Einsatzvon Biokohle in heimischenböden: GrundlegendeUntersuchungenzum möglichennutzenund Risiko

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1 Einsatzvon Biokohle in heimischenböden: GrundlegendeUntersuchungenzum möglichennutzenund Risiko 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 1

2 Begriffsdefinitionen Biokohle (Bio)kohle, Biocarbonisat natürlich anthropogen fossil rezent Braunkohle Steinkohle Koks Wald- und Steppenbrände HTC-Kohle, engl. Hydrochar (hydrothermale Carbonisierung) Pflanzenkohle, Pyrokohle engl. (Pyrolyse) 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 2

3 Begriffsdefinitionen Biokohle (Bio)kohle, Biocarbonisat fossil natürlich rezent VDI-Ausschuss Emissionsminderung Erzeugung von Biomassecarbonisaten anthropogen NA AA (3933) Leitung: Prof. Dr. P. Quicker, RTWH Aachen (Dr.-Ing. Christoph Sager, VDI) Braunkohle Steinkohle Koks Wald- und Steppenbrände HTC-Kohle, engl. Hydrochar (hydrothermale Carbonisierung) Pflanzenkohle, Pyrokohle engl. (Pyrolyse) 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 3

4 Langsame und schnelle Pyrolyse Hydrothermale Carbonisierung - energetisch netto: exotherm - - energetisch netto:?? - trockene Biomasse Pyrolyse C ; Pyrochar Nasse Biomasse HTC ~200 C, 20 bar HTC-Kohle, hydrochar Energie: + therm. Energie und/oder Bio-öl; C-reich (70-90%), Ertrag geringer (20-50%) Keine therm. Energie und/oder Bio-öl; C-ärmer (50-60%), Ertrag höher (60 85%) Art der Anwendung: C-Speicherung in Böden THG-Emiss.- Reduktion Amelioration Böden (degrad., contamin.) CO 2 neutraler Brennstoff, Hygienisierung Risikoabschätzung! 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 4

5 warum Biokohle? 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 5

6 warum Biokohle? ~536 von 800 Gt C haben wir schon 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 6

7 warum plötzlich Biokohle.? Körner, 2003: "Slow in rapid out". Carbon flux studies and Kyoto targets, Science 300, März 2015 Biokohle und Klimaschutz 7

8 warum plötzlich Biokohle.? British Columbia: Borkenkäfer Kiefer Körner, 2003: "Slow in rapid out". Carbon flux studies 6 100% and Kyoto targets, 10 Science 300, März 2015 Biokohle und Klimaschutz 8 N 2 O emission sum (kg N ha -1 ) 30 N-fertilization 25 Vegetative growth Off-season 221% ambient CO 2 elevated CO 2 Kammann et al. Kammann 2008, SBB et al. 2008, SBB 40 4 CO 2 equivalents (t ha -1 )

9 warum Biokohle? 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 9

10 Warum plötzlich Biokohle.? 7 Milliarden und der gedüngte Planet from Galloway et al März 2015 Biokohle und Klimaschutz 10

11 Warum plötzlich Biokohle.? 7 Milliarden und der gedüngte Planet from Galloway et al März 2015 Biokohle und Klimaschutz 11

12 Warum plötzlich Biokohle.? 7 Milliarden und der gedüngte Planet from Galloway et al Bouwman, 1998 (Science) 27. März 2015 Biokohle und Klimaschutz 12

13 Warum plötzlich Biokohle.? 7 Milliarden und der gedüngte Planet from Galloway et al Bouwman, 1998 (Science) 27. März 2015 Biokohle und Klimaschutz 13

14 warum Biokohle? Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 14

15 warum plötzlich Biokohle.? Paradigmenwechsel: Atmosphäre billige Müllkippe des Energiestoffwechsels unserer Gesellschaft CO2 27. März 2015 Biokohle und Klimaschutz 15

16 Terra preta, Amazonas-Schwarzerde (ADE): Geschichte und Verbreitung Francisco de Orellana(* 1511 in Trujillo, Spanien; 1546) - Erster Europäer der die Amazonasregion bereiste(rio Negro) - Name "Amazonas": er behauptete Amazonen gesehen zu haben B. Glaser B. Glaser Ferralsol Antroposol Verbreitungsgebiet ADE bzw. TP (Oxisol) (Terra Preta) 27. März 2015 Biokohle und Klimaschutz 16

17 Terra preta, Amazonas-Schwarzerde (ADE): Geschichte und Verbreitung Francisco de Orellana(* 1511 in Trujillo, Spanien; 1546) - Erster Europäer der die Amazonasregion bereiste(rio Negro) - Name "Amazonas": er behauptete Amazonen gesehen zu haben B. Glaser B. Glaser Ferralsol Antroposol Verbreitungsgebiet ADE bzw. TP (Oxisol) (Terra Preta) 27. März 2015 Biokohle und Klimaschutz 17

