Bioenergie

Grün-Kohle

Pflanzenreste in reinen Kohlenstoff zu verwandeln kann die Freisetzung von CO2 verhindern und die Konzentration des Klimagases in der Atmosphäre mindern. Die Technik gilt als ausgereift, der Markt für den Bio-Kohlenstoff wächst.
Von:  Bernward Janzing
08.07.2024 | 11 Min.
Erschienen in: Ausgabe 06/2024
Vorher, nachher: Links Biomasse, rechts fertige Pflanzenkohle
Vorher, nachher: Links Biomasse, rechts fertige Pflanzenkohle
Foto: Jens Büttner/dpa/picture alliance

Jeweils im Sommer der Nordhalbkugel belegt die Keeling-Kurve eindrucksvoll die Leistung der Vegetation. Benannt nach dem amerikanischen Klimaforscher Charles David Keeling zeigt sie die Entwicklung des globalen CO2-Gehalts in der Atmosphäre. Der wird seit 1958 am hawaiianischen Mauna Loa gemessen; der Standort gilt als repräsentativ für den globalen Konzentrationsverlauf.

Seit auf der Insel inmitten des Pazifiks gemessen wird, steigen die Werte von Jahr zu Jahr. Gleichwohl gehen sie in der Zeit zwischen Mai und September regelmäßig zurück. Sie sinken dann um fünf bis sechs ppm (parts per million) – ehe sie in den folgenden Monaten umso stärker wieder ansteigen. Der Rückgang ist also deutlich. Ursache ist die Vegetation in der nördlichen Hemisphäre, der im Vergleich zur südlichen deutlich größere Landgebiete für ihre Ausbreitung zur Verfügung stehen.

Die gut erkennbare jahreszeitliche Schwankung der globalen „Fieberkurve“ legt ein Gedankenexperiment nahe. Den atmosphärischen Messwerten zufolge bindet die weltweite Vegetation zwischen Mai und September deutlich mehr Kohlenstoff, als zeitgleich aus Verbrennungsprozessen emittiert wird. Gesetzt den Fall, man könnte den von den Pflanzen gebundenen Kohlenstoff dauerhaft sichern, wäre es möglich, den CO2-Gehalt der Atmosphäre auf diese Weise wieder zu senken. Denn der Anstieg von zuletzt rund drei ppm pro Jahr ließe sich so rein rechnerisch mehr als kompensieren.

Eine Speicherung in diesem Umfang ist natürlich eine theoretische Betrachtung, abseits jeglicher Realisierbarkeit. Ganz abgesehen davon, dass eine solche Praxis vielfältige Stoffkreisläufe zerstören würde – etwa im Wald, dessen Ökosystem auf verrottende Biomasse angewiesen ist. Und doch bleibt der Gedanke attraktiv, zumindest einen Teil der Biomasse so einzusetzen, dass der Kohlenstoff langfristig gebunden wird.

Am einfachsten geht das durch Verwendung des Pflanzenmaterials als Werkstoff, zum Beispiel bei Holz. Verbaut man die Biomasse in Häusern, ist der Kohlenstoff damit langfristig der Atmosphäre entzogen. Erst wenn das Holz nach vielen Jahrzehnten der Nutzung verbrannt wird oder verrottet, gelangt der fixierte Kohlenstoff wieder als CO2 in die Atmosphäre.

Ewige Bindung

Noch langfristiger wäre der Kohlenstoff unschädlich gemacht, würde man ihn zu einer reaktionsträgen, inerten Substanz – also zu reinem Kohlenstoff – wandeln. Genauso wie Steinkohle über Millionen von Jahren Bestand hat, weil Mikroorganismen nicht in der Lage sind, sie zu verstoffwechseln, kann auch künstlich geschaffene Kohle den Kohlenstoff quasi auf Ewigkeit binden.

Einer der bundesweiten Vordenker in diesem Metier ist Hansjörg Lerchenmüller. Er war lange in der Solarforschung und Solarwirtschaft tätig, erhielt 2012 den Deutschen Umweltpreis der Bundesstiftung Umwelt – und ist heute, wie er auf seiner Homepage schreibt, in der Start-up- Beratung aktiv. Er tätige „Business-Angel-Investitionen mit den Schwerpunkten erneuerbare Energien, Pflanzenkohle und Klimaschutz“, schreibt er. Auch an der Gründung des Pflanzenkohle-Branchenverbands German Biochar war er maßgeblich beteiligt.

