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09.09.2013 Nutzen und Risiken des Einsatzes von Biokohle unter Berücksichtigung des Boden- und Gewässerschutzes Vortrag zur DBG-Jahrestagung 2013 in Rostock.

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1 Nutzen und Risiken des Einsatzes von Biokohle unter Berücksichtigung des Boden- und Gewässerschutzes Vortrag zur DBG-Jahrestagung 2013 in Rostock Theresa Seith, Dr. Richard Beisecker (IfÖL) Dr. Michael Kastler, Dr. Michael Denneborg (ahu AG) I f Ö L

2 Gliederung des Vortrags  Projektinformationen  Definition Biokohle  Herstellungsverfahren  Eigenschaften  Elementargehalte  Oberfläche, pH-Wert, KAK  Stabilität  Schadstoffe  Nutzen  Gefährdungspotenzial für Gewässer  Fazit  Forschungsbedarf 2 I f Ö L

3 Projektdaten  DVGW - Projekt W 1/02/12: Literaturstudie zum Thema: Nutzen und Risiken des Einsatzes von Biokohle - Abschätzung des Gefährdungspotenzials für Gewässer Abgeschlossen im August 2013  Gemeinsames Projekt der Ingenieurbüros IfÖL (Kassel) und ahu AG (Aachen) 3 I f Ö L

4 Projektziele Literaturstudie  Aktueller Wissensstand zu Eigenschaften, Wirkung und Anwendung von Biokohle  Identifizierung und Bewertung von Risiken für Gewässer, die sich aus der Ausbringung von Biokohle in Böden ergeben  Forschungsbedarf und Vorschläge für weiteres Vorgehen 4 I f Ö L

5 Bildquelle: Ithaka Journal Bildquelle: Pyreg GmbH Bildquelle: Susterra Bildquelle: Fraunhofer Institut UMSICHT Biokohle (biochar): Kohlenstoffreiches Produkt, das bei Erhitzung von Biomasse unter geringer oder keiner Sauerstoffzufuhr entsteht = Produkt mit heterogenen Eigenschaften 5 Definition I f Ö L

6 Thermochemisch Pyrolyse Torrefizierung PYREG-Verfahren Vergasung 2.Hydrothermal Hydrothermale Carbonisierung Vapothermale Carbonisierung 6 Herstellungsverfahren der Biokohle I f Ö L

7 Überblick: 7 Datenquelle: M EYER et al., 2011 Herstellungsverfahren der Biokohle  Biokohlen aus langsamen Verfahren bei geringen Temperaturen haben höhere Kohlenstoff-Ausbeuten I f Ö L

8 Elementargehalte von C, H und O: 8 Eigenschaften der Biokohle Datenquelle: S CHIMMELPFENNIG & G LASER, 2012  Elementargehalte sind stark von Herstellungsprozess und Ausgangsmaterial bestimmt I f Ö L

9 Elementargehalte von C, H und O: 9 Eigenschaften von Biokohle Datenquelle: L IBRA et al., 2011  Mit zunehmender Prozesstemperatur und -dauer sinken H/C- und O/C-Verhältnisse I f Ö L

10 Oberfläche, pH-Wert, Kationenaustauschkapazität: 10 Eigenschaften der Biokohle Datenquelle: L EHMANN, 2007  Mit steigender Prozesstemperatur nehmen spezifische Oberfläche, pH-Wert und Kationenaustauschkapazität zu I f Ö L

11 Oberflächenstruktur: Abhängig vom Rohstoff: Weinreben < Nadelholzabfälle < Gemisch Laub- und Nadelholzabfälle < Miscanthus (H ILBER et al., 2012) Abhängig von Herstellungsverfahren: HTC < Pyrolyse < Pyreg-Verfahren < Vergasung (S CHIMMELPFENNIG und G LASER, 2012)  Aktivierung vergrößert Oberfläche (B ORCHARD et al., 2012)  Steigt mit höchster Prozesstemperatur an bis Deformation auftritt 11 Eigenschaften der Biokohle I f Ö L

12 Stabilität: Für pyrolytisch produzierte Biokohle mit hohem C-Gehalt Zersetzungsdauer > 2000 Jahre, Abbaurate 0,5 % a -1 ( K UZYAKOV et al., 2009) Für HTC-Biokohle aus Glukose und Hefe Zersetzungsdauer von 4 bis 29 Jahren ( S TEINBEISS et al., 2009) 12 Eigenschaften der Biokohle  Mit steigendem Gehalt an Aromaten und black carbon nimmt die Stabilität der Biokohle zu I f Ö L

13 Schadstoffgehalt – Schwermetalle: 13 Eigenschaften der Biokohle Datenquellen: L IBRA et al., 2011; A PPEL, 2012 BBodSchV ( ) I f Ö L

14 Schadstoffgehalt – Kohlenwasserstoffe: PAK- Σ-Gehalt als Indikator für Toxizität der Biokohle ( S CHIMMELPFENNIG & G LASER, 2012) Große Spanne der PAK-Gehalte meist unter 3,5 mg kg -1 (H ALE et al., 2012) aber auch Extremwerte bis zu 3000 mg kg -1 (S CHIMMELPFENNIG & G LASER, 2012) Beispiele Σ PAK: Palaterra: 4,55 mg kg -1 (TZW, 2012) Biokohle aus Holzvergasung: 8 – 53 mg kg -1 (R EICHLE et al., 2010) Biokohle aus schneller Pyrolyse: 0,3 – 45 mg kg -1 (H ALE et al., 2012) PYREG - Biokohle aus Klärschlamm:0,65 mg kg -1 (G ERBER, 2011) 14 Eigenschaften der Biokohle  Mit zunehmender Pyrolyse-Dauer steigt die PAK- Konzentration im Produkt I f Ö L

