Pflanzen scheinen perfekt in Sachen Kreislaufökonomie: Sie fangen CO2 aus der Luft und binden es als Kohlenstoff. Sobald sie verrotten, geben sie das Kohlenstoffdioxid wieder frei. Doch es ist möglich, CO2 sogar langfristig der Atmosphäre zu entziehen: indem Pflanzen verkohlt und so zu festem Kohlenstoff werden. Lange schon machen Menschen aus Biomasse Holzkohle, um sie zu verheizen oder damit zu düngen. Terra Preta nennt sich die tiefschwarze, fruchtbare Erde, die indigene Menschen seit Jahrtausenden im Amazonasgebiet schaffen, wofür sie Pflanzenkohle unter anderem mit Dung vermengen. Die poröse Struktur macht Pflanzenkohle zum idealen Speicher für Mikroorganismen, Nährstoffe und Wasser.
Heute entsteht Pflanzenkohle immer häufiger in effizienten Hightech-Anlagen. So kann das Material als Baustoff oder Kunststoffersatz verwendet werden und die Kompostierung von Bioabfällen verbessern. Bei der Herstellung von Pflanzenkohle lässt sich sogar nachhaltig Energie erzeugen. Beim Verkohlen, der Pyrolyse, werden Pflanzenreste wie Grünschnitt, Restholz oder Abfallprodukte der Lebensmittelherstellung sauerstoffarm bei Temperaturen meist zwischen 400 und 750 Grad thermisch behandelt. Dabei trennen sich die Kohlenstoffverbindungen in Pyrolyse-Öl und -gase – mögliche Treibstoffe – und in die feste Pflanzenkohle.
Um das Potenzial des schwarzen Materials zu begreifen, hilft ein Gespräch mit Kathleen Draper. Sie ist US-Direktorin des Ithaka Instituts, eines internationalen Netzwerks für Kohlenstoff-Strategien, und Co-Autorin des Buches Burn: Using Fire to Cool the Earth (2019). Beim Videogespräch sitzt sie in ihrem Büro im Bundesstaat New York. „Moment“, sagt sie, eilt zu einem Regal hinter sich und hält einen dunkelgrau gesprenkelten Ziegelstein in die Kamera: „Der besteht aus recyceltem Plastik und Pflanzenkohle. Ich habe ihn mit meinen Studierenden in Gambia gemacht. Gerade für Länder, in denen es keine etablierten Plastik-Recyclingsysteme gibt, sind solche Anwendungen toll.“ Sie deutet neben sich: „Diese Wand enthält etwa 500 Gramm Pflanzenkohle, aber auch Materialien wie recyceltes Glas.“ Draußen, erzählt sie, stehe eine Klärgrube mit Pflanzenkohle – als reinigendes Filtermedium. „Solche Lösungen machen so viel Sinn.“ Draper forscht seit Jahren zu Pflanzenkohle, die immer mehr in den Fokus rückt. „Die Reise beginnt gerade erst.“
Böden verbessern
Der ursprüngliche Nutzen von Pflanzenkohle, also Böden zu verbessern, ist heute wissenschaftlich gut erforscht. Mitte 2022 könnte die neue EU-Düngemittelverordnung die landwirtschaftliche Anwendung ankurbeln: Darin werden weitere Ausgangsmaterialien für Pflanzenkohle zugelassen. Bislang erlaubt Deutschland etwa nur, Pflanzenkohle aus chemisch unbehandeltem Holz in den Boden einzubringen. Susanne Veser, Vorsitzende des Fachverbands Pflanzenkohle, kritisiert: „Es gibt keinen rationalen Grund, warum man den Einsatz hochwertiger Pflanzenkohle aus Grünschnitt oder Abfällen aus der Lebensmittelindustrie verbieten sollte.“ Auch Zertifikate wie das European Biochar Certificate sichern die Qualität, mit Grenzwerten für gesundheitsschädliche Stoffe.
Doch nicht jeder Boden profitiert gleichermaßen, weiß Dominic Woolf von der US-amerikanischen Cornell Universität. „Pflanzenkohle nützt eher Böden, die degradiert sind oder weniger gut Nährstoffe halten können.“ Dort kann sie dazu beitragen, dass mehr Humus entsteht und die Feuchtigkeit besser gehalten wird. Studien zeigen, dass der Ernteertrag in tropischen Regionen um durchschnittlich 25 Prozent gesteigert werden kann. Obendrein reichert sich Nitrat an der Pflanzenkohle an, das schützt das Grundwasser. Bevor sie zum Düngen in den Boden kommt, muss Pflanzenkohle mit Tier-Mist oder Kompost vermengt und so mit Nährstoffen angereichert werden, die sie anschließend an die Erde abgibt.
