Hirse

Pflanzenzüchtung für Bioenergie: Mehr Effizienz, weniger Flächen, mehr Vielfalt

Eigentlich eine bestechende Idee: Pflanzen ersetzen die fossilen Energieträger Kohle, Gas und Erdöl, und es wird nur noch Kohlendioxid freigesetzt, das zuvor in der Vegetationsperiode gebunden wurde. Doch inzwischen ist die Euphorie verflogen: Hier die Klage über die „Vermaisung“ der Landschaft, dort die Konkurrenz zum Anbau von Nahrungspflanzen. Und auch die Klimabilanz der Bioenergie erscheint nicht mehr so gut wie anfangs gedacht. Können Pflanzenforschung und -züchtung dazu beitragen, Wirkungsgrade und Ökobilanzen zu verbessern? Jenseits von Mais und Raps gibt es verschiedene Ansätze.

Mais

Energiemais (rechts) produziert mehr Biomasse als Körnermais (links). Um das zu erreichen, wurden „Kurztagsgene“ aus südamerikanischen Maissorten konventionell eingekreuzt. Sie sorgen dafür, dass die Pflanzen erst im Herbst blühen. Bis dahin bilden sie Biomasse - deutlich mehr als Sorten, die schon im Sommer blühen.

Foto: KWS

Zuckerrohr

Bioethanol aus Zuckerrohr deckt in Brasilien einen großen Teil des Treibstoffbedarfs. Staatliche Forschungseinrichtungen und internationale Unternehmen arbeiten gemeinsam daran, den Zuckergehalt von Zuckerrohr um 30 bis 40 Prozent zu steigern, unter anderem mit Hilfe der Gentechnik.

Foto: Embrapa

Eukalyptus, Kätetoleranz

Das in verholzten Pflanzenteilen enthaltene Lignin kann nicht zu Bioethanol oder Biogas umgewandelt werden. In den USA haben Wissenschaftler die Modellpflanze Arabidopsis gentechnisch so verändert, dass ihre Zellwände deutlich weniger Lignin und statt dessen mehr Stärke enthalten, ohne dass die Standfestigkeit der Pflanzen beeinträchtigt wird. Sollte das bei Mais, Getreide oder Gehölzen gelingen, wäre eine erheblich effizientere Bioenergiegewinnung möglich.

Foto: ArborGen

Hirse

Um Hirse als Energiepflanzen nutzen zu können, muss sie züchterisch an mitteleuropäische Klimaverhältnisse angepasst werden.

Foto: Anbauversuche mit verschiedenen Hirsearten am TFZ Straubing (Bayern).

Miscanthus sinensis

Miscanthus (Chinaschilf), ein Süßgras, liefert als mehrjährige C4-Pflanzen viel Biomasse. In den USA sind neue Sorten entwickelt worden, die auch auf versalzten Böden und bei Trockenheit hohe Erträge liefern.

Foto: Wikimedia, Myia.m; CC BY-SA 3.0

Durchwachsene Silphie

Durchwachsene Silphie, eigentlich eine ideale Bioenergiepflanze. Sie blüht und ist attraktiv für Bienen, ist mehrjährig und stellt wenig Ansprüche an Klima und Boden. Bisher ist sie kaum gezüchtet worden und dewegen derzeit noch wenig für einen landwirtschaftlich Anbau geeignet.

Seit Anfang des 20. Jahrhunderts basieren Wirtschaft und der Alltag in den Industrie- und Schwellenländern auf der Nutzung fossiler Energieträger: Erdöl, Kohle und Erdgas. Es gilt als erwiesen, dass das bei ihrer Verbrennung freigesetzte Kohlendioxid eine wichtige Ursache ist für den Treibhauseffekt und damit für den Klimawandel. Seit rund zwanzig Jahren wird die Nutzung erneuerbarer Energien vorangetrieben: Sonnen- und Windenergie, Wasserkraft, Erdwärme und Energie aus Biomasse.

Unter den „Erneuerbaren“ sind nur die Energieträger aus Biomasse speicherbar und damit grundlastfähig: Wie Brennholz können auch Biogas und Biotreibstoffe gelagert werden und stehen - anders als Wind- und Sonnenenergie - dann zur Verfügung, wenn Bedarf besteht. Zu der energetisch nutzbaren Biomasse zählen verschiedene organische Abfälle, die größte Bedeutung hat aber pflanzliches Material.

Weltweit werden in zunehmendem Maße Nutzpflanzen angebaut, die eigens für die Energiegewinnung bestimmt sind. In Deutschland wurden solche Pflanzen 2015 auf 13 Prozent der landwirtschaftlich genutzten Flächen angebaut, davon fast 90 Prozent Raps zur Erzeugung von Biodiesel und Mais für die Biogasproduktion. Inzwischen mehren sich die Klagen über eine „Vermaisung“ der Landwirtschaft. In Entwicklungs- und Schwellenländern werden Lebensmittelknappheit und steigende Lebensmittelpreise mit der Flächenkonkurrenz zwischen Energie- und Nahrungspflanzen in Verbindung gebracht.

