Anerkennung aus Bund und Land für Pionierleistung:

 

Die Bodensee-Stiftung hat zusammen mit Projektpartnern unter der Leitung der Universität Kassel am Beispiel des Landkreises Bodenseekreis erarbeitet, wie Pflanzen-Aktivkohle aus Restbiomassen regionaler Herkunft in Kläranlagen eingesetzt werden kann, um damit herkömmliche fossile Aktivkohle zu ersetzen. Labor- und Praxisversuche haben die Reinigungsleistung der biogenen Aktivkohle bestätigt. Bei einer Abschlusstagung haben die Projektpartner zudem eine ökonomische und ökologische Bewertung und die Umsetzbarkeit der Forschungsergebnisse aufgezeigt. Das auf fünf Jahre angelegte Projekt "CoAct - Integriertes Stadt-Land-Konzept zur Erzeugung von Aktivkohle und Energieträgern aus Restbiomasse" wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Förderprogramm Stadt-Land-Plus unterstützt.

Auf andere Regionen übertragbar
Mit dem CoAct-Verfahren haben die Projektpartner ein zukunftsweisendes Konzept dafür entwickelt, wie die Nutzung fossiler Stoffe sowie die Abhängigkeit von Importen reduziert und im Gegenzug die regionale Wertschöpfung gefördert werden kann. "Für die pflanzenbasierte Aktivkohle können Restbiomassen aus dem Landkreis genutzt werden, die bisher nicht oder in wenig wertgebender Weise verarbeitet werden", erläutert Andreas Ziermann von der Bodensee-Stiftung. So kann zum Beispiel (Gehölz-)Schnittgut, das nicht für die Hackschnitzelherstellung geeignet ist, Straßenbegleitgrün oder Mähgut aus Naturschutzgebieten verwertet werden. Die Bodenseeregion habe sich hervorragend als Modellregion für "CoAct" geeignet, da mit Schutzgebieten, Ausgleichsflächen, Straßenbegleitgrün und Sonderkulturen verschiedene Flächenkulturen vorhanden sind. Nun liegt eine Liste mit Reststoffen vor, deren Eignung als potenzielle Substrate für die Aktivkohleproduktion untersucht wurden. Diese berücksichtigt auch Biomassen, die für eine Übertragbarkeit der Projektergebnisse auf andere Regionen von Bedeutung sind.

In einer Verarbeitung nach dem IFBB-Verfahren (Integrierte Festbrennstoff- und Biogasproduktion aus Biomasse) werden die Biomassen in eine feste (Presskuchen) und flüssige Fraktion (Presssaft) aufgeteilt. Die flüssigen Bestandteile können in einer Biogasanlage energetisch verwertet werden. Die feste Fraktion kann zu Aktivkohle weiterverarbeitet werden.

Ökobilanz und ökonomische Bewertung
Nach erfolgreichen Laborversuchen bestätigte auch der Praxisversuch in der Kläranlage Kressbronn a. B.-Langenargen die Wirkung: "Die biogenen Aktivkohlen erreichen die geforderten Reinigungsleistungen und können konventionelle ersetzen", sagte Dr. Marcel Riegel vom Technologiezentrum Wasser bei der Tagung. Eine Evaluierung des CoAct-Technikkonzeptes unterstreicht den ökologischen Mehrwert: "Wichtigste Stellschraube aus ökologischer Sicht ist die Produktion einer qualitativ hochwertigen biogenen Aktivkohle, die Aktivkohle auf Steinkohlebasis substituieren kann, um möglichst viel davon einzusparen", sagte Joachim Reinhardt vom Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg (ifeu).

Die ökonomische Perspektive ist noch schwer bezifferbar, da es die benötigte Anlage auf dem Markt noch nicht gibt. Werde sie mit einer Kläranlage gekoppelt, "könnten diverse Synergieeffekte genutzt werden, wie bestehende Anlagenelemente und Infrastruktur sowie die Verwendung von Prozesswasser, Presssaft oder Biogas", betonte Christoph Mathias vom Institut für Ländliche Strukturforschung e.V.. Neben dem Verkauf der Pflanzen-Aktivkohle könnten Erlöse zusätzlich aus der Strom- und Wärmeeinspeisung gewonnen werden. Bestechend sei die regionale Wertschöpfung im CoAct-Verfahren: "Die Kosten kommen der Region zugute", betonte Christoph Mathias. Vor allen Erlösen stünden aber zunächst Investitionskosten. Noch gebe es keine CoAct-Anlage "von der Stange". Eine Anlage zur Produktion von Pflanzenkohle sei schnell verfügbar, eine kombinierte Anlage zur Aktivierung der Pflanzenkohle in der erforderlichen Größenordnung müsse erst als Prototyp erstellt werden, hob Dr. Korbinian Kaetzl, Wissenschaftler aus dem Fachbereich Grünlandwissenschaft und Nachwachsende Rohstoffe der Universität Kassel, hervor.

