Grundlagen Pyrolyse 1: Pflanzenkohle und ihre Klimawirkung

Die Pyrolyse macht aus organischem Material Kohle. Das kann sowohl wörtlich als auch im übertragenen Sinn verstanden werden. Wird Pflanzenkohle richtig eingesetzt, kann sie sich für den Hof auch wirtschaftlich lohnen und mithelfen, die Klimaerwärmung zu verlangsamen.

Folgende Fragen sollen in dem dreiteiligen Grundsatzbeitrag zum Thema Pflanzenkohle und Pyrolyse geklärt werden: Was ist Pyrolyse und warum ist es sinnvoll mit Pyrolyse hergestellte Pflanzenkohle zu verwenden? Was hat das Ganze mit der Klimaerwärmung zu tun? Was kann der Einsatz von Pflanzenkohle auf meinem landwirtschaftlichen Betrieb bringen? Welche Fragen sind noch nicht geklärt?

In diesem ersten Teil wird erklärt was Pyrolyse ist und welche Klimawirkungen die Nutzung von Pflanzenkohle haben kann.

Die Herstellung der Pflanzenkohle mittels Pyrolyse

Pflanzenkohle wird durch eine Methode hergestellt, die Pyrolyse genannt wird. Pflanzliche Biomasse wird bei mindestens 400 °C und unter weitgehendem Sauerstoffausschluss verbrannt. Dies geschieht zum Teil in industriellen Anlagen, wo auch die entstehende Wärme und die Gase genutzt werden können. Pflanzenkohle kann aber auch selber hergestellt werden; zum Beispiel in einer einfachen Bodengrube oder in relativ günstigen manuellen Jedermann-Anlagen. Auch gibt es die Möglichkeit Pflanzenkohle mit einer herkömmlichen Hackschnitzelheizung herzustellen.

Pflanzenkohle ist nicht vergleichbar mit Kohle, welche bei normalen, offenen Bränden entsteht. Diese Kohle enthält zu grosse Mengen Schadstoffe (wie zum Beispiel Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)), die zum Teil krebserregend sind. Nur wenn das Pyrolyseverfahren korrekt durchgeführt wird, entsteht Pflanzenkohle von einer Qualität, welche in der Landwirtschaft eingesetzt werden darf.

Beschreibung der Pyrolyse durch einen Praktiker:

Organisches Material, wie trockene Pflanzenreste oder Holz, beginnt ab einer Temperatur von ca. 600 Grad auszugasen. Organische Verbindungen, wie Lignin verbrennen, was wir an der Flamme des Feuers erkennen. Rauch sollte in dieser Phase keiner entstehen. Sind die Holzgase verbrannt, erlischt die Flamme und der feste Kohlenstoff glüht weiter; bläulicher Rauch entsteht. In dieser Phase kann die Glut gelöscht werden. Wird sie langsam geflutet, also von unten aufsteigend mit Wasser ertränkt, entsteht Dampf, welcher die darüberliegenden Schichten durchdringt und so Poren aufschliesst. Die erwünschte Adsorptionsfähigkeit wird dadurch gefördert (Adsorption meint die Anlagerung der Atome oder Moleküle von Flüssigkeiten oder Gasen an eine feste Oberfläche.) Wird das Wasser nach dem Löschen sofort wieder abgelassen, kann die Kohle schnell abtrocknen und gegebenenfalls mit Mikroorganismen aufgeladen werden.

Pflanzenkohle im offenen Feuer herstellen ist aus meiner Sicht die sicherste Art, giftige Stoffe zu vermeiden: Zuerst wird ein Glutbett errichtet. Dieses wird in dünnen Schichten mit möglichst gleich dickem Holz zugedeckt. Immer wenn sich am sich verkohlenden Holz der obersten Schicht weisse Ränder bilden, ist es Zeit eine weitere Schicht Holz nachzulegen. Bei dieser Methode zehrt die Flamme der obersten, brennenden Schicht den Sauerstoff restlos auf. Die darunterliegende Glut kann deshalb nicht weiter oxidieren und veraschen. Die Glut/ Kohle bleibt erhalten. (P. Walder, persönliche Kommunikation, 6. August 2021)

Mit der Pyrolyse kann mehr als die Hälfte des im Ausgangsmaterial gespeicherten Kohlenstoffs in Pflanzenkohle umgewandelt werden:

Pyrolyse, Pflanzenkohle und die Klimaerwärmung

Welche Mechanismen treiben die Klimaerwärmung an und warum kann die Anwendung der Pflanzenkohle in der Landwirtschaft mithelfen, die Klimaerwärmung zu bremsen?

