Einsatz von Biokohlen in der Landwirtschaft

Transkript

1 Einsatz von Biokohlen in der Landwirtschaft Jürgen Kern, Andreas Meyer-Aurich Tagung Anpassung der Landwirtschaft an den Klimawandel Bonn,

2 Übersicht Hintergrund Biomasse als Ausgangsstoffe für Biokohlen Qualität von Biokohlen Nährstoffe Stabilität Einsatz und Wirkung von Kohlen in Böden Treibhausgase Pflanzenertrag Weitere Nutzungsmöglichkeiten von Biokohlen

3 Definition Was ist Biokohle? Biomasse, die in sauerstofffreier bzw. armer Atmosphäre bei Temperaturen oberhalb von 200 C karbonisiert und zur Bodenverbesserung eingesetzt wird.

4 Fragestellungen 1. Sind ausreichend Stoffe für die Herstellung von Biokohlen zur Bodenverbesserung vorrätig? 2. Lässt sich die Emission von Treibhausgasen durch Biokohlen verringern? 3. Wie hoch sind die Ertragsteigerungen beim Einsatz von Biokohle im Boden? 4. Lässt sich das Terra Preta-Prinzip auf Deutschland übertragen?

5 Ausgangsstoffe zur Herstellung von Biokohlen Voraussetzung zur Herstellung von Biokohle Biomasse sämtliche Stoffe organischer Herkunft, die nicht fossilen Ursprungs sind, und beinhaltet die in der Natur lebende Phyto- und Zoomasse (Pflanzen und Tiere) die daraus resultierenden Rückstände (z.b. tierische Exkremente) abgestorbene, aber noch nicht fossile Phyto- und Zoomasse (z.b. Stroh) und im weiteren Sinne alle Stoffe, die durch eine technische Umwandlung und/oder eine stoffliche Nutzung entstanden sind bzw. anfallen (Kaltschmitt et al. 2009) Papier Schlachthofabfälle organischer Hausmüll Pflanzenöl Alkohol

6 Reststoffe als Ausgangsstoffe für Biokohlen (Deutschland) Land- und forstwirtschaftliche Reststoffe - Stroh - Gülle, Festmist - Gärreste - Waldrestholz und Sägenebenprodukte - Altpapier und Industrieholz - Siedlungsabfälle und -schlämme - Häuslicher Abfall - Bioabfall - Klärschlamm -.. 5,4% 91,9% 2,7% Gewerbliche und industrielle Abfälle - Reststoffe aus der Zucker- und Kartoffelverarbeitung - Apfel- und Biertrester - Fleisch- und Knochenmehl -. ~ 340 Mio. t a -1 Schuchardt & Vorlop (2010), nach UBA (2007) und SRU (2007)

7 Bodenverbesserung durch Biokohle in Brandenburg Grenzertragsstandorte im Land Brandenburg (Klasse V mit Bodenzahlen < 23) ~ ha 6,9% der landwirtschaftlichen Nutzfläche A n n a h m e Kohlenstoff landwirtschaftlicher Reststoffe im Land Brandenburg 100% Gärreste + 100% Gülle = ~ 200,000 t Pyrolyse-C pro Jahr Bodenzahl von lehmigem Sand kann innerhalb von 10 Jahren von 20 auf 25 steigen Fazit 1: Ausreichende Biomasse für Biokohlen zur Bodenverbesserung

8 Die Biomasse-Prozesskette am ATB in Potsdam Biomasse Biogas, Gärrest Gärrest Biokohle Biokohle Boden Optimierung des Vergärungsprozesses Steuerung der Karbonisierungsprozesse und der Kohlequalität Karbonisierungsprozesse Pyrolyse (trocken, anaerob, C) HTC (wässriges Milieu, anaerob, C) Untersuchung der Stabilität von Biokohlen und ihrer Effekte im Boden

9 Qualität von Biokohlen (Nährstoffe) Gesamtgehalt (%) Biokohle aus Holz HTC Pyrolyse Vergasung K N P Düngemittel Bodenhilfsstoff Prozesstemperatur ( C) Biokohle aus Klärschlamm K N P Pyrolysetemperatur ( C) Kern et al. (in Vorb.) Shinogi (2004), in Lehmann & Joseph (2009) Einordnung als Bodenhilfsstoff oder als Düngemittel?

