Pflanzen- bzw. Biokohlen könnten für die Landwirtschaft in Zukunft eine große Bedeutung haben: Einerseits als zertifizierte CO₂-Senke, mit der sich Zusatzerträge erzielen lassen und als Bodenverbesserer, um einen Teil konventionellen Düngers zu ersetzen. Welche Vorteile dabei für die Landwirtschaft entstehen, erforschen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des Forschungsinstituts Fraunhofer UMSICHT in zwei Forschungsprojekten. Dr. Sophie Schönfeld gibt Einblicke in die Forschung.

Biobasierte, nährstoffreiche Düngemittel aus Gülle und Mist

Mehr als 90 % der von den Viehzuchtbetrieben in der EU produzierten Gülle wird für die Bodendüngung verwendet. Dieser Prozess ist häufig ineffizient, da die Nährstoffe nicht gezielt ausgebracht und so im Kreislauf gehalten werden können.

Im EU-Projekt FERTIMANURE wurden unter Berücksichtigung der Nährstoffungleichgewichte in europäischen Regionen Nährstoffe unter anderem aus Rinderdung, Schweinegülle und Hühnerkot recycelt und daraus biobasierte Düngemittel hergestellt. Damit soll ein abfallfreies Güllemanagement für den EU-Viehzuchtsektor entwickelt und die großen Mengen an nährstoffreicher Rest-Biomasse genutzt werden - letzteres vor allem in Regionen mit intensiver Landwirtschaft. Dadurch können Düngemittel aus Gülle und Mist mit guten Ertragseigenschaften produziert und die darin enthaltenen Nährstoffe im Kreislauf gehalten werden. In der deutschen Pilotanlage steht, neben der Produktion einer phosphor- und kaliumhaltigen Biokohle und dem NP-Dünger Monoammoniumphosphat, vor allem die Phosphor- und Ammoniakrückgewinnung im Fokus.

Im Rahmen des deutschen Teilprojekts werden eine Reihe von Technologien von der Vorbehandlung des Dungs über die thermo-chemische Umwandlung bis hin zur endgültigen Düngerproduktion kombiniert und weiterentwickelt. Kernstück des Umwandlungsprozesses ist die am Fraunhofer UMSICHT entwickelte Technologie des sogenannten thermo-katalytischen Reformings (TCR® Verfahren), einer speziellen Form der Pyrolyse.

Pflanzenkohle mit hoher Qualität

Im Projekt FERTIMANURE produziert man aus Rinderdung durch das Verfahren ein Gas für die Gewinnung des Ammoniumphosphats, eine phosphor- und kaliumreiche Biokohle und ein Öl, woraus Energieträger hergestellt werden können (wie z.B. Kraftstoff).

Durch die pyrolysebasierte Technologie mit einem nachgeschalteten Reformingschritt erhält man Karbonisate, häufig bezeichnet als Pflanzen- oder Biokohlen, mit hoher Qualität. Durch den Reformingschritt wird zum einen die Qualität von Öl und Gas erhöht, wodurch eine gezielte Rückgewinnung von Ammoniak aus dem Gas möglich wird. Zum anderen weist die so erzeugte Biokohle besonders niedrige Schadstoffgehalte auf, welche alle unter den Grenzwerten des Europäischen Biokohlezertifikats liegen. Zusätzlich weisen die durch das TCR-Verfahren erhaltenen Karbonisate niedrige Wasserstoff-zu-Kohlenstoff- und Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisse auf. Dies ist ein Indikator für eine besonders hohe Stabilität des in der Biokohle enthaltenen Kohlenstoffs.

Am Institutsteil Sulzbach-Rosenberg befinden sich verschiedene Pyrolyseanlagen für die Konversion von Biomassen vom Labor- bis in den großtechnischen Maßstab, beispielsweise mit einem Durchsatz von 2, 10, 30 und 500 kg pro Stunde. Dadurch können in Versuchskampagnen sowohl kleine als auch große Mengen an Einsatzstoff verarbeitet und entsprechende Mengen an Pflanzenkohle erzeugt werden.

