TCR Pyrolyse: Unterschied zwischen den Versionen

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(Anpassung der Parameter Range des TCR-Verfahrens nach Absprache mit Andreas Apfelbacher)
(Zertifikate zur Qualitätssicherung von Pflanzenkohle: EBC und IBI)
(30 dazwischenliegende Versionen von 4 Benutzern werden nicht angezeigt)
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===Pflanzenkohle – Herstellung und Nutzung===
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==='''Pflanzenkohle – Eigenschaften und Nutzung'''===
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''Pflanzenkohle eignet sich zur Bodenverbesserung, ihre Gewinnung erfolgt aus Biomasse unter hohen Temperaturen und Druck, bei Ausschluss von Sauerstoff in einem Pyrolyseverfahren. Je nach Ausgangsmaterial, Pyrolyseprozess (Produktionstemperatur, -druck, -geschwindigkeit) und der Aufbereitung der Pyrolysesubstrate vor dem Einbringen in den Boden, variieren die Eigenschaften der Pflanzenkohle. So wird z.B. der Kohlenstoffanteil der Pflanzenkohle und damit weitere Eigenschaften, wie z.B. ihre Bodenverweildauer, durch die Produktionstemperatur bestimmt. Ebenso bestimmt der Pyrolyseprozess die spezifische Oberfläche, die Porengröße und -verteilung und damit die Wasserhaltekapazität der Pflanzenkohle, oder den pH-Wert und damit auch die für Pflanzen verfügbaren Nährstoffe.''
  
Sogenannte Pflanzenkohle wirkt bodenverbessernd (siehe 2). Ihre Gewinnung erfolgt aus Biomasse unter Hitze und Druck, bei Ausschluss von Sauerstoff (siehe 3), in einem Pyrolyseverfahren.
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===='''Der Einsatz von Pflanzenkohle zur Bodenverbesserung'''====
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Das große Porenvolumen von Pflanzenkohle (PK) verbessert die Infiltrationseigenschaften und damit den Wasserrückhalt bei Starkregenereignissen (Wasserretention) sowie die Speicherfähigkeit von Nährstoffen. Sie reduziert Lachgasemissionen, optimiert den Pflanzenaufwuchs und erhöht die Mikroorganismen- und Humusbildung.  
  
Je nach Ausgangsmaterial, Pyrolyseprozess (Produktionstemperatur, -geschwindigkeit) und der Aufbereitung der Pyrolysesubstrate vor dem Einbringen in den Boden, variieren die Pflanzenkohleeigenschaften.
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Die Aspekte der 'Bodenverbesserung durch Pflanzenkohle im Überblick:
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. <ref>[https://www.pflanzenkohle.news/stabilitaet_von_pflanzenkohle_im_boden/]</ref>
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*Steigerung der Wasseraufnahme und -speicherfähigkeit insbesondere sandiger Böden
 
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*Steigerung des Porenvolumens und damit die verbesserte Bodengare (d.h. Bodenzustand) fester Böden
===Der Einsatz von Pflanzenkohle zur Bodenverbesserung===
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*Förderung der Humusbildung
 
 
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)
 
*Vitalisierung des Edaphon (Bodenlebewesen)
*Ertragsstabilisierung bei Kulturpflanzenanbau
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*Erhöhung der Pflanzenverfügbarkeit von Phosphor und Stickstoff
 
*Stimulation des Wurzelwachstums
 
*Stimulation des Wurzelwachstums
*Minderung der Verfügbarkeit von Schwermetallen im Boden
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*Ertragsstabilisierung in der Pflanzenproduktion
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*Reduktion von Lachgasemissionen durch Bindung von überflüssigem Stickstoff
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*Minderung von Nährstoffauswaschung und dadurch Reduktion der Nitratbelastung in Gewässern
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*Reduktion der Auswaschung von Schwermetallen in das Grundwasser
  
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Stehen die bodenverbessernden Wirkungen nicht im Vordergrund, kann die TCR-Pyrolyse auf die energetische Nutzung von Biomasse optimiert werden (z.B. Fokus auf einen hohen Ertrag an Pyrolysegas).
  
[[Datei: Abb 1 TCR Pyrolyse Sulzbach Rosenberg.JPG|mini|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.]]
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===='''Bodenverweildauer von Pflanzenkohle'''====
[[Datei:Abb 1a TCR Schema.jpg|mini|Abb 1a: Schema des Thermokatalytischen Reforming (TCR)]]
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[[Datei: Tab 01 Diagram O C ratio over predicted time.JPG|mini|Abb. 1: O:C-Verhältnis im Zeitverlauf <ref>Spokas, K. A. (2010): Review of the stability of biochar in soils: predictability of O:C molar ratios, Carbon Management 1(2), 289-303]</ref>|alternativtext=O:C-Verhältnis im Zeitverlauf ]]Im Boden wird Pflanzenkohle durch heterotrophe Organismen (z.B. Pilze) abgebaut. Umweltfaktoren wie Bodentemperatur und -feuchtigkeit haben Einfluss auf die Aktivität von Organismen und somit auch auf die Verweildauer der Pflanzenkohle. Höhere Umgebungstemperaturen, ein oft wechselnder Wasserhaushalt (gesättigte und ungesättigte Phasen) und gefrorenes Wasser fördern dabei einen schnelleren Abbau. Für den mikrobiologischen Abbau der Pflanzenkohle gilt als Orientierung: je höher die Produktionstemperatur und damit der Kohlenstoffanteil der Pflanzenkohle, desto stabiler ist die Kohle gegenüber dem mikrobiellen Abbau (vgl. IPCC 2019<ref name=":3">IPCC (2019): Appendix4: Method for Estimating the Change in Mineral Soil Organic Carbon Stocks from Biochar. Refinement to the 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories https://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2019rf/pdf/4_Volume4/19R_V4_Ch02_Ap4_Biochar.pdf</ref>), siehe Abbildung (C-Abbaurate in Abhängigkeit der Pyrolysetemperatur).
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[[Datei:Abbildung Bodenverweildauer in Abhängigkeit Pyrolysetemperatur IPCC Wiki.png|mini|Abb. 2: Bodenverweildauer in Abhängigkeit der Pyrolysetemperatur<ref name=":3" />|alternativtext=Bodenverweildauer in Abhängigkeit der Pyrolysetemperatur]]
  
====Bodenverweildauer von Pflanzenkohle und akkumuliertem Kohlenstoff====
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Speziell das molare Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff (O:C Verhältnis) wurde in wissenschaftlichen Studien als ein robuster Indikator für die Einschätzung der Bodenverweildauer identifiziert. Lässt sich ein molares O:C Verhältnis < 0,2 feststellen, wie es sich u.a. durch hohe Pyrolysetemperaturen in Kombination mit einer optimierten Heizrate (hier speziell die Gleichmäßigkeit der Erhitzung), Kühlung und Lagerung erreichen lässt, handelt es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um eine Pflanzenkohle mit einer Bodenverweildauer (Halbwertszeit) von über 1000 Jahren (siehe Tab. 1).<ref>European Biochar Certificate (2021): Richtlinien für die nachhaltige Produktion von Pflanzenkohle Version 9.5.G S. 18 (https://&#x20;www.european-biochar.org/media/doc/2/version_de_9_5.pdf Stand 01.08.2021)</ref><ref>UBA (2016): Chancen und Risiken des Einsatzes von Pflanzenkohle und anderer „veränderter“ Biomasse als Bodenhilfsstoffe oder für die C-Sequestrierung in Böden, Dessau-Roßlau 2016, S. 6.  (https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/chancen-risiken-des-einsatzes-von-biokohle-anderer Stand 24.01.2023)</ref><ref>Spokas, K. A. (2010): Review of the stability of biochar in soils: predictability of O:C molar ratios, Carbon Management 1(2), 289-303]</ref>
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===='''Beladung der Kohle'''====
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Die Pflanzenkohle sollte vor dem Einbringen in den Boden beladen werden, sonst besteht die Gefahr des Nährstoffentzuges. Wird Pflanzenkohle während der Kompostierung beigegeben, kann diese mit reichlich Nährstoffen aufgeladen werden (siehe Abb. 3). Ein Verhältnis zu Kompost von 1:10 bewirkt eine Zunahme von Mikroorganismen und dadurch eine Reduktion der Methanemissionen bei der Kompostierung. Zudem besteht die Möglichkeit der Zugabe von Pflanzenkohle zu Gülle oder Biogasgärresten, sodass die Nährstoffe in der Pflanzenkohle gespeichert werden, diese sind dadurch wurzelverfügbar und die Pflanze kann die Nährstoffe sukzessive aufnehmen.[[Datei:Abb 2 Beladung.jpg|mini|Abb 3: Beladung der Pflanzenkohle mit Gärresten, bevor diese auf den Versuchsflächen ausgebracht werden.|alternativtext=Beladung der Pflanzenkohle mit Gärresten]]
  
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). <ref>[https://www.european-biochar.org/media/doc/2/version_de_9_5.pdf ''European Biochar Certificate (EBC): Richtlinien für die nachhaltige Produktion von Pflanzenkohle''], Version 9.5G – Stand 1.08.2021 , S. 18.</ref><ref>[https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/texte_04_2016_chancen_und_risiken_des_einsatzes_von_biokohle.pdf ''UBA(Hrsg.): Chancen und Risiken des Einsatzes von Pflanzenkohle und anderer „veränderter“ Biomasse als Bodenhilfsstoffe oder für die C-Sequestrierung in Böden''], Dessau-Roßlau 2016, S. 6.</ref>
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===='''Ertragssteigerung'''====
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 (hier speziell die Gleichmäßigkeit der Erhitzung), Verweildauern und Lagerung (Lagerzeit) der Pflanzenkohle beeinflussen ebenfalls die Gehalte 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.<ref>[Spokas, K. A. Review of the stability of biochar in soils: predictability of O:C molar ratios, Carbon Management (2010) 1(2), 289-303]</ref>
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Durch Einsatz von Pflanzenkohle kann die Nährstoffverfügbarkeit an der Pflanzenwurzel durch eine hohe Kationenaustauschkapazität (KAK) verbessert und gleichzeitig eine höhere Verfügbarkeit von Wasser und den darin enthaltenen Nährstoffen erzielt werden. Dies resultiert aus der großen spezifischen Oberfläche von ca. 300 qm pro Gramm  und die dadurch erzeugte hohe Adsorptionskapazität (AK). Zudem wird die Humusbildung gesteigert. Pflanzenkohle wirkt dadurch langfristig positiv auf die Bodenqualität. Andere vorteilhafte Aspekte der Pflanzenkohle sind anhand weiterer agronomischer Parameter erkennbar (siehe Abb. 4)<ref>Schmidt, H-P; Kammann, C.; Hagemann, N.; Leifeld, J.; Bucheli, T. D.; Monedero, M. A. S.; Cayuela, M. L. (2021): Biochar in agriculture –  A systematic review of 26 global meta- analyses. GCB Bioenergy. 2021;13:1708–1730. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/gcbb.12889</ref>. Um die Wirksamkeit von Pflanzenkohle in der Pflanzenproduktion zu überprüfen, wurden im September 2021 in einem wissenschaftlichen Feldversuch beladene TCR-Pflanzenkohle und Gärrest ohne Pflanzenkohle in den Boden eingebracht und einem Kontrollstreifen gegenübergestellt. In Abbildung 5 ist die Wirkung der Pflanzenkohle in Form eines optimalen und gleichmäßigen Aufwuchses der Gelbsenf-Saat zu erkennen.[[Datei:Biochar-Schmidt et al 2021.png|mini|Abb 4: Ausgewählte Parameter mit höchster agronomischer Relevanz, die in den 26 überprüften Meta-Analysen untersucht wurden [vgl. Schmidt et. al 2021]. am 10.11.2021|alternativtext=untersuchte Parameter nach Schmidt et al.]] [[Datei:Abb 4.jpg|mini|Abb 5: Vergleich der Testflächen (mit Gärrest beladene Pflanzenkohle und Gärrest) am 10.11.2021|alternativtext=Vergleich der Testflächen]]
  
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.
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===='''Wasserretention'''====
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Die Porösität von Pflanzenkohle aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche steigert den Wasserrückhalt. Die hohe Adsorptionskapazität (AK) stellt gleichzeitig im Wasser enthaltene Nährstoffe wurzelverfügbar. Das Edaphon wird belebt und steigert die Funktion des Wasserrückhaltes ebenfalls.  
  
