73. Symposium 2012
Biokohle im Blick - Herstellung, Einsatz und Bewertung
| Anaerobe Verwertung von HTC-Prozesswässern Dennis Blöhse Bei der Hydrothermalen Carbonisierung wird Biomasse in wässriger Phase unter erhöhten Temperaturen und Drücken in ein braunkohleähnliches Material umgewandelt. Nach der Konversion wird der Feststoff (HTC-Biokohle) von der wässrigen Phase (HTC-Prozesswasser) abgetrennt. Erste Stoffbilanzen von Ramke et al. zeigen, dass abhängig vom eingesetzten Substrat ca. 20 % des organischen Kohlenstoffs in die flüssige Phase übergehen. Weitere Untersuchungen weisen auf eine gute anaerobe Umsetzbarkeit der organischen Inhaltsstoffe zu Biogas hin. Neben der Notwendigkeit, die organische Belastung der HTC-Prozesswässer zu verringern, kann durch eine anaerobe Behandlung die flüssige Phase der HTC verwertet und die Energie-Ausbeute aus den Ausgangssubstraten erheblich gesteigert werden. |
| Die Anwendung von Pflanzenkohle in der Ökoregion Kaindorf (Österreich)
Gerald Dunst Die Ökoregion Kaindorf ist ein Zusammenschluss von sechs Gemeinden mit dem Ziel, bis zum Jahr 2020 CO2-neutral zu werden. In der Arbeitsgruppe Landwirtschaft wurde ein Modell für intensiven Humusaufbau entwickelt und auf Musterflächen (3 ha) umgesetzt. Gleichzeitig wurde durch den Aufbau eines regionalen CO2- Zertifikathandels die Möglichkeit geschaffen, Humusaufbau zu finanzieren. Nach der Errichtung einer Pflanzenkohleproduktionsanlage (Pyreg-Verfahren), wo aus Abfällen wie z. B. Papierfaserschlamm, Grünschnitt und Getreidespelzen hochwertige Pflanzenkohle hergestellt wird, laufen nun die ersten Parzellenversuche um den Humusaufbaueffekt zu stärken und die langfristige Stabilität des Bodenkohlenstoffs zu erhöhen. Die große Herausforderung ist dabei, neben dem Humusaufbau auch die Ertragssicherheit zu gewährleisten. |
| Hydrothermale Verfahren (HTC, VTC) in der energetischen Verwertungskette Dr. Axel Funke Hydrothermale Verfahren vermeiden eine energieintensive Trocknung von Biomasse und können dadurch Stoffströme mit einem hohen Wasseranteil für eine energetische Nutzung erschließen. Durch das Zusammentragen aktueller Daten wird deutlich, dass eine Effizienzsteigerung in der energetischen Verwertungskette fallabhängig ist. Grundsätzliche Überlegungen zur Effizienz des Verfahrens machen aber auch deutlich, dass es ein Optimierungspotenzial für hydrothermale Karbonisierung existiert, das noch nicht hinreichend erforscht ist. |
| Technische Möglichkeiten zur Beeinflussung von Kohleeigenschaften Helmut Gerber Die Anwendung von Pflanzenkohlen aber auch kohlehaltiger Produkte aus anderen Reststoffen wie z.B. phosphorhaltige Klärschlämme sind vielfältig. Die Stoffe können als Bodenzusatzstoffe, Futtermittel, Stalleinstreu zur Verbesserung der Stallhygiene, Güllebehandlung, Wasser- bzw. Abwasserbehandlung, Nährstoffretention, Bodensanierung, Additiv zur Steigerung der Biogasausbeute in Fermentern etc. eingesetzt werden. Eine Analyse der erzielbaren Verbesserungspotentiale in den verschiedenen Einsatzfeldern ist Gegenstand aktueller umfangreicher Untersuchungen im Rahmen von Verbundforschungsprojekten in welche PYREG als Anlagenhersteller integriert ist. |
| Rahmenbedingungen und Kriterien für den Einsatz von Biokohle in Kalk- und Zementwerken. Gerhard Hartmann Die Herstellung von Kalk- und Zement ist sehr energieintensiv. Bei den Brennprozessen herrschen in den Öfen Temperaturen von 800 – 1.400 °C bei der Erzeugung von Branntkalk bzw. von 800 bis 2.200 °C bei der Herstellung von Zementklinker. Traditionell wurden dafür fossile Energieträger eingesetzt. Die gebotenen Einsparungen bei den Kosten und den CO2-Emissionen fossilen Ursprungs fördern schon seit Jahrzehnten den Einsatz von geeigneten Sekundärbrennstoffen. Geeignet bedeutet im Wesentlichen: Sie müssen Primärbrennstoff und nach Möglichkeit CO2 fossilen Ursprungs substituieren. Sie dürfen die Qualität der Kalk- und Zementprodukte auch bei deren Anwendung nicht negativ beeinflussen. Ihr Einsatz muss bei den emissionsseitigen Auswirkungen im Einklang stehen mit der TA-Luft und ggf. mit der 17. BImSchV. |
