Biokohle aus Moorgrünland-Aufwüchsen

1 Einleitung

Durch vielfältige Eingriffe des Menschen in Natur und Landschaft wurden die Lebensräume vieler Tier- und Pflanzenarten zerstört oder zumindest eingeschränkt. Um die verbliebenen naturnahen Lebensräumen zu erhalten oder neue zu schaffen, bedarf es einer Pflege und Entwicklung dieser Flächen. In Niedersachen zählt vor allem das Moorgrünland zu solchen Pflegeflächen. NachDierssen&Dierssen(2001) undSuccow & Joosten(2001) gibt es in Niedersachsen etwa 110 000 ha Hochmoorgrünland und etwa 150 000 ha Niedermoorgrünland, insgesamt also ca. 260 000 ha Grünland auf Torfböden. Grundsätzlich ist Grünland auf Moorböden schwer zu bewirtschaften, u.a. weil der Torf z.T. sehr ungünstige bodenphysikalische und -chemische Eigenschaften hat. So treten bei landwirtschaftlicher Nutzung starke Verdichtung und damit nach Niederschlägen Vernässung auf, während es in regenarmen Perioden zu starker oberflächlicher Abtrocknung kommt; ungünstig ist darüber hinaus eine geringe Speicherfähigkeit des Torfes für Nährstoffe (Blankenburg1999,Dierschke&Briemle2002).

Rund 12 % der Treibhausgase Niedersachsens werden durch die landwirtschaftliche Moornutzung verursacht (Flessa2013), weshalb vielfach gefordert wird, die Nutzung des Moorgrünlands zu extensivieren und die Flächen zu vernässen. Grob geschätzt fällt bei einer mittleren Trockenmasse von 5 t pro ha und Jahr auf (sehr vorsichtig) geschätzten 150 000 ha Moorgrünland rund 750 000 t (Trockensubstanz) Aufwuchs von Moorgrünland an. Aufgrund des geringen Futterwertes der Aufwüchse, der teilweise verholzten Pflanzenbestände und des häufig hohen Anteils an aus landwirtschaftlicher Sicht schwer verwertbaren bis problematischen Pflanzen wie beispielsweise Binsen (Rath & Buchwald2010) und Greiskräutern (Rauschert1961), Sauergräsern und allgemein geringen Anteil von Pflanzen mit hohem Futterwert wird die landwirtschaftliche Nutzung teils aufgegeben oder zugunsten naturschutzfachlicher Belange extensiviert, so dass die Menge an Landschaftspflegematerial jährlich zunimmt (Prochnowet al. 2007).

Im Fall eines Pflegeschnitts kommen bei einer Verwendung des Mahdguts als Tierfutter nur Tiere mit geringeren Ansprüchen an den Futterwert in Frage, da der Futterwert für die Milchkuhhaltung zu gering ist (Dierschke&Briemle2002). Die Kompostierung des Materials ist mit hohem Energie- und Kostenaufwand verbunden. Zudem wird die in der Biomasse gespeicherte Energie nicht weiter genutzt (ICU2011), da der größte Anteil des Kohlenstoffs zu CO₂umgesetzt wird. Es besteht auch die Möglichkeit der thermischen Verwertung, was u.a.Tonnet al. (2008),Oechsner(2005) undKaltschmitt&Hartmann(2001) untersucht haben. Diese Verwertung ist nur unter hohem Technik- und Kostenaufwand realisierbar. Eine weitere alternative Verwertung des Aufwuchses stellt die energetische Nutzung durch die anaerobe Vergärung zu Biogas dar (Oechsner2005,Prochnowet al. 2007,Wiegmannet al. 2007). Hier fallen jedoch einerseits große Mengen an Gärresten an, die entsorgt werden müssen, andererseits sind ligninhaltige Biomassen (z.B. Binsengewächse) wirtschaftlich unrentabel zu vergären (Blokhinaet al. 2009).

Eine zukunftsträchtige alternative Verwertung des Aufwuchses von Grünland- und Naturschutzflächen stellt die Hydrothermale Carbonisierung, kurz HTC, dar. Durch die HTC kann fast jede pflanzliche (Rest-) Biomasse in wenigen Stunden in ein kohleartiges Produkt umgewandelt werden (ICU2011,Libraet al. 2011, Titiriciet al. 2007). Hierfür wird das Material in einem gasdichten Druckbehälter in Wasser auf 180 bis 240 °C erhitzt. Durch verschiedene thermo-chemische Reaktionen wird der Kohlenstoff im Produkt (der HTC-Kohle) angereichert (Libraet al. 2011). Nach einer Reaktionszeit von wenigen Stunden liegt eine Suspension vor, die durch einfache Filtration in Kohle und Flüssigkeit getrennt werden kann. Die Kohlenstoffbilanz liegt bei rund 80 % (Greveet al. 2014). Das heißt, dass rund 80 % des Kohlenstoffs der Ausgangsbiomasse hinterher in der Kohle verbleibt. Eine genauere technische Übersicht des HTC-Verfahrens gebenGlasneret al. (2011) und Libraet al. (2011).

