TCR Pyrolyse
Inhaltsverzeichnis
Pflanzenkohle – Herstellung und Nutzung
Sogenannte Pflanzenkohle wirkt bodenverbessernd (siehe 1.1). Ihre Gewinnung erfolgt aus Biomasse unter Hitze und Druck, bei Ausschluss von Sauerstoff (siehe 1.2).
Je nach Ausgangsmaterial, Produktionsverfahren (Produktionstemperatur und -geschwindigkeit) und Vorbehandlung vor dem Einbringen in den Boden variieren die Pflanzenkohleeigenschaften.
Der Grad der Kondensierung (abhängig von der Produktionstemperatur) bestimmt z.B. die Gehalte an Kohlenstoff (der der Atmosphäre dauerhaft entzogen wird), Nährstoffen, die Wasserhaltekapazität, die spezifische Oberfläche, Porosität und den pH-Wert der Pflanzenkohle.
Der Einsatz von Pflanzenkohle zur Bodenverbesserung
Es werden verschiedene Effekte der Bodenverbesserung beobachtet. Der Nutzwert kann gewichtet werden, z.B.: auf die Optimierung von Wasserrückhalt nach Starkregenereignissen (Wasserretention), der Speicherfähigkeit von Nährstoffen, der Bodenbindung von Treibhausgasen und anderen Schadstoffen, dem optimierten Pflanzenaufwuchs und erhöhter Mikroorganismen- und Humusbildung oder der energetischen Nutzung.
Die Nennungen für die neue Frage 5 sind:
- die Verbesserung der Wasseraufnahme und- Speicherfähigkeit trockener und sandiger Böden
- Vegrößerung des Porenvolumens und Verbesserung der Bodengare fester Böden
- die CO2 Entnahme aus der Atmosphäre zur Bodenverbringung
- langfristige Speicherung von Kohlenstoff
- Förderung der Humusbildung
- Bindung von Lachgas durch Humusbildung
- Erhöhung der Pflanzenverfügbarkeit von Phosphor und mineralischem Stickstoff im Boden
- Minderung von Nährstoffauswaschung und Nitratbelastung im Grundwasser
- Vitalisierung des Edaphon (Bodenlebewesen)
- Ertragsstabilisierung bei Kulturpflanzenanbau
- Stimulation des Wurzelwachstums
- Minderung der Verfügbarkeit von Schwermetallen im Boden
Für eine Verbesserung des Pflanzenaufwuchs muss die Pflanzenkohle, welche ein Trägermittel für Nährstoffe und Habitat für Mikroorganismen darstellt, physikalisch und/oder biologisch aufgeladen werden.
Zusätzlich besitzt die Pflanzenkohle das Potenzial Kohlenstoff im Untergrund zu binden. Das im Pflanzenaufwuchs gebundene CO2, kann demnach in Form der Pflanzenkohle über lange Zeiträume im Boden verbleiben
- Abb. 01: Durch geführte Pyrolyseprozesse können die Pyrolysesubstrate gezielt auf gewünschte Anforderung, wie z.B. die Bodenart, optimiert werden.
Im Folgenden werden die Haupteigenschaften der BioKohle beschrieben.
Bodenverweildauer
In Feldversuchen wurde bestätigt, dass der Abbau der BioKohle im Boden über den Zeitverlauf abnimmt. Generell steuert der C- Anteil in den BioKohlen die Verweildauer, die generelle Verweildauer im Boden steigt mit dem C-Anteil.
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. Je höher die Produktionstemperatur desto stabiler ist die Kohle gegenüber dem mikrobiellen Abbau.
- Abb. 02: Die Kohlenstoff-Speicherung in Boden als Indikator für die Zeitstandsfestigkeit der BioKohle im Boden.
Rückstände nach Abbau sind z.B. Silikate, je nach Ausgangssubstrat?
Schadstoffe wie Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe - PAK können sich durch reguläre BioKohle nicht im Boden anreichern, da die BioKohle Sicherheitsqualitäten erfüllt (siehe 2.1.1).
Ertragssteigerung
Die Nährstoffverfügbarkeit an der Pflanzenwurzel wird gesteigert (hohe Kationenaustauschkapazität - KAK), kombiniert mit einer höheren Verfügbarkeit von Wasser und den darin enthaltenen Nährstoffen (spezifische Oberfläche von 300 m² pro Gramm erzeugt hohe Adsorptionskapazität - AK).
- Abb. 03: Die Bodenverfügbarkeit von Phosphor bei Einsatz von BioKohle aus verschiedenen Biomasse - feedstocks.
Die Humusbildung wird durch diverse positive Einflüsse auf das Bodensubstrat gesteigert und wirkt langfristig positiv auf die Bodenqualität.
- Abb. 04: Die Biomassebilanz im Pflanzenaufwuchs ist in Abhängigkeit der Varietät positiv, aber auch negativ.
- Abb. 05: Durchweg positiven Biomassezuwachs zeigt die Nutzung im Forst.
