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Der Hype um Biokohle

Ein Bodenverbesserer für die Landwirtschaft?

Unsere Böden reagieren sehr sensibel auf veränderte Umweltbedingungen. Durch Klimawandel und zunehmend intensive Bewirtschaftung verliert der Boden organische Substanz und damit die Fähigkeit, Wasser und Nährstoffe zu speichern. Die Frage ist: Was können wir tun, um die Fruchtbarkeit der Böden dauerhaft zu erhalten, idealerweise sogar zu verbessern? Einen Beitrag kann die Einbringung von Biokohle in die Böden leisten.//Von Grit Petersohn

9.12.2015// Der Bodenkundler und –ökologe Volker Häring von der Ruhr-Universität Bochum forscht zusammen mit Kollegen an der landwirtschaftlichen Verwendung von Biokohle. Seit 2013 ist er an dem Projekt "Urban Food Plus" beteiligt, welches sich auf die Ernährungssicherung westafrikanischer Städte konzentriert. Die Einbringung von Biokohle in die sandigen Böden in Burkina Faso und Ghana zeigte Erfolge – die landwirtschaftlichen Erträge konnten dort um 20 Prozent gesteigert werden.

Die Ernährungslage in Afrika ist schwierig. Den Böden des Kontinents fehlt es an ausreichend Wasser und an Fruchtbarkeit. Um die eigene Ernährung sicherzustellen, bewirtschaften Afrikas Landwirte städtische und stadtnahe Gebiete sehr intensiv. Dies birgt allerdings Risiken für Gesundheit und Umwelt. Um einer Nährstoffarmut der Böden entgegenzuwirken, reiste Volker Häring im Rahmen des Forschungsprojekts "Urban Food Plus" neun Monate nach Westafrika. Dort stellte er zusammen mit weiteren engagierten Kollegen und interessierten Bauern Biokohle her und brachte diese auf die Felder aus.

Biokohle – was ist das eigentlich?

Biokohle wird aus pflanzlichen Materialien hergestellt. Hierbei handelt es sich um naturbelassene Biomasse, das sind Grünabfälle wie zum Beispiel Zuckerrübenabfälle und Baumrinde. Sie sind der Rohstoff für Biokohle. Volker Häring verwendete in Westafrika Bio-Abfälle wie Reishülsen und Maisspindeln. Normalerweise sind Energiepflanzen wie Mais oder Raps nicht nötig. ''Die Einbringung von Biokohle in den Boden ist vor allem in Gebieten Westafrikas sinnvoll, da die Erde dort kohlenstoffarm, sandig und häufig sauer ist'', sagt Volker Häring. Er nennt entscheidende Vorteile, die die Biokohle in Afrika mit sich bringt. Dank ihrer porösen Struktur kann die Biokohle Wasser und Nährstoffe speichern. ''Sie trägt damit zur Verbesserung des Wasserhaushalts bei'', ein wesentlicher Punkt für die trockenen Gebiete Afrikas. Häring erklärt weiterhin, dass die Speicherung von Nährstoffen im Boden mit der Kationenaustauschkapazität zu tun hat, einer wichtigen Bodenkenngröße. Sie hängt von der chemischen Zusammensetzung des Bodenmaterials ab und ist ein Maß für die Menge der Kationen (positiv geladene Ionen), die ein Stoff adsorbieren und gegen in Lösung befindliche Kationen wieder austauschen kann. Zurück im Labor untersuchte Häring die Bodenproben und stellte fest, dass die Einbringung von Biokohle die Kationenaustauschkapazität erhöhen konnte. ''Nährstoffe werden weniger aus dem Boden ausgewaschen und können stattdessen an der Oberfläche adsorbiert werden'', so Häring. Weiterhin bietet die große Oberflächenstruktur der Biokohle genügend Besiedlungsoberfläche für Mikroorganismen, deren Funktion im Boden sehr wichtig ist. Einen großen Vorteil sieht Häring auch in der stabileren Bodenstruktur durch Biokohle. ''Besonders bei sandigen Böden findet weniger Erosion statt, dadurch wird der Verlust der Landoberfläche minimiert.'' Nicht zuletzt zeigt sich ein immenses Potenzial der Biokohle in seiner Eigenschaft als Kohlendioxidspeicher.

