Pflanzenkohle als Negativ-Emissionstechnologie

Wenn es um den Aspekt der Negativ-Emissionen von Pflanzenkohle geht, spricht man von PyCCS (Pyrogenic Carbon Capture and Storage). Dies bedeutet: Über Photosynthese eingefangener Kohlenstoff wird mittels Pyrolyse dauerhaft beständig gemacht. Diesen Kohlenstoff gilt es nun zu lagern (C-Senke) und am besten gleichzeitig zu nutzen (Zusatznutzen). Denn Kohlenstoff ist ein wertvoller Rohstoff für den Einsatz in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen – allen voran in Bodenanwendungen und Baustoffen. Genau dieser Zusatznutzen der Pflanzenkohle macht PyCCS zu einer wirklich schlauen Idee und unterscheidet den Ansatz fundamental von Negativemissionslösungen, deren einziger Zweck es ist, CO₂ einzulagern und die damit ein reiner „cost-case“ sind.

Damit sich Pflanzenkohle positiv auf das Klima auswirken kann, ist die Gesamtbilanz von Biomassegewinnung, Pyrolyse, Weiterverarbeitung und Anwendung entscheidend. Nur wenn diese insgesamt klimapositiv ausfällt, kann man von einer echten C-Senke sprechen.

Abb 1 ―In einer Hand voll Pflanzenkohle sind ungefähr 300g Kohlenstoff dauerhaft aus der Atmosphäre entzogen und gespeichert.                 

© Fachverband Pflanzenkohle •

Seit einigen Jahren gibt es für Pflanzenkohle ein Qualitätssicherungssystem: Das Europäische Pflanzenkohle Zertifikat (EBC) [1]. Es wurde im Juni 2020 um den neuen Standard zur Zertifizierung von Kohlenstoffsenken ergänzt [2]. Damit ist eine wissenschaftlich fundierte Basis für eine Quantifizierung der C-Senkenleistung durch Pflanzenkohle vorhanden. Die wichtigsten Elemente sind:

• Die Gewinnung der Biomasse muss klimaneutral sein.
• Emissionen aus dem Pyrolyseprozess müssen in Abzug gebracht werden.
• Emissionen aus dem Transport und gegebenenfalls aus der Weiterverarbeitung der Pflanzenkohle müssen ebenfalls subtrahiert werden.
• Die schlussendliche Pflanzenkohle-Anwendung bestimmt die Dauerhaftigkeit der C-Senke, so muss z.B. bei der Bodenanwendung ein jährlicher Zerfall angenommen werden, bei der Anwendung im Beton oder Asphalt ist das nicht nötig.

Abb 2 ―  Bei der Pyrolyse von Holz oder anderer Biomasse entstehen Pyrolysegas, ein Pyrolyse-Öl und Pflanzenkohle – die Prozessführung bestimmt die Aufteilung auf die drei möglichen Endprodukte. © EBI  •

Eine der größten Stärken der Pflanzenkohle ist ihre Stabilität. Sie ist sehr dauerhaft und wird kaum biologisch oder chemisch zersetzt. Für die Klimawirkung einer Kohlenstoffsenke macht es einen erheblichen Unterschied, ob eine Tonne Kohlenstoff nur über 30 Jahre gespeichert wird (z.B. bei der Aufforstung) oder über Jahrhunderte stabil bleibt (z.B. Pflanzenkohle).

Abb. 3 vergleicht Speicherkurven unterschiedlicher Kohlenstoffsenken. Die Stabilität des Humus ist von der Bewirtschaftung des Bodens abhängig, die Aufforstung wiederum vom Klima selbst – von der Abwesenheit von Dürre und Bränden. Letztere werden jedoch durch den Klimawandel häufiger.

