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www.leuphana.de
AKTIVIERTE PFLANZENKOHLE AUS ELBAUEN
INNOVATIONS-INKUBATOR LÜNEBURG
28. APRIL 2015
Frank Krüger, Sabrina Wolski, Caroline Thiem, Prof. Dr. Brigitte Urban
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1. Einleitung/Hintergrund
Partner, Elbe, Schadstoffproblematik der Auen, Biosphärenreservat,
Nutzungsmöglichkeiten & Einschränkungen, PYROLYSE, Untersuchungsgebiete
2. Projektziele & Vorgehen
3. Rezepte und Versuche
4. Ausgewählte Ergebnisse
5. Betrachtungen zur Wirtschaftlichkeit
6. Fazit und Ausblick
ÜBERBLICK
Seite 2
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PROJEKTLAUFZEIT
01.05.2013 bis 30.04.2015
KOOPERATIONSPARTNER
Partner aus der Region:
Gräflich von Bernstorff‘sche Verwaltung
ERDE Institut & ERDE Innovation
Biosphärenreservatsverwaltung Niedersächsische Elbtalaue
Weiterer Partner:
PYREG GmbH, Dörth
1. EINLEITUNG
Innovations-Inkubator F&E Projekt „Aktivierte Pflanzenkohle aus Elbauen“
Seite 3
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1. EINLEITUNG
Dioxinkontamination von Böden entlang der Elbe
Seite 4
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
0 100 200 300 400 500
Wehr
Geesthacht
600
Kilometrierung
Dio
xin
e/F
T
EQ
n
g/k
g
Mulde-Adhoc, 2003, 0-10 cm, WHO
Elbe-NLfB, 1993, 0-5 cm, NATO
Elbe-NLfB, LWK, 2003, 0-10 cm, NATO
Elbe-LUA, 2001, 0-10, NATO
Elbe-LAU, 2006, 0-10 cm, NATO
Elbe-Adhoc, 2003, 0-10 cm, WHO
Deutsch-
Tschechische
Grenze
Nebenfl.
Mulde und
Saale
Fließrichtung
Ca. 30.000 ha
Lage des Untersuchungsgebietes bei Elbe-km 513
Richtwert der Bund- Länder AG Dioxine bei landwirtschaft- licher Nutzung: 40 ng TEQ/kg
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Schadstoffeinträge über belastetes Hochwasser
Seite 5
(Historische)
Kontamination der
Böden durch Dioxine
und Schwermetalle
Risiko der Höchstwert-
überschreitung in Futter-
und Lebensmitteln Einschränkungen
der wirtschaftlichen
Nutzung von Grünland-
flächen in den Elbauen
1. EINLEITUNG
Schadstoffproblematik der Elbauen
© Artlenburger Deichverband
Alternativ: NEUE WERTSCHÖPFUNGEN außerhalb der FUTTER- und NAHRUNGS-MITTELPRODUKTION: z.B. Pflanzenkohle
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Seite 6
1. EINLEITUNG
Nutzungsansprüche/Schutzgüter der Elbauen im Biosphärenreservat
Niedersächsische Elbtalaue (Modellregion für nachhaltiges Wirtschaften)
Naturschutz Landwirtschaft
Energieproduktion
Siedlung, Hochwasserschutz Schiffahrtsweg
Tourismus
Erholung
Folie: Biosphärenreservatsverwaltung
Nutzung der Auen ist bedeutsam für viele Schutzgüter!!
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1. EINLEITUNG Warum Pyrolyse und PYREG® P500 Anlage?