Volker Häring war insgesamt neun Monate in Burkina Faso und Ghana, um die urbane Landwirtschaft zu erforschen. © RUBIN, Foto: Gorczany

Volker Häring erforscht die urbane Landwirtschaft. © RUBIN, Foto: Gorczany

Kohlenstoffdioxid (CO2) wirkt in der Atmosphäre als Treibhausgas und gilt als die Hauptursache der globalen Erwärmung. Pflanzen speichern CO2 und geben es bei der Vergärung durch Kompostierung normalerweise wieder in die Atmosphäre ab. ''Durch die Verkohlung des Bio-Abfalls wird der Kohlenstoff allerdings stabil gebunden und weniger CO2 Emissionen werden freigesetzt, als wenn die Biomasse verbrannt wird oder auf natürlichem Wege verrottet'', erklärt Häring das Prinzip, das er wissenschaftlich ''Kohlenstoffsequestrierung'' nennt. Diese Wirkungsweise hat der Biokohle den Ruf eines ''Klimaretters'' eingebracht. Es entstand ein regelrechter Hype um die Verwendung des ''Wunderbodenverbesserers'' Biokohle.

"Klimaretter" Biokohle?

''Doch der Hype weicht einer Ernüchterung'', stellt Dr. Alexandra Sandhage-Hofmann von der Universität Bonn fest. Sie arbeitet am Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) im Bereich Bodenwissenschaften und beaufsichtigt eine Versuchsfläche mit Biokohle. Vor drei Jahren brachten die Wissenschaftler Biokohle gemischt mit Kompost auf einem Versuchsfeld mit Agrarholz am Campus Klein-Altendorf aus. Allerdings zeigen die jährlichen Basisuntersuchungen bisher kaum Erfolge. Die Forscherin bestätigt ebenso Härings Erkenntnis, dass eine positive Beeinflussung der Ertragssteigerung durch Biokohle im Wesentlichen bei nährstoffarmen sandigen Böden stattfindet. ''Je nach Klimazone sind die positiven Effekte nicht immer dieselben. Bei der Betrachtung der Wirkungsweise von Biokohle müssen die Unterschiede der verschiedenen Böden berücksichtigt werden'', erklärt sie. Hierbei spielt das Klima eine genauso große Rolle wie die vorgefundenen Nährstoffe im Boden oder die Fauna. Volker Häring ist bewusst, dass die Wirkungsweise der Biokohle in Westafrika eine ganz andere ist, als die in Europa. ''Im Gegensatz dazu haben wir in Deutschland und Europa mehrheitlich fruchtbare Böden'', erläutert Sandhage-Hofmann, ''bei denen eine regelmäßige Ausbringung von Biokohle wohl nicht ganz die gewünschten Effekte erzielen würde.'' Weiterhin ist zu bedenken, dass sich große Unterschiede bei den Herstellungsverfahren von Biokohlen zeigen. Je nach Technik und verwendeten Rohstoffen weisen die Endprodukte andere Eigenschaften auf.