| Biochar: contaminant source or sink? Dr. Isabel Hilber, Franziska Blum, Sarah Hale, Gerard Cornelissen, Hans-Peter Schmidt Biochar is a promising organic recycling material to be used as a soil conditioner and feed supplement. However, it may contain pollutants originating from feedstock, or formed during pyrolysis. The latter origin is eminent in the case of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Inherent inorganic contaminants in biochars are unlikely and studies on this topic are rare. Concentrations of metals are probably similar to those in other recycling fertilizers, depending on the input material. Conversely, pyrolysis of organic matter produces condensed carbonaceous structures which strongly adsorb organic pollutants such as PAHs, pesticides, polychlorinated biphenyls, etc. Biochars are also used to immobilize heavy metal pollutions in soils. Carboxylized biochars are employed to enhance ionic interactions with the pollutants to avoid leaching into (ground) waters. The raise of pore water pH in biochar amended soil in contrast mobilizes anionic contaminants such as antimony or arsenic which exhibit mostly negative speciation in such alkaline environments. All in all, biochar is probably both, a source and sink of contaminants. |
| A quantitative review of the effects of biochar application to soils on crop productivity using meta-analysis
Dr. Simon Jeffrey, Frank G.A. Verheijen, M. van der Veldea, A.C. Bastosc Increased crop yield is a commonly reported benefit of adding biochar to soils. However, experimental results are variable and dependent on the experimental set-up, soil properties and conditions, while causative mechanisms are yet to be fully elucidated. A statistical meta-analysis was undertaken with the aim of evaluating the relationship between biochar and crop productivity (either yield or above-ground biomass). Results showed an overall small, but statistically significant, benefit of biochar application to soils on crop productivity, with a grand mean increase of 10%. However, the mean results for each analysis performed within the meta-analysis covered a wide range (from 28% to 39%). The greatest (positive) effects with regard to soil analyses were seen in acidic (14%) and neutral pH soils (13%), and in soils with a coarse (10%) or medium texture (13%). This suggests that two of the main mechanisms for yield increase may be a liming effect and an improved water holding capacity of the soil, along with improved crop nutrient availability. The greatest positive result was seen in biochar applications at a rate of 100 t ha-1 (39%). Of the biochar feedstocks considered and in relation to crop productivity, poultry litter showed the strongest (significant) positive effect (28%), in contrast to biosolids, which were the only feedstock showing a statistically significant negative effect (-28%). However, many auxiliary data sets (i.e. information concerning co-variables) are incomplete and the full range of relevant soil types, as well as environmental and management conditions are yet to be investigated. Furthermore, only shortterm studies limited to periods of 1 to 2 years are currently available. This paper highlights the need for a strategic research effort, to allow elucidation of mechanisms, differentiated by environmental and management factors and to include studies over longer time frames. |
| Treibhausgasemissionen und Stickstoffumsetzungsprozesse in Pflanzenkohle-Böden
Prof. Dr. Claudia Kammann Seit Beginn der Industrialisierung und der "grünen" Revolution in der Landwirtschaft sind die Treibhausgase CO2, N2O und CH4 in der Atmosphäre auf Werte gestiegen, die uns vermutlich in einem geologischen Wimpernschlag 20 Millionen Jahre und weiter zurück in die Erdgeschichte katapultieren. Angetrieben durch unser Handeln steigen die THG-Konzentrationen rasch weiter an; Möglichkeiten zur Minderung werden händeringend gesucht. Die Verwendung von pyrogenem biochar oder HTC-Kohle in Böden oder Pflanzsubstraten führt häufig zu einer Verringerung der Lachgas-Emissionen aus Böden. Hierzu liegen mittlerweile erste experimentelle Daten aus der ganzen Welt vor, von China, Australien, den USA und Kanada bis Europa. Aber selbst wenn biochar Anfangs gute Effekte hat: Weiche Effekte hat es langfristig? Liegt hier vielleicht eine verborgene Gefahr, weil Kohlenstoffreichere Boden in der Regel auch ein größeres Potential für z.B. Lachgasemissionen besitzen? Der vorliegende Beitrag beleuchtet den derzeitigen Wissensstand zum Thema THG-Flüsse, N-Umsetzungen und Pflanzenkohle. |
