Pflanzenkohle hilft Klima und Boden Boden

Sieht man einmal vom Wasser ab, bestehen Pflanzen etwa zur Hälfte aus Kohlenstoff. Diesen Kohlenstoff nimmt die Pflanze – in Form von CO2 – während ihres Wachstums aus der Atmosphäre auf. Stirbt die Pflanze, wird sie biologisch zersetzt und der aufgenommene Kohlenstoff kehrt in Form von CO2 wieder zurück in die Atmosphäre.

Diesen natürlichen Kreislauf kann man im Sinne des Klimaschutzes unterbrechen, indem man die Biomasse, bevor sie zersetzt wird, in Pflanzenkohle verwandelt. Möglich ist das, indem man sie pyrolysiert, das heißt unter Luftabschluss bei mindestens 400 °C thermisch behandelt. Ein großer Teil des Kohlenstoffs der Pflanze wird durch diese Verkohlung in molekulare Strukturen gebunden, die über viele Jahrhunderte stabil in Böden verbleiben können und nur sehr langsam wieder freigesetzt werden. Experten zufolge können auf diese Weise rund 30 bis 50 Prozent des in den Pflanzen enthaltenen Kohlenstoffs auf lange Zeit der Atmosphäre entzogen werden. Die Fachwelt spricht in diesem Zusammenhang auch von „negativen Emissionen“. Die Verkohlung pflanzlicher Biomassen ist damit eine wirkungsvolle und vor allem bereits umsetzbare Methode, um den menschgemachten Klimawandel nicht bloß zu mindern, sondern sogar rückgängig zu machen.

Die Reduzierung von Treibhausgasen ist ein Aspekt, der für Pflanzenkohle spricht. Daneben gibt es aber noch zahlreiche andere. Denn Pflanzenkohle hat auch bodenverbessernde Eigenschaften und gilt darüber hinaus als außerordentlich guter Wasser- und Nährstoffspeicher. Diese positiven Eigenschaften der Pflanzenkohle auf den Boden und das Pflanzenwachstum waren bereits den Ureinwohnern Südamerikas bekannt. Sie brachten schon vor rund 4.000 Jahren pflanzliche Verkohlungsrückstände zusammen mit Asche, Biomasse, Küchenabfällen, Fäkalien und Tonscherben auf ihre Felder aus. Über Jahrhunderte entstand daraus im Amazonas-Gebiet eine tiefschwarze und sehr fruchtbare Erde – die Terra Preta.

Das Wissen über die Terra Preta und die damit im Zusammenhang stehende Pflanzenkohle geriet lange Zeit in Vergessenheit. Erst die Erfordernisse durch den Klimawandel haben das Potenzial der Pflanzenkohle vor etwa zehn Jahren wieder stärker in den Fokus gerückt.

Einer aktuellen Studie des Schweizer Forschungsinstituts Agroscope zufolge gibt es heute rund 14.800 wissenschaftliche Einzelveröffentlichungen zum Thema Pflanzenkohle. Hinzu kommen zahlreiche Meta-Analysen. Meta-Analysen sind Studien, in denen wissenschaftliche Einzelstudien zu bestimmten Themen zusammengefasst und vergleichend analysiert werden. In ihrer aktuellen Studie haben die Schweizer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Stand der neuesten 30 Meta-Analysen aus den Jahren seit 2015 zusammengefasst und bewertet. Darin sind verschiedenste Böden, Klimazonen und Landwirtschaftssysteme berücksichtigt. Aus Sicht der Autorinnen und Autoren bietet diese große Anzahl an untersuchten Studien und Datensätzen eine sehr belastbare Grundlage.

Das Ergebnis der Schweizer Auswertung: In allen betrachteten Meta-Analysen wurde „für sämtliche untersuchten Parameter eine im Durchschnitt positive Auswirkung von Pflanzenkohle festgestellt“. Die wichtigsten Eigenschaften auf Landwirtschaft und Ökologie sind im Folgenden zusammengefasst:

Pflanzenkohle…

• stimuliert das Wurzelwachstum,
• unterstützt den Humusaufbau,
• lockert feste Böden auf,
• erhöht die Wasserspeicherfähigkeit trockener und sandiger Böden,
• erhöht die Pflanzenverfügbarkeit von Phosphor und mineralischem Stickstoff im Boden,
• minimiert die Verfügbarkeit von Schwermetallen im Boden,
• verringert Lachgas-Emissionen und Nitratauswaschung und
• speichert langfristig Kohlenstoff.

