www.leuphana.de

AKTIVIERTE PFLANZENKOHLE AUS ELBAUEN

INNOVATIONS-INKUBATOR LÜNEBURG

28. APRIL 2015

Frank Krüger, Sabrina Wolski, Caroline Thiem, Prof. Dr. Brigitte Urban

1. Einleitung/Hintergrund

Partner, Elbe, Schadstoffproblematik der Auen, Biosphärenreservat,

Nutzungsmöglichkeiten & Einschränkungen, PYROLYSE, Untersuchungsgebiete

2. Projektziele & Vorgehen

3. Rezepte und Versuche

4. Ausgewählte Ergebnisse

5. Betrachtungen zur Wirtschaftlichkeit

6. Fazit und Ausblick

ÜBERBLICK

Seite 2

PROJEKTLAUFZEIT

01.05.2013 bis 30.04.2015

KOOPERATIONSPARTNER

Partner aus der Region:

Gräflich von Bernstorff‘sche Verwaltung

ERDE Institut & ERDE Innovation

Biosphärenreservatsverwaltung Niedersächsische Elbtalaue

Weiterer Partner:

PYREG GmbH, Dörth

1. EINLEITUNG

Innovations-Inkubator F&E Projekt „Aktivierte Pflanzenkohle aus Elbauen“

Seite 3

1. EINLEITUNG

Dioxinkontamination von Böden entlang der Elbe

Seite 4

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

0 100 200 300 400 500

Wehr

Geesthacht

600

Kilometrierung

Dio

xin

e/F

T

EQ

n

g/k

g

Mulde-Adhoc, 2003, 0-10 cm, WHO

Elbe-NLfB, 1993, 0-5 cm, NATO

Elbe-NLfB, LWK, 2003, 0-10 cm, NATO

Elbe-LUA, 2001, 0-10, NATO

Elbe-LAU, 2006, 0-10 cm, NATO

Elbe-Adhoc, 2003, 0-10 cm, WHO

Deutsch-

Tschechische

Grenze

Nebenfl.

Mulde und

Saale

Fließrichtung

Ca. 30.000 ha

Lage des Untersuchungsgebietes bei Elbe-km 513

Richtwert der Bund- Länder AG Dioxine bei landwirtschaft- licher Nutzung: 40 ng TEQ/kg

Schadstoffeinträge über belastetes Hochwasser

Seite 5

(Historische)

Kontamination der

Böden durch Dioxine

und Schwermetalle

Risiko der Höchstwert-

überschreitung in Futter-

und Lebensmitteln Einschränkungen

der wirtschaftlichen

Nutzung von Grünland-

flächen in den Elbauen

1. EINLEITUNG

Schadstoffproblematik der Elbauen

© Artlenburger Deichverband

Alternativ: NEUE WERTSCHÖPFUNGEN außerhalb der FUTTER- und NAHRUNGS-MITTELPRODUKTION: z.B. Pflanzenkohle

Seite 6

1. EINLEITUNG

Nutzungsansprüche/Schutzgüter der Elbauen im Biosphärenreservat

Niedersächsische Elbtalaue (Modellregion für nachhaltiges Wirtschaften)

Naturschutz Landwirtschaft

Energieproduktion

Siedlung, Hochwasserschutz Schiffahrtsweg

Tourismus

Erholung

Folie: Biosphärenreservatsverwaltung

Nutzung der Auen ist bedeutsam für viele Schutzgüter!!

1. EINLEITUNG Warum Pyrolyse und PYREG® P500 Anlage?

Seite 7

FLOX-Brenner

Wichtig: T > 530 °C

Wichtig: T > 900 °C

1. EINLEITUNG

Warum Pyrolyse und PYREG® P500 Anlage? Herstellung aktivierter

Pflanzenkohle, Temperaturverlauf der Pyrolyse

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1. EINLEITUNG

Warum Pyrolyse und PYREG® P500 Anlage? Herstellung aktivierter

Pflanzenkohle, Temperaturverlauf der Pyrolyse

Seite 9

Bedingungen: PYROLYSE – Temperaturen müssen über dem Sidepunkt (>530 °C) der Dioxine liegen. Verdampfen der Dioxine Abtransport im Abgasstrom/ Zuführung zum FLOX-Brenner (flammenlose Oxidation bei T 1000-1250°C) Endgültige Zerstörung der Dioxine bei T > 900 °C (UBA)

