Warum Biochar als permanente Kohlenstoffsenke unabdingbar für das Erreichen der Klimaziele ist

Kohlenstoffsenken sind Teil des Kohlenstoffkreislaufs und haben seit Urzeiten eine große Bedeutung für das Erdklima. Eine Kohlenstoffsenke ist ein Kohlenstoffreservoir, welches Kohlenstoff aufnimmt und damit die CO₂-Konzentration in der ⁠Atmosphäre⁠ reduziert. Vor dem Hintergrund des menschengemachten Klimawandels und der dringend notwendigen Reduktion von CO₂ in der Atmosphäre, fällt ihnen eine besondere Bedeutung zu.

„Kohlenstoffsenken sind für eine erfolgreiche Klimaschutzpolitik unabdingbar“, ordnet etwa das deutsche Umweltbundesamt, Deutschlands zentrale Umweltbehörde, die Bedeutung von CO₂-Senken ein.

Neben natürlichen Senken, wie etwa Wäldern oder Mooren, helfen technologische Carbon-Dioxide-Removal-Lösungen (CDR) wie Biochar Carbon Removal (BCR) dabei, mehr Kohlenstoffsenken zu schaffen, was für das Erreichen der Klimaziele unabdingbar ist. In diesem Zusammenhang ist das CO₂-Speicher-Potenzial, also wie sicher und langfristig der Kohlenstoff in den Senken gespeichert wird, von zentraler Bedeutung, da es darüber entscheidet, wie effektiv und wirkungsvoll die CDR-Lösung eingestuft wird.

Bei Biochar Carbon Removal wird in der Regel von Kohlenstoffsenken im Boden gesprochen, bei denen die Pflanzenkohle und der darin enthaltene Kohlenstoff über Bodenanwendungen wie etwa in der Landwirtschaft oder in der Landschaftsarchitektur in eine CO₂-Senke überführt wird. Darüber hinaus kann Biochar auch durch industrielle Anwendungen, beispielsweise in Beton, als Kohlenstoffsenke fungieren.

Ein wichtiges Stichwort für die Bewertung der Kohlenstoffsenke als sicherem CO₂-Speicher ist hier die Permanenz, was so viel bedeutet wie: Wie lang wird der Kohlenstoff gespeichert und wie groß ist die Reversibilität, also das Risiko, dass gespeicherter Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre freigesetzt wird?

Wie lässt sich also die Permanenz von Biochar bestimmen und beweisen? Hier fällt häufig das Stichwort „Terra Preta“, auch „schwarze Erde“ genannt: In den Böden dieser Welt wurden menschengemachte, pyrogene Kohlenstoffe gefunden, die älter als 3000 Jahre sind und darauf schließen lassen, dass sich dieser Kohlenstoff nicht abbaut, sondern im Boden gespeichert bleibt. Dies ist zwar ein wichtiger Hinweis, aber kein verlässlich wissenschaftlicher Nachweis. Aber wie weist man nach, dass der Kohlenstoff in der Biochar über Jahrhunderte, Jahrtausende oder länger stabil gespeichert bleibt?

„Leider haben wir nicht den Luxus, 1000 Jahre lang zu experimentieren“, sagt Hamed Sanei, Professor und Direktor des Lithospheric Organic Carbon Laboratory (LOC) an der Fakultät für Geowissenschaften der Universität Aarhus (Dänemark), der zur Permanenz von Biochar forscht. Bisherige wissenschaftliche Untersuchungen, zumeist von Bodenwissenschaftlern, versuchen, die Abbaubarkeit anhand gewisser Muster und Trends vorauszusagen, was durch einen begrenzten Beobachtungszeitraum jedoch nur bedingt verlässlich ist.

Professor Hamed Sanei und Dr. Henrik Ingermann Petersen vom Geological Survey of Denmark and Greenland (GEUS) haben sich zusammengetan, um einen einen anderen wissenschaftlichen Ansatz zu verfolgen: Sie vergleichen Biochar mit geologischen kohlenstoffhaltigen Gesteinen, die Millionen von Jahre alt sind. Dadurch können sie Aufschluss über die Stabilität von Kohlenstoff in Biochar geben und sogar mehr als das: sie können Aussagen darüber treffen, welche Art von Biochar Kohlenstoff besonders sicher speichert und dadurch auch, wie man das Speicherpotenzial bei der Herstellung von Biochar optimieren kann.

Sanei, Petersen und ihr Team haben bereits verschiedene Studien zum Thema veröffentlicht und stützen sich dabei auf etablierte messbare Parameter der organischen Geochemie und Petrologie, die den Grad der Erhaltung des organischen Kohlenstoffs in der Erdkruste bestimmen. Diese Parameter werden verwendet, um die Stabilität des organischen Kohlenstoffs in Biochar im Vergleich zu dem in den geologischen kohlenstoffhaltigen Gesteinen erhaltenen Kohlenstoff zu bestimmen.

Sanei et al. neueste Studie, „Bewertung der Dauerhaftigkeit von Biochar: Ein inertes Benchmark“ (erschienen am 5. Januar 2024 im „International Journal of Coal Geology“) hebt diese Forschungsmethode auf ein neues Level. Teil der untersuchten Biochar waren auch Proben von Novocarbo.

