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Biomasse

Biomasse

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Tropischer Regenwald in Amazonien, Brasilien; Biomasse entsteht hier sowohl im Wald als auch im Gewässer
Zuckerrohr ist ein wichtiger Lieferant von Biomasse, die als Nahrung oder energetisch genutzt wird

Mit dem Ausdruck Biomasse werden Stoffgemische bezeichnet, die in Lebewesen gebunden und/oder von ihnen erzeugt werden. Der Umfang dieser Stoffgemische wird in ihren Massen angegeben. Biomasse wird häufig nur für ausgesuchte, räumlich klar umrissene Ökosysteme erfasst. Oder aber sie wird bloß für bestimmte, einzelne Populationen herausgearbeitet. Gelegentlich gibt es zudem Versuche, die Biomasse der gesamten Ökosphäre abzuschätzen.

In der Ökologie existiert kein einheitlicher Biomasse-Begriff. Die verwendeten Begriffe klingen zwar ähnlich. Im Detail unterscheiden sie sich allerdings mehr oder weniger stark.

Begriff

Bisher konnte sich kein einheitlicher Biomasse-Begriff etablieren. Die in der Literatur auffindbaren Biomasse-Begriffe unterscheiden sich mehr oder weniger stark. Zudem lassen sie sich in zwei Gruppen gliedern.

  • Ökologische Biomasse-Begriffe: Ökologische Biomasse-Begriffe sind sprachliche Werkzeuge, um Umfang und Veränderungen von Biomasse zu erläutern. Denn der Umfang der Biomasse kann sich verändern, während Lebewesen untereinander und mit ihrer unbelebten Umwelt wechselwirken. Derzeit besteht keine Einigkeit über die inhaltliche Bedeutung des ökologischen Biomasse-Begriffs. Stattdessen existiert eine bunte Vielfalt von ökologischen Biomasse-Begriffen nebeneinander.
  • Energietechnische Biomasse-Begriffe: energietechnische Biomasse-Begriffe umfassen ausschließlich solche biotischen Stoffe, die als Energiequellen genutzt werden können. Die diversen energietechnischen Biomasse-Begriffe unterscheiden sich voneinander bloß in Nuancen.

Ökologischer Biomasse-Begriff

Die Entwicklung des ökologischen Biomasse-Begriffs führt zurück in die 1920er. Damals versuchte der russische Naturwissenschaftler Wladimir Iwanowitsch Wernadski (1863–1945) zu schätzen, welche Masse alle irdischen Lebewesen zusammen genommen besitzen könnten.[1] Er stellte seine Schätzungen das erste Mal 1922 oder 1923 vor, als er in Paris Vorlesungen über Geochemie hielt. Ein Essay zur Vorlesung wurde 1924 in französischer Sprache veröffentlicht.[2] Nach weiteren Überlegungen ließ Wernadski 1926 ein kurzes Buch in russischer Sprache folgen.[3] In seinen Überlegungen verwendete er allerdings noch nicht den Ausdruck Biomasse.

Die Bezeichnung Biomasse wurde ein Jahr später eingeführt. Die Einführung erfolgte durch den deutschen Zoologen Reinhard Demoll (1882–1960).[4] Die Bezeichnung wurde 1931 aufgegriffen vom russischen Ozeanographen Lev Aleksandrovich Zenkevich (1889–1970):

„By biomass (Demoll) we term the quantity of substance in living organisms per unit of surface or volume.“

„Mit Biomasse ([nach Reinhard] Demoll) bezeichnen wir die Menge an Substanz in lebenden Organismen pro Einheit Oberfläche oder [pro Einheit] Volumen.“

– Lev Aleksandrovich Zenkevich: Fish-food in the Barents Sea. (Introduction). In: L. A. Zenkevich, V. A. Brotsky, A. Dektereva: Fish-food of the Barents Sea. In: Reports of State Oceanographical Institute Moscow, Session I. 4 (1931)[5]

Zenkevich – und vor ihm Demoll – benannten mit Biomasse einfach die Masse, die alle lebenden Organismen eines bestimmten Bereichs zusammen genommen besitzen. Hier zeigt sich die erste Definition des ökologischen Biomasse-Begriffs, die immer noch verwendet wird.[6]

  • Biomasse (Demoll 1927): Masse der Lebewesen pro Raumbereich.