Abwasserzweckverband erneuert Interesse an Umsetzung
Seitens Bund und Land blicke man mit großem Interesse auf das Projekt, so Dr. Christian Strauß. Er sehe Möglichkeiten für weitere Fördermaßnahmen, deutete er an. Der Abwasserzweckverband Kressbronn a. B.-Langenargen ist vom Konzept überzeugt und hat die Bodensee-Stiftung beauftragt, die Vorplanung einer für die Biomasseverarbeitung und die Pyrolyse geeigneten Anlage, die vor Ort an der Kläranlage betrieben werden kann, voranzutreiben. "Wenn die öffentliche Förderung stimmt, sind wir bereit für nachhaltige Lösungen", betonte Betriebsleiter Alexander Müller, der die Forschungspartner während des Projekts mit großem Engagement unterstützt hat. Auch die Projektpartner haben ein Interesse an der Umsetzung. "Wir haben viele Herausforderungen gemeistert. Es stimmt froh, auf gute Ergebnisse und einen erfolgreichen Abschluss blicken zu können", sagte Andreas Ziermann, und Volker Kromrey, Geschäftsführer der Bodensee-Stiftung, ergänzt: "Das Projekt für sauberes Wasser mit nachwachsenden Rohstoffen am Bodensee durchzuführen, Europas größtem Trinkwasserspeicher, hat eine besondere Bedeutung für uns."

Rückenwind hatte das Projekt bereits im November 2023 erfahren: Am 7. Bioökonomietag des Landes Baden-Württemberg hatte Landwirtschaftsminister Peter Hauk der Bodensee-Stiftung hierfür den Innovationspreis Bioökonomie verliehen.

Website zum Projekt: www.bodensee-stiftung.org/coact

Weitere Informationen zum Forschungsprojekt "CoAct - Integriertes Stadt-Land-Konzept zur Erzeugung von Aktivkohle und Energieträgern aus Restbiomassen"

Die Projektpartner:

• Bodenseekreis
  
• Bodensee-Stiftung (Regionalkoordination)
  
• ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg
  
• Institut für Ländliche Strukturforschung, Goethe-Universität Frankfurt
  
• Krieg & Fischer Ingenieure GmbH
  
• Pyreg GmbH
  
• Stadt Friedrichshafen
  
• TZW: DVGW - Technologiezentrum Wasser des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches mit Sitz in Karlsruhe
  
• Universität Kassel (Gesamtkoordination), Fachgebiet Grünlandwissenschaft und Nachwachsende Rohstoffe
  
• Zweckverband Abwasserreinigung Kressbronn a. B. - Langenargen

Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Programms Stadt-Land-Plus gefördert.

Aktivkohle in Kläranlagen
Abwässer werden in Deutschland überwiegend mit den drei Klärstufen (mechanisch, biologisch, chemisch) aufbereitet. Das so geklärte Wasser enthält häufig jedoch noch Spurenstoffe wie Arzneimittelrückstände, Kosmetika, Reinigungs- und Pflanzenschutzmittel sowie andere Chemikalien. Sukzessive werden Kläranlagen in Deutschland um eine vierte Reinigungsstufe erweitert, um diese Substanzen aus dem Abwasser entfernen zu können. Dies erfolgt mittels Ozonung oder mit granulierter oder pulverförmiger Aktivkohle. Die Aktivkohle fungiert hierbei wie ein poröser Schwamm, an bzw. in dem sich Schadstoffe anhaften und mit der Kohle dem Abwasser entzogen werden. Die Aktivkohle, die hierzulande für die Filterung eingesetzt wird, ist in aller Regel importiert, nicht selten unter ökologisch und sozial fragwürdigen Bedingungen hergestellt und fossilen Ursprungs (überwiegend aus Stein- oder Braunkohle). In den zurückliegenden Jahren hat sich zudem ihr Preis stark erhöht, auch gab es Lieferengpässe.

Der Zweckverband Abwasserreinigung Kressbronn a. B.-Langenargen verarbeitet derzeit rund 25 bis 30 Tonnen Aktivkohle im Jahr. Aktuell sind für die Reinigung von 1000 Litern Wasser zwischen 7 und 20 Gramm Aktivkohle nötig. Im Bodenseekreis verfügen 80 Prozent der Kläranlagen über eine vierte Reinigungsstufe, in Baden-Württemberg sind 30 Anlagen in Betrieb, die meisten darunter setzen Pulveraktivkohle ein, 31 befinden sich in Planung oder Bau (Stand April 2024).