15 Schadstoffgehalt – Kohlenwasserstoffe: PAK-Gehalt und Ausgangsstoffe Dioxingehalt gering; bioverfügbare Dioxinkonzentration unter Nachweisgrenze (H ALE et al., 2012) 15 Eigenschaften der Biokohle Datenquelle: K LOSS et al., 2012 I f Ö L

16 Nutzen der Biokohle Ausbringung  Verbesserung der Bodeneigenschaften  C-Sequestrierung  Adsorption von Schwermetallen und organischen Stoffen  Mögliche Ertragssteigerung ABER 16  Größter Nutzeffekt auf den Böden mit den größten Risiken I f Ö L

17 Nutzen der Biokohle Ausbringung  Ertragssteigerung 17 I f Ö L

18 Austragspotenzial inkorporierter Schadstoffe: Anstieg der DOC-Konzentration im Porenwasser 18 Datenquelle: B EESLEY & D ICKINSON, 2011 Risiken der Biokohle-Ausbringung  keine Ergebnisse zu anderen Schadstoffen im Porenwasser (z. B. PAK-Konzentrationen) I f Ö L

19 Indirekter Einfluss der Biokohle: Biokohle verändert das Bodenmilieu 19 Risiken der Biokohle-Ausbringung Datenquelle: B EESLEY & D ICKINSON, 2011  Widersprüchliche Ergebnisse zu Wechselwirkungen mit Schwermetallen I f Ö L

20 Indirekter Einfluss auf Stickstoff-Umsätze: Reduktion der Netto-N-Mineralisationsrate ( D EMPSTER et al., 2012) Verringerte N-Aufnahme bei Pflanzen ( B ORCHARD et al., 2012c) Erhöhte Nitratauswaschung ( B ORCHARD et al., 2012b; M AJOR et al., 2012) Erhöhte Ammonium-Auswaschung und Reduktion des Gesamt-N-Gehaltes nach Zugabe von Biokohle + mineralischem Dünger ( S CHULZ & G LASER, 2012) 20 Risiken der Biokohle-Ausbringung  Großer Einfluss auf die Stickstoff-Dynamik des Bodens, Einflussfaktoren und Auswirkungen bisher nicht abzuschätzen I f Ö L

21 Indirekter Einfluss auf Pflanzenschutzmittel: Adsorption organischer Stoffe ( S MERNIK, 2009) Geringeres Verlagerungspotenzial der PSM ( J ONES et al., 2011) 21 Datenquelle: G RABER et al., 2012 Risiken der Biokohle-Ausbringung  Geringe Wirksamkeit von PSM nach ausgebrachter Biokohle I f Ö L

22  Es gibt nicht DIE Biokohle  Biokohlen enthalten gewässergefährdende Stoffe  Größter Nutzeffekt auf Böden mit größten Risiken für Gewässer  Ausgebrachte Biokohle verändert das umgebende Bodenmilieu  Wissensdefizite müssen vor großflächiger Biokohle- Ausbringung geklärt werden 22 Fazit: Gefährdungspotenzial der Biokohle I f Ö L

23  Austragspotenzial organischer Schadstoffe Stabilität gegenüber Abbau/Stofffreisetzung  Langzeitverhalten in Böden der gemäßigten Breiten  Adsorption von Dünger, PSM, Schwermetallen  Wirkung auf Nährstoffhaushalt des Bodens (insbes. Stickstoff- und Phosphor-Umsätze) 23 Forschungsbedarf I f Ö L

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und Dank an den DVGW für die Förderung des Projekts 24 I f Ö L

25 Kontakt IfÖL Dr. Richard Beisecker Windhäuser Weg Kassel Tel.: 0561/ Fax: 0561/ ahu AG Kirberichshofer Weg Aachen Tel.: 0241/ Fax: 0241/ I f Ö L

26 Appel, T Pflanzenverfügbarkeit von Nährstoffen und Schwermetallen aus pyrolysiertem Klärschlamm. Vortrag. BBodSchV Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung vom 12. Juli 1999 (BGBl. I S. 1554), die zuletzt durch Artikel 5 Absatz 31 des Gesetzes vom 24. Februar 2012 (BGBl. I S. 212) geändert worden ist Beesley, L. & Dickinson, N Carbon and trace element fluxes in the pore water of an urban soil following greenwaste compost, woody and biochar amendments, inoculated with the earthworm Lumbricus terrestris. Soil Biology and Biochemistry, 43, 188–196. Borchard, N Interaction of biochar (black carbon) with the soil matrix and its influence on soil functions. Dissertation. In Bonner Bodenkundliche Abhandlungen (ed. W. Amelung, G. Brümmer & A. S kowronek ), p INRES Lehr- und Forschungsbereich Bodenwissenschaften, Bonn. Borchard, N., Prost, K., Kautz, T., Moeller, A. & Siemens, J. 2012a. Sorption of copper (II) and sulphate to different biochars before and after composting with farmyard manure. European Journal of Soil Science, 63, 399–409. Borchard, N., Wolf, A., Laabs, V., Aeckensberg, R., Scherer, H.W., Moeller, A., & Amelung, W. 2012b. Physical activation of biochar and its meaning for soil fertility and nutrient leaching – a greenhouse experiment. Soil Use and Management, 28, 177–184. Dempster, D. N., Gleeson, D., Solaiman, Jones, D. L. & Murphy, D. V Decreased soil microbial biomass and nitrogen mineralisation with Eucalyptus biochar addition to a coarse textured soil. Plant and Soil, 354, 311– Quellen I f Ö L

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