2019/01

Foreign Experts Consultation Symposiom - Beijing China

January 2019 Prof. Leimer was invited to the Annualy Foreign Experts Consultation Symposiom - Beijing China for the second time.

The Foreign Experts Recommendation Program (FERP) is directed by the State Administration of Foreign Experts Affairs (SAFEA). FERP aims at collecting foreign experts’ recommendations and presenting them to the central leadership as reference for policy making. This Guideline is intended to provide you with the background information of FERP and suggestions on how to prepare a recommendation proposal that is likely to have the greatest possible impact on policy discussions in China.

FERP Background - Under FERP, SAFEA collects foreign experts’ recommendation proposals concerning the problems and challenges of China’s economic and social development in the near future. Based on their work experience and research interest, foreign experts prepare recommendations to present to the central leadership of China for reference in making policies. SAFEA is the administration in charge of China’s Overseas Expertise Introduction (OEI).

 

In his report Prof. Leimer describes the possibilities of Plant-Cole for the CO2 reduction in the atmosphere, a new sciences an research project now starting in Germany and, may be, in China!

 

Einsatz von Pflanzenkohle zur Senkung des CO2-Gehalts der Atmosphäre

Einleitung

Pflanzenkohle birgt ein kaum entdecktes Potential zur Senkung des CO2-Gehalts der Atmosphäre.

Pflanzenreste geben bei Verbrennung oder Verrottung das in sich gebundene CO2 wieder frei. Werden jedoch Pflanzenreste im Rahmen eines Pyrolyseprozesses in Pflanzenkohle umgewandelt, wird das CO2 zu einem großen Anteil in der Kohle gebunden, dabei stellt Pflanzenkohle selbst einen wichtigen Roh-/Werkstoff dar, der unterschiedlichste Eigenschaften aufweist, die in unterschiedlichen Anwendungen genutzt werden können.

Mit diesem Verfahren wird somit nicht, wie bei Vorgaben zur Reduzierung des Verbrauchs von Energie z.B. bei Verkehr, Heizung und/oder Kühlung etc, der CO2-Ausstoß nur vermindert, sondern das CO2 wird aus dem Kreislauf der Atmosphäre heraus genommen und kann langfristig eingelagert werden.

Umfangreiche Forschungsaktivitäten in Deutschland, China etc. wurden zu Teilthemen auf den Gebieten der Herstellung und des Einsatzes von Pflanzenkohle erarbeitet. Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, nun zusammen mit den beteiligten Institutionen die Möglichkeiten des Einsatzes von Pflanzenkohle zur Generierung einer echten CO2-Senke in der Atmosphäre zu erarbeiten und die, von den jeweiligen Staaten geplanten Klimaschutzbeiträgen zum Pariser Abkommen (intended nationally determined contribution, "INDC") festgeschrieben Ziele, zu realisieren.

 

Grundlagen der Photosynthese und CO2-Absorption von Pflanzen

Bei der Photosynthese wird in den Chloroplasten aus Wasser und Kohlenstoffdioxid mithilfe der Sonnenenergie Traubenzucker und Sauerstoff gebildet. Den Traubenzucker nutzt die Pflanze für ihr Wachstum, der Sauerstoff wird an die Umgebung abgegeben und das CO2 in Form von Kohlenstoff in der Pflanze eingespeichert.

Dieses in den Pflanzen gespeicherte CO2, wird bei Verbrennung der Pflanzen oder bei Verrottung wieder an die Atmosphäre abgegeben. Und belastet so unsere Umwelt zeitversetzt.

Die Speicherfähigkeiten von CO2 jeder Pflanze ist abhängig von verschiedenen Faktoren wie Standort, Alter der Pflanze, Größe der Pflanze, Dichte der Pflanze.

Folgende Ökosysteme bilden Speicher bzw. Speichermöglichkeiten für CO2

  • Wälder: Deutsche Wälder speichern im Jahr ca. 13 t CO2 je Hektar. Dieser Wert ermittelt sich über die Altersgruppen und Arten der Bäume.
  • Bäume: Wie viel CO2 ein Baum absorbiert ist von folgenden Faktoren abhängig: Baumart, Holzdichte, Alter, Baumhöhe. Allgemein lässt sich sagen, dass Laubbäume weniger Sauerstoff als Nadelbäume produzieren. Dazu kommt, dass junge Bäume mehr Sauerstoff produzieren als alte Bäume.

