Der Klimawandel, dessen Folgen und Wege zur CO2-Emissionsminderung sind seit Jahrzehnten Forschungsgegenstand in Wissenschaft und Technik. Ein Aspekt der Klimafolgenforschung an unserer Hochschule ist der Betrieb des FACE-Experiments (Free Air Carbondioxide Enrichment). Im „FACE“ werden die Auswirkung einer um 20 Prozent erhöhten CO2‑Konzentration in der Atmosphäre auf Pflanzenwachstum, Produktqualität, Bodenprozesse und Pflanze-Schädlingsinteraktionen untersucht. In Gesprächen und Führungen am Campus unserer Hochschule kommt dann immer wieder (augenzwinkernd) die Frage auf, warum für die Klimafolgenforschung denn CO2 in nicht unbeträchtlichen Mengen (2017: 210 Tonnen CO2) freigesetzt werden müsse – und ob wir nicht so zum Klimawandel beitrügen?
Zwar wäre das CO2 auch ohne den Umweg über unsere FACE-Anlage in die Atmosphäre gelangt, aber die Frage berechtigt – sie lieferte uns den Startpunkt und Antrieb des Projekts "FACEing Compensation" – wir untersuchen, wie die CO2-Emissionen unserer Hochschule verringert oder kompensiert werden können. Das Land Hessen hat in der Nachhaltigkeitskonferenz im Projekt "CO2-neutrale Landesverwaltung" beschlossen, bis 2030 Klimaneutralität zu erreichen. Diese wird neben dem Minimieren des Energiebedarfs (1. Säule) und Substituieren fossiler Energieerzeuger (2. Säule) durch das Kompensieren (3. Säule) unvermeidbarer Emissionen mittels Emissionszertifikaten realisiert. Das Ziel von "FACEing Compensation" geht in der 3. Säule darüber hinaus: Es wird untersucht, welche Möglichkeiten die Hochschule mit ihren spezifischen Gegebenheiten hat, um - abseits des Ankaufs von CO2-Zertifikaten mit einem ungewissen Preis - unvermeidbare CO2-Emissionen selbst zu kompensieren, indem Biomasse-Kohlenstoff (C) in eine stabilere Form gebracht und in Böden oder Produkten gespeichert wird. Die konzeptuelle Idee fand im Rahmen einer Förderung des Hessischen Ministeriums für Wissenschaft und Kunst (HMWK) Bewilligung und wird nun für die HGU als „Fallbeispiel“ exemplarisch ausgearbeitet.
Unsere Hochschule besitzt aufgrund der landwirtschaftlich genutzten Flächen ein größeres Potential an anfallender Reststoffbiomasse als andere Einrichtungen des Landes Hessen. In der Biomasse ist durch die Photosynthese CO2 aus der Atmosphäre gebunden, das bei Zersetzung oder Verbrennung der Biomasse in die Atmosphäre zurückkehrt. Um das 2°C oder gar das 1,5°C Ziel des Pariser Klimaabkommens zu erreichen müssen nicht nur die CO2-Emissionen verringert werden, sondern es muss der Atmosphäre sogar wieder CO2 entzogen werden. Um also Photosynthese und Biomasseproduktion für einen Netto- CO2-Entzug aus der Atmosphäre nutzen zu können, muss der Kohlenstoff an der Rückkehr in die Atmosphäre gehindert werden.
Der einzige, bisher in diese Richtung verfolgte großtechnische Ansatz ist als Carbon Capture and Storage (CCS) bekannt, also die Abscheidung von CO2 aus Verbrennungsgasen von Kohle oder Biomasse und anschließender Verpressung in geologische Lagerstätten. Fossile Brennstoffe wären dadurch CO2-neutral, Biomasseverbrennung mit CO2-Abscheidung würde Netto CO2 aus der Atmosphäre entziehen (Negativemissionen). Bisher konnte sich aufgrund ungelöster Fragen hinsichtlich Transport, Lagerung und (bei Umstellung auf Biomasse) Flächenkonkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion die Idee des BECCS (Bioenergie-CCS) bisher nicht etablieren. Zudem verursacht sie nur Kosten und bietet keine Ansätze zur ökonomischen Wertschöpfung.
Im Prozess der Pyrolyse wird eine langzeitstabile Form des Biomasse-Kohlenstoffs erzeugt. Das Produkt, in dem CO2–C gebunden ist (Pflanzenkohle), kann selbst als Zertifikatträger dienen. Pflanzenkohle kann ökologisch und ökonomisch sinnvolle Verwendungswege und Einsatzmöglichkeiten haben (was der CO2-Verpressung nicht möglich ist). Diese seit Jahrhunderten praktizierte Technik, mit heutiger Technologie optimiert, produziert einen hochwertigen Kohlenstoff mit großer Langzeitstabilität (bei entsprechender Prozesstemperatur mehrere 100 bis 1.000 Jahre bei Einbringung in Böden). Die Einsatzgebiete sind äußerst vielfältig und reichen von der Landwirtschaft (Düngerherstellung, Tierhaltung und –produktion) über die Baustoffindustrie und Abwasserreinigung bis hin zur Produktion von Filtern und elektrischen Kondensatoren; hier erfolgt derzeit eine sehr aktive Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Für die Herstellung zersetzungsstabiler Pflanzenkohle aus Reststoffbiomasse sind vor allem die Abwesenheit von Sauerstoff sowie Temperaturen zwischen 450 bis 900°C notwendig. Dabei werden Makromoleküle wie Lignin oder Cellulose thermisch zerstört und treten als brennbare Gasphase aus, während anorganische Anteile (Mineralstoffe) sowie der größte Anteil des Kohlenstoffs in einer geordneten, aromatischen Gitterstruktur zurückbleibt. Die brennbaren Gase können entweder kondensiert und als ölige Phase zu Biokraftstoff raffiniert werden, oder direkt verbrannt und zur Wärmeerzeugung genutzt werden.
