr 2013 auf 2,6 Millionen Tonnen angestiegen. Damit hat E10 einen Anteil von rund 15 Prozent am gesamten Benzinmarkt.

Ethanol wird aus Zuckerrohr, Mais, Weizen oder Zuckerrüben gewonnen. Genau wie beim Bierbrauen wird der Zucker oder die Stärke aus diesen Pflanzen von winzigen Hefen in Alkohol umgewandelt (fermentiert). Nach Destillation und Trocknung erhält man den sogenannten Bioethanol. Viele Leute sind gegen die Verwendung von Ethanol als Brennstoff in Fahrzeugen, weil sie meinen, dass die Erzeugung von Energie aus Nutzpflanzen unethisch sei. Statt Autos anzutreiben, sollten ihrer Meinung nach die Pflanzen lieber für die Ernährung der Weltbevölkerung eingesetzt werden.

Auch die Befürworter von Ethanol als Brennstoff stimmen darin überein, dass man statt Futterpflanzen vermehrt günstige pflanzliche Abfallprodukte wie Stroh und Holzreste oder Energiepflanzen wie das Riesen-Chinaschilf zur Ethanolerzeugung verwenden sollte. Diesen Pflanzen ist gemein, dass sie statt Stärke oder Zucker besonders viel Cellulose enthalten. Cellulose besteht genau wie Stärke aus vielen miteinander verknüpften Zuckermolekülen und eignet sich daher theoretisch auch für die Ethanolproduktion.

Die Verwendung von Energiepflanzen hätte den Vorteil, dass keine Konkurrenz zum Lebensmittelmarkt aufkäme und mehr nutzbare Biomasse pro Fläche entstünde. Schließlich wird zum Beispiel das Riesen-Chinaschilf vier bis fünf Meter hoch, Weizen oder Maispflanzen können da nicht mithalten. Dadurch wäre dieser Cellulose-Ethanol günstiger und hätte eine positivere CO₂-Bilanz.

Warum also fahren unsere Autos bisher nicht mit Cellulose-Ethanol? Weil die Hefen ein Problem haben, die Verknüpfungen zwischen den Zuckermolekülen der Cellulose zu spalten. Genau wie Menschen kein Gras verdauen können, weil uns die dafür notwendigen Enzyme fehlen, kann die Hefe keine Cellulose spalten.

Unterschied zwischen Stärke und Zellulose

Stärke und Zellulose bestehen beide aus Zuckermolekülen, genauer gesagt aus D-Glukose. Diese Glukosemoleküle können unterschiedlich miteinander verknüpft sein.

Bei Stärke findet man die Verknüpfungsformen α-1-4 und α-1-6. Diese Verknüpfungen können von den Hefen problemlos gespalten werden, sie besitzen das richtige Enzym – sozusagen das richtige Messer – zum Zerschneiden.

In Cellulose hingegen sind die D-Glukose-Moleküle über eine β-1-4 Bindung miteinander verknüpft und können weder von Menschen noch von Hefen aufgespalten werden. Nur bestimmte Bakterien, zum Beispiel solche im Pansen von Kühen, besitzen die dafür notwendigen Enzyme, die Cellulasen.

Vom Rapsöl zum Biodiesel

Während man Ethanol aus kohlenhydratreichen Pflanzen gewinnen kann, braucht man für die Produktion von Biodiesel eine ölreiche Pflanze. In Deutschland werden hauptsächlich die Samen der Rapspflanze verwendet, in den USA überwiegend Soyasamen.

Zuerst muss das Rapsöl in einer chemischen Reaktion in einen Ester umgewandelt werden. Dabei entsteht Rapsmethylester und als Nebenprodukt Glycerin. Da Rapsmethylester ähnliche Eigenschaften hat wie mineralischer Dieselkraftstoff, kann er in normalen Dieselmotoren verbrannt werden. Biodiesel trägt damit dazu bei unabhängiger von Erdölnationen zu werden. Außerdem entsteht bei seiner Produktion kaum Abfall, die Nebenprodukte können als Futtermittel oder in der chemischen Industrie weiterverwendet werden.

Umstritten ist jedoch nach wie vor die Klimaneutralität des Biodiesel. Neben dem CO₂-Ausstoß beim Verbrennen des Kraftstoffs wird nämlich auch bei Anbau, Herstellung und Verarbeitung der Pflanze CO₂ freigesetzt. Außerdem steht die Verbrennung von Raps in Motoren in Konkurrenz zum Lebensmittelmarkt.