Der Kohlenstoff-Gehalt der HTC-Kohlen gibt den Grad der Entkohlung an (Libraet al. 2011,Glasneret al. 2011,Röhrdanzet al. 2016), d.h. wie weit die Ausgangsbiomasse carbonisiert ist. Die Kriterien für die Qualität der Kohle sind abhängig von den Ansprüchen der jeweiligen Nutzungsform und von den Eigenschaften der Kohlen. Bei der Verbrennung spielen z.B. die Höhe des Kohlenstoffgehalts und der Anteil an Asche und deren Erweichungsgrad eine Rolle. Bei der Verwendung im Gartenbau oder als Bodenverbesserer stehen chemische und physikalische Eigenschaften wie beispielsweise die Nährstoffsorptionsfähigkeit im Vordergrund (Kammannet al. 2010,Röhrdanzet al. 2016). Die Eigenschaften der HTC-Kohlen sind über die Prozessparameter Temperatur, Reaktionszeit und des eingesetzten Substrats beeinflussbar (Rezaet al. 2014,Röhrdanzet al. 2016), so dass das Produkt für verschiedene Anwendungen in gewissem Rahmen „designbar" ist (Greveet al. 2014).

In diesem Beitrag wird der Frage nachgegangen, inwieweit sich das Verfahren der HTC für die Nutzung von grasartigen Biomasse-Aufwüchsen von Landschaftspflegeflächen auf Hoch- und Niedermoorböden eignet. Dabei ist von Interesse, ob sowohl das Alter als auch die Zusammensetzung der Aufwüchse Einfluss auf den Kohlenstoff-Gehalt der hergestellten HTC-Kohle hat. Der C-Gehalt der HTC-Kohlen wird dabei als entscheidende Maßeinheit für den Grad der Carbonisierung gewählt.

2 Material und Methoden

2.1 Flächenauswahl

Im Jahr 2011 wurden Probeflächen auf Hoch- und Niedermoorgrünländern im Stadtgebiet Oldenburg (Niedersachsen) eingerichtet. Dabei handelte es sich um die Landschaftsschutzgebiete „Haarenniederung" und „Moorplacken" (Abb. 1). Beide Gebiete werden seit über zehn Jahren durch Mahd extensiv bewirtschaftet.

2.2 Einrichtung der Probeflächen

Auf der Haarenniederung wurden für monatliche Entnahmen zwei Streifen à 80 x 4 m abgesteckt (Gesamtlänge 160 m). Innerhalb dieser Streifen wurden für jeden Monat von Mai bis Oktober jeweils fünf Quadrate à 2 x 2 m mit Magneten markiert. Diese wurden gleichmäßig mit einem Abstand von jeweils 4 m auf die beiden Streifen verteilt (siehe Abb. 2A). Dabei wurde bei der Einrichtung mit den jeweils ersten Quadraten pro Monat begonnen, gefolgt von den jeweils zweiten usw., damit je Monat ein möglichst großer Bereich der Fläche abgedeckt wird. Außerdem wurde ein weiterer Streifen mit fünf Quadraten für eine Aufwuchs-Entnahme, entsprechend der extensiven Nutzung der Flächen, eingerichtet (siehe Abb. 2B). Die Gesamtlänge dieses zweiten Streifens betrug etwa 30 m.

Auf dem Moorplacken wurde gleichermaßen ein insgesamt 160 m langer Streifen für monatliche Entnahmen eingerichtet. Die Anordnung der Quadrate für die einzelnen Monate erfolgte in gleicher Weise zur Haarenniederung. Selbiges gilt für einen zweiten Streifen für die einmalige Entnahme. Dieser hatte wie auch auf der Haarenniederung eine Gesamtlänge von 30 m.

2.3 Vegetationskundliche Charakterisierung und bodenchemische Analysen der eingerichteten Quadrate

Die Vegetation der Jahre 2011 und 2012 wurde im Zeitraum von Mai bis Juni untersucht. Hier wurden alle Arten mit ihrem geschätzten Deckungsgrad nach der vonWilmanns(1998) veränderten Braun-Blanquet-Skala aufgenommen. Im Frühjahr 2012 wurden Bodenproben auf den Quadraten zwecks nährstoff-chemischer Untersuchungen genommen, auf die jedoch nicht näher eingegangen wird.

2.4 Ernte, Zerkleinerung und Charakterisierung der Biomasse-Aufwüchse

Es wurden vier Arten von Biomasse-Aufwüchsen geerntet:

a) einzelne, im Bestand dominierende Pflanzenarten,

b) aus landwirtschaftlicher Sicht problematische Pflanzenarten,

c) Biomasse-Aufwüchse der monatlich beprobten Quadrate (Mischbestand) und

d) Biomasse-Aufwüchse in Anlehnung an eine zweimalige Mahd (Mischbestand).

Diese Einteilung wurde durchgeführt, um Aussagen darüber zu treffen, wie sich einerseits Mischbestände aus unterschiedlichen Pflanzenarten carbonisieren lassen und andererseits welchen Einfluss auf den beprobten Quadraten dominant vorkommende Pflanzenarten auf die Carbonisierbarkeit haben. Kategorie b) nimmt hierbei eine Sonderstellung ein. Diese Aufwüchse wurden carbonisiert, um zu zeigen, dass auch aus landwirtschaftlicher Sicht problematische Pflanzenarten verwertet werden können.

