Pyrolyseofen & Kohlenstoffspeicherung

Heute mögliche Klimaschutzmaßnahmen

Aktuell sind zu viele Teilchen in der Atmosphäre, die den Treibhauseffekt ankurbeln und die Klimakatastrophe für uns Menschen verursachen. Diese Teilchen sind z.B. Kohlenstoffdioxid und Lachgas. Wasserdampf ist ebenso ein Treibhausgas. Im Schwarzen Garten widmen wir uns hauptsächlich dem Kohlenstoffdioxid (CO₂).

Wir wollen dabei helfen, so viel Kohlenstoff aus dem Grünschnitt des Kleingärtnervereins “Flora I” in der Gartenerde zu speichern wie möglich. CO₂ nehmen die Pflanzen in unseren Gärten durch Photosynthese auf und lagern C und O in verschiedenen Strukturen in ihren Zellen ein. Die besten Kohlenstoffdioxid-Photosythesler unter den Gartenfrüchten sind Rüben, die 21 Tonnen CO₂ binden können, und als schöner Nebeneffekt 14 Tonnen Sauerstoff (O₂) wieder abgeben, die uns atmen lassen [1]. Rüben anbauen, und konservieren oder Essen ist damit für sich genommen schon eine Klimaschutzmaßnahme.

Wie können wir das C in unserem Garten dauerhaft speichern?

1. Langlebige Stauden und Bäume pflanzen & pflegen,
2. Darum geht es uns hier besonders: indem wir das Schnittholz unserer Bäume verköhlern (Pyrolyse), und so eine sehr stabile C-Struktur erhalten. Diese Pflanzenkohle speichern wir in der Erde der Beete – Stichwort „Pyrolytic Carbon Capture and Storage“. Bis zu 70 % des ursprünglichen Kohlenstoffanteils der Pflanzenkohle kann bei guter Bodenpflege über Jahrhunderte gespeichert werden [2],
3. In Form von Dauerhumus in unserem Kompost und später in der obersten Bodenschicht der Beete anreichern (Weiteres siehe Station Kompost)

Pflanzenkohle

…ist eine hochporöse, Aktivkohle-ähnliche, kohlenstoffreiche Struktur, die durch Pyrolyse entstanden ist. Pyrolyse keine Verbrennung, sondern eine thermische Umsetzung ohne zusätzlichen Sauerstoff. Pflanzenkohle – im Garten angewendet – ist kein Dünger, sondern vor allem ein Trägermaterial für Nährstoffe und Lebensraum für Mikroorganismen & Pilze.

Vorteile

• Mehr Boden-Leben -> finden in Mikroporen der Kohle geschützten Lebensraum und fördern damit die Nährstoffumsetzung für die Pflanzen [3], 
• Mineralstoffe werden besser aufgenommen, da Mykorrhiza gefördert wird,
• Wasserspeichervermögen im Boden wird verbessert [4] -> weniger Gießen, 
• Nährstoffhaushalt im Boden wird ausbalanciert: bessere Kationen-Austausch-Kapazität für den Stoffhaushalt der Pflanzen, weniger Phosphordünger nötig [4],
• Bessere Bodendurchlüftung, Bodenverdichtung wird verringert [4],
• H/Corg-Verhältnis höher -> wesentlich weniger Methan- und Lachgasemission [5],
• Stickstoff wird stärker gebunden -> weniger Nitrat-Auswaschung [6],
• Kohlenstoff wird gespeichert -> C-Abbaurate sinkt bis auf null nach 3-8 Jahren [2],
• Fördert Baumwachstum, in unseren klimatischen Regionen bis 20% Größenzuwachs,
• pH wird ausbalanciert [7],
• toxische Bodenmoleküle (wie Stickoxide und Kupfer) werden gebunden, wodurch die Ausspülung von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln ins Grundwasser verhindert wird [8],
• Bindung von Pestiziden -> in einem Stadtgarten kann Pflanzenkohle Schwermetalle aus den Abgasen der Luft und aus dem Boden binden