Schadstoffe wie Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe - PAK können sich durch regulär produzierte Pflanzenkohle nicht im Boden anreichern, da die Pflanzenkohle Sicherheitsqualitäten erfüllen muss (siehe 4.2.1) um in die Düngemittelliste aufgenommen zu werden.
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===='''Reduktion von Lachgasemissionen'''====
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Wird in der Pflanzenproduktion zu viel stickstoffhaltiger Dünger verwendet oder zur falschen Zeit gedüngt, kann dieser nicht vollständig von den Pflanzen aufgenommen werden. Überschüssiger Stickstoff  wird von Mikroorganismen durch Nitrifikations- und Denitrifikationsvorgänge in Lachgas umgewandelt und es resultieren Treibhausgasemissionen. Durch die hohe Adsorptionsfähigkeit der im Boden eingebrachten Pflanzenkohle kann der überschüssige Stickstoff gebunden werden. Er ist dann in den zahl­rei­chen, kleinen Poren (< 100 nm) der Pflan­zen­koh­le stabil gebun­den und wird nur langsam und in kleinen Mengen beim Pflanzenwachstum aufgenommen. Für Mikroorganismen ist er damit nicht mehr frei verfügbar, die Wandlung in klimawirksames Lachgas wird unterbunden.  
  
[[Datei: Tab 01 Diagram O C ratio over predicted time.JPG|mini|Tab 1: Diagram O:C ratio over predicted time.]]
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===='''Phosphor-Verfügbarkeit'''====
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[[Datei:Phosphor-Verfügbarkeit.webp|mini|Abb. 6: Phosphor-Verfügbarkeit in Abhängigkeit von Ausgangsstoffen <ref>Glaser, B. & Lehr, v. (2019):  Biochar effects on phosphorus availability in agricultural soils: A meta-analysis. In scientific reports. (https://www.nature.com/articles/s41598-019-45693-z Stand 24.01.2023)</ref>|alternativtext=Phosphor-Verfügbarkeit in Abhängigkeit von Ausgangsstoffen]]
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Die Metastudie von Glaser&Lehr (2019)<ref>Glaser, B. & Lehr, v. (2019):  Biochar effects on phosphorus availability in agricultural soils: A meta-analysis. In scientific reports. (https://www.nature.com/articles/s41598-019-45693-z Stand 24.01.2023)</ref> zu 25 Einzelstudien mit einem Umfang von 108 paarweisen Vergleichen zeigt, dass der Einsatz von Pflanzenkohle die Verfügbarkeit von Phosphor im Mittel um 460 % erhöht. Die Wirkung variiert in Abhängigkeit der Prozesstemperatur, der ausgebrachten Menge, dem Bodentyp und den Ausgangsstoffen. Während Pflanzenkohle aus Waldreststoffen keinen signifikanten Effekt auf die Verfügbarkeit von Phosphor hat, zeigt die Metaanalyse eine sehr große Wirkung bei Pflanzenkohle aus Tierexkrementen (580 %), biologischen Siedlungsresten (490 %) und Ernterückständen (320 %) wie in Abbildung 6 zu sehen ist. In der Metastudie zeigt die Wirkung von Klärschlamm-Karbonisaten eine große Streuung, welche auf die geringe Zahl an Studien (4) zurückgeführt wird. Das im Karbonisat enthaltene Phosphor ist aufgrund thermochemischer Prozesse nicht wasserlöslich und erst durch Säuren, die bei Humusbildung und Wurzelwachstum entstehen, pflanzenverfügbar.
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===='''Eignung der Böden'''====
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Hinsichtlich der Speicherfähigkeit für Wasser und Nährstoffe eignen sich besonders sandige Böden zum Einsatz von Pflanzenkohle, aufgrund der geringen spezifischen Oberfläche dieser Böden. Durch den Einsatz von Pflanzenkohle kann eine erhebliche Steigerung der Wasser- und Nährstoffspeicherung erzielt werden. Auch die Erhöhung der nutzbaren Feldkapazität (nFK, i.e. die Wassermenge, die ein Boden pflanzenverfügbar speichern kann) ist bei sandigen Böden zu beobachten. Lehmige bzw. tonige Böden hingegen besitzen bereits eine große spezifische Oberfläche und somit eine recht große natürliche Speicherfähigkeit, weshalb steigernde Effekte bezüglich des Wasserspeichervermögens durch Pflanzenkohle eher gering ausfallen. Vorteile bietet die Pflanzenkohle jedoch auch für diese Böden durch die Verbesserung der Durchlüftung. 
  
====Beladung der Kohle====
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===='''Schwermetalle'''====
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Schwermetalle sind natürliche, jedoch gleichzeitig toxische Bestandteile des Bodens<ref>Eckel, Heyo; Hüttemann, Ulrich; Rink, Claus. Deutsches Ärzteblatt (1997): Umweltthema im September: Bodenbelastung durch Schwermetalle. 94(37): A-2306 / B-1968 / C-1851 (https://www.aerzteblatt.de/archiv/7594/Umweltthema-im-September-Bodenbelastung-durch&#x20;Schwermetalle Stand 24.01.2023)</ref> und kommen auf natürliche Weise in allen Biomassen vor. Diese natürlichen Hintergrundkonzentrationen sind für Mensch und Umwelt i.d.R. unbedenklich und in geringen Dosen sogar lebenswichtig. Bodenbelastungen mit Schwermetallen über das natürliche Maß hinaus sind jedoch problematisch, da Schwermetalle nicht abgebaut, sondern maximal durch eine Umverteilung lokal gemindert oder den Stoffkreisläufen durch Immobilisierung entzogen werden.
  
Die Pflanzenkkohle sollte vor dem Einbringen in den Boden beladen werden, da sonst die Gefahr des Nährstoffentzuges im Boden besteht.
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Beispiele für Schwermetalle, die Böden belasten, sind Blei und Cadmium. Sie sind weit verbreitet und besonders toxisch. Blei ist im Boden wenig mobil und wird nur in Ausnahmefällen über Pflanzenwurzeln aufgenommen. Cadmium ist im Boden recht mobil und kann bei zu niedrigen pH- Werten oder geringen Humusgehalten leicht von der Vegetation aufgenommen werden, was zu einer Überschreitung von Lebensmittelricht- bzw. Futtermittelgrenzwerten führen kann.  
  
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 Mikroorganismen hervorgerufen und Emissionen bei der Kompostierung verringert werden. Zudem besteht die Möglichkeit der Zugabe der Pflanzenkohle 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).
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Da bei der Pyrolyse organische Bestandteile zersetzt werden, Metalle aber nicht, kann es zu einer Aufkonzentration der Schwermetalle in der entstehenden Pflanzenkohle kommen. Nur wenige Schwermetalle gehen während der Pyrolyse in die Gasphase über (d.h. sie verdampfen und werden über die Gasreinigung der Pyrolyseanlage entfernt). Ein Beispiel wäre Quecksilber, das einen sehr niedrigen Siedepunkt (357 °C) aufweist, aber auch Cadmium bei Pyrolysetemperaturen über 600 °C (nicht publizierter Versuchsbericht Entsorgungsverband Saar, labortechnische Auswertung Klärschlammkarbonisate  des Zweckverbandes Niederfrohna). Bei der Suche nach möglichen Anwendungsgebieten von Pflanzenkohle wurde u.a. der Einsatz als kostengünstiges Schwermetall-Adsorber bei der Abwasseraufbereitung untersucht. Eine Studie belegt, dass Pflanzenkohle für die Schwermetall-Adsorption geeignet ist und teilweise sogar effizienter wirkt als Aktivkohle<ref>Inyang et al. (2015): A review of biochar as a low-cost adsorbent for aqueous heavy metal removal (https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/10643389.2015.1096880?journalCode=best20 Stand 24.01.2023)</ref>. Schwermetalle werden, je nach Typ der Pflanzenkohle, über verschiedene Mechanismen, wie z.B. Komplexierung, physikalische Sorption, Fällung oder elektrostatische Wechselwirkungen gebunden. Um ein Einbringen von Schwermetallen in den Boden durch belastete Pflanzenkohle zu vermeiden, ist es wichtig, entsprechend unbelastetes Ausgangsmaterial für die Produktion zu verwenden. Dazu müssen von den Herstellern Qualitätsstandards, bspw. des EBC, eingehalten und überwacht werden (Analysen, Dokumentation der eingesetzten Biomassen und der Produktionsbedingungen). Wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass sogar auf mit Schwermetall belasteten Standorten durch Einsatz hochwertiger Pflanzenkohle ein entsprechend zugeschnittener Anbau von Pflanzen wieder möglich gemacht werden kann<ref>Schmidt, H.P., Hagemann, N.,  Abächerli, F., Leifeld, J., , Bucheli, T. (2021): Pflanzenkohle in der Landwirtschaft. Hintergründe zur Düngerzulassung und Potentialabklärung für die Schaffung von Kohlenstoff-Senken. Agroscope Science Nr. 112 / 2021, S. 24. (https://ira.agroscope.ch/de-CH/publication/46567 Stand 20.12.2022)</ref>.
  
Eine Vorbehandlung der Kohle (z.B. mahlen) vor dem Einbringen in den Boden ist empfehlenswert.
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===='''Weitere Anwendungsmöglichkeiten von Pflanzenkohle in der Landwirtschaft'''====
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Neben dem Einsatz von Pflanzenkohle zur Bodenverbesserung stellt die Zugabe von Pflanzenkohle in Kompostierungsprozessen ein weiteres Anwendungsgebiet dar. Eine Metaanalyse <ref name=":0">Schmidt, H.P., Hagemann, N., Abächerli, F., Leifeld, J., Bucheli, T. (2021): Pflanzenkohle in der Landwirtschaft Hintergründe zur Düngerzulassung und Potentialabklärung für die Schaffung von Kohlenstoff-Senken. S. 33-37 (https://www.blw.admin.ch/dam/blw/de/dokumente/Nachhaltige%20Produktion/Produktionsmittel/Duenger/pflanzenkohle_in_der_landwirtschaft.pdf.download.pdf/Pflanzenkohle%20in%20der%20LW_Ithaka_BLW_2021.pdf, Stand 13.12.2022)</ref> aus dem Jahr 2020 zeigt, dass als Kompostadditiv eingesetzte Pflanzenkohle die Stickstoffverluste im Kompost um 30% sowie die Lachgasemissionen um 66% reduzieren kann. Durch den Einsatz der Kohle kann somit sowohl der Kompost aufgewertet als auch die Umweltbilanz der Kompostierung durch das Senken der Treibhausgasemissionen verbessert werden<ref name=":0" />.  
  
[[Datei:Abb 2 Beladung.jpg|mini|Abb 2: Beladung der Pflanzenkohle durch Beladung mit Nährstoffen aus Gärresten. Die Mischung wurde 14 Tage in Ruhe gehalten und dann in den Boden verbracht.]]
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Ein weiteres Anwendungsgebiet für Pflanzenkohle in landwirtschaftlichen Betrieben ist die Zugabe als Anwendungshilfsmittel in Biogasanlagen. Wird die Pflanzenkohle dem Fermenter der Biogasanlage  zugegeben, können sich durch den Kohlenstoffgehalt und die große, feinporige Oberfläche der Pflanzenkohle methanbildende Mikroorganismen schneller vermehren. Dies trägt zu einer Steigerung des Methangehalts bei. Gleichzeitig zeigen Studien<ref>Schmidt, H.P. (2012): 55 Anwendungen von Pflanzenkohle Ithaka Journal 1/2012: 99–102. (https://www.ithaka-journal.net/druckversionen/162012-pflanzenkohle-anwendungen.pdf Stand 13.12.2022)</ref>, dass die Beigabe von Pflanzenkohle die CO2- und Ammoniakemissionen des Prozesses verringert. Die anfallenden Gärreste, welche die mit Nährstoffen beladene Pflanzenkohle enthalten, können zudem als Bodenverbesserer auf landwirtschaftlichen Flächen ausgebracht werden und dort zum Humusaufbau beitragen.
  