Wetter – Klima – Klimaerwärmung

Das Wetter ist einfach gesagt, das was wir sehen, wenn wir aus dem Fenster schauen. Das Klima dagegen bezeichnet den Wetterverlauf an einem Ort über mindestens 30 Jahre. Dass sich in der Schweiz die durchschnittliche Temperatur von 1991 – 2020 gegenüber dem Durchschnitt von 1961 – 1990 übermässig erhöht hat, zeigt untenstehende Grafik. Die Klimaerwärmung ist auch bei uns offensichtlich.

Treibhausgase

Treibhausgase sind Gase in der Atmosphäre, welche die Abstrahlung der Sonnenenergie von der Erdoberfläche vermindern (Treibhauseffekt). Je mehr dieser Gase in der Atmosphäre sind, desto stärker erwärmt sich die Atmosphäre.

Zu den Treibhausgasen gehören Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄), Lachgas (N₂O) sowie die sogenannten F-Gase (z.B. FCKW). Den grössten Teil des vom Menschen gemachten Treibhauseffektes wird durch CO₂ verursacht, in der Schweiz und in Deutschland macht CO₂ rund 80 % der jährlichen Treibhausgas-Emissionen (in CO₂-Äquivalenten) aus.

Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoff ist ein wichtiges Element der Erde und wird mit dem Elementsymbol C dargestellt. Kohlenstoff kommt in Pflanzen und überhaupt in jedem lebenden Gewebe z.B. in Kohlenhydraten, Proteinen oder Fetten vor. Der Kohlenstoff befindet sich in einem stetigen Kreislauf (Kohlenstoffkreislauf).

Der Nutzen von Pyrolyse und Pflanzenkohle im Zusammenhang mit dem Treibhauseffekt wird bei der Betrachtung des Kohlenstoffkreislaufs deutlich. Ausgehend von der folgenden Grafik werden mit jeder weiteren Grafik zusätzliche Elemente ergänzt.

Vereinfachter terrestrischer Kohlenstoffkreislauf in vorindustrieller Zeit:

Kohlenstoff kommt in Form von Kohlendioxid (CO₂) in der Atmosphäre vor. Pflanzen nehmen bei der Photosynthese CO₂ auf, der Kohlenstoff wird in der Biomasse der Pflanze gespeichert und der Sauerstoff wird abgegeben. Die Tiere fressen Pflanzen und atmen den Kohlenstoff in Form von CO₂ wieder aus. Auch bei der Verbrennung von organischem Material entsteht CO₂, welches an die Atmosphäre abgegeben wird.

Totes Pflanzenmaterial oder auch der Mist von Tieren wird in die Böden eingebunden. Es wird von sogenannten Destruenten (z.B. Regenwürmer, Insekten, Pilze, Mikroorganismen) zersetzt. Diese Destruenten geben wiederum einen Teil des Kohlenstoffs in Form von CO₂ über ihre Atmung an die Luft ab. Ein weiterer Teil des Kohlenstoffs bleibt im Humus des Bodens längerfristig gebunden. Vor der Industrialisierung war der Kohlenstoffkreislauf nahezu im Gleichgewicht. NOCH EIN SATZ ERGÄNZEN, WAS DAS MEINT

Mit der Industrialisierung bringen fossile Brennstoffe den Kohlenstoffkreislauf in ein Ungleichgewicht:

Aus abgestorbenen Pflanzen und toten Tieren haben sich vor Jahrmillionen Kohle, Erdöl und Erdgas durch geologische Prozesse gebildet. Seit der Industrialisierung holt der Mensch diese fossilen Brennstoffe zur Nutzung als Energieträger aus dem Boden. Bei ihrer Verbrennung werden grosse Mengen von zusätzlichem Kohlenstoff in Form von CO₂ in die Atmosphäre abgegeben. Der natürliche Kohlenstoffkreislauf gerät dadurch aus dem Gleichgewicht.

