TCR Pyrolyse

Pflanzenkohle – Herstellung und Nutzung

Sogenannte Pflanzenkohle wirkt bodenverbessernd (siehe 2). Ihre Gewinnung erfolgt aus Biomasse unter Hitze und Druck, bei Ausschluss von Sauerstoff (siehe 3), in einem Pyrolyseverfahren.

Je nach Ausgangsmaterial, Pyrolyseprozess (Produktionstemperatur, -geschwindigkeit) und der Aufbereitung der Pyrolysesubstrate vor dem Einbringen in den Boden, variieren die Pflanzenkohleeigenschaften. So wird z.B. die Bindung von Kohlenstoff in der Pflanzenkohle durch den Grad der Kondensierung aromatischer Bestandteile, also der Einbindung von (Produktionstemperatur) bestimmt. Ebenso wird im Pyrolyseprozess die spezifische Oberfläche, die Porengröße- und Verteilung und damit die Wasserhaltekapazität der Pflanzenkohle beeinflusst, oder der pH-Wert und damit auch die durch die "Biokohle" für Pflanzen mit verfügbar gemachten Nährstoffe.

Der Grad der Kondensierung (abhängig von der Produktionstemperatur) bestimmt z.B. die Gehalte an Kohlenstoff (der der Atmosphäre dauerhaft entzogen wird), Nährstoffen, die Wasserhaltekapazität, die spezifische Oberfläche, Porosität und den pH-Wert der Pflanzenkohle.

Der Einsatz von Pflanzenkohle zur Bodenverbesserung

Es werden verschiedene Effekte der Bodenverbesserung beobachtet. Der Nutzwert kann gewichtet werden, z.B.: auf die Optimierung von Wasserrückhalt nach Starkregenereignissen (Wasserretention), der Speicherfähigkeit von Nährstoffen, der Bodenbindung von Treibhausgasen und Schadstoffen, dem optimierten Pflanzenaufwuchs und erhöhter Mikroorganismen- und Humusbildung. Wenn die bodenverbessernden Wirkungen nicht im Vordergrund stehen, kann die TCR Pyrolyse auf die energetische Nutzung von Biomasse optimiert werden (z.B. Fokus auf einen hohen Ertrag an Pyrolysegas für die energetische Nutzung)

Die Aspekte der Bodenverbesserung durch Pflanzenkohle im Überblick:

• die Steigerung der Wasseraufnahme und- Speicherfähigkeit trockener und sandiger Böden
• die Steigerung des Porenvolumens und damit die verbesserte Bodengare fester Böden
• die CO2 Entnahme aus der Atmosphäre zur Bodenverbringung (Bodenverweildauer in Abhängigkeit vom Pyrolyseprozess)
• Förderung der Humusbildung und damit gleichzeitig die gesteigerte Bindung von Lachgas
• Erhöhung der Pflanzenverfügbarkeit von Phosphor und mineralischem Stickstoff im Boden
• Minderung von Nährstoffauswaschung und Nitratbelastung im Grundwasser
• Vitalisierung des Edaphon (Bodenlebewesen)
• Ertragsstabilisierung bei Kulturpflanzenanbau
• Stimulation des Wurzelwachstums
• Minderung der Verfügbarkeit von Schwermetallen im Boden

Abb. 01: Technikumsanlage für das Thermokatalytische Reforming (TCR). Durch geführte Pyrolyseprozesse können die Pyrolysesubstrate gezielt auf gewünschte Anforderung, wie z.B. die Bodenart, optimiert werden.

Abb 1a: Schema des Thermokatalytischen Reforming (TCR)

Im Folgenden werden relevante Aspekte von Pflanzenkohle im Detail erläutert.

Bodenverweildauer von Pflanzenkohle und akkumuliertem Kohlenstoff

In Feldversuchen wurde bestätigt, dass der Abbau der Pflanzenkohle im Boden über den Zeitverlauf abnimmt. Generell steuert der C- Anteil in den Pflanzenkohlen die Verweildauer, speziell das molare verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff (O:C Verhältnis) hat sich in wissenschaftlichen Studien als ein robuster Indikator für die Einschätzung der Bodenverweildauer herausgestellt. Lässt sich ein molares O:C Verhältnis < 0,2 feststellen, handelt es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um eine Pflanzenkohle mit einer Bodenverweildauer (Halbwertszeit) über 1000 Jahre (siehe Tab. 1). Solche geringen O:C Verhältnisse und auch reduzierte Anteile an Flüchtigen Stoffen, bzw. Volatile Organic Compounds (VOC) lassen sich bei höheren Pyrolysetemperaturen erreichen. Jedoch kann die Pyrolysetemperatur allein nicht als Indikator gelten, weitere Prozessparameter wie die Kühlung, die Heizrate (Gleichmäßigkeit der Erhitzung), Verweildauern und Lagerung (Lagerzeit) der Biokohle beeinflussen ebenfalls die Gehalten an flüchtigen Bestandteilen und das O:C Verhältnis im Pyrolysesubstrat. Um eine Einschätzung zur Bodenverweildauer von Pyrolysesubstraten zu treffen sind neben den geeigneten Pyrolyseparametern auch Analysemethoden zur Ermittlung der Gehalte an flüchtigen Stoffen und dem O:C Verhältnis erforderlich, um Einschätzungen zur Bodenverweildauer geben zu können.