Die Biomasse-Aufwüchse a) und b) wurden zwischen den monatlich beprobten Quadraten, die Biomasse-Aufwüchse c) auf den monatlich beprobten Quadraten (Abb. 2A) und die Biomasse-Aufwüchse d) auf den Quadraten der zweimalig gemähten Flächen (Abb. 2B) geerntet.

a) Die dominant vorkommenden Arten wurden im Juni und September des Jahres 2012 geerntet. Die Arten wurden mit einer handelsüblichen Rasenkantenschere ca. 5 cm über der Bodenoberfläche abgeschnitten. Daran anschließend wurden die Proben über mehrere Tage getrocknet und auf 1 bis 2 cm zerkleinert und durchmischt, um eine homogene Mischprobe zu erhalten. Um eine Aussage zur landwirtschaftlichen Nutzung der Aufwüchse für Fütterungszwecke zu machen, wurde der Rohproteingehalt bestimmt.

b) Aus landwirtschaftlicher Sicht problematische Arten wurden auf dieselbe Weise, wie unter a) beschrieben, geerntet, zerkleinert und charakterisiert.

c) Die Vegetation der monatlich beprobten Quadrate wurde jeweils in der Mitte des entsprechenden Monats in den Jahren 2011 und 2012 geerntet. Dabei handelt es sich um den Aufwuchs vom Vegetationsbeginn bis zum jeweiligen Erntemonat. Für die Ernte wurde ein ca. 8 cm breiter Streifen von den jeweils diagonal gelegenen Eckpunkten 5 cm über der Bodenoberfläche abgeschnitten und wie unter a) beschrieben weiter verfahren. Um eine Übersicht über die Zusammensetzung der geernteten Biomasse zu erlangen, wurden die Anteile an Binsen, Kräutern, Süß- und Sauergräsern nach der Ernte in Masse-Prozent geschätzt.

d) Biomasse-Aufwüchse in Anlehnung an eine Zwei-Schnitt-Nutzung der Flächen wurden jeweils im Juni (erster Mahdtermin) und im September (zweiter Mahdtermin) geerntet. Ernte, Zerkleinerung und Charakterisierung erfolgte wie unter a) beschrieben.

2.5 Durchführung der Carbonisierungs-Versuche

Zunächst wurde eine Pflanzenart ausgewählt, um den Einfluss der HTC-Prozessparameter Reaktionszeit und Temperatur in Hinblick auf den Kohlenstoffgehalt zu untersuchen. Aufgrund der Ergebnisse dieser Versuchsreihe wurden die HTC-Prozessparameter für alle folgenden Carbonisierungs-Versuche festgelegt. Eine Übersicht zu den Aufwüchsen und Prozessparametern gibt hier Tab. 1.

Von den dominant vorkommenden Pflanzenarten wurde die Schlanke Segge ( Carex acuta ) (Haarenniederung, Juni 2012) ausgewählt, um den Einfluss der HTC-Prozessparameter Reaktionszeit und Temperatur zu untersuchen. 10 g TS (Trockensubstanz) des zerkleinerten Aufwuchses wurde in einen Liner (Teflongefäß mit einem Volumen von 220 ml) gefüllt und 150 g destilliertes Wasser hinzugegeben. Anschließend wurde der Liner in einen Stahlautoklaven eingesetzt, verschlossen und in einen Ofen gestellt. Die Aufheizrate des Ofens betrug 2 °C pro Minute. Die Suspension wurde auf 180 °C bzw. 220 °C erhitzt (240 °C war technisch nicht möglich), bei einer Verweilzeit von zwei bzw. acht Stunden. Im Anschluss kühlte der Ofen auf Raumtemperatur ab. Das Kohle-Wasser-Gemisch wurde anschließend in Flüssig- und Festphase (HTC-Kohle) getrennt. Die HTC-Kohle wurde über 24 Stunden bei 105 °C getrocknet, um für chemische Analysen bereitzustehen.

Weitere dominant vorkommende Arten, landwirtschaftliche Problem-Arten, die Biomasse-Aufwüchse der monatlich beprobten Quadrate sowie die Aufwüchse der Zwei-Schnit-Flächen wurden ebenfalls getrocknet, zerkleinert und homogenisiert. Die Durchführung der Carbonisierungs-Versuche erfolgte wie zuvor beschrieben. Hier wurden die HTC-Prozessparameter auf 220 °C und acht Stunden festgelegt.

2.6 Chemische Analysen der Biomasse-Aufwüchse und HTC-Kohlen

Für die chemischen Analysen der Biomasse-Aufwüchse wurden ca. 4 g der durchmischten Biomasse und der daraus hergestellten HTC-Kohlen in einer Kugelmühle zerkleinert. Im Anschluss fand eine Elementar-Analyse nach DIN EN 15104:2011 auf die Elemente Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Stickstoff (N) statt (Einwaage 1,3 – 1,7 mg; je Probe eine Wiederholung). Die Analyse des Aschegehalts wurde nach DIN EN 14775:2010-04 bei 550 °C für 2 Stunden mit einer verringerten Probeneinwaage von 1 g anstatt von 2 g durchgeführt. Die C-, H-, N- und Aschegehalte wurden verwendet, um den Sauerstoffgehalt (O) nachRöhrdanzet al. (2016) wie folgt zu berechnen:

O(%) = 100 – C(%) – H(%) – N(%) – Asche(%)

Die Rohprotein-Analysen wurden durch die LUFA Nord-West nach VDLUFA Bd. III, Kap. 4.1.1, durchgeführt.

3 Ergebnisse und Diskussion

3.1 Charakterisierungen der Biomasse-Aufwüchse

a) dominante Arten

Zu den aspektbildenden Arten der Haarenniederung-Quadrate gehören die Schlanke Segge ( Carex acuta ) und die Zweizeilige Segge ( Carex disticha ), zu denen des Moorplackens ebenfalls die Carex acuta sowie das Wollige Honiggras ( Holcus lanatus ) und die Rasen-Schmiele ( Deschampsia cespitosa ).