10 Stabilität von Kohlen und ihren Ausgangsstoffen Organic soil surface (0.96% C) 5 g soil g residue 50 mg C : 50 mg C Percentage C-Anteil of C im remaining Boden (%) in soil /07/ /07/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /09/ /09/ /09/2011 Pyrolyse-Kohle Kontrolle HTC-Kohle (Stroh) HTC-Kohle (Gärrest aus Stroh) Gärrest aus Stroh Stabilisierung von Gärrest durch Karbonisierung HTC-Kohle weniger stabil als Pyrolyse-Kohle

11 Feldversuche mit Biokohle Leibniz-Projekt Deutschland-Malaysia ( ) Standort: Berge (50 km nordwestlich von Berlin) Boden: Sandiger Lehm mit 5-8% Ton Versuchsdesign: 46 Plots in 4 Blöcken auf 0,5 ha Ansatz: Interaktion verschiedener Kohlen und N-Düngungsstufen Kohlezugabe 7,7 t C/ha Erhöhung des C org -Gehalts von 0,73 auf 0,90% N-Düngung < 195 kg N ha -1 Kulturen Winterweizen, Winterroggen, Mais

12 N 2 O Emissionen nach Kohle-Gaben (Freiland) HTC-M HTC-M-f Unerschiede signifikant Dicke et al. (2015) Science of the Total Environment :

13 N 2 O Emissionen nach HTC-Kohle-Gaben (Labor) ng N ng N 2 O mg -1 2 O pro mg aschefreie AFDM TS 6 Kontrolle Gärrest HTC-Gärrest 5 HTC-Stroh N Düngung Inkubationszeit / Tage a a b b N Verlust als N 2 O in % des gedüngten N Kontrolle Oberboden 10 Gärrest 19 HTC-Gärrest 7 HTC-Stroh 8 Dicke et al. (2014) Journal of Environmental Quality 43: Fazit 2: Emission von Treibhausgasen (Bsp. N 2 O) können durch Biokohlen verringert werden

14 Biomasseerträge nach Biokohle-Gaben und N-Düngung (0-195 kg N) Winterweizen Winterroggen Mais

15 Gesamtanalyse für Getreidekulturen beider Jahre Biomasseertrag 2013 und 2014 Fazit 3: Ertragsteigerungen beim Einsatz von Biokohle in ungedüngten Getreidekulturen etwa 10%. Offene Fragen: Warum ist der Kornertrag in den Biokohle-Varianten bei 0 kg N höher und bei 150 kg N niedriger als in den unbehandelten Varianten?

16 Biomasseerträge und Sickerwasserraten nach Biokohle- Gaben von 90 kg ha -1 auf Kippsandboden in der Lausitz Input: jährlich 30 t bzw. einmalig 90 t Biokohlesubstrat (kompostiert, fermentiert) Effekte: Erhöhung des C org -Gehalts von 0,19 auf 0,28% im ersten Jahr Verringerung der Sickerwasserrate um 5-10% in 3 Jahren Rademacher & Haubold-Rosar (2015) Fazit 4: Terra Preta-Prinzip scheint auf Deutschland übertragbar zu sein 16

17 Metastudie zur Ertragswirkung bei Biokohleanwendung Jeffery et al. (2011) Ertragseffekte (%) 17

18 Nutzungsmöglichkeiten von Biokohle Agronomische Bewertung einer Biokohle ist nur eine Facette Biokohle ist als System zu verstehen. Es verbindet Anwendungsformen in den Bereichen Energie, Abfallverwertung, Bodenverbesserung und Klimaschutz

19 _chancen_und_risiken_des_einsatzes_von_biokohle.pdf Vielen Dank