Großes Potenzial liegt für Veser vom Fachverband im Zusammenspiel von Pflanzenkohle-Anlagen und Bioabfall-Entsorgung. In Darmstadt begleitet sie den Bau einer Pyrolyseanlage, die Grünschnitt, holzige Abfälle und Siebüberläufe verkohlt. Zu Beginn muss die Biomasse getrocknet werden. Sobald der Prozess einmal in Gang gesetzt ist, passiert das mit der Energie aus der Abwärme, die bei der Pyrolyse frei wird. Parallel dazu werden vor Ort Abfälle der kommunalen Biotonne kompostiert. Dabei entstehen Treibhausgase wie Methan, aber auch stinkende Schwefelverbindungen. „Die Technik, um den Gestank rauszufiltern, frisst bei herkömmlichen Verfahren die meiste Energie“, sagt Veser. Wird Pflanzenkohle unter den Biomüll gemischt, entstehen weniger Gase, das reduziert nicht nur den Energieverbrauch, sondern auch die Treibhausgasemissionen. Gleichzeitig reichert sich die Pflanzenkohle mit wertvollen Nährstoffen an, wie Phosphor aus den Abfällen, die sie später als Dünger im Boden abgeben kann – ein Kreislauf.
Grafik: Eva Leonhard
Ein Endlager für CO2
Der wohl größte Nutzen von Pflanzenkohle im Kampf gegen die Klimakrise ist die Kohlenstoffspeicherung. Das hat auch der Weltklimarat 2018 in einem Bericht anerkannt. Dort nannte er zum ersten Mal Pflanzenkohle als einen Weg, der Atmosphäre Kohlenstoff zu entziehen und langfristig zu speichern. Denn eingearbeitet in den Boden bindet Pflanzenkohle auch nach 100 Jahren noch etwa 70 Prozent des Kohlenstoffs im Ackerboden, so hat US-Forscher Woolf berechnet. Das birgt immense Chancen: Da ein Kilogramm Pflanzenkohle den Kohlenstoff aus zwei bis drei Kilogramm CO2 speichert, könnten laut wissenschaftlichen Schätzungen im Idealfall weltweit jährlich bis zu 6,6 Milliarden Tonnen Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernt werden. Zum Vergleich: Laut dem Global Carbon Project wurden 2021 weltweit 36,4 Milliarden Tonnen CO2 ausgestoßen.
„Pflanzenkohle“, schreibt der Weltklimarat, „könnte einen bedeutenden Beitrag sowohl zur Eindämmung der Bodendegradation als auch des Klimawandels liefern.“ Pyrogene Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (PyCCS) heißt das im Fachjargon. „Neben Humusaufbau und Wiederaufforstung ist Pflanzenkohle die entscheidende Negativemissionstechnologie, denn sie lässt sich kurzfristig im Gigatonnen-Maßstab umsetzen und bietet wertvolle Co-Benefits“, sagt Daniel Kray, der an der Hochschule Offenburg zu Photovoltaik und Pflanzenkohle forscht. Noch effektiver wäre es, zusätzlich das Öl zu speichern, das bei der Pyrolyse entsteht. Zum Beispiel in alten Erdöllagerstätten: „Das wäre ungefährlich und ökologisch sinnvoll, aber teuer.“ Besser: das Öl nutzen und speichern, etwa beigemischt in Asphalt.
Und Pyrolyse kann noch mehr, zum Beispiel Treibstoff herstellen. Das Ithaka Institut wird ab Februar ein Pyrolysegerät in Nepal erproben, das sich auch in Dörfern einsetzen lässt. Es soll Plastikabfälle in Kerosin umwandeln und so eine emissionsarme Alternative zu Brennholz liefern.
Noch effizienter lässt sich Energie gewinnen, indem die Abwärme, die bei der Pyrolyse entsteht, auch als Fernwärme genutzt wird. Das erprobt seit April der Stromversorger IWB in Basel. Langfristig sollen etwa 170 Haushalte jährlich mit 1,5 Gigawattstunden Wärme beliefert werden, die beim Verkohlen von Grünschnitt entsteht. Zusätzlich sollen pro Jahr 550 Tonnen Pflanzenkohle abfallen.
Mitunter ist zum Ankurbeln der Pyrolyse Energiezufuhr von außen notwendig, wie Wissenschaftler Woolf erklärt. „Am besten ist es, dafür das bei der Pyrolyse entstehende Öl und Gas zu verbrennen.“ Doch weil es bei geringerer Temperatur und weniger effizient als Erdgas verbrennt, hält er die Stromerzeugung bei der Pflanzenkohleproduktion aktuell nicht für konkurrenzfähig mit Solar- oder Windstrom.
