PyCCS

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Schematische Darstellung flächenneutralen PyCCS durch pflanzenkohleinduzierte Ertragssteigerung (nach Werner et al. 2022[1])

PyCCS (englisch: pyrogenic carbon capture and storage, deutsch: pyrolytische bzw. pyrogene Kohlenstoffabscheidung und -speicherung) ist eine Form der CO2-Abscheidung und -Speicherung durch Pyrolyse von Biomasse („Verkohlung“).

Diskussion der Theorie

Primärbrennkammer einer experimentellen Pyrolyseanlage (Botanischer Garten Berlin 2022, Projekt Terra BoGa 2007-2014[2])
Anhäufung feiner, verkohlter Holzspäne
Pflanzenkohle (engl. biochar) als eines der Endprodukte von PyCCS

Pyrolyse ist die thermische Behandlung von Biomasse bei 350 bis 900 °C in einer sauerstoffarmen Atmosphäre. Während dieses Prozesses entstehen drei kohlenstoffhaltige Erzeugnisse, sogenannte Biomassekarbonisate[3], die anschließend zur Erzeugung negativer Emissionen auf unterschiedliche Weise gespeichert werden können: Eine feste Biokohle (gelegentlich Pyrochar genannt, pyrogener Kohlenstoff), eine pyrolytische Flüssigkeit (Kreosot, welche allerdings auch krebserregende Substanzen enthalten kann) und ein Pyrolysegas (dominiert von den brennbaren Gasen CO, H2 und CH4), das nach der Verbrennung als CO2 in geologische Speicher verbracht werden könnte.[4]

Aktuelle Anlagen können bis zu 70 Prozent des in den Prozess eingebrachten Kohlenstoffs speichern (davon 20 bis 60 Prozent in Form von Biokohle).[5] Prozesstemperaturen über 500 °C resultieren dabei in der Pflanzenkohle mit dem längsten CO2-Bindungspotential.[6] In niedrigeren Temperaturbereichen können die Ausbeute und die Kohlenstoffeinlagerung der Pflanzenkohle durch Zugabe von Asche gesteigert werden.[7]

In Anbetracht der Knappheit der sinnvoll einzusetzenden Biomasse für die Verkohlung[8] besteht bei einer breiten Anwendung – und womöglichen Förderung – der Pyrolyse das Risiko, dass wertvolle Holzbestände oder gar kontaminierte verschwelbare Abfälle dabei eingesetzt werden. Der BUND empfahl daher verstärkte Qualitätssicherung und ein Verzicht auf allein zur CO2-Sequestrierung ausgewiesenen Biomasseanbaus zugunsten in lokaler Stoffströme eingebundenes PyCCS.[9]

Anwendbarkeit

Im Gegensatz zu anderen Verfahren der CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) und der Bioenergie mit CO2-Abscheidung und -Speicherung (BECCS) ist PyCCS auch in kleinem Maßstab und bereits kurzfristig anwendbar[4], sowie „integraler Bestandteil des Klimaschutzes“.[10] Die Ausgangstechnologie wird als „etabliert“ bewertet und bei ausreichenden Anreizen eine globale Verbreitung der Technologie innerhalb von zehn bis dreißig Jahren angenommen (Stand: 2018).[11][5] Die DENA attestiert PyCCS Potenzial und weiterhin hohen Forschungsbedarf.[12] Zur Abwägung der zahlreichen Standortfaktoren und Prozessparameter von PyCCS wird der Einsatz von Machine Learning diskutiert.[13]

Hersteller und Marktsituation

Weltweit existieren einige wenige Hersteller von PyCCS-Anlagen, die auf verschiedene Ausbeuteverhältnisse optimiert sind. Daneben existieren diverse Selbstbauexperimente, bspw. von Landwirten. Syncraft (Österreich) ist auf Pyrolysegas zur Wärmegewinnung,[14] Biomacon und Pyreg (beide Deutschland) auf Pflanzenkohle[15] spezialisiert. Die Carbonauten (Deutschland) gedenken PyCCS-Erzeugnisse als Bau- und Werkstoffe zu nutzen.[16] Die MIT-Ausgründung Takachar (Indien) und Pyrotech Energy (Australien) bieten mobile Systeme auf Anhängern an.[17][18] Einzelne erwägen die Zusammenführung mit dem Anbau von Nutzhanf.[19]