Nachteile

• Bei Pflanzenkohle aus einem nicht-industriellen, unzertifzierten Pyrolyseöfen mit nicht messbaren Verkohlungstemperaturen in einem Gartenofen kann die Menge der PAK (Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) nicht abgeschätzt werden kann. Sie liegen nach einer Studie für langsame Pyrolyse bei 0.07 μg/g bis 3.27 μg/g – also zum Teil nicht innerhalb der Grenzwerte, die bspw. von der EBC-Zertifizierung vorgegeben werden [9], diese entstehen jedoch auch beim Grillen mit handelsüblicher Holzkohle,

• Biologisch verfügbare PAK liegen bei langsamer Pyrolyse bei 0.17 ng/L to 10.0 ng/L – diese Werte sind geringer als die typischen Konzentrationen in sauberen Städtischen Sedimenten,

Soll durch Pflanzenkohle eine Kohlenstoff-Senke geschaffen werden, um damit ein Erderwärmungspotential einer Tätigkeit mit X kg CO2-Äquivalente zu kompensieren, dann muss Doppelzählung vermieden werden

Köhlern in einem offenen Pyrolyseofen

Es gibt verschiedene Arten von Verkohlungsöfen für den Garten:

Im Schwarzen Garten wird ein KonTiki-Kohlemeiler von Egos [10] genutzt, der nach Flammenvorhang-Pyrolyse funktioniert. 

Warum wurde diese Konstruktion (KonTiki mit Flammenvorhang-Pyrolyse) gewählt?

1. Die Qualität der Pflanzenkohle wird durch das einfache Ablöschen mit Wasserdampf (Anschlussstutzen für Wasserschlauch am Boden des Ofens) gesichert -> Poren werden gereinigt und vergrößert,
2. Diese Ofenkonstruktion erreicht höhere Temperaturen (unter dem Flammenvorhang in der Hauptpyrolysezone 680°C to 750°C) als traditionelle Erdtrichter -> mehr Poren, mehr Andock-plätze für Nährstoffe [11],
3. weniger Lachgas-Emissionen von organischen Düngern aus dem Boden [5]
4. Die CO₂-Bilanz wird durch den speziellen Aufbau des Kohlemeilers verbessert: die Form sorgt dafür, dass die meisten Pyrolysegase aus der Kohle ausgetrieben und verbrannt werden, also nicht in Form von teils toxischen Kondensaten die Kohleoberflächen und Poren verkleben, 
5. Die Trichtergröße ergibt eine passende Verkohlungsdauer für Workshops
6. Die Hitze der Flammen kann zum Kochen auf dem an der Stange angebrachten Rost oder einem Topf genutzt werden,
7. Da ständig Material nachgelegt werden muss, ist es optimal für Gemeinschaftsprojekte oder viele Hände in Workshops

2017 wurden in einer Studie verschiedene Selbstbau-Konstruktionen für Pyrolyseöfen verglichen. Im Bezug auf die Pflanzenkohle-Qualität und die -eigenschaften gab es keine deutlichen Unterschiede zwischen den Ofenkonstruktionen [12].

Ausführliches zur Ökobilanz des gewählten Ofens

Die Emissionen, die bei der Flammenvorhang-Pyrolyse entstehen sind geringer als die der Erdhügel- und Retortenöfen und daher ist die Bilanz bei der Verkohlung deutlich besser. Allerdings – betrachtet man den gesamten Lebenszyklus – sind die Flammenvorhang-Öfen nicht signifikant umweltschonend gegenüber Erdhügel- und Retortenöfen, trotz relativ geringer Gas-/Aerosolemissionen und eines geringeren Ressourcenverbrauchs sowie der Tatsache, dass kein Anfahrholz benötigt wird. 

Die Emissionen können nur neutralisiert werden, indem die Pflanzenkohle gespeichert wird, z.B. durch Einbau in der Humusschicht. „Ein Nettonutzen für die Umwelt kann durch Zusatznutzen in Form von positiven Auswirkungen auf die Landwirtschaft erzielt werden. Saubere Öfen und Vergaser schnitten in der Ökobilanz am besten ab, weil sie Abholzung und Stromerzeugung vermeiden.“

Der Kohlenstoff der Pflanzenkohle, im Boden appliziert, baut sich nach 3-8 Jahren nicht mehr ab. Bezüglich der Flammenvorhang-Pyrolyseöfen müsste eine unrealistische Stabilität der Kohle von 100% angenommen werden, um ein beneficial Umweltauswirkungs-Potenzial der Herstellung alleine zu bewirken. [13]