Zenkevich beeinflusste die erste naturwissenschaftliche Publikation, die in ihrem Titel den Ausdruck Biomasse führte. Sie wurde ebenfalls von einem Russen verfasst. Im Jahr 1934 veröffentlichte der Gewässerbiologe Veniamin Grigor'evič Bogorov (1904–1971) seine Studie Seasonal Changes in Biomass of Calanus finmarchicus in the Plymouth Area in 1930.[7]

Bogorov befasste sich mit der Biomasse aller Ruderfußkrebse der Art Calanus finmarchicus in den Gewässern von Plymouth. Er betrachtete demnach die Biomasse einer bestimmten Population – also der Individuen einer Art innerhalb eines bestimmten Areals, die miteinander eine Fortpflanzungsgemeinschaft bilden. Aus Bogorovs Studie geht außerdem hervor, dass er die Biomasse erst maß, nachdem die gefangenen Organismen mit Calciumchlorid getrocknet worden waren.[8] Er maß also ihr Trockengewicht. Somit entwickelte Bogorov eine zweite Definition des ökologischen Biomasse-Begriffs, die ebenfalls bis heute Gültigkeit besitzt.[9]

  • Biomasse (Bogorov 1934): Gemeinsame Trockenmasse aller Individuen einer Population.

Innerhalb von sieben Jahren waren bereits zwei verschiedene Definitionen des ökologischen Biomasse-Begriffs entwickelt worden. In den darauf folgenden Jahrzehnten gesellten sich viele weitere hinzu, die von den beiden ursprünglichen Definitionen mehr oder weniger stark abwichen:

  • Die meisten ökologischen Biomasse-Begriffe beziehen sich auf getrocknete Biomasse.[10][11][12] Gelegentlich jedoch wird der Wassergehalt nicht heraus gerechnet.[13][14]
  • Einige ökologische Biomasse-Begriffe beinhalten sowohl lebende als auch tote Biomasse.[15][16][17][18] Andere beziehen sich ausschließlich auf lebende Biomasse.[19][20]
  • Die meisten ökologischen Biomasse-Begriffe umfassen die Masse der Zellen. Und sie umfassen zusätzlich jene Dinge, die von Zellen ausgeschieden oder abgesondert werden.[21] Vereinzelt jedoch wird ausschließlich die Zellsubstanz als Biomasse bezeichnet.[22][23]
  • In der Vergangenheit bezogen sich viele ökologische Biomasse-Begriffe allein auf die Massen von Pflanzen und Tieren. Zunehmend wird aber auch die Masse der Mikroorganismen berücksichtigt.

Kein ökologischer Biomasse-Begriff schließt fossile Energieträger, Kerogen oder biogene Sedimentgesteine mit ein. Obwohl jene Stoffe abgewandelte Formen toter Biomasse darstellen.

Energietechnischer Biomasse-Begriff

Der energietechnische Biomasse-Begriff umfasst ausschließlich tierische und pflanzliche Erzeugnisse, die zur Gewinnung von Heizenergie, von elektrischer Energie und als Kraftstoffe verwendet werden können. Im Vergleich mit den ökologischen Biomasse-Begriffen ist der energietechnische Biomasse-Begriff viel enger gefasst. Denn erstens bezieht er sich ausschließlich auf tierische und pflanzliche, nie jedoch auf mikrobielle Stoffe. Und zweitens umfasst er innerhalb der tierischen und pflanzlichen Stoffe nur solche Substanzen, die energietechnisch verwertet werden können.[24]

„Biomasse: Organische Stoffe biogener, nicht fossiler Art zur energetischen Nutzung. Verwendung in Biomasse-Heizanlagen.“

– Bundesverband der landwirtschaftlichen Berufsgenossenschaften e.V.: Biomasse Heizanlagen. Kassel, 2008, S. 3.[25]

„Biomasse im Sinne dieser Verordnung sind Energieträger aus Phyto- und Zoomasse. Hierzu gehören auch aus Phyto- und Zoomasse resultierende Folge- und Nebenprodukte, Rückstände und Abfälle, deren Energiegehalt aus Phyto- und Zoomasse stammt.“

– Bundesministeriums der Justiz in Zusammenarbeit mit der juris GmbH: Verordnung über die Erzeugung von Strom aus Biomasse (Biomasseverordnung - BiomasseV). Berlin 2001, S. 1.[26]

Als Formen energietechnisch berücksichtigter Biomasse werden genannt: Holzpellets, Hackschnitzel, Stroh, Getreide,[27] Altholz, pflanzliches Treibgut, Biodiesel und Biogas.[28] Energietechnisch relevante Biomasse kann demnach in gasförmiger, flüssiger und fester Form vorliegen.[29]

Typen von Biomasse

Biomasse wird nach drei unterschiedlichen Kriterien typisiert. Die drei Kriterien ergeben sich aus Vergleichen zwischen den verschiedenen ökologischen Biomasse-Begriffen. Das erste Kriterium ist der Wassergehalt: Befindet sich die Biomasse in ihrem frischen, feuchten Zustand oder wurde sie bereits getrocknet? Das zweite Kriterium ist die Herkunft: Stammt die Biomasse von Pflanzen, von Tieren oder von Mikroorganismen (einschließlich Pilzen)? Das dritte Kriterium ist die Lebendigkeit: Befindet sich die Biomasse an/in lebenden Organismen oder befindet sie sich an/in toten Organismen beziehungsweise ist sie abgestorben?

