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Biokohle «greenCarb» – zu wertvoll als Brennstoff

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Biokohle ist der Holzkohle sehr ähnlich, lässt sich zusätzlich zur Energiegewinnungin der Landwirtschaft  als Bodenverbesserer einsetzen. Biokohle ist aus beliebigen organischen Reststoffen, ja sogar aus Abfall herstellbar. Vom Rohstoffursprung her könnte man sie als «grün» – als «greenCarb» – bezeichnen.

An der Berner Fachhochschule BFH entsteht greenCarb durch Erhitzen der grünen Biomasse, entweder bei Umgebungsdruck durch Pyrolyse oder bei erhöhtem Druck durch die hydrothermale Karbonisierung HTC (Abb.1)

Abb. 1: Thermochemische Verfahren zur Umwandlung von Biomasse. Unten links die von uns angewendeten Verfahren

HTC – die natürliche Inkohlung

Das HTC-Verfahren ist der natürlichen Inkohlung nachgebildet. Dabei wird die feuchte Biomasse bei erhöhten Temperaturen von etwa 200°C und hohen Drücken von über 16 bar in einem wässrigen und sauren Umfeld karbonisiert. Durch die chemische Umwandlung kann man die Biomasse unter Wärmeabgabe dehydrieren, es bildet sich ein wässriger Schlamm von Kohlenstoff. Dabei geht die makromolekulare Struktur der Biomasse verloren. Durch Filtration erfolgt anschliessend die Trennung des Kohlenstoffs vom Schlamm. Dauert der Inkohlungsprozess in der Natur mehrere Millionen Jahre, geschieht er im HTC-Reaktor in wenigen Stunden. Bereits nach vier Stunden bleibt ein humusartiges, nach zwölf Stunden ein braunkohleähnliches Produkt zurück. Das HTC-Verfahren produziert kein Kohlenstoffdioxid, womit sich der Kohlenstoffanteil der Biomasse in greenCarb umwandelt.

Drucklos arbeiten mit Pyrolyse

Unter den zahlreichen weiteren Verfahren zur Veredelung von Biomasse sei die Pyrolyse erwähnt. In diesem drucklosen Verfahren entsteht unter Sauerstoffausschluss und bei über 500°C – also deutlich höher als bei der HTC – ein brennbares Pyrolysegas und als Rückstand die grüne Biokohle. Nachteil der Pyrolyse ist, dass vor dem Prozess eine Trocknung der Biomasse nötig ist.

Biogasherstellung

Die bekannteste Methode zur Gewinnung von dezentraler Energie aus Biomasse ist die Biogasherstellung. Biogas entsteht durch Mikroorganismen bei der Vergärung von organischen Abfällen. Das erzeugte Biogas besteht etwa zu gleichen Teilen aus brennbarem Methan und unerwünschtem Kohlenstoffdioxid CO2. Biogasanlagen stehen häufig in Abwasserreinigungsanlagen und Landwirtschaftsbetrieben im Einsatz. Das Gas wird meist vor Ort in einem Blockheizkraftwerk zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme genutzt. Problematisch ist die Biogasherstellung, wenn für den Prozess Wertstoffe der Nahrungsmittelproduktion verwendet werden.

HTC-Anlagen an der BFH

Das Team am Labor für Verfahrenstechnik entwickelte und baute in mehreren Projekt- und Diplomarbeiten zwei HTC-Anlagen. Ein 5-Liter-Reaktor stellt Rezepturen für die 100-Liter-Pilotanlage bereit (Abb. 2). Die Anlage wird absatzweise betrieben und durch ein Heiz-Kühlaggregat temperiert.

HTC 100-Liter-Pilotanlage

Optimale Kohlenstoffeffizienz

Mit Hilfe der Photosynthese bilden Pflanzen aus Wasser, Nährstoffen und Kohlendioxid neue Biomasse (Abb.3). Im natürlichen Verrotten wandelt sich Biomasse durch Kleinstlebewesen in Humus und das Treibhausgas CO2 um. Lässt man einen Teil des Verrottungsprozesses aus und ersetzt ihn durch das HTC-Verfahren, wird der natürliche Kohlenstoffkreislauf technisch ohne CO2-Bildung geschlossen. Im Gegensatz zu Humus enthält greenCarb annähernd 100% des Kohlenstoffs der Biomasse.

greenCarb – vielseitig anwendbar

greenCarb kommt zum Einsatz als technische Kohle, z.B. in Aktivkohlefiltern, als C-Grundstoff oder als Bodenverbesserer. Gemeinsam mit der Schweizerischen Hochschule für Landwirtschaft (SHL) in Zollikofen untersucht die BFH den Einfluss von greenCarb auf das Pflanzenwachstum. Biokohle hat gute Eigenschaften, wie ihre Porosität oder ihre hohe spezifische Oberfläche. Im Boden eingebracht, speichert sie Wasser und Nährstoffe, gibt sie bei Bedarf ab, reduziert damit den Einsatz von Düngemitteln und der Wasserverbrauch. Versuche mit Chinakohl zeigen verstärktes Pflanzenwachstum. Der mit greenCarb angereicherte Boden profitiert langfristig durch eine bessere und stabilere Bodenbiologie. Werden karge Böden mit greenCarb erneut fruchtbar gemacht, entsteht zusätzliche Biomasse, was zu einer negativen CO2-Bilanz führt. Das HTC-Verfahren lässt sich auch zur Aufbereitung und Entsorgung von verunreinigten Bioabfällen oder zur Gewinnung von Brennstoff einsetzen. Als Energiequelle gehört greenCarb zu den erneuerbaren, CO2-neutralen Energieträgern.

Das HTC-Verfahren bietet die Chance, das Treibhausgas CO2 aus der Umwelt zu entfernen und sicher zu speichern. Karge Böden lassen sich mit greenCarb erneut begrünen, die Überschuss-Biomasse wird anschliessend mit HTC zu greenCarb veredelt und in den Boden zurückgeführt, womit sich der C-Kreislauf schliesst. Das greenCarb-Projekt ist ein Vorzeigebeispiel dafür, wie wir in Europa mit cleverer Technologie Entwicklungs- und Schwellenländern helfen können, praktische Probleme ihres Alltags zu lösen. Dies ist auch eines der Ziele, das sich das Institute for Energy and Mobility Research (IEM) an der BFH auf die Fahne geschrieben hat.

Abb. 3 - links: natürlicher C-Kreislauf; rechts: C-Kreislauf technisch geschlossen