Ausführliche Bedienung des Schwarzer Garten – Pyrolyseofens

Gebraucht werden: 

• Trockene Holzscheite für den Anzündkamin
• Anzündmaterial
• Abgelagerte, gleichgroße Holzstücke mit 2-6cm Querschnitt und 20-40cm Länge, 
• Wasser zum Ablöschen, 
• Wasserschlauch oder Gießkannen
• Schaufel
• Behältnis für Kohle oder Schubkarre

1) Zum Anzünden eignet sich einen aus trockenem Scheitholz gestapelter Kamin, der mit etwas Anzündmaterial auf den obersten Scheiten entfacht wird. Denn würde man flach auf dem Boden anzünden würde der Sauerstoff zu schnell verbraucht werden. Brennen die obersten Reihen, kann der Kamin von oben her nach und nach eingestürzt werden, so dass sich am Fuß des Meilers ein Feuer bildet. Das brennende Holz wird flach verteilt.

2) Aufschichten: Nach 5-10 Min ist Glut entstanden. Der richtige Moment zum Auflegen ist, wenn die Glut mit weißer Asche überzogen ist. Jede Schicht sollte möglichst gleichmäßig die Glutzone bedecken und darf nicht zu mächtig sein. Fürs Nachlegen wartet man auf die weiße Ascheschicht auf der Glut – ein Zeichen, „dass das meiste Holzgas entwichen ist und die entstandene Kohle zu glimmen beginnt“. Dieses Vorgehen jede 5-10 Minuten bis zum Ablöschen wiederholen. Ein Aufpasser muss ständig zum richtigen Zeitpunkt nachlegen. Zu hastig oder zu viel nachgelegt, entsteht nicht genug Flamme, um alle Pyrolysegase einzufangen und Rauch entsteht. Zu lange gewartet, verglüht die Kohle, wodurch sich der Ascheanteil der Kohle erhöht.

Feuchtes Material (Holz, Laub…) kann auch verkohlt werden unter der Bedingung, dass sich ein energiereiches Glutbett am Boden des Kohlemeilers gebildet  hat, denn es muss genügend Energie zum schnellen Verdampfung des Wassers freisetzt werden.

3) Verkohlung/Carbonisierung/Pyrolyse: Wie funktioniert der Verkohlungsprozess? Nur die oberste Schicht verbrennt mit leichter Flamme – das darunterliegende Material wird erhitzt und chemisch umgewandelt, sodass Gase entstehen, die das Material verkohlen, ohne den Kohlenstoff aufzuzehren – dieser physikalische Vorgang wird Pyrolyse genannt. Das heißt, die Hitze sorgt für eine chemische Umwandlung des Materials und es werden brennbare Gase bei 650°-700°C produziert. Die Gase werden in der Glutzone gehalten, da sich über der obersten Schicht Flammenwirbel bilden, die als „Vorhang“ das austreten der Gase verhindern. Dazu wird ständig über den oberen Metallrand sauerstoffreiche Luft in den Kegel gesaugt, die an den Wänden entlang in die Glutzone dringt. Wirbel entstehen, die die Pyrolysegase optimal mit Sauerstoff versorgen.   Der Prozess bleibt stabil, weil sich die Luft- und Gaswirbel gegenseitig stabilisieren. Emissionen sind sehr gering, weil die schweren Rauchgase „solange in den Wirbeln gehalten werden, bis sie vollständig verbrannt sind“. 

Initial gibt es weißen Rauch, der dann bei Arbeitstemperatur verschwindet. Ein Flammenvorhang –  Pyrolysemeiler läuft optimal, wenn ein rauchloses Feuer mit kleinen Feuerwirbeln zu sehen ist.

Die letzte Schicht wird aufgelegt, wenn ¾ der Kegelhöhe erreicht sind. 