Abgebaut wird die Pflanzenkohle meist durch heterotrophe Organismen wie Pilze, aber auch Bodentemperatur und -feuchtigkeit beeinflussen die Verweildauer der Pflanzenkohle im Boden. Zusätzlich können höhere Umgebungstemperaturen, oft wechselnde Wasserhaushalte (gesättigte und ungesättigte Phasen) und gefrorenes Wasser zum schnelleren Abbau beitragen. Auch vor dem Hintergrund des mikrobiologischen Abbau der Pflanzenkohle gilt als Orientierung: je höher die Produktionstemperatur, desto stabiler ist die Kohle gegenüber dem mikrobiellen Abbau.

Schadstoffe wie Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe - PAK können sich durch reguläre Pflanzenkohle nicht im Boden anreichern, da die Pflanzenkohle Sicherheitsqualitäten erfüllen muss (siehe 4.2.1) um in die Düngemittelliste aufgenommen zu werden.

Tab 1: Diagram O:C ratio over predicted time.

Aktivierung der Kohle

Die Pflanzenkkohle sollte vor dem Einbringen in den Boden aktiviert/aufgeladen werden, da sonst die Gefahr des Nährstoffentzuges im Boden besteht.

Wird Pflanzenkohle während der Kompostierung beigegeben kann diese mit reichlich vielen Nährstoffen aufgeladen werden. Besteht dabei ein Verhältnis der Biokohle zum Kompost von 1:10 kann zusätzlich eine Zunahme von Microorganismen hervorgerufen und Emissionen bei der Kompostierung verringert werden. Zudem besteht die Möglichkeit der Zugabe der Pflanzenkohle (Aktivkohle) zum Mineraldünger, zur Gülle oder Biogasgärresten, so dass die Nährstoffe in der Pflanzenkohle Wurzelverfügbar gespeichert werden und die Pflanzen die Nähstoffe sukzessive aufnehmen (siehe Abb. 2).

Eine Vorbehandlung der Kohle (z.B. mahlen) ist ebenfalls vor dem Einbringen in den Boden zu empfehlen.

Abb 2: Aktivierung der Pflanzenkohle durch Beladung mit Nährstoffen aus Gärresten. Die Mischung wurde 14 Tage in Ruhe gehalten und dann in den Boden verbracht.

Ertragssteigerung

Die Nährstoffverfügbarkeit an der Pflanzenwurzel wird gesteigert (hohe Kationenaustauschkapazität - KAK), kombiniert mit einer höheren Verfügbarkeit von Wasser und den darin enthaltenen Nährstoffen (spezifische Oberfläche von 300 m² pro Gramm erzeugt hohe Adsorptionskapazität - AK).

Tab 02: Agronomische Parameter von Pflanzenkohle

Abb 3: Die mit Gärrest aktivierte Pflanzenkohle und Gärrest ohne Pflanzenkohle nach der Ausbringung, am 23.09.2021

Abb 4: Vergleich der Testflächen (mit Gärrest aktivierte Pflanzenkohle und Gärrest) am 10.11.2021

• Abb. 03: Die Bodenverfügbarkeit von Phosphor bei Einsatz von BioKohle aus verschiedenen Biomasse - feedstocks.

Die Humusbildung wird durch diverse positive Einflüsse auf das Bodensubstrat gesteigert und wirkt langfristig positiv auf die Bodenqualität.

• Abb. 04: Die Biomassebilanz im Pflanzenaufwuchs ist in Abhängigkeit der Varietät positiv, aber auch negativ.

• Abb. 05: Durchweg positiven Biomassezuwachs zeigt die Nutzung im Forst.

Wasserretention

Porosität des Substrates steigert den Wasserrückhalt direkt in der Aktivkohle, die hohe Adsorptionskapazität (AK) stellt gleichzeitig im Wasser enthaltene Nährstoffe wurzelnah zur Verfügung.

Das Edaphon wird belebt und steigert die Funktion des Wasserrückhaltes weiter.

Agrarische und urbane Nutzung

• Welche Pyrolyseparameter und Nähstoffkombinationen passen zu welcher Bodenart?