====Ertragssteigerung====
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==='''Pflanzenkohle - die pyrolytischen Aufschlussverfahren'''===
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Bei der Pyrolyse wird Biomasse unter Ausschluss von Sauerstoff verkohlt. Die bodenverbessernden Eigenschaften der Pflanzenkohle lassen sich hierbei gezielt einstellen. Im Pyrolyseprozess entstehen Gas, Öle und Pflanzenkohle.
  
Dur Einsatz von Pflanzenkohle kann die Nährstoffverfügbarkeit an der Pflanzenwurzel verbessert (hohe Kationenaustauschkapazität - KAK) und gleichzeitg eine höheren Verfügbarkeit von Wasser und den darin enthaltenen Nährstoffen erzielt werden (spezifische Oberfläche von 300 m² pro Gramm erzeugt hohe Adsorptionskapazität - AK). Zudem wird die Humusbildung durch diverse positive Einflüsse auf das Bodensubstrat gesteigert und wirkt langfristig positiv auf die Bodenqualität.
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Es bestehen Abhängigkeiten zwischen den folgenden drei Faktoren:  
Andere vorteilhafte Aspekte der Pflanzenkohle sind anhand weiterer agronomischer Parameter (siehe Tab.2) erkennbar. [[Datei:Biochar-Schmidt et al 2021.png|mini|Tab 02: Agronomische Parameter von Pflanzenkohle]]
 
  
Um die Wirksamkeit von Biokohle zu überprüfen wurde im September 2021 auf einer Testfläche nebeneinander einmal Gärrest beladene Pflanzenkohle und Gärrest ohne Pflanzenkohle in den Boden eingebracht (siehe Abb.3). Das Ergebnis des Ertrags nach einigen Wochen kann für beiden Testflächen in Abbildung 4 nachvollzogen werden.
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*eingesetzte Ausgangs-Biomasse,
[[Datei:Abb 3 Luftbild.png|mini|Abb 3: Die mit Gärrest beladene Pflanzenkohle und Gärrest ohne Pflanzenkohle nach der Ausbringung, am 23.09.2021]]
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*Parameter der Pyrolyse und
[[Datei:Abb 4.jpg|mini|Abb 4: Vergleich der Testflächen (mit Gärrest beladene Pflanzenkohle und Gärrest) am 10.11.2021]]
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*Bodenart.
  
====Wasserretention====
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Diese Abhängigkeiten lassen sich durch die Wahl der Pyrolyseparameter aufeinander abstimmen. Mit der Entwicklung neuartiger Pyrolyseverfahren stehen nahezu alle Biomasseströme, technisch betrachtet, beinahe unkonditioniert (auch Restfeuchten über 50 gew.%) für die Herstellung von Pflanzenkohle zur Verfügung.
  
Die Porosität des Substrates steigert den Wasserrückhalt direkt in der Aktivkohle, die hohe Adsorptionskapazität (AK) stellt gleichzeitig im Wasser enthaltene Nährstoffe wurzelnah zur Verfügung.
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===='''Anforderungen an Ausgangsstoffe für Pflanzenkohle'''====
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Die Eigenschaften von Pflanzenkohle ergeben sich aus der Kombination der Eigenschaften der eingesetzten Ausgangsstoffe und den Parametern des Herstellungsprozesses. Dabei können durch die Auswahl der Ausgangsstoffe die Gehalte und Verfügbarkeiten an Nähr- und Nebenstoffen in den Pyrolysesubstraten sowie deren Struktur und Stabilität variieren. Je nach Ziel und angestrebter Nutzung im Boden sollten entsprechende Ausgangsstoffe für die Herstellung gewählt werden. Folgende Ausgangsstoffe sind potentiell für eine qualitativ hochwertige Pflanzenkohle geeignet: Totholz, Gärreste der Biogaserzeugung, Reste aus der Pflanzenproduktion insbesondere Stroh, Klärschlamm, Grünschnitt, tierische Exkremente. Für eine Anwendung der Pflanzenkohle in der Landwirtschaft ist zu beachten, dass nur Ausgangsstoffe verwendet werden dürfen, die den Anforderungen der Düngeverordnung VO (EU) 2019/1009 entsprechen (s.u. Gesetzliche Rahmenbedingungen).
  
Das Edaphon wird belebt und steigert die Funktion des Wasserrückhaltes weiter.
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===='''Die technische Pyrolyse'''====
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Die technische Pyrolyse wird 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.<ref>Wikipedia (2023): Technische Pyrolyse (https://de.wikipedia.org/wiki/Pflanzenkohle#Technische_Pyrolyse Stand 24.01.2023) </ref>
  
====Agrarische und urbane Nutzung====
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===='''Das Thermokatalytische Reforming (TCR®)'''====
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Das Thermokatalytische Aufschlussverfahren (TCR®) erfolgt in zwei Prozessschritten. Für den Betrieb beider Stufen sind 10 – 15 % der im Einsatzstoff verfügbaren Energie notwendig.<ref name=":1">Apfelbacher, A. (2021): Pyrolysis of residual biomass via thermo catalyc reforming – experimental investigation of sewage sludge. Vortrag.  International eConference on Analytical and Applied Pyrolysis</ref> Wie in Abb. 8 ersichtlich, wird zunächst in einem Schneckenreaktor bei 450 - 550 °C aus der Restbiomasse (Trockengehalt > 70 %) eine Rohkohle erzeugt, die daraufhin über ein Koksbett bei 500 - 750 °C geführt wird. Neben einem hochwertigen, anthrazitartigen Produkt, mit 48 gew.% Kohlenstoffgehalt, entsteht durch Abkühlung der Dämpfe (Kondensation) zusätzlich ein thermisch stabiles Öl, welches hydrierbar ist bzw. als Motorenöl eingesetzt werden kann. Der Gasanteil wird gereinigt, der Wasserstoffanteil im verbleibenden Pyrolysegas liegt bei 30 % - 42 %. Die hier genannten Prozessparameter gelten für die Erzeugung im Boden persistenter Pflanzenkohle und können je nach gewünschtem Endprodukt, wie beispielsweise für die energetische Nutzung und dem Ziel möglichst viel Synthesegas (Wasserstoff) zu erhalten, verändert werden. Für die Bodenverbesserung nutzbare Pflanzenkohle entsteht aus 50 gew.% der restfeuchten Ausgangsmasse. 30 gew.% der restfeuchten Ausgangsmasse sind energetisch nutzbar.<ref name=":1" />
  
Abhängig von der jeweiligen angebauten Kultur werden zwischen 10 und 120 t Pflanzenkohle pro Hektar in den Boden eingebracht.
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In TCR®-Laborversuchen zeigt sich die Abhängigkeit der erhaltenen Output-Masse an Gas, Öl und Pflanzenkohle von der gewählten Prozesstemperatur. Mit zunehmender Prozesstemperatur, die für die Herstellung persistenter Pflanzenkohle benötigt wird (siehe Kapitel 1.2) reduziert sich die Masse der gewonnenen Pflanzenkohle sowie des im Prozess entstehenden Öls. Gleichzeitig steigt die Masse an gewonnenem Pyrolyse-Gas und die Verluste im Prozess werden minimiert. Die Output-Massen sind zudem abhängig vom gewählten Ausgangssubstrat und dem Silikatanteil dessen. Bei der Verwendung von Ausgangssubstraten mit einem höheren Silikatanteil, wie beispielsweise Stroh im Vergleich zu Holz, ist eine Steigerung der gewonnenen Masse Pflanzenkohle zu erwarten.
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[[Datei:Abb 1 TCR Pyrolyse Sulzbach Rosenberg.JPG|mini|Abb. 7: Technikumsanlage für das Thermokatalytische Reforming (TCR®)|alternativtext=Technikumsanlage für das Thermokatalytische Reforming ]]
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[[Datei:TCR Schema Fraunhofer UMSICHT.jpg|alternativtext=|mini|Abb. 8: Schematische Darstellung TCR®-Prozess]]
  
====Eignung der Böden====
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===='''Die Vapothermale Carbonisierung'''====
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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.<ref>Wikipedia (2023): Vapothermale Carbonisierung (https://de.wikipedia.org/wiki/Pflanzenkohle#Vapothermale&#x20;Carbonisierung Stand 24.01.2023)</ref>
  
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.
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===='''Die Hydrothermale Carbonisierung'''====
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Die Hydrothermale Carbonisierung (HTC) erfolgt unter Zugabe von Wasser bei ca. 20 bar und Temperaturen ab 180 °C. Je länger die Verweilzeiten und je höher die Temperaturen gefahren werden, desto stabiler sind die HTC-Kohlen gegen mikrobiellen Abbau.<ref>Wikipedia (2023): Hydrothermale Carbonisierung (https://de.wikipedia.org/wiki/Pflanzenkohle#Hydrothermale_Carbonisierung Stand 24.01.2023)</ref> Für das HTC-Verfahren eignen sich auch (im Gegensatz zur trockenen Pyrolyse) feuchte Biomassen, da sie für den Prozess nicht getrocknet werden müssen.  
  
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.
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===='''Kon-Tiki'''====
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Im Gegensatz zu industriellen Pyrolyseverfahren wird hier mit offenem Feuer in einer tiefen Schale gearbeitet. Die thermodynamische Prozesssteuerung erfolgt durch thermische Strömungen in der tiefen Schale, wobei offenes Feuer und Hitze die Pyrolysegase weitgehend schadstofffrei abbauen. Das Substrat kann durch die European Biochar Certification (EBC) zertifiziert werden. Eine energetische Nutzung entfällt in diesem Verfahren, jedoch lässt es sich als „low-tec“ Technologie dezentral bei geringen Investkosten einsetzen.<ref>Ithaka Institut (2023): Kon-Tiki, Herstellung von Pflanzenkohle (http://www.ithaka-institut.org/de/kon-tiki Stand 24. Januar 2023)</ref>
  
===Pflanzenkohle - die pyrolytischen Aufschlussverfahren===
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==='''Pflanzenkohle die gesetzlichen Rahmenbedingungen'''===
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Der Einsatz veränderter Biomassereststoffe, hier Pflanzenkohle, als Düngeprodukt oder für die CO<sub>2</sub>-Sequestrierung in Böden, bedarf der Berücksichtigung rechtlicher Rahmen­bedingungen. Hier gibt es sowohl europäische als auch  nationale Vorschriften. Grundsätzlich können Hersteller bei der Bereitstellung von Düngeprodukten zwischen zwei Optionen wählen:
  
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 Pflanzenkohle pyrolysieren, wenn dies z.B. am Markt gefordert ist.
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*EU-Düngeprodukte mit einer CE-Kennzeichnung nach der Verordnung (EU) 2019/1009 oder
Im Prozess entstehen Gas, Öle und Pflanzenkohle als trockenes Substrat.
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*nach nationalem Recht hergestellte und zugelassene Düngemittel (in Deutschland Düngemittelverordnung).
  
====Die technische Pyrolyse====
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Voraussetzung für eine Verwendung der CE-Kennzeichnung ist das erfolgreiche Durchlaufen des Konformitätsbewertungsverfahrens (i.S.d. Art. 15 i.V.m. Anhang IV VO (EU) 2019/1009<sup>1</sup>). Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Pflanzenkohle einem freiwilligen Zertifizierungsprozess zu unterziehen, entweder gemäß EBC (EU) oder IBI (USA).
  
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. <ref>[https://de.wikipedia.org/wiki/Pflanzenkohle#Technische_Pyrolyse ''Wikipedia:''] Technische Pyrolyse, abgerufen 21. September 2021.</ref>
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===='''Gesetzliche Rahmenbedingungen der EU'''====
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Für die Europäische Union gilt seit 16.07.2022 die neue [https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/PDF/?uri=CELEX:32019R1009&from=ES Düngeprodukteverordnung] VO (EU) 2019/1009. Mit dieser wurden die Harmonisierungsrechtsvorschriften für die Bereitstellung von EU-Düngeprodukten auf dem Europäischen Binnenmarkt erweitert, z.B. um organische Düngemittel, die durch Pyrolyse- und Vergasungsverfahren hergestellt werden. Die Einordnung als Düngemittel ist nun unabhängig vom Herstellungsverfahren und richtet sich nach der Bewertung anhand der Produktfunktionskategorie (PFC) sowie der Komponentenmaterialkategorie (CMC). Den PFC und teilweise auch den CMC werden spezifische Eigenschaften wie Mindestgehalte an Nährstoffen, Löslichkeiten und Höchstgehalte an Schadstoffen zugeordnet. Somit ist Pflanzenkohle als Düngemittel bei entsprechender Berücksichtigung der neuen Anforderungen von PFC und CMF zulässig.  
  