Wir müssen den Kohlenstoff-Kreislauf hacken.“ Hansjörg Lerchenmüller, Start-up-Berater

„Wir müssen den Kohlenstoff-Kreislauf hacken“, sagt der Physiker. Diesen Prozess sieht er durch die zuletzt rasante Entwicklung der Pflanzenkohle-Produktion auf einem guten Weg: Der Markt für Pyrolyseanlagen, die Pflanzenkohle herstellen, sei von 2020 bis 2023 um durchschnittlich 54 Prozent jährlich gewachsen. Es gebe in diesem Metier in Europa inzwischen 30 Anlagenbauer und 170 Anlagen mit einer Produktionskapazität von zusammen 75 000 Tonnen Pflanzenkohle pro Jahr. Bis Ende 2024 erwartet die Branche einen Anstieg auf 115 000 Tonnen. Ein Großteil der Anlagen steht in Deutschland, Österreich, der Schweiz und in Skandinavien.

Die Technik ist grundsätzlich nicht kompliziert: Die Pflanzenkohle wird durch Pyrolyse von Biomasse erzeugt – ein Prozess, bei dem unter Abwesenheit von Sauerstoff organische Verbindungen bei hohen Temperaturen in ihre elementaren Bestandteile gespalten werden. Die Pyrolysegase – etwa der Wasserstoff – werden aus dem Prozess ausgeschleust und können anschließend energetisch genutzt werden. Übrig bleibt idealerweise reiner Kohlenstoff.

Ein großer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass auch problematische organische Verbindungen, wie sie speziell im Klärschlamm vorhanden sind, zerstört werden: „Die Pyrolyse reduziert PFAS um 99 Prozent“, sagt Lerchenmüller. Das Kürzel steht für die per- und polyfluorierten Alkylverbindungen, die als schädlich für den menschlichen Organismus gelten und inzwischen überall in der Umwelt vorkommen. Da sie nur extrem schwer abbaubar sind, werden die Substanzen auch „Ewigkeitschemikalien“ genannt. Sie entstammen zahlreichen Produkten, etwa aus der Textilindustrie.

Dezentral einsetzbare Technik

Ähnlich verhalte es sich mit Mikroplastik, das inzwischen auch überall nachweisbar ist, in der Pyrolyse aber ebenfalls komplett zersetzt wird, sagt Lerchenmüller. Denn Kunststoffe sind zumeist reine Kohlenwasserstoffe, also oft nur aus diesen beiden Elementen aufgebaut. Entscheidend für die Langlebigkeit der entstehenden Kohle ist die Temperatur in der Anlage – je höher sie ist, desto reiner und stabiler ist am Ende der Kohlenstoff. Kohlenwasserstoff-Verbindungen, die übrigbleiben, können von Mikroorganismen aufgebrochen werden – der Kohlenstoff oxidiert dann zu CO2. Bei reinem Kohlenstoff sind die Mikroorganismen dagegen machtlos.

Wird die Biomasse ausreichend lange hohen Temperaturen ausgesetzt, entsteht eine Form von Kohlenstoff, die biologisch nicht zersetzt wird; in diesem Fall sprechen Wissenschaftler von „Inertinite“, das auch in Steinkohle vorkommt. Um eine möglichst hohe Ausbeute des inerten Stoffs zu erhalten, seien in der Pyrolyse 500 bis 550 Grad Celsius erforderlich, sagt Lerchenmüller. Attraktiv ist die Pyrolyse, weil das entstehende Gas weiterhin energetisch genutzt werden kann. Bis zu 50 Prozent der Energie der Biomasse stehe durch die Pyrolysegase noch zur Verfügung, erklärt der Physiker.

Daher sind die Anlagen zum Beispiel als Wärmequelle für Nahwärmenetze oder für die Industrie einsetzbar. Kleine Anlagen beginnen bereits mit einer Wärmeleistung ab 400 Kilowatt – es ist also eine dezentral einsetzbare Technik. Der Trend, vermehrt lokale Wärmenetze zu bauen, kommt der Technik entgegen. Zahlreiche nutzbare Substrate sind als Ausgangsstoff denkbar. Lerchenmüller sieht vor allem in den Pflanzenabfällen aus der Landschaftspflege eine gute Rohstoffquelle, da diese Biomasse in der Regel nicht zur Nährstoffversorgung vor Ort benötigt wird und mangels Nutzungsalternativen allzu oft verrottet und dann wieder CO2 abgibt.

Auch Gärreste aus Biogasanlagen und Klärschlämme seien geeignete Substrate, ebenso Altholz und viele Bioabfälle. Gerade Reste aus der Lebensmittelverarbeitung weckten das Interesse von Investoren, etwa Olivenkerne, Pressrückstände aus dem Obst- und Weinbau oder auch Kakaoschalen. „Pyrolyse ist immer besser als die Verbrennung“, sagt der Branchenkenner. Das Fällen von Bäumen, um daraus Pflanzenkohle zu gewinnen, sei dagegen weder aus Klimasicht sinnvoll, noch lohne es sich wirtschaftlich.

