Pflanzenkohle (PK) - Ein Missing Link für das 1,5°C-Ziel

Gliederung

• Landwirtschaft als Dienstleistung für Umwelt, Klima, Erneuerbare Energie und Nahrungsmittel
• Emissionen aus der Landwirtschaft
• Pflanzenkohle – ein Material mit System
• Eigenschaften von Pflanzenkohle
• Der Weg zur Reduktion der landwirtschaftlichen Emissionen
• Referenzen
• Informationen zu den Autoren

Landwirtschaft als Dienstleistung für Umwelt, Klima, Erneuerbare Energie und Nahrungsmittel

Die globalen Anstrengungen zur Energiewende fokussieren sich meist auf die Sektoren Elektrizität, Wärmeversorgung und Mobilität. Sind diese auf 100% Erneuerbare umgestellt, dann ist – so die vorherrschende Meinung - die Energiewende vollendet. Leider werden dabei oft die rund 25% Restemissionen aus der Landwirtschaft vergessen. Diese lassen sich nicht allein durch PV, Wind- oder Wasserkraft reduzieren, sondern es sind andere Technologien und Methoden gefragt. Hierbei kommt der Pflanzenkohle (PK) eine Schlüsselrolle zu – ihr steht wahrscheinlich eine ähnlich disruptive Entwicklung wie der Photovoltaik bevor. Sie wird eine saubere Revolution der Landwirtschaft bewirken.

Emissionen aus der Landwirtschaft

Der landwirtschaftliche Sektor ist derzeit für rund 25% der weltweiten Treibhausgasemission verantwortlich [1 ]. Hauptursachen sind Tierhaltung, fehlgeleitete Landnutzungsänderungen, Einsatz fossiler Treibstoffe für Landmaschinen und synthetische Düngemittel. Trotz dieses Zustands besteht kaum politischer Wille den landwirtschaftlichen Sektor zu wesentlichen Emissionsminderungen zu verpflichten. Dabei könnte mit den richtigen Weichenstellungen die Landwirtschaft das Klima schützen, statt zu belasten. Denn mangels großtechnischer Lösungen, sind es nur Bäume, sonstige Pflanzen und Algen, die CO₂ in klimarelevanten Mengen aus der Atmosphäre entziehen können. Ein Schlüssel zur Rettung des Klimas liegt also in einer Landwirtschaft, welche dem Planeten zu mehr Biomasse verhilft und den so gewonnenen Kohlenstoff langfristig im Boden und in neuen Bio-Materialien speichert.

Die Bewirtschaftung von Ackerboden sowie die Nutzung landwirtschaftlicher Erzeugnisse verursacht durch verschiedene Prozesse Treibhausgas-Emissionen:

• Lachgas (N₂O) – Emissionen aus verdichteten, überdüngten Böden sowie Tierhaltung
• Methan (CH₄) und Ammoniak (NH3) aus der Tierhaltung und Düngung
• CO₂ und CH₄ aus schlecht belüfteter Kompostierung sowie der Nachgärung von Gärprodukten aus Biogasanlagen
• CO₂ aus Landmaschinen mit Verbrennungsmotoren

Lachgas und Methan haben ein ca. 300 bzw. 30mal größeres Treibhaus-Potential (Global Warming Potential GWP). Bis auf die Umstellung der Landmaschinen auf elektrischen Antrieb [2], sind kaum effektive Ansätze bekannt, um die enormen Emissionen aus der Landwirtschaft erheblich zu reduzieren.

Im Jahre 2012 betrugen die landwirtschaftlichen Treibhausgas-Emissionen in Deutschland 12,9 % der Gesamtemissionen, also etwa 123 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalente (CO₂eq) [10 ]. Diese Gesamtmenge setzte sich im Wesentlichen zusammen aus den Emissionen der Tierhaltung (67,5 Mio. t CO₂eq), aus der Düngung landwirtschaftlicher Flächen (12 Mio. t CO₂eq), den CO₂-Emissionen aus der Verbrennung von fossilen Treib- und Brennstoffen in landwirtschaftlichen Maschinen und Gebäuden (6,2 Mio. t CO₂eq) sowie Landnutzungsänderungen (37,5 Mio. t CO₂eq) [10 ].