Die Anwendung von Pflanzenkohle in landwirtschaftlichen Böden wird schon seit Beginn des Jahrtausends als Methode zur Bindung und Speicherung von Kohlenstoff diskutiert. Zahlreiche wissenschaftliche Arbeiten haben sich seither mit der Persistenz des Kohlenstoffs im Boden beschäftigt [3, 4, 5, 6] und gezeigt, dass die mittlere Verweildauer des Pflanzenkohle-Kohlenstoffs im Boden höher als die aller anderen organischen Kohlenstoffverbindungen ist [7, 8, 9, 10]. Bei den Baustoffen geht die Wissenschaft von einem Abbau gleich Null aus, da die Pflanzenkohle keinerlei mikrobieller Zersetzung ausgesetzt ist. Die langfristige Speicherung ist somit grundsätzlich sichergestellt, was eine rigorose Bilanzierung der Pflanzenkohle-basierten Kohlenstoffsenken ermöglicht.

Abb 3 ―Kohlenstoffsenken-Vergleich hinsichtlich Speicherkurve – in allen Fällen wurde angenommen, dass im Maximum 30 Tonnen CO₂-Äquivalente gebunden sind.  © EBI  •

Weitere Vorteile der Pflanzenkohle als NET

• Potenzial: Pyrolyse kann einen Großteil der pflanzlichen Kohlenstoffverbindungen in äußert stabile Formen umwandeln. Biomasse in Form von Rest- und Abfallstoffen ist in großem Ausmaß vorhanden. Potenzialabschätzungen zeigen, dass allein in der EU ein Senkenvolumen von 255 Millionen Tonnen CO₂ innerhalb von 15 Jahren erreichbar ist. Dies ist ein absolut relevantes Potenzial.
• Umsetzbarkeit: Die Pyrolyse-Technologie ist heute bereits kommerziell verfügbar und kann leicht skaliert werden. Die Logistik für Biomasse steht, sie muss „nur“ von der reinen Verbrennung zu der aus Klimasicht deutlich sinnvolleren Pyrolyse umgelenkt werden.
• Modularität: Pflanzenkohle ist großtechnisch und auch kleinteilig realisierbar. Die Erfolgsgeschichte der Photovoltaik zeigt, dass gerade modulare Lösungen schnell skaliert werden können und dabei Kosten stark reduziert werden.
• Schutz der Ökosysteme: Bei einer angemessenen Qualitätssicherung (z. B. EBC-Richtlinien) bestehen keine ökologischen Risiken. Zudem ist Pflanzenkohle leicht zu transportieren und dezentral herstellbar.
• Kohlenstoff-Effizienz: mit der aktuellen Anlagentechnik werden heute 20 bis 60 Prozent des Kohlenstoffs in der Pflanzenkohle gebunden. Wird zusätzlich auch das Pyrolyse-Öl abgeschieden, lässt sich mit PyCCS eine Kohlenstoffspeicherung von bis zu 70 Prozent realisieren. Der jeweils verbleibende Kohlenstoffanteil wird energetisch genutzt, um daraus z.B. Strom und Wärme zu erzeugen.
• Kosten: Pflanzenkohle hat einen Primärnutzen. Die C-Senkenleistung ist ein Zusatznutzen. Daher leisten schon Vergütungen ab 100 Euro/Tonne CO₂ einen signifikanten Beitrag zum Business Case und begünstigen den Einsatz von Pflanzenkohle. Kohlenstoffsenken-Zertifikate auf Basis von Pflanzenkohle, wie beispielsweise von der Carbonfuture GmbH, leisten heute schon einen wichtigen Beitrag zur Skalierung des Pflanzenkohlemarkts.