Seite 7
FLOX-Brenner
Wichtig: T > 530 °C
Wichtig: T > 900 °C
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1. EINLEITUNG
Warum Pyrolyse und PYREG® P500 Anlage? Herstellung aktivierter
Pflanzenkohle, Temperaturverlauf der Pyrolyse
Seite 8
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1. EINLEITUNG
Warum Pyrolyse und PYREG® P500 Anlage? Herstellung aktivierter
Pflanzenkohle, Temperaturverlauf der Pyrolyse
Seite 9
Bedingungen: PYROLYSE – Temperaturen müssen über dem Sidepunkt (>530 °C) der Dioxine liegen. Verdampfen der Dioxine Abtransport im Abgasstrom/ Zuführung zum FLOX-Brenner (flammenlose Oxidation bei T 1000-1250°C) Endgültige Zerstörung der Dioxine bei T > 900 °C (UBA)
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2. PROJEKTZIEL & VORGEHEN /Arbeitspakete
Herstellung aktivierter Pflanzenkohle
Seite 10
Pyrolyse mit einer
PYREG® P500
Anlage
Bei Temperaturen
>1000°C werden
Dioxine zerstört
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1. EINLEITUNG
Biosphärenreservat Niedersächsische Elbtalaue eine „Modellregion für nachhaltiges Wirtschaften“
Seite 11
UNESCO
Biosphärenreservat
Flusslandschaft Elbe
Länge 100 km,
Größe des Vorlandes 6400 ha
http://www.elbtalaue.niedersachsen.de
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1. EINLEITUNG
Untersuchungsgebiet zur Gewinnung von Biomasse
Seite 12
Grünland - Wehninger Werder
Wiesenfuchsschwanz-Wiese
Länge: 2 km, Größe: 140 ha
Standort repräsentativ für die Elbauen an
der unteren Mittelelbe
Grasschnitt und Ernte Mai 2013
Rohrglanzgras-Röhricht
Grasschnittt Juni 2014
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1. EINLEITUNG
Untersuchungsgebiete in Niedersachsen, Herkunft der Versuchsböden
Seite 13
Ackerbrache - Wehningen
Feinsand, Gley-Podsol geringes
landwirtschaftliches Ertragspotenzial
Bodenprobenahme
Juni 2014
Ackerstandort - Gummern
Biol. Bewirtschaftung, ̴20 m³ Gärrest-Düngung
Feinsand, Auengley geringes
landwirtschaftliches Ertragspotenzial
Bodenprobenahme
September 2013
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2. PROJEKTZIEL & VORGEHEN,
Charakterisierung von Untersuchungsflächen und Futtermitteln
Seite 14
•handgeschnittenes Gras
0,4 ng TEQ/kg, Verschmutzung: 0,1 - 0,2 %
•maschinengeschnittenes Gras
6,6 ng TEQ/kg, Verschmutzung: 2,2 - 2,8 %
•maschinengeerntetes, gehäckseltes Heu
3,0 & 4,5 ng TEQ/kg, Verschmutzung: 1,0 - 1,9 %
Elbauenboden, 0-1 cm: 230 & 242 ng TEQ/kg
0-10 cm: 212 & 284 ng TEQ/kg
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2. PROJEKTZIEL & VORGEHEN, Biokohleproduktion 2013 &14 mittels PYREG® P500 Anlage
Seite 15
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2. PROJEKTZIEL & VORGEHEN
Charakterisierung der Biokohle
Seite 16
•Pflanzenkohle
Aus Wiesenfuchsschwanz 2013:
PCDD/Fs 0,3 ng WHO TEQ/kg Mehr als 95 %
zerstört (auch als Futtermittel geeignet!)
Zn 340 mg/kg
PAK 82 mg/kg
PAK Batch-Versuch: 1,9 mg/kg
Aus Rohrglanzgras 2014:
PCDD/Fs 0,021 ng WHO TEQ/kg (auch als Futtermittel geeignet!)
Zn 450 mg/kg
PAK 17,2 mg/kg
C 52,3 - 65 %
N 1,38 - 2,0 %
pH 9,9
Spez. Oberfläche 147 - 119 m²/g
H/C = 0,14 - 0,23
O/C = 0,03
Sehr stabil!