====Die hydrothermale Carbonisierung====
+
===='''Rechtliche Regelungen für Düngemittel und Bodensubstrate in Deutschland'''====
 +
Die [https://www.gesetze-im-internet.de/d_mv_2012/D%C3%BCMV.pdf Düngemittelverordnung] (DüMV) regelt das Inverkehrbringen von Düngemitteln, Bodenhilfsstoffen, Kultursubstraten und Pflanzenhilfsmitteln. In Anlage 1 werden die zulässigen Düngemitteltypen sowie deren Mindestgehalte, Bestandteile und die Art der Herstellung definiert. Neue Ausgangsstoffe für die Herstellung von Düngemitteln müssen für eine Aufnahme in die Anhänge der DüMV beim BMEL (Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft) beantragt werden. In Deutschland ist Pflanzenkohle weder als Düngemittel noch als Bodenhilfsstoff anerkannt. Eintragungen in die deutsche Düngemittelliste erfolgen durch einen wissenschaftlichen Beirat für Düngungsfragen, der durch das BMEL zu benennen ist. Entscheidend für den Einsatz im Boden ist der Gehalt an Schwermetallen und organischen Schadstoffen (PAK, PCB, Dioxine, Furane) in der Pflanzenkohle. Um eine Freisetzung von Schadstoffen im Boden zu vermeiden, sind durch das [https://www.gesetze-im-internet.de/bbodschv/anhang_2.html Bundes-Bodenschutzgesetz] (BBodSchG) in der [https://www.gesetze-im-internet.de/bbodschv/ Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung] (BBodSchV) einzuhaltende Grenzwerte festgelegt<ref>Bundesministerium für Justiz (2023): BBodSchV: Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung Anlage 2 (https://www.gesetze-im-internet.de/bbodschv/anhang_2.html Stand 22.12.2022)</ref>. Parallel muss nach §4 Anlage 2 der DüMV auch die Einhaltung der Schadstoffgrenzen durch Schadstoffanalysen überprüft werden, um eine Belastung der Böden durch das Einbringen schädlicher Produkte zu verhindern.
  
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. <ref>[https://de.wikipedia.org/wiki/Pflanzenkohle#Hydrothermale_Carbonisierung ''Wikipedia:''] Hydrothermale_Carbonisierung, abgerufen 21. September 2021.</ref>
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===='''Rechtliche Voraussetzungen für die Anerkennung der Pflanzenkohle als Produkt'''====
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Für die Nutzung von Pflanzenkohle als Produkt aus Restbiomassen muss mit dem Pyrolyse-Prozess das Abfallende der Restbiomassen erreicht werden. Hierfür sind nach dem [http://www.gesetze-im-internet.de/krwg/index.html Kreislaufwirtschaftsgesetz] vier Grundvoraussetzungen zu erfüllen (§5 des KrWG)<ref>Bundesministerium für Justiz (2023): KrWG: Kreislaufwirtschaftsgesetz (http://www.gesetze-im-internet.de/krwg/index.html Stand 24.01.2023)</ref>:
  
Für das HTC-Verfahren eignen sich auch (im Gegensatz zur trockenen Pyrolyse) feuchte Biomassen, da sie für den Prozess nicht getrocknet werden müssen.
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#Im Vorfeld muss ein Verwendungszweck für den entstehenden Stoff festgelegt werden (z.B. die Verwendung von Pflanzenkohle als Bodenhilfsstoff).
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#Es gibt eine Nachfrage für das Produkt bzw. einen real existierenden Markt.
 +
#Das entstehende Produkt muss zudem alle technischen sowie rechtlichen Anforderungen für die vorgesehene Verwendung erfüllen (z.B. Qualitätskriterien durch Düngemittelverordnung; EBC-Zertifizierung).
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#Das Produkt darf keine schädlichen Auswirkungen auf Mensch oder Umwelt haben.
  
====Die vapothermale Carbonisierung====
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Eine Konkretisierung dieser Voraussetzungen kann, festgelegt durch Absatz 2, z.B. durch die Bestimmung von Schadstoffgrenzwerten oder Anforderungen an die Qualitätskontrollen erfolgen. Ob die Voraussetzungen erfüllt werden, hat der Pflichtadressat nach sorgfältiger Prüfung zu entscheiden. Die zuständige Abfallbehörde kann im Rahmen behördlicher Überwachung das Vorliegen der Voraussetzungen gem. § 5 KrWG überprüfen.
  
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. <ref>[https://de.wikipedia.org/wiki/Pflanzenkohle#Vapothermale_Carbonisierung ''Wikipedia:''] Vapothermale_Carbonisierung, abgerufen 21. September 2021.</ref>
+
Im Falle der weiteren Behandlung von Biomasse gelten neben dem Kreislaufwirtschaftsgesetz zudem folgende Verordnungen:  
  
====Kon-Tiki====
+
*BioAbfV (bei der Verwendung von Biomasse in Verbindung mit Bioabfällen)
 
+
*AbfKlärV (bei der Verwendung von Biomasse in Verbindung mit Klärschlamm, auch wenn zusätzlich Bioabfälle vorhanden sind)
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 (European Biochar Certification) zertifiziert werden. Eine energetische Nutzung entfällt in diesem Verfahren, jedoch lässt es sich als „low-tec“ Technologie dezentral bei geringen Investkosten einsetzen.<ref>[http://www.ithaka-institut.org/de/kon-tiki ''Kon-Tiki, Herstellung von Pflanzenkohle''], abgerufen am 23. September 2021.</ref>
 
 
 
====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. <ref>[https://www.umsicht-suro.fraunhofer.de/en/events-trade-fairs/20211/ePYRO_2021.html ''International eConference on Analytical and Applied Pyrolysis''], Apfelbacher, A.: Pyrolysis of residual biomass via thermo-catalyc reforming – experimental investigation of sewage sludge. Vortrag 2021.</ref>
 
 
 
Wie in Abb. 1 und 1a ersichtlich wird zunächst in einem Schneckenreaktor bei 450°C - 550°C aus der Restbiomasse (Trockengehalt >70%) eine Rohkohle erzeugt, die daraufhin über ein Koksbett bei 500°C - 750°C geführt wird. Neben einem hochwertigen, anthrazitartigen Substrat, mit 48 (gew.) % Kohlenstoffgehalt, entsteht durch Abkühlung der Dämpfe (Kondensation) zusätzlich ein thermisch stabiles Öl, welches hydrierbar ist bzw. als Motorenöl eingesetzt werden kann. Der Gasanteil wird gereinigt, der Wasserstoffanteil im verbleibenden Pyrolysegas liegt bei 30% - 42%.  Die hier genannten Prozessparameter gelten für die Erzeugung im Boden persistenter Pflanzenkohle und können je nach gewünschtem Endprodukt, wie beispielsweise für die energetische Nutzung und dem Ziel möglichst viel Synthesegas (Wasserstoff) zu erhalten, verändert werden.
 
 
 
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. <ref>[https://www.umsicht-suro.fraunhofer.de/en/events-trade-fairs/20211/ePYRO_2021.html ''International eConference on Analytical and Applied Pyrolysis''], Apfelbacher, A.: Pyrolysis of residual biomass via thermo-catalyc reforming – experimental investigation of sewage sludge. Vortrag 2021.</ref>
 
 
 
==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) technisch betrachtet für "Biokohlen" 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.
 
 
 
====Biomasse als Ausgangsstoff für Pflanzenkohle (Biomasse-Ströme)====
 
 
 
Grundlage für eine Nutzung von Biomasse ist die Kenntnis der Biomasse-Stoffströme in der Region. Grundlegend sollte dazu bekannt sein welche Biomassen in welchen Wirtschaftszweigen zur Verfügung stehen und wie viele davon nach derzeitig verfügbaren Techniken für die stoffliche und energetische Verwertung in Frage kommen, da nicht alle biogenen Stoffe und Abfälle zwangsläufig für alle Prozesse geeignet sind.
 
Einen Überblick über die Biomasse-Ströme in Sachsen-Anhalt bietet beispielsweise die umfangreiche [https://www.intecus.de/media/pdf/Biomassepotenzialstudie-WEB.pdf?1507211795/ Biomassepotenzialstudie von 2012]. Diese Studie ermittelte die derzeitigen Mengen und Entsorgungswege für biogene Stoffe und Abfälle aus ausgewählten Wirtschaftszweigen und zeigte Möglichkeiten der Optimierung in der Verwertung auf. Zudem konnte eine Steigerung der getrennt erfassten Mengen an Bio- und Grünabfällen festgestellt werden. Langfristiges Ziel soll die Erhöhung der Bio- und Grünabfallerfassung sowie der Ausbau der energetisch-stofflichen Entsorgung im Sinne einer Vergärung mit anschließender Kompostierung sein. Dafür wurde unteranderem innerhalb der Studie das technisch verfügbare und das frei verfügbare Potenzial zu diesem Zeitpunkt ermittelt.<ref>[https://www.intecus.de/media/pdf/Biomassepotenzialstudie-WEB.pdf?1507211795/ ''Biomassepotenzialstudie Sachsen-Anhalt 2012''], Biomassepotenzialstudie Sachsen-Anhalt, Biogene Stoffe und Abfälle in ausgewählten Wirtschaftszweigen, Ministerium für Landwirtschaft und Umwelt Sachsen-Anhalt,  Kurzbericht November 2012 S.25,28 </ref>
 
Zusätzlich dazu gibt es einen Überblick über die zu überlassenden Bioabfälle jährlich aktuell in der Abfallbilanz des jeweiligen Landes.
 
 
 
====Anforderungen an Ausgangsstoffe für Pflanzenkohle====
 
 
 
Die Eigenschaften von Pflanzen- oder Biokohle ergeben sich aus der Kombination von Ausgangsstoffen und dem Herstellungsprozess bzw. den Produktionsbedingungen. Dabei können durch die Auswahl der Ausgangsstoffe die Gehalte und Verfügbarkeiten an Nähr-und Schadstoffen in den Pyrolysesubstraten sowie deren Struktur und die Stabilität gesteuert werden. Je nach Ziel und angestrebter Nutzung im Boden müssen dann entsprechende Ausgangsstoffe für die Herstellung gewählt werden.
 
 
 
Entsprechend des gewählten Ausgangsstoffes variiert unter anderem der Kohlenstoffgehalt in der Pflanzen- oder Biokohle, was z.B. Auswirkungen auf die Wasserbindung oder die Sorptionseigenschaften haben kann. Der Kohlenstoffgehalt sollte in der Regel zwischen 50-80% liegen. Entscheidend für den Einsatz im Boden ist allerdings der Gehalt von organischen Schadstoffen und Schwermetallen (PAK, PCB, Dioxine, Furane) in der Kohle. Um eine Freisetzung dieser Schadstoffe im Boden zu vermeiden, dürfen die Einsatzstoffe für die Pflanzen- oder Biokohle nur zu bestimmten Anteilen Schadstoffe enthalten. Die Grenzwerte sind dazu in den nachfolgenden Gesetzen zu finden:
 
 
 
*Relevante Punkte aus dem Bundes-Imissionsschutzgesetz ([https://www.gesetze-im-internet.de/bimschg// BImSchG])<ref>[https://www.gesetze-im-internet.de/bimschg/ ''BImSchG''], Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge, Stand: 3.12.2020.</ref>
 
*Relevante Punkte aus dem Bundes-Bodenschutzgesetz ([https://www.gesetze-im-internet.de/bbodschg// BBodSchG])<ref>[https://www.gesetze-im-internet.de/bbodschg/ ''BBodSchG''], Gesetz zum Schutz vor schädlichen Bodenveränderungen und zur Sanierung von Altlasten, Stand: 25.2.2021.</ref>
 
 
 
*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.<ref>[https://www.european-biochar.org/media/doc/2/version_de_9_5.pdf ''European Biochar Certificate (EBC): Richtlinien für die nachhaltige Produktion von Pflanzenkohle''], Version 9.5G – Stand 1.08.2021 , S. 18.</ref><ref>[https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/texte_04_2016_chancen_und_risiken_des_einsatzes_von_biokohle.pdf ''UBA(Hrsg.): Chancen und Risiken des Einsatzes von Biokohle und anderer „veränderter“ Biomasse als Bodenhilfsstoffe oder für die C-Sequestrierung in Böden''], Dessau-Roßlau 2016, S. 6.</ref>
 
 
 
===Die Rahmenbedingungen zur Nutzung von Pflanzenkohle===
 
 
 
Es sind inzwischen Richtlinien für die Qualitätssicherung von Pflanzenkohle bekannt:
 
 
 
*[https://biochar-international.org/characterizationstandard/ International Biochar Initiative ihre IBI Guidelines for Biochar]
 
*[https://www.european-biochar.org 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.
+
Bei einer Anwesenheit tierischer Nebenprodukte in der Biomasse sind Hygieneanforderungen zu beachten.
  