• Welche Substratmengen sind je Nutzfläche erforderlich?

Abhängig von der jeweiligen angebauten Kultur werden zwischen 10 und 120 t Biokohle pro Hektar in den Boden eingebracht.

Eignung der Böden

Hinsichtlich der Speicherfähigkeit für Wasser und Nährstoffe eigen sich eher sandige Böden zum Einsatz für Pflanzenkohle, da sandige Böden eine geringe spezifische Oberfläche besitzen und dort eine erhebliche Steigerung durch die große spezifische Oberfläche der Pflanzenkohle erzielt werden kann. Lehmige bzw. tonige Böden hingegen besitzen bereits eine große spezifische Oberfläche und somit eine recht große natürliche Speicherfähigkeit, weshalb steigernde Effekte eher gering ausfallen würden.

Auch die Erhöhung der nutzbare Feldkapazität (nFK) ist bei sandigen Böden stärker zu beobachten. Nur bei Boden mit hohem organischem Anteil ist keine Steigerung der nFK zu erkennen. Vorteilhaft Bodenwirksam ist die Pflanzenkohle bei tonigen Böden durch die Verbesserung der Durchlüftung des Bodens.

• Welche Verfahren zur Einarbeitung sind erprobt bzw. werden empfohlen? (Gerät zur Bodenbearbeitung, saisonnale und Wetterbedingungen)

Pflanzenkohle - die pyrolytischen Aufschlussverfahren

Die bodenverbessernden Eigenschaften der Pflanzenkohle lassen sich gezielt einstellen. Es bestehen Abhängigkeiten zwischen den folgenden drei Faktoren: eingesetzte Ausgangs-Biomasse, Parameter der Pyrolyse und Bodenart. Diese Abhängigkeiten lassen sich durch die Wahl der Pyrolyseparameter aufeinander abstimmen. So lässt sich Biomasse mit hohem Restfeuchtegehalt bei Auswahl hoher Drücke und Temperaturen direkt zu Langzeit beständiger Kohle pyrolysieren, wenn dies z.B. am Markt gefordert ist.

• Abb. 06: Der Pyrolyseprozess als steuerndes Bindeglied zwischen upstream (Biomasse) und downstream (Substrat optimiert auf…)

Im Prozess entstehen Gas, Flüssigkeiten und Pflanzenkohle.

Die technische Pyrolyse

Die Technische Pyrolyse wurde seit den 90iger Jahren entwickelt, um jegliche an Land wachsende Biomasse mit Restfeuchten bis zu 50 gew. % bei Temperaturen zwischen 380°C und 1000 °C zu Pflanzenkohle und Synthesegas zu pyrolysieren. Das Synthesegas wird hierbei zum Prozesserhalt und für die energetische Nutzung eingesetzt. Es entsteht sehr feinporige Pflanzenkohle.

Die hydrothermale Carbonisierung

Die Hydrothermale Carbonisierung (HTC) erfolgt unter Zugabe von Wasser bei ca. 20 bar und Temperaturen ab 180°C. Je länger die Verweilzeiten und höher die Temperaturen gefahren werden, desto stabiler sind die HTC-Kohlen gegen mikrobiellen Abbau.

Für das HTC-Verfahren eignen sich auch (im Gegensatz zur trockenen Pyrolyse) feuchte Biomassen, da sie für den Prozess nicht getrocknet werden müssen.

Die vapothermale Carbonisierung

Die Vapothermale Carbonisierung (VTC) setzt Wasserdampf für eine schnellere und effizientere Prozesssteuerung ein. Zudem sind Biomassen mit über 50 gew. % Restfeuchtegehalt pyrolysierbar. Der exotherme Prozess wird zwischen 180 und 250 °C und Drücken zwischen 16 bis 42 bar gefahren.

Kon-Tiki

Im Gegensatz zu industriellen Pyrolyseverfahren wird hier mit offenem Feuer in einer tiefen Schale gearbeitet. Die Thermodynamische Prozessteuerung erfolgt durch thermische Strömungen in der tiefen Schale, wobei offenes Feuer und Hitze die Pyrolysegase weitgehend Schadstofffrei abbauen. Das Substrat kann EBC premium zertifiziert werden. Eine energetische Nutzung entfällt in diesem Verfahren, jedoch lässt es sich als „low-tec“ Technologie dezentral bei geringem Invest einsetzen.

Das thermokatalytische Reforming

Das Thermokatalytische Aufschlussverfahren (TCR) erfolgt in zwei Prozessschritten. Für den Betrieb beider Stufen sind 10 – 15% der im Einsatzstoff verfügbaren Energie notwendig.