Die Kapazitäten bisheriger Pyrolyseanlagen und -Hersteller[20] sind trotz hoher Wachstumszahlen von 60 bis 90 Prozent pro Jahr[21] begrenzt, sodass Anreize zur Breitenwirksamkeit der Technologie empfohlen werden.[10] Daniel Kray (Hochschule Offenburg) empfiehlt zur Marktreifung eine verstärkte industrielle Kooperation und Schritte zur koordinierten Beobachtung der Technologie.[21] Eine einfache Anlage für den Betrieb mit Lignocellulose zur Herstellung von Pflanzenkohle ist rudimentär als Open-Source-Hardware dokumentiert.[22][23]

Wirtschaftlichkeit

Kostenschätzungen für eine idealtypische PyCCS-Anwendung gingen 2015/2016 von 150–165 US-$ (ca. 130–145 €) Kosten pro Tonne CO2 aus.[24] Neuere Studien weisen gar niedrigere Beträge aus.[25] Die Einführung einer CO2-Bepreisung, die diese Kosten übersteigt, könnte die PyCCS-Anwendung für Unternehmen wirtschaftlich attraktiv machen. Voraussetzung wäre somit die Internalisierung der externen Kosten des CO2-Ausstoßes, etwa durch eine CO2-Steuer. Das deutsche Umweltbundesamt (UBA) empfiehlt für im Jahr 2016 emittierte Treibhausgase, die Klimakosten mit 180 Euro pro Tonne Kohlendioxidäquivalent anzusetzen.[26]

Die Technologie eignet sich besonders zur regionalen Wertschöpfung[27], der Kaskadennutzung von Biomasseprodukten[28] und Cradle-to-Cradle. Für positive Nebeneffekte (Co-Benefits) sollte idealerweise eine Nutzung aller Endprodukte (Pflanzenkohle, Pyrolyseöl/-gas, Abwärme) und kontinuierlicher Betrieb sichergestellt werden.[25][29]

Ökologisches Potential

Potentielle Umwelt- und Ernährungspotentiale durch flächenneutrales LCN-PyCCS[1]
Kohlenstoffbindung Anteil an notwendigen Negativemissionen Steigerung globaler Nährstoffproduktion Renaturierungsfläche
0,44–2,62 Gt CO2/Jahr (bis 2100: 33–201 Gt CO2) 6–35 % 2–16 % 1 Mio. km² (vgl. 6,9 % der weltweiten Ackerfläche)

Mit einem umweltverträglichen Kohlstoffbindungspotential in Höhe von 1,8 Milliarden Tonnen CO2-Äquivalenten jährlich wird der mögliche Beitrag von PyCCS zum Klimaschutz ohne Gefährdung lokaler Biodiversität als „substantiell“ eingeschätzt.[30] Der Hallenser Bodenbiogeochemiker Bruno Glaser schätzte 2019, dass durch mittels Pyrolyse gewonnene Terra preta (portug.: schwarze Erde) zehn Prozent der gesamten CO2-Emissionen in Europa vermieden werden können.[31] Laut des Interessen- und Fachverbandes European Biochar Industry (EBI) könnte PyCCS alle der bis 2050 verbleibenden Treibhausgasemissionen kompensieren, sofern gegenwärtige Emissionsreduktionsziele eingehalten werden.[32]

Insbesondere in Regionen mit wenig fruchtbaren Böden kann PyCCS durch die mittelfristige Verbesserung der Bodenqualität einen deutlich größeren Beitrag zum Klimaschutzbeitrag leisten als klassische Biomasseheizkraftwerke, doch auch in fruchtbaren Regionen kann PyCCS Vorteile bieten.[30] Im Gegensatz zu anderen Negativemissionstechnologien mit Biomasse kann die lokale Wiedereinbringung der Pflanzenkohle in die Böden Folgeerträge von für Nahrungsmittel genutzte Flächen steigern. Damit ermöglicht PyCCS eine „flächenneutrale“ Kohlenstoffbindung ohne Einbußen zuungunsten der Ernährungssicherheit.[1]

Durch die großflächige und unüberlegte Anwendung von PyCCS können Belastungen von Wasserkreisläufen auftreten, die nur zum Teil durch Wassermanagement und Vorteile von PyCCS und Pflanzenkohle für die Bodenkultivierung ausgeglichen werden können. Im Bereich Forschende plädieren deshalb für eine beschleunigte Emissionsreduktion, um den ökologischen Druck so gering wie möglich zu halten.[33]

Qualitätssicherung

Um wirtschaftlichen und ökologischen Nutzen als tatsächliche Kohlenstoffsenke zu bemessen, kann das Europäische Pflanzenkohle-Zertifikat (EBC) verwendet werden: Hierzu bedarf es der klimaneutralen Gewinnung der Biomasse und dem Abzug der bei der Pyrolyse, dem An- und Abtransport sowie der Weiterverarbeitung anfallenden Emissionen. Ebenso ist der (langfristige) Zerfall der Pflanzenkohle zu berücksichtigen.[5]

