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SONNENERDE
Gerald Dunst Kulturerden GmbH

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Teicherde

Teicherde muss phosphorfrei sein und generell einen niedrigen Nährstoffgehalt aufweisen. Weiters muss sie stabil und dauernd schwerer als Wasser bleiben!

Herstellung Pflanzenkohle

Rohstoff für Pflanzenkohle, bestehend aus Zellulosefasern und Getreidespelzen

Frische Pflanzenkohle hat eine fein-krümelige Struktur

Wir sind sehr stolz darauf, dass wir die erste abfallrechtlich bewilligte Pflanzenkohle-Produktionsanlage Europas errichtet und seit Juli 2012 in einem kontinuierlichen Betrieb haben!

Die Anlage arbeitet mittlerweile im 24-Stunden-Betrieb und produziert dabei täglich rund 1.500 kg hochwertige Pflanzenkohle. Wir haben uns nach einem ausführlichen Marktstudium für einen Pyreg-Reaktor entschieden, da dieser am weitesten entwickelt war und vor allem die Aussicht bestand, die strengen Grenzwerte der Abfallverbrennungsverordnung einhalten zu können. Wie wir mittlerweile wissen, war dies die absolut richtige Entscheidung.

Die große Herausforderung war dabei, den Reaktor in ein Gesamtkonzept - inklusive vollständiger Wärmenutzung - zu integrieren. Dies ist uns nach mehreren Umbauten auch perfekt gelungen.

1) Rohstoff:

Unsere Pflanzenkohle wird kontinuierlich aus saubersten Rohstoffen hergestellt und besteht aus Zellulosefasern und Getreidespelzen. Regelmäßige Analysen gewährleisten eine einheitliche Qualität dieser Rohstoffe.

2) Prozess:

Bei der Herstellung von Pflanzenkohle handelt es sich um ein spezielles Pyrolyseverfahren. Dabei wird der Rohstoff unter Luftabschluss auf 500-600°C erhitzt.

Der Rohstoff wird über eine Zellenradschleuse in den Pyreg-Reaktor eingetragen. In diesem Doppelmantelreaktor wird das Material mit einer Doppelwellenschnecke hochtransportiert und währenddessen auf bis zu 600°C erhitzt. Das dabei entstehende Gas wird sofort abgesaugt, über einen Zyklon gereinigt und in der Brennkammer bei 1.200°C verbrannt. Das verbrannte Abgas wird nach einer Reinigungsstufe über den Mantel des Reaktors geführt und erhitzt dabei das frisch eingetragene Material. Es wird für den gesamten Prozess also keine Fremdenergie (mit Ausnahme des elektrischen Stromes zum Antrieb der Schnecken und Gebläse) benötigt. Nach dem Verlassen der Reaktoren hat das Abgas noch immer rund 600°C und wird daher über einen Abgaswärmetauscher geführt. Die dabei gewonnene Energie (150 kW) wird in unserer Trocknungsbox zum Vortrocknen der Zellulosefasern verwendet.

Die fertige Kohle fällt nach dem Reaktor in die Austragsschnecke und wird hier - bevor sie über eine Zellenradschleuse ins Freie gelangt - mit Wasser gekühlt und befeuchtet. Die produzierte Pflanzenkohle hat eine fein-krümelige Struktur und kann direkt in der Düngeaufbereitung oder Kompostierung eingesetzt werden.

3) Der Umwelteffekt:

Folgende positiven Umwelteffekte sind bislang bekannt und experimentell belegt:

1)   Biokohle ist im Boden stabil (hunderte bis tausende Jahre (Glaser, 2011; Kuzyakov et al., 2009; Lehmann, 2007; Lehmann et al., 2009; Lehmann et al., 2008; Major et al., 2010); pyrogene Biokohle stellt in Böden (wenn vorhanden) stets den ältesten Bodenkohlenstoff-Pool dar.)