Wasserretention
Porosität des Substrates steigert den Wasserrückhalt direkt in der Aktivkohle, die hohe Adsorptionskapazität (AK) stellt gleichzeitig im Wasser enthaltene Nährstoffe wurzelnah zur Verfügung.
Das Edaphon wird belebt und steigert die Funktion des Wasserrückhaltes weiter.
Agrarische und urbane Nutzung
- Wie erfolgt eine effiziente Aufladung der Aktivkohle – bzw. welche Pyrolyseparameter und Nähstoffkombinationen passen zu welcher Bodenart?
- Welche Substratmengen sind je Nutzfläche erforderlich?
Abhängig von der jeweiligen angebauten Kultur werden zwischen 10 und 120 t Biokohle pro Hektar in den Boden eingebracht.
Die Biokohle sollte eventuell vor dem Einbringen in den Boden aktiviert/aufgeladen werden, sonst Gefahr des Nährstoffentzuges im Boden. Auch eine Vorbehandlung (z.B. mahlen der Kohle) ist zu empfehlen.
Aktivierung der Kohle durch:
- Beimischung in den Kompost
Wird Biokohle während der Kompostierung beigegeben kann diese mit reichlich vielen Nährstoffen aufgeladen werden. (bei einem Verhältnis der Biokohle zum Kompost von 1:10 kann zusätzlich eine Zunahme von Microorganismen hervorgerufen und Emissionen bei der Kompostierung verringert werden).
- Zugabe zum Mineraldünger, zur Gülle oder Biogasgärresten
Eignung der Böden
Hinsichtlich der Speicherfähigkeit für Wasser und Nährstoffe eigen sich eher sandige Böden zum Einsatz für Biokohle, da sandige Böden eine geringe spezifische Oberfläche besitzen und dort eine erhebliche Steigerung durch die große spezifische Oberfläche der Biokohle erzielt werden kann. Lehmige bzw. tonige Böden hingegen besitzen bereits eine große spezifische Oberfläche und somit eine recht große natürliche Speicherfähigkeit, weshalb steigernde Effekte eher gering ausfallen würden.
Auch die Erhöhung der nutzbare Feldkapazität (nFK) ist bei sandigen Böden stärker zu beobachten. Nur bei Boden mit hohem organischem Anteil ist keine Steigerung der nFK zu erkennen. Punkten kann die Biokohle bei tonigen Böden durch die Verbesserung der Durchlüftung des Bodens.
- Welche Verfahren zur Einarbeitung sind erprobt bzw. werden empfohlen? (Gerät zur Bodenbearbeitung, saisonnale und Wetterbedingungen)
BioKohle - die pyrolytischen Aufschlussverfahren
Die bodenverbessernden Eigenschaften der BioKohle lassen sich gezielt einstellen. Es bestehen Abhängigkeiten zwischen den folgenden drei Faktoren: eingesetzte Ausgangs-Biomasse, Parameter der Pyrolyse und Bodenart. Diese Abhängigkeiten lassen sich durch die Wahl der Pyrolyseparameter aufeinander abstimmen. So lässt sich Biomasse mit hohem Restfeuchtegehalt bei Auswahl hoher Drücke und Temperaturen direkt zu Langzeit beständiger Kohle pyrolysieren, wenn dies z.B. am Markt gefordert ist.
- Abb. 06: Der Pyrolyseprozess als steuerndes Bindeglied zwischen upstream (Biomasse) und downstream (Substrat optimiert auf…)
Im Prozess entstehen Gas, Flüssigkeiten und Biokohle.
Die technische Pyrolyse
Die Technische Pyrolyse wurde seit den 90iger Jahren entwickelt, um jegliche an Land wachsende Biomasse mit Restfeuchten bis zu 50 gew. % bei Temperaturen zwischen 380°C und 1000 °C zu Pflanzenkohle und Synthesegas zu pyrolysieren. Das Synthesegas wird hierbei zum Prozesserhalt und für die energetische Nutzung eingesetzt. Es entsteht sehr feinporige Pflanzenkohle. [1]
Die hydrothermale Carbonisierung
Die Hydrothermale Carbonisierung (HTC) erfolgt unter Zugabe von Wasser bei ca. 20 bar und Temperaturen ab 180°C. Je länger die Verweilzeiten und höher die Temperaturen gefahren werden, desto stabiler gegen Mikrobiellen Abbau sind die HTC-Kohlen. [2]
Für das HTC-Verfahren eignen sich auch (im Gegensatz zur trockenen Pyrolyse) feuchte Biomassen, da sie für den Prozess nicht zwangsläufig getrocknet werden müssen.