Biokohle: gleicher Ertrag wie synthetische Volldüngung

Der Projektversuch zeigt, dass die Bodenanwendung der Biokohle den gleichen Ertrag liefert, wie eine synthetische Volldüngung. Im Rahmen der Studie konnte auch festgestellt werden, dass die Aufnahme von Stickstoff und Phosphor aus den biobasierten Düngemitteln ebenso effizient, wie die aus der vollsynthetischen Düngung ist. Eine Besonderheit stellt bei dem so erhaltenen biobasierten Produkt der enthaltene Kohlenstoff dar, welcher aktiv zu einer Verbesserung des Bodens beitragen und gleichzeitig eine Kohlenstoffsenke schaffen kann.

Wissenschaftlerin Dr. Sophie Schönfeld sagt: „Häufig wird der Einsatz von Biokohle aus Reststoffen kontrovers diskutiert, da man keine potentiell gefährlichen Stoffe auf die Felder bringen will. Wir konnten durch die intensive Analyse unserer Produkte nachweisen, dass durch das Verfahren eine hochwertige Biokohle, welche alle Grenzwerte einhält und zusätzlich noch düngende Eigenschaften aufweist, erzeugt wurde “.

Feldversuche: Bodenverbesserung durch Biokohle

Zudem erforschte Fraunhofer UMSICHT im Projekt Interpyro den Einsatz der Pflanzenkohle, die aus dem TCR®-Verfahren gewonnen wird, im Feldversuch. In diesem Projekt verbinden sich Kreislaufwirtschaft und nachhaltige Wertschöpfung mit Klimaschutz. Die zusätzlich entstehenden Produkte wie Gas und Öl, können als Energiequelle genutzt werden. Im Rahmen des Projekts wurden drei Pflanzenkohleversuchsfelder eröffnet, darunter eine Testfläche am Ginsterweg in Wolmirstedt. Die 30x3m große Anbaufläche wurde in Kapuzinerkresse, Petersilie, Lavendel, Geranium, Johannisbeersträucher, Apfelbäumchen, Zucchini und Kürbispflanzen aufgeteilt. Ein Bereich erhielt vor der Bepflanzung TCR® Pflanzenkohle mit Rindermist, ein zweiter Rindermist allein und der dritte blieb unbehandelt. In Bernburg-Strenzfeld erfolgte ein ähnliches Vorgehen. Nach drei Monaten zeigten sich Unterschiede: Die beladene Pflanzenkohle verbesserte den Humusgehalt um 7,4 %, das Wasserspeichervermögen um 6,1 % und das Nährstoffspeichervermögen um 11 % im Vergleich zur Kontrollfläche.

Weichensteller für die Produktion biobasierter Düngemittel

Die Forschungsergebnisse der beiden Projekte zeigen deutlich, dass der Einsatz des TCR®-Verfahrens zur Produktion biobasierter Düngemittel ein großes Potenzial hat. Gerade in Regionen mit einer Überproduktion an Gülle und Mist können mit dem Verfahren die Nährstoffe Stickstoff, Kalium und Phosphor durch die Produktion der lagerfähigen, biobasierten Düngemittel gezielt und bedarfsgerecht eingesetzt und so im Nährstoffkreislauf gehalten werden. Im Projekt Interpyro konnte gezeigt werden, dass auch andere Reststoffe durch die Verarbeitung mit dem TCR-Verfahren aufgewertet werden können. So konnten - neben der Gewinnung von Energie - auch hochwertige Karbonisate/Pflanzenkohlen erzeugt werden. Der Einsatz dieser Kohlen in der Landwirtschaft, stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Ertragssteigerung landwirtschaftlicher Erzeugung unter Trockenstressbedingungen dar.

Informationen zur Autorin:

Dr. rer. nat. Sophie Schönfeld

Telefon +49 9661 8155-620

Mail: sophie.schoenfeld@umsicht.fraunhofer.de