Volker Häring und Kofi Atiah im Labor an der RUB. © RUBIN, Foto: Gorczany

Volker Häring und Kofi Atiah im Labor an der RUB. © RUBIN, Foto: Gorczany

Die Herstellung von Biokohlen

Das gängige Verfahren zur Herstellung von Biokohle nennt sich Pyrolyse (siehe Kontextbox). Zusammen mit den Bauern in Westafrika hat Volker Häring ausschließlich diese Technik angewandt. Die Landwirte der Region sind mit der traditionellen Herstellung von Kohle bereits vertraut. ''Wenn ein Baum in Burkina Faso umfällt, wird er direkt vor Ort verkohlt'', so Häring. Auf diese Weise bleiben die Transportwege kurz und die Energiebilanz gering. Bisher haben die Menschen die gewonnene Kohle jedoch hauptsächlich als Brennstoff verwendet. Ein anderes mögliches Verfahren zur Kohle-Erzeugung heißt hydrothermale Carbonisierung (HTC). Zunächst kommt bei beiden Verfahren am Ende ein trockener Stoff heraus, der gut brennt. Die Verwendung von Biokohle als Brennstoff gilt allerdings als unwirtschaftlich, da die Herstellung selbst Energie frisst und der Energieträger Biokohle ohne Subventionen damit zu teuer würde. Genauere Betrachtungen unter dem Elektronenmikroskop zeigen, dass die HTC-Kohle ''lockerer aufgebaut ist, sowohl stabile als auch labile Bestandteile aufweist, und damit keine Langlebigkeit im Boden gewährleistet'', so Sandhage-Hofmann. Die Bodenexpertin erklärt, dass sich die HTC-Kohle schneller im Boden zersetzt. Dies ist bei Fragen zur Kohlenstoffsequestrierung nicht optimal. Denn um die Bodenfruchtbarkeit zu gewährleisten und den Klimawandel abzuschwächen, sollte der Kohlenstoff, gebunden in der Biokohle, möglichst lange im Boden gespeichert werden. Die Pyrolyse-Kohle ist dem gegenüber stabiler. Andererseits kann die HTC-Kohle aber möglicherweise zur Altlasten-Sanierung beitragen, merkt Sandhage-Hofmann an. ''Schadstoffe können, wie Studien zeigten, von HTC-Kohle besser als von Pyrolyse-Kohle an ihrer Beweglichkeit gehindert werden und werden nicht ins Grundwasser transportiert, aber auch hier gibt es noch hohen Forschungsbedarf.''

Diese Zinnkapseln verwenden die Bochumer Forscher zur Bestimmung von Kohlenstoff- und Stickstoffmengen. Sie sind auf viele Tests vorbereitet. © RUBIN, Foto: Gorczany

Diese Zinnkapseln verwenden die Bochumer Forscher zur Bestimmung von Kohlenstoff- und Stickstoffmengen. © RUBIN, Foto: Gorczany

Der Einsatz von Pyrolyse-Kohle

Eine Studie vom BUND "Terra Preta / Pyrolysekohle" (April 2015) kommt ebenfalls zu dem Ergebnis, dass Biokohle nicht die Lösung aller landwirtschaftlicher Probleme sei. Zur Verbesserung der Fruchtbarkeit landwirtschaftlicher Böden gehören viele Aspekte. Der BUND fordert daher hauptsächlich die Abkehr von der industriellen Landwirtschaft und eine Förderung des Ökolandbaus mit seiner den Humus und das Bodenleben fördernden Wirtschaftsweise. Die Umweltrelevanz von Pyrolyse-Kohle wird durch die Studie in diesem Kontext als möglicher innovativer Beitrag eingeschätzt, bei dem es aber in vielen Bereichen noch weiterer Forschung bedarf. Einen wesentlichen Kritikpunkt stellt die ungenügende regionale Verfügbarkeit von Biomasse für die Pyrolyse dar. Sehr hohe Einsatzmengen an Pyrolyse-Kohle stehen außerdem relativ geringen Ertragssteigerungen gegenüber. Um die Umweltqualität der Böden sicher zu stellen, setzt der BUND demnach auf eine nachhaltige Humuswirtschaft in Kombination mit regional verfügbarer Biomasse. Die sogenannte ''Terra Preta'', die schwarze Erde, bildet dabei einen zentralen Sammelbegriff für über Jahrhunderte gezielt erzeugten Humus. Dem Humus soll Biokohle zugeführt werden. Terra Preta und Pyrolyse-Kohle sollen so in Wechselwirkung miteinander stehen. In Westafrika testete Volker Häring beides: sowohl reine Pyrolyse-Kohle als auch die Einbringung von Pyrolyse-Kohle gemischt mit Humus. ''Meiner Meinung nach hat die Biokohle-Kompost-Mischung das größte Potenzial für Ertragssteigerungen und Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit.''

