9 Juli 2007

Holzkohle: Renaissance als Kohlenstoffsenke und Bodenverbesserer?

Pyrogener Kohlenstoff als Chance für Landwirtschaft, Klima und Wald

Verkohlte Biomasse kann die Bodenfruchtbarkeit nachhaltig sichern und Kohlenstoff dauerhaft binden. Zudem kann Holzkohlegwinnung durch Biomasevergasung mit Energieerzeugung kombiniert werden. Eingebunden in den internationalen Emissionshandel könnte Holzkohle zur Verringerung von Brandrodungen beitragen. Einen Einblick in das Thema geben die vom potenziellen Nutzen der Holzkohle überzeugten Forscher der Initiative Biochar.org.

Holzkohle im Boden – Terra Preta
Nach der üblichen Brandrodung verlieren tropische Böden schnell an Fruchtbarkeit. Daher ist Wanderfeldbau die vorherrschende Landwirtschaftspraxis. Eine bemerkenswerte Ausnahme stellt Terra Preta de Indio dar. Diese Böden bekamen ihren Nahmen wegen ihrer dunklen Färbung (Preta) und anthropogener Herkunft (de Indio). Die Siedler am Amazonas schätzen Terra Preta für ihre nachhaltige Bodenfruchtbarkeit. Da fruchtbarer Boden in dieser Gegend selten und wertvoll ist wird Terra Preta sogar abgebaut und als Garten- und Blumenerde verkauft.

Nach interdisziplinärer Forschungstätigkeit ist heute der kulturelle Ursprung von Terra Preta gesichert. Durch Anreicherung mit Knochen (Phosphor und Kalzium) und Holzkohle wurden diese Böden vor Jahrhunderten geschaffen, und ihre Fruchtbarkeit ist trotz intensiver Bewirtschaftung bis heute erhalten geblieben.

Die Existenz von Terra Preta beweist, dass es mit einfachen Mitteln möglich ist, einen der unfruchtbarsten Böden in einen der produktivsten zu verwanden. Diese Möglichkeit inspirierte die Holzkohleforschung. Die Produktion von Holzkohle aus der oberirdischen Biomasse (slash and char) könnte eine Alternative zur herkömmlichen Brandrodung (slash and brun) sein. Nach einer Brandrodung verbleiben nur 2-3% der oberirdischen Biomasse als Holzkohle erhalten. Beim Verkohlen verbleiben ca. 50% des Kohlenstoffes als Holzkohle. Sofern diese nicht als Brennstoff genützt wird, ist sie sehr stabil und verbleibt über Jahrhunderte oder Jahrtausende bestehen.

Einige Biochar-Forscher begannen, diese Möglichkeit und die Verwendung in der Landwirtschaft im Feldversuch zu testen. Später beobachteten sie, dass manche Siedler Holzkohle zur Bodenverbesserung einsetzen. Die Verkohlung nachwachsender Biomasse (Ernterückstände, Brachevegetation) für Bodenverbesserungsmaßnahmen würde ihrer Ansicht nach eine bedeutende Kohlenstoffsenke bilden und dabei die Nachhaltigkeit der tropischen Landwirtschaft verbessern. Durch energetisch völlig ungenütztes Feuer (Waldbrände, Brandrodungen, abgebranntes Grasland und Felder) gelangt jährlich fast die gleiche Menge an Kohlenstoff (als Treibhausgas CO2) in die Atmosphäre wie durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern (6 Pg, 1990). Ein Teil dieser Emissionen wird von der nachwachsenden Biomasse wieder aufgenommen, aber die Brandrodungen machen immerhin 29% der anthropogenen Treibhausgasemissionen aus. Diese Zahlen verdeutlichen das Potential von Holzkohle, wenn nur die jährlich in Flammen stehende Biomasse verwendet werden würde.

Holzkohle aus Biomüll in Japan In Japan ist verkohlte Biomasse offiziell zur Bodenverbesserung zugelassen und das Verkohlen eine Alternative zum Kompostieren. So zeigt das nebenstehende Foto eine Anlage zur (Holz)-Kohleproduktion aus Biomüll in Japan. Wegen Platzmangel ist die Holzkohleproduktion eine Alternative zur Kompostierung. Die Bio-Kohle (Biochar) ist nährstoffreich und wird als Dünger verkauft. Die Energiegewinnung ist allerdings nicht integriert.

1999 wurden in Japan 27% des totalen Holzkohleverbrauches (50.800 Tonnen) für landwirtschaftliche Zwecke verwendet. Eine japanische Firma integrierte Holzkohleproduktion auf einer Indonesischen Holzplantage zur Zellstofferzeugung. Deren Durchführbarkeitsstudie hat gezeigt, dass bei einer jährlichen Ernte von 10.000 ha 77.000 Tonnen Holzkohle produziert werden können und damit 62.000 Tonnen Kohlenstoff (230.000 Tonnen CO2) sequestriert werden.