| Decarbonisierungsstrategien für den Kohlenstoffkreislauf: Zukunftsvisionen
Prof. Dr. Gerhard Kreysa Seit Beginn der Industrialisierung wird der Kohlenstoffkreislauf anthropogen verursacht irreversibel dadurch gestört, dass dem unter Sauerstoffabschluss vorhandenen Langzeit-Reservoir der fossilen Rohstoffe mit zunehmender Geschwindigkeit Kohlenstoff entnommen und dem schnellen Kohlenstoffkreislauf zugeführt wird. Weil diese Störung über den Treibhauseffekt des Kohlendioxids den Klimawandel forciert, sind neue Strategien für das Management des Kohlenstoffkreislaufes erforderlich. Anhand von drei Beispielen werden solche Strategien erläutert und bewertet. |
| Umsetzung der HTC in den kommerziellen Massstab am Beispiel der AVA-CO2
Thomas Kläusli Die Bioenergie, das heißt die energetische Nutzung von Biomasse, ist weltweit der Bereich der erneuerbaren Energien, der mit 40 bis 55 Exajoule/Jahr oder einem Anteil von rund 12 % am derzeitigen Primärenergieverbrauch (PEV) den größten Beitrag zur Energieversorgung liefert. Der weitaus größte Teil dient jedoch der traditionellen Feuerung. Moderne Verfahren nehmen gegenwärtig nur einen Bruchteil ein. Es ist davon auszugehen, dass sich dies in naher Zukunft dank der industriellen Umsetzung der hydrothermale Carbonisierung ändern wird. |
| Thermochemische Verfahren zur Erzeugung von Biokohle Prof. Dr.-Ing. Peter Quicker Das Thema Biokohle ist nicht neu aber von hoher Aktualität. Gründe sind der Klimaschutz und die Ressourcensicherheit. Sowohl die energieintensive Grundstoffindustrie, z.B. Stahl-, Zement- und Kalkwerke, als auch die Betreiber fossil befeuerter Kraftwerke, insbesondere von Kohlekraftwerken, haben ein fundamentales, betriebswirtschaftlich motiviertes Interesse an klimaneutralen und gleichzeitig kostenstabilen und günstig verfügbaren (Energie-)Rohstoffen.. Es ist klar, dass die genannten Branchen bei (Teil-)Substitution der Einsatzstoffe möglichst keine Beeinflussungen ihrer Prozesse und Betriebsabläufe wünschen. Biokohle zeigt dabei im Vergleich zu nicht carbonisierter Biomasse verschiedene vorteilhafte Eigenschaften für die genannten Einsatzfelder, wie höhere Energiedichte, hohen Kohlenstoffgehalt, geringeren Flüchtigengehalt oder bessere Mahlbarkeit. Im Folgenden wird ein Überblick über die Prozesse zur Erzeugung von Biokohle gegeben. Dabei liegt der Fokus auf den thermochemischen Verfahren. Weiterhin wird der Versuch unternommen, eine sinnvolle Einteilung und Übersicht der Biokohleerzeugungsverfahren zu erstellen. Zunächst erfolgt jedoch eine kritische Reflexion der CO2-Neutralität von Bioenergie. |
| HTC, Biogas und Landwirtschaft – das APECS-Konzept Dr. Jan Mumme Klimawandel und zunehmende Knappheit fossiler Ressourcen machen Technologien zur Bereitstellung erneuerbarer Energieträger immer wichtiger. |
| Ökobilanz im Rahmen des EU-INTERREG Projektes "Biochar: climate saving soils"
Dipl.-Wi.-Ing. Jan-Markus Rödger, Jim Hammond, Prof. Dr.-Ing. Achim Loewen, Dr. Simon Shackley Die Herstellung von Pflanzenkohle mittels Pyrolyseverfahren ist eine relativ junge Technologie und die Umweltbewertung basiert zumeist auf abgeschätzten oder Literaturdaten. Im Rahmen der hier vorgestellten Analyse wurde mithilfe der Software GaBi 4.4 ein neues Umweltbilanzmodell einwickelt, das eigens erhobene Daten bzgl. des Pyrolyseprozesses, der Kohlenstoffstabilität und aus Feldversuchen nutzt. |
| Pflanzenkohle, eine Schlüsseltechnologie zur Schliessung der Stoffkreisläufe
Hans-Peter Schmidt, Claudio Niggli Die Aufrechterhaltung der globalen Ökosystemdienstleistungen ist die größte Herausforderung der Menschheit im 21ten Jahrhundert und grundlegende Voraussetzung für den Fortbestand der menschlichen Zivilisation. |
| Einsatzmöglichkeiten von Biokohle in metallurgischen Prozessen
