PyCCS

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“).

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

Diskussion der Theorie

Primärbrennkammer einer experimentellen Pyrolyseanlage (Botanischer Garten Berlin 2022, Projekt Terra BoGa 2007–2014)

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, dessen Temperaturbereich abhängig vom Ausgangsstoff schwankt, entstehen drei kohlenstoffhaltige Erzeugnisse, sogenannte Biomassekarbonisate, die anschließend zur Erzeugung negativer Emissionen auf unterschiedliche Weise gespeichert werden können: Eine feste Biokohle (gelegentlich Pyrochar genannt, pyrogener Kohlenstoff), eine pyrolytische Flüssigkeit (Kreosot, welches krebserregende Substanzen enthält) und ein Pyrolysegas (dominiert von den brennbaren Gasen CO, H₂ und CH₄), das nach der Verbrennung als CO₂ in geologische Speicher verbracht werden könnte.

Aktuelle Anlagen sind grundlastfähig und können nach initialer Energiezufuhr durch einen einstelligen Prozentbetrag des entstehenden Pyrolysegases betrieben werden. Sie können bis zu 70 Prozent des in den Prozess eingebrachten Kohlenstoffs speichern (davon 20 bis 60 Prozent in Form von Biokohle). Prozesstemperaturen über 500 °C resultieren dabei in der Pflanzenkohle mit dem längsten CO₂-Bindungspotential. In niedrigeren Temperaturbereichen können die Ausbeute und die Kohlenstoffeinlagerung der Pflanzenkohle durch Zugabe von Asche gesteigert werden.

In Anbetracht der Knappheit der sinnvoll einzusetzenden Biomasse für die Verkohlung 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. Aktuelle Hersteller gehen daher von einem effektiven Umkreis von 50 bis 70 km aus, aus dem verkohlbare Biomasse nach ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten für stationäre Anlagen beschafft werden sollte.

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, sowie „integraler Bestandteil des Klimaschutzes“. Die Ausgangstechnologie wird als „etabliert“ bewertet und bei ausreichenden Anreizen eine globale Verbreitung der Technologie innerhalb von zehn bis dreißig Jahren angenommen (Stand: 2018). Die DENA attestiert PyCCS Potenzial und weiterhin hohen Forschungsbedarf.

Zur Abwägung der zahlreichen Standortfaktoren und Prozessparameter von PyCCS wird der Einsatz von Machine Learning diskutiert. Die schwedische Innovationsagentur Vinnova förderte von 2022 bis 2023 die Prozessoptimierung elektrisch betriebener Pyrolyse (PyCCS-kiln). Zur Verlängerung der Kohlenstoffbindungsdauer und weiterer bodenökologischer Faktoren wird auch die Kombination mit beschleunigter mineralischer Verwitterung (enhanced weathering), einer weiteren CDR-Technologie, erforscht.

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, Biomacon und Pyreg (beide Deutschland) auf Pflanzenkohle spezialisiert. Die Carbonauten (Deutschland) gedenken PyCCS-Erzeugnisse als Bau- und Werkstoffe zu nutzen. Die MIT-Ausgründung Takachar (Indien) und Pyrotech Energy (Australien) bieten mobile Systeme auf Anhängern an. Circular Carbon (Deutschland) entwickelt eigene Anlagen und produziert Pflanzenkohle beispielsweise aus Kakaoresten einer benachbarten Schokoladenfabrik. Einzelne erwägen die Zusammenführung mit dem Anbau von Nutzhanf.

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

Novocarbo betreibt einige Anlagen in Deutschland und bietet wie andere Anwender neben den Endprodukten auch CO₂-Zertifikate an.

Wirtschaftlichkeit

Kostenschätzungen für eine idealtypische PyCCS-Anwendung gingen 2015/2016 von 150–165 US-$ (ca. 130–145 €) Kosten pro Tonne CO₂ aus. Neuere Studien weisen gar niedrigere Beträge aus. 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.

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

Ökologisches Potential

Potentielle Umwelt- und Ernährungspotentiale durch flächenneutrales LCN-PyCCS

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)

Aufgrund der komplexen Standort- und Anwendungskriterien ist PyCCS bisher nicht in den Modellierungen des Weltklimarats (IPCC) berücksichtigt worden. 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. 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. Laut des Interessen- und Fachverbandes European Biochar Industry (EBI) könnte PyCCS alle der bis 2050 verbleibenden Treibhausgasemissionen kompensieren, sofern gegenwärtige Emissionsreduktionsziele eingehalten werden.