Entgegen der weit verbreiteten Auffassung, dass die Mineralisierung die einzige dauerhafte Methode zur Speicherung von CO₂ ist, wird in dieser Forschungsarbeit die Bedeutung des „organischen Kohlenstoffpfads“ hervorgehoben. Die Erde speichert Kohlenstoff nicht nur durch Mineralisierung, sondern auch durch die Umwandlung von Biomasse in Inertinit-Maceral, hoch karbonisierter organischer Kohlenstoff, der nicht abbaubar ist. Nach der Umwandlung in Inertinit wird der organische Kohlenstoff aus dem Biosphärenzyklus in die Geosphäre verlagert, wo er über Zeiträume von mehreren Millionen Jahren verbleibt. Zur Einordnung: Dieser Prozess ist für die Speicherung von über 15.000.000 Gigatonnen organischen Kohlenstoffs in Sedimentgestein verantwortlich.

Die Herstellung von Biochar imitiert und „verkürzt“ laut Sanei et al. den geologischen Weg des organischen Kohlenstoffs, indem sie durch Pyrolyse Biomasse verkohlt und in inertes Maceral für die dauerhafte Lagerung umwandelt. Die Bewertung der Dauerhaftigkeit von Biochar hängt also davon ab, ob eine vollständige Karbonisierung und Umwandlung erreicht wird. Inertinit ist das stabilste Maceral in der Erdkruste und dient als Goldstandard für die Dauerhaftigkeit von organischem Kohlenstoff, weshalb in dieser Studie der Grad der Karbonisierung der Biochar anhand der Eigenschaften von Inertinit gemessen wurde.

Sanei et al. verwenden bei ihren Untersuchungen die „Random Reflection”(Ro), ein optisches Werkzeug, um den permanenten Kohlenstoffpool in Biochar zu quantifizieren. Mit zunehmender Karbonisierung nimmt der Ro-Wert zu, bis eine geologisch stabile Form des Kohlenstoffs entsteht und ein Ro-Wert von 2% erreicht wird, der als Inertinit-Benchmark gilt. Von allen 64 untersuchten europäischen Proben konnten 76 % als reines Inertinit eingestuft werden. Auch Novocarbo hat mit verschiedenen Biochar-Proben an der Studie teilgenommen, die mit Werten von deutlich über 2% als reines Inertinit und somit als permanente Kohlenstoffsenke eingestuft wurden. Eine unserer Proben mit Biochar aus Fruchtkernen erzielte mit 4,7 % einen besonders hohen Wert und wurde von den Wissenschaftlern als „Paradebeispiel für pure Inertinit-Biochar“ bezeichnet. Darüber freuen wir uns ganz besonders, da diese Einstufung möglicherweise sogar Auswirkungen auf unser Geschäft haben könnte.

Das kinetische Oxidationsreaktionsmodell zeigt, dass Inertinit-Biochar (bestehend aus reinem Inertinit) in einer rauen, oxidierenden Umgebung eine Halbwertszeit von etwa 100 Millionen Jahren hat. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse definieren die Autoren Biochar Carbon Removal als ein äußerst langlebiges Verfahren zur Kohlenstoffentfernung.

Darüber hinaus kann durch die Ro-Methode die Karbonisierungstemperatur der Biochar berechnet werden, d. h. die Höchsttemperatur, der die Biocharfragmente während der Pyrolyse ausgesetzt waren. Dieser Parameter bietet entscheidende Einblicke, inwiefern die Produktionstemperatur, die Verweilzeit beim Erhitzen, und die Wärmeleitfähigkeit des Ausgangsmaterials die Effizienz des Verkohlungsprozesses beeinflussen. All dies sind wichtige Einflussfaktoren auf die Inertisierung, die so optimiert werden können, wodurch Biochar Carbon Removal als noch effektiveres Mittel zum Erreichen von Negativemissionen eingesetzt werden kann.

„Ich hoffe, dass unsere Studienergebnisse dazu beitragen, dass Biochar künftig als klar permanente Kohlenstoffsenke und wirksame CDR-Methode anerkannt wird und wir uns darauf konzentrieren können, wie wir durch die Optimierung der Biochar-Produktion möglichst viel CO₂ sicher und dauerhaft speichern können“, fasst Hamed Sanei seine Erkenntnisse zusammen.

Wir als Novocarbo freuen uns über die hervorragenden Ergebnisse unserer Biochar-Proben und arbeiten weiter daran, durch die Produktion hochqualitativer Biochar so viel CO₂ wie möglich langfristig der Atmosphäre zu entziehen. „Die Ergebnisse aus Hamed Sanei’s Studie sind nicht nur für uns, sondern für die gesamte Biochar-Community ein wichtiger Indikator, da sie nicht nur die dauerhafte CO₂-Speicherfähigkeit von Biochar und hohe Wirksamkeit von Biochar Carbon Removal als CDR-Methode bestätigen, sondern darüber hinaus Aufschluss darüber geben, wie sich der Pyrolyse-Prozess und so auch das CO₂-Speicherpotential der Biochar optimieren lässt”, sagt Caspar von Ziegner, CEO von Novocarbo.