Siehe auch

Literatur

Referenzen

  1. ↑ a b c C. Werner, W. Lucht, D. Gerten, C. Kammann: Potential of Land‐Neutral Negative Emissions Through Biochar Sequestration. In: Earth's Future. Band 10, Nr. 7, Juli 2022, ISSN 2328-4277, doi:10.1029/2021EF002583 (wiley.com [abgerufen am 28. Juli 2022]).
  2. ↑ Konstantin Terytze, Robert Wagner, René Schatten, Kathrin Rößler, Nadine König et al.: Endbericht zum Forschungsvorhaben „Schließung von Kreisläufen durch Energie- und Stoffstrommanagement bei Nutzung der Terra-Preta-Technologie im Botanischen Garten im Hinblick auf Ressourceneffizienz und Klimaschutz – Modellprojekt Urban farming“ (TerraBoGa). Freie Universität Berlin, November 2015 (fu-berlin.de [PDF]).
  3. ↑ Peter Quicker, Kathrin Weber: Biokohle. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2016, ISBN 978-3-658-03688-1, doi:10.1007/978-3-658-03689-8 (springer.com [abgerufen am 14. Juni 2022]).
  4. ↑ a b Constanze Werner u. a.: Biogeochemical potential of biomass pyrolysis systems for limiting global warming to 1.5 °C. 2018, Environmental Research Letters, 13(4), 044036. doi:10.1088/1748-9326/aabb0e.
  5. ↑ a b c Hansjörg Lerchenmüller: CO2 raus – Pflanzenkohle rein! In: Wald.Holz.Energie. Kohlenstoffsenke Holzwirtschaft. Österreichischer Biomasse-Verband, Dezember 2021, S. 64–74 (igwaldviertel.at [PDF]).
  6. ↑ James A. Ippolito, Liqiang Cui, Claudia Kammann, Nicole Wrage-Mönnig, Jose M. Estavillo: Feedstock choice, pyrolysis temperature and type influence biochar characteristics: a comprehensive meta-data analysis review. In: Biochar. Band 2, Nr. 4, Dezember 2020, ISSN 2524-7972, S. 421–438, doi:10.1007/s42773-020-00067-x (springer.com [abgerufen am 14. Juni 2022]).
  7. ↑ Jannis Grafmüller, Alexandra Böhm, Yiling Zhuang, Stephanie Spahr, Pascale Müller: Wood Ash as an Additive in Biomass Pyrolysis: Effects on Biochar Yield, Properties, and Agricultural Performance. In: ACS Sustainable Chemistry & Engineering. Band 10, Nr. 8, 28. Februar 2022, ISSN 2168-0485, S. 2720–2729, doi:10.1021/acssuschemeng.1c07694 (acs.org [abgerufen am 14. Juni 2022]).
  8. ↑ Teichmann: Klimaschutz durch Biokohle in der deutschen Landwirtschaft: Potentiale und Kosten. (PDF) Abgerufen am 19. Februar 2020.
  9. ↑ BUND: Terra Preta / Pyrolysekohle: BUND-Einschätzung ihrer Umweltrelevanz. Abgerufen am 19. Februar 2020.
  10. ↑ a b Jan C Minx, William F Lamb, Max W Callaghan, Sabine Fuss, Jérôme Hilaire: Negative emissions—Part 1: Research landscape and synthesis. In: Environmental Research Letters. Band 13, Nr. 6, 1. Juni 2018, ISSN 1748-9326, S. 063001, doi:10.1088/1748-9326/aabf9b (iop.org [abgerufen am 14. Juni 2022]).
  11. ↑ Hans-Peter Schmidt, Andrés Anca-Couce, Nikolas Hagemann, Constanze Werner, Dieter Gerten: Pyrogenic carbon capture and storage. In: GCB Bioenergy. Band 11, Nr. 4, April 2019, S. 573–591, doi:10.1111/gcbb.12553 (wiley.com [abgerufen am 10. Juni 2022]).
  12. ↑ dena-Leitstudie Aufbruch Klimaneutralität. Eine gesamtgesellschaftliche Aufgabe. Abschlussbericht. Deutsche Energie-Agentur GmbH, Berlin Oktober 2021, S. 216 (dena.de [PDF; abgerufen am 14. Juni 2022]).
  13. ↑ Surojit Gupta, Lan Li: The Potential of Machine Learning for Enhancing CO2 Sequestration, Storage, Transportation, and Utilization-based Processes: A Brief Perspective. In: JOM. Band 74, Nr. 2, Februar 2022, ISSN 1047-4838, S. 414–428, doi:10.1007/s11837-021-05079-x (springer.com [abgerufen am 14. Juni 2022]).