Biomassetypen nach Wassergehalt:

  • Frischbiomasse: Die Biomasse enthält noch Wasser.
  • Trockenbiomasse: Die Biomasse wurde getrocknet.

Biomassetypen nach Herkunft der Biomasse:

  • Phytomasse: Die Biomasse stammt von Pflanzen.
  • Zoomasse: Die Biomasse stammt von Tieren.
  • Mikrobielle Biomasse: Die Biomasse stammt von Mikroorganismen (einschließlich Pilzen).[30]

Biomassetypen nach Lebendigkeit der Biomasse:

  • Lebende Biomasse: Die Biomasse befindet sich an/in lebenden Organismen.
  • Tote Biomasse: Die Biomasse befindet sich an/in toten Organismen beziehungsweise ist abgestorben.

Lebende Biomasse

An der Basis der Bildung von Biomasse stehen die Primärproduzenten. Das sind Organismen, die energiearme Baustoffe der unbelebten Umwelt entnehmen und in Nährstoffe umwandeln. Die Energie, die sie für diese Umwandlung benötigen, entnehmen sie ebenfalls der unbelebten Umwelt (Autotrophie). Unbelebte Energiequellen der Autotrophie sind Licht (Photoautotrophie) und bestimmte chemische Reaktionen (Chemoautotrophie). Die meistverbreiteten, vielzelligen Primärproduzenten des Festlandes sind die photoautotrophen Landpflanzen. Die meistverbreiteten Primärproduzenten der lichtdurchfluteten Meeresbereiche sind mikroskopisch klein und gehören somit zum Phytoplankton.

Konsumenten ernähren sich von den Primärproduzenten und/oder von anderen Konsumenten. Die verzehrten Organismen oder Organismenteile werden von den Konsumenten verdaut und anschließend genutzt, um eigene Biomasse aufzubauen. Auf diese Weise wird zum Beispiel pflanzliche Biomasse umgewandelt in tierische Biomasse (→ zum Beispiel Veredelung).

Nahrungspyramide: 1000 kg Getreide pro Jahr werden von 3000 Feldmäusen in 90 kg Körpergewicht umgesetzt. Ein Mäusebussard frisst 3000 Feldmäuse pro Jahr und wiegt 1 kg. Somit wird nur ein geringer Teil der Biomasse in die nächste Trophiestufe weitergegeben.

Dabei kann nicht sämtliche verzehrte Biomasse vollständig verdaut werden. Ein gewisser Anteil wird wieder weitgehend unverdaut ausgeschieden. Zudem verwenden Konsumenten den größten Teil der verdaubaren Biomasse zur Energiebereitstellung (Katabolismus). Nur ein kleiner Teil wird in körpereigene Biomasse gewandelt (Anabolismus). Demzufolge stellen Konsumenten nur einen geringen Teil der gesamten Biomasse.

Auch abgestorbene Pflanzen, Tiere und andere Lebewesen werden als Biomasse bezeichnet. Solche Biomasse wird wiederum von Destruenten zersetzt und zum Aufbau eigener Biomasse genutzt. Destruenten führen letztlich zum weitestgehenden Abbau von Biomasse. Am Ende werden wieder jene energiearmen Baustoffe freigesetzt, aus denen die Primärproduzenten neue Biomasse aufbauen können: Der Stoffkreislauf wird geschlossen.

Tote Biomasse

Einen großen Anteil der Biomasse macht tote organ(ism)ische Substanz aus. Bei Pflanzen besteht die tote Biomasse (tote Phytomasse) aus abgestorbenen oder abgestoßenen Pflanzenteilen. Dazu zählen abgebrochene/abgerissene Blätter, Seitensprosse, Zweige und Äste. Außerdem das gefallene Laub, überzählige Pollen und Spermatozoiden, nicht gekeimte Pflanzensporen und -samen, sowie liegen gebliebene Früchte. Es können aber auch ganze Pflanzen absterben. Größere tote Äste und ganze abgestorbene Bäume werden Totholz genannt.

Bei Tieren besteht die tote Biomasse (tote Zoomasse) ebenfalls aus abgestorbenen oder abgestoßenen Körperteilen. Dazu zählen ausgefallene oder ausgerissene Haare, Federn und Schuppen. Ebenso Exuvien, Puppenhüllen, Kokonreste, Eierschalen, Eihäute-Reste und abgestoßene Plazenten. Außerdem ausgerissene und abgetrennte Körperteile (→ Autotomie) und übrig gebliebenes Sperma (bei äußerer Befruchtung → Fischmilch). Es können aber natürlich auch ganze Tiere absterben (→ Kadaver) oder nicht befruchtete Eier anfallen. Zur toten Zoomasse gehören weiterhin viele Ausscheidungen, zuvörderst die Exkremente.