Der neue Rohstoff kann jedoch nur attraktiv werden, wenn es auch einen entsprechenden Markt für das entstehende Material gibt – und den gibt es in verschiedenen Einsatzbereichen. Ein möglicher Abnehmer ist die Metallurgie, speziell die Stahlherstellung. Dort kann Pflanzenkohle im Hochofen als Reduktionsmittel anstelle fossiler Kohle eingesetzt werden. In diesem Fall wird allerdings der Kohlenstoff doch wieder als CO2 frei, auch wenn der Kohlenstoff immerhin nicht aus fossilen Quellen stammt, sondern zuvor von den Pflanzen aus der Luft geholt wurde und damit die Gesamtbilanz nicht belastet.

Tierfutter und Betonzusatz

Noch besser für das Klima sind Einsatzbereiche, in denen der Kohlenstoff auf Dauer gespeichert bleibt. Und auf Dauer heißt wirklich: für geologische Zeiträume. Denn nur so ist es möglich, auf diesem Weg mehr CO2 zu speichern als freizusetzen, also sogenannte negative Emissionen zu schaffen. Entsprechende Nutzungskonzepte gibt es bereits. Eine Option ist die Landwirtschaft: Bringt man die Pflanzenkohle in den Boden ein, erhöht sie dauerhaft dessen Fähigkeit, Wasser und Nährstoffe zu halten beziehungsweise zu puffern. „Damit lassen sich auch Nitratauswaschungen deutlich reduzieren“, erklärt Lerchenmüller.

Des Weiteren kann die Kohle für die Bauwirtschaft attraktiv sein. Setze man Beton ein wenig Kohlenstoff zu, könne dieser sogar die Druckfestigkeit des Baustoffs steigern, sagt Lerchenmüller „Dafür reicht ein Prozent Kohlenstoff.“ Ferner lässt sich die Kohle als Struktursubstrat für Stadtbäume nutzen. Gemischt mit Schotter ergibt sich eine nicht versiegelte Oberfläche, die einerseits Regenwasser aufnehmen und im Boden halten kann, andererseits so fest ist, dass sie von Autos befahrbar ist. Unter Bäumen am Rand der Straße können so zum Beispiel unversiegelte Parkplätze entstehen.

Ein Anbieter entsprechender Produkte ist die Firma Carbuna im bayerischen Memmingen, die sich als „Plattform für Pflanzenkohle“ bezeichnet. Das Unternehmen kauft die Kohle bei verschiedenen Herstellern und offeriert ein breites Sortiment an Qualitäten für unterschiedliche Anwendungen. Die Hersteller der Kohle hätten ihre Anlagen anfangs nahe an den Rohstoffen gebaut, sagt Benedikt Zimmermann, technischer Leiter bei Carbuna und zugleich erster Vorsitzender von German Biochar, dem Branchenverband für Pflanzenkohle: „Historisch haben sich Grillkohlehersteller nahe am Forst angesiedelt. Viele von ihnen haben mittlerweile auf Pflanzenkohle und technische Kohlenstoffe umgestellt.“

Heute baue man die Anlagen zunehmend in der Nähe von Industrie oder Gemeinden, um die Energie, die bei der Herstellung entsteht, besser zu nutzen. Ein Beispiel sind die Südwestdeutschen Salzwerke. Am Standort Heilbronn hat das Unternehmen Ende vergangenen Jahres eine Pyrolyseanlage in Betrieb genommen, die Biomasse verwendet, zum Beispiel Grünschnitt, um sie zu Pflanzenkohle zu wandeln. „Das hat mehrere positive Effekte“, schreibt das Unternehmen in einer Pressemitteilung: Man produziere „Strom und Wärme für den Eigenbedarf, und zwar auf nachhaltige Art und Weise“. Zusätzlich entstehe „als Nebenprodukt hochwertige Pflanzenkohle“.

Die Absatzmärkte für die Pflanzenkohle nehmen zu. Am meisten nachgefragt werde Pflanzenkohle heute zur Nutzung als Substrat bei der Stadtbegrünung, heißt es bei der Firma Carbuna. Gerade Städte, die zu „Schwammstädten“ werden wollen, indem sie die Versiegelung reduzieren, um Hochwasser zu mildern und Wasser im Boden speichern zu können, greifen gerne auf Pflanzenkohle zurück.

Zusatzeinnahmen aus dem CO2-Handel

An zweiter Stelle steht die Landwirtschaft, die mit der Kohle ihren Boden verbessert. Und auch im Futtermittelmarkt spielt die Pflanzenkohle eine zunehmende Rolle, weil die Beimischung von Kohle der Tiergesundheit dienen kann. Denn die Kohle bindet Schadstoffe, etwa eventuell vorhandene Mykotoxine im Pflanzenfutter. Auch Industriebetriebe interessierten sich inzwischen für die Nutzung von Pflanzenkohle, zum Beispiel als Betonzusatz. Doch dieser Markt stehe noch am Anfang, sagt Branchenkenner Zimmermann. Bei den Stahlwerken, die heute Koks als Reduktionsmittel nutzen, laufe es beispielsweise noch nicht so gut.

