BIOKOHLE PRODUKTION, ENTWICKLUNG UND CHARAKTERISIERUNG ZUR ANWENDUNG ALS BODENVERBESSERER

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1 BIOKOHLE PRODUKTION, ENTWICKLUNG UND CHARAKTERISIERUNG ZUR ANWENDUNG ALS BODENVERBESSERER Früher: PD Dr. Bruno Glaser, Bodenphysik, Uni Bayreuth, Universitätsstr. 30, Bayreuth Jetzt: Prof. Dr. Bruno Glaser, Bodenbiogeochemie, Martin-Luther-Universität Halle- Wittenberg, von-seckendorff-platz 3, Halle Zusammenfassung Pyrolyse erzeugt Kohle (Biokohle), Öle und Gase, welche zur nachfolgenden Energieerzeugung genutzt werden können. Allerdings hat die vollständige Abfuhr von Biomasse negative Auswirkungen auf den Humusgehalt und die Fruchtbarkeit von Böden. Die Rückführung von Biokohle in den Boden kann den Humusgehalt und die Bodenfruchtbarkeit nachhaltig erhöhen, was durch Studien an den präkolumbischen Indianerschwarzerden Amazoniens (Terra Preta) von Prof. Glaser der Universität Bayreuth ( belegt wurde. Das Biorefining und Carbon Cycling Programm der UGA ( kann Biochar aus verschiedenen Materialien unter verschiedenen Bedingungen herstellen. Die Kooperation zwischen der Universität Bayreuth und der Universität Georgia hat eine Optimierung der Materialeigenschaften von Biochar zur Anwendung als Bodenverbesserer zum Ziel. Insgesamt wurden 66 Biokohlen unterschiedlicher Herkunft (Material und Prozess) untersucht. Es konnten Parameter zur Definition von Biokohle festgelegt werden: Molares O/C-Verhältnis < 0,6, molares H/C- Verhältnis < 0,4, Black Carbon-Gehalte >15%, PAK-Gehalte kleiner als die Grenzwerte der Bundesbodenschutzverordndung. Ferner wird ein Sonderband der Fachzeitschrift Journal of Environmental Quality mit dem Thema Biokohle gemeinsam herausgegeben. 1. Materialeigenschaften von Biokohle verschiedener Herkunft Zusammen mit amerikanischen Kollegen wurden Biokohlen ausgetauscht und Methoden zur Charakterisierung von Biokohlen diskutiert. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die untersuchten Biokohlen. Im Einzelnen wurden Elementgehalte (C, H, N, O), funktionelle Gruppen (phenolische OH-Gruppen und Carboxylgruppen), Gehalte and polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen und spezifische Oberfläche bestimmt. Tabelle 1: Untersuchte Biokohle-Proben, angeordnet nach Feedstock und Produktionsprozess. Die Zahlen geben Probenanzahl und Produktionstemperatur an ( C). 7

2 Während die Elementverteilung für die Stabilität von Biokohle wichtig ist, dienen funktionelle Gruppen für die Fähigkeit von Biokohle, Nährstoffe pflanzenverfügbar zu speichern. Die zweidimensionale Darstellung der molaren Elementverhältnisse O/C auf der x-achse gegen H/C auf der y-achse verschiedener Biokohlen in einem sog. van-krevelen-diagramm (Abb. 1) erlaubt folgende Definition für Biokohlen: Molare H/C-Verhältnisse < 0,6 und molare O/C- Verhältnisse < 0,4 (Abb. 1). Diese Grenzwerte sind wichtig, da auch natürliche organische Verbindungen wie z. B. Lignin relative niedrige O/C- und H/C-Verhältnisse aufweisen (Abb. 1). PYREG- und Holzvergaserkohlen sind demnach als Biokohlen zu klassifizieren, während HTC-Kohlen diese Kriterien nicht erfüllen und eher im Bereich von Lignin bzw. Braunkohle angesiedelt ist (Abb. 1). Untersuchungen zur Stabilität von Pyrolysekohlen ergaben mittlere Verweilzeiten von ca Jahren, während HTC-Kohlen bereits nach mehreren Dekaden vollständig zersetzt werden (Steinbeiss et al., 2009). Diese Ergebnisse bestätigen unsere Befunde zur chemischen Struktur der unterschiedlichen Kohlen aus dem van-krevelen- Diagramm sowie die von uns vorgeschlagenen Grenzwerte zur Abgrenzung von Biokohlen (Abb. 1). HTC-Kohlen sind daher zum Zweck der langfristigen C-Sequestrierung nicht geeignet, während sich PYREG-Kohlen und Holzvergaserkohlen aus Sicht der Verweilzeiten hervorragend eignen. Abbildung 1: Van-Krevelen-Diagramm von Biokohlen, die mit verschiedenen technischen Prozessen hergestellt wurden (Details zu Herstellung siehe Tabelle 1). Daraus lässt sich der Verkohlungsgrad und damit auch die Stabilität der Biokohlen ableiten. Wir schlagen für Biokohle folgende Grenzwerte vor: molares H/C-Verhältnis < 0,6 und molares O/C-Verhältnis < 0,4. Auch mit Hilfe der Gehalte an polyaromatischem Kohlenstoff analysiert mittels Benzolpolycarbonsäuren als molekularen Marker für Black Carbon (Glaser et al. 1998) lassen sich Pyrolysekohlen klar von HTC-Kohlen abgrenzen (Abb. 2). Als Grenzwert für Black Carbon schlagen wir > 15% polyaromatischer C (Black Carbon) vor. 8