Anwendungsmöglichkeiten und Zusatznutzen von Pflanzenkohle

Die Einsatzmöglichkeiten von Pflanzenkohle reichen von der Landwirtschaft, über Stadtbaum-Pflanzsubstrate bis hin zu Baumaterialien und vielen weiteren Anwendungen. Eine Vielzahl von praktischen Erfahrungen und unzählige wissenschaftliche Publikationen belegen, dass Pflanzenkohle in der Landwirtschaft vielfältig gewinnbringend und nutzenstiftend eingesetzt werden kann. So ist es möglich, je nach Bodenqualität, Ertragssteigerungen zu realisieren, Humusaufbau zu fördern [11, 12] sowie die Wasserspeicherfähigkeit von Böden und damit die Trockenresistenz zu erhöhen [13, 14]. Zudem können Treibhausgasemissionen wie Methan und Lachgas sowie Nitratauswaschungen [15] reduziert werden. Als Zusatz bei der Kompostierung erhöht Pflanzenkohle die Kompostqualität und verringert Stickstoffverluste [16, 17]. Auch in der Tierhaltung zeigt die Pflanzenkohle einen vielfältigen Nutzen und verbessert das Tierwohl [18].

Die Stadt Stockholm konnte bei ihrem Biochar-Projekt zeigen, dass ein pflanzenkohlehaltiges Pflanzsubstrat bei Stadtbäumen das Wachstum fördert und die Resistenz gegen Trockenstress steigert [19, 20]. Aktuell wird in der Forschung und in Pilotprojekten zunehmend Pflanzenkohle in Baustoffen getestet, denn durch Zusatz von Pflanzenkohle lassen sich diese klima-positiv stellen.

Pflanzenkohle als technischer Kohlenstoff kann als Additiv zu Beton und Asphalt deren Eigenschaften verbessern [21]. Beton ist nach Wasser das meistbenötigte Konsumgut der Welt. Die globale Nachfrage nach Bauzuschlagsstoffen wird bis 2022 schätzungsweise 66 Milliarden Tonnen erreichen [22] – ein enormes Potenzial für C-Senken. Ähnlich sieht es bei Asphalt aus. Zur Umsetzung des jährlichen Bedarfs werden jedes Jahr global 1,8 Milliarden Tonnen Asphalt gegossen [23]. Würden 2 Prozent Pflanzenkohle zugegeben, könnte ein Bedarf von 32 Millionen Tonnen entstehen. Jüngst wurde in Dornbirn in Vorarlberg durch das EnergieWerk Ilg ein Straßenbelag entwickelt, dem 2 Prozent Kohlenstoff beigemengt wurde. Damit speichert der Asphalt mehr CO₂, als bei der Erzeugung verbraucht wurde.

Bei vielen der Anwendungen muss Pflanzenkohle vor dem Einsatz spezifisch veredelt werden. Das bekannteste Beispiel dafür ist die Aufladung von Pflanzenkohle mit Nährstoffen für die Bodenverbesserung. Aber auch für Anwendungen in Baustoffen bedarf es entsprechender Verarbeitungsschritte. Die Techniken dazu, aber auch die Rezepte zur Veredelung von Pflanzenkohle, werden derzeit von einigen Unternehmen verfeinert und skaliert.

Abb 4 —Anwendungsnutzen von Pflanzenkohle in dem System Stall, Mist/Gülle, Biogasanlage, Kompostierung, Feld, Bäume/Wald und Boden. © EBI  •

Biomasse: Verbrennen, pyrolysieren oder kombinieren?

Biomasse kann entweder zur Energiegewinnung verbrannt oder zur Schaffung einer Kohlenstoffsenke genutzt werden. Im Englischen gibt es das Sprichwort: „You can’t have your cake and eat it.“. Übertragen auf Biomasse heißt das: Entweder wird sie verbrannt oder zum Aufbau einer C-Senke verwendet. Hier braucht es einen Richtungswechsel. Verbrennung setzt CO₂ frei, Pyrolyse schafft Kohlenstoffsenken. In einer Zeit, in der es Emissionen um 90 bis 95 Prozent zu reduzieren gilt, liegt die künftige Biomasse-Nutzung auf der Hand. Die gute Nachricht ist: Bioenergie-Herstellung kann mit Pyrolyse kombiniert werden. Denn die meisten Pflanzenkohle-Anlagen können gleichzeitig als Nebenprodukt auch Wärme und einige auch Strom produzieren. Ein weiterer Vorteil der Pyrolyse- Bioenergie-Kombi: Weitere nachhaltige Biomasse-Ressourcen kommen ins Spiel, z. B. Klärschlamm und Altholz.

