Potentiale und Risiken von Biokohle in Böden

Land / Region: Deutschland

Projektanfang: 01.07.2007

Projektende: 31.08.2011

Projektstand: 31.08.2011

Weltweit werden große Anstrengungen unternommen, dem Klimawandel entgegenzuwirken, indem die Zunahme an Kohlendioxid in der Atmosphäre durch die Verbrennung fossiler Energieressourcen reduziert werden soll. Böden könnten dabei als Kohlenstoffsenke eine wichtige Rolle übernehmen. Die Voraussetzung dafür ist die Möglichkeit, Kohlenstoff langfristig im Boden speichern zu können. Und genau diese Möglichkeit könnten Biokohlen aus organischen Reststoffen oder nachwachsenden Rohstoffen sein, wie Forscher weltweit versuchen nachzuweisen.
Biokohlen sind durch Pyrolyse von organischem Material hergestellte Produkte (z.B. Holzkohle), die sehr lange stabil im Boden verbleiben - man spricht von mehreren hunderten bis tausenden von Jahren - und zudem positive Effekte auf Bodenfunktionen, wie z.B. Bodenfruchtbarkeit oder Wasserhaltevermögen besitzen. Oftmals fallen Biokohlen auch als Nebenprodukte der energetischen Nutzung von Biomasse an, so z.B. bei der Holzvergasung.

Abb. 1: Unterschiedliche Verfahren und Ausgangsmaterialien führen zu sehr unterschiedlichen biogeochemischen Eigenschaften von Biokohlen. Während Holzkohle (Bild links) und Vergasungskoks (Bild Mitte) aus Buchenholz sehr porös sind und eine große Oberfläche besitzen, ist der Flash-Pyrolyse-Koks aus Fichtenholz (Bild rechts) überzogen mit einer Harzschicht und besitzt damit eine geringe Oberfläche. Quelle: BGR

Terra Preta als Modell für die landwirtschaftlichen Böden der Zukunft?

Als Vorbild für diese Annahmen gelten die Terra Preta Böden, die sogenannten „Indianer Schwarzerden“ im Amazonasgebiet in Brasilien. Der Ursprung dieser Böden ist auf viele hunderte Jahre alte Siedlungsflächen der damaligen Indianerkultur zurückzuführen.
Solche Böden besitzen trotz Ihrer Nutzung über mehrere hunderte von Jahren und der intensiven Verwitterungsbedingungen in den Tropen, bis heute noch höhere Kohlenstoffgehalte und eine höhere Fruchtbarkeit, als die ursprünglichen, nicht durch den Menschen veränderten sehr armen Böden im Amazonasgebiet. Zu diesen positiven Effekten soll der hohe Holzkohleanteil der organischen Bodensubstanz neben den zahlreichen Knochenresten und Tonscherben einen großen Anteil beitragen.
Forscher weltweit hoffen, diese Vorteile durch die Einbringung von Biokohle in Böden auf der ganzen Welt nachahmen zu können und so Gigatonnen an Kohlenstoff im Boden speichern und gleichzeitig die landwirtschaftliche Produktion steigern zu können.

Ist Biokohle auch für Böden in Deutschland sinnvoll?

In den Tropen konnten bereits mehrfach positive Wirkungen auf Bodenfunktionen durch die Einbringung von Biokohle nachgewiesen werden. Aber sind die Biokohlen, aus verschiedenartigsten organischen Stoffen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften auch wirklich geeignet, auf unseren gut bewirtschafteten Böden in Deutschland noch Vorteile für die landwirtschaftliche Produktion zu erzielen und wo liegen die Grenzen dieser neuen Technologie?
Diesen Fragen gehen Forscher um Dr. Andreas Möller an der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe zusammen mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Wulf Amelung an der Universität Bonn nach. Im Rahmen eines interdisziplinären dreijährigen Feldversuchs testen die Forscher die Auswirkungen unterschiedlicher Biokohlen auf Bodeneigenschaften und Pflanzenproduktion.

Abb. 2: Ein Feldversuch mit Zwergmais zeigt nur geringe Unterschiede im Wachstum, allerdings wurden Unterschiede bei der Verfügbarkeit von Nährstoffen festgestellt Quelle: BGR

Erste Ergebnisse des Feldversuchs zeigen, dass bestimmte Biokohlen auch in Böden Deutschlands positive Effekte auf Bodeneigenschaften haben können. Allerdings mussten auch Rückschläge hingenommen werden, die deutlich die Grenzen dieser neuen Technologie aufzeigen. So wurde festgestellt, dass es Typen von Biokohle gibt, deren Einbringung in den Boden sich negativ auf dessen Eigenschaften auswirken kann. Auch konnte die Biomasse und der Ertrag durch die Zugabe von Biokohle nicht wie erhofft signifikant gesteigert werden.
Der Einsatz von Biokohlen als Bodenhilfsstoff kann allerdings nur in Verbindung mit einer nachgewiesenen Ertragssteigerung, bzw. anderen agronomischen Vorteilen gerechtfertigt werden. Die Einbringung von Biokohle in unsere Böden lediglich zur Kohlenstoffspeicherung käme einer Abfallentsorgung gleich. In diesem Fall sollte vielmehr als Konzept die energetische Nutzung von Biokohle vorangetrieben werden.
Nichtsdestotrotz gibt es Hinweise darauf, dass mit bestimmten Biokohlen für kohlenstoffarme Böden auch in Deutschland agronomische Vorteile erzielt werden können. So konnte die Forschergruppe zeigen, dass Stickstoffverluste nach Applikation von Biokohlen verringert werden können und somit mineralischer Dünger eingespart werden könnte.

Abb. 3: Die Pflanzen suchen nach den Nährstoffen in der Biokohle, wodurch nährstoffreiche Biokohlen stark mit Wurzel überzogen (Bild links) und zum Teil auch durchwurzelt werden (Bild rechts). Quelle: BGR

Allerdings bleiben noch viele Fragen offen. Bleiben die positiven Effekte auch langfristig im Boden erhalten, oder sind sie nur kurzfristig? Welche Biokohlen sind tatsächlich geeignet und können Biokohlen kostengünstig genug produziert werden, damit deren Einsatz für die Landwirtschaft rentabel ist?
Diesen und weiteren Fragen will die Forschergruppe nachgehen, um Antworten für eine nachhaltige und sichere Anwendung von Biokohlen zur Kohlenstoffspeicherung in Böden zu erarbeiten.

Weiterführende Informationen:

• Borchard, N. (2012): Untersuchung langfristiger Funktionen und Auswirkungen von pyrogenem Kohlenstoff (BC) in Böden sowie dessen Interaktion mit der Bodenmatrix (PDF, 3 MB). Endbericht zum Kooperations-Foschungsprojekt zwischen der BGR Hannover und der Universität Bonn.
• Prost et al. (2010): Anreicherung von Nährstoffen in Biokohlen im Zuge ihrer Kompostierung mit Stallmist (Biochar Symposium, 8.-9. Juli 2010, Universität Bayreuth)
• Möller et al. (2010): Effects of the application of biochars with different physicochemical properties on soil function and biomass in two temperate soils (International Biochar Initiative, Conference 2010)
• Borchard et al. (2012): Sorption of copper (II) and sulphate to different biochars before and after composting with farmyard manure
• Borchard et al. (2012) Physical activation of biochar and its meaning for soil fertility and nutrient leaching – a greenhouse experiment
• Prost et al. (2013): Biochar Affected by Composting with Farmyard Manure