Marc Schulten M.Sc. Aufgrund der unsicheren Versorgungssicherheit mit Rohstoffen und den aktuellen CO2-Fragestellungen wird der Einsatz von biogenen Kohlenstoffträgern in verschiedenen Bereichen diskutiert. Unter anderem die metallurgischen Industriezweige bekunden momentan Interesse am Einsatz von Biokohlen, da sie wirtschaftliche Vorteile durch die Klimaneutralität und in der Verfügbarkeit von den Ausgangsmaterialien sehen. Einsatzmöglichkeiten für Biokohlen finden sich in verschiedenen metallurgischen Prozessen, wie der Eisen- und Stahlerzeugung oder der Produktion von Gusseisen. Es können Biokohlen auch in den Prozessen der Nichteisenmetallurgie als Reduktionsmittel oder Energieträger eingesetzt werden. Biokohlen mit hohen Kohlenstoffgehalten und geringen Anteilen an flüchtigen Bestandteilen sind für alle metallurgischen Prozesse von Interesse, in denen Kohlenstoffträger als Reduktionsmittel eingesetzt werden. Beim Einsatz als Reduktionsmittel ist meistens auch die Festigkeit des Kohlenstoffträgers von Bedeutung. Zusätzlich können Biokohlen, die die geforderten Eigenschaften an Reduktionsmittel nicht einhalten, als Energieträger (in der Metallurgie) eingesetzt werden. |
| Energetische Verwertung von Biokohle Klaus Serfass Durch die Hydrothermale Carbonisierung gelingt es, einen vormals nicht oder nur schwer nutzbaren Stoff in einen konditionierten, einheitlichen, lagerstabilen und gut nutzbaren Brennstoff zu überführen. |
| Biochar research and technology in Europe – state of the art
Prof. Dr. Bruno Glaser, Prof. Dr. Claudia Kammann, Jürgen Kern Biochar systems following the terra preta phenomenon aim at long-term carbon sequestration into agroecosystems, while simultaneously improving ecosystem services such as soil fertility and crop production. In addition, the terra preta concept teaches us how to sustainably use natural resources such as biomass and soil. However, despite several patents and technology advancement, we are far away from using this concept in a sustainable way, being successful in Amazonia for at least 2,000 years. Therefore, this European Coordination project in Science and Technology (COST) connects national biochar research and technology across Europe to enable quick implementation of sustainable management of natural resources, especially to maintain or improve soil quality while efficiently sequestering carbon in the long-term. |
| Einsatz von Pflanzenkohlesubstraten zur Beschleunigung des Abbaus organischer Kontaminanten
Prof. Dr. mult. Dr. h.c. Konstantin Teryzte, Dipl.-Geogr. Florian Worzyk, Dr. Ines Vogel, Dipl.-Geogr. Karin Friede, Dipl.-Geogr. René Schatten In der Bundesrepublik Deutschland wurde seit 1991 im Zuge der Abrüstungsprozesse die militärische Nutzung von ca. 50% der ehemals 1 Mio. Hektar militärisch genutzter Fläche aufgegeben. Eine Vielzahl dieser Liegenschaften sind mit Schadstoffen, v.a. organischen Kontaminanten wie Mineralölkohlenwasserstoffen (MKW), Mono- und Polyzyklischen aromatischern Kohlenwasserstoffen (PAK), sowie chlorierten Kohlenwasserstoffen belastet. Die Kontaminationen sind dabei vor allem durch Leckagen, Lagerung von Abfallstoffen, Unfälle, Emissionen, durch Handhabungsverluste z.B. beim Betanken, oder auf Produktionsreste zurückzuführen. Die Umweltschäden, sowie auch die Lage der Liegenschaften in entlegenen Gebieten erschweren eine mögliche zivile Nachnutzung. Eine Wiedernutzung dieser Flächen muss aber vor dem Hintergrund der Knappheit fruchtbarer Böden eine höhere Beachtung finden. Um eine Nachnutzung verunreinigter Flächen zu gewährleisten gibt es bereits zahlreiche Möglichkeiten der Bodensanierung. Hierbei sind vor allem solche Verfahren zu bevorzugen, welche vor Ort (in situ) kostengünstig durchzuführen sind. |
| Business cases for Biochar production and utilization Prof. Dr. Rob van Haren, Irmgard Starmann, Dr. Simon Shackley The INTERREG IVb NSR project called "Biochar: climate saving soils", which runs from October 2009 to September 2013, will explore how biochar can help fight climate change in Europe's North Sea region. |
| HTC-Prozesswasser: Verwertung oder Entsorgung? - Wissensstand und Lösungsansätze Dr. Barbara Weiner, Igor Baskyr, Dr. Jürgen Pörschmann, Prof. Dr. Frank-Dieter Kopinke During hydrothermal carbonization, "undesired" dissolved organic matter is found in the process water next to the desired solid char and small amounts of gaseous material. Problematic (eco)toxic organic and inorganic substances can be dissolved in these waters. Thus, in a larger scale plant these process waters need to be treated as waste waters to reduce the chemical oxygen demand (COD) and dissolved organic carbon (DOC). Herein, the characterization of the dissolved organic matter (DOM) is discussed. Possible treatment methods are also considered, as well as the utilization of the DOM as valuable raw material. |
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