Welchen Beitrag kann die Pflanzenkohle leisten?

Pflanzenkohle (PyCCS) hat den großen Vorteil, dass sie zügig skaliert werden kann. Die Überlegung des European Biochar Industry Consortiums (EBI) zur Skalierung ist die Folgende: Es kann und muss uns in Europa gelingen, innerhalb von 15 bis 20 Jahren die Emissionen auf allenfalls 15 Prozent des Werts von 1990 zu reduzieren. Damit wären die Emissionen zu diesem Zeitpunkt auf 850 Millionen Tonnen CO₂ verringert (Abb. 5). Die europäische Pflanzenkohle-Industrie hat sich zum Ziel gesetzt, mindestens 30 Prozent dieser Menge durch aktiven Kohlenstoffentzug mit Pflanzenkohle abzudecken. In Zahlen lautet dieses Ziel also: 255 Millionen Tonnen CO₂. Ist das zu schaffen? Die kurze Antwort lautet: „Ja“. Die erforderliche Biomasse ist vorhanden, die Industrie skalierbar und die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig und verfügen über ausreichend Potenzial.

Etwas ausführlicher: In Europa stehen inzwischen einige professionelle Anlagenbauer am Start – Unternehmen wie beispielsweise CTS, ETIA/VOW, PYREG und SynCraft –, die den schnell wachsenden Anlagenmarkt bedienen. Bis Ende 2020 wurde in Europa bereits eine Pflanzenkohle-Produktionskapazität entsprechend 20.000 Tonnen Pflanzenkohle bzw. rund 40.000 Tonnen CO₂ installiert (Abb. 5). Der Anlagenmarkt wächst beträchtlich, und auch das Wachstum wächst: Die Produktionskapazität verdoppelte sich in zwei Jahren von 2018 bis 2020. Für 2021 wird eine Verdoppelung innerhalb eines Jahres erwartet.

Abb 5 ― Pflanzenkohle Marktwachstum. Kumulative Pflanzenkohle-Produktionskapazität in Europa. © EBI •

Abb 6 ― 80% aller wissensch. Arbeiten zum Stichwort "Biochar" entstanden in den letzten 5 Jahren. ©  EBI basierend auf Conte, P. (2021) Recent Developments in Understanding Biochar’s Physical-Chemistry •

Ein Blick auf die Biomasse zeigt, dass auch diese ausreichend zur Verfügung steht, denn vielfach werden Rest- und Abfallstoffe nicht effizient genutzt. Um auch bei steigendem Produktionsvolumen für ausreichend Biomasse zu sorgen, können weitere Ressourcen einbezogen werden. Möglich ist z.B. die Pyrolyse von Klärschlamm, die in Deutschland nur noch auf die politische Freigabe wartet. In Schweden wird Klärschlamm bereits pyrolysiert und Kohlenstoff erhaltend eingesetzt. Die Bewertung von Chancen und Risiken benötigt einen wissenschaftsbasierten Ansatz. Zudem brauchen wir Entscheidungsträger:innen in Politik und Wirtschaft, die sich mit dem aktuellen wissenschaftlichen Sachstand auseinandersetzen. À propos wissenschaftlicher Sachstand...

Was sagt die Wissenschaft zur Pflanzenkohle?

Auch schon ziemlich viel und zunehmend mehr. Der Weltklimarat IPCC hat im Jahr 2018 die Pflanzenkohle als NET anerkannt. Angefangen hat die Pflanzenkohle-Forschung in den späten 1990er-Jahren. Seither nimmt der Wissenszuwachs exponentiell zu – in den letzten fünf Jahren sogar so enorm, dass 80 Prozent aller wissenschaftlichen Arbeiten mit dem Stichwort „biochar“ (engl. für Pflanzenkohle) in dieser Zeitspanne veröffentlicht wurden.