2. PROJEKTZIEL & VORGEHEN /Arbeitspakete

Herstellung aktivierter Pflanzenkohle

Seite 10

Pyrolyse mit einer

PYREG® P500

Anlage

Bei Temperaturen

>1000°C werden

Dioxine zerstört

1. EINLEITUNG

Biosphärenreservat Niedersächsische Elbtalaue eine „Modellregion für nachhaltiges Wirtschaften“

Seite 11

UNESCO

Biosphärenreservat

Flusslandschaft Elbe

Länge 100 km,

Größe des Vorlandes 6400 ha

http://www.elbtalaue.niedersachsen.de

1. EINLEITUNG

Untersuchungsgebiet zur Gewinnung von Biomasse

Seite 12

Grünland - Wehninger Werder

Wiesenfuchsschwanz-Wiese

Länge: 2 km, Größe: 140 ha

Standort repräsentativ für die Elbauen an

der unteren Mittelelbe

Grasschnitt und Ernte Mai 2013

Rohrglanzgras-Röhricht

Grasschnittt Juni 2014

1. EINLEITUNG

Untersuchungsgebiete in Niedersachsen, Herkunft der Versuchsböden

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Ackerbrache - Wehningen

Feinsand, Gley-Podsol geringes

landwirtschaftliches Ertragspotenzial

Bodenprobenahme

Juni 2014

Ackerstandort - Gummern

Biol. Bewirtschaftung, ̴20 m³ Gärrest-Düngung

Feinsand, Auengley geringes

landwirtschaftliches Ertragspotenzial

Bodenprobenahme

September 2013

2. PROJEKTZIEL & VORGEHEN,

Charakterisierung von Untersuchungsflächen und Futtermitteln

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•handgeschnittenes Gras

0,4 ng TEQ/kg, Verschmutzung: 0,1 - 0,2 %

•maschinengeschnittenes Gras

6,6 ng TEQ/kg, Verschmutzung: 2,2 - 2,8 %

•maschinengeerntetes, gehäckseltes Heu

3,0 & 4,5 ng TEQ/kg, Verschmutzung: 1,0 - 1,9 %

Elbauenboden, 0-1 cm: 230 & 242 ng TEQ/kg

0-10 cm: 212 & 284 ng TEQ/kg

2. PROJEKTZIEL & VORGEHEN, Biokohleproduktion 2013 &14 mittels PYREG® P500 Anlage

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2. PROJEKTZIEL & VORGEHEN

Charakterisierung der Biokohle

Seite 16

•Pflanzenkohle

Aus Wiesenfuchsschwanz 2013:

PCDD/Fs 0,3 ng WHO TEQ/kg Mehr als 95 %

zerstört (auch als Futtermittel geeignet!)

Zn 340 mg/kg

PAK 82 mg/kg

PAK Batch-Versuch: 1,9 mg/kg

Aus Rohrglanzgras 2014:

PCDD/Fs 0,021 ng WHO TEQ/kg (auch als Futtermittel geeignet!)

Zn 450 mg/kg

PAK 17,2 mg/kg

C 52,3 - 65 %

N 1,38 - 2,0 %

pH 9,9

Spez. Oberfläche 147 - 119 m²/g

H/C = 0,14 - 0,23

O/C = 0,03

Sehr stabil!

3. REZEPTE und VERSUCHE

„Rezepturen“

Seite 17

Mischungen

Gärreste

(Gartow)

Hühnertrockenkot

(Kröte/Gartow)

Pflanzenkohle

Kontrolle Pflanzen-

kohle-

substrate

(PKS)

Kohle-Applikationen

0 g/m² Kontrolle ≙ 0 t/ha

50 g/m² PKS I

100 g/m² PKS II ≙ 1 t/ha

500 g/m² PKS III

1.000 g/m² PKS IV ≙ 10 t/ha

5.000 g/m² PKS V

Wachstums- und Leachingversuche

(in Lysimetern)

- Biomasseproduktion und Entwicklung

- Sickerwasser Mengen, Nähr- und

Schadstoffgehalte

3. REZEPTE und VERSUCHE

Übersicht über Experimente

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Mikrobiologische Untersuchungen