2)   Biokohlezugabe reduziert die Emissionen der klimarelevanten Gase Methan und Lachgas aus dem Boden (Kammann et al., 2012; Spokas and Reicosky, 2009; Taghizadeh-Toosi et al., 2011b; van Zwieten et al., 2009).

3)   Biokohle bindet Nährstoffe und reduziert dadurch die Auswaschungsverluste - vor allem den Eintrag von Nitrat ins Grundwasser (Ding et al., 2010; Singh et al., 2010; Steiner et al., 2010).

4)   Biokohle erhöht die Effizienz von eingesetzten Mineraldüngern - der Düngeaufwand, und damit die Emissionen bei der Produktion werden deutlich reduziert. (http://www.terrapretawiki.org/index.php/Terra_Preta)

5)   Biokohle erhöht die mikrobiologische Aktivität des Bodens und schafft die Grundvoraussetzung für eine bodenautarke C-Sequestrierung, also für Humusaufbau. Gleichzeitig wird die CO2-Freisetzung aus den Böden  pro g vorhandenem C-Gehalt reduziert (Terra-Preta-Phänomen) Dieser Effekt ist auf den Originalstandorten in den Tropen bereits mehrfach nachgewiesen worden, ebenso für Kompost versus Biochar-Kompost, hergestellt in einem Schweizer-Gießener Kooperationsprojekt.

6)   Biokohle in Kombination mit organischem Dünger erhöht oft die Bodenfruchtbarkeit und verbessert damit das Pflanzenwachstum, was wiederum zu einer verstärkten CO2-Einbindung in das Ökosystem führt.

7)   Biokohle häufig erhöht die Wasserspeicherfähigkeit von vor allem sandig-armen Böden, und erhöht so die Wassernutzungseffizienz von Pflanzen (Kammann et al., 2011; Karhu et al., 2011; Oguntunde et al., 2008) - dadurch können (in Verbindung mit einer verstärkten Humusanreicherung) die Auswirkungen von Überschwemmungen und Trockenperioden reduziert, bzw. bei flächendeckender Anwendung im Idealfall ausgeglichen werden.

8)   Bei der Produktion von Biokohle wird Energie frei. Es handelt sich dabei um die erste technische Möglichkeit der CO2-negativen Energiebereitstellung, da gleichzeitig Kohlenstoff gebunden wird. (Unsere Versuchsanlage hat beispielsweise eine Wärmeleistung von 100-150 kW, wenn der Brennstoff einen TS-Gehalt von zumindest 70% aufweist; Gleichzeitig wird dabei täglich eine Tonne Kohlenstoff "gebunden", d.h. aus der Primärbiomasse in eine stabile Form überführt). Die freiwerdende Energie wird bei uns zum Trocknen der Schlämme genutzt, so dass hierfür Primärenergie eingespart werden kann. Dadurch kann mit dieser Technologie aus nassem Schlamm eine hochwertige Kohle ohne Einsatz fossiler Energieträger produziert werden.

9)   Durch die Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit sinken der Produktionsaufwand und vor allem der Maschinenaufwand für die Bodenbearbeitung. Bei einem gleichzeitig propagierten Umstieg auf eine konservierende Bodenbearbeitung (Direktsaatsysteme) reduziert sich der Dieselverbrauch um 50 Liter / ha. (Wenz, 2010 - Vortrag beim Humusfachtag in der Ökoregion Kaindorf)

10)Die Nutzbarmachung der Biokohle-Technologie ist eine Riesenchance für die zukünftige Verwertung von Klärschlamm. Klärschlamm ist die wichtigste Phosphorreserve der Zukunft, da die  vorhandenen Lagerstätten bekannterweise in wenigen Jahrzehnten aufgebraucht sind ('peak phosporus'). Die Hauptprobleme bei der direkten Verwertung sind die Hygiene (Stichwort EHEC, Botulismus) und die organischen Schadstoffe. Diese beiden Hauptprobleme werden durch die Verkohlung der Schlämme (400 – 700°C) eindeutig gelöst und die im Klärschlamm enthaltenen Nährstoffe können nutzbar gemacht und im Kreislauf erhalten werden.