*Muss der Substrateintrag in den Boden irgendwo gemeldet werden?
+
===='''Gesetzliche Anforderungen für die Errichtung und den Betrieb einer Pyrolyseanlage'''====
*Gibt es Unterschiede in der agrarischen Nutzung und der urbanen Nutzung zu beachten?
+
Die Bemessungsgrundlage zur Bestimmung der Art der Genehmigungspflicht einer Pyrolyseanlage erfolgt auf Basis des [https://www.gesetze-im-internet.de/bimschg/ Bundes-Immissionsschutzgesetzes] (BImSchG, Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge) anhand ihrer Durchsatzkapazität und der Art des Ausgangsstoffes. Eine Pyrolyseanlage gilt laut BImschG für die in Tabelle Nr.YX aufgelisteten Durchsatzkapazitäten als genehmigungspflichtig.<ref>Bundesministerium für Justiz (2023): BImSchG: Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge,  (https://www.gesetze-im-internet.de/bimschg/ Stand 3.12.2020)</ref>
 +
{| class="wikitable"
 +
|+Tabelle 1: Genehmigungsverfahren für Pyrolyseanlagen gemäß BImSchG.
 +
|'''Anlagenbeschreibung'''
 +
|'''Verfahrensart'''
 +
|-
 +
|10 Tonnen gefährliche Abfälle oder mehr je Tag
 +
| rowspan="3" |Genehmigungsverfahren gemäß § 10 BImSchG
 +
|-
 +
|weniger als 10 Tonnen gefährliche Abfälle je Tag
 +
|-
 +
|3 Tonnen nicht gefährliche Abfälle oder mehr je Stunde
 +
|-
 +
|weniger als 3 Tonnen nicht gefährliche Abfälle je Stunde, ausgenommen die Verbrennung von Altholz der Altholzkategorie A I und A II nach der Altholzverordnung vom 15. August 2002 (BGBl. I S. 3302), die zuletzt durch Artikel 6 der Verordnung vom 2. Dezember 2016 (BGBl. I S. 2770) geändert worden ist
 +
| rowspan="2" |Vereinfachte
  
====Ausgangsstoffströme (Feedstock)====
+
Genehmigungsverfahren gemäß § 19 BImSchG (ohne Öffentlichkeitsbeteiligung)
 +
|-
 +
|weniger als 3 Tonnen nicht gefährliche Abfällen je Stunde, soweit ausschließlich Altholz der Altholzkategorie A I und A II nach der Altholzverordnung verbrannt wird und die Feuerungswärmeleistung 1 Megawatt oder mehr beträgt.
 +
|}
  
*Pflanzenkohle aus Totholz
+
===='''Zertifikat zur Qualitätssicherung von Pflanzenkohle: EBC''' ====
*Pflanzenkohle aus Gärresten der Biogaserzeugung
+
Das European Biochar Certificate (EBC)<ref name=":2">EBC (2022) 'European Biochar Certificate – Richtlinien für die Zertifizierung von Pflanzenkohle', Ithaka Institute, Arbaz, Switzerland. (https://www.european-biochar.org/media/doc/2/version_de_10_2.pdf Stand 24.01.2023)</ref> ist ein freiwilliger Industriestandard in Europa. Urheber ist das schweizerische Ithaka-Institut, abgewickelt wird die Zertifizierung über Carbon Standard International (CSI). Ziele der EBC-Richtlinien sind:
*Pflanzenkohle aus Klärschlamm
 
*Pflanzenkohle aus Grünschnitt
 
*Pflanzenkohle tierischen Exkremente
 
  
====rechtliche Vorrausetzungen für die Anerkennung der Pflanzenkohle als Produkt====
+
*die wissenschaftlich stichhaltige, gesetzlich abgesicherte, wirtschaftlich verantwortbare und praktisch umsetzbare Kontrolle der Produktion und Qualität von Pflanzenkohle,
 +
*das Ermöglichen einer transparenten und nachvollziehbaren Kontrolle und Qualitätsgarantie für Anwender von Pflanzenkohle und Produkten auf Basis von Pflanzenkohle und
 +
*die Sicherstellung der nachhaltigen Produktion von Pflanzenkohle.
  
Gilt ein Stoff als Abfall unterliegt dieser dem sogenannte Abfallrecht. Im Falle der Behandlung von Biomasse gelten dementsprechend folgende Verordnungen:  
+
Da sich die Pflanzenkohle-Technologie weiterhin sehr rasch entwickelt, ist die EBC-Zertifizierung mit dieser wissenschaftlichen und technischen Dynamik eng verknüpft und wird jedes Jahr nach den neuesten Erkenntnissen und Entwicklungen überarbeitet. Auch Grenzwerte und Analysemethoden werden jeweils an die neuesten Erkenntnisse angepasst oder wenn nötig neu eingeführt. Im Rahmen der EBC-Zertifizierung existieren verschiedene Zertifizierungsstufen, die sich nach Art der Anwendung der Pflanzenkohle richten. Für die Anwendung von Pflanzenkohle in der Landwirtschaft existieren die Zertifizierungsstufen EBC-Agro und EBC-AgroBio, welche die Anforderungen an die aktuelle EU-Düngemittelverordnung erfüllen. Eine Übersicht über die verschiedenen Zertifizierungsstufen bietet die aktuelle Version der [https://www.european-biochar.org/media/doc/2/version_de_10_2.pdf European Biochar Certificate – Richtlinien für die Zertifizierung von Pflanzenkohle]. Durch die hohen Standards der EBC-Zertifizierung gilt z.B. die Zertifizierungsstufe EBC-AgroBio in der Schweiz als Voraussetzung für den Einsatz von Pflanzenkohle als Bodenverbesserer.
  
*BioAbfV (bei der Verwendung von Biomasse in Verbindung mit Bioabfällen)
+
Für die Herstellung von Pflanzenkohle sind alle Biomassen zugelassen, die auf der [https://www.european-biochar.org/media/doc/2/positivliste_de_2021_1.pdf EBC-Positivliste] verzeichnet sind. Sie dürfen dabei einzeln oder gemischt als Ausgangsstoff verwendet werden. Für jede EBC-Zertifizierungsklasse gelten jedoch bestimmte Einschränkungen (s. [https://www.european-biochar.org/media/doc/2/positivliste_de_2021_1.pdf EBC-Positivliste]). Des Weiteren darf die Art der Biomasse innerhalb einer Charge nicht verändert werden bzw. dürfen sich Mischungsverhältnisse um nicht mehr als 20 % verändern. Die Verwendung mineralischer Zusätze ist grundsätzlich gestattet (ausgenommen ist EBC-Futter), bei Zusatz von mehr als 10 % bezogen auf Pflanzenkohle-Masse wird jedoch eine Genehmigung durch CSI erforderlich<ref name=":2" />.
*AbfKlärV (bei der Verwendung von Biomasse in Verbindung mit Klärschlamm, auch wenn zusätzlich Bioabfälle vorhanden sind)
 
*KrWG
 
  
Bei einer Anwesenheit zusätzlicher tierischer Nebenprodukte in der Biomasse gelten zudem bestimmte Hygieneanforderungen, die einzuhalten sind.
+
Der Ablauf einer EBC-Zertifizierung gliedert sich grob in vier Abschnitte und wird überblicksartig in Tabelle 2 dargestellt (Details s. aktuelle Version der [https://www.european-biochar.org/media/doc/2/version_de_10_2.pdf European Biochar Certificate – Richtlinien für die Zertifizierung von Pflanzenkohle]<ref name=":2" />). Als grundsätzliche Anforderung an die Pyrolysetechnik muss zum einen die Nutzung der Abwärme oder Nutzung der flüssigen und gasförmigen Pyrolyseprodukte gewährleistet werden, zum anderen müssen national festgelegte Emissionsgrenzwerte eingehalten werden. Für die resultierende Pflanzenkohle gilt, dass sie alle Zertifizierungsklassen mindestens nach dem EBC-Basic-Analysepaket analysiert werden und festgelegte Grenzwerte einhalten muss. Darüber hinaus können weitere Analysevorgaben gelten, wie z.B. Analysen des EBC-Futterpakets für EBC-Futter.
 +
{| class="wikitable"
 +
|+'''Tabelle 2: Verfahren zur Zertifizierung von Pflanzenkohle gemäß EBC-Richtlinien'''<ref name=":2" />
 +
|'''Zertifizierungsschritt'''
 +
|'''Verfahren'''
 +
|-
 +
|Anmeldung zur Zertifizierung
 +
|<nowiki>-          Registrierung unter www.european-biochar.org</nowiki>
 +
|-
 +
|Technisches Voraudit
 +
| -          Durchführung durch Carbon Standard International
  
Bei Bedarf sollte allerdings geprüft werden ob für die verwendeten Ausgangsstoffe die Vorschriften des jeweiligen Gesetzes gelten, da in einigen Fällen Ausnahmeregelungen vorhanden sind. Speziell bei der Betrachtung des Kreislaufwirtschaftsgesetzes (KrWG) wurden diese im [https://www.gesetze-im-internet.de/krwg/__2.html/ §2 (2)] verfasst.
+
-          Ziel: Vorgaben des EBC hinsichtlich Probenahme und Gütesicherung auf Besonderheiten des Betriebs anpassen
  
Um die aus Biomasse entstandene Pflanzenkohle später nutzen zu können ist es rechtlich gesehen zunächst entscheidend, dass mit dem Pyrolyse-Prozess das Abfallende erreicht werden kann. Um das Ende der Abfalleigenschaft zu erlangen müssen gewisse Voraussetzungen erfüllt werden. Diese werden im [https://www.gesetze-im-internet.de/krwg/__5.html/§ 5 des KrWG] benannt. Ob die Voraussetzungen erfüllt werden können hat der Pflichtadressat nach sorgfältiger Prüfung zu entscheiden. Darüber hinaus kann die zuständige Abfallbehörde im Rahmen behördlicher Überwachung das Vorliegen der Voraussetzungen gem. § 5 KrWG überprüfen. Demzufolge ist der Kontakt/Austausch mit der zuständigen Abfallbehörde zu empfehlen, um festzustellen ob bei der konkreten Herstellung und beabsichtigten Verwendung überwachungsrechtliche Bedenken (Zweifel am Eintritt Abfallende) bestehen.
+
-          1. Schritt: Hochladen detaillierte technische Beschreibung und Flussdiagramme des Produktionsprozesses auf die EBC-Website
  
Damit die Pflanzenkohle als Produkt zur Bodenverbesserung anerkannt wird, ist neben der Erfüllung der Voraussetzungen für den Eintritt des Abfallendes auch die Aufnahme der Biokohle in die Düngemittelliste notwendig.
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-          2. Schritt: Klärung offener Fragen, technischer Details der Produktion und Umfang der Vor-Ort-Inspektion mit dem Ithaka-Institut  sowie Erarbeitung des Probenahmenplans
Für Anpassungen und Änderungen von Bundesgesetzen und – verordnungen, wie z. B. der [https://www.gesetze-im-internet.de/d_mv_2012// Düngemittelverordnung(DüMV)], liegt die Zuständigkeit beim Bund. Zur Herstellung von Düngemitteln dürfen nur die in der DüMV gelisteten Ausgangsstoffe verwendet werden. Demzufolge ist nur eine Nutzung von Holzkohlen aus unbehandelten Hölzern als Bestandteil von Düngemitteln zulässig. Neue Ausgangsstoffe müssen für eine Aufnahme in die Anhänge der DüMV von den jeweiligen Unternehmen beim BMEL (Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft) beantragt werden.
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|Probennahme- und analyse
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| -          Durchführung der Probennahme durch akkreditierten Probennehmer
  