Die Rohproteingehalte dieser Arten weisen im Juni deutlich höhere Werte auf als im September (Tab. 3a). Die einzige Ausnahme bildet Holcus lanatus mit einem Rohproteingehalt von 16,4 % im September. Dieser Aufwuchs wäre aus landwirtschaftlicher Sicht für Futterzwecke geeignet, da nachEngelhardtet al. (2011) der Rohproteingehalt des Futters mindestens 16 % betragen muss.

b) aus landwirtschaftlicher Sicht problematische Arten

Flatter-Binse ( Juncus effusus ) und Wasser-Greiskraut ( Senecio aquaticus ) zählen zu den aus landwirtschaftlicher Sicht problematischen Arten auf der Haarenniederung, Juncus effusus zur problematischen Art auf dem Moorplacken. Auch hier liegen die Rohproteingehalte im Juni deutlich höher als im September (Tab. 3b) und sind daher für Futterzwecke ebenfalls nicht geeignet (vgl.Engelhardtet al. 2011).

c) monatliche Biomasse-Aufwüchse

Auf den Quadraten des Großseggenrieds auf der Haarenniederung wuchsen insgesamt 35 Pflanzenarten. Die dominanten Arten mit den höchsten Deckungsgraden sind Carex acuta und Carex disticha . Weitere mit hoher Deckung vorkommende Gräser sind das Rohr-Glanzgras ( Phalaris arundinacea ) und das Sumpf-Reitgras ( Calamagrostis canescens ). Zu den dominierenden Kräutern gehören das Echte Mädesüß ( Filipendula ulmaria ), das Sumpf-Labkraut ( Galium palustre ), die Sumpf-Dotterblume ( Caltha palustris ) und der Sumpf-Hornklee ( Lotus pedunculatus ). Ebenfalls vertreten sind die landwirtschaftlichen Problem-Arten Wasser-Greiskraut ( Senecio aquaticus ) und Flatter-Binse ( Juncus effusus ). Die Zusammensetzung der geernteten Biomasse wird hauptsächlich von den Sauergräsern geprägt (Tab. 2a). Der Rohproteingehalt der Biomasse-Aufwüchse nimmt kontinuierlich von Mai bis Oktober ab (Tab. 3c). Dies entspricht dem erwarteten Trend (Dierssen&Dierssen2001).

Auf dem Moorplacken sind Arten des frischen bis feuchten Grünlandes wie Carex acuta , Holcus lanatus und die Rasen-Schmiele ( Deschampsia cespitosa ) die dominierenden Gräser, gefolgt von Kräutern wie dem Spitz-Wegerich ( Plantago lanceolata ), dem Wiesen-Schaumkraut ( Cardamine pratensis ), dem Kriechenden und Scharfen Hahnenfuß ( Ranunculus repens und acris ), dem Wiesen-Sauer-Ampfer ( Rumex acetosa ) und dem Sumpf-Labkraut ( Galium palustre ). Ebenfalls vertreten ist Juncus effusus . Insgesamt wurden hier 26 Pflanzenarten nachgewiesen.

Im Gegensatz zur Haarenniederung besteht die geerntete Biomasse hauptsächlich aus Süßgräsern, deren Anteile im Jahresverlauf zunehmen (Tab. 2a). Der Rohproteingehalt (Tab. 3c) des geenteten Aufwuchses nimmt, anders als beim Aufwuchs der Haarenniederung, im Verlauf von Mai bis Oktober keinen eindeutigen Trend ein. Grund hierfür ist vermutlich die unterschiedliche Zusammensetzung der Aufwüchse. Die Anteile an Süß- und Sauergräsern sowie der Kräuter schwanken im Jahresverlauf (Tab. 2a) – entsprechend auch der Rohproteingehalt (vgl. unterschiedliche Rohproteingehalte einzelner Arten in Tab. 3a und b).

Allgemein sind die geernteten Aufwüchse aufgrund des geringen Rohproteingehalts (Tab. 3a und b) für eine landwirtschaftliche Verwertung in der Milch- und Fleischproduktion nachEngelhardtet al. (2011) nicht geeignet. Hinzu kommen wenig „schmackhafte" Arten wie die Sumpf-Kratzdistel ( Cirsium palustre ) oder sogar für Pferde und Rinder in größerer Menge giftige Arten wie Senecio aquaticus (auf den Flächen der Haarenniederung in geringer Anzahl).

d) Aufwüchse der Zwei-Schnitt-Flächen

Die Zusammensetzung der geernteten Aufwüchse der Zwei-Schnitt-Flächen in der Haarenniederung wird hauptsächlich von Sauergräsern geprägt (Tab. 2b). Zu den dominanten Arten gehören auch hier Carex acuta und Carex disticha . Mit deutlich geringeren Deckungsgraden sind Holcus lanatus, Wiesen-Rispengras ( Poa pratensis ), Kriechender Hahnenfuß ( Ranunculus repens), Sumpf-Hornklee ( Lotus pedunculatus ), Juncus effusus und Filipendula ulmaria vertreten.

Die Vegetation des Moorplackens wird mehr von Süßgräsern und Juncus effusus geprägt (Tab. 2b). Zu den dominierenden Süßgräsern zählen Hunds-Straußgras ( Agrostis canina ), Deschampsia cespitosa und Holcus lanatus. In deutlich geringerer Menge sind Carex acuta und Ranunculus repens vertreten. Die Rohproteingehalte der Aufwüchse nehmen vom ersten zum zweiten Schnitt zu (Tab. 3d). Dies entspricht dem beschriebenen Trend vonDierschke&Briemle(2002).

