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“). Das Verfahren gilt als bisher wenig berücksichtigte „CDR-Technologie mit geringen Risiken“.[2]
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Diskussion der Theorie
BearbeitenPyrolyse ist die thermische Behandlung von Biomasse bei 350 bis 900 °C in einer sauerstoffarmen Atmosphäre. Während dieses Prozesses, dessen Temperaturbereich abhängig vom Ausgangsstoff schwankt,[4] entstehen drei kohlenstoffhaltige Erzeugnisse, sogenannte Biomassekarbonisate,[5] 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.[6]
Aktuelle Anlagen sind grundlastfähig und können nach initialer Energiezufuhr durch einen einstelligen Prozentbetrag des entstehenden Pyrolysegases betrieben werden.[7] Sie können bis zu 70 Prozent des in den Prozess eingebrachten Kohlenstoffs speichern (davon 20 bis 60 Prozent in Form von Biokohle).[8] Prozesstemperaturen über 500 °C resultieren dabei in der Pflanzenkohle mit dem längsten CO2-Bindungspotential.[9] In niedrigeren Temperaturbereichen können die Ausbeute und die Kohlenstoffeinlagerung der Pflanzenkohle durch Zugabe von Asche gesteigert werden.[10]
In Anbetracht der Knappheit der sinnvoll einzusetzenden Biomasse für die Verkohlung[11] 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.[12] 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.[7]
Anwendbarkeit
BearbeitenIm 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[13] und bereits kurzfristig anwendbar[6][14], sowie „integraler Bestandteil des Klimaschutzes“.[15] Die Ausgangstechnologie wird als „etabliert“ bewertet und bei ausreichenden Anreizen eine globale Verbreitung der Technologie innerhalb von zehn bis dreißig Jahren angenommen (Stand: 2018).[16][8] Die DENA attestiert PyCCS Potenzial und weiterhin hohen Forschungsbedarf.[17]
Zur Abwägung der zahlreichen Standortfaktoren und Prozessparameter von PyCCS wird der Einsatz von Machine Learning diskutiert.[18] Die schwedische Innovationsagentur Vinnova förderte von 2022 bis 2023 die Prozessoptimierung elektrisch betriebener Pyrolyse (PyCCS-kiln).[19] Zur Verlängerung der Kohlenstoffbindungsdauer und weiterer bodenökologischer Faktoren wird auch die Kombination mit beschleunigter mineralischer Verwitterung (enhanced weathering), einer weiteren CDR-Technologie, erforscht.[20][21]
Ein Modellprojekt in Windach demonstrierte die Kopplung von PyCCS mit der kommunalen Wärmeversorgung.[2]
Hersteller und Marktsituation
BearbeitenWeltweit 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,[22] Biomacon und Pyreg[23] (beide Deutschland) auf Pflanzenkohle[24] spezialisiert. Die Carbonauten (Deutschland) gedenken PyCCS-Erzeugnisse als Bau- und Werkstoffe zu nutzen.[25] Die MIT-Ausgründung Takachar (Indien) und Pyrotech Energy (Australien) bieten mobile Systeme auf Anhängern an.[26][27] Circular Carbon (Deutschland) entwickelt eigene Anlagen und produziert Pflanzenkohle beispielsweise aus Kakaoresten einer benachbarten Schokoladenfabrik.[28] Einzelne erwägen die Zusammenführung mit dem Anbau von Nutzhanf.[29]
Die Kapazitäten bisheriger Pyrolyseanlagen und -Hersteller[30] sind trotz hoher Wachstumszahlen von 60 bis 90 Prozent pro Jahr[31] begrenzt, sodass Anreize zur Breitenwirksamkeit der Technologie empfohlen werden.[15] Daniel Kray (Hochschule Offenburg) empfiehlt zur Marktreifung eine verstärkte industrielle Kooperation und Schritte zur koordinierten Beobachtung der Technologie.[31] Eine einfache Anlage für den Betrieb mit Lignocellulose zur Herstellung von Pflanzenkohle ist rudimentär als Open-Source-Hardware dokumentiert.[32][33]
Novocarbo betreibt einige Anlagen in Deutschland und bietet wie andere Anwender neben den Endprodukten auch CO2-Zertifikate an.[34]
Wirtschaftlichkeit
BearbeitenKostenschätzungen für eine idealtypische PyCCS-Anwendung gingen 2015/2016 von 150–165 US-$ (ca. 130–145 €) Kosten pro Tonne CO2 aus.[35] Neuere Studien weisen gar niedrigere Beträge aus.[36] 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.[37]
Die Technologie eignet sich besonders zur regionalen Wertschöpfung[38], Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion um lokal 10 und mehr Prozent,[39] der Kaskadennutzung von Biomasseprodukten[40] und Cradle-to-Cradle. Für positive Nebeneffekte (Co-Benefits) sollte idealerweise eine Nutzung aller Endprodukte (Pflanzenkohle, Pyrolyseöl/-gas, Abwärme) und kontinuierlicher Betrieb sichergestellt werden.[36][41] Forscher empfehlen die Berücksichtigung in Förder- und Modellvorhaben der kommunalen Wärmewende.[2]
Ökologisches Potential
BearbeitenKohlenstoffbindung | 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;[42] dem Verfahren kommt erst in jüngster Zeit größere Aufmerksamkeit zu.[43] 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.[44] 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.[45] Laut des Interessen- und Fachverbandes European Biochar Industry (EBI) könnte PyCCS alle der bis 2050 verbleibenden Treibhausgasemissionen kompensieren, sofern gegenwärtige Emissionsreduktionsziele eingehalten werden.[46]
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.[44] 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.[1][47]
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.[48] Auch die Gesamtverfügbarkeit von Biomasse ohne Nutzungskonflikte ist begrenzt.[42] Im Bereich Forschende plädieren deshalb parallel für eine stark beschleunigte Emissionsreduktion, um den ökologischen Druck so gering wie möglich zu halten.[48] PyCCS dürfe nicht das eigentliche Gebot der Emissionsreduktion verwässern.[2][47]
Qualitätssicherung
BearbeitenUm 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.[8] Zudem müssen im mehrstufigen Prozess doppelte Anrechnungen der Kohlstoffbindung vermieden werden.[49]
Siehe auch
BearbeitenWeblinks
Bearbeiten- 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
Bearbeiten- 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
- Aisha Al-Rumaihi et al.: A review of pyrolysis technologies and feedstock: A blending approach for plastic and biomass towards optimum biochar yield. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Band 167, Oktober 2022, S. 112715, doi:10.1016/j.rser.2022.112715.