Beispiel:

Fichte • Ø 50 cm • Alter: 100 Jahre • Höhe: 35 m • Filterleistung/Absorption: 2,6 t CO2

Buche: • Ø 50 cm • Alter: 120 Jahre • Höhe: 35 m • Filterleistung/Absorption: 3,6 t CO2

  • Nutzpflanzen: Auch die vom Menschen angebauten Pflanzen leisten einen Beitrag zur CO2-Einsparung.

CO2-Absorption in Tomaten ca. 3,1 [kg CO2/m²a]; Hafer/Weizen/Gerste 1,15 bis 1,35 [kg CO2/m²a]; Wassermelone ca. 0,63 [kg CO2/m²a]

Hieraus ergeben sich Filterleistung/Absorptionsleistungen von 1ha Wald = ca. 13 t/a; 1 ha Park/Feld = ca. 10 t/a.

  

Grundlagen Herstellung von Pflanzenkohle durch Pyrolyse

Pflanzenkohle besteht zum überwiegenden Anteil aus reinem Kohlenstoff, der von Mikroorganismen nur sehr langsam abgebaut werden kann. Erhitzt man das pflanzliche Zellgewebe unter Sauerstoffausschluss auf über 400° C, wird die Biomasse aufgespalten. Zellulose, Hemicellulose und Lignin zersetzen sich zu flüchtigen Bestandteilen und Kohlenstoff. Hochrechnungsmodelle zeigen, dass in der durch das Pyrolyseverfahren gewonnenen Pflanzenkohle ein Anteil von über 80 % des Kohlenstoffes für mehr als 1000 Jahre stabil bleibt und somit eine Möglichkeit darstellt, das ursprünglich von Pflanzen assimilierte CO2 langfristig der Atmosphäre durch Einlagerung zu entziehen und dadurch den Klimawandel abzubremsen. Je nach Pyrolyseverfahren können etwa bis zu 60 % der Energie in brennbarem Gas und Öl und ca. ein Drittel der Energie in der Bio- bzw. Pflanzenkohle gespeichert werden.

Die Energie aus Öl und Gas stehen dann für eine weitere energetische Nutzung zur Verfügung. Z.B. bei dem Thermo-katalytischen Reforming (TCR®), dem von Fraunhofer UMSICHT in Sulzbach-Rosenberg entwickelten Konversionsverfahren, können Öl und Gas direkt für die Kraftwärmekopplung in Blockheizkraftwerken eingesetzt werden. Alternativ kann aber auch eine reine Wärmebereitstellung zur Trocknung des Einsatzstoffs erfolgen.

 

Bedeutung - Beispielhafte Zuordnung zu realen Ansätzen

Die Jahreskapazität der ersten von Swiss-Biochar und dem Delinat-Institut betriebenen Pflanzenkohleanlage beträgt 1000t Biomasse, die zu 330 t Pflanzenkohle und rund 1000 MWh Wärme umgewandelt wird. Mittels der Pyrolyse-Anlage lassen sich aus je 2 Tonnen Grünschnitt rund 1 Tonne CO2 dauerhaft der Atmosphäre entziehen.

Alle Energieaufwendungen wie der Transport des Grüngutes, dessen Zerkleinerung, der Betrieb der Anlage sowie das Einbringen der Pflanzenkohle in den Boden sind dabei bereits berücksichtigt. Die verwendete Pyrolyse-Anlage ist energieautark und wird im kontinuierlichen Prozess betrieben. Die Energie, die zur Aufheizung der Biomasse auf über 400 °C benötigt wird, muss zugeführt werden. Die Energie für den weiteren Prozess stammt aus der Biomasse selbst und wird durch die Verbrennung des bei der Pyrolyse entstehenden Gases erzeugt.

Im Rahmen eines eigenen Forschungsprojektes, 2017, wurden die Möglichkeit der Planung einer CO2 - neutralen Stadt untersucht. Hierbei wurde ermittelt, in welchen Bereichen CO2-Emissionen in einer Stadt entstehen und welche Möglichkeiten zur Verfügung stehen, um diese zu verringern und einzusparen. Dazu wurden die CO2-Emissionen für die Stadt der Zukunft in China mit zwei Millionen Einwohnern ermittelt. Die grundsätzlich Frage in diesem Projekt war: „ Ist es möglich die Emissionen von CO2 einer neuen Stadt so zu optimieren, das mit Hilfe von Parks und Grünflächen eine CO2 - neutralen Stadt, entstehen kann“.