 

Führende international anerkannte Klimaforscher und Bodenwissenschaftler sehen in der Biochar-Technologie eine große, vielleicht essentielle Chance (Hansen et al., 2008; Lal, 2009).

 

Ein Versuch der Bilanzierung:

Nachfolgend ein Versuch, den Klimaeffekt einer Pyreg-Anlage in Tonnen CO2 auszudrücken. Unabhängig davon, dass man über die einzelnen Annahmen diskutieren kann, erkennt man auf jeden Fall das riesige Potential bei der Anwendung von Biokohle und der Entwicklung der hochfruchtbaren Terra Preta Böden. Der große Effekt entsteht dabei durch die langfristige Stabilität der Biokohle im Boden und damit der nachhaltigen Bodenverbesserung, wobei die dadurch erreichten Vorteile nach bisherigen Wissen über Jahrhunderte erhalten bleiben. In der nachfolgenden Bilanzierung wurde dieser Effekt dennoch nur auf 30 Jahre hochgerechnet.

1)   Produktion der Biokohle

Die Anlage produziert aus Papierfaserschlamm jährlich 350 Tonnen Biokohle mit einem C-Gehalt von rund 70%. Dies entspricht rund 900 Tonnen CO2-Bindung/Jahr.

 

2)   Gasproduktion:

Die entstehenden Gase werden sofort nach dem Verbrennen über den Reaktor geführt und halten so den Prozess am Laufen. Nach dem Verlassen des Reaktors haben sie noch immer eine Temperatur von rund 600 Grad und werden im Abgaswärmetauscher auf rund 200 Grad abgekühlt. Diese Energie (rund 100 kW) aus dem Abgaswärmetauscher wird dann zur Büroheizung und zur Schlammtrocknung verwendet, so dass fossile Energie eingespart werden kann, s.u.. Für den laufenden Betrieb wird also keine Fremdenergie benötigt (mit Ausnahme der elektrischen Energie zum Betrieb der Schneckenmotoren und der Gebläse, sowie dem Flüssiggas zum Starten der Anlage). Durch die produzierte Überschusswärme können rund 500 Tonnen CO2 substituiert werden. (100 kW * 24 Std. * 300 Tage = 720 MWh * 0,7 = 504 t CO2)

3)   Reduktion von Methan und Lachgas

Eine Bewertung ist zurzeit für v.a. CH4 noch schwierig, da es noch nicht genügend wissenschaftliche Studien gibt. Die erste Feldstudie mit kontinuierlichen Messungen (Karhu et al., 2011) wies eine signifikante Steigerung der Methansenke (CH4-Oxidation in aeroben Böden durch methanotrophe Bakterien) nach. Die Zugabe von Biokohle bewirkte in allen verfügbaren Studien fast immer eine signifikante Reduktion der N2O-Emissionen (Augustenborg et al., 2012; Kammann, 2010; Kammann et al., 2010; Kammann et al., 2012; Singh et al., 2010; Spokas and Reicosky, 2009; Spokas et al., 2009; Taghizadeh-Toosi et al., 2011b; van Zwieten et al., 2009; van Zwieten et al., 2010; Yanai et al., 2007; Zhang et al., 2010), selbst bei Regenwurmbesatz bzw. im Reisanbau (anaerobe Bedingungen).