Hierin besteht der doppelte Nutzen der Technik der Pyrolyse für unsere Hochschule: Die ausgekoppelte Energie kann zur Deckung des Heizwärmebedarfs der Gewächshäuser genutzt werden und auf diese Art und Weise die bisherige Wärmeerzeugung durch Erdgas teilweise substituieren. Zugleich entsteht ein verwendbares C-reiches Produkt, dass dem CO2-Entzug aus der Atmosphäre dient, solange es auf eine Weise verwendet wird, die nicht Oxidation des C zur CO2 Verbrennung ist.
Erste Schritte des Projekts waren die Ermittlung des thermischen Energiebedarfs der Gewächshäuser und die Abschätzung des Potentials für holzige Biomasse auf den Flächen der Hochschule. Durch die Erarbeitung eines Messstellenkonzepts wurden die wichtigsten Punkte zur Energiebedarfsmessung identifiziert und Messgeräte installiert. Der gemessene Wärmebedarf der Gewächshäuser übertraf alle Befürchtungen: Für die vergangene Heizperiode lag dieser bei ca. 1.500 MWh oder 363 t CO2-Äquivalenten. Das entspricht 20 Prozent des Gesamtwärmebedarfs der Hochschule. Zum Vergleich: Ein Mittelklassewagen (130 g CO2/km) könnte 2,8 Mio. Kilometer fahren, d. h. sieben Mal von der Erde bis zum Mond, bis diese Menge an CO2 ausgestoßen ist.
Die Abschätzung des Biomassepotentials begann mit der Flächenerfassung in ArcGIS. In die Datenbank wurden Ertragsdaten zu den Kategorien Weinbau, Obstbau und Parkflächen eingepflegt, sodass der Holzertrag der jeweiligen Fläche abrufbar ist. Das erfasste Potential bildet die Grundlage für den Betrieb einer Pyrolyse Anlage und liegt, je nach gewähltem Szenario, zwischen 150 und 220 Tonnen holzartiger Biomasse.
Somit wurden zwei zentrale Fragen bearbeitet: (1) Die Biomasse für den Betrieb einer Pyrolyse Anlage wäre theoretisch an unserer Hochschule vorhanden und (2) ebenso der Wärmebedarf. Über die Konversion der Biomasse könnten jährlich bis zu 183 t CO2 in langzeitstabile Form gebracht und so der Atmosphäre entzogen werden, d. h. die Hälfte des heutigen Wärmebedarfs der Gewächshäuser könnte kompensiert werden. Momentan wird ein Modell erstellt, welches verschiedene Pyrolyse Anlagen vergleicht und die Betriebsweise auf den Gewächshausbedarf abstimmt, sowie die Massenströme genau quantifiziert. In der Abbildung ist zur Veranschaulichung der Massenfluss mit den entsprechenden CO2-Äqivalenten für eine Menge von 25 kg Biomasse dargestellt. Das Modell soll eine flexible Entscheidungsgrundlage für die mögliche Beschaffung einer solchen Anlage bieten.
Da zum Beispiel bei der Nutzung von Ast- und Rebschnitt bisweilen ein Nutzungskonflikt mit der bisherigen Verfahrensweise besteht, werden zudem Überlegungen angestellt, welche weiteren Quellen für Biomasse im Umkreis in Frage kommen. Hier könnte die Pyrolyse Anlage unserer Hochschule zur Produktion von lokalen Emissionszertifikaten genutzt werden. Das in Entwicklung befindliche Modell wird in der zweiten Hälfte des Jahres um weitere erneuerbare Energieformen erweitert, um deren Erzeugungspotentiale ebenfalls darzustellen. Diese Informationen werden im Jahr 2019 dann in eine Carbon Footprint Analyse einfließen und das Projekt abschließen.
Die Herstellung von Pflanzenkohle durch Pyrolyse biogener Reststoffe wird nicht die eine Lösung sein, um der Atmosphäre CO2 zu entziehen, um den Klimawandel und dessen gravierende Folgen abzuwenden. Es ist jedoch die einzige sofort einsetzbare und weitgehend ausgereifte Technologie, die nicht nur zu einer Dekarbonisierung (Abkehr von der Nutzung fossiler Brennstoffe), sondern auch zu einem Netto-CO2-Entzug aus der Atmosphäre beitragen kann.
An dieser Stelle möchten wir unseren herzlichen Dank an die Mitarbeiter von Infrastruktur und Parkpflege aussprechen, sowie an die Leiter und Mitarbeiter der Institute für Wein-, Obst- und Gemüsebau, Landschaftsarchitektur des Instituts für Bodenkunde und Pflanzenernährung, die uns bei der Erhebung der Zahlen alle so schön mit Rat und Tat unterstützt haben.
Sollten Sie Fragen zum Projekt oder Interesse an einer Studien- oder Abschlussarbeit auf dem Gebiet haben, können Sie uns jederzeit gerne kontaktieren.
Prof. Dr. Claudia Kammann unter Claudia.Kammann(at)hs-gm.de
Georg Ardissone, M.Sc. unter Georg.Ardissone(at)hs-gm.de