Unter bestimmten Bedingungen könnte es sich allerdings doch lohnen. Dafür muss das Pyrolysegas, das vor allem aus Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid, Methan, Wasser und Kohlenstoffdioxid besteht, zunächst von Verunreinigungen wie Teer befreit werden. Dann kann es in effizienten Blockheizkraftwerken (BHKW) eingesetzt werden. Diesen Ansatz verfolgt das Tiroler Unternehmen Syncraft Engineering. Der Dreh: Bei Syncraft zielt die Pyrolyse von Waldrestholz nicht auf eine möglichst hohe Ausbeute von Pflanzenkohle ab. Deshalb kann gewinnbringend Abwärme generiert und zusätzlich das Gas zum Antrieb von Motoren genutzt werden, um grünen Strom zu erzeugen.
Hoffen auf Wasserstoff
Der Bedarf daran wächst. In diesem Zusammenhang hoch gehandelt: grüner Wasserstoff. Auch Syncraft Engineering will künftig grünen Wasserstoff mit Eisen aus Wasserdampf gewinnen – mithilfe von Pyrolyse. Dazu entwickelt das Unternehmen gerade ein Verfahren, das sich die chemischen Eigenschaften des Pyrolysegases zunutze machen soll, um die Produktion kreislauffähig zu machen. Das 2017 im baden-württembergischen Giengen gegründete Unternehmen Carbonauten wiederum möchte aus Pyrolysegas grünen Strom erzeugen, mit dem dann Wasserstoff produziert werden könnte. Für 3,6 Millionen Euro baut es gerade in Eberswalde bei Berlin eine Anlage. Anfang Dezember hieß es: Ab Frühjahr 2022 sollen dort 108 Tonnen grüner Wasserstoff jährlich produziert werden. Wissenschaftler:innen wie Woolf sind skeptisch, ob die Wasserstoffproduktion der beste Verwendungszweck für die Pyrolysegase ist: „Derzeit stellt man grünen Wasserstoff besser mit Solar- oder Windenergie her, mit Pyrolyse wäre das wahrscheinlich zu teuer. Denn Verunreinigungen wie Schwefel in den Gasen beschädigen die Katalysatoren, wenn sie nicht mit teuren Filtersystemen entfernt werden.“
Ein Besuch in Eberswalde Anfang Januar: Die mehr als 3.000 Quadratmeter große Halle, früher ein Stahlwerk, ist zugig-kalt und fast leer, verloren reihen sich vier Brennöfen aneinander. „Die meisten Teile werden erst im Februar und März geliefert“, sagt Co-Gründer Christoph Hiemer. Auch das Genehmigungsverfahren habe sich hingezogen. Wann also wird Wasserstoff fließen? „Erst in einem halben Jahr wissen wir, ob die Qualität unseres Pyrolysegases gut genug für ein BHKW ist.“ Davon hängt ab, ob es genug Strom für die Wasserstoffproduktion gibt. Ansonsten wird Fernwärme erzeugt und die Abwärme genutzt, um Reststoffe zu trocknen – regionale Abfälle, Restholz aus Sägewerken, Material von Kompostieranlagen. Bald möchte die Firma Herstellern zuliefern, die aus einem Polypropylen-Pflanzenkohle-Mix etwa Kofferraummatten und Gartengeräte machen.
Die Branche wächst weltweit stark, so Hansjörg Lerchenmüller, der den Verband European Biochar Industry Consortium (EBI) mitgegründet hat: „Die Produktionskapazität in Europa hat sich von 2018 auf 2020 verdoppelt: auf 20.000 Tonnen Pflanzenkohle. Der Trend hält an.“ Lerchenmüller ist Investor beim Pflanzenkohleproduzenten Carbuna und Mitgründer von Carbonfuture. Das Start-up handelt mit Zertifikaten für Kohlenstoffsenken. Die Nachfrage wächst, Carbonfuture hat gerade 2,3 Millionen Euro Investitionen eingesammelt. Zu Recht, denn Pflanzenkohle-Zertifikate seien, sagt Forscher Kray, die „Champions League“ der Kompensation. „Es ist eindeutig nachvollziehbar, wie viel CO2 tatsächlich dauerhaft der Atmosphäre entzogen wird.“ US-Forscher Woolf sieht zudem Chancen für die Stromerzeugung: „Wenn wir Pflanzenkohle-Produzenten dafür bezahlen, Kohlenstoff aus der Luft zu entfernen, dann könnte es sich lohnen, dabei auch grünen Strom zu erzeugen.“
Porös, kohlenstoffhaltig, schwarz und vielseitig einsetzbar: Pflanzenkohle ist ein Rohstoff der Zukunft (hier unterm Mikroskop).
