Naturwissenschaftliches Grundwissen
5. Kohlenstoffbindung in Böden speziell durch Black Carbon und Biokohle
Inhalt dieses Kapitels
1. Black Carbon
2. Biokohle
1. Black Carbon
Black Carbon ist ein Rückstand der unvollständigen Verbrennung von Biomasse oder fossilen oder biologischen Brennstoffen, der in Böden, in Sedimenten, im Meereswasser und in der Atmosphäre allgegenwärtig vorkommt. Es kann in seiner Erscheinungsform als leicht verkohlte Biomasse, die immer noch mikrobiologisch abbaubar ist, bis hin zu Ruß (beispielsweise in Form von primären Aerosolen) als hitzebeständiger sekundärer Verbrennungsrückstand von kondensierten flüchtigen organischen Stoffen vorkommen. Viel des global vorkommenden Black Carbons ist anthropogenen Ursprungs. Black Carbon ist relativ widerständig gegenüber chemischem und biologischem Abbau. Aus diesem Grund kann es über lange Zeiträume als signifikante Senke im globalen Kohlenstoffkreislauf fungieren, da der Kohlenstoff in dieser Form vom schnellen biologischen in den langsamen geologischen Kohlenstoffkreislauf übertragen wird. Allerdings absorbiert Black Carbon als Aerosol in der Atmosphäre die Energie des Sonnenlichts und führt so zu einem Aufheizen der Atmosphäre. Auf Eis- und Schneeoberflächen niedergeschlagen, reduziert Black Carbon wiederum die Albedo. Black Carbon unterscheidet sich von Biokohle aber auch dahingehend, dass es kaum noch genug Eigenschaften aufweist, aus denen sich der biologische Ursprung erkennen lässt. Methoden zur Quantifizierung und Charakterisierung von Black Carbon (in Böden und Sedimenten) bestehen aus drei Herangehensweisen, wobei mit jeder dieser Techniken jeweils ein bestimmter Verbrennungsgrad von Black Carbon betrachtet werden kann:
- optisch: mikroskopische, optische (Betrachtung der Schwärze der Proben) und spektroskopischen Methoden und Techniken (Identifizierung der typischen pyrogenen chemischen Strukturen von Black Carbon)
- thermal: thermale Zerfallstechniken (durch Volatilization des übrigen organischen Kohlenstoffs)
- chemisch: chemische Zerfallstechniken (beispielsweise mittels Säuren, Wasserstoffperoxid und UV-aktivierten Sauerstoffarten unter verschiedenen Temperaturen).
Black Carbon (links) und (HTC-)Biokohle (rechts)
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(Quelle Bild links: Wikimedia Commens 2009; Quelle Bild rechts, Thelemann 2012) |
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2. Biokohle
Bei Biokohle (Biochar) handelt es sich um ein unter hohem Druck und hoher Temperatur aus biologisch schnell abbaubarer Biomasse (z.B. Pflanzenresten und -abfällen) hergestelltes Material, das schlecht durch Mikroorganismen abgebaut werden kann und damit in einen stabileren, länger haltbaren Zustand überführt wurde. Diese Form der Karbonisierung löst den atmosphärischen und den terrestrischen Kohlenstoffkreislauf voneinander, da der in Form von Biokohle gebundene Kohlenstoff über Jahrhunderte bis zu zwei Jahrtausenden in eine stabile, abbauresistentere Form gebracht wird. Die Herstellung und Einbringung von Biokohle in den Boden stellt somit ein Verfahren zur Bodenkohlenstoffbindung (Soil Carbon Sequestration) und Bodenmelioration dar.
Film zur Herstellung von HTC-Biokohle am ATB Potsdam-Bornim
Manueller Download des Videos (Quelle: Thelemann 2012)
Biokohle unterscheidet sich von Holzkohle dahingehend, dass sie mit dem Ziel hergestellt wird in den Boden eingebracht zu werden, um dort die Bodengesundheit und Nährstofffiltereigenschaften und -speicherung zu verbessern und als Kohlenstoffsenke zu fungieren. Die weltweit einbringbare Menge von Biokohle in Böden zur Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit wird in diesem Zusammenhang auf 1 Gt C pro Jahr geschätzt. Dies entspricht etwa einem Achtel der Kohlenstoffemissionen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe von 2006.