Bei einer landwirtschaftlichen Nutzfläche von 16,7 Millionen Hektar (ha) in Deutschland entspricht dies einer Emissionsmenge von 7,4 t CO₂eq pro Hektar. Anders gesagt, auf einer landwirtschaftlichen Nutzfläche von 1,5 ha (1,5 Fußballfelder) werden ebenso viel Klimagase ausgestoßen wie ein Deutscher Bürger im Inland verursacht.

Pflanzenkohle – ein Material mit System

Pflanzenkohle (PK) ist ein aus biologischen Reststoffen thermisch hergestelltes Material, das mindestens 50% Kohlenstoff in seiner Trockenmasse aufweist. Im European Biochar Certificate (EBC) [3 ], das vom Ithaka-Institut entwickelt wurde, sind umfassende Qualitätsparameter in den Stufen basic und premium sowie die entsprechenden Prüfverfahren definiert. Relevante Schadstoffbelastungen von zertifizierten PKs können somit ausgeschlossen werden.

Das klassische thermische Verfahren zu Herstellung von PK ist die Pyrolyse, das kontrollierte Erhitzen unter Luftausschluss. Je nach Prozesstemperatur, Aufheizrate und Verweilzeit ergeben sich für jedes verwendete Ausgangsmaterial unterschiedliche Qualitäten der drei Pyrolyseprodukte

• Pflanzenkohle (PK) – feste Fraktion – ca. 30%
• Pyrolyseöl – flüssige Fraktion – ca. 40%
• Pyrolysegas – gasförmige Fraktion – ca. 30%

Das Material muss zuvor auf ca. 20% Wassergehalt getrocknet werden, sodass während des Trocknungsprozesses auch Wasser produziert wird, das landwirtschaftlich genutzt werden kann. Ein wichtiger Aspekt in trockenen Gebieten und in Zeiten des Klimawandels.

Da die PK bei ausreichendem Verkohlungsgrad Hunderte oder sogar Tausende Jahre im Boden stabil ist [4 ], kann der CO₂-Gehalt der Atmosphäre aktiv reduziert werden. Wir füllen quasi die Kohleflöze auf intelligente Weise wieder auf. Die Technik hat somit negative THG-Emissionen. In Abbildung 1 sind der Ausgangsstoff Stroh und die daraus produzierte PK zu sehen.

Das einfachste Verfahren, um PK herzustellen, ist der Kon-Tiki [5 ], ein open source design des Ithaka-Instituts (siehe Abbildung 2). Dieser konische Stahlbehälter ist an die Erdmeiler angelehnt, die vermutlich von den Ureinwohnern Amazoniens verwendet wurden, um die sehr fruchtbare Terra Preta zu erzeugen, die auf dem Einsatz von PK beruht [6 ]. Da das Design frei verwendbar ist, sind weltweit bereits tausende Kon-Tiki in über 70 Ländern im Einsatz, um mit minimalem Kapitalbedarf PK zu erzeugen und Kohlenstoff dauerhaft im Boden zu binden.

Abbildungen 2: Manuell betriebener Kon-Tiki-Pyrolyseofen. Mit aufgeschichtetem Kamin zum Anfeuern.

Dafür wird zunächst durch einen an der Oberseite entzündeten Stapel Brennholz ein Feuer entfacht und dann auf dem Boden verteilt. Dies stellt die „Anschubenergie“ für den Prozess dar. Nun wird eine dünne Lage des zu verkohlenden Substrats auf dem Flammenteppich verteilt. Dieses trocknet dort zunächst vollständig durch Abgabe von Wasserdampf. Anschließend steigt die Temperatur weiter auf bis zu 700° C, es treten gasförmige Substanzen aus: Das (bei der hohen Temperatur noch gasförmige) Pyrolyseöl und das Pyrolysegas. Da beide brennbar sind und von oben Sauerstoff an die Oberfläche gelangt, brennen diese Gase ab und heizen die Prozesszone. Diese Ausgasung und Verbrennung von Pyrolyseöl und -gas schreiten bis zur vollständigen Entgasung fort, es bleibt reine Pflanzenkohle zurück.