 

4)   Reduktion von Mineraldüngern

Viele Studien belegen, dass durch den Einsatz von Biokohle der Mineraldüngereinsatz deutlich reduziert werden kann. Die Ursache liegt in einer Reduktion der Verluste durch vorübergehende Oberflächenbindung an der Kohle (Chen et al., 2010; Spokas et al., 2011; Steiner et al., 2010; Taghizadeh-Toosi et al., 2011a). Derzeit gehen rund 50% des eingesetzten Mineraldünger-Stickstoffs verloren (Nitrat, Lachgas, Ammoniak). In der Berechnung wurde angenommen, dass man mit einer Jahresproduktion der Pyreg-Anlage rund 20 ha Ackerland sanieren kann. Die dafür erforderlichen 15 Tonnen Biokohle pro Hektar müssen nur einmalig eingesetzt werden, da die Biokohle biologisch nicht abbaubar ist. Die dadurch erreichte Bodenverbesserung ist also dauerhaft. In der CO2-Bilanz wurden dennoch nur 30 Jahre eingesetzt. Die Einsparung von geschätzten jährlich 50 kg N/ha auf 20 ha entspricht demnach einer Tonne Stickstoff. Bei der Produktion werden dafür 2 Tonnen fossiles Öl benötigt und damit 6,22 Tonnen CO2 verursacht - dies entspricht auf 30 Jahre 187 Tonnen CO2.

 

5)   Humuserhöhung durch Terra Preta Phänomen

Wie von vielen unabhängigen Experten immer wieder berichtet wird, ist eine Terra Preta in der Lage, den Humusgehalt selbständig zu erhöhen. Die vermuteten Mechanismen dazu sind eine speziell zusammengesetzte Mikrobiologie, die in der Lage ist, trotz höherer Aktivität weniger CO2 zu produzieren und abzugeben. Es gelingt hier also scheinbar, einen größeren Anteil der organischen Reststoffe im Boden zu stabilen Humus umzuwandeln. Die genauen Wirkungsmechanismen sind aber nicht bekannt und Gegenstand vieler wissenschaftlicher Untersuchungen, unbestritten ist nur die Tatsache, dass eine selbständige Anreicherung von Kohlenstoff in diesen Terra-Preta-Böden möglich ist.

Die Existenz Humusreicher kohlehaltiger Böden spricht für einen langfristigen Aufbau des stabilen Dauerhums in Gegenwart von Biokohle (Glaser and Birk, 2011; Glaser et al., 2001), wie man dies auch in Böden von Köhlerarealen in temperaten Breiten findet.

Für die Berechnung dieses Effektes wurde eine selbständige Humusanreicherung , bzw. eine Erhöhung des Humusgehaltes durch Reduktion der C-Verluste von 0,05% pro Jahr unterstellt. Dies würde auf 30cm Bodentiefe einer CO2-Bindung von jährlich 3 Tonnen pro ha entsprechen. Dieser Effekt wurde wiederum für 30 Jahre hochgerechnet. Daraus ergibt sich eine CO2-Bindung von 1.800 Tonnen.

 

6)   Erhöhtes Pflanzenwachstum

Durch die Humusanreicherung wird die Bodenfruchtbarkeit eindeutig und nachweislich verbessert; dies ist seit dem Altertum bekannt. Vor allem die Wasseraufnahmefähigkeit und Wasserspeicherfähigkeit der Böden wird enorm gesteigert (Glaser et al., 2002). Aufgrund des Klimawandels wird die Niederschlagsverteilung immer ungünstiger und daher das Wassermanagement der Böden immer wichtiger. Ein Prozent zusätzlicher Humus kann im Boden bis zu 400 m3 Wasser speichern. Vor allem bei anhaltenden Trockenperioden werden auf humusreichen Böden deutlich höhere Erträge zu erwirtschaften sein.

Es wird dafür ein durchschnittlicher Mehrertrag von 10% kalkuliert (jedes 5.Jahr eine Sommertrockenheit mit 50% Ertragsausfall bei konventionellen Flächen). Beim Anbau von Miscanthus x giganteus (Chinaschilf) würde dies einen durchschnittlichen Mehrertrag von rund 1,8 Tonnen/ha entsprechen; damit können 0,8 Tonnen Heizöl ersetzt werden, und dies entspricht wiederum rund 2,5 to CO2 pro Hektar und Jahr. Da mit einer Pyreg-Anlage jährlich 20 ha Ackerland saniert werden können und dieser Sanierungseffekt dauerhaft anhält (kalkuliert werden hier 30 Jahre), können insgesamt aus diesem Effekt 1.500 Tonnen CO2 gutgeschrieben werden. (Berechnungsgrundlagen: 2,23 kg Miscanthus mit 14% Wasser entsprechen im Heizwert 1 l Heizöl - siehe www.energiepflanzen.at; 1 Liter Heizöl entspricht 3,11 kg CO2)