Das Forschungsvorhaben zeigt hierbei deutlich, dass es möglich ist die Planungen / Energie-Effizienzen so zu optimieren, dass die Pflanzen der Parks das CO2 nahezu vollständig absorbieren können. 

Somit bleibt nur noch eine Frage zu lösen: „Was geschieht mit dem Zuwachs / Baum-, Pflanzenschnitt, der in den Städten jährlich anfällt und bei Kompostierung oder Verbrennung das eingelagerte CO2 wieder an die Atmosphäre abgibt.

Auf der Grundlage einer 2 Mio. Einwohner Stadt ergeben sich ca. 300.000 t/a Grünschnitt eine Jahrespotential von ca.

  • 100.000 t Pflanzenkohle als Wertstoff
  • 300.000 MWh Wärme aus dem Pyrolyseprozess

und

  • die dauerhafte Bindung von ca. 330.000 t CO2 (somit die gesamte CO2 Bindung der Pflanzen der Stadt)

 

Wertstoffe aus Pflanzenkohle

Mit der Pyrolyse, die von Fraunhofer UMSICHT weiterentwickelt wurde, kann ein biogener Wertstoff bei gleichzeitiger Bereitstellung erneuerbarer Energie in Form von Strom, Wärme und Kraftstoffen hergestellt werden, welcher vielseitig einsetzbar, umweltfreundlich, kostengünstig und ansatzweise problemlösend hinsichtlich der aktuellen Luftverschmutzung und deren CO2-Ziele wirkt.

Hierbei können folgende Basisstoffe in Pflanzenkohle umgewandelt werden: Landschaftspflegematerial, Straßenschnitt, Strauchschnitt, Kompost, Stroh, Gärrest, Waldholz, aber auch Separierte Gülle, Mist, Gärprodukte aus Biogasanlagen, Klärschlamm.

Die aus dem Prozess resultierenden Pflanzenkohle kann eingesetzt werden für die Wasseraufbereitung, Einzelfuttermittel (EU VO 68/2013), Bodenbezogene Verwendung, Einsatz als Pflanzen Dünger.

 

Pflanzenkohle als Ersatz für Zuschlagsstoffe in mineralischen Werkstoffen

Aktuelle Forschungen  vom Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung zeigen, dass die Auswirkungen von Sandgewinnung auf die Ökosysteme bedrohliche Auswirkungen genommen haben. Der globale Bedarf an Sanden übersteigt bei weitem das, was durch Verwitterung entsteht. Im UN-Report von 2014, Sand - knapper als man denk, wird der derzeitigen Verbrauch an Sanden auf ca. 50 Milliarden Tonnen pro Jahr geschätzt.

Da Wüstensande, da zu glatt, für die Herstellung von Beton kaum geeignet sind, wird Sand aus dem Meeresgrund, aber auch aus Seen oder Flüssen gewonnen. Die Folgen für die empfindlichen Ökosysteme sind oft verheerend. Flussbetten sinken ab, Küsten erodieren, die Fauna in den Ozeanen wird zerstört, ganze Inseln verschwinden. Schutzmechanismen, die eigentlich Stürme und Tsunamis abhalten, werden außer Kraft gesetzt. So könnte hier Pflanzenkohle so nicht nur als Feinkorn, sondern als Zuschlagstoff allgemein in Werkstoffen eingesetzt werden.

Mehr und mehr rückt so das Thema des Einsatzes von Pflanzenkohle in den Einsatzbereich des Bauwesens. Alle Anwendungsbereiche gründen sich auf die spezifischen Eigenschaften der Kohle. Die extrem große Oberfläche der Pflanzenkohle bewirkt eine starke Kationenaustauschkapazität sowie eine starke Neigung viel Feuchtigkeit aufzunehmen und wieder abgeben zu können. Im Rahmen eines eigenen Forschungsvorhabens Einsatz von Pflanzenkohle im Bauwesen 2018, wurde die erfolgreiche Zugabe / Einlagerung von Pflanzenkohle in mineralischen Werkstoffen untersucht.

 

Bodensanierung mit Pflanzenkohle

Die Wirkmechanismen die der Pflanzenkohle (PK) oder auch Aktivkohle liegen darin begründet, dass durch den Eintrag

von PK in den Boden der pH-Wert angehoben wird und somit, zumindest auf die Schwermetalle bezogen, diese Schadstoffe immobilisiert werden. Somit wird die Aufnahme von Schwermetallen durch die Pflanzen verhindert oder zumindest deutlich reduziert.