Eine im Jahr 2014 veröffentliche Arbeit beinhaltet also maximal 20 Prozent des gesamten Wissens und ist somit als veraltet einzustufen. Wer tiefer in die Thematik einsteigen möchte, dem empfehlen wir immer einen Blick zum Veröffentlichungsdatum.

Eine Übersicht über die aktuellen Veröffentlichungen:

• Schmidt, HP. et al. (2020): Pflanzenkohle in der Landwirtschaft: Hintergründe zur Düngerzulassung und Potenzialabklärung für die Schaffung von Kohlenstoff-Senken. Agroscope Science | Nr. 112/2021.

• Lerchenmüller, H. et al. (2020): Mit Pflanzenkohle basierten Kohlenstoffsenken dem Klimawandel entgegenwirken: EBI-Whitepaper. http://www.biochar-industry.com/wp-content/uploads/2020/09/Whitepaper_Pflanzenkohle2020.pdf

• EBC. (2020). Zertifizierung des C-Senken Potentials von Pflanzenkohle. Arbaz, Switzerland: http://european-biochar.org.

Abb 7 ― Pflanzenkohle kann in der Landwirtschaft vielfältig  gewinnbringend und nutzenstiftend  eingesetzt  werden.© Fachverband Pflanzenkohle •

Fazit

Der Klimawandel stellt uns vor eine drängende Mammutaufgabe: Innerhalb der nächsten zwei Jahrzehnte können und müssen wir die Emissionen so massiv senken, dass höchstens 15 Prozent übrig bleiben. Um die Rest-Emissionen auszugleichen und somit das Ziel der Klimaneutralität zu erreichen, braucht es Kohlenstoffsenken. Die Pflanzenkohle kann in Europa 30 Prozent des erforderlichen Volumens umsetzen. Pflanzenkohle/PyCCS kommt als NET eine ganz besondere Bedeutung zu: Sie ist über Jahrhunderte stabil, die CO₂-Speicherung kann einfach und exakt bilanziert werden und die Technologie bietet wirtschaftlich interessante Synergien mit der Bioenergienutzung.

Die Anlagentechnik ist kommerziell verfügbar und so kann Pflanzenkohle/PyCCS als NET innerhalb von 10 bis 15 Jahren zu klimarelevanten Beiträgen skaliert werden. Mit den NETs Aufforstung bzw. Wiederaufforstung, Aufbau bodenorganischer Substanz und Enhanced Weathering verbindet sie ebenfalls Synergien. Gemeinsam mit der eher langfristig wichtigen DACCS-Technologie und gegebenenfalls mit BECCS sind NETs zweifelsfrei ein Schlüssel im Kampf gegen die Klimakrise und können mit vereinten Kräften den entscheidenden Unterschied machen bzw. werden zwingend gebraucht, um den Unterschied zu machen.

Vor dem Hintergrund der knappen Zeit brauchen wir vereinte Kräfte und Geschwindigkeit: Pflanzenkohle, Aufforstung und Wiederaufforstung sowie Humusaufbau sind startklar und werden sofort im großflächigen Einsatz gebraucht. Die weiteren NETs gilt es weiterzuentwickeln und geeignete Anwendungen zu finden. Die drängende Mammutaufgabe gehört uns allen: Der Politik für die entsprechenden Rahmenbedingungen. Und jedem einzelnen von uns, für die stetige Reduktion des CO₂-Ausstoßes und das Unterstützen der Kohlenstoffsenken.

Literatur

[1] EBC. (2012): European Biochar Certificate - Guidelines for a Sustainable Production of Biochar. European Biochar Foundation (EBC), Arbaz, Switzerland. http://european-biochar.org). Version 9.1E of 25th Sept. 2020. 

[2] EBC. (2020): Zertifizierung des C-Senken Potentials von Pflanzenkohle. Arbaz, Switzerland: http://european-biochar.org

[3] Glaser, B.; Lehmann, J.; & Zech, W. (2002): Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal - A review. Biol. Fertil. Soils 35,, S. 219–230.

