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

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

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) I f Ö L

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 I f Ö L

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

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

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

Eigenschaften der Biokohle Elementargehalte von C, H und O: I f Ö L  Elementargehalte sind stark von Herstellungsprozess und Ausgangsmaterial bestimmt Datenquelle: Schimmelpfennig & Glaser, 2012

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

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

Eigenschaften der Biokohle Oberflächenstruktur: Abhängig vom Rohstoff: Weinreben < Nadelholzabfälle < Gemisch Laub- und Nadelholzabfälle < Miscanthus (Hilber et al., 2012) Abhängig von Herstellungsverfahren: HTC < Pyrolyse < Pyreg-Verfahren < Vergasung (Schimmelpfennig und Glaser, 2012)  Aktivierung vergrößert Oberfläche (Borchard et al., 2012)  Steigt mit höchster Prozesstemperatur an bis Deformation auftritt I f Ö L

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

Eigenschaften der Biokohle Schadstoffgehalt – Schwermetalle: Datenquellen: Libra et al., 2011; Appel, 2012 I f Ö L Bisher wenig untersucht (Amonette & Joseph, 2009) BBodSchV (24.02.2012)

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

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

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

Nutzen der Biokohle Ausbringung Ertragssteigerung I f Ö L

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

Risiken der Biokohle-Ausbringung Indirekter Einfluss der Biokohle: Biokohle verändert das Bodenmilieu Datenquelle: Beesley & Dickinson, 2011 I f Ö L  Widersprüchliche Ergebnisse zu Wechselwirkungen mit Schwermetallen

Risiken der Biokohle-Ausbringung Indirekter Einfluss auf Stickstoff-Umsätze: Reduktion der Netto-N-Mineralisationsrate (Dempster et al., 2012) Verringerte N-Aufnahme bei Pflanzen (Borchard et al., 2012c) Erhöhte Nitratauswaschung (Borchard et al., 2012b; Major et al., 2012) Erhöhte Ammonium-Auswaschung und Reduktion des Gesamt-N-Gehaltes nach Zugabe von Biokohle + mineralischem Dünger (Schulz & Glaser, 2012) I f Ö L  Großer Einfluss auf die Stickstoff-Dynamik des Bodens, Einflussfaktoren und Auswirkungen bisher nicht abzuschätzen

Risiken der Biokohle-Ausbringung Indirekter Einfluss auf Pflanzenschutzmittel: Adsorption organischer Stoffe (Smernik, 2009) Geringeres Verlagerungspotenzial der PSM (Jones et al., 2011) I f Ö L Datenquelle: Graber et al., 2012  Geringe Wirksamkeit von PSM nach ausgebrachter Biokohle

Fazit: Gefährdungspotenzial der Biokohle 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 I f Ö L

I f Ö L Forschungsbedarf 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) I f Ö L

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

Kontakt IfÖL Dr. Richard Beisecker • Windhäuser Weg 8 • 34123 Kassel Tel.: 0561/701515-0 • Fax: 0561/701515-19 E-Mail: info@ifoel.de ahu AG • Kirberichshofer Weg 6 • 52066 Aachen Tel.: 0241/900011-0 • Fax: 0241/900011-9 E-Mail: info@ahu.de I f Ö L

Quellen Appel, T. 2012. Pflanzenverfügbarkeit von Nährstoffen und Schwermetallen aus pyrolysiertem Klärschlamm. Vortrag. BBodSchV. 2012. 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. 2011. 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. 2012. 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. 142. 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. 2012. Decreased soil microbial biomass and nitrogen mineralisation with Eucalyptus biochar addition to a coarse textured soil. Plant and Soil, 354, 311–324. I f Ö L

Quellen Gerber, H. 2011. Pflanzenkohleherstellung im PYREG-Verfahren. In "Biokohle-Klimaretter oder Mogelpackung?" "Biochar-Cliumate Savior or Bluff Package?": Risiken und Chanden für die Abfallwirtschaft - Risks and Changes for Waste Management (Hrsg. K. Fricke), S. 73–76. Orbit, Weimar. Graber, E., Tsechansky, L., Gerstl, Z. & Lew, B. 2012. High surface area biochar negatively impacts herbicide efficacy. Plant and Soil, 353, 95–106. Hale, S. E., Lehmann, J., Rutherford, D., Zimmerman, A. R., Bachmann, R. T., Shitumbanuma, V., O’Toole, A., Sundqvist, K. L., Arp, H. P. & Cornelissen, G. 2012. Quantifying the Total and Bioavailable Polycyclic Aromatic Hydrocarbons and Dioxins in Biochars. Environmental Science & Technology, 46, 2830–2838. Hilber, I., Blum, F., Leifeld, J., Schmidt, H.-P. & Bucheli, T.D. 2012. Quantitative Determination of PAHs in Biochar: A Prerequisite To Ensure Its Quality and Safe Application. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 60, 3042–3050. Jones, D., G. Edwards-Jones, G. & Murphy, D. 2011. Biochar mediated alterations in herbicide breakdown and leaching in soil. Soil Biology and Biochemistry, 43, 804–813. Kloss, S., Zehetner, F., Dellantonio, A., Hamid, R., Ottner, F. & Liedtke, V., Schwanninger, M., Gerzabek, M. H. & Soja, G. 2012. Characterization of Slow Pyrolysis Biochars: Eff ects of Feedstocks and Pyrolysis Temperature on Biochar Properties. Journal of Environmental Quality, 41, 990–1000. Kuzyakov, Y., Subbotina, I., Chen Haiqing, Bogomolova, I. & Xu, X. 2009. Black carbon decomposition and incorporation into soil microbial biomass estimated by 14C labeling. Soil Biology and Biochemistry, 41, 210–219. I f Ö L

Quellen Libra, J. A., Ro, K. S., Kammann, C., Funke, A., Berge, N. D., Neubauer, Y., Titirici, M.-M., Fühner, C., Bens, O., Kern, J. & Emmerich, K.-H. 2011. Hydrothermal carbonization of biomass residuals: a comparative review of the chemistry, processes and applications of wet and dry pyrolysis. Biofuels, 2, 89–124. Lehmann, J. 2007. Bio-energy in the black. Frontiers in Ecology and the Environment, 5, 381-387. Major, J., Lehmann, J., Rondon, M. & Goodale, C. 2010. Fate of soil-applied black carbon: downward migration, leaching and soil respiration. Global Change Biology, 16, 1366-1379. Meyer, S., Glaser, B. & Quicker, P. 2011. Technical, Economical, and Climate-Related Aspects of Biochar Production Technologies: A Literature Review. Environmental Science & Technology, 45, 9473–9483. Reichle, E., Schmoekel, G., Schmid, M. & Körner, W. 2010. Rückstände aus Holzvergasungsanlagen. Müll und Abfall, 3, 118–126. Schimmelpfennig, S. & Glaser, B. 2012. One Step Forward toward Characterization: Some Important Material Properties to Distinguish Biochars. Journal of Environmental Quality, 41, 1001–1013. Schulz, H. & Glaser, B. 2012. Effects of biochar compared to organic and inorganic fertilizers on soil quality and plant growth in a greenhouse experiment. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 175, 410–422. Smernik, R.J. 2009. Biochar and Sorption of Organic Compounds. In Biochar for Environmental Management: Science and Technology. 1. Aufl. (Hrsg. J. Lehmann & S. Joseph), S. 289–300. Earthscan, London. Steinbeiss, S., Gleixner, G. & Antonietti, M. 2009. Effect of biochar amendment on soil carbon balance and soil microbial activity. Soil Biology and Biochemistry, 41, 1301–1310. I f Ö L