Untersuchungen zur Pflanzenkohleherstellung mittels thermochemischer Aufbereitung biogener Reststoffe

Die für diese Arbeit und das Projekt abgesteckten Ziele wurden weitestgehend erreicht. Dies wurde unter anderem durch den Bau eines neuen Reaktorkonzeptes möglich. In ihm wurden für jeweils gleiche Prozessparameter in ihren Eigenschaften exakt vergleichbare Kohlen geschaffen. Dabei trat die Umsetzungstemperatur als alleiniger Steuerungsparameter der Inkohlung und auch als Schlüssel der späteren Produkteigenschaften hervor. Der Inkohlungsgrad kann nach den Ergebnissen dieser Arbeit über die Umsetzungstemperatur exakt gesteuert werden. Er erhöht sich mit der Umsetzungstemperatur. Damit kann die Hypothese „Zunehmende Karbonisierungstemperaturen fördern hohe Inkohlungsgrade“ bewiesen werden. Hervorzuheben ist jedoch, dass etwa die Hälfte des in die Karbonisierung eingebrachten Kohlenstoffes in der Umsetzung verloren geht. Damit steht dieser nicht mehr zur potenziellen Kohlenstoffsequestrierung zur Verfügung. Bei der Messung der inneren Oberflächen der selber hergestellten Pflanzenkohlen über eine Jodzahlbestimmung stellte sich mit steigender Temperatur keine Vergrößerung derselben ein. Bei denen als Referenz mitgeführten Aktivkohlen konnten die in den Herstellerangaben genannten inneren Oberflächen exakt bestätigt werden. In rasterelektronenmikroskopischen Betrachtungen der Oberflächen waren ebenfalls keine Veränderungen der Strukturen durch eine Temperaturerhöhung erkennbar. Vielmehr bleiben die Strukturen der Ausgangssubstrate erhalten. Ihre ursprünglichen Holzstrukturen konnte eine aus einem Waldboden selektierte Kohle nach 300 Jahren Alterungsprozess erhalten. Eine Vergrößerung der inneren Oberflächen von Pflanzenkohlen könnte über eine aufwendige Aktivierung der Kohlen nach Beispiel der Aktivkohleherstellung erfolgen. Die in den weiteren Untersuchungen mitgeführten beiden Aktivkohlen zeigten jedoch keine stark von den Pflanzenkohlen abweichenden Eigenschaften. Schadstoffbelastungen wurden an den selber produzierten Pflanzenkohlen nicht festgestellt. In den Messungen zum Nachweis von funktionellen Gruppen stellte sich heraus, dass diese mit steigender Umsetzungstemperatur vermehrt abgespalten werden. An Kohlen aus hohen Umsetzungstemperaturen sowie an Aktivkohlen konnten keine funktionellen Gruppen mehr nachgewiesen werden. Die Messungen zur Sorption von Huminsäuren ergaben keinen positiven Effekt durch die Erhöhung der Umsetzungstemperaturen. Die Huminsäuresorption lag bei den selber erzeugten Pflanzenkohlen mit maximal 2,11 mg/g nur in geringem Maße vor. Die beiden bei den Messungen als Referenz mitgeführten Aktivkohlen vermögen die meiste Huminsäure zu sorbieren. In der Messung der Kationenaustauschkapazität zeigten alle Pflanzen- und Aktivkohlen deutliche Auswaschungseffekte von K, Na, Ca und Mg Kationen. Ein gleichwertiger Eintausch von Bariumkationen konnte jedoch nicht nachgewiesen werden. Die Kohlen besitzen, bis auf wenige Ausnahmen mit sehr geringen Messwerten, gar keine Sorptions- und Desorptionskapazitäten für Kationen. Anders fällt jedoch die Messung für eine Kohle aus, die über ca. 300 Jahre in einem Waldboden gealtert ist. Bei ihr übersteigt die Austauschkapazität für Bariumkationen die der damit verdrängten K, Na, Ca und Mg Kationen deutlich. Kohlen vor und nach einer Mitkompostierung sowie vor und nach einem dreijährigen Feldversuch zeigen mit den eigenen Produkten vergleichbare Eigenschaften. Es kommt bei ihnen zu Auswaschungen an K, Na, Ca und Mg Kationen in der „Aktivierung“ der Kompostierung und in der „Alterung“ im Feldversuch. In den Versuchen zur Kationenaustauschkapazität wurden bei ihnen neben weiteren Auswaschungseffekten aber keine Verbesserung der Kationenbindung festgestellt. Vielmehr besitzen diese Kohlen ebenfalls keine Kationenaustauschkapazität. In den Versuchen zur Sorption und Desorption von Nitrat ergab sich ebenso kein positiver Effekt durch eine Erhöhung der Karbonisierungstemperatur. Die nach der Beladung desorbierten Nitratmengen liegen für alle selber produzierten Inkohlungsprodukte mit unter 1 mg/g Kohle nur in sehr geringem Maße vor. Die drei Jahre im Feldversuch