Im Rahmen der Alterung von Pflanzenkohle werden an der sehr großen Oberfläche verschiedenste Carbonylgruppen angelagert, die aufgrund ihrer Polarität dazu in der Lage sind, verschiedenste organische Schadstoffe zu binden.

Insgesamt verleiht die große spezifische Oberfläche der PK eine sehr gute Kationenaustauschkapazität und damit den pflanzenbaulichen Eigenschaften der so behandelten Böden zugutekommt.

Gerade der Bericht Einsatz von Biokohle und Kompost als Bodenadditive für die Immobilisierung von Schadstoffen an

Altlastenstandorten der Universität Wien erscheint unter dem Gesichtspunkt ein guter Ansatz zu sein die Pflanzenkohle durch die Beimischung von Kompost mit Nährstoffkationen zu beladen und unter gleichzeitiger Immobilisierung von Schwermetallen sowie durch Absorption von vorhandenen organischen Schadstoffen, belastete Böden aufzubereiten. Es folgt eine Reduktion von Schadstoffen im Boden und eine deutliche Verbesserung der Bodenverhältnisse.

 

 

生物炭有一个几乎没有隐藏的减少大气层二氧化碳含量的潜能。

植物残留物通过燃烧和腐烂,其自身携带的CO2就不再有了。生物残余物在热裂解的过程中,变成了生物炭,这使得CO2在很大程度上变成了碳,并且生物炭本身是具有多种性能的重要原料,可以在不同的应用中使用。

因此,利用这种方法,不仅与减少能量消耗的要求一样,例如交通,采暖或冷却等情况下,减少二氧化碳排放量,而且二氧化碳从大气循环中排出,并可以长期储存。

在德国、中国等国已经将生物炭的生产和使用作为子课题开展了广泛的研究活动,这个研究项目的是与一些参与机构一起研究使用生物炭真正降低大气层CO2的可能性,它可以实现每一个签署巴黎协定国家(预期国家贡献,INDC)计划所作出的气候保护贡献。

 

光合作用基础和植物吸收CO2

在光合作用过程中,借助太阳能的帮助下,水和二氧化碳在叶绿体中形成葡萄糖和氧,该植物吸收葡萄糖生长,氧气释放到环境中,二氧化碳以碳的形式储存在植物中。

储存在植物中的这种二氧化碳,随着植物燃烧或腐烂又被释放回大气中, 使得我们的环境负荷加重和时间迟滞。

每株植物二氧化碳储存量取决于各种因素,如地理位置,植物的年龄、大小和密度。

下列生态系统构成 CO2存储器作用,以及存储的可能性:

  • 森林:德国森林每年存储 CO2 13吨/公顷,这个值取决于树龄和树种。
  • 树木:一棵树木吸收多少取决于下列因素:树种、木材密度、树龄、树高、通常可以说落叶树比针叶树产生更少的氧气。 此外,幼树产生的氧气比老树更多。

例如:

云杉:直径50 cm,树龄100年、高35米,过滤能力/吸收:2.6吨 CO2

榉木:直径50 cm,树龄120年、高35米,过滤能力/吸收:3.6吨 CO2

  • 经济作物:人类种植的植物对减少CO2的贡献:番茄3.1[kg CO2/m²年];燕麦/小麦/大麦1.15--1.35[kg CO2/m²年];西瓜0,63[kg CO2/m²年]。

1公顷森林过滤能力/吸收:13 吨/年;1公顷公园约为 130吨/年。

 

 

通过热裂解生产生物炭基础知识

生物炭主要由纯碳组成,只能通过微生物非常缓慢地分解。 如果将植物细胞组织加热至超过400℃,排除氧气,生物质被分解,纤维素、半纤维素和木质素分解成挥发性组成物和碳。预测模型显示,在从热裂解过程中获得的生物炭中,超过80%的碳稳定保持超过1000年,从而展示了一个机会,植物中原始的相应的CO2长期储存于大气层里而逃离,并借此减缓气候变化。根据热裂解工艺,大约60%的能源以可燃气体和油形式存储,三分之一的能源以生物炭存储。

来自石油和天然气的能源将可作为后续的能源使用。例如,热催化重整工艺。它由在Sulzbach-Rosenberg的弗劳恩霍夫研究院环境安全能源技术所开发的转化工艺,能将石油和天然气作为热电联产直接用于城区集中供热厂,或作为一种用于原料干燥的单纯供热。

 