Wie in Abb 1 und 1a ersichtlich wird zunächst in einem Schneckenreaktor bei 450°C aus der Restbiomasse (Trockengehalt >70%) eine Rohkohle erzeugt, die daraufhin über ein Koksbett bei 600°C geführt wird. Neben einem hochwertigen, anthrazitartigen Substrat, mit 48 (gew.) % Kohlenstoffgehalt, entsteht durch Abkühlung der Dämpfe (Kondensation) zusätzlich ein thermisches stabiles Öl, welches hydrierbar ist bzw. als Motorenöl eingesetzt werden kann. Ein wenig Gas verbleibt dabei allerdings im Prozess und wird gereinigt. Der Wasserstoffanteil im verbleibenden Pyrolysegas liegt bei 20%.

Für die Bodenverbesserung nutzbares Substrat entsteht aus 50 gew. % der restfeuchten Ausgangsmasse. 30 gew. % der restfeuchten Ausgangsmasse sind energetisch nutzbar und dritteln sich in Gas, Öl und Koks.

Pflanzenkohle – die gesetzlichen Rahmenbedingungen

Die Rahmenbedingungen zur Herstellung von Pflanzenkohle

Mit Entwicklung neuartiger Pyrolyseverfahren stehen nahezu alle Biomasseströme, nahezu unkonditioniert (auch Restfeuchten über 50 gew. %, siehe 3.3) für BioKohle zur Verfügung. Dies bedeutet jedoch, dass ein Großteil der Inhaltsstoffe (z.B. Silikate) und potenziellen Schadstoffe (z.B. Schwermetalle) in der BioKohle, mehr oder weniger, gebunden sind.

Anforderungen an Ausgangsstoffe für Pflanzenkohle

• Relevante Punkte aus dem Bundes-Imissionsschutzgesetz (BImSchG)
• Relevante Punkte aus dem Bundes-Bodenschutzgesetz (BBodSchG)
• Muss die Prozessführung bei der Pyrolisierung irgendwo Dokumentiert werden je Charge – gibt es da ähnlich der Bauprodukteverordnung einen Kontrollalgorithmus zu den Pyrolyseanlagen?
• Was geschieht mit den Restsoffen der Pyrolyse – wie sicher ist die vermutlich hohe Bindung der Schwermetalle in den Kohlen?

Qualitätsmerkmale für Pflanzenkohle

Das molare O:C Verhältnis muss für eine bodentaugliche Biokohle zwischen 0,1 und 0,6 liegen.

Die Rahmenbedingungen zur Nutzung von Pflanzenkohle

Es sind inzwischen Richtlinien für die Qualitätssicherung von Pflanzenkohle bekannt:

• International Biochar Initiative ihre IBI Guidelines for Biochar
• European Certificate for Biochar, EBC

Im Folgenden werden die grundlegenden Rahmenbedingungen zur Nutzung von Pflanzenkohle aufgeführt.

Anforderungen an Pflanzenkohle als Bodensubstrat

Der Eintrag in die deutsche Düngemittelpositivliste ist möglich, wenn ein reproduzierbarer Produktionsprozess (stetige Biomasseverfügbarkeit und gleichbleibende Produktionsqualität) realisiert wird.

Bei nicht kontinuierlicher Produktion sind verpflichtend die Nährstoffgehalte gemäß BBodSchG zu bestimmen.

Kritisch zu betrachten ist bei diesem Vorgehen jedoch, dass die Nährstoffverfügbarkeit aus der Pflanzenkohle heraus nur geringe Prozentsätze beträgt (bei P beträgt die Verfügbarkeit 15%, bei N z.T. unter 1% des jeweiligen Nährstoffgehaltes). Daraus resultiert, dass die in den Boden verbrachte Pflanzenkohle schnell die zulässigen Nährstoffgehalte im Boden erreicht, aber nur Bruchteile dieser Nährstoffe Pflanzenverfügbar sind, woraus ein reduzierter Pflanzenaufwuchs bei Einsatz von Pflanzenkohle gemäß BBodSchG resultiert.

• Muss der Substrateintrag in den Boden irgendwo gemeldet werden?
• Gibt es Unterschiede in der agrarischen Nutzung und der urbanen Nutzung zu beachten?

Ausgansstoffströme (Feedstock)

• Pflanzenkohle aus Totholz
• Pflanzenkohle aus Gärresten der Biogaserzeugung
• Pflanzenkohle aus Klärschlamm
• Pflanzenkohle aus Grünschnitt
• Pflanzenkohle tierischen Exkremente

Zertifikate

Das Ithaka Institute for Carbon Strategies bietet eine Zertifizierung nach European Biochar Certification - EBC an, inklusive C-Senke Registrierung, Vor- Ort-Inspektion und Laboranalyse der BioKohle.