Tote Biomasse wird allgemein Bestandsabfall genannt. Tote Phytomasse von Landpflanzen (ohne Totholz) heißt Streu. Streu bildet mit der Zeit auf der Erdoberfläche eine dicke Schicht (Streuschicht/Streuauflage). Die Streuschicht bettet in sich auch die tote Zoomasse.
Der Bestandsabfall, der in Gewässern anfällt, wird Detritus genannt. Neben dem Begriff der toten Biomasse existiert auch der Begriff der Nekromasse. In der fachwissenschaftlichen Literatur werden beide Begriffe allerdings nur in einigen Fällen synonym verwendet.[31] In anderen Fällen bezeichnet Nekromasse demhingegen ausschließlich tote Phytomasse.[32]

Ein Teil der toten Biomasse lagert sich in Bereichen ab, an denen Destruenten kaum existieren können. In derart destruentenarmen Bereichen herrscht meistens extreme Sauerstoffarmut (Hypoxie) und gar Sauerstofffreiheit (Anoxie). Wegen der stark eingeschränkten Destruententätigkeit können sich in jenen Bereichen allmählich umfangreiche Mengen kaum zersetzter Biomasse ansammeln. Diese kaum zersetzte Biomasse wird zum Ausgangsstoff für Fossile Energieträger. Dazu zählen Erdgas und Erdöl sowie die beiden biogenen Sedimente Kohle und Torf. Fossile Energieträger werden nicht mehr als Biomasse betrachtet. Das gleiche gilt für Kerogen und für die übrigen biogenen Sedimente. Zwar gehen auch biogene Kalksteine, biogene Kieselgesteine und biogene Phosphorite auf bestimmte Formen toter Biomasse zurück. Dennoch werden sie ebenfalls nicht mehr zur Biomasse gezählt.

Zusammensetzung von Biomasse

Biomasse besteht vor allem aus lebenden oder toten Lebewesen, die wiederum aus einer Vielzahl verschiedener Verbindungen bestehen. Die quantitativ wichtigsten Verbindungen lassen sich zu drei Verbindungsklassen zusammenfassen:

  • Kohlenhydrate (Zucker): Sie machen den größten Teil der Biomasse aus und bestehen aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff. Sie kommen z. B. als Monomer (Monosaccharid, Einfachzucker) Glucose (Traubenzucker), Disaccharid (Zweifachzucker) Saccharose (Rohr- oder Rübenzucker) oder als Polysaccharid (Vielfachzucker) Stärke und Cellulose häufig vor. In Pflanzen dienen sie als Energiespeicher (v. a. Stärke) oder Baustoff (v. a. Cellulose).
  • Fette (Öle, Lipide): Fette kommen vor allem als Triacylglycerid vor, einem Ester aus drei Fettsäuren und Glycerin. Die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff sind enthalten, wobei der Sauerstoff einen deutlich kleineren Anteil ausmacht, als bei den Kohlenhydraten. Daher ist Fett pro Masse deutlich energiereicher. Es findet sich in Derivaten als Baustoff der Zellmembran, aber vor allem als Speichersubstanz, z. B. in Ölfrüchten.
  • Proteine (Eiweiße): Proteine sind Polymere aus verschiedenen Aminosäuren. Sie bestehen aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel. Als Enzyme oder Baustoff (Strukturproteine) erfüllen sie zentrale Funktionen bei Pflanzen und Tieren.

Daneben finden sich noch viele weiter Verbindungen in Biomasse, wie Lignin, Nukleotide und anderes.

Hinsichtlich der enthaltenen chemischen Elemente besteht Biomasse hauptsächlich aus Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor, Kalium, Calcium und Magnesium, zu geringeren Anteilen aus Eisen, Mangan, Zink, Kupfer, Chlor, Bor, Molybdän und weiteren Elementen.

Den größten Teil der Biomasse machen lebende oder abgestorbene Pflanzen aus. Lebende Pflanzen bestehen vor allem aus Kohlenhydraten wie Cellulose. Mehrjährige Pflanzen bilden Holz, das vor allem aus Lignocellulose, einer Verknüpfung von Lignin und Cellulose, besteht. Nach dem Absterben von Pflanzen werden leicht abbaubare Verbindungen wie Proteine, Fette und Mono- und Oligosaccharide meist schnell abgebaut. Schwer bis sehr schwer abbaubare Verbindungen wie Cellulose und Lignocellulose überdauern deutlich länger. Im Falle von Lignin ist dies auf den hohen Anteil an Benzol-Ringen in der chemischen Struktur zurückzuführen.[33]

Mengen

Mengen an Biomasse werden in der Regel aufgeführt in Tonnen an Trockenbiomasse.[34] Zunehmend werden sie stattdessen auch in Gramm oder in Gigatonnen (109 t) Kohlenstoff angegeben. Denn auf diese Weise wird abschätzbar, wie viel Kohlenstoff in Biomasse gespeichert vorliegt. Und es wird weiterhin abschätzbar, wie viel anorganischer Kohlenstoff (in Kohlendioxid und Hydrogencarbonat) jährlich der unbelebten Umwelt entnommen und von den Lebewesen in Biomasse neu eingebaut wird.