Produktion von Aktivkohle aus pflanzlichen Reststoffen
Eine Möglichkeit, grasartige Restbiomasse in Wert zu setzen, ist das IFBB-Verfahren (Integrierte Festbrennstoff- und Biogasproduktion aus Biomasse). Dabei werden Biomassen zerkleinert und in 40 Grad warmem Wasser für 15 Minuten gemaischt. Anschließend werden sie mittels einer Exzenterschnecke in eine feste und flüssige Fraktion aufgeteilt. Die flüssigen Bestandteile (Presssaft) können in Vergärungsanlagen in Biogas und anschließend in Strom und Wärme gewandelt werden. Die feste Fraktion (Presskuchen) kann mittel Pyrolyse und Aktivierung zu Aktivkohle weiterverarbeitet werden.

Bei der Pyrolyse, die bei bis zu 900 Grad Celsius erfolgt, werden flüchtige organische Verbindungen der Biomassen ausgetrieben und der organische Kohlenstoff karbonisiert. Die dabei entstehenden Pyrolysegase werden bei bis zu 1.200 Grad Celsius vollständig verbrannt und die dabei entstehende Abwärme zum Beheizen des Pyrolysereaktors verwendet. Um die spezifische Oberfläche der karbonisierten Restbiomassen und damit die "Aufnahmekapazität" der Kohle zu erhöhen, wird Wasserdampf in den Pyrolysereaktor eingetragen. Durch die damit erfolgende Oxidation des organischen Kohlenstoffs wird die Oberfläche erhöht, die Kohle also "aktiviert". So wird aus Restbiomasse nicht nur Pflanzenkohle, sondern hochwertige Aktivkohle.

Überprüfung der Wirkung der biogenen Aktivkohle
Um die Reaktionsfreudigkeit der biogenen Aktivkohlen zu beurteilen, wurde die Verringerung des spektralen Absorptionskoeffizienten (SAK(254> aus Klärwasserproben untersucht. Der spektrale Absorptionskoeffizient dient dazu, die Summe der gelösten organischen Wasserinhaltsstoffe mit Hilfe von Labor- oder Prozessphotometern zu bestimmen. Es wurden auch die Entfernungsleistungen von Einzelsubstanzen (z. B. Diclofenac) betrachtet.

Definition und Klassifizierung von Restbiomassen
Im Forschungsprojekt CoAct wird der Begriff "Restbiomassen" für alle pflanzlichen Rest- und Abfallstoffe verwendet, die bei Produktionsprozessen (z.B. dem Anbau landwirtschaftlicher Produkte) und der Erstellung von Dienstleistungen (z.B. der Flächen- und Landschaftspflege) in der Forschungsregion anfallen. Für die Verarbeitung der Restbiomassen nach dem CoAct-Verfahren erfolgte eine Klassifizierung der Biomassen in holzige und grasartige Restbiomassen. Holzige Restbiomassen, wie beispielsweise Hochstammschnitt und Forstrestholz können direkt pyrolysiert und aktiviert werden. Grasartige Restbiomassen (z.B. Straßenbegleitgrün, Landschaftspflegematerial oder Weintrester) hingegen benötigen eine Aufbereitung durch das IFFB - Verfahren, um den Mineralstoffgehalt und insbesondere korrosive Bestandteile der Biomassen, wie beispielsweise Chlor und Schwefel zu reduzieren.

Quantifizierung von Restbiomasse in der Projektregion
Die Bodensee-Stiftung hat als regionaler Projektkoordinator in enger Zusammenarbeit mit dem Bodenseekreis und der Stadt Friedrichshafen die verfügbaren Restbiomassenmengen in der Projektregion ermittelt. Das durch Experteninterviews und zahlreiche Datenerhebungen ermittelte Restbiomassepotenzial in der Untersuchungsregion beläuft sich theoretisch auf ca. 100.000 Tonnen (Trockenmasse) pro Jahr. Unter Berücksichtigung aktueller Ergebnisse aus dem Projekt könnten aus diesen Restbiomassen etwa 10.000 Tonnen regionale Aktivkohle hergestellt werden.

Die Bodensee-Stiftung
ist eine private Umwelt- und Naturschutzorganisation, die sich projektorientiert für mehr Nachhaltigkeit und Naturschutz einsetzt - regional, national und international. Sie ist aktiv in den vier Handlungsfeldern Energiewende, Landwirtschaft & Lebensmittel, Natur- & Gewässerschutz sowie Unternehmen & biologische Vielfalt und arbeitet eng mit Akteuren aus Wirtschaft, Fachverwaltungen, Kommunen, Politik und weiteren Interessenvertretungen zusammen. Die Bodensee-Stiftung wurde 1994 gegründet, ihr Sitz ist in Radolfzell am Bodensee.