Ein weiteres Fazit der Schweizer Auswertung ist, dass die Anwendung von Pflanzenkohle im Durchschnitt aller ausgewerteten Meta-Analysen zu Ertragssteigerungen führt – wenn sie zuvor mit Nährstoffen beladen wird. Durch das große Porenvolumen ist Pflanzenkohle ein exzellenter Nährstoffspeicher, sowohl für organische (Jauche, Gülle, Kompostextrakte) als auch für synthetische und mineralische Dünger. Die Beladung mit gelösten organischen Düngern habe in einer Reihe von Versuchen sogar bessere Wachstumserfolge ergeben, als die Beladung mit mineralischen Nährstoffen, so die Schweizer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.

Die Kombination und damit deutliche Effizienzsteigerung von organischen Düngern mit Pflanzenkohle sei eine vielversprechende Perspektive insbesondere für die biologische Landwirtschaft. Zudem seien Kombinationen von organischen und synthetisch-mineralischen Düngern möglich. Dadurch könne insgesamt eine gleiche oder höhere Düngemitteleffizienz erzielt werden. Gleichzeitig könne die eingesetzte Menge an synthetischen Düngern reduziert und damit negative Umweltauswirkungen vermindert werden.

In Bezug auf die Höhe einer möglichen Ertragssteigerung verweisen die Schweizer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vor allem auf zwei Meta-Analysen aus dem Jahr 2020. Diese haben ergeben, dass über eine pflanzenkohle-basierte Düngung unabhängig von der Klimazone durchschnittliche Ertragssteigerungen von 15 beziehungsweise 21 Prozent erreicht werden.

Expertinnen und Experten weisen allerdings darauf hin, dass das Ertragssteigerungspotenzial hierzulande aufgrund der zum Teil sehr guten Böden und der sehr intensiven Bewirtschaftung insgesamt deutlich geringer einzustufen sei als in anderen, vor allem tropischen Regionen.

Pflanzenkohle entsteht durch ein Verfahren, das man Pyrolyse nennt. Dabei wird die Biomasse bei hohen Temperaturen, in der Regel zwischen 400 und 750 °C, seltener bis 900 °C, und unter weitgehendem Ausschluss von Sauerstoff thermisch behandelt. In großem Maßstab geschieht das heute in industriellen Großanlagen. Bei der Pyrolyse entstehen zwei Nebenprodukte: das Pyrolyseöl und das Pyrolysegas. Beide werden in den meisten Anlagen durch Verbrennung energetisch verwertet

Für den Kohlenstoffgehalt der Pflanzenkohle ist vor allem das Ausgangsmaterial von Bedeutung: Während Pflanzenkohlen aus holzigem Ausgangsmaterial mit 70 bis 90 Prozent eine hohen Kohlenstoffgehalt aufweisen, liegt dieser bei Pflanzenkohlen aus Stroh, Laub oder Getreidespelzen etwas niedriger bei 40 bis 60 Prozent.

Wie die Pflanzenkohle im Weiteren zusammengesetzt ist, hängt sehr stark mit der Pyrolyseintensität zusammen. Je höher die Temperatur und Verweilzeit in der Brennkammer, desto niedriger sind am Ende die Gehalte an Stickstoff und Schwefel. Alle weiteren Mineralstoffe der ursprünglichen Biomasse, einschließlich der Nährstoffe Kalium und Magnesium bleiben jedoch nahezu vollständig in der Pflanzenkohle erhalten. Bei Phosphor sinkt mit steigender Pyrolysetemperatur allerdings die Pflanzenverfügbarkeit.

Enthält die Biomasse organische Schadstoffe oder Verunreinigungen wie Antibiotika, Viren oder Pflanzenschutzmittel, werden diese durch Pyrolyse bei hinreichender Intensität zerstört oder in die Gasphase ausgetrieben, sodass sie in geeigneten Anlagen anschließend verbrannt werden können.

