Wirkung von Kohlen aus der Karbonisierung (Pyrolyse, HTC) von Gärresten

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1 Wirkung von Kohlen aus der Karbonisierung (Pyrolyse, HTC) von Gärresten Jürgen Kern Herstellung und Einsatz von Pflanzenkohle Workshop im Rahmen der Europäischen Innovationspartnerschaft Brandenburg / Berlin (EIP-AGRI) am in Berlin

2 Nutzungsmöglichkeiten von Biokohle Alleinige Bewertung einer Biokohle ist kaum zielführend. Biokohle ist als System zu verstehen. Es verbindet Anwendungsformen in den Bereichen Energie, Abfallverwertung, Bodenverbesserung und Klimaschutz Lehmann,

3 Reststoffe als Ausgangsstoffe für Biokohlen 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 -. Schuchardt & Vorlop (2010), nach UBA (2007) und SRU (2007)

4 Die Biomasse-Prozesskette am ATB Biomasse Biogas, Gärrest Gärrest Biokohle Biokohle Bodenverbesserer Boden- Applikation Optimization of anaerobic digestion process using a novel reactor and mathematical methods Analysis of HTC and Pyrolysis, process optimization and product design Increasing of nutrients sorption capacity, reduction of inhibitory organic substances Investigation of chars stability and the effects of soils, plants and GHG emissions

5 Bodenverbesserung durch Biokohle in Brandenburg Grenzertragsstandorte in 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

6 Pyrolytische C-Sequestrierung in der Nutzungskaskade von Biomasse Landwirtschaftliche Reststoffe (z.b. Gärrückstände) Holz Niedertemperatur- Pyrolyse Gase Energie Holzkohle Huminstoffe im Boden Terra preta Inerter Kohlenstoff im Boden

7 Karbonisierungsverfahren Hydrothermale Karbonisierung 190 C 300 C Pyrolyse > 300 C

8 C-Anteil im Boden (%) Percentage of C remaining in soil Stabilität von Kohlen und ihren Ausgangsstoffen Organic soil surface (0.96% C) 5 g soil g residue 50 mg C : 50 mg C Subsurface mineral soil (0.09% C) 5 g soil g residue 5 mg C : 5 mg C /07/ /07/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /09/ /09/ /09/ /07/ /07/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /09/ /09/ /09/2011 Control Fermenter residue from wheat straw Pyreg Biochar HTC - Wheat straw HTC - Fermenter residue from wheat straw Stabilisierung von Gärrest durch Karbonisierung HTC-Kohle weniger stabil als Pyrolyse-Kohle

9 µg CO 2 pro mg aschefreie TS Abbau von Kohlenstoffverbindungen 600 Kontrolle Gärrest HTC-Gärrest HTC-Stroh % C abgebaut a 34 Halbwertszeit [Jahren] b c d N Düngung Inkubationszeit / Tagen Dicke et al. (2014) Journal of Environmental Quality 43:

10 Mineralised Mineralisierter carbon C-Antiel fraction (%) (%) Modellierung des Abbaus von Gärresten und HTC-Kohle 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Control Digestate HTC-digestate Control, mono-exp. Digestate, mono-exp. HTC-Digestate, mono-exp. Control, bi-exp. Digestate, bi-exp. HTC-Digestate, bi-exp. Zeit Time nach after der fertilisation Düngung (Tage) (days) Dicke et al. (2014) Journal of Environmental Quality 43:

11 C-Verbleib bezogen auf Anfangsgehalt (%) Biokohlestabilität im Boden Einfluss verschiedener C-Pools auf die mittlere Aufenthaltszeit Biochar remaining (% of initial C) yrs Total 712 yrs 100 yrs 1000 yrs MRT Karbonisierungsprozess beeinflusst die Kohlestabilität Kohlen enthalten unterschiedliche C-Pools Genauigkeit der Vorhersagen der Stabilität von Kohlen steigt mit der Versuchsdauer Lehmann, Time Jahre (years)

12 Einsatz von Kohlen in Kultursubstraten Wegener (2013)

13 Chemische und biologische Eigenschaften von Kohlen im Vergleich zu Torf aus Irland Qualitätsvergleich mit Torf (++, +, ) Chemische Eigenschaft HTC (Weizenstroh) HTC (Gärrest) Pyrolyse (Maissilage) Elektr. Leitfähigkeit ph Nitrat Ammonium Kalium Biologische Eigenschaft HTC (Weizenstroh) HTC (Gärrest) Biologische Stabilität Keimungsrate (+) Pyrolyse (Maissilage) Prasad (2013)

14 mg kg -1 DM Vorkommen toxischer Verbindungen 400 HTC 200 C 800 HTC 300 C % - 96% - 96% HMF Furfural Phenol HMF Furfural Phenol % HMF Furfural Phenol HMF Furfural Phenol non-washed washed non-washed washed Hydroxy- Methylfurfural Große Bandbreite tox. Stoffe Furfural Phenol LD 50 (oral, Maus) mg kg -1 Toxisch (T) Mutagen Cat. 3 Einfluss der HTC-Temperatur auf die Bildung von Furfuralen und Phenolen Leichte Abtrennung

15 Biologische Nachbehandlung von Biokohle Kompostierung vs. Fermentation + Erprobtes Verfahren + Preiswerte Technik - THG-Emissionen - Nährstoff- und Energieverlust + Energiegewinnung (Biogas) + keine Nährstoffverluste + keine/geringe THG-Emissionen - Verfahren im Entwicklungsstadium

16 Positive Langzeiteffekte von nachbehandelten Kohlen 270 C Kohlezugabe N-Düngung Kultur 7,7 t C/ha 150 kg N/ha Winterweizen 16

17 Fluss (mgc/m2 h) CO 2 -Emissionen nach HTC-Kohle-Gaben (Freiland) mg CO 2 m -2 hr Kohle-Zugabe N-Düngung HTC ferm. HTC mg CO 2 C m -2 hr -1 AB A B B AB B Gärrest HTC Kontrolle PyroM thtc tpyrom

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

19 ng N 2 O mg -1 AFDM ng N 2 O pro mg aschefreie TS N 2 O Emissionen nach HTC-Kohle-Gaben (Labor) 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:

20 _chancen_und_risiken_des_einsatzes_von_biokohle.pdf