3 Abbildung 2: Black Carbon-Gehalte verschiedener Pyrolyse- und HTC-Kohlen (Mittelwerte und Standardfehler, P < 0,05, Tukey HSD-Test). Die Bestimmung der spezifischen Oberfläche (BET-Verfahren) erlaubt keine Differenzierung verschiedener Biokohlen (Abb. 3). Dieses Kriterium wird daher nicht weiter verfolgt. Abbildung 3: BET-Oberflächen verschiedener Pyrolyse- und HTC-Kohlen (Mittelwerte und Standardfehler, P < 0,05, Tukey HSD-Test). Ein weiteres Kriterium für die Qualität von Biokohlen ist ein möglichst geringer Gehalt an organischen Schadstoffen wie z. B. polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK, Abb. 4) oder Dioxinen (hier nicht untersucht). Obwohl Holzvergaserkohlen die erforderlichen Elementkriterien erfüllen, weisen sie z. T. sehr hohe Gehalte an PAK auf, weshalb sie als Bodenzusatzstoff nicht zu empfehlen sind und daher nicht als Biokohlen zu klassifizieren sind (Abb. 4). Überraschend hohe PAK-Gehalte wiesen ferner die von uns untersuchten Grill-Holzkohlen auf (Abb. 4), während alle anderen Kohlen sehr geringe PAK-Gehalte hatten (Abb. 4). 9

4 Abbildung 4: PAK-Gehalte (Summe der 16 EPA-PAK) verschiedener Pyrolyse- und HTC- Kohlen (Mittelwerte und Standardfehler, P < 0,05, Tukey HSD-Test). Abb. 5 verdeutlicht, dass die PAK-Muster eine Prozess-Identifikation der Biokohle-Produktion erlauben. Abbildung 5: Scatterplot der kanonischen Scores der Hauptkomponentenanalyse individueller PAK-Konzentrationen. Die Datenpunkte repräsentieren individuelle Biokohle-Proben. Gut zu erkennen ist, dass hohe PAK-Gehalte v. a. durch hohe Naphthalin- und Phenanthren-Gehalte verursacht werden und dass v. a. Grillholzkohle und Holzvergaserkohlen davon betroffen sind. Zusammenfassend schlagen wir folgende Bedingungen für Biokohle vor: Molares O/C- Verhältnis < 0,6, molares H/C-Verhältnis < 0,4, Black Carbon-Gehalte >15%, PAK- Gehalte kleiner als die Grenzwerte der Bundesbodenschutzverordndung. 2. Biokohle-Komposte Zentrale Fragestellung eines Gewächshausversuches war die Wirkung der Kompostierung und der Biokohlemenge. Hierbei soll insbesondere festgestellt werden, inwiefern sich durch eine Kombinierung von Biokohle und Kompost synergetische Effekte erzielen lassen, die: 10

5 Durch eine nachhaltige Bodenverbesserung zu einer langfristigen Steigerung der landwirtschaftlichen Erträge führen. Den Wert von Kompostdüngern steigern und ihr C-Sequestierungspotential in der Landnutzung durch stabile organische Kohlenstoffverbindungen (Black Carbon) verbessern. Zu einer Optimierung der Materialeigenschaften von Biokohle beitragen. Konzepte zu nachhaltigen, effizienten und regionalen Kreislaufwirtschaftssystemen sowie nachhaltigen Landnutzungssystemen auf diese Weise ermöglichen und fördern. Mit Biokohle-Komposten, welche steigende Mengen Biokohle enthalten (0 500 kg Biokohle pro Tonne Kompost; Tab. 2) wurde ein Pflanzversuch auf Sand und Lehm mit Hafer (Avena sativa) angesetzt, dessen Ergebnisse nach 4 Monaten im Gewächshaus in Abb. 6 dargestellt sind. Auf beiden Böden zeigen sich generell höhere Pflanzen je mehr Kompost und / oder Biokohle appliziert wurde (Abb. 6). Dieser Effekt ist jedoch auf dem Sandboden deutlicher ausgeprägt als auf dem Lehmboden. Tabelle 2: Applizierte Biokohle-Kompost-Mengen für Topfversuchsanordnung. Die Zahlen geben die applizierte Kompost- bzw. Biokohle-Menge in Tonnen pro Hektar an. Kompost Mg ha -1 Biochar Mg ha -1 Treatment B B B B B B Abbildung 6: Höhe von Haferpflanzen (Avena sativa) nach 4 Monaten Vegetationszeit im Gewächshaus auf Sand (links) und Lehm (rechts) in Abhängigkeit verschiedener Biokohleund Kompost-Mengen. 11