Die Qualität der Rohstoffe ist neben den Prozessparametern der Kohleherstellung entscheidend für die Kohlequalität. Daher müssen die Ausgangsmaterialien und die Pflanzenkohleprodukte streng kontrolliert werden, insbesondere auf Schadstoffe. Im Sinne der Nachhaltigkeit ist zudem darauf zu achten, dass die Rohstoffe aus der näheren Umgebung und einer nachhaltigen Produktion stammen. Um die sich daraus ergebenden Anforderungen zu gewährleisten, gibt es das Europäische Pflanzenkohle Zertifikat (EBC, European Biochar Certificate). Das EBC ist ein freiwillig anzuwendender Industriestandard in Europa, der qualitativ hochwertige Pflanzenkohlen gewährleisten soll.

In Deutschland ist die Anwendung von Pflanzenkohle in der Landwirtschaft derzeit noch durch die Düngemittelverordnung beschränkt. Sie lässt aktuell nur Holzkohlen mit einem Kohlenstoffanteil von 80 Prozent aus chemisch unbehandeltem Holz zu. Pflanzenkohlen aus alternativen Biomassen wie Ernteresten sind hierzulande bislang nicht erlaubt – obwohl aus Gründen des Klimaschutzes und auch pflanzenbaulich vieles dafürsprechen würde.

Die Europäische Union ist hier einen Schritt weiter: So hat die EU-Kommission Pflanzenkohle inzwischen in ihrem aktuellen Entwurf zur neuen EU-Düngemittelverordnung aufgenommen und die Positivliste für Ausgangsstoffe zur Produktion von Pflanzenkohle stark erweitert. Danach dürfen auch landwirtschaftliche und kommunale Stoffnebenströme sowie solche aus der Lebensmittelverarbeitung dafür herangezogen werden. Über den Kommissionsentwurf wird jedoch noch beraten. Inkrafttreten sollen die neuen EU-Vorschriften ab Mitte 2022.

Pflanzenkohle ist ein vielfältiges Material, dass in zahlreichen Anwendungen, Produkten und Materialien zur Anwendung kommen kann. In der Landwirtschaft wird sie in den Ländern, wo es rechtlich schon zulässig ist, unter anderem als Zusatz zur Herstellung von hochwertigen Komposten, als Trägerstoff für Düngemittel, zur Güllebehandlung sowie in der Tierhaltung als Futtermittelzusatz und Stalleinstreu verwendet. Daneben ist sie zunehmend Bestandteil von Pflanzsubstraten, zum Beispiel für kommunale Bäume und Grünflächen oder Privatgärten. Um Pflanzenkohle im eigenen Garten einzusetzen sind in Deutschland schon zahlreiche Pflanzenkohleprodukte im Handel verfügbar.

Pflanzenkohle erfüllt ihre Funktion als Kohlenstoff-, Nährstoff- und Wasserspeicher sowie ihr Potenzial zur Förderung der biologischen Aktivität am besten im Wurzelbereich von Pflanzen. Sie sollte daher nach Möglichkeit wurzelnah in den Boden eingearbeitet werden. Würde sie nur oberflächlich ausgebracht und nicht eingearbeitet, könnte sie austrocknen und verweht werden. Dies würde außerdem dazu führen, dass Nährstoffe von der Pflanzenkohle an der Bodenoberfläche gebunden würden und somit nicht direkt pflanzenverfügbar wären.

Um ihre positiven Eigenschaften für Boden und Pflanzen zur Wirkung zu bringen, muss Pflanzenkohle fachgerecht eingesetzt werden. Die Qualität der Ausgangsmaterialien spielt eine entscheidende Rolle, damit sich keine Schadstoffe im Boden anreichern. Außerdem ist darauf zu achten, dass eingesetzte Pflanzenkohleprodukte zunächst unbedingt mit Nährstoffen „aufgeladen“ werden müssen. Denn wird Pflanzenkohle unbehandelt in den Boden eingebracht, würde sie Nährstoffe und Wasser aus dem Boden aufnehmen und fixieren und könnte somit das Pflanzenwachstum hemmen.