Ohne Veränderung der Prozessbedingungen würde die PK mit dem von oben reichlich vorhandenen Sauerstoff zu Asche ausglühen. Das Einsetzen dieses Prozesses ist an weißen Stellen auf der PK-Oberfläche zu erkennen. Um die vollständige Oxidation zu vermeiden, muss nun der Sauerstoff von der heißen PK ferngehalten werden. Dies geschieht durch das Auflegen der nächsten dünnen Schicht Substrat. Da diese nun sofort anfängt, zu trocknen und auszugasen, wird der gesamte Sauerstoff für die Verbrennung der neuen Pyrolyseöle und -gase benötigt und die heiße PK unterhalb des Feuerteppichs ist effektiv vor Sauerstoffzufuhr und damit der Verbrennung geschützt. So werden im Laufe des Prozesses quasi immer „neue Deckel“ mit frischem Substrat aufgelegt, um die PK vor Sauerstoff zu schützen und damit zu erhalten [7 ].

Sobald der Kon-Tiki komplett mit PK gefüllt ist, wird er von unten mit Wasser befüllt. Diesen Prozess nennt man auch Quenching. Die Kohle wird abgekühlt und ihre Poren werden durch den entstehenden Wasserdampf von Resten der Pyrolysegase gereinigt.
Durch diesen sehr simplen Prozess, der innerhalb kürzester Zeit erlernt werden kann [8 ], lassen sich innerhalb weniger Stunden einige Kubikmeter PK von hoher Qualität herstellen.

Industrielle Anlagen mit kontinuierlicher Beschickung sind ebenfalls auf dem Markt verfügbar, siehe Abbildung 3. Hier gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Ansätze für Vorbehandlung, Beschickung, Transportsystem, Beheizung, Nachbehandlung und Energierückgewinnung. Die Entwicklung einer robusten und kostengünstigen Anlagentechnik in verschiedenen Durchsätzen ist eine der spannenden Schlüsselfragen für den weltweiten Durchbruch der PK. Bisher kostet eine Tonne PK ca. 600-1000 €, diese hohen Preise erinnern an die Photovoltaik in den 80er Jahren. Damit die PK ähnliche Preisreduktionen wie die PV erlebt, muss die Anlagentechnik sowie die Businessmodelle für PK-Produkte schnell weiterentwickelt werden. Unter anderem dafür wurde 2017 der Fachverband Pflanzenkohle gegründet (fachverbandpflanzenkohle.org).

Eigenschaften von Pflanzenkohle

Die erzeugte PK hat je nach Substrat unterschiedliche Eigenschaften, jedoch ist sie stets sehr porös und erinnert an Aktivkohle mit inneren Oberflächen von ca. 200-300 m2/g (Aktivkohle: >900 m2/g), siehe Abbildung 4.

Die große Porosität erklärt einige der positiven Eigenschaften der PK:
• Wasserspeicherung
• Nährstoffspeicherung
• Adsorption und Immobilisierung von Schadstoffen
• Lockerung und Belüftung des Bodens
• Habitat für Mikroorganismen

Anders als Grillkohle, die traditionell in sehr langsamen Prozessen in Erd- oder Metallmeilern ohne anschließende Dampfreinigung hergestellt wird, sind die Poren der PK sehr sauber. In Grillkohle sind diese mit verschiedenen schädlichen Verbindungen (z.B. PAK) verstopft, die beim Grillen das typische (leider gesundheitsschädliche) Aroma freisetzen. Für die stoffliche Anwendung z.B. in der Landwirtschaft ist Grillkohle daher völlig ungeeignet.

Zudem muss Pflanzenkohle vor der Anwendung im Boden aufgeladen werden. Dafür wird die PK mit flüssigen Nährstoffen vermischt, sodass sich die Poren mit Nährstoffen (vor allem Stickstoff) füllen können. Dies geschieht am einfachsten mit Gülle sowie durch die Verfütterung an Vieh, die Einbringung in die Stallunterlage oder durch eine Mit-Kompostierung (bis zu 50% PK Anteil im Kompost).
Würde unbeladene PK in den Boden eingebracht, würde diese zunächst die Nährstoffe aus dem Boden binden, und die Pflanzen werden unterversorgt. Daher darf ausschließlich mit Nährstoffen beladene, saubere PK in den Boden eingebracht werden. Kohle ist nicht gleich Kohle, auch wenn sie auf den ersten Blick gleich aussieht.