18 Die drei Biokohle-Hoffnungen : eine win-win-win Strategie? CO 2 - negative Energie- Erzeugung Bodenverbesserung, Ertragsteigerung(?) THG-Emissionsminderung, C-Sequestrierung?? 27. März 2015 Biokohle und Klimaschutz 18

19 Durchgeführte Untersuchungen: 1. Kurzzeit-Untersuchungen: Biotox-Tests (Kompostgüte; DIN-ISO) 2. Mittelfristige Untersuchungen: Zwei Inkubationsexperimente (C-Stabilität, THG-Flüsse (N 2 O, CH 4 )) 3. Langfristiger Feldversuch: Anlage; Bodenbedingungen, Biomasse- Ertrag, Futtermitteleignung, kontinuierliche THG-Flussmessungen, Aggregierung, Kohle-C Verbleib 4. Zusatzuntersuchungen: NH 3 -Emissionen; Pflanzversuch; Bodenmikrobiologie; N-Retention (Ausblicke) H.W. Koyro 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 19

20 Durchgeführte Untersuchungen: 1. Kurzzeit-Untersuchungen: Biotox-Tests (Kompostgüte; DIN-ISO) 2. Mittelfristige Untersuchungen: Zwei Inkubationsexperimente (C-Stabilität, THG-Flüsse (N 2 O, CH 4 )) 3. Langfristiger Feldversuch: Anlage; Bodenbedingungen, Biomasse- Ertrag, Futtermitteleignung, kontinuierliche THG-Flussmessungen, Aggregierung, Kohle-C Verbleib 4. Zusatzuntersuchungen: NH 3 -Emissionen; Pflanzversuch; Bodenmikrobiologie; N-Retention (Ausblicke) 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 20

21 Durchgeführte Untersuchungen: 1. Kurzzeit-Tests: Biotox-Tests (Kompostgüte; DIN-ISO) Kontrolle HTC-3 25% 5% Kontrolle 25% 5% BC- Mix LUFA soil Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 21

22 Biotox-Tests: Bsp. Regenwurmtest Präferenz Kohleseite - Mix LUFA 2.2 Vermeidung Kohleseite Testen von Kompost vs. -Kompost 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 22

23 Biotox-Tests: Char type feedstock barley salad cress earthworms Comment: char was germin. growth germin. growth germin. growth behavior ( relatively ) BC-1 peanut hull (+) ++ nutrient-rich BC-2 wood (gasifier) (+) (+) PAH contaminated BC-3 wheat straw (+) low-temp. (400 C) BC-8 greenwaste ++ (+) (+/-) no pollutants detected BC-9 brewery draff (+) ++ no pollutants detected CC-1 beech wood (+) (+) barbeque charcoal CC-2 beech wood logs (+/-) (+/-) (+/-) not tested (+/-) high-temp., ash rich BC-5 sugar beet chips (-) (+/-) HC-3 wet sugar beet-root pulp (+/-) (+/-) all products: beet root HC-4 * wet sugar beet-root pulp not tested not tested not tested feedstock HC-5 * dried sugar beet-root chips (+/-) (+/-) HC-6 bark and wood mulch (+) (-) (+/-) (+/-) (+/-) best of all hydrochars BC-7 * Miscanthus chaff (+/-) ++ HC-7 Miscanthus chaff (+/-) (+/-) LC-1 Meat-and-bone meal (+/-) LC-2 Meat-and-bone meal (+/-) (+/-) (+/-) (+/-) Color code: BC = : Pyrolysis = char o.k., no negative effects (inhibition / reduction) HC = Hydrochar: HTC process LC = low temp. conversion char (+) +, ++ * vapor-thermally carbonized (+/-) = tendency towards improvement (p<0.1) = significantly improved or preferred = positive in low conc., negative in high conc; OR: negative when fresh, o.k. when aged = significantly negative effects / significant avoidance; (+/-) strength of "negative" depending on age out of the same Fst.: BC is o.k., HTC very bad first set contaminated, second o.k. due to producer 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 23

