Biokraftstoffe Es geht voran auf dem Holzweg

Ölfressende Bakterien, das war mal eine Vision, die Schlagzeilen machte. Sie klang so praktisch: Überall, wo aus Versehen Öl ausgelaufen ist, kippt man eine Ladung Mikroorganismen dazu, und alle Probleme sind gelöst. Heute träumt Lee Lynd vom Gegenteil: Der Biologe von der amerikanischen Traditionsuniversität Dartmouth arbeitet an Mikroorganismen, die Treibstoff herstellen. Und auch seine Idee hört sich bestechend an: Man würde einfach Pflanzenteile wie Äste, Holzschnipsel, Halme in einen Topf schmeißen und seine Bakterien dazugeben. Heraus käme reines Bioethanol, und man muss sich keine Sorgen mehr machen, was Ölknappheit und CO2-Emissionen durch fossile Brennstoffe angeht.

„Die Rohstoffe sind sensationell billig.“

So weit ist es bedauerlicherweise noch lange nicht. Zwar steckt in pflanzlichem Abfall viel Energie, doch die anders als durch bloßes Verbrennen freizusetzen erfordert Aufwand. Im Gegensatz zu der leicht fermentierbaren Stärke in Maiskolben oder Zucker aus Zuckerrohr enthält das Pflanzenmaterial große Mengen an Zellulose und Hemizellulose. „Extrem widerspenstige, abbauresistente Substanzen“, beschreibt sie Lee Lynd. Dementsprechend komplex ist der Prozess, daraus Bioalkohol zu gewinnen: Zunächst behandelt man Lignozellulosen, so der Sammelbegriff für holziges Pflanzenmaterial wie Äste, Sägespäne oder Stroh, mit Säuren, um den Holzstoff Lignin abzutrennen und die Hemizellulosen zu knacken. Im zweiten Schritt werden Enzyme, sogenannte Zellulasen, zu dem zähen Brei gegeben, welche Zellulose in einzelne Zuckermoleküle aufspalten. Erst dann können Mikroorganismen den Zucker zu Alkohol fermentieren. Der Biokraftstoff muss schließlich durch Destillation vom Rest der Brühe abgetrennt werden.

Der Prozess funktioniert, wenn auch bisher erst im kleinen Maßstab. „Der Einkaufspreis von zelluloser Biomasse entspricht einem Rohölpreis von 17 Dollar pro Barrel“, schwärmt Lynd. „Die Rohstoffe sind sensationell billig.“ Von der Produktion lässt sich das bisher nicht behaupten. Daten der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe zufolge kostet die Herstellung aus Stroh zurzeit 30 Euro pro Gigajoule erzeugter Energie - Bioalkohol aus Getreide, Zuckerrüben oder Zuckerrohr liegen je nach Herkunft bei zehn bis 26 Euro pro Gigajoule.

Ein hitzetolerierendes Bakterium

„Die Produktion muss radikal billiger werden. Ein Schlüssel dazu ist der Abbauschritt von Lignozellulose zu Zuckern“, glaubt der amerikanische Wissenschaftler Lynd. Im Fachblatt „PNAS“ hat er vergangene Woche ein Bakterium vorgestellt, das im Vergleich zur üblicherweise eingesetzten Hefe weniger als die Hälfte an zugesetzten Zellulasen benötigt, um Bioalkohol aus Zellulose herzustellen. Der Mikroorganismus namens Thermoanaerobacterium saccharolyticum ist ein thermophiles, das heißt hitzetolerierendes Bakterium. Deshalb konnten die Wissenschaftler den Produktionsprozess bei 50 Grad Celsius durchführen, was die Zellulasen effektiver arbeiten lässt. Deren Leistung und Preis gelten nach einer aktuellen OECD-Studie über Biotreibstoffe als Flaschenhals bei der Zellulose-Alkoholproduktion.

Außerdem haben Lynd und seine Kollegen das Bakterium gentechnisch verändert, so dass es nur noch Alkohol und keine unerwünschten Nebenprodukte mehr herstellt - wissenschaftlich ist das bemerkenswert, denn die thermophilen Mikroben ließen sich bislang nicht besonders gut manipulieren.

„Die Zellulasen sind noch sehr teuer, insofern bedeutet das schon eine Verbilligung des Prozesses“, sagt Eckhard Boles, der am Institut für Molekulare Biowissenschaften der Universität Frankfurt selbst an Hefen für die Zellulose-Alkoholherstellung forscht. „Aber ob die Ergebnisse auf industrielle Maßstäbe übertragbar sind, wage ich zu bezweifeln.“

Zu ideal sind die Bedingungen, unter denen Lynds Labor arbeitete: Ausgangsmaterial war keine vorbehandelte Lignozellulose-Brühe, sondern kristalline Zellulose, und die Ausbeute betrug nur etwa ein Fünftel dessen, was bereits mit Hefe möglich ist. „Es liegen noch keine großtechnischen Erfahrungen mit diesen Bakterien vor“, gibt Eckhard Boles darüber hinaus zu Bedenken. „Für Hefen gibt es dagegen etablierte Prozesse, sie sind auch viel robuster gegenüber Säuren und Phenolen, die in der vorbehandelten Lignozellulose-Flüssigkeit vorhanden sind.“