3.2 Elementar-Zusammensetzung der carbonisierten Aufwüchse

Der C-Gehalt steht bei allen Carbonisierungs-Versuchen im Vordergrund. Im Folgenden (Abb. 3) wird exemplarisch auf die weiteren Elemente N, H und O eingegangen, um den HTC-Prozess besser zu beschreiben. Aufgrund der geringen Zahl an Messwerten (n = 2) wurden keine Signifikanz-Tests durchgeführt. Alle Ergebnisse erlauben nur die Ableitung von Trends.

3.2.1 Einfluss der Prozessparameter Reaktionszeit und Temperatur

Wie in Abb. 3 I zu erkennen ist, hat die Ausgangsbiomasse (bestehend aus Carex acuta ) den niedrigsten C-Gehalt von rund 46 %. Die C-Gehalte der Kohlen liegen alle deutlich über den C-Gehalten der Ausgangsbiomasse. Die Prozess-Temperatur hat einen größeren Einfluss auf den C-Gehalt der Kohlen als die Verweilzeit. So ist der C-Gehalt der Kohlen, hergestellt bei 220 °C und acht Stunden, deutlich höher als derjenigen Kohlen, die bei 180 °C und acht Stunden hergestellt wurden. Dies gilt auch für die hergestellten Kohlen bei einer Verweilzeit von zwei Stunden. Dieser Trend wurde auch von anderen Autoren (u.a.Röhrdanzet al. 2016, Carbonisierung von binsenhaltigem Landschaftspflegematerial) beschrieben. Die Elemente H und O nehmen mit der Reaktionshärte (zunehmende Temperatur und Reaktionszeit) ab (Abb. 3 III und IV), N nimmt leicht zu (Abb. 3 II). Dies entspricht den Erwartungen (Rezaet al. 2014).

Aufgrund der größten Zunahme des C-Gehaltes bei 220 °C und einer Reaktionszeit von acht Stunden wurden alle folgenden Carbonisierungs-Versuche bei diesen Prozessparametern durchgeführt.

3.2.2 C-Gehalte dominant vorkommender Arten

Auch die Kohlenstoffgehalte der HTC-Kohlen, hergestellt aus den dominant vorkommenden Pflanzenarten (Abb. 4a I und II), liegen deutlich über den Gehalten der jeweiligen Ausgangs-Biomasse. Tendenziell sind die C-Gehalte der geernteten Pflanzenarten beim ersten Aufwuchs (Juni) höher als beim zweiten Aufwuchs (September). Bei den aus den Aufwüchsen hergestellten Kohlen verhält es sich umgekehrt: Die C-Gehalte des ersten Aufwuchses sind bei allen Kohlen höher als beim zweiten Aufwuchs. Bei Betrachtung der einzelnen Pflanzenarten der Haarenniederung (Abb. 4a I) sind die C-Gehalte von C. acuta und C. disticha und den entsprechenden Kohlen nahezu identisch. Bei den Kohlen der Aufwüchse des Moorplackens (Abb. 4a II) sind deutliche Unterschiede in den C-Gehalten zu erkennen. Die Kohle aus H. lanatus weist die höchsten C-Gehalte auf, während die aus C. acuta die niedrigsten aufweist.

3.2.3 C-Gehalte landwirtschaftlicher Problem-Arten

Auch die landwirtschaftlichen Problem-Arten (Abb. 4b I und II) lassen sich gut carbonisieren. Wie bei den dominant vorkommenden Arten (Abb. 4a I und II) gibt es zwischen den Kohlen nur geringe Unterschiede in den C-Gehalten. Eine eindeutige Tendenz der Zu- oder Abnahme des C-Gehaltes der Kohlen vom ersten (Juni) zum zweiten Aufwuchs (September) ist im Gegensatz zum den dominanten Arten (Abb. 4a I und II) nicht erkennbar.

3.2.4 C-Gehalte der monatlichen Aufwüchse

Die C-Gehalte der Aufwüchse der Haarenniederung aus 2011 (Abb. 4c I) nehmen im Jahresverlauf leicht zu. Die C-Gehalte der daraus hergestellten Kohlen steigen von Mai (ca. 62 %) bis August (ca. 66 %) an, nehmen dann für die Monate September und Oktober (ca. 60 %) wieder ab. Ein ähnlicher Trend ist in abgeschwächter Form bei den C-Gehalten der Aufwüchse und der daraus hergestellten Kohlen des Jahres 2012 zu erkennen (Abb. 4c II).

Bei den Aufwüchsen des Moorplackens im Jahr 2011 und 2012 (Abb. 4c III und IV) steigen die C-Gehalte im Jahresverlauf ebenfalls leicht an. Bei den C-Gehalten der Kohlen ist in Abbildung 4c III (2011) ein leichter jahreszeitlicher Trend erkennbar, in Abbildung 4c IV (2012) jedoch nicht.