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3. REZEPTE und VERSUCHE
„Rezepturen“
Seite 17
Mischungen
Gärreste
(Gartow)
Hühnertrockenkot
(Kröte/Gartow)
Pflanzenkohle
Kontrolle Pflanzen-
kohle-
substrate
(PKS)
Kohle-Applikationen
0 g/m² Kontrolle ≙ 0 t/ha
50 g/m² PKS I
100 g/m² PKS II ≙ 1 t/ha
500 g/m² PKS III
1.000 g/m² PKS IV ≙ 10 t/ha
5.000 g/m² PKS V
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Wachstums- und Leachingversuche
(in Lysimetern)
- Biomasseproduktion und Entwicklung
- Sickerwasser Mengen, Nähr- und
Schadstoffgehalte
3. REZEPTE und VERSUCHE
Übersicht über Experimente
Seite 18
Mikrobiologische Untersuchungen
(in Eimern)
- CO2-Ausgasung
- Mikrobielle Biomasse (Cmik)
Klimakammer
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3. REZEPTE und VERSUCHE
Übersicht über Experimente
Seite 19
Bodenphysikalische und Wachstumsversuche
(in kleinstparzelligen Freilandversuchen), Campus Rotes Feld
- Bodenwasserhaushalt
- Nährstoffverfügbarkeit
- Biomasse
Pro Parzelle: 0,2 x 0,15 x 1,0 m
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Oberirdische Biomasse, Sommergerste, M5
Seite 20
Kohle-Applikation [g/m2] in Pflanzenkohlesubstraten
M5
_Ob
eri
rdis
che
B
iom
asse
TG
[g]
50
40
30
20
10
0 50 100 1000 5000
4. ERGEBNISSE
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Kornerträge, Sommergerste, M5
Seite 21
Kohle-Applikation [g/m2] in Pflanzenkohlesubstraten
M5
_Kö
rne
r TG
[g]
25
20
15
10
5
0
0 50 100 1000 5000
![Page 22: AKTIVIERTE PFLANZENKOHLE AUS ELBAUEN - · PDF fileCa. 30.000 ha Lage des Untersuchungsgebietes bei Elbe-km 513 ... Feinsand, Gley-Podsol geringes landwirtschaftliches Ertragspotenzial](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051508/5a9d1b357f8b9a032a8b682a/html5/thumbnails/22.jpg)
Oberirdische Biomasse, Grasmischung
Seite 22 Aktivierte Pflanzenkohle aus Elbauen · Leuphana Universität Lüneburg · Frank Krüger
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Nährstoffverfügbarkeiten, Bsp. Ammonium-N
Seite 23
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Bei Kohle-Applikation höherer CO2- Ausstoß erkennbar
Erhöhte mirkobiol. Aktivität als Hinweis auf verbesserte Lebensbed. im Boden
Bodenatmungsversuche (in Eimern)
Seite 24
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Bodenwasserhaushalt
Seite 25
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Lagerungsdichte
Seite 26
Einige der bodenverbessernden Eigenschaften der Pflanzenkohle sind noch gar nicht ertragssteigernd wirksam geworden
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5. BETRACHTUNGEN zur WIRTSCHAFTLICHKEIT
Landwirtshaftskammer Uelzen, 03.04.2007
Seite 27
Russische Delegation
11,5%5,7%
8,1%
0,2%
9,4%62,0%
3,1%
Bracks, Seen,
Graeben
Busch, Baeume,
Wald
Deich incl.
Verteidigungsweg
Sommerdeich
Elbufer und
Auenbereich
LN
Sonstige
Nutzungsart Fläche
(ha)
Flächenanteil
(%)
Landwirtschaftliche Nutzfläche (LN) 4.315,8 62,0
Deich incl. Verteidigungsweg 564,3 8,1
Sommerdeiche 12,3 0,2
Ufer- und Auenbereich 654,9 9,4
Busch, Bäume, Wald 399,3 5,7
Bracks, Seen, Gräben 802,7 11,5
Sonstige (Verkehrs- und Siedlungsflächen, …) 212,7 3,1
Gesamtes Untersuchungsgebiet 6.961,9 100
Bericht: Analyse zur Feststellung der Betroffenheit landwirtschaftlicher Betriebe in der Elbtalaue aufgrund der Dioxinbelastung auf den Außendeichsflächen.
Auenvorlandflächen, 62 % landwirtschaftliche Nutzfläche, davon 90 Grünland, mähfähig: ca. 3.500 ha
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5. BETRACHTUNGEN zur WIRTSCHAFTLICHKEIT
Erntekosten_Grünland_Landwirtschaftskammer
Seite 28
Deckungsbeitragsberechnung zur Erzeugung von Heu - 2 Schnitte
Grundlegende Angaben
Produkt: Heu ab Lager Standort: Flußmarsch
Erzeugung: zum Verkauf Düngung: normal
Ernteverfahren: Rundballen Schlaggröße: 5 ha
Verwertungsform: Futter/Carbonisierung Schnittzeitpunkt: Beginn der Blüte
Betrachtungszeitraum: 5 Jahre (2009-2013) Güllerücknahme: nicht vorgesehen
Trockenmasseertrag - Feldbestand 60 dt TM/ha MwSt.: mit MwSt.