Die momentan vielversprechendste Möglichkeit, Pflanzenkohle vor ihrer letztlichen Funktion als Bodenverbesserer wirtschaftlich und ökologisch nutzbringend zu verwenden, ist die Kaskadennutzung über die Tierhaltung. Beginnen könnte ein solcher Kaskaden-Prozess zum Beispiel, indem Pflanzenkohle der Silage beigemischt wird und auf diese Weise die Futterqualität verbessert. Untersuchungen zeigen, dass Pflanzenkohle nicht nur die Futteraufnahme der Tiere verbessert, sondern auch für einen verbesserten Verdauungsprozess sorgt. Über die Ausscheidungen der Tiere gelangt die Pflanzenkohle schließlich als hochwertiger Düngemittelträger und Bodenverbesserer auf den Acker.

Eine weitere Möglichkeit der Kaskadennutzung ist, die Pflanzenkohle der Stalleinstreu zuzusetzen. Dort bindet sie flüssige Nährstoffe und mindert die Ammoniakbildung. Auch die Geruchsbelastung im Stall wird dadurch verringert.

Das Angebot an Pflanzenkohle ist derzeit noch sehr klein und die Preise recht hoch. Schaut man sich die aktuelle (Juni 2020) Angebotssituation an, findet man Preise zwischen 400 und 500 Euro pro Tonne Pflanzenkohle. Der Preis für Futterkohle liegt noch darüber. „Der Markt für Pflanzenkohle befindet sich gerade in der Etablierungsphase“ sagt Leopold Steinbeis vom Fachverband Pflanzenkohle (FVPK). „Die Preise schwanken derzeit enorm und sind vor allem abhängig von den Herstellungskosten und der Qualität der Pflanzenkohle. Futterkohle hat hier die höchste Qualität.“ Die Wirtschaftlichkeit für die Produktion und den Einsatz von Pflanzenkohle sei von Fall zu Fall unterschiedlich. „Wenn die entsprechenden Parameter stimmen“, so Steinbeis, „dann lässt sich Pflanzenkohle auch wirtschaftlich produzieren und einsetzen.“

In der Regel rechne sich die Pflanzenkohle-Herstellung dann, wenn man biogene Reststoffströme anzapfen könne, für die es keine Konkurrenz-Verwendung gebe oder die andernfalls sogar kostspielig entsorgt werden müssten, sagt Steinbeis. Die Produkte der Pyrolyse seien vor allem Pflanzenkohle und Wärme. „Wenn man für die entstehende Wärme Abnehmer findet oder mit der Pyrolyse sogar Strom erzeugen kann, dann ist ein wichtiger Baustein für die Wirtschaftlichkeit gegeben.“ Nicht zuletzt hänge es aber auch davon ab, ob man in der Lage sei, die Pflanzenkohle mit entsprechender Qualität zu erzeugen und gewinnbringend zu verkaufen. Hierbei ist es unerlässlich, sich ein eigenes Netzwerk aufzubauen“, so Steinbeis weiter. Alternativ könne man die Pyrolyseprodukte und die Wärme selber nutzen und spare damit Kosten oder steigere die Erträge.

Auch der Verkauf von Klimazertifikaten ist eine Möglichkeit, um die Wirtschaftlichkeit der Pflanzenkohle zu steigern. „Die Preise für Pflanzenkohle-Zertifikate sind deutlich höher als bei anderen CO2-Zertifikaten, was nicht zuletzt daran liegt, dass es sich hierbei um echte Senken-Zertifikate handelt“, sagt Steinbeis. Der große Vorteil von Pflanzenkohlen-Senken-Zertifikaten sei die hohe Zuverlässigkeit. „Ein Wald kann zum Beispiel durch Waldbrand unabsichtlich vernichtet werden, ein Moor austrocknen und Humus kann abgebaut werden, wodurch der gebundene Kohlenstoff doch wieder in der Atmosphäre landet. Pflanzenkohle bleibt jedoch stabil, egal was man damit macht, solange man sie nicht verbrennt“.

Zukünftig sei zu erwarten, dass durch weitere Technologieentwicklungen und die potenzielle Verwendung alternativer Reststoffströme, die Produktionskosten von Pflanzenkohle weiter sinken und somit die Bilanz weiter verbessert wird.

Letzte Aktualisierung 25.06.2021