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Hochwertiges Düngemittel aus Alt-Zellulose

Ein Wärmedämmstoff aus Altpapier, der nach jahrzehntelanger Nutzung für die Energieeinsparung wieder als Dünger in den Boden zurückkommt, ist ein neuartiges, innovatives Beispiel für Ökoeffizienz im Sinne der Kreislaufwirtschaft. Erstmals erfährt nicht nur der Rohstoff Holz eine langdauernde Kaskadennutzung, sondern auch die dem Dämmstoff beigemengten Borverbindungen. Konrad Steiner, Lehrer an der HBLA Ursprung, hatte vor 6 Jahren die grundlegende Idee und arbeitet seither gemeinsam mit seinen SchülerInnen daran, seine Idee in ein marktfähiges Produkt zu verwandeln.

Materialökologie Ökobilanzen und Lebenszykluskosten

Bewährter Dämmstoff mit Borsalzen als Flammschutzmittel

Zellulosefaserflocken sind ein seit Jahren erfolgreich am Bau eingesetzter Dämmstoff aus Altpapier zur Hohlraumdämmung mit hervorragenden Eigenschaften im Wärme- und Schallschutz. Um das Risiko eines Brandes zu minimieren, werden Zellulose-Dämmstoffe mit Borsäure als Brandschutz­mittel versetzt. Freie Borsäure kommt natürlich in den Wasserdampfquellen der Toskana vor und wurde dort im 19. und 20 Jahrhundert u.a. für pharmazeutische Zwecke gewonnen. Heute wird die Borsäure aus Alkali- und Erdalkalisalzen gewonnen, wie z.B. aus dem Mineral Kernit, das u.a. in der Türkei (Kirka) abgebaut wird.

Borsäure wird laut Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 ab einer bestimmten Konzentration als reproduktionstoxisch der Kategorie 1B eingestuft. Sie wird aber auch z.B. zur Behandlung von Augenentzündungen verwendet. Bor ist außerdem ein Bauelement in Pflanzen, das wichtige Funktionen bei der Zellteilung, Zellstreckung, Zelldifferenzierung, Gewebebildung und Stabilisierung der Zellwände von Pflanzen übernimmt. Besonders die Kulturen Rüben, Raps, Leguminosen und Mais weisen einen höheren Borbedarf auf. Borsäure ist somit ein gefragtes Düngemittel in der Acker-, Grünland- und Forstwirtschaft sowie im Gartenbau. Jeder Biobauer in der EU darf reine Borsäure als Düngemittel beziehen.

Nachnutzung von Zellulosefaserdämmstoff

Verbaute Dämmstoffe auf Zellulosebasis fallen beim Abbruch oder Umbau von Gebäuden als Reststofffraktion an, die mit heute üblicher Praxis in Abfallverbrennungsanlagen verfrachtet werden. Technologien, die Zellulosefasern aus dem Gebäude staubfrei absaugen und Fremdkörper zu entfernen, gibt es bereits. Aufgrund der hohen  technischen Anforderungen an Dämmstoffe und zu niedriger Rohstoff- und Entsorgungskosten werden die Flocken derzeit aber noch selten direkt wiederverwendet. Eine völlig neue Idee verfolgt daher Dr. Konrad Steiner, Lehrer an der HBLA Ursprung.
Einerseits ist Bor ein wichtiger Spurenelementdünger, andererseits sind Holz- und Pflanzenkohle seit über 2500 Jahren  als hocheffiziente Bodenverbesserer bekannt. Bis heute werden sie als Bestandteile von Schwarzerden oder Terra Preta im Gartenbau und der Landwirtschaft eingesetzt. Steiners Idee: Wird die Altzellulose pelletiert – am besten noch vor Ort, damit sie transportfähig ist – und anschließend in einem Pyrolyseofen sorgsam verkohlt, kann daraus borhaltige Kohle als Düngemittel hergestellt werden (Abbildung 1). Der Idee folgte eine Reihe von Versuchsreihen und Untersuchungen. Diese umfassten den Pyrolyseprozess ebenso wie die wertgebenden Eigenschaften der Borkohle. Nicht zuletzt dürfen auch keine schädlichen Stoffe aus der Kohle in die Umwelt abgegeben werden.

Herstellung der Pellets und Produkteigenschaften

Die Sonnenerde - Gerald Dunst Kulturerden GmbH in Riedlingsdorf (Bgld) führte die Verkohlung der Pellets durch. Schnell wurde erkannt: Die reinen Dämmstoffpellets eignen sich noch nicht zum Verkohlen, weil die Energiedichte zu niedrig ist. Getreidespelzen werden seither beigemischt. Der Mindestgehalt von 0,01 % Bor, der für den Einsatz von Düngemitteln  vorgeschrieben ist, wurde ohne Probleme erzielt. Die anwendungsorientierten Feldversuche zur Nutzung als Spurenelementdünger für Silomais, Sonnenblumen und Raps. zeigten eine vielversprechende Düngewirkung (Abbildung 2). Die Elementaranalyse wies in den borgedüngten Pflanzen außerdem ein bedeutend höherer Anteil am Spurenelement Mangan nach – Mangan erfüllt wichtige Funktionen bei der Photosyntheseleistung der Pflanzen.