Insbesondere in Regionen mit wenig fruchtbaren Böden kann PyCCS durch die mittelfristige Verbesserung der Bodenqualität einen deutlich größeren Beitrag zum Klimaschutz leisten als klassische Biomasseheizkraftwerke, doch auch in fruchtbaren Regionen kann PyCCS Vorteile bieten. 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.

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. Auch die Gesamtverfügbarkeit von Biomasse ohne Nutzungskonflikte ist begrenzt. Im Bereich Forschende plädieren deshalb parallel für eine stark beschleunigte Emissionsreduktion, um den ökologischen Druck so gering wie möglich zu halten.

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.

Siehe auch

• Carbon Farming
• HTC-Verfahren
• Paludikultur

Weblinks

• Hamburger Firma stellt "Biokohle" aus Kakaoschalen her. Videobeitrag zu Abfallverwertung und Hersteller Circular Carbon, AFP Deutschland, 5. Juni 2023, 2 Minuten.
• Neue Technologien zur CO2-Reduktion. Fernsehbeitrag zu PyCCS und Hersteller Pyreg, tagesschau-Beitrag, 31. Mai 2023, 5 Minuten.
• Pflanzenkohle der Carbonauten ist ein echter C0₂-Killer. Fernsehbeitrag zur industriellen Nachnutzung von CCS-Produkten, ntv-Startup-Magazin, 4. Februar 2023, 5 Minuten.

Literatur

• Constanze Werner, Hans-Peter Schmidt, Dieter Gerten, Wolfgang Lucht, Claudia Kammann: 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

Einzelnachweise

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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. Gregory F Nemet, Max W Callaghan, Felix Creutzig, Sabine Fuss, Jens Hartmann, Jérôme Hilaire, William F Lamb, Jan C Minx, Sophia Rogers, Pete Smith: Negative emissions—Part 3: Innovation and upscaling. In: Environmental Research Letters. Band 13, Nr. 6, 1. Juni 2018, ISSN 1748-9326, S. 063003, doi:10.1088/1748-9326/aabff4 (iop.org [abgerufen am 3. Februar 2023]). 
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5. 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.
6. Pflanzenkohle der Carbonauten ist ein echter C02-Killer. In: n-tv NACHRICHTEN. 4. Februar 2023, abgerufen am 4. Februar 2023. 
7. Hansjörg Lerchenmüller: CO2 raus – Pflanzenkohle rein! In: Wald.Holz.Energie. Kohlenstoffsenke Holzwirtschaft. Österreichischer Biomasse-Verband, Dezember 2021, S. 64–74 (igwaldviertel.at [PDF]). 
8. 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]). 
9. 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]). 
10. Teichmann: Klimaschutz durch Biokohle in der deutschen Landwirtschaft: Potentiale und Kosten. (PDF) Abgerufen am 19. Februar 2020. 
11. BUND: Terra Preta / Pyrolysekohle: BUND-Einschätzung ihrer Umweltrelevanz. Abgerufen am 19. Februar 2020. 
12. Ute Scheub: Allheilmittel für Böden und Klima?: Pflanzenkohle als Retter. In: Die Tageszeitung: taz. 6. Dezember 2018, ISSN 0931-9085 (taz.de [abgerufen am 25. Februar 2023]). 
13. Johanna Böhnke: Das CO₂ muss weg! Können wir das Klimagas aus der Atmosphäre holen? In: Welt der Wunder. 9. August 2022, abgerufen am 25. Februar 2023 (deutsch). 
14. 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]). 
15. 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]). 
16. 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]). 
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39. 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]). 
40. Heike Nitsch: Einsatz von Pflanzenkohle in der Landwirtschaft. Chancen und Herausforderungen. Institut für Ländliche Strukturforschung, Geothe-Universität Frankfurt am Main, Frankfurt am Main 19. Januar 2023 (ifls.de [PDF]). 
41. 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]). 
42. Jens Tartler: "Ein altes Verfahren aus dem Amazonas elektrisiert die Klimaschützer" tagesspiegel.de, 13. September 2019, angerufen 27. Mai 2020.
43. 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]). 
44. 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]).