Mengen nach dem ökologischen Biomasse-Begriff

Die Menge der Biomasse der gesamten Ökosphäre bleibt schwer abzuschätzen. In der Literatur finden sich unterschiedliche und zum Teil sehr widersprüchliche Angaben. Uneinigkeit besteht vor allem in vier zentralen Punkten:

  • Die Menge an Biomasse, die global derzeit existiert.
  • Die Menge an Biomasse, die global jährlich neu produziert wird.
  • Die Anteile an Biomasse, die global jährlich einerseits von terrestrischen und andererseits von marinen Organismen produziert werden.
  • Der ökologische Biomasse-Begriff, der benutzt wird. Aus ihm ergibt sich nämlich, welche Stoffgemische überhaupt als Biomasse angesehen werden und in die Abschätzungen mit einfließen.

Verschiedene Naturwissenschaftler können für die gleichen Lebewesen-Gruppen mitunter sehr unterschiedliche Biomasse-Werte liefern. Diese Widersprüche entstehen dadurch, dass die verschiedenen Wissenschaftler nicht immer die gleichen ökologischen Biomasse-Begriffe benutzen. Beispielsweise fallen die Werte von Frischbiomasse viel höher aus als von Trockenbiomasse. Denn das enthaltene Wasser trägt umfangreich zum Gewicht bei, wird aber von einigen Autoren nicht zur Biomasse gerechnet, weil sie den Begriff Biomasse auf organische Stoffe beschränken. Genauso liegen die Biomasse-Werte niedriger, wenn nur die Biomasse in lebenden Organismen gesehen wird und die Riesenmenge toter Biomasse unberücksichtigt bleibt.

Der erste Schätzung der gesamten Biomasse der irdischen Ökosphäre erfolgte durch Wladimir Iwanowitsch Wernadski. Er gab ihre Masse mit 1020 bis 1021 g (Gramm) an.[35] Dabei sollte die globale Biozönose jährlich weit mehr als 1025 g neue Biomasse produzieren. Wobei allerdings der größte Teil sofort wieder abgebaut wird.[36] Zweiundsechzig Jahre später schätzte zum Beispiel der russische Meeresforscher Evgenii Aleksandrovich Romankevich die globale Biomasse auf 7,5 · 1017 g gebundenen Kohlenstoff. Er bemaß die jährlich neu gebildete Biomasse mit 1,2 · 1017 g.[37] Nach anderen Angaben soll die Gesamtmasse aller Lebewesen 1800 · 1015 g betragen, die der tierischen Lebewesen 3,5 · 1015 g und die des Menschen 0,4 · 1015 g.[38] Neben diesen drei Beispielen gibt es in der Literatur noch eine ganze Reihe weiterer Schätzwerte.[39]

Der weit überwiegende Teil der globalen Biomasse wird gebildet durch autotrophe Organismen, vor allem durch Cyanobakterien, Algen und Landpflanzen. Alle drei Gruppen betreiben eine bestimmte Form der Autotrophie, die Photohydroautotrophie genannt wird (→ Stoff- und Energiewechsel). Sie stellen eine lebende Biomasse von 740 · 1015 g gebundenen Kohlenstoff.[40] Dabei sollen mehr als 99 Prozent der gesamten photohydroautrotroph gebildeten Biomasse in Landpflanzen vorhanden sein,[41] mit einer Biomasse von 738 · 1015 g gebundenen Kohlenstoff.[42]

Es wird geschätzt, dass ungefähr die Hälfte der weltweiten jährlichen Primärproduktion von marinen Algen durchgeführt wird und dass dabei rund 50 · 1015 g Kohlenstoff gebunden werden.[43] Die Menge der marin erzeugten Biomasse könnte aber auch um mehr als das Zehnfache höher liegen.[44] Jährlich sollen global 45-50 · 1015 g Kohlenstoff des Kohlendioxids von Phytoplankton gebunden werden.[45] Wenn das Phytoplankton der Meere nicht derart viel Kohlendioxid zu Biomasse umwandeln würde, läge die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre vermutlich bei 565 ppm statt bei 365 ppm.[46] In den Weltmeeren sinkt das abgestorbene Phytoplankton auf den Meeresgrund. Es nimmt dabei etwa 15 % oder 8 · 1015 g des zuvor in Oberflächennähe assimilierten Kohlenstoffs mit in die Tiefe. Andere Wissenschaftler schätzen die Menge der jährlich marin gebildeten Biomasse auf ungefähr 530 · 1015 g, nehmen also einen mehr als zehnmal höheren Wert an. Von diesen 530 Gigatonnen sinken etwa drei Prozent oder 16 · 1015 g als Meeresschnee hinab in sonnenferne Meeresbereiche. In der lichtlosen Tiefe wird dieser Bestandsabfall zur Grundlage eigener Ökosysteme.[47] Aus abgestorbener Biomasse, die in der Tiefsee unter hohem Druck steht, kann nach vielen Jahrtausenden schließlich Erdöl oder Erdgas entstehen. Diese Produkte geologischer Umwandlung werden nicht mehr zur Biomasse gezählt.