Bei der Pyrolyse wird organisches Material unter Luftabschluss bei mindestens 400 Grad Celsius behandelt. Dabei entsteht Pflanzenkohle, die in der Landwirtschaft zu verschiedenen Zwecken eingesetzt werden kann (Zusatz in Dünger, Futter, Einstreu oder Kompost). Pflanzenkohle ist sehr stabil und bleibt im Boden mehrere hundert Jahre lang erhalten. Ein Teil des Kohlenstoffs kann längerfristig dem Kreislauf entzogen werden und dadurch einen Beitrag zur Verlangsamung der Klimaerwärmung leisten. Dabei ist als Ausgangsmaterial primär Biomasse zu recyceln, welche als Rest- oder Abfallstoffe aus der Forst- und Landwirtschaft, Holzverarbeitung, Nahrungsmittelherstellung, etc. anfällt.

Hubert Würsch, 2021

Grundlagen Pyrolyse 1 der dreiteiligen Serie, in Grundlagen Pyrolyse 2 schreibt Hubert Würsch zu «Einsatzmöglichkeiten der Pflanzenkohle in der Landwirtschaft» und in Grundlagen Pyrolyse 3 zu «Offene Fragen / Risiken»

Weitere Informationen

Fachverband Pflanzenkohle https://fachverbandpflanzenkohle.org/
Ithaka Institut; internationales Netzwerk für Kohlenstoff-Strategien und Klimafarming https://www.ithaka-institut.org, http://www.ithaka-journal.net/inhalt/klimafarming
Das Europäische Pflanzenkohle Zertifikat https://www.european-biochar.org/de/
Richtlinien für die nachhaltige Produktion von Pflanzenkohle https://www.european-biochar.org/biochar/media/doc/ebc-richtlinien.pdf

Quellen

Bundesamt für Statistik, 2021, Umweltindikator – Lufttemperatur, https://www.bfs.admin.ch/bfs/de/home/statistiken/raum-umwelt/umweltindikatoren/alle-indikatoren/umweltzustand/lufttemperatur.html, aufgerufen am 03.08.2021

Bundesamt für Umwelt, 2021, Emissionen von Treibhausgasen nach CO2-Gesetz und Kyoto-Protokoll, 2. Verpflichtungsperiode (2013–2020)

Deutsches Klima-Konsortium, 2021, Klima-FAQ 6.2 | Kohlenstoffkreislauf, https://www.deutsches-klima-konsortium.de/de/klimafaq-6-2.html, aufgerufen am 14.07.2021

Fachverband Pflanzenkohle e.V., 2021, FAQ Pflanzenkohle, https://fachverbandpflanzenkohle.org/pflanzenkohle/faq-fragen-und-antworten-zur-pflanzenkohle/, aufgerufen am 02.08.2021

Schmidt, H.P., Hagemann N., Abächerli, F., Leifeld J., Bucheli T., Pflanzenkohle in der Landwirtschaft : Hintergründe zur Düngerzulassung und Potentialabklärung für die Schaffung von Kohlenstoff-Senken, Agroscope Science, 112, 2021, 1-71. DOI: 10.34776/as112g

Schmidt H.P., Kammann C., Gerlach A., Gerlach H.: Der Einsatz von Pflanzenkohle in der Tierfütterung, Ithaka-Journal 2016, Arbaz, Switzerland, ISSN 1663-0521, pp. 364-394, www.ithaka-journal.net/95
Umweltbundesamt, 05.07.2021, Die Treibhausgase, https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/klimaschutz-energiepolitik-in-deutschland/treibhausgas-emissionen/die-treibhausgase, aufgerufen am 13.07.2021