Flächennutzungseffizienz von Energiepflanzen

15.11.2024

Die Energiewende benötigt nicht nur Windkraftanlagen, Solarmodule und Stromnetze, sondern auch Flächen, auf denen diese Technologien betrieben werden können. So verpflichtet etwa das Windenergieflächenbedarfsgesetz die Bundesländer, bis 2032 zwischen 0,5 und 2,2 % der Landesfläche für Windkraft zur Verfügung zu stellen. Was auf den ersten Blick wenig scheint, bietet hohes Konfliktpotenzial in Zeiten hoher Pachtpreise für Landwirtschaftsflächen, steigenden Flächendrucks durch Siedlungs- und Verkehrsflächen aber auch zunehmender Nutzungseinschränkungen für Zwecke des Natur- und Umweltschutzes.

Vor diesem Hintergrund sieht sich der Anbau von Energiepflanzen wie Mais oder Raps anhaltender Kritik ausgesetzt. Obwohl vermehrt Rest- und Abfallstoffe zur Erzeugung von Biokraftstoffen und auch von Biomassestrom zum Einsatz kommen, spielen Energiepflanzen weiterhin eine dominante Rolle im Bioenergiesektor [1,2]. Diese Pflanzen stehen dabei im Ruf, besonders flächenineffizient zu sein, also viel Fläche pro produzierter Energieeinheit zu benötigen. Immer wieder heben Studien hervor, dass sich mit Photovoltaikanlagen oder Windkraft ein Vielfaches an Strom pro Hektar erzeugen ließe.

Physikalisch ist diese Argumentation richtig. Sie blendet jedoch wichtige technologische, ökonomische und politische Aspekte der Energiewende aus. Dabei werden mögliche Vorteile der Bioenergie übersehen und potenzielle Nachteile verzerrt dargestellt. Im Folgenden werden fünf Kriterien aus den genannten Dimensionen aufgezeigt, die Bestandteil eines belastbaren Vergleichs von Energiepflanzen mit anderen erneuerbaren Energieoptionen sein sollten:

• Technologische Einsatzflexibilität: Energiepflanzen bieten den Vorteil, dass sie zusätzlich zu Strom auch zur Produktion von Kraftstoffen oder anderen Brennstoffen verwendet werden können. Biokraftstoffe können für nahezu alle Energiebedarfe eingesetzt werden, auch in schwer zu elektrifizierenden Bereichen wie der Luft- und Seeschifffahrt. Eine direkte Nutzung von Strom stößt hier an technische Grenzen, weil etwa Langstreckenflugzeuge nach aktuellem Stand der Technik so große und schwere Batterien benötigen würden, dass sie kaum mehr Fracht oder Passagiere transportieren könnten. Durch eine Umwandlung von Strom in Flüssigkraftstoffe (PtX) könnte dieser zwar auch für den Flug- und Schiffverkehr nutzbar gemacht werden, dieser Schritt ist allerdings mit hohen Effizienzverlusten verbunden. In der Folge benötigen strombasierte Lösungen in diesen Einsatzbereichen deutlich mehr Fläche als bei einer direkten Nutzung von Strom. Ein belastbarer Vergleich der Flächennutzungseffizienz von PV-Strom und Bioenergie müsste daher zumindest im Hinblick auf Biokraftstoffe mit dem Flächenbedarf von strombasierten Kraftstoffen erfolgen.
   
• Zeitliche Einsatzflexibilität: Energiepflanzen erleichtern nicht nur die Energiebereitstellung in unterschiedlichen Einsatzfeldern, sondern auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Dieser Mehrwert wird besonders in sogenannten Dunkelflauten sichtbar, wenn weder die Sonne scheint, noch der Wind weht. Das sinkende Angebot an erneuerbarem Strom führt dann tendenziell zu steigenden Preisen. Diese Preissteigerungen zeigen, dass nicht jede produzierte Kilowattstunde gleichwertig ist, sondern, je nachdem wann sie bereitgestellt wird, einen geringeren oder höheren Wert haben kann. Biogasanlagen können in Zeiten von starker Stromknappheit ihre Produktion erhöhen, wobei der erzeugte Strom dann höherwertig ist als jener aus Wind- oder Solaranlagen. Spiegelbildlich dazu können sie mehr Strom bei Bedarfsspitzen produzieren, also wenn besonders viel Strom nachgefragt wird. In beiden Fällen können sie dazu beitragen, starke Preisanstiege abzufedern und die Energiewende günstiger zu machen. Auch aus diesem Grund greift eine Gleichsetzung von Wind- bzw. Solarstrom mit Strom aus Biomasse zu kurz. Ein angemessener Vergleich zwischen diesen Energieoptionen setzt daher voraus, Wind- und Solarstrom mit Stromspeichern zu kombinieren, um eine vergleichbare zeitliche Flexibilität des Stromangebots zu gewährleisten. Die dabei anfallenden Mehrkosten müssen in den Vergleich mit einbezogen werden.
   