[4] Lehmann, J.; Gaunt, J.; & Rondon, M. (June 2006): Biochar Sequestration in Terrestrial Ecosystems - A Review. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change.

[5] Laird, D. A. (2008): The charcoal vision: a win win win scenario for simultaneously producing bioenergy, permanently sequestering carbon, while improving soil and water quality. Agronomy Journal.

[6] Woolf, D.; Amonette, J.; Street-Perrott, F.; Lehmann, J. & Joseph, S. (2010): Sustainable biochar to mitigate global climate change. NATURE COMMUNICATIONS.

[7] IPCC. (2019): 2019 Refinement to the 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories.

[8] Lehmann et al. (2015): Persistence of biochar in soil. In Biochar for Environmental Management: Science, Technology and Implementation (S. 233-280).

[9] Wang, J.; Xiong, Z. & Kuzyakov, Y. (2016): Biochar stability in soil: meta-analysis of decomposition and priming effects. Global Change Biology - Bioenergy 8(3), S. 512-523.

[10] Camps-Arbestain, M.; Amonette, J.; Singh, B.; Wang, T. & Schmidt, H.-P. (2015): A biochar classification system and associated test methods. In J. Lehmann, & S. Joseph (Hrsg.), Biochar for environmental management (S. 165–194). London: Routledge.

[11] Blanco-Canqui, H.; Laird, D. A.; Heaton, E. A.; Rathke, S. and Acharya, B.S. (2020): Soil carbon increased by twice the amount of biochar carbon applied after 6 years: Field evidence of negative priming. GCB Bioener- gy, 12(4): 240-251.

[12] Weng, Z. et al. (2017): Biochar built soil carbon over a decade by stabilizing rhizodeposits. Nature Clim. Change, 7(5): 371-376.

[13] Ye, L. et al. (2020): Biochar effects on crop yields with and without fertilizer: A meta-analysis of field studies using separate controls. Soil Use and Management, 36(1): 2-18.

[14] Razzaghi, F.; Obour, P.B.; Arthur, E. (2020): Does biochar improve soil water retention? A systematic review and meta-analysis. Geoderma, Volume 361.

[15] Borchard, N. et al. (2019): Biochar, soil and landuse interactions that reduce nitrate leaching and N2O emissions: A meta-analysis. Science of The Total Envi- ronment, 651: 2354-2364.

[16] Godlewska, P.; Schmidt, H.-P.; Ok, Y. S.; Oleszczuk P. (2017): Biochar for composting improvement and contaminants reduction. A review. Bioresour Technol. 2017 Dec; 246:193-202.

[17] Zhao, S.; Schmidt, S.; Qin, W.; Li, J.; Li, G.; Zhang, W. (2020): Towards the circular nitrogen economy – A global meta-analysis of composting technologies reveals much potential for mitigating nitrogen losses. Science of The Total Environment. Volume 704.

[18] Schmidt, H.-P.; Hagemann, N.; Draper, K. and Kammann, C. (2019): The use of biochar in animal feeding. PeerJ, 7: e7373.

[19] Embrén, B. (2016): Planting Urban Trees with Biochar. The Biochar Journal (tBJ). Arbaz, Switzerland. ISSN 2297-1114. www.biochar-journal.org/en/ct/77, pp 44-47. 

[20] FLL - Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau e.V. (2017). Versuche in der Landespflege. Versuchs-Nr. 06. https://www.fll.de/leistungsprofil/forschung/versuche-in-der-landespflege.html

[21] Gupta, S. and Kua, H. W. (2017): Factors Determining the Potential of Biochar As a Carbon Capturing and Sequestering Construction Material: Critical Review. Journal of Materials in Civil Engineering/Volume 29 Issue 9.

[22] De Brito, J. and Silva, R, (2016): Current Status on the Use of Recycled Aggregates in Concrete: Where Do We Go from Here? https://doi.org/10.21809/rilemtechlett.2016.3

[23] European Asphalt Pavement Association und National Asphalt Pavement Association (2011): https://eapa. org/the-asphalt-paving-industry-a-global-perspective