4) Ablöschen: Am Boden des Kohlemeilers gibt es einen Wasseranschluss für einen Gartenschlauch. Wenn die letzte Schicht aufgelegt ist, und ca. 20 min vor Ende, wird Wasser langsam von unten in den Meiler gelassen. Beim Auftreffen des Wassers auf die heiße Kohle verdampft das Wasser. Der entstehende 700°C heiße Wasserdampf steigt zuerst durch die Glutzone, bevor das Wasser aufrifft. Dadurch wird die Kohle durch den Dampf langsam gelöscht und der heiße Wasserdampf verändert und säubert die Poren. Das heißt, der Wasserdampf treibt Kondensate aus. 

Die gleiche Form der Wasserdampfaktivierung wird bei der Herstellung von Aktivkohle aus Braunkohle genutzt. Dass Porenvolumen und die innere Oberfläche werden vergrößert und können somit bei der Anwendung als Bodenverbesserer mehr Nährstoffdünger binden und Lebensraum für Mikrobiologie darstellen (siehe auch 4a 4b). 

Das Löschwasser, welches auch Quenchwasser genannt wird, kann man einige Stunden oder auch Tage im Meiler belassen. Durch den unteren Abfluss lässt es sich leicht ablassen. Das Quenchwasser ist sauber und transparent, aber seifig und hat einen recht hohen pH-Wert. Während der hohe pH-Wert auf die ca. 10% bei der Pyrolyse ebenfalls entstehende Asche zurückzuführen ist, entsteht die Seife durch die Reaktion der Asche mit Pyrolyseölen, die beim Dämpfen der Kohle aus den Poren ausgetrieben werden. Dieses seifige Quenchwasser eignet sich offenbar hervorragend zum Gießen von Obst- und Gemüsepflanzen, vertreibt Schnecken und Pilze und wirkt allgemein kräftigend auf die Pflanzen. Letztere Aussage beruht jedoch bisher nur auf eigenen Beobachtungen mit zwei Dutzend Pflanzenarten, systematische wissenschaftliche Untersuchungen stehen noch aus.

5) „Feuerungsdauer: Je nach Art, Stückigkeit und Wassergehalt der verwendeten Biomasse dauert es zwei bis acht Stunden, um mit einem größeren Kon-Tiki 1 m3 Pflanzenkohle herzustellen. Verwendet man trockene Holzhackschnitzel, dauert es nur knapp zwei Stunden, ungetrockneter Rebschnitt dauert vier bis fünf Stunden, frisches Baumholz mit Scheiten, Ästen und Blättern dauert bis zu acht Stunden.“ 

6) Vorteil: Ausgangsmaterialien müssen nicht homogenisiert, gehäckselt oder gar pelletiert werden, sondern einfach grob und bis zu 120 cm lang aufgeschichtet werden kann, auch wenn die Verkohlungszeit dadurch um einiges länger ist als mit trockenen, kleinstückigen Biomassen. Bei der Verwendung von frischen Zweigen und Ästen entspricht die Größe eines Kon-Tiki etwa der Menge an Biomasse, die in acht Stunden bei der Landschaftspflege oder beim Schnitt von Feuerholz anfällt. Anstatt die für Feuerholz ungeeigneten Äste und das Gestrüpp auf einen lange nicht verrottenden Haufen zu werfen, kann man es quasi nebenbei im Kon-Tiki verkohlen.

Der Kon-Tiki darf nur bis maximal 10 cm unter dem oberen Rand befüllt werden, da sonst die stabile Gas-Luft-Verwirbelung gestört und die Verkohlung der oberen Schichten inhomogen wird. Ist der Kon-Tiki also nahezu gefüllt, legt man die letzten zwei bis drei Schichten nur noch rasch verkohlendes Material wie dünne Äste oder Rebschnitt auf, da größere Stücke in der Endphase entweder unverkohlt bleiben oder für zu großen Abbrand und Asche sorgen würden.

7) Um die Qualität zu wahren ist unbedingt das Ablöschen mit Wasser nötig.

(Diese Beschreibung ist eine gekürzte Version von: https://www.ithaka-journal.net/kon-tiki-die-demokratisierung-der-pflanzenkohleproduktion)

Haltbarkeit

Das Umweltbundesamt beschreibt 2016 eine Pflanzenkohle-Stabilität (Verweilzeit im Boden) von mehr als 100 Jahren: „Aufgrund der bisher vorliegenden Ergebnisse können für Pyrolysekohlen unter Freilandbedingungen mittlere Verweilzeiten von mehr als 100 bis über 1000 Jahre angenommen werden.“ [14]

Im Schwarzen Garten

Workshops zur Herstellung und Anwendung von Pflanzenkohle werden in der Garten-Saison angeboten. Dabei kommen auch – wenn verfügbar – alternative Ausgangsmaterialien zu Holz zum Einsatz. Bitte Aushänge oder Website konsultieren.