Die unterschiedlichen Trends der C-Gehalte der Kohlen zwischen der Haarenniederung und dem Moorplacken sind am ehesten durch die Vegetationszusammensetzung zu erklären. Die Haarenniederung wird konstant in 2011 und 2012 von Mai bis Oktober durch Sauergräser mit einem Anteil von > 90 % dominiert (Tab. 2a). Die Rohproteingehalte der Aufwüchse nehmen im Jahresverlauf kontinuierlich ab (Tab. 3c). Auf dem Moorplacken hingegen schwankt die Vegetationszusammensetzung deutlich (Tab. 2a). Dies wird auch durch die schwankenden Rohproteingehalte im Jahresverlauf von Mai bis Oktober (Tab. 3c) bestätigt. Einige Bereiche der Fläche lagen deutlich tiefer als andere und waren entsprechend feuchter. An diesen Stellen dominierten die Sauergräser und lieferten vor allem in den Monaten Mai und Juni deutlich mehr Biomasse als die in den weniger feuchten Bereichen vorkommenden Süßgräser und Kräuter.

Eine weitere Erklärung für die unterschiedlichen Trends könnte die Heterogenität der Aufwüchse sein. Es kann nicht sichergestellt werden, ob in jedem Fall die verwendeten 10 g Aufwuchs für die jeweilige Biomasse repräsentativ waren. Eine Zerkleinerung der Biomassen auf < 1 mm wäre zwar technisch möglich, aufgrund des hohen Aufwands aber nicht praxisrelevant gewesen und wurde daher nicht durchgeführt. Auch eine Wiederholung der Carbonisierungs-Versuche war aufgrund begrenzter Labor-Kapazitäten nicht möglich. Diese Erklärungen treffen auch für Abschnitt 3.3.5 zu.

3.2.5 C-Gehalte der Zwei-Schnitt-Varianten

Die Zunahme der C-Gehalte der Kohlen gegenüber der jeweiligen Ausgangsbiomasse wird ebenfalls bei den Zwei-Schnitt-Varianten deutlich (Abb. 4d). Weiterhin nimmt der C-Gehalt der Kohlen vom ersten Schnitt im Juni zum zweiten Schnitt im Oktober zu (Abb. 4d I). Auch gibt es leichte Unterschiede zwischen dem Jahr 2011 zum Jahr 2012. Bei den Kohlen der Aufwüchse des Moorplackens (Abb. 4d II) verhält es sich anders. Im Jahr 2011 ist eine Zunahme des C-Gehalts der Kohlen vom ersten zum zweiten Schnitt deutlich erkennbar, im Jahr 2012 nimmt der C-Gehalt der Kohlen deutlich ab. Wie bei den C-Gehalten der Kohlen der landwirtschaftlichen Problem-Arten (Abb. 4b) ist kein eindeutiger Trend der Kohlenstoffzu- oder -abnahme zwischen dem ersten und zweiten Aufwuchs erkennbar.

3.2.6 Vergleich mit anderen carbonisierten Biomassen

Bei der Carbonisierung von Gras erreichenDinjuset al. (2011) bei 220 °C und 17 Stunden Reaktionszeit einen C-Gehalt der HTC-Kohle von 60,9 %. Dies entsprach den C-Gehalten von carbonisiertem Blumenkohl (60,7 %), Stroh (60,5 %) und Buchenholz (61,6 %). Das vonBlake-Rath(2015) bei acht Stunden und 240 °C carbonisierte Schwarz-Erlen-Laub ( Alnus glutinosa ) erreichte einen C-Gehalt von rund 61,4 %. Die in den Abb. 4a-d dargestellten C-Gehalte der carbonisierten Biomasse-Aufwüchse liegen mit einem C-Gehalt von bis zu 66,8 % zum Teil deutlich darüber. Dies entspricht etwa den vonRöhrdanzet al. (2016) untersuchten HTC-Kohlen, u.a. hergestellt bei Prozessbedingungen von acht Stunden und 220 °C, die einen C-Gehalt von etwa 66 % aufweisen. Verwendet wurde dabei binsenreiches Landschaftspflegematerial von niedersächsischem Hochmoorgrünland.

Die vonSpaltmann(2014) bei acht Stunden und 220 °C carbonisierten Gärreste aus der Vergärung von grasartigem Landschaftspflegematerial von extensiv bewirtschafteten Hochmoorgrünländern, vermengt mit Rinderfestmist, Kleegras und Gärresten, erreichten aufgrund anorganischen Bestandteile (Sand, Nährstoffe etc.) C-Gehalte zwischen ca. 53 % und 63 %.

4 Bedeutung der HTC für die Verwertung von grasartigen Landschaftspflege-Aufwüchsen

Wie in den Abb. 4a-d dargestellt, liegen die C-Gehalte der Kohlen aus Moorgrünland deutlich über den C-Gehalten der jeweiligen Ausgangs-Biomassen. Somit eignet sich das HTC-Verfahren für die Verwertung von grasartigen Landschaftspflege-Aufwüchsen unter dem Aspekt der Umwandlung, ohne besondere Ansprüche an die Pflege der Grünlandflächen. Jedoch fehlen Daten zur Carbonisierung anderer Aufwüchse wie z.B. von Bergwiesen, Schilfbeständen oder auch Brombeeren- oder Brennnesselstreifen. Zu berücksichtigen ist auch, dass sowohl aufgrund der Heterogenität der Biomasse-Aufwüchse als auch durch den jeweiligen Erntezeitpunkt die Zusammensetzung der daraus hergestellten Kohlen leicht schwanken kann (Abb. 4c). Mögliche Anwender von HTC-Kohle favorisieren Kohlen mit gleichbleibenden Eigenschaften. Kohlen mit sich ändernden Eigenschaften können dementsprechend zu Verwertungsproblemen führen.