(in Eimern)

- CO2-Ausgasung

- Mikrobielle Biomasse (Cmik)

Klimakammer

3. REZEPTE und VERSUCHE

Übersicht über Experimente

Seite 19

Bodenphysikalische und Wachstumsversuche

(in kleinstparzelligen Freilandversuchen), Campus Rotes Feld

- Bodenwasserhaushalt

- Nährstoffverfügbarkeit

- Biomasse

Pro Parzelle: 0,2 x 0,15 x 1,0 m

Oberirdische Biomasse, Sommergerste, M5

Seite 20

Kohle-Applikation [g/m2] in Pflanzenkohlesubstraten

M5

_Ob

eri

rdis

che

B

iom

asse

TG

[g]

50

40

30

20

10

0 50 100 1000 5000

4. ERGEBNISSE

Kornerträge, Sommergerste, M5

Seite 21

Kohle-Applikation [g/m2] in Pflanzenkohlesubstraten

M5

_Kö

rne

r TG

[g]

25

20

15

10

5

0

0 50 100 1000 5000

Oberirdische Biomasse, Grasmischung

Seite 22 Aktivierte Pflanzenkohle aus Elbauen · Leuphana Universität Lüneburg · Frank Krüger

Nährstoffverfügbarkeiten, Bsp. Ammonium-N

Seite 23

Bei Kohle-Applikation höherer CO2- Ausstoß erkennbar

Erhöhte mirkobiol. Aktivität als Hinweis auf verbesserte Lebensbed. im Boden

Bodenatmungsversuche (in Eimern)

Seite 24

Bodenwasserhaushalt

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Lagerungsdichte

Seite 26

Einige der bodenverbessernden Eigenschaften der Pflanzenkohle sind noch gar nicht ertragssteigernd wirksam geworden

5. BETRACHTUNGEN zur WIRTSCHAFTLICHKEIT

Landwirtshaftskammer Uelzen, 03.04.2007

Seite 27

Russische Delegation

11,5%5,7%

8,1%

0,2%

9,4%62,0%

3,1%

Bracks, Seen,

Graeben

Busch, Baeume,

Wald

Deich incl.

Verteidigungsweg

Sommerdeich

Elbufer und

Auenbereich

LN

Sonstige

Nutzungsart Fläche

(ha)

Flächenanteil

(%)

Landwirtschaftliche Nutzfläche (LN) 4.315,8 62,0

Deich incl. Verteidigungsweg 564,3 8,1

Sommerdeiche 12,3 0,2

Ufer- und Auenbereich 654,9 9,4

Busch, Bäume, Wald 399,3 5,7

Bracks, Seen, Gräben 802,7 11,5

Sonstige (Verkehrs- und Siedlungsflächen, …) 212,7 3,1

Gesamtes Untersuchungsgebiet 6.961,9 100

Bericht: Analyse zur Feststellung der Betroffenheit landwirtschaftlicher Betriebe in der Elbtalaue aufgrund der Dioxinbelastung auf den Außendeichsflächen.

Auenvorlandflächen, 62 % landwirtschaftliche Nutzfläche, davon 90 Grünland, mähfähig: ca. 3.500 ha

5. BETRACHTUNGEN zur WIRTSCHAFTLICHKEIT

Erntekosten_Grünland_Landwirtschaftskammer

Seite 28

Deckungsbeitragsberechnung zur Erzeugung von Heu - 2 Schnitte

Grundlegende Angaben

Produkt: Heu ab Lager Standort: Flußmarsch

Erzeugung: zum Verkauf Düngung: normal

Ernteverfahren: Rundballen Schlaggröße: 5 ha

Verwertungsform: Futter/Carbonisierung Schnittzeitpunkt: Beginn der Blüte

Betrachtungszeitraum: 5 Jahre (2009-2013) Güllerücknahme: nicht vorgesehen

Trockenmasseertrag - Feldbestand 60 dt TM/ha MwSt.: mit MwSt.