Die oben erwähnten Zahlen befassen sich mit der Biomasse der gesamten Erde oder zumindest sehr großer Teilräume (Festland, Meer, Tiefsee). Es gibt jedoch auch sehr viele naturwissenschaftliche Publikationen, die sich mit der Biomasse kleinerer Ökosysteme oder einzelner Populationen beschäftigen.[48] Ihre Biomasse-Angaben geraten natürlich umso genauer, je einfacher die untersuchten Ökosysteme für Menschen erreichbar sind (Beispiel Wald). Biomasse-Umfang und Biomasse-Produktion von nur schwerlich untersuchbaren Ökosystemen und Biozönosen sind darum vergleichsweise schwieriger abzuschätzen (Beispiel Plankton[49]). Und bisher kaum abzuschätzen sind Biomasse-Umfang und Biomasse-Produktion rein mikrobieller und zudem schwer zugänglicher Ökosysteme. So soll tatsächlich ein erheblicher Anteil der gesamten irdischen Biomasse–bisher fast gänzlich unbemerkt–in den Zellen von Archaeen und Bakterien vorliegen, die tiefe Ozeansedimente bewohnen.[50]

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Biomasse für einzelne Ökosysteme und Populationen mit geringen Schwierigkeiten und einer gewissen Genauigkeit ermittelt werden kann. Größere Unsicherheiten entstehen, wenn die Biomasse der gesamten Ökosphäre angegeben werden soll. Die Hauptunsicherheiten bestehen hier in den wenig erforschten Räumen der Meere und vor allem in den noch kaum erkundeten, rein prokaryotischen Biozönosen. Andererseits gilt als sicher, dass der weit überwiegende Hauptanteil der lebenden Biomasse der Ökosphäre aus autotrophen Organismen besteht–und dass die Gesamtbiomasse der Ökosphäre mindestens mehrere zehner Gigatonnen Kohlenstoff umfasst.

Mengen nach dem energietechnischen Biomasse-Begriff

Abhängig von den Faktoren, die berücksichtigt werden, ergeben sich unterschiedliche Biomassepotentiale.
(siehe auch Artikel Biomassepotenzial)
(zum Potenzial von Bioenergie siehe auch Artikel Bioenergie)

Das Volumen der landwirtschaftlichen Abfälle wird auf 10 bis 14 km³ geschätzt.[51] Das sind jährlich durchschnittlich 42,5 t neuer Biomasse pro ha. In naturbelassenen Wäldern steht dieser Produktion ein Abbau von Biomasse (Totholz, Laub etc.) in ähnlicher Dimension gegenüber, so dass netto keine Zu- oder Abnahme erfolgt. Die jährlich allein in den Wäldern produzierte Biomasse enthält das 25-fache der Energie des jährlich geförderten Erdöls.[52]

Eine durchschnittliche 80-jährige Buche hat etwa eine Höhe von 25 Meter und besitzt eine Trockenmasse von 12 Tonnen Holz. In ihr sind etwa 6 Tonnen Kohlenstoff oder 22 Tonnen Kohlendioxid gebunden. Die Energiemenge des Holzes dieser Buche entspricht etwa 6000 Liter Heizöl. Eine lebende Buche erzeugt den Sauerstoffbedarf für 10 Menschen.

Aus technischen, ökonomischen, ökologische und anderen Gründen ist nur ein Teil der Biomasse für die Nutzung durch den Menschen erschließbar, so dass ihr potentieller Beitrag zur Energieversorgung begrenzt ist.