 

7)   Reduzierte Bodenbearbeitung

Durch die Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit sinkt der Produktionsaufwand und vor allem der Maschinenaufwand für die Bodenbearbeitung. Bei einem gleichzeitig propagierten Umstieg auf eine konservierende Bodenbearbeitung (Direktsaatsysteme) reduziert sich der Dieselverbrauch um 50 Liter / ha. 1 Liter Diesel entspricht 3,06 kg CO2 - 50 Liter entsprechen demnach 153 kg - auf 20 Hektar sind es 3,06 to - auf 30 Jahre hochgerechnet sind es rund 90 to CO2

Zusammenfassung Umwelteffekt der Pflanzenkohle to CO2/J.
1) Produktion 350 to x 70 % C x 3,67 = to CO2 900
2) Substitution Erdgas 100 kW Wärme ganzjährig 500
3) Reduktion von Lachgas Effekt relativ gesichert, Größenordnung noch nicht schätzbar -
4) Reduktion des Mineraldüngers 20 ha, - 50 kg N / ha = 1 to N = 2 to Öl für 30 Jahre = 60 to Öl 187
5) Humuserhöhung Terra Preta 20 ha, 3 to / ha und Jahr, 30 Jahre 1.800
6) Erhöhtes Pflanzenwachstum 20 ha, + 10 % Ertrag = 2,5 to CO2 / ha - 30 Jahre 1.500
7) Reduzierte Bodenbearbeitung 20 ha, - 50 Liter Diesel = 153 kg CO2 - 30 Jahre 90
Summe   4.977

 

Die beantragte Biokohle-Produktionsanlage hat das Potential, jährlich rund 5.000 Tonnen CO2 zu kompensieren, wobei davon 1.400 Tonnen wissenschaftlich abgesichert sind.

Die hier beschriebenen Umwelteffekte wurden mit folgenden Experten akkordiert:

 

Hans-Peter Schmidt

Betreiber des Delinat-Institutes in der Schweiz, wo der Begriff „Klima-Farming“ entwickelt wurde. Zusammenarbeit mit zahlreichen Instituten wie z.B. Agroscope ART und den Universiäten Zürich, Tübingen, Halle und Gießen. Versuche, um einen neuen, ganzheitlichen Ansatz zu finden, damit durch die landwirtschaftliche Produktion mehr CO2 gebunden als emittiert wird.

Prof. Dr. Bruno Glaser

Professor für Bodenbiogeochemie an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Lehrveranstaltungen im Bereich Bodenkunde und nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen. Zahlreiche Forschungsprojekte (EU, BMBF, DFG) und Publikationen zu den Indianerschwarzerden Amazoniens (Terra Preta) und Pionier in der Terra Preta- und Pflanzenkohle-Forschung.

Dr. Claudia Kammann

Justus-Liebig-Universität Giessen, Interdisziplinäres Forschungszentrum. Arbeiten im Bereich der Treibhausgas-bildenden  oder –konsumierenden Prozesse in Böden und der Interaktion von Biokohle zur Veränderung dieser Prozesse. Ist von der Biokohletechnologie überzeugt und will dazu beitragen, Biokohle als Werkzeug im Kampf gegen den Klimawandel nutzbar zu machen.

Dipl.-Ing. Helmut Gerber

Ingenieurbüro, Entwicklung der Pyreg-Anlage, wo aus jedweden Abfällen Energie und Holzkohle im Durchlaufverfahren produziert werden kann.