6 3. US-Biochar-Konferenz und weiteres Vorgehen Zwischen 27. und konnten wir an der US-Biochar Conference teilnehmen und weitere Kontakte für langfristige Kooperationen knüpfen. Insbesondere wurde die Teilnahme an internationalen Forschungsprogrammen (z. B. EU) beschlossen sowie die Herausgabe von gebündelten Publikationen zum Thema Biochar in einer einschlägigen Fachzeitschrift (Journal of Environmental Quality). Der Stand dieses Vorhabens ist in Tab. 3 dargestellt. Tabelle 3: Geplante Biochar-Manuskripte zur Publikation im Biochar Special Issue von Journal of Environmental Quality (Editoren: Glaser Bruno und Ippolito Jim). Author Title Affiliation MS Contact Prost K,Borchard N, Changing Properties of biochar from Siemens J, Kautz T, Möller gasification and slow pyrolysis while Soil Science, Bonn, A. Amelung W composting Germany Julia Krümmelbein, Nils Dietrich und Thomas Raab Inge Bargmann und Martin Kücke B. Weber 1, E. A. Stadlbauer 1, S. Stengl 1, Ch. Koch 1, K. Albert 2, M. P. Bayer 2, D. Steffens 3 Jan Mumme, Mamadou Diakité, Jürgen Kern, Fabian Rupp, Lion Eckervogt, Judith Pielert Kloß, Gerzabek et al. Reents H J, Kohls K, Erez B D. Busch, C. Kammann, L. Grünhage, C. Müller test procedures D. Busch, C. Kammann, A. Wagner, S. Schimmelpfennig, B. Glaser?, M. Kaupenjohann, L. Grünhage, Zubin Xie, C. Müller Effects of Biochar/Charcoal on soil structure development as influenced by wetting and drying Soil Protection, BTU Cottbus, Germany kruemmel@tu-cottbus.de Effect of soil application of hydrothermal carbonization chars on growth and nutrient uptake of barley and phaceolus beans and nutrient contents in the soil JKI Braunschweig martin.kuecke@jki.bund.de Production of carbon materials from biomass by hydrothermal carbonization and low temperature conversion: A comparison of techniques Dept. Of Natural Sciences, University of Applied Sciences Giessen x ernst.a.stadlbauer@mni.fhgiessen.de Hydrothermal carbonization of digestate and cellulose a comparative analysis ATB Potsdam jmumme@atb-potsdam.de Physical, chemical and ecotoxicological characteristics of slow pyrolysis biochars from different feedstocks Soil Science, Vienna, Austria stefanie.kloss@boku.ac.at The effect of Biochar in combinations with organic fertilizer on soil properties and plants in a pot experiment Ecological Farming Freising reents@wzw.tum.de Simple biotoxicity tests for risk evaluation of carbonaceous soil additives: I. Establishment and reproducibility of four Simple biotoxicity tests for risk evaluation of carbonaceous soil additives: II. Comparison of different biochars, hydrochars and other soil C additives Plant Ecology, Uni Giessen Plant Ecology, Uni Giessen Effects of different biochars and C. Kammann, S. Hepp, C. hydrochars added to soils on CO2, N2O Augustenborg, C. Eckhard, and CH4 fluxes from vegetated and nonvegetated L. Grünhage, C. Müller soils Plant Ecology, Uni Giessen Kern, Jürgen Long-term GHG fluxes on sandy soil amended with different types of biochar ATB Potsdam jkern@atb-potsdam.de S. Schimmelpfennig, B. Glaser Thresholds for biochar material properties Soil Biogeochemistry, MLU Halle bruno.glaser@landw.unihalle.de Zitierte Literatur / Cited references: Glaser, B., Haumaier, L., Guggenberger, G., and Zech, W. (1998). Black carbon in soils: the use of benzenecarboxylic acids as specific markers. Organic Geochemistry 29, Kuzyakov, Y., Subbotina, I., Chen, H. Q., Bogomolova, I., and Xu, X. L. (2009). Black carbon decomposition and incorporation into soil microbial biomass estimated by C-14 labeling. Soil Biology & Biochemistry 41, Steinbeiss, S., Gleixner, G., and Antonietti, M. (2009). Effect of biochar amendment on soil carbon balance and soil microbial activity. Soil Biology & Biochemistry 41,