PyMiCCS

Pflanzenkohle wird aus Abfällen wie Holzresten, Sägespänen, Stroh und anderer pflanzlicher Biomasse hergestellt. Diese werden unter Luftabschluss auf Temperaturen von vielen 100 Grad Celsius erhitzt. Pyrolyse nennt man diesen Prozess, bei dem ein kohlenstoffreicher Bodenverbesserer entsteht. Mithilfe von Pflanzenkohle speichert der Untergrund mehr Wasser und Nährstoffe. Zudem wird im Boden enthaltener Kohlenstoff langsamer abgebaut. Einmal auf dem Feld ausgebracht, erfüllt Pflanzenkohle diese Funktionen jahrzehnte-, mitunter sogar jahrtausendelang.

Die beschleunigte Verwitterung von Gesteinen basiert auf einer natürlichen Kettenreaktion. Bilden sich Regentropfen, nehmen diese auf dem Weg Richtung Erdboden stets etwas Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf. Das Gas löst sich im Wasser und es entsteht Kohlensäure. Diese Säure greift Gesteine an, wenn der Regen darauf prasselt. Dabei lösen sich die Minerale des Gesteins auf und ihre Bestandteile werden in Grund- und Flusswasser abtransportiert. In einem weiteren Schritt reagieren diese Bestandteile weiter und es bilden sich Karbonatminerale. Oder vereinfacht gesagt: Es entsteht neues Gestein, in dem Teile des einstig atmosphärischen Kohlendioxids fest und dauerhaft gebunden sind. Dieser Prozess lässt sich künstlich beschleunigen – etwa indem man das Gestein fein zermahlt, auf Äckern verteilt und der Witterung aussetzt. Das Gesteinsmehl kann auch die Bodenfruchtbarkeit und damit die Ernteerträge verbessern, denn es versorgt den Boden mit Nährstoffen wie Kalium.

Im Verbundprojekt PyMiCCS wollen Forschende herausfinden, ob die gemeinsame Anwendung von Pflanzenkohle und beschleunigter Verwitterung zusätzliche Vorteile bringt – etwa verbesserte Bodeneigenschaften und mehr Pflanzenwachstum. Doch wie kombiniert man die beiden Methoden am sinnvollsten? Welches Gesteinsmehl und welche Pflanzenkohle eignen sich am besten? Diesen Fragen werden die Forschenden zunächst im Labor und später auf dem Feld nachgehen. Ihre Ergebnisse lassen sie anschließend in Ökosystemmodelle einlaufen. Mit diesen wollen sie berechnen, wie viel Kohlendioxid der Atmosphäre entzogen und in welchem Ausmaß sich die Böden verbessern würden, wenn beide CDR-Verfahren weltweit gemeinsam zum Einsatz kämen.

Wesentliche Ergebnisse

Im Projekt konnte gezeigt werden, dass die Co-Pyrolyse von Biomasse mit silikatischem Gesteinsmehl technisch umsetzbar ist und keine Beeinträchtigung der Kohlenstoffstabilität oder Produktsicherheit verursacht. Aus Sicht der Klimawirkung konnte kein Vorteil der Co-Pyrolyse mit den hier getesteten Gesteinsmehlen abgeleitet werden kann.

Die Gewächshausversuche zeigten, dass die Pflanzenkohle- und RE-biochar Produkte deren Biomasse holzige war, die Erträge nicht, oder positiv beeinflussten, zudem wurde die Nitratretention im Boden durch die holzigen Produkte positiv beeinflusst.

In den tropischen Feldversuchen wurden deutliche Ertrags- und Effizienzsteigerungen bei reduzierten Einsatz von Mineraldüngung durch die Ko-Applikation von Gesteinsmehl und Pflanzenkohle erzielt.

Alle pflanzenkohlebasierten Bodenzusätze erhöhten die Menge sowie die Stabilisierung des Bodenkohlenstoffs, wobei holzbasierte Varianten die CO2-Produktion in Böden deutlich reduzierten. Feld- und Inkubationsversuche bestätigten zudem durchweg positive Effekte auf die Bodenfruchtbarkeit und physikalische Bodeneigenschaften.

Das CO2-Entnahmepotenzials bei kombinierten Einsatz von beschleunigter Verwitterung und Pflanzenkohle wurde über 20 Jahre extrapoliert, wobei Sandböden die vielversprechendsten Ergebnisse zeigten. Da ein Teil der freigesetzten Kationen in anderen Pools zwischengespeichert wird, sind jedoch Langzeitexperimente zur Validierung der Modelle erforderlich.

Ein prozessbasiertes Ökosystemmodell zeigt, dass die Anwendung von Pflanzenkohle die Vegetation fördert und über eine Nettokohlenstoffanreicherung im Boden das höchste langfristige CDR-Potenzial in sandigen Böden gemäßigter Klimazonen bietet. Die gemeinsame Anwendung mit Gesteinsmehl verbesserte ebenfalls die Bodenkohlenstoffvorräte, allerdings in geringerem Maße als reine Pflanzenkohle.

Durch die Entwicklung eines neuen PyCCS-Moduls im globalen Landnutzungsmodell MAgPIE lassen sich Produktion, Anwendung und langfristige Kohlenstoffspeicherung von Pflanzenkohle in Klimaschutzszenarien konsistent abbilden. Dies schafft wichtige technische Grundlagen für sektorübergreifende Analysen von Biochar-CDR in integrierten Bewertungsmodellen (IAMs).