gealterte Kohle besitzt mit einer Nitratdesorption von 0,86 mg/g eine mit den frischen selber produzierten Kohlen vergleichbare Sorptionskapazität. Etwas höher fällt die Nitatsorption/-desorption bei den Aktivkohlen mit ca. 2 mg/g aus. Die Hypothese „Zunehmende Karbonisierungstemperaturen fördern die Funktionalität/Nährstoffverfügbarkeit“ muss nach den Ergebnissen verworfen werden. Vielmehr verschlechtern zunehmende Temperaturen viele Eigenschaften von Pflanzenkohlen. Festzuhalten bleibt weiterhin, dass alle Produkte die aus verschiedenen Prozessparametern und auch aus den drei verschiedenen Edukten stammen, keine bedeutenden Funktionalitäten/Nährstoffverfügbarkeiten vorweisen. Eine Ausnahme bildet die ca. 300 Jahre gealterte Kohle aus dem Kohlenmeilerplatz in ihrer Kationenaustauschkapazität. Die Effekte und Auswirkungen der Alterung im Boden bleiben für diese Arbeit offen. In den Versuchen zur Veränderung der Wasserhaltekapazität durch die Applikation der selber hergestellten Pflanzenkohlen in Quarzsand und einem Boden konnte kein Einfluss einer Temperaturerhöhung auf einen höheren Wasserrückhalt festgestellt werden. Damit muss die Hypothese „Zunehmende Karbonisierungstemperaturen fördern die Wasserhaltekapazität“ ebenfalls verworfen werden. Bei der Applikation in Quarzsand konnte bei allen Pflanzenkohlen keine signifikante Erhöhung der Wasserhaltekapazität gemessen werden, teilweise waren dabei negative Effekte gegeben. Die Zumischung in den Boden Kleinlinden ergab jedoch für alle Produkte signifikant verbesserte Wasserhaltekapazitäten. Die Zersetzungsversuche zur Bestimmung der Kohlenstoffstabilität konnten die Hypothese „Zunehmende Karbonisierungstemperaturen fördern stabile Kohlenstoffverbindungen“ bestätigen. Die Kohlenstoffzehrung nahm in den Versuchen mit steigender Umsetzungstemperatur der Produkte meist signifikant ab. Insgesamt sind alle Kohlen relativ stabil gegen eine mikrobielle Zersetzung. Die reinen Kohlen besitzen nach den Ergebnissen ein hohes Kohlenstoffsequestrierungspotenzial, wobei jedoch der große Verlust von ca. 50 Ma% Kohlenstoff in der Karbonisierung beachtet werden muss. Bei aufwendigen CO2 emittierenden Vorketten, wie der auf fossilen Energieträgern basierenden Landwirtschaft oder der Bergung und Logistik von landwirtschaftlichen Produkten/Reststoffen, wird das Kohlenstoffsequestrierungspotenzial deutlich gemindert. Zusammenfassend bleibt eine sinnvolle und nachhaltige Anwendung von Pflanzenkohlen in der Landwirtschaft fraglich. In den überwiegenden Aspekten sind Pflanzenkohlen zur Bodenverbesserung nicht geeignet. Borchard u. a. (2014b) kommt nach seinem dreijährigen Feldversuch mit Mais ebenfalls zu dem Schluss, dass Pflanzenkohlen keine positiven Eigenschaften für die Agrarpraxis bieten. Zum einen stehen bedeutende positive Effekte bei der Applikation von frisch produzierten Pflanzenkohlen in Böden noch aus, zum anderen wird die aufwendige und kostenintensive Produktion dieser Bodenhilfsstoffe eine wirtschaftliche Anwendung in weite Ferne stellen. Die Kosten für eine Applikation von Pflanzenkohlen übersteigen die Preise für das „zu verbessernde“ Ackerland momentan erheblich. Auch ist ein wirtschaftlicher Erfolg über die Vermarktung von Pflanzenkohlen als Ersatz für Emissionsrechte bei den Kosten für diese Zertifikate von momentan ca. 5 €/t CO2 nicht gegeben. Denkbar ist aber eine unkommerzielle Herstellung und Anwendung von Pflanzenkohlen im Kleingärtnerbereich bzw. am Ursprungsort der Biomasse. Kleine Karbonisierungsretorten können mit relativ einfachen Mitteln gebaut werden. Anfallende Pflanzenreste könnten hierbei entsorgt, die Nährstoffe teilweise zurück auf die Entstehungsflächen gebracht und Kohlenstoff dabei effektiv sequestriert werden. Auch können im Kleingärtnerbereich hergestellte Pflanzenkohlen mit Gartenabfällen kompostiert werden und sich der Nährstoffkreislauf darüber nachhaltig schließen. Positive Langzeiteffekte wie z.B. eine Erhöhung der Kationenaustauschkapazität oder auch eine Erhöhung der Wasserhaltekapazität stehen offen. Bei der Herstellung von Pflanzenkohlen im kleinen Bereich ist jedoch auf die Entstehung von Schadstoffen besonders zu achten.