Um optimale Synergieeffekte bei der Nutzung von PK zu erhalten, kann diese konsequent in die landwirtschaftliche Prozesskette eingespeist werden (siehe Abbildung 5). Zum einen optimiert PK die biologischen Prozesse in der Kompostierung und sorgt damit für besonders effektive Pflanzerden und Substrate, die z.B. auf städtischen Grünflächen eingesetzt werden können. Zum anderen erhöht PK die Silagequalität durch Beschleunigung der Fermentationsreaktionen (Reduktion von Schimmelbildung), bevor sie die Tiergesundheit und Futterverwertung (durch lediglich 1% PK-Zusatz zum Tierfutter) steigert. Als Einstreu bindet PK Gerüche (Ammoniak-Emissionen) und verbessert die Luftqualität im Stall. Gleichzeitig wird die Kohle biologisch aufgeladen. Als Zusatz in Gülle- und Jauchegruben werden Nährstoffe gespeichert, unangenehme Gerüche gebunden und das Produkt wird stapelbar [13 ]. Letzteres ist ein wesentlicher Vorteil für die Behandlung der enormen Güllemengen, für die sonst aufwändig Behälter gebaut werden müssen. Mit ausreichend PK versetzt, kann Gülle in Big Bags gelagert und die Emissionen erheblich reduziert werden. Die verminderte Ammoniak-Ausgasung bedeutet dabei nicht nur geringere Geruchsbelästigung, sondern auch die Verminderung von Nährstoffverlusten (Stickstoff) und Klimagasen. Anschließend wird die aufgeladene PK in die Böden ausgebracht und steigert dort Ertrag und Stressresistenz von Pflanzen.

Die mit organischen Nährstoffen angereicherte Pflanzkohle wird dann nicht etwa flächig ausgebracht, sondern konzentriert direkt in die Wurzelzone der Pflanzen appliziert. Positive Effekte dieser Wurzelapplikation [9] in geringen Dosen von 0,5 – 2 t PK/ha wurde bereits in mehr als 100 Feldtests weltweit demonstriert. Während nährstoffarme, tropische Böden mit durchschnittlich mehr als 100% Ertragssteigerung besonders stark profitieren, sind für besser versorgte europäische Böden Ertragssteigerungen im Bereich von 10 - 20% realistisch.

PK ermöglicht damit im biologischen Anbau gleiche oder bessere Erträge als mit Kunstdünger. Insbesondere Entwicklungsländer können sich damit aus dem Würgegriff der Agrochemie lösen und durch selbst vor Ort erzeugte PK-Produkte gesunde Lebensmittel mit hohen Erträgen erzeugen und gleichzeitig durch Negativemissionen das Klima schützen. Die PK hat damit eine enorme basisdemokratische Dimension, die auch aktiv Fluchtursachen bekämpft, da die Landbevölkerung wieder größere Wertschöpfung erzielen kann, die nicht an Pestizid- und Kunstdüngerindustrie abgeführt werden müssen.