Züchtungsziele bei Energiepflanzen

Pflanzenforscher und –züchter arbeiten an Energiepflanzen, die eine möglichst hohe Energieausbeute, einen möglichst geringen Flächen- und Ressourcenverbrauch und eine größere Agrobiodiversität ermöglichen sollen. Je nach Pflanze und Nutzungsart können die Züchter auf verschiedenen Wegen dazu beitragen, diese Ziele zu erreichen. Von konventioneller Züchtung über Hybridzüchtung und Smart Breeding (markergestützte Selektion) bis hin zur Gentechnik kommen verschiedene Züchtungsmethoden zum Einsatz, inzwischen auch die neuen präzisen Genome Editing-Verfahren.

Vielfältige Landwirtschaft. Um einem Anbau in Monokulturen mit negativen Folgen für die Biodiversität vorzubeugen, arbeiten Züchter daran, andere Pflanzenarten als Raps und Mais besser für die Bioenergiegewinnung nutzbar zu machen, z.B. Roggen, Zuckerrüben, Hirse und Sonnenblumen. So sollen verschiedene Fruchtfolgen und Mischkulturen ermöglicht werden.

Sogar blühende, mehrjährige Pflanzenarten wie die Durchwachsene Silphie oder die Sidamalve könnten in Biogasanlagen verwertet werden. Doch ohne züchterische Verbesserungen rechnet sich ein landwirtschaftlicher Anbau derzeit nicht. Nicht nur bei den Energieerträgen liegen sie bisher hinter den etablierten Kulturarten zurück, sondern sie müssen auch noch besser an die hiesigen klimatischen und landwirtschaftlichen Bedingungen angepasst werden.

Mehr Biomasse. Pflanzen, die als Ganzes für die Energieerzeugung eingesetzt werden, wie es etwa bei der Vergärung in Biogasanlagen der Fall ist, müssen möglichst viel Gesamttrockenmasse produzieren. Hier ist die Biomasseleistung ein wichtiges Züchtungsziel.

Nutzung von Pflanzenarten mit hoher Biomasseleistung. Einige Pflanzenarten wie Mais, Zuckerrohr, Hirse oder Chinaschilf (Miscanthus) können aufgrund einer besonderen Variante der Fotosynthese (C4-Pflanzen) Sonnenlicht, Wasser und Stickstoff wesentlich effektiver verwerten und deutlich mehr Biomasse bilden als Pflanzen mit „gewöhnlicher“ Fotosynthese. Die meisten dieser C4-Pflanzen stammen aus tropischen Regionen. Um ihre Fähigkeiten in Mitteleuropa nutzen zu können, müssen sie mit züchterischen Mitteln an die klimatischen Bedingungen gemäßigter Breiten angepasst werden.

Interessant wäre es auch, solche Pflanzenarten für die Bioenergiezwecke nutzen zu können, die viel Biomasse liefern, nur geringe Ansprüche an ihre Standort stellen und daher ohne Flächenkonkurrenz zu Nahrungspflanzen kultiviert werden können. Ein Ansatz ist, etwa bei Pappeln den genetischen Hintergrund für die Biomassebildung zu erforschen und dieses Wissen zu nutzen, um züchterisch - auch mit Genome Editing-Verfahren wie CRISPR/Cas - zu schnellwachsenden Pappeln zu kommen und zudem die stoffliche Zusammensetzung der Biomasse zu verbessern, etwa den Ligningehalt zu senken. In Deutschland, Schweden und in mehreren anderen Ländern laufen dazu zahlreiche Forschungsprojekte.

Ein anderer Ansatz zielt darauf, Pflanzen mit hoher Biomasseleistung an anspruchslose Standorte anzupassen. So hat ein junges Biotechnologie-Unternehmen in den USA (Ceres) Miscanthus (Chinaschilf), eine mehrjährige, immergrüne C4-Pflanze, gentechnisch so verändert, dass sie auch auf salzhaltigen Böden wächst und weniger Wasser benötigt.

Optimierung von Inhaltsstoffen. Ein anderer Ansatzpunkt ist eine Veränderung der Inhaltsstoffe, z.B. eine Steigerung des Zuckergehalts oder eine Senkung des Ligningehalts. Zucker kann besonders gut zu Bioethanol oder Biogas umgesetzt werden, Lignin dagegen setzt den Methangehalt von Biogas herab und verhindert, dass für die Produktion von Bioethanol ganze Pflanzen genutzt werden können.

Es wird auch versucht, etwa bei Hirse und Zuckerrohr, die Pflanzen so zu verändern, dass sie statt Zucker (Cellulose) Öl bilden und zum Beispiel in den Blättern speichern. Öl hat eine höhere Energiedichte als Kohlenhydrate. Die Biomasse könnte dann sowohl Öl für Biodiesel als auch Cellulose für Ethanol liefern.

Neben der züchterischen Bearbeitung von Energiepflanzen sind noch andere Ansätze notwendig, etwa die Optimierung der Anbautechniken und der Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomasse. Pflanzenzüchtung ist ein Beitrag unter mehreren, um Wirkungsgrade und Ökobilanzen von Energiepflanzen zu verbessern.