Die Energie der jährlich erzeugten pflanzlichen Nahrungsmittel für die Erdbevölkerung entspricht etwa 20 Exajoule. Reste der Nahrungsmittelproduktion (Reis, Weizen, Mais, Zuckerrohr), die für den menschlichen Organismus nicht verwertbar sind wie Stängel, Hülsen usw. mit einem theoretisch gewinnbaren Energieinhalt von ca. 65 Exajoule werden derzeit einfach verbrannt. Die verbrannte Biomasse aus Resten der Nahrungsmittelproduktion beträgt jährlich etwa 2 Gigatonnen. Mindestens 38 Exajoule wären energetisch jährlich nutzbar.[53]

Das theoretisch nutzbare Biomassepotenzial der Erde entspricht einem Energieinhalt von 2000–2900 Exajoule der Landmasse und etwa 1000 Exajoule in Gewässern und Meeren. Technisch könnte man jährlich ca. 1200 Exajoule nutzen.[53] Manche technisch möglichen Nutzungen haben jedoch bei ökonomischen Belangen Grenzen. Ökonomisch nutzbar nach Abwägung der Kosten wären nur ca. 800 Exajoule im Jahr. Der weltweite Verbrauch an Primärenergie (Erdöl, Erdgas, Kohle, Atomenergie, erneuerbarer Energie) betrug im Jahre 2004 etwa 463 Exajoule.[54]

Biomassenutzung

→ Hauptartikel: Bioenergie

Biomasse hat für Menschen eine wichtige Funktion als Lebensmittel und als Futtermittel in der Tierzucht, Rohstoff (Nachwachsender Rohstoff - abgekürzt Nawaro) und Energieträger (so genannte Bioenergien wie Brennholz, Biokraftstoff etc.). Der Mensch nutzt derzeit einen beträchtlichen Teil der weltweit verfügbaren Biomasse. Aber auch vom Menschen nicht genutzte Biomasse hat eine wichtige Funktion in Ökosystemen, beispielsweise als Nährstoff oder Lebensraum für verschiedene Lebewesen. Darüber hinaus sind große Mengen Kohlenstoff in Biomasse gespeichert, die beim Abbau der Biomasse als das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO2) freigesetzt werden. Biomasse spielt deshalb eine bedeutende Rolle für das Klima.

Vorteile

  • Die Nutzung von Nawaros kann der Schonung von Rohstoffressourcen, wie beispielsweise Erdöl, dienen. Bei regionaler Bereitstellung der Nawaros kann die politische und ökonomische Abhängigkeit zum Beispiel von Staaten mit großen Erdölvorkommen, sinken.
  • Erneuerbare Energien aus Nawaros ermöglichen eine CO2-neutrale bzw. eine CO2-ärmere Energieerzeugung. (siehe Artikel Bioenergie und Biokraftstoff)

Nachteile

  • Bei Ausweitung der Biomassenutzung auf bislang ungenutzte Naturflächen (zum Beispiel Rodung von Wäldern) können Ökosysteme zerstört und die Biodiversität gefährdet werden. Vor allem bei der Brandrodung werden außerdem große Mengen CO2 freigesetzt.
  • Die zunehmende energetische und stoffliche Nutzung kann zur Flächenkonkurrenz gegenüber der Nahrungsmittelproduktion führen. (siehe Artikel Flächenkonkurrenz, Bioenergie und Biokraftstoff)
  • Bei der landwirtschaftlichen Biomasseerzeugung werden Düngemittel (Stickstoff-, Phosphor-, Kalidünger und Weiteres) eingesetzt, was zu Treibhausgasemissionen (Distickstoffmonoxid aus Stickstoffdünger), Nitrat-Eintrag (NO3-) ins Grundwasser, Nährstoffeintrag in Oberflächengewässer (Eutrophierung) und weiteren Schädigungen führt. Durch Pestizideinsatz können Umwelt- und Gesundheitsschäden entstehen.
  • Durch die Ausweitung der Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen werden Wasserressourcen genutzt, die ökologisch wichtig sind oder andernorts die Trinkwasserversorgung sicherstellen.[55]
  • Die Verbrennung fester Biomasse (beispielsweise Holz) ist ohne zusätzliche Maßnahmen mit höheren Schadstoffemissionen (Kohlenmonoxid, Ruß, PAK) verbunden als bei Verbrennung von Öl oder Gas.[56]

Biomassenutzung in Deutschland

Der größte Teil der in Deutschland genutzten Biomasse dient der Erzeugung von Lebensmitteln und Futtermitteln, als Nawaro zur stofflichen Nutzung (Nutzholz, Stärke und dergleichen) oder der klassischen energetischen Verwendung in Form von Brennholz. Rechtliche Definitionen enthält die Biomasseverordnung (BiomasseV).[57]

Seit mehreren Jahren findet eine deutliche Zunahme der Biomassenutzung statt. Hauptgrund ist die zunehmende energetische Verwendung (Bioenergie). Durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) wird unter anderem der Einsatz von Biomasse zur Stromerzeugung gefördert, wie beispielsweise die Verbrennung von Holz in Biomasseheizwerken und Biomasseheizkraftwerken, oder die Vergärung von Gülle und Silage aus Energiepflanzen in Biogasanlagen und anschließende Verstromung des Biogases.

Biokraftstoffe werden durch reduzierte Steuersätze (Energiesteuergesetz) und Beimischungsquoten (Biokraftstoffquotengesetz) staatlich unterstützt, da sie fossile Rohstoffe schonen, das Klima weniger belasten und die Importabhängigkeit reduzieren.