• Kosten für Netzinfrastruktur und -stabilität: Ein Vergleich von PV-Strom mit Biogasanlagen sollte auch Kosten für die Stromnetzinfrastruktur einschließen. Diese muss weiter aus- bzw. umgebaut werden, wenn mittels PV die Stromerzeugung auf den heutigen Flächen für Energiepflanzen vervielfacht wird. Selbst wenn man nicht mehr, sondern genau so viel PV-Strom pro Hektar erzeugen würde, wie heute aus Biomasse bereitgestellt wird, dürften zusätzliche Netzkapazitäten erforderlich werden. Schließlich ermöglicht eine flexible Verstromung von Biomasse, im Gegensatz zur Stromerzeugung durch PV, die Ausnutzung brachliegender Kapazitäten von Stromnetzen in Zeiten, in denen PV- und Windkraftanlagen wenig Strom einspeisen. Zusätzlich zu steigenden Stromtransportkosten bei einem weiteren Zubau volatiler erneuerbarer Energien können auch die Kosten für Maßnahmen zur Sicherung der Stabilität von Stromnetzen steigen, etwa zur Bereitstellung von Regelleistung. Dass Biomassestrom Kostenvorteile in Form geringerer Netzausbau- und Regelleistungsbedarfe ermöglicht, setzt allerdings voraus, dass Biogasanlagen tatsächlich bedarfsgerecht (flexibel) Strom erzeugen, was gegenwärtig nur teilweise der Fall ist. Auch dies erschwert einen Kostenvergleich zwischen beiden Optionen. In jedem Fall kann ein rein auf Flächen bezogener Vergleich zwischen Biomassestrom und anderen erneuerbaren Stromerzeugern zu deutlich steigenden Kosten für die Energiewende führen, wenn Infrastrukturkosten ausgeblendet werden. Soll ein kostenoptimales Portfolio an erneuerbaren Energieoptionen zusammengestellt werden, müssen daher die sogenannten systemischen Stromgestehungskosten, die derartige Zusatzkosten berücksichtigen, verwendet werden (System LCOE, siehe z. B. [3]), anstelle reiner Stromgestehungskosten (LCOE).
   
• Ernährungssicherheit: Insbesondere Biokraftstoffe aus agrarischer Anbaubiomasse wie Mais und Raps stehen in der Kritik, verfügbare Flächen für die Erzeugung von Nahrungs- und Futtermitteln zu verringern. Tatsächlich legen die hohen Energieerträge von Photovoltaik pro Hektar zunächst nahe, dass diese Energieoption eher als Bioenergie in der Lage ist, die Auswirkungen der Energiewende auf die Ernährungssicherheit zu minimieren. Dabei wird oftmals übersehen, dass zumindest beim Anbau von Energiepflanzen für die Produktion von Kraftstoffen dieser in der Regel mit der Erzeugung von Futtermitteln einhergeht bzw. Pflanzenöl als Nebenprodukt der Futtermittelindustrie anfällt. Flächen mit Energiepflanzen sind somit nicht gänzlich für den Ernährungssektor „verloren“. Vielmehr liegt eine Koppelnutzung für Energie- und Futtermittelzwecke vor. Werden Energiepflanzen durch PV-Anlagen ersetzt, müssen somit zumindest teilweise andere Flächen für den Anbau von Futtermitteln genutzt werden. Im ungünstigsten Fall führt dies gegenüber dem Status quo zu steigenden Futtermittelimporten aus Regionen mit geringen Umwelt- und Sozialstandards. Selbst wenn dies nicht der Fall ist und sich die Flächenintensität der Energiewende mit PV-Modulen insgesamt verringern lässt, dürfte der Vorteil für die Ernährungssicherheit aufgrund der Co-Produktion von Futtermitteln geringer ausfallen als das reine Verhältnis der Energieerträge beider Energieoptionen suggeriert. Zu berücksichtigen ist auch, dass bei einer Umnutzung von Flächen mögliche positive Effekte von Energiepflanzen auf die Ernährungssicherheit entfallen. Dazu zählen etwa die Stabilisierung von Agrarpreisen, zusätzliche Anreize für Agrarinvestitionen oder die Möglichkeit, Flächen in Krisenzeiten kurzfristig für die Nahrungsmittelerzeugung umzuwidmen [4] (siehe nächster Punkt).
   