24 1. Kurzzeit-Tests: Biotox-Tests FAZIT: : Char type feedstock barley salad cress earthworms Comment: char was germin. growth germin. growth germin. growth behavior ( relatively ) s größtenteils problemfrei bis positiv BC-1 peanut hull (+) ++ nutrient-rich BC-2 wood (gasifier) (+) (+) PAH contaminated BC-3 wheat straw (+) low-temp. (400 C) BC-8 greenwaste ++ (+) (+/-) no pollutants detected BC-9 brewery draff (+) ++ no pollutants detected CC-1 beech wood (+) (+) barbeque charcoal CC-2 beech wood logs (+/-) (+/-) (+/-) not tested (+/-) high-temp., ash rich BC-5 sugar beet chips (-) (+/-) HC-3 Probleme wet sugar beet-root pulp waren nicht: PCBs, Dioxine usw. (+/-) (+/-) all products: beet root HC-4 * wet sugar beet-root pulp not tested not tested not tested feedstock HC-5 * dried sugar beet-root chips (+/-) (+/-) HC-6 bark and wood mulch (+) (-) (+/-) (+/-) (+/-) best of all hydrochars BC-7 * Miscanthus chaff (+/-) ++ HC-7 Miscanthus chaff (+/-) (+/-) LC-1 Meat-and-bone meal (+/-) LC-2 Meat-and-bone meal (+/-) (+/-) (+/-) (+/-) ggf. mutagene Wirkung Color code: (Busch et al. 2013) BC = : Pyrolysis = char o.k., no negative effects (inhibition / reduction) HC = Hydrochar: HTC process (+) = tendency towards improvement (p<0.1) Schadstoff(e)? Biotox-Tests sinnvoll! LC = low temp. conversion char +, ++ = significantly improved or preferred * vapor-thermally carbonized (+/-) (geruchlos) Modifizierte Biotox-Tests detektierten vorhandene Probleme Mögliche Probleme : PAK s(vergaserkohlen), Schwermetalle HTC-Kohle: HTC-Kohlen meist keim-und wachstums-hemmend; = positive in low conc., negative in high conc; OR: negative when fresh, o.k. when aged Schadstoff(e) abbaubar durch Co-Kompostierung! (spezieller Geruch) = significantly negative effects / significant avoidance; (+/-) strength of "negative" depending on age Frische HTC-Kohle: hoher labiler C-Anteil: starke N-Immobilisierung out of the same Fst.: BC is o.k., HTC very bad first set contaminated, second o.k. due to producer 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 24

25 HTC Dampf 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 25

26 CO 2 efflux (Kohle-C und Boden-C Abbau) N 2 O Emiss. (v.a. nach Gülle- Düngung) Inkubationsstudie I CO 2 (4 Monate) N 2 O (4 Monate) Kontrolle (Boden pur); (Augsgangsmaterial, Strohartig) HTC-Kohle (hydrothermal carbonisiert); (pyrolysiert) (HTC:BC Mixtur 1:1) 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 26

27 Inkubationsstudie I: Weidelgras-Wachstum 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 27

28 Inkubationsstudie II Die Kohle klein kriegen Kontrolle M.-Stroh HTC dampf HTC wasser 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 28

29 Kontrolle HTC Dampf HTC Wasser 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 29

30 2. Mittelfristige Inkubationsstudien: Fazit Kohenstoffin den Boden? -HTC-Kohle und weniger geeignet: M.-Stroh < HTC << Abbaubarkeit aus Materialeigenschaften gut vorhersagbar Die kumulativen N 2 O-Emissionen lassen sich aus den kumulativen CO 2 -Emissionen vorhersagen. konnte N 2 O-Emissionen reduzieren (Meta-Studie) Methanaufnahme in den Boden wird durch Carbonisat-und -Zugabe gestärkt 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 30

31 April Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 31

32 April 2011 April 2012 Mai Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 32

33 April 2011 April Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 33

34 April Grünlandertrag 1. Ernte Biomasse-Ertrag (g/m²) Schimmelpfennig et al (Jahre ) 100 Leguminosen Kräuter Gräser Control Hydrochar Control Hydrochar Control Hydrochar Control Hydrochar Zwei Ernten pro Jahr: Mai und Oktober Zwei Gülle-Düngungen pro Jahr ( kg N/ha) Jahre : Ertragsminderung mit HTC-Kohle Jahre : Verschiebung Gräser Kräuter mit 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 34

35 April Grünlandertrag Ernte Biomasse-Ertrag (g/m²) Schimmelpfennig et al (Jahre ) Leguminosen Kräuter Gräser Control Control Hydrochar Hydrochar Control Control Hydrochar Hydrochar Control Control Hydrochar Hydrochar Control Control Hydrochar Hydrochar Zwei Ernten pro Jahr: Mai und Oktober Zwei Gülle-Düngungen pro Jahr ( kg N/ha) Jahre : Ertragsminderung mit HTC-Kohle Jahre : Verschiebung Gräser Kräuter mit 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 35

36 April Grünlandertrag 1. Gesamt 2. Ernte ( Ernte) Biomasse-Ertrag (g/m²) Schimmelpfennig et al (Jahre ) Legu. Leguminosen Kräuter Gräser Control Control Control Hydrochar Hydrochar Hydrochar Control Control Control Hydrochar Hydrochar Hydrochar Control Control Control Hydrochar Hydrochar Hydrochar Control Control Control Hydrochar Hydrochar Hydrochar Zwei Ernten pro Jahr: Mai und Oktober Zwei Gülle-Düngungen pro Jahr ( kg N/ha) Jahre : Ertragsminderung mit HTC-Kohle Jahre : Verschiebung Gräser Kräuter mit 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 36