Auch sollten in Fällen, in denen sich Pflegeflächen auf Moorgrünland befinden, Nutzungs- und Pflegekonzepte erarbeitet werden, wie diese Flächen schonend befahren und wie die Aufwüchse geerntet werden können – auch bei einer möglichen Wasserstandsanhebung der Moorböden zur Reduzierung von Klimagasen. Es müssen geeignete Standorte für HTC-Anlagen gefunden (zentral oder auch dezentral gelegen), Konzepte für die Verwendung entwickelt und Abnehmer der Kohle gefunden werden. Dabei ist zu beachten, dass die Transportwege von den Flächen zur HTC-Anlage und zum Anwender der Kohle der Wirtschaftlichkeit halber möglichst kurz gehalten werden sollten.

Im Bundesgebiet befinden sich zurzeit mehrere HTC-Pilotanlagen verschiedener Hersteller. Jedoch gibt es bei der HTC-Technologie noch einige Hürden zu bewältigen. Aus technischer Sicht gehört dazu ein Entsorgungs- oder Nutzungskonzept (beispielsweise in Kombination mit der Biogastechnologie) für das mit organischer Fracht belastete HTC-Prozesswasser. Dieses darf nicht ohne weitere Behandlung ins Abwassernetzt eingeleitet werden und wird als größtes Hemmnis der HTC-Technologie angesehen. Aktuell werden hierzu Lösungskonzepte erarbeitet. Ein weiteres großes Hemmnis ist der Abnahmemarkt für HTC-Kohle. So berichten einige HTC-Anlagen-Hersteller über fehlende Absatzmärkte der Kohle. Dieser ist z.B. durch fehlende Zertifizierungen für die Zulassung im Bereich Gartenbau und Landwirtschaft stark eingeschränkt. So sind die rechtlichen Rahmenbedingungen für den Einsatz von HTC-Kohlen nach der Düngemittelverordnung oder auch Düngegesetz (§3) (noch) nicht gegeben. Der Begriff „Biokohle" ist in den Tabellen der Düngemittelverordnung nicht enthalten. Daher darf HTC-Kohle weder als Düngemittel noch als Bodenverbesserer eingesetzt werden.

Auch wird vielfach von keim- und wachstumshemmenden Eigenschaften von HTC-Kohlen berichtet, wodurch der Einsatz im Pflanzenbau erschwert wird. Ein Anforderungskatalog für eine Zertifizierung von HTC-Kohlen für den Einsatz im Erwerbsgartenbau oder in der Landwirtschaft wäre hier ein erster Schritt. Dieser könnte etwa Vorgaben zur Unbedenklichkeit für den Pflanzenbau, Grenzwerte für organische und anorganische Schadstoffe oder auch Vorgaben zum Nährstoffsorption-Verhalten enthalten.

Eine zukunftsträchtige Anwendung der HTC-Technologie wäre die Verfahrens-Kombination von Biogas- und HTC-Anlagen, da bereits einige Biogasanlagen Landschaftspflege-Aufwüchse vergären (eine Übersicht gibt hier das Projekt MULLE des Deutschen Verbandes für Landschaftspflege; www.lpv.de/themen/energie-und-klimaschutz/mulle-landschaftsenergie.html ). Die Gärrest-Abfälle der Biogasanlagen könnten dabei als Edukt in der HTC eingesetzt werden (vgl.Spaltmann2014). Somit kann die Ausnutzung des Kohlenstoffanteils der Biomasse etwa verdoppelt werden (Funkeet al. 2013). Die Abwärme der Biogasanlagen dient der HTC als Wärmequelle. Das HTC-Prozesswasser kann wiederum in die Biogasanlage eingeleitet und abgebaut werden (Loewen2013) und den Biogasertrag steigern.

5 Ausblick

Großes Potenzial für die HTC bieten neben Landschaftspflegematerial Güllen oder Gärreste. In einigen Regionen Niedersachsens stellen diese Reststoffe ein erhebliches Entsorgungsproblem dar. Durch den übermäßigen Nitriteintrag in Böden wird das Grundwasser verunreinigt. Erste studentische Abschlussarbeiten haben sich mit der Carbonisierung dieser Reststoffe beschäftigt. Prinzipiell ließen sich alle Güllen und Gärreste carbonisieren. Da Güllen und Gärreste in großen Mengen in Niedersachsen vorkommen, besteht hier ein weiteres großes Potential für die HTC.

Literatur

Blake-Rath, R.L.(2015): Eignung von Laub ausgewählter Baumarten zur Herstellung von Biokohle durch hydrothermale Carbonisierung. Unveröff. Bachelorarb., Univ. Oldenburg.

Blankenburg, J.(1999): Leitbilder der Hochmoornutzung und die langfristige Nutzung von Hochmoorgrünland. TELMA 29, 183-190.

Blokhina, Y., Prochnow, A., Plöchl, M., Luckhaus, C., Heiermann, M.(2009): Ökonomische Bewertung der Biogaserzeugung: Erfahrungen mit Landschaftspflegeaufwuchs des Nationalparks Unteres Odertal. Naturschutz und Landschaftsplanung 41, 83-88.

Dierschke, H., Briemle, G. (2002): Kulturgrasland. Ulmer, Stuttgart.

Dierssen, K., Dierssen, B. (2001): Moore. Ulmer, Stuttgart.

Dinjus, E., Kruse, A., Tröger, N.(2011): Hydrothermal Carbonization – 1. Influence of Lignin in Lignocelluloses. Chem. Eng. Technol. 34 (12), 2037-2043.