  14. ↑ Übersicht der SYNCRAFT®Holzkraftwerke. In: Syncraft. Abgerufen am 10. August 2022.
  15. ↑ Produkte. In: Biomacon GmbH. Abgerufen am 10. August 2022.
  16. ↑ minus CO2 by carbonauten. In: carbonauten. Abgerufen am 10. August 2022 (deutsch).
  17. ↑ Home. In: Takachar. Abgerufen am 10. August 2022 (englisch).
  18. ↑ Mobile Pyrolysis Plant | Waste to Energy Plant | Pyrogasification. In: Pyrotech Energy. 19. August 2020, abgerufen am 10. August 2022 (amerikanisches Englisch).
  19. ↑ Nando Knodel: A Framework for Agricultural Decarbonisation: Environmental Assessment from Seed to Soil of a Cradle-To-Cradle Farm System with Industrial Hemp and Pyrogenic Carbon Capture & Storage. ID 4091867. Social Science Research Network, Rochester, NY 22. April 2022 (ssrn.com [abgerufen am 25. August 2022]).
  20. ↑ Hans-Peter Schmidt, Nikolas Hagemann: 400.000 Pyrolyseanlagen zur Rettung des Klimas. In: Journal für Terroirwein, Biodiversität und Klimafarming. 2010, ISSN 1663-0521 (ithaka-journal.net [abgerufen am 14. Juni 2022]).
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  22. ↑ Dominic Woolf, Johannes Lehmann, Stephen Joseph, Christopher Campbell, Farid C. Christo: An open‐source biomass pyrolysis reactor. In: Biofuels, Bioproducts and Biorefining. Band 11, Nr. 6, November 2017, ISSN 1932-104X, S. 945–954, doi:10.1002/bbb.1814 (wiley.com [abgerufen am 15. September 2022]).
  23. ↑ D. Woolf, J. Lehmann, S. Joseph, C. Campbell, F. C. Christo, L. T. Angenent: An open source bio mass pyrolysis reactor. Supplementary Information. Wiley, Cornell University, University of New South Wales, University of South Australia, Universität Tübingen, 2017 (wiley.com [PDF]).
  24. ↑ Kemper J 2015 Biomass and carbon dioxide capture and storage: a review. Int. J. Greenh. Gas Control 40 401–30; Vaughan N E and Gough C 2016 Expert assessment concludes negative emissions scenarios may not deliver. Environ. Res. Lett. 11 095003
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  29. ↑ Hans‐Peter Schmidt, Claudia Kammann, Nikolas Hagemann, Jens Leifeld, Thomas D. Bucheli: Biochar in agriculture – A systematic review of 26 global meta‐analyses. In: GCB Bioenergy. Band 13, Nr. 11, November 2021, ISSN 1757-1693, S. 1708–1730, doi:10.1111/gcbb.12889 (wiley.com [abgerufen am 14. Juli 2022]).
  30. ↑ a b Dominic Woolf, James E. Amonette, F. Alayne Street-Perrott, Johannes Lehmann, Stephen Joseph: Sustainable biochar to mitigate global climate change. In: Nature Communications. Band 1, Nr. 1, Dezember 2010, ISSN 2041-1723, S. 56, doi:10.1038/ncomms1053, PMID 20975722, PMC 2964457 (freier Volltext) – (nature.com [abgerufen am 14. Juni 2022]).
  31. ↑ Jens Tartler: "Ein altes Verfahren aus dem Amazonas elektrisiert die Klimaschützer" tagesspiegel.de, 13. September 2019, angerufen 27. Mai 2020.
  32. ↑ Harald Bier, Helmut Gerber, Marcel Huber, Hannes Junginger, Daniel Kray, Jörg Lange, Hansjörg Lerchenmüller, Pål Jahre Nilsen: EBI Whitepaper. Biochar-based carbon sinks to mitigate climate change. European Biochar Industry (EBI), Oktober 2020, S. 23–24 (biochar-industry.com [PDF]).
  33. ↑ Fabian Stenzel, Dieter Gerten, Constanze Werner, Jonas Jägermeyr: Freshwater requirements of large-scale bioenergy plantations for limiting global warming to 1.5 °C. In: Environmental Research Letters. Band 14, Nr. 8, 1. August 2019, ISSN 1748-9326, S. 084001, doi:10.1088/1748-9326/ab2b4b (iop.org [abgerufen am 13. Juni 2022]).
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