Verschiedene Arten von Biokohle können dabei durch unterschiedliche Verfahren gewonnen werden, die unter dem Begriff der Pyrolyse zusammengefasst werden, also der thermalen Dekomposition oder thermochemischen Umwandlung von Biomasse unter hohem Druck und hoher Temperatur und anaeroben Bedingungen. Der Druck und die Temperatur hängen vom organischen Ausgangsmaterial und den Prozessbedingungen ab. Die zur Erhitzung notwendige Energie kann bis zu einem Wassergehalt von 30 % aus dem Ausgangsmaterial gewonnen werden. Bei Zellulose kann der Wassergehalt des Ausgangsmaterials bei der Pyrolyse ohne externe Energieversorgung zum Teil sogar bis zu 70 % betragen. Wird diese bei Vorhandensein von flüssigem Wasser durchgeführt, wird von wasserhaltiger/nasser Pyrolyse oder hydrothermaler Karbonisierung (HTC) und beim Produkt von HTC-Biokohle (Hydrochar) gesprochen. Der Vorteil der Pyrolyse speziell unter diesen Bedingungen liegt darin, dass keine Energie intensive Trocknung vor oder während des Prozesses durchgeführt werden muss. Dadurch öffnet sich das Verfahren auch für nicht-traditionelle Ausgangsmaterialien der Pyrolyse, wie nassem Tierdünger, menschlichen Abfallprodukten, kommunalen Feststoffabfällen, sowie Aquakultur- und Algenrückständen. Diese Rohstoffe repräsentieren große, kontinuierlich hergestellte, erneuerbare, übrigbleibende Ströme die Behandlung, Weiterverarbeitung und Verwertung notwendig machen, um den Schutz der Umwelt sicherzustellen.
Filminterview zur Herstellung und Einbringung von Biokohle am ATB Potsdam-Bornim
Manueller Download des Videos (Quelle: Thelemann 2012)
Die verschiedenen Arten der Pyrolyse unterscheiden sich in Prozessgeschwindigkeit, Maximaltemperatur und Prozessdauer. Zudem werden sie nach ihren Reaktionsbedingungen und Produkterträgen (Massenverhältnis zwischen Ausgangsprodukt und Endprodukt in Trockenmasse) unterschieden.
Hauptarten der Pyrolyse nach Reaktionstemperatur und Prozessdauer
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Langsame Pyrolyse: 300 – 500° C, ca. 1 Stunde – 1 Woche
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Intermediäre Pyrolyse: 500° C, ca. 10 – 20 Sekunden
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Schnelle Pyrolyse: 500° C, ca. 1 Sekunde
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Gasifikation: 800° C, ca. 10 – 20 Sekunden
- Hydrothermale Karbonisierung: 180 – 250° C, 1 – 12 Stunden
Herstellungsparameter und -bedingungen von Biokohle
 Quelle: Libra et al. 2012 |
Die vor allem aus aromatischen Kohlenstoffen
bestehende Biokohle, die durch Pyrolyse bei Temperaturen von über 500° C
hergestellt wird, ist im Gegensatz zur Variante, die bei niedrigeren
Temperaturen gebildet wird, besonders widerständig gegenüber
biologischem Abbau. Biokohle, die bei niedrigeren Temperaturen gebildet
wird, sorgt wiederum dafür, dass die Wiederherstellung des enthaltenen
Kohlenstoffs begünstigt wird, aber auch dass mehrere Nährstoffe, die
sonst verloren gehen, wiederhergestellt werden können. Außerdem weist
diese Form der Biokohle eine stärkere Interaktion mit den
bodenmineralischen Partikeln auf. Der gleichzeitige Auftrag von Biokohle
und Düngemitteln auf hoch verwitterten Böden führt als synergetischer
Effekt dazu, dass die Menge der Düngemittel reduziert werden kann. Die
damit einhergehende Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit führt wiederum dazu,
dass die Kohlenstoffbindung der Böden in Form von Biomasse des Pflanzen-
und Wurzelwachstums erhöht werden kann. Diese Effekte konnten vor allem
bei vorher unfruchtbaren tropischen Böden, wie der „Terra Preta do
Indio“ im Amazonasgebiet Brasiliens, nachgewiesen werden.
Film zur Auf- und Einbringung von HTC-Biokohle
auf oder in landwirtschaftlich genutzten Böden
auf Flächen der Versuchstation Berge des Instituts für Agrar- und
Stadtökologische Projekte, IASP
Manueller Download des Videos (Quelle: Thelemann 2012)
Noch nicht untersucht wurde der Effekt von Biokohle auf Böden mit ursprünglichem organischem Material, der möglicherweise zu einem sehr starken mikrobiellem Wachstum von Mikroorganismen führen kann und somit zu einer starken Zersetzung und der damit einhergehenden CO2-Freisetzung von in diesen Böden enthaltenen labilem organischem Bodenmaterial. Verschiedene Bodentypen reagieren zudem wahrscheinlich unterschiedlich auf die Zugabe der verschiedenen Arten von Biokohle. Aufgrunddessen diese verschiedenen Arten jeweils unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, sollte die jeweils verwendete Art der Biokohle an den jeweiligen Bodentyp und das jeweilige Ökosystem angepasst verwendet werden. Generell wird aber davon ausgegangen, dass Biokohle durch die beschriebenen Effekte zu einer Stabilisierung der organischen Moleküle im Boden führt, allerdings kann durch die in der Biokohle enthaltenen Schadstoffe auch eine schädliche Wirkung von Biokohle ausgehen.
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