Kofi Atiah füllt einen Probenteller. Bestimmt werden soll die Konzentration des Kohlenstoffs einer Bodenprobe. © RUBIN, Foto: Gorczany

Kofi Atiah füllt einen Probenteller. © RUBIN, Foto: Gorczany

Ein Blick in die Zukunft

Der BUND sieht in diesem Mix, dem ''Terra-Preta-Substrat'', auch für Europas Böden eine mögliche Zukunft – rät allerdings von einer breiten Anwendung zum jetzigen Zeitpunkt ab. Alexandra Sandhage-Hofmann ist ebenfalls der Meinung, dass Biokohle eher gezielt eingesetzt werden sollte. "Exquisitere Saisonware wie Erdbeeren oder Spargel können sehr gewinnbringend verkauft werden und wachsen nur über kürzere Zeiträume im Jahr. Außerdem werden sie auf deutlich kleineren Flächen angebaut, da macht der Einsatz von Biokohle für höhere Ertragsgewinne mehr Sinn als in der konventionellen Landwirtschaft.'' In diesem Kontext darf nicht außer Acht gelassen werden, dass die Herstellung der Biokohlen gleichermaßen mit einem erheblichen finanziellen Aufwand verbunden ist. Sowohl Volker Häring als auch Alexandra Sandhage-Hofmann kommt es letzten Endes auf den bewussten Umgang mit dem Boden an. Natürliche Kreisläufe sollen nicht zerstört werden, schließlich ist der Boden eine nicht erneuerbare und bedrohte Ressource. Die nachhaltige Erhaltung oder sogar Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit ist ein wichtiges Ziel, das beide Forscher im Auge behalten. Volker Häring steckt im Rahmen des ''Urban Food Plus''-Projekts derzeit mitten in der Bewertung der Ergebnisse verschiedener Bodenproben aus Westafrika. Bei positivem Befund wird das Forschungsprojekt finanziell weiter unterstützt und die Förderung bis 2018 verlängert. Am INRES Institut der Universität Bonn plant Sandhage-Hofmann zwar derzeit keine weiteren Forschungsprojekte mit Biokohle, informiert sich jedoch stetig über die neue Erkenntnisse der Terra Preta-Forschung. Besonders interessant erscheint ihr die Wasserspeicherkapazität von Biokohle. Im Angesicht der Weltklimakonferenz in Paris diesen Jahres rückt jedoch die CO2-Senkung wieder vermehrt in den Fokus.

Bildquelle: RUBIN – Wissenschaftsmagazin der RUB

Grit Petersohn, Technikjournalismus/PR, 3. Semester

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Die Herstellung von Pyrolyse-Kohle

Die Pyrolyse ist ein Prozess, der schon seit Jahrhunderten zur Kohlegewinnung angewandt wird. Bei dieser Methode werden Bio-Abfälle zunächst getrocknet. Gärreste enthalten noch sehr viele wertvolle Nährstoffe. Um sie länger im Boden verfügbar zu machen, werden die getrockneten Reststoffe unter Ausschluss von Sauerstoff und bei Temperaturen zwischen 400 und 700 Grad verkohlt. Zusammen mit den Bauern in Westafrika hat Volker Häring ausschließlich diese Technik angewandt.

Die Herstellung von HTC-Kohle

Bei der hydrothermalen Carbonisierung (HTC) kommen die Grünabfälle in einen Druckbehälter, ähnlich einem Schnellkochtopf. Hinzu kommen Wasser und Zitronensäure. Im HTC-Reaktor wird die Biomasse dann in feuchtem Zustand bei einem Druck von 20 bar und Temperaturen von 150 bis 250 Grad verkohlt. In wenigen Stunden wird nachempfunden, wofür die Natur einst Jahrmillionen brauchte.