37 April 2011 Schimmelpfennig et al (Jahre ) Zwei Ernten pro Jahr: Mai und Oktober Jahre : Ertragsminderung mit HTC-Kohle Jahre : Verschiebung Gräser Kräuter mit Nährstoffgehalte, Nährstoffentzüge: Keine Masse-oder Qualitätsveränderungen durch C-Additive (Schimmelpfennig et al. 2015) Signifikante Steigerung des K + Gehalts mit (Asche-Effekt), einige Mikronährstoffe verbessert Zwei Gülle-Düngungen pro Jahr ( kg N/ha) 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 37

38 Apr Jun Aug Okt Dez Feb Apr Jun Aug Okt Dez Feb Apr Jun Aug Okt Dez Feb 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 38 CO2 efflux [mg m-2 h -1 ] Temperatur [ C] Niederschlag [mm] Temperatur 2 m Niederschlag G G G G G G E E E E E E

39 April 2011 Mikrobielle Biomasse: Basalatmung gesteigert mit Mikrobielle Biomasse gesteigert mit Respiratorische Effizienz Kontrolle = ; mit schlechter 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 39

40 April 2011 Blau = große Wasserstabile Aggregate = gut Abnahme durch Frost Tau Schnellerer Wiederaufbau mit allen C-Additiven POM 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 40

41 Schlussfolgerungen: Biotox-Tests: HTC-Kohlen u. U. problematisch, s nicht; saubere Herstellung möglich (EBC) Inkubationen: Reduktion N 2 O-Emissionen möglich, im Feld hier (noch) nicht nachweisbar Feldversuch:Erträge unverändert, Artenverschiebungen, Nährstoffkonzentrationen und entzügeunverändert gut (Schimmelpfennig et al. 2015) Generell: Nur zur C-Sequestrierung geeignet; keine Risiken, die nicht beherrschbar wären; aber: keine sofortigen ökonomischen Anreize garantiert Aussichtsreich: Nitratretention durch (kompostiertes) 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 41

42 Ausblicke: temperate Böden: Kein Risiko mit sauberer Pyrokohle (biochar) Einsatz in der Viehhaltung Einsatz im Nährstoffmanagement (Wirtschaftsdünger) Einsatz gegen Nitratauswaschung (+Kompost) Einsatz zur C-Bindung (Verlangsamen) Artikel kürzlich erschienen ( ): /srep/2015/150609/sre p11080/full/srep html (Kammann et al., 2015, Scientific Reports) 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 42

43 Fazit 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 43

44 Volldünger 40 kg/ha (1.2 g/cont.) KristalonTM, YARA, Oslo N-P-K-Mg ( ) im Weinbau Riesling Klon Gm, Unterlage SO 4, Klon 47 Gm 3-jährige Pflanzen, Augen Sandig-armer Ober- u. Unterboden 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 44

45 30 t/ha BC-pure 60 t/ha BC-pure Entweder BC pure oder BC comp Riesling Klon Gm, Unterlage SO 4, Klon 47 Gm 3-jährige Pflanzen, Augen Sandig-armer Ober- u. Unterboden 30 t/ha 60 t/ha mit 11% BC darin 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 45

46 Traubenertrag (g / Container) no amendment 30 t/ha 60 t/ha A B,C C C C C A B,C (B) A,B control biochar compost comp.+bc BC-comp. Mostgewichte: Zwischen Spätlese und Auslese (Ausnahme: 60 t/ha Kompost) 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 46

47 Nitratauswaschung (mg N container -1 ) A B 0 t/ha 30 t/ha 60 t/ha B B,C A,B B,C C B,C B,C Ctrl BC pure Comp. pure Comp.+BC BC-Comp. 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 47

48 Ausblicke: temperate Böden: Kein Risiko mit sauberer Pyrokohle (biochar) Einsatz in der Viehhaltung Einsatz im Nährstoffmanagement (Wirtschaftsdünger) Einsatz gegen Nitratauswaschung (+Kompost) Einsatz zur C-Bindung (Verlangsamen) Tropische verarmte Böden 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 48

49 das Werkzeug formen! 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 49

50 And many thanks go to.: HLUG - FZK Nicol Strasilla, NataschaBrecht, Andreas Haller, Gerhard Mayer, Roger Cresswell, Mario Tolksdorf and many others! Additional funding sources DFG, DAAD, Uni Gießen, HS Geisenheim, EU COST Action Forest soil Charcoal: forest 1:1 Charcoal soil 09. Juni 2015 Kammann: Biokohle - Chancen und Risiken 50