Derzeit wird das genauere Prozedere, dass die Aufnahme der Pflanzenkohle in die Düngemittelverordnung ermöglichen soll, noch in Erfahrung gebracht. Neben der allgemeinen Betrachtung der Ausgangsstoffen muss auch die Einhaltung der Schadstoffgrenzen (siehe 4.1.1) innerhalb der Pflanzenkohle durch entsprechende Schadstoffanalysen überprüft werden, da das Einbringen von schädlichen Produkten in den Boden nicht zulässig ist.
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-          Probenanalyse in EBC-akkreditierten Labor
  
====Zertifikate====
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-          Aufbewahrung von regelmäßigen Rückstellproben  für mind. 2 Jahre
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|Langfristiger Qualitätssicherungsprozess
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|<nowiki>-          Benennung eines Qualitätsmanagers/ einer Qualitätsmanagerin  zur:</nowiki>
  
Eine Zertifizierung des entstanden Produktes (Pflanzenkohle) verdeutlicht die Akzeptanz des Produktrechts. Bis zum jetzigen Stand der Forschung konnte allerdings nur eine Zulassung für Pflanzenkohle aus Totholz erlangt werden.
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-          Durchführung von Maßnahmen zur Sicherung und Lenkung der Pflanzenkohle-Qualität
  
Das [http://www.ithaka-institut.org/ 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.
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-          Ordnungsgemäßen Dokumentation und Evaluierung des Betriebsprozesses
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==Fußnoten==
 
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Version vom 25. April 2023, 17:05 Uhr

Pflanzenkohle – Eigenschaften und Nutzung

Pflanzenkohle eignet sich zur Bodenverbesserung, ihre Gewinnung erfolgt aus Biomasse unter hohen Temperaturen und Druck, bei Ausschluss von Sauerstoff in einem Pyrolyseverfahren. Je nach Ausgangsmaterial, Pyrolyseprozess (Produktionstemperatur, -druck, -geschwindigkeit) und der Aufbereitung der Pyrolysesubstrate vor dem Einbringen in den Boden, variieren die Eigenschaften der Pflanzenkohle. So wird z.B. der Kohlenstoffanteil der Pflanzenkohle und damit weitere Eigenschaften, wie z.B. ihre Bodenverweildauer, durch die Produktionstemperatur bestimmt. Ebenso bestimmt der Pyrolyseprozess die spezifische Oberfläche, die Porengröße und -verteilung und damit die Wasserhaltekapazität der Pflanzenkohle, oder den pH-Wert und damit auch die für Pflanzen verfügbaren Nährstoffe.

Der Einsatz von Pflanzenkohle zur Bodenverbesserung

Das große Porenvolumen von Pflanzenkohle (PK) verbessert die Infiltrationseigenschaften und damit den Wasserrückhalt bei Starkregenereignissen (Wasserretention) sowie die Speicherfähigkeit von Nährstoffen. Sie reduziert Lachgasemissionen, optimiert den Pflanzenaufwuchs und erhöht die Mikroorganismen- und Humusbildung.

Die Aspekte der 'Bodenverbesserung durch Pflanzenkohle im Überblick:

  • Steigerung der Wasseraufnahme und -speicherfähigkeit insbesondere sandiger Böden
  • Steigerung des Porenvolumens und damit die verbesserte Bodengare (d.h. Bodenzustand) fester Böden
  • Förderung der Humusbildung
  • Vitalisierung des Edaphon (Bodenlebewesen)
  • Erhöhung der Pflanzenverfügbarkeit von Phosphor und Stickstoff
  • Stimulation des Wurzelwachstums
  • Ertragsstabilisierung in der Pflanzenproduktion
  • Reduktion von Lachgasemissionen durch Bindung von überflüssigem Stickstoff
  • Minderung von Nährstoffauswaschung und dadurch Reduktion der Nitratbelastung in Gewässern
  • Reduktion der Auswaschung von Schwermetallen in das Grundwasser

Stehen die bodenverbessernden Wirkungen nicht im Vordergrund, kann die TCR-Pyrolyse auf die energetische Nutzung von Biomasse optimiert werden (z.B. Fokus auf einen hohen Ertrag an Pyrolysegas).

Bodenverweildauer von Pflanzenkohle

O:C-Verhältnis im Zeitverlauf
Abb. 1: O:C-Verhältnis im Zeitverlauf [1]

Im Boden wird Pflanzenkohle durch heterotrophe Organismen (z.B. Pilze) abgebaut. Umweltfaktoren wie Bodentemperatur und -feuchtigkeit haben Einfluss auf die Aktivität von Organismen und somit auch auf die Verweildauer der Pflanzenkohle. Höhere Umgebungstemperaturen, ein oft wechselnder Wasserhaushalt (gesättigte und ungesättigte Phasen) und gefrorenes Wasser fördern dabei einen schnelleren Abbau. Für den mikrobiologischen Abbau der Pflanzenkohle gilt als Orientierung: je höher die Produktionstemperatur und damit der Kohlenstoffanteil der Pflanzenkohle, desto stabiler ist die Kohle gegenüber dem mikrobiellen Abbau (vgl. IPCC 2019[2]), siehe Abbildung (C-Abbaurate in Abhängigkeit der Pyrolysetemperatur).

Bodenverweildauer in Abhängigkeit der Pyrolysetemperatur
Abb. 2: Bodenverweildauer in Abhängigkeit der Pyrolysetemperatur[2]

Speziell das molare Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff (O:C Verhältnis) wurde in wissenschaftlichen Studien als ein robuster Indikator für die Einschätzung der Bodenverweildauer identifiziert. Lässt sich ein molares O:C Verhältnis < 0,2 feststellen, wie es sich u.a. durch hohe Pyrolysetemperaturen in Kombination mit einer optimierten Heizrate (hier speziell die Gleichmäßigkeit der Erhitzung), Kühlung und Lagerung erreichen lässt, handelt es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um eine Pflanzenkohle mit einer Bodenverweildauer (Halbwertszeit) von über 1000 Jahren (siehe Tab. 1).[3][4][5]

Beladung der Kohle

Die Pflanzenkohle sollte vor dem Einbringen in den Boden beladen werden, sonst besteht die Gefahr des Nährstoffentzuges. Wird Pflanzenkohle während der Kompostierung beigegeben, kann diese mit reichlich Nährstoffen aufgeladen werden (siehe Abb. 3). Ein Verhältnis zu Kompost von 1:10 bewirkt eine Zunahme von Mikroorganismen und dadurch eine Reduktion der Methanemissionen bei der Kompostierung. Zudem besteht die Möglichkeit der Zugabe von Pflanzenkohle zu Gülle oder Biogasgärresten, sodass die Nährstoffe in der Pflanzenkohle gespeichert werden, diese sind dadurch wurzelverfügbar und die Pflanze kann die Nährstoffe sukzessive aufnehmen.

Beladung der Pflanzenkohle mit Gärresten
Abb 3: Beladung der Pflanzenkohle mit Gärresten, bevor diese auf den Versuchsflächen ausgebracht werden.

Ertragssteigerung

Durch Einsatz von Pflanzenkohle kann die Nährstoffverfügbarkeit an der Pflanzenwurzel durch eine hohe Kationenaustauschkapazität (KAK) verbessert und gleichzeitig eine höhere Verfügbarkeit von Wasser und den darin enthaltenen Nährstoffen erzielt werden. Dies resultiert aus der großen spezifischen Oberfläche von ca. 300 qm pro Gramm  und die dadurch erzeugte hohe Adsorptionskapazität (AK). Zudem wird die Humusbildung gesteigert. Pflanzenkohle wirkt dadurch langfristig positiv auf die Bodenqualität. Andere vorteilhafte Aspekte der Pflanzenkohle sind anhand weiterer agronomischer Parameter erkennbar (siehe Abb. 4)[6]. Um die Wirksamkeit von Pflanzenkohle in der Pflanzenproduktion zu überprüfen, wurden im September 2021 in einem wissenschaftlichen Feldversuch beladene TCR-Pflanzenkohle und Gärrest ohne Pflanzenkohle in den Boden eingebracht und einem Kontrollstreifen gegenübergestellt. In Abbildung 5 ist die Wirkung der Pflanzenkohle in Form eines optimalen und gleichmäßigen Aufwuchses der Gelbsenf-Saat zu erkennen.

untersuchte Parameter nach Schmidt et al.
Abb 4: Ausgewählte Parameter mit höchster agronomischer Relevanz, die in den 26 überprüften Meta-Analysen untersucht wurden [vgl. Schmidt et. al 2021]. am 10.11.2021
Vergleich der Testflächen
Abb 5: Vergleich der Testflächen (mit Gärrest beladene Pflanzenkohle und Gärrest) am 10.11.2021

Wasserretention

Die Porösität von Pflanzenkohle aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche steigert den Wasserrückhalt. Die hohe Adsorptionskapazität (AK) stellt gleichzeitig im Wasser enthaltene Nährstoffe wurzelverfügbar. Das Edaphon wird belebt und steigert die Funktion des Wasserrückhaltes ebenfalls.

Reduktion von Lachgasemissionen

Wird in der Pflanzenproduktion zu viel stickstoffhaltiger Dünger verwendet oder zur falschen Zeit gedüngt, kann dieser nicht vollständig von den Pflanzen aufgenommen werden. Überschüssiger Stickstoff  wird von Mikroorganismen durch Nitrifikations- und Denitrifikationsvorgänge in Lachgas umgewandelt und es resultieren Treibhausgasemissionen. Durch die hohe Adsorptionsfähigkeit der im Boden eingebrachten Pflanzenkohle kann der überschüssige Stickstoff gebunden werden. Er ist dann in den zahl­rei­chen, kleinen Poren (< 100 nm) der Pflan­zen­koh­le stabil gebun­den und wird nur langsam und in kleinen Mengen beim Pflanzenwachstum aufgenommen. Für Mikroorganismen ist er damit nicht mehr frei verfügbar, die Wandlung in klimawirksames Lachgas wird unterbunden.

Phosphor-Verfügbarkeit

Phosphor-Verfügbarkeit in Abhängigkeit von Ausgangsstoffen
Abb. 6: Phosphor-Verfügbarkeit in Abhängigkeit von Ausgangsstoffen [7]

Die Metastudie von Glaser&Lehr (2019)[8] zu 25 Einzelstudien mit einem Umfang von 108 paarweisen Vergleichen zeigt, dass der Einsatz von Pflanzenkohle die Verfügbarkeit von Phosphor im Mittel um 460 % erhöht. Die Wirkung variiert in Abhängigkeit der Prozesstemperatur, der ausgebrachten Menge, dem Bodentyp und den Ausgangsstoffen. Während Pflanzenkohle aus Waldreststoffen keinen signifikanten Effekt auf die Verfügbarkeit von Phosphor hat, zeigt die Metaanalyse eine sehr große Wirkung bei Pflanzenkohle aus Tierexkrementen (580 %), biologischen Siedlungsresten (490 %) und Ernterückständen (320 %) wie in Abbildung 6 zu sehen ist. In der Metastudie zeigt die Wirkung von Klärschlamm-Karbonisaten eine große Streuung, welche auf die geringe Zahl an Studien (4) zurückgeführt wird. Das im Karbonisat enthaltene Phosphor ist aufgrund thermochemischer Prozesse nicht wasserlöslich und erst durch Säuren, die bei Humusbildung und Wurzelwachstum entstehen, pflanzenverfügbar.

Eignung der Böden

Hinsichtlich der Speicherfähigkeit für Wasser und Nährstoffe eignen sich besonders sandige Böden zum Einsatz von Pflanzenkohle, aufgrund der geringen spezifischen Oberfläche dieser Böden. Durch den Einsatz von Pflanzenkohle kann eine erhebliche Steigerung der Wasser- und Nährstoffspeicherung erzielt werden. Auch die Erhöhung der nutzbaren Feldkapazität (nFK, i.e. die Wassermenge, die ein Boden pflanzenverfügbar speichern kann) ist bei sandigen Böden zu beobachten. Lehmige bzw. tonige Böden hingegen besitzen bereits eine große spezifische Oberfläche und somit eine recht große natürliche Speicherfähigkeit, weshalb steigernde Effekte bezüglich des Wasserspeichervermögens durch Pflanzenkohle eher gering ausfallen. Vorteile bietet die Pflanzenkohle jedoch auch für diese Böden durch die Verbesserung der Durchlüftung.