Engelhard, T., Helm, L., Riemann, E., Andert, G., Meyer, A., Bulang, M.(2011): Auswirkungen der Fütterung von Rationen mit reduziertem Proteingehalt an Kühe mit hohem Milchleistungspotenzial. Versuchsbericht. Im Auftrag der Landesanstalt für Landwirtschaft, Forsten und Gartenbau Sachsen-Anhalt und Landwirtschaftskammer Niedersachsen. Unveröff. Mskr.

Flessa, H.(2013): Treibhausgasemissionen aus der Landwirtschaft in Niedersachsen. Moor und Klima – Verantwortung für Generationen. Vortrag in Hannover am 24.06.2013. www.umwelt.niedersachsen.de/download/78890.

Funke, A., Mumme, J., Koon, M. Diakite, M.(2013): Cascaded production of biogas and hydrochar from wheat straw: Energetic potential and recovery of carbon and plant nutrients. Biomass and bioenergy 58, 229-237.

Glasner, C., Deerberg G., Lyko H.(2011): Hydrothermale Carbonisierung: Ein Überblick. Chemie Ingenieur Technik 83 (11), 1932-1943.

Greve, T., Rebling, T., Röhrdanz, M., Neudeck, D.(2014): Perspektiven zur nachhaltigen Nutzung von organischen Rest- und Abfallstoffen mittels Hydrothermaler Carbonisierung. Müll und Abfall 46 (2), 86-93.

ICU (Ingenierconsulting Umwelt und Bau, 2011): Hochwertige und klimaschonende Verwertung von Mähgut und Laub im Land Berlin. Unveröff. Endber.

Kaltschmitt, M., Hartmann, H.(2001): Energie aus Biomasse – Grundlagen, Techniken und Verfahren. Springer, Berlin, Heidelberg.

Kammann, C., Kühnel, Y., Bredow, C. von, Gössling, J.(2010): C-Sequestrierungspotential und Eignung von Torfersatzstoffen, hergestellt aus Produkten der Landschaftspflege und Biochar. Unveröff. Abschlussber., Univ. Gießen.

Libra, J. A., Ro, K. S., Kammann, C., Funke, A., Berge, N. D., Neubauer, Y., Titirici, M.-M., Fühner, C., Bens, O., Kern, J., Emmerich, K. H.(2011): Hydrothermal carbonization of biomass residuals: a comparative review of the chemistry, processes and applications of wet and dry pyrolysis. Biofuels 1, 71-106.

Loewen, A.(2013): HTC – eine sinnvolle Ergänzung zu bisherigen Bioenergie-Technologien. Vortrag auf dem Statusseminar zur Hydrothermalen Carbonisierung in Niedersachsen, Hannover.

Oechsner, H. (2005): Möglichkeiten zur energetischen Verwertung von Landschaftspflegeheu. Natur und Landschaft 80 (9/10), 426-429.

Prochnow, A., Heirmann, M., Drenkhan, A., Schelle, H.(2007): Biomethanisierung von Landschaftspflegeaufwuchs. Naturschutz und Landschaftsplanung 39 (1), 19-24.

Rath, A., Buchwald, R.(2010): Nutzung von Hochmoorgrünland in Nordwestdeutschland. Naturschutz und Landschaftsplanung 42 (4), 108-114.

Rauschert, S. (1961): Wiesen- und Weidepflanzen. Erkennung, Standort und Vergesellschaftung, Bewertung und Bekämpfung. Neumann, Radebeul.

Reza, M.T., Andert, J., Wirth, B., Busch, D., Pielert, J., Lynam, J., Mumme, J. (2014): Hydrothermal Carbonization of Biomass for Energy and Crop Production. Appl. Bioenergy 1, 11-29.

Röhrdanz, M., Rebling, T., Ohlert, J., Jasper, J., Greve, T., Buchwald, R., von Frieling, P., Wark, M.(2016): Hydrothermal carbonization of biomass from landscape management – Influence of process parameters on soil properties of hydrochars. J. Environ. Manage. 173, 72-78.

Spaltmann, C.(2014): Eignung von Gärresten aus der Landschaftspflege zur Herstellung von Biokohle durch hydrothermale Karbonisierung. Unveröff. Bachelorarb., Univ. Oldenburg.

Succow, M., Joosten, H. (2001): Landschaftsökologische Moorkunde. 2. Aufl. E. Schweizerbart, Stuttgart.

Titirici, M.-M., Thomas, A., Antonietti, M.(2007): Back in the black: hydrothermal carbonization of plant material as an efficient chemical process to treat the CO₂problem? New J. Chem. 31 (6), 787-789.

Tonn, B., Thumm, U., Claupein, W.(2008): Verbrennung von Landschaftspflegeheu. Pflanzenbestand und Schnittzeitpunkt als Einflussfaktoren auf die chemische Brennstoffqualität. Naturschutz und Landschaftsplanung 40, 367-372.

Wiegmann, K., Heintzmann, A., Petrs, W., Scheuermann, A., Seidenberger, T., Thoss, C.(2007): Bioenergie und Naturschutz: Sind Synergien durch die Energienutzung von Landschaftspflegeresten möglich? Unveröff. Endbericht an das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Darmstadt.

Wilmanns, O.(1998): Ökologische Pflanzensoziologie: eine Einführung in die Vegetation Mitteleuropas. Quelle & Meyer, Wiesbaden.