Die Biosprit-Produktion geht zu Lasten der Armen

„Ich bin nicht gegen Hefen oder für Bakterien“, sagt dazu Lee Lynd, der zuversichtlich ist, die Nachteile von T. saccharolyticus innerhalb weniger Jahre auszumerzen, „aber ich glaube, dass man sich dem Ziel, günstigen Zellulose-Alkohol herzustellen, von allen möglichen Richtungen nähern sollte.“ Mit dieser Meinung steht er nicht allein, denn der Einsatz von Zellulose hat nun mal einen entscheidenden Vorteil: Er tritt nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion. Genau das aber ist das zentrale Problem der sogenannten ersten Generation von Biotreibstoffen, die direkt aus Mais, Weizen, Zuckerrohr oder Zuckerrüben hergestellt werden. Weil der Hunger der Bioalkoholhersteller nach diesen Rohstoffen laut Angaben von OECD und Weltbank für mindestens ein Drittel des jüngsten Preisanstiegs bei Lebensmitteln verantwortlich ist, hat die Biosprit-Euphorie inzwischen stark nachgelassen. Dass in Schwellen- und Entwicklungsländern Wälder gerodet werden, um Energiepflanzen anzubauen, macht die Sache aus der Sicht des Klimaschutzes nur noch schlimmer. Diese Erkenntnis ist auch in der Politik angekommen. Erst vergangene Woche forderte beispielsweise Entwicklungshilfeministerin Heidemarie Wieczorek-Zeul, die EU-Subventionen für Biosprit zurückzudrehen - sie gingen zu Lasten der Armen, während die Treibhaus-Emissionen im Verkehrssektor lediglich um 0,8 Prozent sinken würden.

Doch so endgültig lässt sich noch kein Urteil über Biokraftstoffe fällen. Die Datenlage, speziell was die neuen Alkohole der sogenannten zweiten Generation angeht, ist bescheiden. Für Zellulose-Alkohol, aber auch für Konkurrenzverfahren wie den Biomass-to-Liquid-Prozess, der auf thermisch-chemischem Weg Treibstoff aus Biomasse erzeugt, existieren noch keine Produktionsanlagen in kommerziellem Maßstab. „Es ist da sehr schwer, Prognosen abzugeben, weil die beteiligten Firmen viele Details geheim halten“, sagt Ludger Eltrop vom Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung der Universität Stuttgart.

Das Problem der Nahrungsmittelkonkurrenz

Weil auf diesem Gebiet mit immensem Aufwand geforscht wird, könnten Fortschritte, auch wenn es noch so kleine sind wie Lee Lynds Bakterium, in den kommenden Jahren zu ganz neuen Perspektiven führen. Welche Verwendung von Biomasse sich eines Tages als die energieeffizienteste, klimaschonendste und kosteneffektivste herausstellt, kann heute niemand abschätzen. „Es gibt ohnehin keinen Königsweg“, sagt Dietmar Kemnitz, Biokraftstoff-Spezialist der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, einer Organisation des Bundeslandwirtschaftsministeriums. Tatsächlich hat sich sogar herausgestellt, dass die Biotreibstoffe der ersten Generation nicht durchgehend so schlecht sind, wie sie heute gemacht werden. Sie unterscheiden sich je nach Ursprungsort und Ursprungspflanze stark, was Energiebilanz und CO2-Emissionen betrifft. Gänzlich verschieben sich die Ergebnisse, wenn man einberechnet, dass mit zelluloseverwertenden Methoden auch die Überreste der genutzten Energiepflanzen weiterverwendet werden könnten.

Bleibt das Problem der Nahrungsmittelkonkurrenz. Und die Frage nach den Folgen eines großflächigen Anbaus von Energiepflanzen. Selbst die Herstellung von Zellulosealkohol ist nicht unproblematisch. Witold-Roger Poganietz vom Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse am Forschungszentrum Karlsruhe hat eine vorläufige Bilanz erstellt. Pro Liter wies Zellulose-Alkohol zwar „erheblich geringere CO2-Emissionen auf. Aber wenn man andere Treibhausgase wie Distickstoffoxid (N2O) betrachtet, schneidet der traditionelle Bioalkohol besser ab“, sagt Poganietz.

Letztlich wird der Preis entscheiden

Wenn Stroh oder andere Pflanzenreste zudem restlos von den Feldern entfernt werden, verschlechtert sich nach und nach der Nährstoffgehalt des Ackerbodens. Das gilt für alle Biomasse-Verwendungszwecke. Biomass-to-Liquid beansprucht dabei noch am wenigsten Anbaufläche, ist aber mit Kosten von über 30 Euro pro Gigajoule auch am teuersten. Biomethan beziehungsweise Biogas sind höchst energieeffizient und CO2-emissionsarm, aber es müssten sich erst einmal die passenden Fahrzeuge am Markt etablieren und das Tankstellennetz ausgebaut werden. Schließlich kommen noch die Transportkosten für den Treibstoff hinzu.

„Die Wahrscheinlichkeit ist groß, dass sich regional unterschiedliche Lösungen ergeben“, vermutet Dietmar Kemnitz. Ob Stroh dann in Mecklenburg zu Benzin verarbeitet oder in Bayern zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt wird, während man in Köln lieber mit importiertem Bioalkohol fährt - über eines ist sich Eckhard Boles sicher: „über die Akzeptanz wird letztlich der Preis entscheiden“.