Schwermetalle

Schwermetalle sind natürliche, jedoch gleichzeitig toxische Bestandteile des Bodens[9] und kommen auf natürliche Weise in allen Biomassen vor. Diese natürlichen Hintergrundkonzentrationen sind für Mensch und Umwelt i.d.R. unbedenklich und in geringen Dosen sogar lebenswichtig. Bodenbelastungen mit Schwermetallen über das natürliche Maß hinaus sind jedoch problematisch, da Schwermetalle nicht abgebaut, sondern maximal durch eine Umverteilung lokal gemindert oder den Stoffkreisläufen durch Immobilisierung entzogen werden.

Beispiele für Schwermetalle, die Böden belasten, sind Blei und Cadmium. Sie sind weit verbreitet und besonders toxisch. Blei ist im Boden wenig mobil und wird nur in Ausnahmefällen über Pflanzenwurzeln aufgenommen. Cadmium ist im Boden recht mobil und kann bei zu niedrigen pH- Werten oder geringen Humusgehalten leicht von der Vegetation aufgenommen werden, was zu einer Überschreitung von Lebensmittelricht- bzw. Futtermittelgrenzwerten führen kann.

Da bei der Pyrolyse organische Bestandteile zersetzt werden, Metalle aber nicht, kann es zu einer Aufkonzentration der Schwermetalle in der entstehenden Pflanzenkohle kommen. Nur wenige Schwermetalle gehen während der Pyrolyse in die Gasphase über (d.h. sie verdampfen und werden über die Gasreinigung der Pyrolyseanlage entfernt). Ein Beispiel wäre Quecksilber, das einen sehr niedrigen Siedepunkt (357 °C) aufweist, aber auch Cadmium bei Pyrolysetemperaturen über 600 °C (nicht publizierter Versuchsbericht Entsorgungsverband Saar, labortechnische Auswertung Klärschlammkarbonisate  des Zweckverbandes Niederfrohna). Bei der Suche nach möglichen Anwendungsgebieten von Pflanzenkohle wurde u.a. der Einsatz als kostengünstiges Schwermetall-Adsorber bei der Abwasseraufbereitung untersucht. Eine Studie belegt, dass Pflanzenkohle für die Schwermetall-Adsorption geeignet ist und teilweise sogar effizienter wirkt als Aktivkohle[10]. Schwermetalle werden, je nach Typ der Pflanzenkohle, über verschiedene Mechanismen, wie z.B. Komplexierung, physikalische Sorption, Fällung oder elektrostatische Wechselwirkungen gebunden. Um ein Einbringen von Schwermetallen in den Boden durch belastete Pflanzenkohle zu vermeiden, ist es wichtig, entsprechend unbelastetes Ausgangsmaterial für die Produktion zu verwenden. Dazu müssen von den Herstellern Qualitätsstandards, bspw. des EBC, eingehalten und überwacht werden (Analysen, Dokumentation der eingesetzten Biomassen und der Produktionsbedingungen). Wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass sogar auf mit Schwermetall belasteten Standorten durch Einsatz hochwertiger Pflanzenkohle ein entsprechend zugeschnittener Anbau von Pflanzen wieder möglich gemacht werden kann[11].

Weitere Anwendungsmöglichkeiten von Pflanzenkohle in der Landwirtschaft

Neben dem Einsatz von Pflanzenkohle zur Bodenverbesserung stellt die Zugabe von Pflanzenkohle in Kompostierungsprozessen ein weiteres Anwendungsgebiet dar. Eine Metaanalyse [12] aus dem Jahr 2020 zeigt, dass als Kompostadditiv eingesetzte Pflanzenkohle die Stickstoffverluste im Kompost um 30% sowie die Lachgasemissionen um 66% reduzieren kann. Durch den Einsatz der Kohle kann somit sowohl der Kompost aufgewertet als auch die Umweltbilanz der Kompostierung durch das Senken der Treibhausgasemissionen verbessert werden[12].

Ein weiteres Anwendungsgebiet für Pflanzenkohle in landwirtschaftlichen Betrieben ist die Zugabe als Anwendungshilfsmittel in Biogasanlagen. Wird die Pflanzenkohle dem Fermenter der Biogasanlage  zugegeben, können sich durch den Kohlenstoffgehalt und die große, feinporige Oberfläche der Pflanzenkohle methanbildende Mikroorganismen schneller vermehren. Dies trägt zu einer Steigerung des Methangehalts bei. Gleichzeitig zeigen Studien[13], dass die Beigabe von Pflanzenkohle die CO2- und Ammoniakemissionen des Prozesses verringert. Die anfallenden Gärreste, welche die mit Nährstoffen beladene Pflanzenkohle enthalten, können zudem als Bodenverbesserer auf landwirtschaftlichen Flächen ausgebracht werden und dort zum Humusaufbau beitragen.

Pflanzenkohle - die pyrolytischen Aufschlussverfahren

Bei der Pyrolyse wird Biomasse unter Ausschluss von Sauerstoff verkohlt. Die bodenverbessernden Eigenschaften der Pflanzenkohle lassen sich hierbei gezielt einstellen. Im Pyrolyseprozess entstehen Gas, Öle und Pflanzenkohle.

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. Mit der Entwicklung neuartiger Pyrolyseverfahren stehen nahezu alle Biomasseströme, technisch betrachtet, beinahe unkonditioniert (auch Restfeuchten über 50 gew.%) für die Herstellung von Pflanzenkohle zur Verfügung.

Anforderungen an Ausgangsstoffe für Pflanzenkohle

Die Eigenschaften von Pflanzenkohle ergeben sich aus der Kombination der Eigenschaften der eingesetzten Ausgangsstoffe und den Parametern des Herstellungsprozesses. Dabei können durch die Auswahl der Ausgangsstoffe die Gehalte und Verfügbarkeiten an Nähr- und Nebenstoffen in den Pyrolysesubstraten sowie deren Struktur und Stabilität variieren. Je nach Ziel und angestrebter Nutzung im Boden sollten entsprechende Ausgangsstoffe für die Herstellung gewählt werden. Folgende Ausgangsstoffe sind potentiell für eine qualitativ hochwertige Pflanzenkohle geeignet: Totholz, Gärreste der Biogaserzeugung, Reste aus der Pflanzenproduktion insbesondere Stroh, Klärschlamm, Grünschnitt, tierische Exkremente. Für eine Anwendung der Pflanzenkohle in der Landwirtschaft ist zu beachten, dass nur Ausgangsstoffe verwendet werden dürfen, die den Anforderungen der Düngeverordnung VO (EU) 2019/1009 entsprechen (s.u. Gesetzliche Rahmenbedingungen).

Die technische Pyrolyse

Die technische Pyrolyse wird 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.[14]

Das Thermokatalytische Reforming (TCR®)

Das Thermokatalytische Aufschlussverfahren (TCR®) erfolgt in zwei Prozessschritten. Für den Betrieb beider Stufen sind 10 – 15 % der im Einsatzstoff verfügbaren Energie notwendig.[15] Wie in Abb. 8 ersichtlich, wird zunächst in einem Schneckenreaktor bei 450 - 550 °C aus der Restbiomasse (Trockengehalt > 70 %) eine Rohkohle erzeugt, die daraufhin über ein Koksbett bei 500 - 750 °C geführt wird. Neben einem hochwertigen, anthrazitartigen Produkt, mit 48 gew.% Kohlenstoffgehalt, entsteht durch Abkühlung der Dämpfe (Kondensation) zusätzlich ein thermisch stabiles Öl, welches hydrierbar ist bzw. als Motorenöl eingesetzt werden kann. Der Gasanteil wird gereinigt, der Wasserstoffanteil im verbleibenden Pyrolysegas liegt bei 30 % - 42 %. Die hier genannten Prozessparameter gelten für die Erzeugung im Boden persistenter Pflanzenkohle und können je nach gewünschtem Endprodukt, wie beispielsweise für die energetische Nutzung und dem Ziel möglichst viel Synthesegas (Wasserstoff) zu erhalten, verändert werden. Für die Bodenverbesserung nutzbare Pflanzenkohle entsteht aus 50 gew.% der restfeuchten Ausgangsmasse. 30 gew.% der restfeuchten Ausgangsmasse sind energetisch nutzbar.[15]

In TCR®-Laborversuchen zeigt sich die Abhängigkeit der erhaltenen Output-Masse an Gas, Öl und Pflanzenkohle von der gewählten Prozesstemperatur. Mit zunehmender Prozesstemperatur, die für die Herstellung persistenter Pflanzenkohle benötigt wird (siehe Kapitel 1.2) reduziert sich die Masse der gewonnenen Pflanzenkohle sowie des im Prozess entstehenden Öls. Gleichzeitig steigt die Masse an gewonnenem Pyrolyse-Gas und die Verluste im Prozess werden minimiert. Die Output-Massen sind zudem abhängig vom gewählten Ausgangssubstrat und dem Silikatanteil dessen. Bei der Verwendung von Ausgangssubstraten mit einem höheren Silikatanteil, wie beispielsweise Stroh im Vergleich zu Holz, ist eine Steigerung der gewonnenen Masse Pflanzenkohle zu erwarten.

Technikumsanlage für das Thermokatalytische Reforming
Abb. 7: Technikumsanlage für das Thermokatalytische Reforming (TCR®)
Abb. 8: Schematische Darstellung TCR®-Prozess

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.[16]

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 je höher die Temperaturen gefahren werden, desto stabiler sind die HTC-Kohlen gegen mikrobiellen Abbau.[17] Für das HTC-Verfahren eignen sich auch (im Gegensatz zur trockenen Pyrolyse) feuchte Biomassen, da sie für den Prozess nicht getrocknet werden müssen.

Kon-Tiki

Im Gegensatz zu industriellen Pyrolyseverfahren wird hier mit offenem Feuer in einer tiefen Schale gearbeitet. Die thermodynamische Prozesssteuerung erfolgt durch thermische Strömungen in der tiefen Schale, wobei offenes Feuer und Hitze die Pyrolysegase weitgehend schadstofffrei abbauen. Das Substrat kann durch die European Biochar Certification (EBC) zertifiziert werden. Eine energetische Nutzung entfällt in diesem Verfahren, jedoch lässt es sich als „low-tec“ Technologie dezentral bei geringen Investkosten einsetzen.[18]

Pflanzenkohle – die gesetzlichen Rahmenbedingungen

Der Einsatz veränderter Biomassereststoffe, hier Pflanzenkohle, als Düngeprodukt oder für die CO2-Sequestrierung in Böden, bedarf der Berücksichtigung rechtlicher Rahmen­bedingungen. Hier gibt es sowohl europäische als auch  nationale Vorschriften. Grundsätzlich können Hersteller bei der Bereitstellung von Düngeprodukten zwischen zwei Optionen wählen:

  • EU-Düngeprodukte mit einer CE-Kennzeichnung nach der Verordnung (EU) 2019/1009 oder
  • nach nationalem Recht hergestellte und zugelassene Düngemittel (in Deutschland Düngemittelverordnung).

Voraussetzung für eine Verwendung der CE-Kennzeichnung ist das erfolgreiche Durchlaufen des Konformitätsbewertungsverfahrens (i.S.d. Art. 15 i.V.m. Anhang IV VO (EU) 2019/10091). Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Pflanzenkohle einem freiwilligen Zertifizierungsprozess zu unterziehen, entweder gemäß EBC (EU) oder IBI (USA).