- Guo Ren Mong et al.: Progress and challenges in sustainable pyrolysis technology: Reactors, feedstocks and products. In: Fuel. Band 324, September 2022, S. 124777, doi:10.1016/j.fuel.2022.124777.
- Michael Schölles, Harald Bier, Björn Nienborg: Evaluation of a Local Heating Network Supplied by a Pyrolysis Plant. In: International Sustainable Energy Conference - Proceedings. Band 1, 9. April 2024, doi:10.52825/isec.v1i.1164.
Einzelnachweise
Bearbeiten- ↑ a b c C. Werner, W. Lucht, D. Gerten, C. Kammann: Potential of Land‐Neutral Negative Emissions Through Biochar Sequestration. In: Earth's Future. Band 10, Nr. 7, Juli 2022, doi:10.1029/2021EF002583.
- ↑ a b c d Daniel Gehr: Pyrolyse von Biomasse zur Unterstützung der Wärmewende im ländlichen Raum. 2024 (rptu.de [abgerufen am 21. Mai 2024] Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau).
- ↑ 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]).
- ↑ 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, S. 063003, doi:10.1088/1748-9326/aabff4.
- ↑ Peter Quicker, Kathrin Weber: Biokohle. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2016, ISBN 978-3-658-03688-1, doi:10.1007/978-3-658-03689-8.
- ↑ a b 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.
- ↑ a b Pflanzenkohle der Carbonauten ist ein echter C02-Killer. In: n-tv NACHRICHTEN. 4. Februar 2023, abgerufen am 4. Februar 2023.
- ↑ a b c Hansjörg Lerchenmüller: CO2 raus – Pflanzenkohle rein! In: Wald.Holz.Energie. Kohlenstoffsenke Holzwirtschaft. Österreichischer Biomasse-Verband, Dezember 2021, S. 64–74 (igwaldviertel.at [PDF]).
- ↑ 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, S. 421–438, doi:10.1007/s42773-020-00067-x.
- ↑ 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, S. 2720–2729, doi:10.1021/acssuschemeng.1c07694.
- ↑ Teichmann: Klimaschutz durch Biokohle in der deutschen Landwirtschaft: Potentiale und Kosten. (PDF) Abgerufen am 19. Februar 2020.
- ↑ BUND: Terra Preta / Pyrolysekohle: BUND-Einschätzung ihrer Umweltrelevanz. Abgerufen am 19. Februar 2020.
- ↑ Ute Scheub: Allheilmittel für Böden und Klima?: Pflanzenkohle als Retter. In: Die Tageszeitung: taz. 6. Dezember 2018 (taz.de [abgerufen am 25. Februar 2023]).
- ↑ 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).
- ↑ a b 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, S. 063001, doi:10.1088/1748-9326/aabf9b.
- ↑ 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.
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- ↑ Surojit Gupta, Lan Li: The Potential of Machine Learning for Enhancing CO2 Sequestration, Storage, Transportation, and Utilization-based Processes: A Brief Perspective. In: JOM. Band 74, Nr. 2, Februar 2022, S. 414–428, doi:10.1007/s11837-021-05079-x.
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- ↑ PyMICCS. In: CDRterra. Universität Hamburg, abgerufen am 2. März 2023.
- ↑ Maria-Elena Vorrath et al.: Doping? Ja, bitte! Wie modifizierte Gesteinsverwitterung PyCCS auf die nächste Ebene katapultieren. (Doping? Yes, please! How Enhanced Weathering boosts PyCCS to the Next Level). Fachverband Pflanzenkohle, Darmstadt 2023 (youtube.com).
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- ↑ Georg Küffner: Das Klimagas Kohlendioxid dauerhaft wegsperren. In: Frankfurter Allgemeine Zeitung. 9. Juni 2022, S. 22 (pyreg.com [PDF]).
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- ↑ a b 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, S. 56, doi:10.1038/ncomms1053, PMID 20975722, PMC 2964457 (freier Volltext).
- ↑ Jens Tartler: "Ein altes Verfahren aus dem Amazonas elektrisiert die Klimaschützer" tagesspiegel.de, 13. September 2019, angerufen 27. Mai 2020.
- ↑ 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]).
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- ↑ a b 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, S. 084001, doi:10.1088/1748-9326/ab2b4b.
- ↑ Dilani Rathnayake, Hans-Peter Schmidt, Jens Leifeld, Diane Bürge, Thomas D. Bucheli, Nikolas Hagemann: Quantifying soil organic carbon after biochar application: how to avoid (the risk of) counting CDR twice? In: Frontiers in Climate. Band 6, 4. April 2024, doi:10.3389/fclim.2024.1343516.