Die vapothermale Carbonisierung
Die Vapothermale Carbonisierung (VTC) setzt Wasserdampf für eine schnellere und effizientere Prozessteuerung 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. [3]
Kon-Tiki
Im gegensatz zu industriellen Pyrolyseverfahren wird hier mit offenem Feuer in einer tiefen Schale gearbeitet. Die Thermodynamische Prozessteuerung erfolgt durch thermische Strömungen in der tiefen Schale, wobei offenes Feuer und Hitze die Pyrolysegase weitgehend Schadstofffrei abbauen. Das Substrat kann EBC premium zertifiziert werden. Eine energetische Nutzung entfällt in diesem Verfahren, jedoch lässt es sich als „low-tec“ Technologie dezentral bei geringem Invest einsetzen.[4]
Das thermokatalytische Reforming
Das Thermokatalytische Aufschlussverfahren erfolgt in zwei Prozessschritten, wobei in einem Schneckenreaktor bei 450°C eine Rohkohle erzeugt wird, die im zweiten Schritt über einem Koksbett bei 600°C geführt wird. Der Wasserstoffanteil im Pyrolysegas liegt bei 20%. Neben einer hochwertigen, Anthrazitartigen Substrat, mit 48 (gew.) % Kohlenstoffgehalt, entsteht ein thermische stabile Öl, welches hydrierbar ist bzw. als Motorenöl eingesetzt werden kann.
Für die Bodenverbesserung nutzbares Substrat entsteht 50 gew % der restfeuchten Ausgangsmasse, 30 gew % der restfeuchten Ausgangsmasse sind energetisch nutzbar und dritteln sich in Gas, Öl und Koks. Es sind 10 – 15% der im Einsatzstoff verfügbaren Energie für den Betrieb beider Prozessstufen nötig. [5]
BioKohle – die gesetzlichen Rahmenbedingungen
Die Rahmenbedingungen zur Herstellung von BioKohle
Mit Entwicklung neuartiger Pyrolyseverfahren stehen nahezu alle Biomasseströme, nahezu unkonditioniert (auch Restfeuchten über 50 gew. %, siehe 1.2.3) für BioKohle zur Verfügung. Dies bedeutet jedoch, dass ein Großteil der Inhaltsstoffe (z.B. Silikate) und potenziellen Schadstoffe (z.B. Schwermetalle) in der BioKohle, mehr oder weniger, gebunden sind.
Anforderungen an Ausgangsstoffe für BioKohle
- Relevante Punkte aus dem Bundes-Imissionsschutzgesetz (BImSchG)[6]
- Relevante Punkte aus dem Bundes-Bodenschutzgesetz (BBodSchG)[7]
- 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 BioKohle
Das Molare H/C Verhältnis muss zwischen 0,1 und 0,6 liegen, für eine bodentaugliche BioKohle.[8][9]
Die Rahmenbedingungen zur Nutzung von BioKohle
Es sind inzwischen Richtlinien für die Qualitätssicherung von BioKohle bekannt:
- International Biochar Initiative ihre IBI Guidelines for Biochar
- European Certificate for Biochar, EBC
Im Folgenden werden die grundlegenden Rahmenbedingungen zur Nutzung von BioKohle aufgeführt.
Anforderungen an BioKohle 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 BioKohle 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 BioKohle schnell die zulässigen Nährstoffgehalte im Boden erreicht, aber nur Bruchteile dieser Nährstoffe Pflanzenverfügbar sind, woraus ein reduzierter Pflanzenaufwuchs bei Einsatz von BioKohle gemäß BBodSchG resultiert.
- Muss der Substrateintrag in den Boden irgendwo gemeldet werden?
- Gibt es Unterschiede in der agrarischen Nutzung und der urbanen Nutzung zu beachten?
Ausgansstoffströme (Feedstock)
- BioKohle (Pflanzenkohle) aus Totholz
- BioKohle (Pflanzenkohle) aus Gärresten der Biogaserzeugung
- BioKohle (Pflanzenkohle) aus Klärschlamm
- BioKohle (Pflanzenkohle) aus Grünschnitt
- BioKohle (Pflanzenkohle) tierischen Exkremente
Zertifikate
Das Ithaka Institute for Carbon Strategies bietet eine Zertifizierung nach European Biochar Certification - EBC an, inklusive C-Senke Registrierung, Vor- Ort-Inspektion und Laboranalyse der BioKohle.
Fußnoten
- ↑ Wikipedia: Technische Pyrolyse, abgerufen 21. September 2021.
- ↑ Wikipedia: Hydrothermale_Carbonisierung, abgerufen 21. September 2021.
- ↑ Wikipedia: Vapothermale_Carbonisierung, abgerufen 21. September 2021.
- ↑ Kon-Tiki, Herstellung von Pflanzenkohle, abgerufen am 23. September 2021.
- ↑ International eConference on Analytical and Applied Pyrolysis, Apfelbacher, A.: Pyrolysis of residual biomass via thermo-catalyc reforming – experimental investigation of sewage sludge. Vortrag 2021.
- ↑ BImSchG, Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge, Stand: 3.12.2020.
- ↑ BBodSchG, Gesetz zum Schutz vor schädlichen Bodenveränderungen und zur Sanierung von Altlasten, Stand: 25.2.2021.
- ↑ European Biochar Certificate (EBC): Richtlinien für die nachhaltige Produktion von Pflanzenkohle, Version 9.5G – Stand 1.08.2021 , S. 18.
- ↑ 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.