Gesetzliche Rahmenbedingungen der EU

Für die Europäische Union gilt seit 16.07.2022 die neue Düngeprodukteverordnung VO (EU) 2019/1009. Mit dieser wurden die Harmonisierungsrechtsvorschriften für die Bereitstellung von EU-Düngeprodukten auf dem Europäischen Binnenmarkt erweitert, z.B. um organische Düngemittel, die durch Pyrolyse- und Vergasungsverfahren hergestellt werden. Die Einordnung als Düngemittel ist nun unabhängig vom Herstellungsverfahren und richtet sich nach der Bewertung anhand der Produktfunktionskategorie (PFC) sowie der Komponentenmaterialkategorie (CMC). Den PFC und teilweise auch den CMC werden spezifische Eigenschaften wie Mindestgehalte an Nährstoffen, Löslichkeiten und Höchstgehalte an Schadstoffen zugeordnet. Somit ist Pflanzenkohle als Düngemittel bei entsprechender Berücksichtigung der neuen Anforderungen von PFC und CMF zulässig.

Rechtliche Regelungen für Düngemittel und Bodensubstrate in Deutschland

Die Düngemittelverordnung (DüMV) regelt das Inverkehrbringen von Düngemitteln, Bodenhilfsstoffen, Kultursubstraten und Pflanzenhilfsmitteln. In Anlage 1 werden die zulässigen Düngemitteltypen sowie deren Mindestgehalte, Bestandteile und die Art der Herstellung definiert. Neue Ausgangsstoffe für die Herstellung von Düngemitteln müssen für eine Aufnahme in die Anhänge der DüMV beim BMEL (Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft) beantragt werden. In Deutschland ist Pflanzenkohle weder als Düngemittel noch als Bodenhilfsstoff anerkannt. Eintragungen in die deutsche Düngemittelliste erfolgen durch einen wissenschaftlichen Beirat für Düngungsfragen, der durch das BMEL zu benennen ist. Entscheidend für den Einsatz im Boden ist der Gehalt an Schwermetallen und organischen Schadstoffen (PAK, PCB, Dioxine, Furane) in der Pflanzenkohle. Um eine Freisetzung von Schadstoffen im Boden zu vermeiden, sind durch das Bundes-Bodenschutzgesetz (BBodSchG) in der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) einzuhaltende Grenzwerte festgelegt[19]. Parallel muss nach §4 Anlage 2 der DüMV auch die Einhaltung der Schadstoffgrenzen durch Schadstoffanalysen überprüft werden, um eine Belastung der Böden durch das Einbringen schädlicher Produkte zu verhindern.

Rechtliche Voraussetzungen für die Anerkennung der Pflanzenkohle als Produkt

Für die Nutzung von Pflanzenkohle als Produkt aus Restbiomassen muss mit dem Pyrolyse-Prozess das Abfallende der Restbiomassen erreicht werden. Hierfür sind nach dem Kreislaufwirtschaftsgesetz vier Grundvoraussetzungen zu erfüllen (§5 des KrWG)[20]:

  1. Im Vorfeld muss ein Verwendungszweck für den entstehenden Stoff festgelegt werden (z.B. die Verwendung von Pflanzenkohle als Bodenhilfsstoff).
  2. Es gibt eine Nachfrage für das Produkt bzw. einen real existierenden Markt.
  3. Das entstehende Produkt muss zudem alle technischen sowie rechtlichen Anforderungen für die vorgesehene Verwendung erfüllen (z.B. Qualitätskriterien durch Düngemittelverordnung; EBC-Zertifizierung).
  4. Das Produkt darf keine schädlichen Auswirkungen auf Mensch oder Umwelt haben.

Eine Konkretisierung dieser Voraussetzungen kann, festgelegt durch Absatz 2, z.B. durch die Bestimmung von Schadstoffgrenzwerten oder Anforderungen an die Qualitätskontrollen erfolgen. Ob die Voraussetzungen erfüllt werden, hat der Pflichtadressat nach sorgfältiger Prüfung zu entscheiden. Die zuständige Abfallbehörde kann im Rahmen behördlicher Überwachung das Vorliegen der Voraussetzungen gem. § 5 KrWG überprüfen.

Im Falle der weiteren Behandlung von Biomasse gelten neben dem Kreislaufwirtschaftsgesetz zudem folgende Verordnungen:

  • BioAbfV (bei der Verwendung von Biomasse in Verbindung mit Bioabfällen)
  • AbfKlärV (bei der Verwendung von Biomasse in Verbindung mit Klärschlamm, auch wenn zusätzlich Bioabfälle vorhanden sind)

Bei einer Anwesenheit tierischer Nebenprodukte in der Biomasse sind Hygieneanforderungen zu beachten.

Gesetzliche Anforderungen für die Errichtung und den Betrieb einer Pyrolyseanlage

Die Bemessungsgrundlage zur Bestimmung der Art der Genehmigungspflicht einer Pyrolyseanlage erfolgt auf Basis des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImSchG, Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge) anhand ihrer Durchsatzkapazität und der Art des Ausgangsstoffes. Eine Pyrolyseanlage gilt laut BImschG für die in Tabelle Nr.YX aufgelisteten Durchsatzkapazitäten als genehmigungspflichtig.[21]

Tabelle 1: Genehmigungsverfahren für Pyrolyseanlagen gemäß BImSchG.
Anlagenbeschreibung Verfahrensart
10 Tonnen gefährliche Abfälle oder mehr je Tag Genehmigungsverfahren gemäß § 10 BImSchG
weniger als 10 Tonnen gefährliche Abfälle je Tag
3 Tonnen nicht gefährliche Abfälle oder mehr je Stunde
weniger als 3 Tonnen nicht gefährliche Abfälle je Stunde, ausgenommen die Verbrennung von Altholz der Altholzkategorie A I und A II nach der Altholzverordnung vom 15. August 2002 (BGBl. I S. 3302), die zuletzt durch Artikel 6 der Verordnung vom 2. Dezember 2016 (BGBl. I S. 2770) geändert worden ist Vereinfachte

Genehmigungsverfahren gemäß § 19 BImSchG (ohne Öffentlichkeitsbeteiligung)

weniger als 3 Tonnen nicht gefährliche Abfällen je Stunde, soweit ausschließlich Altholz der Altholzkategorie A I und A II nach der Altholzverordnung verbrannt wird und die Feuerungswärmeleistung 1 Megawatt oder mehr beträgt.

Zertifikat zur Qualitätssicherung von Pflanzenkohle: EBC

Das European Biochar Certificate (EBC)[22] ist ein freiwilliger Industriestandard in Europa. Urheber ist das schweizerische Ithaka-Institut, abgewickelt wird die Zertifizierung über Carbon Standard International (CSI). Ziele der EBC-Richtlinien sind:

  • die wissenschaftlich stichhaltige, gesetzlich abgesicherte, wirtschaftlich verantwortbare und praktisch umsetzbare Kontrolle der Produktion und Qualität von Pflanzenkohle,
  • das Ermöglichen einer transparenten und nachvollziehbaren Kontrolle und Qualitätsgarantie für Anwender von Pflanzenkohle und Produkten auf Basis von Pflanzenkohle und
  • die Sicherstellung der nachhaltigen Produktion von Pflanzenkohle.

Da sich die Pflanzenkohle-Technologie weiterhin sehr rasch entwickelt, ist die EBC-Zertifizierung mit dieser wissenschaftlichen und technischen Dynamik eng verknüpft und wird jedes Jahr nach den neuesten Erkenntnissen und Entwicklungen überarbeitet. Auch Grenzwerte und Analysemethoden werden jeweils an die neuesten Erkenntnisse angepasst oder wenn nötig neu eingeführt. Im Rahmen der EBC-Zertifizierung existieren verschiedene Zertifizierungsstufen, die sich nach Art der Anwendung der Pflanzenkohle richten. Für die Anwendung von Pflanzenkohle in der Landwirtschaft existieren die Zertifizierungsstufen EBC-Agro und EBC-AgroBio, welche die Anforderungen an die aktuelle EU-Düngemittelverordnung erfüllen. Eine Übersicht über die verschiedenen Zertifizierungsstufen bietet die aktuelle Version der European Biochar Certificate – Richtlinien für die Zertifizierung von Pflanzenkohle. Durch die hohen Standards der EBC-Zertifizierung gilt z.B. die Zertifizierungsstufe EBC-AgroBio in der Schweiz als Voraussetzung für den Einsatz von Pflanzenkohle als Bodenverbesserer.

Für die Herstellung von Pflanzenkohle sind alle Biomassen zugelassen, die auf der EBC-Positivliste verzeichnet sind. Sie dürfen dabei einzeln oder gemischt als Ausgangsstoff verwendet werden. Für jede EBC-Zertifizierungsklasse gelten jedoch bestimmte Einschränkungen (s. EBC-Positivliste). Des Weiteren darf die Art der Biomasse innerhalb einer Charge nicht verändert werden bzw. dürfen sich Mischungsverhältnisse um nicht mehr als 20 % verändern. Die Verwendung mineralischer Zusätze ist grundsätzlich gestattet (ausgenommen ist EBC-Futter), bei Zusatz von mehr als 10 % bezogen auf Pflanzenkohle-Masse wird jedoch eine Genehmigung durch CSI erforderlich[22].

Der Ablauf einer EBC-Zertifizierung gliedert sich grob in vier Abschnitte und wird überblicksartig in Tabelle 2 dargestellt (Details s. aktuelle Version der European Biochar Certificate – Richtlinien für die Zertifizierung von Pflanzenkohle[22]). Als grundsätzliche Anforderung an die Pyrolysetechnik muss zum einen die Nutzung der Abwärme oder Nutzung der flüssigen und gasförmigen Pyrolyseprodukte gewährleistet werden, zum anderen müssen national festgelegte Emissionsgrenzwerte eingehalten werden. Für die resultierende Pflanzenkohle gilt, dass sie alle Zertifizierungsklassen mindestens nach dem EBC-Basic-Analysepaket analysiert werden und festgelegte Grenzwerte einhalten muss. Darüber hinaus können weitere Analysevorgaben gelten, wie z.B. Analysen des EBC-Futterpakets für EBC-Futter.

Tabelle 2: Verfahren zur Zertifizierung von Pflanzenkohle gemäß EBC-Richtlinien[22]
Zertifizierungsschritt Verfahren
Anmeldung zur Zertifizierung -         Registrierung unter www.european-biochar.org
Technisches Voraudit -         Durchführung durch Carbon Standard International

-         Ziel: Vorgaben des EBC hinsichtlich Probenahme und Gütesicherung auf Besonderheiten des Betriebs anpassen

-         1. Schritt: Hochladen detaillierte technische Beschreibung und Flussdiagramme des Produktionsprozesses auf die EBC-Website

-         2. Schritt: Klärung offener Fragen, technischer Details der Produktion und Umfang der Vor-Ort-Inspektion mit dem Ithaka-Institut sowie Erarbeitung des Probenahmenplans

Probennahme- und analyse -         Durchführung der Probennahme durch akkreditierten Probennehmer

-         Probenanalyse in EBC-akkreditierten Labor

-         Aufbewahrung von regelmäßigen Rückstellproben für mind. 2 Jahre

Langfristiger Qualitätssicherungsprozess -         Benennung eines Qualitätsmanagers/ einer Qualitätsmanagerin zur:

-         Durchführung von Maßnahmen zur Sicherung und Lenkung der Pflanzenkohle-Qualität

-         Ordnungsgemäßen Dokumentation und Evaluierung des Betriebsprozesses

Fußnoten

  1. Spokas, K. A. (2010): Review of the stability of biochar in soils: predictability of O:C molar ratios, Carbon Management 1(2), 289-303]
  2. 2,0 2,1 IPCC (2019): Appendix4: Method for Estimating the Change in Mineral Soil Organic Carbon Stocks from Biochar. Refinement to the 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories https://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2019rf/pdf/4_Volume4/19R_V4_Ch02_Ap4_Biochar.pdf
  3. European Biochar Certificate (2021): Richtlinien für die nachhaltige Produktion von Pflanzenkohle Version 9.5.G S. 18 (https://+www.european-biochar.org/media/doc/2/version_de_9_5.pdf Stand 01.08.2021)
  4. UBA (2016): Chancen und Risiken des Einsatzes von Pflanzenkohle und anderer „veränderter“ Biomasse als Bodenhilfsstoffe oder für die C-Sequestrierung in Böden, Dessau-Roßlau 2016, S. 6.  (https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/chancen-risiken-des-einsatzes-von-biokohle-anderer Stand 24.01.2023)
  5. Spokas, K. A. (2010): Review of the stability of biochar in soils: predictability of O:C molar ratios, Carbon Management 1(2), 289-303]
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