Der Weg zur Reduktion der landwirtschaftlichen Emissionen

Im Zuge des Abkommens von Paris im Dezember 2015 (COP21) hat sich Deutschland verpflichtet, seine Treibhausgas-Emissionen bis 2030 um 50 % gegenüber 1990 zu senken. Ohne substanzielle Reduktionen der landwirtschaftlichen THG-Emissionen wird dieses Ziel jedoch nicht erreichbar sein. Die derzeit diskutierten Maßnahmen wie die Ausbringung von Gülle mit Schleppschläuchen, Güllelagerabdeckung, reduziertes Kraftfutter oder elektrische Traktoren haben jedoch nur ein verhältnismäßig geringes Einsparpotential [11 ]. Maßnahmen wie Humusaufbau (also eine Zunahme des Bodenkohlenstoffgehalts), Mischkulturen, Agroforst, Güllefermentierung und der Einsatz von Pflanzenkohle haben deutlich höhere Einsparpotentiale [12 ]. Wegen ihrer Komplexität sind sie bisher nur zaghaft von der traditionellen Agrarwissenschaft untersucht worden und entsprechend wenig in den politischen Diskussionen präsent. Auch verteidigt die Agrar- und Agrochemielobby bisher ihre Investitionen, sprich ihre konventionellen Geschäftsmodelle, wodurch ökologische Innovationen, die weniger finanzstarke Advokaten haben, bisher eher von einzelnen Pionieren oder Bürgergesellschaften vorangetrieben werden. All dies ändert jedoch nichts an dem Faktum, dass das 1.5°C-Ziel, ebenso wie die Klimaneutralität Deutschlands, mittel- und langfristig nur dann zu erreichen sind, wenn die Land- und Forstwirtschaft de facto mehr CO₂ aus der Atmosphäre entziehen und speichern als emittieren.

In einem Folgeartikel werden wir die Potenziale des Climate Farming bzw. Landwirtschaft 5.0 zur Kohlenstoff-Sequestrierung in Deutschland und global quantifizieren sowie die Verbindung von Photovoltaik und Pflanzenkohle zur Solarpyrolyse vorstellen.

Referenzen

[1] Allen M, Barros V, Broome J, Cramer W, Christ R, et al. 2014. IPCC fifth assessment synthesis report - Climate Change 2014 synthesis report.

[2] https://www.ke-next.de/antriebstechnik/traktor-mit-elektroantrieb-282.html, abgerufen am 29.7.2018

[3] http://www.european-biochar.org/en, abgerufen am 29.7.2018

[4] Zimmerman AR, Gao B. 2013. The Stability of Biochar in the Environment. In: Ladygina N and Rineau F (eds) Biochar and Soil Biota. Boca Raton, 1–40

[5] http://www.ithaka-institut.org/de/ct/113, abgerufen am 26.7.2018

[6] http://www.ithaka-journal.net/terra-preta-modell-einer-kulturtechnik, abgerufen am 29.7.2018

[7] Schmidt HP, Taylor P. 2014. Kon-Tiki flame curtain pyrolysis for the democratization of biochar production. the Biochar Journal 1: 14–24

[8] http://www.ithaka-journal.net/kon-tiki-die-demokratisierung-der-pflanzenkohleproduktion, abgerufen am 29.7.2018

[9] http://www.ithaka-journal.net/wurzelapplikation, abgerufen am 29.7.2018

[10] Lünenbürger B. 2012. Klimaschutz und Emissionshandel in der Landwirtschaft. Umweltbundesamt

[11] Peter S. 2011. Entwicklung der landwirtschaftlichen Stickstoff-Emissionen bis im Jahr 2020. Agrarforschung Schweiz 2: 162–169

[12] Lal R, Negassa W, Lorenz K. 2015. Carbon sequestration in soil. Current Opinion in Environmental Sustainability 15: 79–86. DOI: 10.1016/j.cosust.2015.09.002

[13] Schmidt H-P, Pandit BH, Cornelissen G, Kammann CI. 2017. Biochar-Based Fertilization with Liquid Nutrient Enrichment: 21 Field Trials Covering 13 Crop Species in Nepal. Land Degradation and Development 28: 2324–2342. DOI: 10.1002/ldr.2761

Informationen zu den Autoren

Prof. Dr. rer. nat. Daniel Kray
Dipl.-Physiker, promovierte am Fraunhofer ISE über Photovoltaik, arbeitete ab 2009 in der PV-Industrie und ist seit 2012 Professor für Erneuerbare Energien an der Hochschule Offenburg mit den Schwerpunkten PV und Pflanzenkohle.
Daniel Kray ist seit 1997 Mitglied des SFV und seit dem 10.11.2018 zweiter Vorsitzender des SFV.

Hans-Peter Schmidt
Gründungsdirektor des schweizerischen Ithaka Institute for Carbon Strategies. Mit seinem Institut entwickelt und verwirklicht er Konzepte klimapositiver Landwirtschaft in Europa, Asien und Lateinamerika. Er leitet die European Biochar Foundation und ist Editor des Biochar Journal.