Gesamtkosten: ca. 560 € Aber: Transferzahlungen: 300 € Naturschutzausgleich: 250 € Daraus folgt: Kostendeckung der Biomassewerbung
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5. BETRACHTUNGEN zur WIRTSCHAFTLICHKEIT
Biomasse- und Kohleproduktion
Seite 29
2,75 t/ha
Heu/Schnitt
-5,5 t/ha*a
Kohleausbeute
3:1
1,8 t/ha*a
Pflanzenkohle
Applikation:
Rezept mit
z.B. 1 t/ha PK
Pflanzenkohle
Pflanzenkohle-Produktion: bis zu 40 kg / h - 350 t / Jahr.(brennstoffabhängig), www.pyreg.de
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5. BETRACHTUNGEN zur WIRTSCHAFTLICHKEIT
Potenziale
Seite 30
6.300 t
Pflanzenkohle
aus dem
Elbevorland
LK
Lüchow-Dan.:
Ackerland:
47.000 ha
Pflanzenkohle-Produktion: bis zu 40 kg / h - 350 t / Jahr. >>>>18 Anlagen für je 194 ha Grünland
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5. BETRACHTUNGEN zur WIRTSCHAFTLICHKEIT
Langfristige Erwartungen zu Erträgen aufgrund des Einsatzes von
Pflanzenkohlesubstraten ?
Seite 31
Ca. + 10 %
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6. BETRACHTUNGEN zur WIRTSCHAFTLICHKEIT
Erlöse aus Pflanzenkohle vs. Erlöse aus der landwirtschaftlichen
Ertragssteigerung
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Ca. + 10 %
Oder doch +25 - + 40 %
• Durchschnittliche Umsatzerlöse: 2000,00 €/ha (Fricke, LWK) • Vs. Aktuelle Preise für Pflanzenkohle von 500,00 €/t (PYREG) bei konservativer Kalkulation von 350,00 €/t • Hohe Erlöse (bis 1/3) sind aus dem Verkauf von Wärmeenergie zu erzielen (in dezentraler Lage?)
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Dioxine wurden durch Pyrolyse zerstört
PK aus Grünland weist Parameter für hohe Stabilität auf
Bodenatmung wird durch Pflanzenkohle verbessert
Pflanzenwachstum/-ertrag wird durch niedrige (100g/m2) Pflanzenkohle-Applikationen
mit Wirtschaftsdüngern erhöht
Pflanzenkohle kann den Wasserhaushalt positiv beeinflussen
(Kein kritischer Austrag von Nährstoffen und SM)
Optimierungdbedarf bei der Biomassezuführung
Pflanzenkohle kann eine Nutzungsalternative für die Auenvegetation darstellen
Business-Case bis dato nicht identifiziert
6. FAZIT
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• Langfristige Wirkung der PKS-Substrate auf Böden
• Langfristige Wirkung der PKS-Substrate auf andere Früchte und Fruchtfolgen
• Großmaßstäbige Versuche, Freiland
• Aufklärung der Nährstoffbindungs- und Freisetzungsprozesse
• Weitere Versuche mit pellettiertem Heu
• PAK-Vermeidung beim Herstellungsprozess
• Zukünftige Berücksichtigung des CO2-Zertifikate-Handels
• Überzeugungsarbeit……………….es gibt weiterhin viel zu tun!
6. AUSBLICK
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Projektleitung Prof. Dr. Brigitte Urban [email protected]
Wissenschaftliche Mitarbeiter Dipl. Biol. Frank Krüger [email protected]
M.Sc. Biol. Caroline Thiem [email protected]
M.Sc. Geogr. Sabrina Wolski [email protected]
Leuphana Universität Lüneburg
Institut für Ökologie, C13.116
Scharnhorststraße 1
21335 Lüneburg
www.leuphana.de/inkubator-pflanzenkohle
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
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Seite 36 17.09.2014 Aktivierte Pflanzenkohle aus Elbauen · Leuphana Universität Lüneburg · Caroline Thiem
© Artlenburger Deichverband
Auflaufendes Hochwasser im Elbvorland zwischen Brackede und Barförde, Landkreis Lüneburg innerhalb des
Biosphärenreservats Niedersächsische Elbtalaue September 2009