Der nachhaltige Anbau, also die Beachtung ökologischer und sozialer Kriterien, wird durch die Biomassestrom-Nachhaltigkeitsverordnung (BioSt-NachV) sichergestellt: Hersteller von Bioenergie oder Biokraftstoffen müssen nachweisen, dass die Produkte umwelt-, klima- und naturschonend hergestellt wurden. Der Nachweis erfolgt im Rahmen einer Zertifizierung durch akkreditierte Zertifizierungsstellen wie zum Beispiel Bureau Veritas oder den Technischen Überwachungs-Verein. Damit werden ökologische Schäden, wie zum Beispiel die energetische Nutzung von Palmöl aus abgeholzten Regenwaldgebieten, vermieden.

Die Wärmeerzeugung aus Bioenergie wird durch das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) gefördert, vor allem die Nutzung von Biomasse für Pelletheizungen und Hackschnitzelheizungen.

Die Nutzung von Holz und Stroh zu Heizzwecken in Deutschland steigerte sich zwischen 1995 bis 2006 von 124 Petajoule auf 334 Petajoule. Die Herstellung von Biodiesel erhöhte sich von 2 Petajoule im Jahr 1995 auf 163 Petajoule im Jahr 2006. Die Biogasproduktion nahm von 14 Petajoule im Jahr 1995 auf 66 Petajoule im Jahr 2006 zu.[58] Zum Vergleich: Der gesamte Mineralölverbrauch in Deutschland betrug 5179 Petajoule im Jahr 2006. Bei der Stromerzeugung steigerte sich der Anteil aus Biomasse und biogenem Abfall von 670 GWh bzw. 1.350 GWh im Jahr 1995 auf 14.988 GWh bzw. 3.600 GWh im Jahr 2006. Die Stromerzeugung aus Biomasse entsprach im Jahr 2006 etwa der Stromerzeugung aus Wasserkraft.[58]

Siehe auch

Literatur

  • Nachhaltige Bioenergie: Stand und Ausblick–Zusammenfassender Endbericht zum Vorhaben "Entwicklung von Strategien und Nachhaltigkeitsstandards zur Zertifizierung von Biomasse für den internationalen Handel" von Öko-Institut/IFEU, i.A. des Umweltbundesamts. Darmstadt/Heidelberg 2010. (PDF-Datei; 343 kB)
  • Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU): Klimaschutz durch Biomasse. Sondergutachten. Erich Schmidt Verlag, Berlin 2007, ISBN 978-3-503-10602-8 (kostenloser download auf www.umweltrat.de als Volltext oder als Kurzfassung (10 Seiten): umweltrat.de

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ↑ V. Vernadsky: The Biosphere. New York 1998, ISBN 0-387-98268-X, S. 70.
  2. ↑ V. I. Vernadsky: La Géochimie. Paris 1924.
  3. ↑ V. I. Vernadsky: биосфера [Biosfera]. Leningrad 1926.
  4. ↑ R. Demoll: Betrachtungen über Produktionsberechnungen. In: Archiv für Hydrobiologie. 18 (1927), S. 462.
  5. ↑ V. G. Bogorvo: Seasonal Changes in Biomass of Calanus finmarchicus in the Plymouth Area in 1930. In: Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom (New Series). 19 (1934), S. 585 doi: 10.1017/S0025315400046658 (pdf)
  6. ↑ A. Christian, I. Mackensen-Friedrichs, C. Wendel, E. Westdorf-Bröring: Stoffwechselphysiologie. Braunschweig 2006, ISBN 3-507-10918-2.
  7. ↑ V. G. Bogorov: Seasonal Changes in Biomass of Calanus finmarchicus in the Plymouth Area in 1930. In: Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom (New Series). 19 (1934), S. 585–612 doi: 10.1017/S0025315400046658 (pdf)
  8. ↑ V. G. Bogorov: Seasonal Changes in Biomass of Calanus finmarchicus in the Plymouth Area in 1930. In: Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom (New Series). 19 (1934), S. 589. doi: 10.1017/S0025315400046658 (pdf)
  9. ↑ N. A. Campbell, J. B. Reece: Biologie. München 2006, ISBN 3-8273-7180-5, S. 1414, 1500.
  10. ↑ V. G. Bogorov: Seasonal Changes in Biomass of Calanus finmarchicus in the Plymouth Area in 1930. In: Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom (New Series). 19 (1934), S. 589. doi: 10.1017/S0025315400046658 (pdf)
  11. ↑ F. W. Stöcker, G. Dietrich (Hrsg.): Brockhaus abc Biologie. Leipzig, 1986, ISBN 3-325-00073-8, S. 105.
  12. ↑ N. A. CampbellJ. B. Reece: Biologie. München 2006, ISBN 978-3-8273-7180-5, S. 1414, 1500.
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