Geruchsarme Gülle

Bei den Feldversuchen fanden sich außerdem Hinweise darauf, dass mit Borkohle versetzte Gülle weniger Gerüche abgibt als die Gülle ohne Zusätze. Wiederholte Messungen mit dem Olfaktometer bestätigten diese Erstindikation: Die Geruchskonzentration reduzierte sich durch die Zudosierung von praxistauglichen Mengen an Kohle zur Gülle um bis zu 85 % (Hampejs 2018). Dies entspricht einer Verminderung des Geruchspegels um bis zu 8 dBGeruch. Die Einwirkdauer hat einen signifikanten Einfluss auf die Geruchsreduktion wie in Abbildung 3 zu sehen ist. Bereits ausgehend von einem geringeren Ausgangswert sinkt der Geruchspegel der mit Borkohle versetzten Gülle offenbar schnell ab (Hampejs 2018). Erklärt werden kann die Fähigkeit der Borkohle, unangenehme Gerüche in der Gülle zu binden, durch die hohe spezifische Oberfläche von ca. 180 m2/g.

Schadstoffarme Borkohle

In Österreich gilt für Düngemittel die Düngemittelverordnung (DMV), spezielle Richtlinien für Schadstoffe in Biokohle gibt es nicht. In der Schweiz gibt es im freiwilligen Bereich Richtlinien für das „European Biochar Certificate“(EBC 2012). Beide gemeinsam bildeten die Grundlage für die Bestimmung und Bewertung von Schadstoffen in der Biokohle. Die AGES (Österreichische Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit GmbH) und Eurofins Umwelt Ost GmbH führten die entsprechenden Analysen durch.

Etwaige Befürchtungen, dass aufgrund der Druckerschwärze im Rohstoff Altpapier Schwermetalle ein Problem sein könnten, konnten entkräftet werden. Sämtliche Grenzwerte bezüglich Schwermetalle der österreichischen Düngemittelverordnung 2004 werden bei Weitem unterschritten.

Bei unsachgemäßer Verkohlung können – unabhängig vom Rohstoff – organische Schadstoffe entstehen. Bei den sechs laut DMV 2004 untersuchten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs) sind fünf unter der Bestimmungsgrenze, der sechste, Fluoranthen, lag weit unter dem vorgeschriebenen Grenzwert. Bei der Auswertung der sechzehn PAKs nach EBC 2012 war Naphthalin auffällig. Das entspricht auch Angaben in der Literatur, wonach bei der Pyrolyse Naphthalin entstehen kann (Schimmelpfennig 2012). Der Grenzwert der Qualitätsstufe „basic“ konnte aber problemlos eingehalten werden. In der DMV 2004 ist Naphthalin nicht berücksichtigt (Hampejs 2018). Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Borkohle die Grenzwerte der DMV 2004 und der Qualitätsstufe „basic“ der EBC 2012 einhält.

Conclusio

Derzeit werden weltweit in über 500 Forschungsprojekten die Eigenschaften und Wechselwirkungen von Pflanzenkohlen untersucht und deren Nutzen für die Landwirtschaft Schritt für Schritt aufgezeigt. Dies unterstreicht die Sinnhaftigkeit und das Potenzial des Prozessschrittes der Pyrolyse bei der Rückführung eines Altzellulosedämmstoffs in den Stoffkreislauf. Rückgebauter Dämmstoff gilt derzeit als Abfall, aufgrund der Borsäure sogar als gefährlicher Abfall. Aus gesetzlichen Gründen ist in Österreich eine Zulassung als Düngemittel damit noch nicht möglich. Die Ergebnisse dieses Projekts sind nur erste Ergebnisse, die noch mehrmals zu reproduzieren sind. Sie skizzieren aber bereits, welche Anwendungsmöglichkeiten sich für das neue Produkt „Borkohle“ auftun könnten. Kohle wird im Boden kaum abgebaut und somit eröffnet sich mit der Borkohle auch die Chance der C-Sequestrierung im Boden. Klimaschädliches CO2 würde demnach über Jahrhunderte im Boden gebunden.

Dr. Dr. h.c. Mathis Wackernagel – Erfinder des ökologischen Fußabdruckes – in einem öffentlichen Brief an Konrad Steiner (Auszug): „Ich sehe in der aufgezeigten Idee ein Leuchtturmprojekt für Ressourceneffizienz und Klimaschutz […] Zuerst wird das Düngemittel Borsäure als Brandschutz für das Dämmmaterial und anschließend erst als Spurenelementdünger für die Landwirtschaft verwendet. Auch dies ist ein gutes Beispiel für eine verbesserte Mehrfachnutzung von wertvollen Ressourcen.“

Literatur

Hampejs G et al.: Odour reduction of manure through addition of boracic charcoal. University of Applied Sciences Upper Austria, Faculty of Engineering, Department of Bio & Environmental Technology, Agronomy Research 16(3), 708-716, 2018.

Schimmelpfennig, S., Glaser, B.: One step forward toward characterization: some important material properties to distinguish biochars. Journal of Environmental Quality 41, 1001-1013. 2012.

Gesamte Rechtsvorschrift für Düngemittelverordnung - DMV 2004 (BGBl. II Nr. 181/2014, Quelle: Rechtsinformationssystem RIS)

European Biochar Certificate (EBC) – Richtlinien für die nachhaltige Produktion von Pflanzenkohle (2012)

AutorInnen: Franz Dolezal, Hildegund Figl, IBO GmbH

Abb. 1: Kreislauf des Isocell Dämmstoffs
Abb. 2: Wachstumsvergleich von Mais und Sonnenblumen bei einer Versuchsanpflanzung
Abb. 3: Ergebnis des direkten Auftrags auf Wiese Versuch A (Hampejs 2018)