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Quellen:

[1] Wittmann, Lukas; 2020. Natürlich CO2 binden: Was Sie darüber wissen sollten, 31.08.2020 09:29, Focus, aufgerufen am 30.3. von  https://praxistipps.focus.de/natuerlich-co2-binden-was-sie-darueber-wissen-sollten_124087

[2] Wang, J., Xiong, Z. and Kuzyakov, Y. (2016), Biochar stability in soil: meta-analysis of decomposition and priming effects. GCB Bioenergy, 8: 512-523. https://doi.org/10.1111/gcbb.12266

[3] Liu, S., Zhang, Y., Zong, Y., Hu, Z., Wu, S., Zhou, J., Jin, Y. and Zou, J. (2016), Response of soil carbon dioxide fluxes, soil organic carbon and microbial biomass carbon to biochar amendment: a meta-analysis. GCB Bioenergy, 8: 392-406. https://doi.org/10.1111/gcbb.12265

[4] Glaser, Bruno, Pflanzenkohle – Stand der Forschung, FVPK, https://www.youtube.com/watch?v=ex2sFye9t_0

[5] Cayuela M, Van Zwieten L, Singh B, Jeffery S, Roig A, Sánchez-Monedero M. Biochar’s role in mitigating soil nitrous oxide emissions: A review and meta-analysis. Agriculture, Ecosystems & Environment. 2014;191:5–16.

[6] Yanjiang Cai & Hiroko Akiyama (2017) Effects of inhibitors and biochar on nitrous oxide emissions, nitrate leaching, and plant nitrogen uptake from urine patches of grazing animals on grasslands: a meta-analysis, Soil Science and Plant Nutrition, 63:4, 405-414, DOI: 10.1080/00380768.2017.1367627

[7] Thomas, S.C., Gale, N. Biochar and forest restoration: a review and meta-analysis of tree growth responses. New Forests 46, 931–946 (2015). https://doi.org/10.1007/s11056-015-9491-7

[8] Hale SE, Arp HPH, Kupryianchyk D, Cornelissen G. A synthesis of parameters related to the binding of neutral organic compounds to charcoal. Chemosphere. 2016;144:65–74. pmid:26347927

[9] Sarah E. Hale, Johannes Lehmann, David Rutherford, Andrew R. Zimmerman, Robert T. Bachmann, Victor Shitumbanuma, Adam O’Toole, Kristina L. Sundqvist, Hans Peter H. Arp, and Gerard Cornelissen (2012) Environmental Science & Technology, 46 (5), 2830-2838
DOI: 10.1021/es203984k

[10] KonTikil zum Pflanzenkohle herstellen mit Grill kaufen (pflanzenkohle24.de)

[11] Schmidt HP, Pandit BH, Martinsen V, Cornelissen G, Conte P, Kammann CI. Fourfold Increase in Pumpkin Yield in Response to Low-Dosage Root Zone Application of Urine-Enhanced Biochar to a Fertile Tropical Soil. Agriculture. 2015;5(3):723–41.

[12] Pandit NR, Mulder J, Hale SE, Schmidt HP, Cornelissen G (2017) Biochar from „Kon Tiki“ flame curtain and other kilns: Effects of nutrient enrichment and kiln type on crop yield and soil chemistry. PLOS ONE 12(4): e0176378. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0176378

[13] Smebye, Andreas Botnen, et al. „Life-cycle assessment of biochar production systems in tropical rural areas: Comparing flame curtain kilns to other production methods.“ Biomass and Bioenergy 101 (2017): 35-43. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0961953417301356#bib46

[14] UBA (Hrsg.) (2016): Chancen und Risiken des Einsatzes von Biokohle und anderer„veränderter“ Biomasse als Bodenhilfsstoffe oder für die C-Sequestrierung in Böden.Texte 04/2016, UBA-FB 002191, S. 46, Dessau-Roßlau.