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09.09.2013
Nutzen und Risiken des Einsatzes von Biokohle
unter Berücksichtigung des Boden- und
GewässerschutzesVortrag zur DBG-Jahrestagung 2013 in Rostock
Theresa Seith, Dr. Richard Beisecker (IfÖL) Dr. Michael Kastler, Dr. Michael Denneborg
(ahu AG)
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Gliederung des Vortrags Projektinformationen Definition Biokohle Herstellungsverfahren Eigenschaften
Elementargehalte Oberfläche, pH-Wert, KAK Stabilität Schadstoffe
Nutzen Gefährdungspotenzial für Gewässer Fazit Forschungsbedarf
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Projektdaten DVGW - Projekt W 1/02/12:
Literaturstudie zum Thema: Nutzen und Risiken des Einsatzes von Biokohle -
Abschätzung des Gefährdungspotenzials für GewässerAbgeschlossen im August 2013
Gemeinsames Projekt der Ingenieurbüros IfÖL (Kassel) und ahu AG (Aachen)
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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
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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
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Definition
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Überblick:
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Datenquelle: MEYER et al., 2011
Herstellungsverfahren der Biokohle
Biokohlen aus langsamen Verfahren bei geringen Temperaturen haben höhere Kohlenstoff-AusbeutenI f Ö
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Elementargehalte von C, H und O:
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Eigenschaften der Biokohle
Datenquelle: SCHIMMELPFENNIG & GLASER, 2012
Elementargehalte sind stark von Herstellungsprozess und Ausgangsmaterial bestimmt I f Ö
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Elementargehalte von C, H und O:
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Eigenschaften von Biokohle
Datenquelle: LIBRA et al., 2011
Mit zunehmender Prozesstemperatur und -dauer sinken H/C- und O/C-VerhältnisseI f Ö
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Oberfläche, pH-Wert, Kationenaustauschkapazität:
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Eigenschaften der Biokohle
Datenquelle: LEHMANN, 2007
Mit steigender Prozesstemperatur nehmen spezifische Oberfläche, pH-Wert und Kationenaustauschkapazität zuI f Ö
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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 HefeZersetzungsdauer von 4 bis 29 Jahren (STEINBEISS et al., 2009)
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Eigenschaften der Biokohle
Mit steigendem Gehalt an Aromaten und black carbon nimmt die Stabilität der
Biokohle zu I f Ö L
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Schadstoffgehalt – Schwermetalle:
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Eigenschaften der BiokohleDatenquellen: LIBRA et al., 2011; APPEL, 2012
BBodSchV (24.02.2012)
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Schadstoffgehalt – Kohlenwasserstoffe: PAK- Σ-Gehalt als Indikator für Toxizität der
Biokohle (SCHIMMELPFENNIG & GLASER, 2012)
Große Spanne der PAK-Gehaltemeist 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)
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Eigenschaften der Biokohle
Mit zunehmender Pyrolyse-Dauer steigt die PAK-Konzentration im ProduktI f Ö
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Schadstoffgehalt – Kohlenwasserstoffe: PAK-Gehalt und Ausgangsstoffe
Dioxingehalt gering; bioverfügbare Dioxinkonzentration unter Nachweisgrenze (HALE et al., 2012)
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Eigenschaften der Biokohle
Datenquelle: KLOSS et al., 2012I f Ö L
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Nutzen der Biokohle Ausbringung Verbesserung der Bodeneigenschaften C-Sequestrierung Adsorption von Schwermetallen und organischen
Stoffen Mögliche Ertragssteigerung
ABER
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Größter Nutzeffekt auf den Böden mit den größten RisikenI f Ö
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Austragspotenzial inkorporierter Schadstoffe:Anstieg der DOC-Konzentration im Porenwasser
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Datenquelle: BEESLEY & DICKINSON, 2011
Risiken der Biokohle-Ausbringung
keine Ergebnisse zu anderen Schadstoffen im Porenwasser (z. B. PAK-Konzentrationen)
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Indirekter Einfluss der Biokohle:Biokohle verändert das Bodenmilieu
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Risiken der Biokohle-Ausbringung
Datenquelle: BEESLEY & DICKINSON, 2011
Widersprüchliche Ergebnisse zu Wechselwirkungen mit Schwermetallen
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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)
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Risiken der Biokohle-Ausbringung
Großer Einfluss auf die Stickstoff-Dynamik des Bodens, Einflussfaktoren und Auswirkungen bisher nicht abzuschätzenI f Ö
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Indirekter Einfluss auf Pflanzenschutzmittel:Adsorption organischer Stoffe (SMERNIK, 2009)
Geringeres Verlagerungspotenzial der PSM (JONES et al., 2011)
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Datenquelle: GRABER et al., 2012
Risiken der Biokohle-Ausbringung
Geringe Wirksamkeit von PSM nach ausgebrachter Biokohle
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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
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Fazit: Gefährdungspotenzial der Biokohle
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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)
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Forschungsbedarf
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und Dank an den
DVGW für die Förderung des Projekts
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Kontakt
IfÖL Dr. Richard Beisecker • Windhäuser Weg 8 • 34123 Kassel
Tel.: 0561/701515-0 • Fax: 0561/701515-19 E-Mail: [email protected]
ahu AG • Kirberichshofer Weg 6 • 52066 AachenTel.: 0241/900011-0 • Fax: 0241/900011-9
E-Mail: [email protected] f Ö
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