意义 ----对实际方法的示例性整理分类

由瑞士Biochar和Delinat Institute运营的第一个生物炭工厂的年产能为1000吨生物质,转化330吨生物炭和1000 MWh(兆瓦时)热能。使用热裂解装置,每2吨绿色废物可从大气中持续地除去约1吨二氧化碳

所有能源支出,如绿色产品运输、粉碎、工厂运营和生物炭在土壤中的引入都已被考虑在内。这个应用的热裂解装置能源要自给自足,并且过程连续运行,必须提供将生物质加热到400°C以上所需的能量,后续过程的能量来自生物质本身,并且通过在热裂解过程中产生的气体的燃烧产生。

在2017年单独研究项目框架内,研究了中性城市二氧化碳规划的可能性。 该研究确定了城市中二氧化碳排放量出现的区域,以及可用于减少和挽救二氧化碳排放量的可能性。 为此,确定了中国拥有200万居民的未来城市二氧化碳排放量。 该项目的基本问题是:

 

在新的城市中,是否有可能优化二氧化碳排放,它借助公园和和绿地,产生一个二氧化碳中性城市”。

研究计划清楚地表明,规划/能源效率可以如此优化,使公园的植物几乎可以完全吸收二氧化碳。 

因此,仍然有一个问题需要回答:“生长会发生什么变化?/树木和植物每年在城市中被砍伐,或堆肥或焚烧,使得储存在其中的二氧化碳又回到大气层。”

200万居民的城市产生约30万吨/年的绿色砍伐物,年潜力约为:

  • 100000吨植物炭作为一种与价值的材料
  • 300000兆瓦时热能来自于热裂解

以及

  • 持续形成大约330000吨CO2 (城市植物形成的全部CO2

 

植物炭的有价值原料

借助弗劳恩霍夫研究院环境安全能源技术所持续研发的热裂解,能够在生产一种生物价值材料的同时,提供以电能、热能和燃料形式的可再生能源,这种价值材料是考虑了当前空气污染和二氧化碳排放目标的,具有多功能、可用、环境友好、价廉,以及可应用、无障碍的特性。

因此,可以将下列基础材料转化为生物炭:园艺材料,、路面、灌木、堆肥、作物秸秆、发酵残余物、森林树木、收集的粪便、动物粪便、天然气设备的发酵产品、淤泥。

该工艺产生的植物煤可用于水处理、单一饲料 (EU VO 68/2013)、与土壤相关的用途,以及用作植物肥料。

 

植物炭可作为矿物工程材料骨料的替代

德国生物多样性综合研究中心最近的研究表明, 采砂对生态系统的影响产生了威胁性影响。全球对砂子的需求远远超过了这个范围,砂子是通过风化产生的。在欧盟2014年的报告中,砂子比人们想象得要紧缺,目前对砂子的年需求量约为500亿吨。

由于沙漠的砂子过于光滑, 几乎不能适合混凝土的生产,所以砂子要从江河湖海吸取,其后果对脆弱生态系统往往是毁灭性的。河床下沉, 海岸线被侵蚀, 海洋中的动物被毁, 整个岛屿消失。真正阻止风暴和海啸的自我保护机制将被重写。所以, 植物炭不仅可以在这里作为细颗粒, 而且一般可以作为工程材料中的骨料使用。

越来越多的植物炭使用话题正进入建筑工程的应用领域。所有应用领域都是建立炭的特殊属性上的。植物炭特别大的表面积具有强大的阳离子交换能力, 以及吸收和释放大量水分的强烈倾水性。2018年在建筑工程使用植物炭专门研究项目的一部分,植物炭将作为矿物工程材料的必要添加物/储存开展研究。

 

植物炭用于地基修复

植物炭 (PK) 或活性炭的作用机制是基于这样一个事实, 即植物炭进入土壤pH 值被提高,所以,至少与重金属有关, 这些污染物被固定,因此, 植物阻止对重金属的吸收,或至少显著减少了。

作为植物炭老化的框架下,各种碳基附着在非常大的表面积上,由于其所在位置的极性, 它们能够结合最大不同的有机污染物。总体而言, 植物炭特殊大的表面积提供了非常好的阳离子交换能力, 从而有利于以这种方式处理的土壤的植物架构特性。

正如报告《生物炭和堆肥作为土壤添加剂用于维也纳大学旧场地使用的报告》所表达的那样,一个好的方法观点,是植物炭通过拌和带有营养阳离子的堆肥,同时固定重金属,以及通过吸收现有有机污染物,做好土壤承载的准备。之后, 土壤中的污染物减少, 土壤条件显著改善。