In Summe entwickle sich der Pflanzenkohlemarkt aber sehr dynamisch – mit der Folge, dass Angebot und Nachfrage nicht immer zusammenpassen, wie Zimmermann sagt. Ökonomen sprechen dabei gerne vom „Schweinezyklus“. Vor zwei Jahren habe es nicht genug Pflanzenkohle gegeben, um die Nachfrage zu decken. Dann wurden zahlreiche Produktionsanlagen gebaut, sodass es im Moment einen gewissen Produktionsüberhang gebe. Nun müsse der Absatz entsprechend nachziehen.

Damit Firmen die Pflanzenkohle wirtschaftlich herstellen können, brauchen sie – neben dem Verkaufserlös der Ware – allerdings Zusatzeinnahmen aus einem CO2-Handel. Einen solchen Markt organisiert die Firma Carbonfuture, indem sie Interessenten „den Klimanutzen“ der Ware anbietet. „Firmen mit Netto-Null-Zielen“, so erklärt Unternehmenssprecherin Theresa Rößler, kauften entsprechende Zertifikate. Anfangs hätten in diesem Markt vor allem Technologie-, Finanz- und Versicherungsunternehmen den Ton angegeben, doch mittlerweile seien Firmen verschiedenster Sektoren in dieser Richtung aktiv. Denn immer mehr Unternehmen streben CO2-Neutralität an.

Der Preis für eine Tonne von CO2 liege bei der Pflanzenkohle derzeit zwischen 120 und 250 Euro, ist bei Carbonfuture zu erfahren. Damit sei die Biokohle ein deutlich preisgünstigeres Verfahren, um CO2 aus der Atmosphäre zu holen als etwa Direct Air Capture (DAC). Bei DAC wird das Kohlendioxid durch eine physikalisch-chemische Wäsche aus der Umgebungsluft gefiltert. Der Preis dafür liege „eher bei 1000 Euro“ pro Tonne CO2, sagt Rößler.

Zum Nachweis, dass tatsächlich Kohlenstoff gebunden wurde, betreibe Carbonfuture ein „Nachverfolgungssystem für die erzeugte Pflanzenkohle, das die kohlenstofferhaltende Endanwendung und die vertraglichen Verhältnisse den CO2-Wert betreffend dokumentiert“, erklärt das Unternehmen. Die Zertifizierung erfolge durch unabhängige Standards, wie etwa Carbon Standards International, Puro.earth und Verified Carbon Standard.

Einheitlicher Markt nötig

Noch läuft das freiwillige Zertifikatsverfahren parallel und unabhängig vom etablierten europäischen Emissionshandel (ETS). Und das wird wohl auch noch einige Jahre so bleiben: „Frühestens 2030, wenn die bestehenden ETS-Regeln überarbeitet werden müssen“, werde es eine Anbindung an den ETS geben, heißt es bei Carbonfuture. Eine solche Einheit der Handelssysteme sollte jedoch das Ziel sein. Denn unterschiedliche Emissionsmärkte mit unterschiedlichen Preisen für dasselbe Gut sind nach Ansicht von Ökonomen auf Dauer nicht optimal.

Wenn wir die Emissionen nicht senken, können wir uns das Schaffen von Senken auch schenken.“ Hansjörg Lerchenmüller, Start-up-Berater

In einigen Jahren, wenn die CO2-Märkte tatsächlich verschmelzen sollten, könnte die Pflanzenkohle-Branche in Europa angesichts der jüngsten Wachstumsraten schon eine große Rolle spielen. Zumal das Verfahren bereits heute technisch weit ausgereift ist. Die Pflanzenkohle-Herstellung habe einen „Technology Readiness Level“ (TRL) zwischen 8 und 9, sagt Lerchenmüller. TRL 9 ist die höchste Stufe. Sie wird per Definition erreicht durch ein „Qualifiziertes System mit Nachweis des erfolgreichen Einsatzes“.

Dennoch ist die Pflanzenkohle, wie auch jeder andere Ansatz, um negative Emissionen zu erzeugen, nur zielführend, wenn zugleich die CO2-Mengen aus fossilen Quellen reduziert werden. Denn gegen den aktuellen Ausstoß der Verbrennungsprozesse in der Energiewirtschaft wird die Technik nie ankommen. In den jüngsten Branchenreport zur Pflanzenkohle hat Lerchenmüller daher auch folgenden Satz geschrieben: „Wenn wir die Emissionen nicht senken, können wir uns das Schaffen von Senken auch schenken.“

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