In vielen Blumen- oder Gartenerden findet sich Holzkohle, obwohl die Wirkungsweise wissenschaftlich bisher kaum nachgewiesen wurde. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass mit Holzkohle tatsächlich die Bodenfruchtbarkeit positiv beeinflusst werden kann. Sowohl im Topf- als auch im Freilandversuch hat die Applikation von Holzkohle das Pflanzenwachstum signifikant gesteigert. Dabei wirkt Holzkohle auf die chemischen, biologischen und physikalischen Eigenschaften des Bodens.

Herausforderungen und Chancen
Inspiriert von der Idee, neue Terra Preta zu schaffen, wurden mehrere wissenschaftliche Arbeiten durchgeführt, die meisten davon in den Tropen. Mehr Information über das agronomische Potential, die Verwendbarkeit von alternativen Biomassequellen (Ernterückstände) und über das Potential möglicher Nebenprodukte sind notwendig, um die globalen Möglichkeiten abzuschätzen. Ernterückstände sind häufig ein bedeutendes Problem in der Landwirtschaft, bieten aber auch eine Herausforderung und Chance.

Gekoppelte Wasserstoff- und Holzkohleerzeugung im TestWenn die Energieerzeugung in die Holzkohleproduktion integriert würde, könnte dies eine Möglichkeit sein, dem Klimawandel und der Bodendegradierung entgegen zu wirken. Durch unvollständige Verbrennung (Vergasung) kann Holzkohle aus beinahe jeder Art von Biomasse erzeugt werden. Holzkohle als ein Nebenprodukt der Pyrolysetechnologie könnte dabei als Kohlenstoffsenke dienen. Eine Testanlage zur Koppelung von Wasserstoff- und Holzkohleerzeugung ist oben abgebildet.

Würde die landwirtschaftliche Holzkohlenutzung (Biochar) als Kohlenstoffsenke international anerkannt, dann würde dies den Kohlestoffemissionshandel ermöglichen. Die Wissenschaft ist sich einig, dass die Halbwertszeit von Holzkohle im Bereich von Jahrhunderten oder Jahrtausenden liegt, aber eine genauere Kenntnis über die Haltbarkeit von Holzkohle in verschiedenen Ökosystemen ist wichtig, um dieses Ziel zu erreichen. Die meisten Biomassevergasungsanlagen versuchen, die Ansammlung von Rückständen (Kohlenstoff und Asche) möglichst gering zu halten. Der Emissionshandel und ein besseres Wissen über Holzkohle als Bodenzusatz würde diesen ungewünschten Rückständen einen Wert verleihen. Biomasse, welche gegenwärtig wegen der höheren Rückstoffgenerierung gemieden wird, könnte dadurch ein wertvoller Rohstoff werden.

Außerdem würde der Emissionshandel einen starken Anreiz bieten, auf zukünftige Brandrodungen zu verzichten, weil nur die Verwendung nachwachsender Biomasse eine Kohlenstoffsenke darstellen kann. Aufforstungen und Rückgewinnung degradierter Landwirtschaftsflächen würden an Bedeutung gewinnen.

Es ist eine Herausforderung, die gekoppelte Energie- und Holzkohleproduktion unter Verwendung verschiedener Biomassen zu optimieren. Die Verkohlungstemperatur ist entscheidend für die Porenverteilung, Oberfläche und Adsorptionseigenschaften der Holzkohle. Die Porosität nimmt mit der Temperatur zu, aber die funktionellen Gruppen ab. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, die Mechanismen der verbesserten Nährstoffspeicherkapazität von Böden mit Holzkohle zu verstehen. Die Energieproduktion aus Ernterückständen würde den Konsum fossiler Brennstoffe und damit den CO2-Ausstoß reduzieren. Viele ländliche Regionen könnten neue Einkunftsquellen erschließen. Die Holzkohle als Nebenprodukt führt Nährstoffe zurück, verbessert die Böden und sequestriert Kohlenstoff.

“Black is the new green” betitelte das Magazin Nature einen Artikel und betont damit das globale Potential der Holzkohle. Johannes Lehmann (Cornell University) schätzt, dass bis zu 12% der globalen durch Landnutzung verursachten CO2-Emissionen mit “slash and char” als Alternative zur Brandrodung verhindert werden könnten. Die Verwendung von Abfällen aus der Land- und Forstwirtschaft würde weitere 0.16 Petagramm (0.16 x 1015 Gramm) Kohlenstoff pro Jahr hinzufügen.

Die beschriebene Mixtur an Triebkräften und Technologien hat das Potential, große globale Probleme wie den Klimawandel, Verlust der Biodiversität (Brandrodungen in den Tropen), Landflucht, Abhängigkeit von nichterneuerbaren Ressourcen (fossiler Energie) und Bodendegeneration zu mildern.

Weiterführende Literatur

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Weitere Informationen
www.biochar.org

(Vgl. Meldungen vom 2006-12-27, 2006-03-07 und 2005-04-04.)

Source: Biochar.org, Dr. Christoph Steiner, Eigenrecherche, 2007-07-09.

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