Gesamtkosten: ca. 560 € Aber: Transferzahlungen: 300 € Naturschutzausgleich: 250 € Daraus folgt: Kostendeckung der Biomassewerbung

5. BETRACHTUNGEN zur WIRTSCHAFTLICHKEIT

Biomasse- und Kohleproduktion

Seite 29

2,75 t/ha

Heu/Schnitt

-5,5 t/ha*a

Kohleausbeute

3:1

1,8 t/ha*a

Pflanzenkohle

Applikation:

Rezept mit

z.B. 1 t/ha PK

Pflanzenkohle

Pflanzenkohle-Produktion: bis zu 40 kg / h - 350 t / Jahr.(brennstoffabhängig), www.pyreg.de

5. BETRACHTUNGEN zur WIRTSCHAFTLICHKEIT

Potenziale

Seite 30

6.300 t

Pflanzenkohle

aus dem

Elbevorland

LK

Lüchow-Dan.:

Ackerland:

47.000 ha

Pflanzenkohle-Produktion: bis zu 40 kg / h - 350 t / Jahr. >>>>18 Anlagen für je 194 ha Grünland

5. BETRACHTUNGEN zur WIRTSCHAFTLICHKEIT

Langfristige Erwartungen zu Erträgen aufgrund des Einsatzes von

Pflanzenkohlesubstraten ?

Seite 31

Ca. + 10 %

6. BETRACHTUNGEN zur WIRTSCHAFTLICHKEIT

Erlöse aus Pflanzenkohle vs. Erlöse aus der landwirtschaftlichen

Ertragssteigerung

Seite 32

Ca. + 10 %

Oder doch +25 - + 40 %

• Durchschnittliche Umsatzerlöse: 2000,00 €/ha (Fricke, LWK) • Vs. Aktuelle Preise für Pflanzenkohle von 500,00 €/t (PYREG) bei konservativer Kalkulation von 350,00 €/t • Hohe Erlöse (bis 1/3) sind aus dem Verkauf von Wärmeenergie zu erzielen (in dezentraler Lage?)

Dioxine wurden durch Pyrolyse zerstört

PK aus Grünland weist Parameter für hohe Stabilität auf

Bodenatmung wird durch Pflanzenkohle verbessert

Pflanzenwachstum/-ertrag wird durch niedrige (100g/m2) Pflanzenkohle-Applikationen

mit Wirtschaftsdüngern erhöht

Pflanzenkohle kann den Wasserhaushalt positiv beeinflussen

(Kein kritischer Austrag von Nährstoffen und SM)

Optimierungdbedarf bei der Biomassezuführung

Pflanzenkohle kann eine Nutzungsalternative für die Auenvegetation darstellen

Business-Case bis dato nicht identifiziert

6. FAZIT

Seite 33

• Langfristige Wirkung der PKS-Substrate auf Böden

• Langfristige Wirkung der PKS-Substrate auf andere Früchte und Fruchtfolgen

• Großmaßstäbige Versuche, Freiland

• Aufklärung der Nährstoffbindungs- und Freisetzungsprozesse

• Weitere Versuche mit pellettiertem Heu

• PAK-Vermeidung beim Herstellungsprozess

• Zukünftige Berücksichtigung des CO2-Zertifikate-Handels

• Überzeugungsarbeit……………….es gibt weiterhin viel zu tun!

6. AUSBLICK

Seite 34

Seite 35

Projektleitung Prof. Dr. Brigitte Urban brigitte.urban@leuphana.de

Wissenschaftliche Mitarbeiter Dipl. Biol. Frank Krüger frank.krueger@inkubator.leuphana.de

M.Sc. Biol. Caroline Thiem caroline.thiem@inkubator.leuphana.de

M.Sc. Geogr. Sabrina Wolski sabrina.wolski@inkubator.leuphana.de

Leuphana Universität Lüneburg

Institut für Ökologie, C13.116

Scharnhorststraße 1

21335 Lüneburg

www.leuphana.de/inkubator-pflanzenkohle

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Seite 36 17.09.2014 Aktivierte Pflanzenkohle aus Elbauen · Leuphana Universität Lüneburg · Caroline Thiem

© Artlenburger Deichverband

Auflaufendes Hochwasser im Elbvorland zwischen Brackede und Barförde, Landkreis Lüneburg innerhalb des

Biosphärenreservats Niedersächsische Elbtalaue September 2009