• Flexible Flächennutzung: Anders als oftmals dargestellt gibt es keine spezifischen „Bioenergieflächen“. Vielmehr entscheiden Landwirt:innen je nach Marktsituation, ob, wann und welche Flächen sie zum Anbau von Energiepflanzen oder anderen Kulturen verwenden. Auch wird teilweise erst zum Zeitpunkt der Ernte entschieden, ob die Feldfrüchte zur Energiegewinnung genutzt oder auf andere Märkte verkauft werden. Energiepflanzen sind Teil einer solchen flexiblen Nutzung von Landflächen und Agrarrohstoffen. Die Errichtung von PV-Modulen auf bislang für Energiepflanzen genutztem Ackerland kann hingegen zum Verlust dieser Flexibilität führen. Die Errichtung von PV-Modulen bedeutet eine langfristige Investition, die eine alternative Nutzung der Flächen für viele Jahre ausschließt. Aufgrund der damit verbundenen Konkurrenz zu ernährungspolitischen Zielen sieht das EEG vor, dass reine PV-Anlagen nur auf bereits versiegelten oder anderweitig landwirtschaftlich nicht genutzten Flächen förderfähig sind. Die bisweilen anzutreffende Idee, „Bioenergieflächen“ könnten in Solarparks umgewandelt werden, würde nicht nur zum Verlust der Anpassungsfähigkeit der Landwirtschaft an sich verändernde Rahmenbedingungen führen, sondern stößt auch auf politische Barrieren. Denkbar ist allerdings, Energiepflanzen durch PV-Module auf anderen, bereits versiegelten Flächen zu ersetzen. Im Zuge des starken Ausbaus der Photovoltaik in Deutschland und der steigenden Flächennutzungsansprüche durch Siedlungen und Verkehr kann es allerdings zunehmend herausfordernd werden, geeignete Flächen für einen zusätzlichen Ausbau über das aktuell geplante Niveau hinaus zu finden.

Die Diskussion um die Flächennutzungskonkurrenz zwischen Bioenergie und Photovoltaik (PV) hat kürzlich durch eine Studie der Universität Hannover [5] einen neuen Impuls erhalten. Hierbei wurden erneut die höheren Energieerträge von PV hervorgehoben. Im Vergleich zu früheren Studien stellt die Untersuchung einen wichtigen Fortschritt dar, da Teile der Systemkosten von PV berücksichtigt wurden (siehe oben). So wurden insbesondere Kosten für Speicher berücksichtigt, die erforderlich werden, um PV-Strom ebenso flexibel (bedarfsgerecht) einsetzen zu können wie Biomassestrom. Auch unter diesen Annahmen erwies sich PV als deutlich vorteilhaftere (kosteneffizientere) Energieoption: Demnach wären lediglich ein Siebtel der heute in Deutschland für Energiepflanzen verwendeten Ackerflächen ausreichend, um den gleichen – flexibel einsetzbaren – Energieertrag mittels PV‑Anlagen zu erhalten.

Trotz des erheblich verbesserten Studiendesigns ist es schwierig, dies als klaren Beleg für die Vorteilhaftigkeit von PV gegenüber Energiepflanzen zu werten. So berücksichtigt die Untersuchung zwar Energiesystemkosten in Form von Speichern, nicht aber die zusätzlichen Kosten für den Ausbau der Netzinfrastruktur, der bei der dargestellten umfangreichen Ausweitung der PV notwendig wäre. Die BMWK-Langfristszenarien, in denen Systemkosten volatiler erneuerbarer Energien umfassender abgebildet sind, weisen bislang keine Kostenvorteile von Szenarien mit einem besonders starken Ausbau der Photovoltaik aus [6].

In Energiesystemmodellierungen dieser Art lassen sich zudem die oben genannten potenziellen Vorteile von Bioenergie hinsichtlich Ernährungssicherheit und flexibler Nutzung von Landflächen kaum abbilden. Die Energiewende sollte aber nicht nur in Bezug auf Kosten optimiert werden, sondern auch ökologische und soziale Synergien ermöglichen, auch, um ihre Akzeptanz zu sichern. Weiterhin sollte hinterfragt werden, ob eine Diskussion um die Konkurrenz von Photovoltaik mit Energiepflanzen zielführend ist, wenn eine Kombination beider Technologien in Form von Agri-PV möglich ist und vielversprechende Potenziale bereithält [7]. In welchem Umfang bzw. in welcher Form der Anbau von Energiepflanzen sinnvoll ist, bedarf somit weiterer Diskussion unter systematischer Berücksichtigung der oben aufgezeigten Effekte.

Quellen

[1] Schröder, J. et al. (2023): Monitoring erneuerbarer Energien im Verkehr, DBFZ-Report 44, https://www.dbfz.de/pressemediathek/publikationsreihen-des-dbfz/dbfz-reports/dbfz-report-nr-44.

[2] FNR (2024): Anbau und Verwendung nachwachsender Rohstoffe in Deutschland, Statistik Stand 2024, https://www.fnr.de/fileadmin/Statistik/Statistikbericht_der_FNR_2024_web.pdf.

[3] Hirth, L. et al. (2016): Why wind is not coal: on the economics of electricity generation, in: Energy Journal 37-3, https://doi.org/10.5547/01956574.37.3.lhir.

[4] Bureau, J.-C.; Swinnen, J. F. M. (2018): EU policies and global food security, Global Food Security 16, 106-115, https://doi.org/10.1016/j.gfs.2017.12.001.

[5] Schlemminger, M. et al. (2024): Land competition and its impact on decarbonized energy systems: A case study for Germany, Energy Strategy Reviews 55, 101502, https://doi.org/10.1016/j.esr.2024.101502.

[6] https://langfristszenarien.de/enertile-explorer-de/index.php.

[7] Walston, L. J. et al. (2022): Opportunities for agrivoltaic systems to achieve synergistic food-energy-environmental needs and address sustainability goals, Front. Sustain. Food Syst. 6, https://doi.org/10.3389/fsufs.2022.932018.