Erd-Kontiki-Bau:

Der Einsatz von Pyrolyseprodukten wird mittlerweile auch für landwirtschaftliche Zwecke in Erwägung gezogen. Die Effekte von Kohlen in Böden sind aufgrund ihrer komplexen chemischen Struktur jedoch schwierig vorauszusagen. Grundsätzlich kann man jedoch von einem hohen Kohlenstoff-Sequestrierungspotenzial ausgehen. Je nach Herstellungsbedingungen, Ausgangsmaterial und Alter der Kohle kann es zu einer starken Wasser-und Nährstoffbindung kommen. Besonders für degradierte Böden mit geringer organischer Substanz könnte der Einsatz von Kohle ein Mittel sein, um Organik langfristig anzureichern und damit auch die Ertragsstabilität zu steigern.

Mittlerweile gibt es verschiedene sehr effiziente Verfahren um Qualitätskohle herzustellen. Allerdings sind die Verfahrenskosten oft sehr hoch und somit ein Hindernis für Kleinbauern in benachteiligten Regionen.

Arbeitsschritte:

Aushub/Form:
Innerhalb von 2 Tagen wurde mit Schaufel und Spitzhacke ein ca. 1,20m tiefes und 2,5m breites Loch in dem lehmig-steinigen Boden der Versuchsfläche ausgehoben. Der Standort wurde so gewählt, dass man die Lageenergie des nahegelegenen Wasserbeckens für das Quenschen der Kohle nutzen konnte. Außerdem musste für den Abfluss ein weiteres Gefälle vorhanden sein. Eine Komposttoillete befindet sich gleich nebenan, wodurch das Pyrolisieren von bzw. das Vermengen mit Exkrementen u.o. das Ablöschen mit Urin möglich ist.

Während des Grabens wurde versucht, die Seitenwände ca. mit 60° Grad (Kon-Tiki-Maße) auf ein kleines Plateau mit einer aus Lehm geformten Abflusssenke abfallen zu lassen. Um die Arbeit etwas zu erleichtern wurde die Aushubfläche kurz vor dem Graben mit Wasser begossen. Das einsickernde Wasser bindet dabei die Boden- bzw. Lehmpartikel und es bilden sich knapp unter der Oberfläche schwere nasse Klumpen. Bearbeiten man nun den Boden mit der Spitzhacke, so lösen sich größere Erdklumpen.

Steingelage:
Der nächste Schritt bestand darin, um das Loch einen Graben von ca. 30cm Tiefe auszuheben. Darin wurden später größere Steine mit Lehm platziert, die nach innen und außen für Stabilität sorgen sollen. Auf die großen in der Erde liegenden Steine wurden anschließend 2 weitere Steinlagen platziert. Dies soll als Schutz gegen kalte Windstöße dienen, die die Verbrennungsdynamik stören könnten. Außerdem kann dieser Steinrahmen auch als gute Sitzmöglichkeit bei einem Lagerfeuer benutzt werden. Die Steine wurden alle mit einem Gemisch aus ca. 80%Lehm + 20%rotem Feinsand verputzt.

Lehm: Auch wenn innerhalb 20 Jahre in den Agroforstparzellen eine beachtliche Humusdecke aufgebaut werden konnte, so ist der Boden doch immer noch arm an Organik und verfügt deswegen über keine aggregatbildende Struktur. Der Verwitterungsgrad ist demensprechend fortgeschritten und der Schluff-/Sand-Anteil relativ hoch. Vermutlich durch die langen Trockenperioden (März-November) und den vielen Steinen, die durch Temperatursprengung ständig neues mineralisches Material liefern, ist der Boden extrem porös und locker.
Haftung: Dies stellte ein Problem dar, weil sich durch das Befüllen mit Holz ständig Bodenmaterial lösen würde. Auch das verputzen mit Lehm war unmöglich, da sich dieser sofort mit dem lockeren Material verband und es weiter ablöste. Die Ursache liegt vermutlich darin, dass zu wenig Lehmpartikel mit den feinen porösen Bodenpartikel interagieren konnten, da die feinen Bodenpartikel das Wasser des Lehmes sofort absorbieren und aufgrund ihrer engen Poren isolieren würden. Dadurch wird der Durchfluss bzw. die Verteilung der Lehmpartikel durch das Wasser unterbrochen. Unsere Schlussfolgerung war deswegen, dem Lehm so viel Wasser beizumengen, dass er mithilfe der kleinen Wassermoleküle in alle Poren eindringen kann bzw. an dem Bodenmaterial haften bleibt.
Lehmguss: Es wurde also auf ca. 5L Lehm 15L Wasser aufgegossen und solange vermischt bis der Lehm völlig suspendierte. Dieses lehmige Wasser wurde schließlich so oft über die Seitenwände gegossen bis es die ganze Oberfläche bedeckte. Dann wurde 2 Tage gewartet bis das Wasser verdunstete und nur der Lehm zurückblieb. Dieser war nun extrem hart und gut verbunden mit dem Bodenmaterial.

Lehmaufbereitung: Es wurden dabei ca. 10 Schubkarren Lehm auf eine Plastikplane geschüttet. Der Lehm stammte von zerstampften alten Lehmziegeln mit Stroh. Zu den noch harten Lehmstücken wurde Wasser und gehäckseltes Stroh hinzugegeben und dann mit den Füßen eingestampft. Dies wurde so lange gemacht bis der Lehm zu einer homogenen flüssigen Masse wurde. Dieses Gemisch wurde dann 4 Tage unter einer Plane gelagert und dann zusammen mit den Steinen auf die Seitenwände aufgebracht.

Sinn der Aufbereitung von Lehm ist es, die Wassermoleküle soweit wie möglich in die Lehmaggregate zu bringen bzw. diese komplett mit Wasser zu vermischen. Dadurch wird die Struktur aufgelockert und plastisch. Außerdem ist es üblich, alten u.o. unaufbereiteten Lehm mit organischem Material zu vermischen wie z.B. Stroh. Das Stroh führt zu zwei Effekte:

Einerseits fördern die Strohhalme-und Fasern die Bruchstabilität bzw. Belastbarkeit, da sie durch den Mischvorgang zufällig angeordnet in der Lehmmasse verbleiben und so zu einer recht inhomogenen Struktur führen. An die Strohfasern lagern sich Lehmpartikel mit Wasser an und es werden längere Sollbruchstellen vermieden. Deswegen sollte das Stroh vor dem Einmischen relativ klein geschnitten werden. Dies erhöht außerdem später noch die Oberfläche der Lehmaggregate. Andererseits wird Stroh und auch jegliches anderes organisches Material mit der Zeit abgebaut bzw. fermentiert. Dabei entstehen u.a. Huminsäuren, die sich in das Korngerüst des Lehms einlagern und die Bindefestigkeit wesentlich erhöhen.

Steinauskleidung: Auf diese harte Lehmschicht konnte nun ein Steinpflaster, mit Lehm verputzt, platziert werden. Bei der Anordnung der Steine wurde versucht, die schwereren Steine eher unten zu positionieren, da weiter oben die Seitenwände steiler wurden.

Quenschwasserzu-und Abfluss:
Um die Kohle abzulöschen bzw. Reststoffe (Asche, Kondensate etc.) kann ein Wasser Zu-und Ablauf sinnvoll sein. In den KonTiki mit der heißen Kohle wird dabei Wasser bis an den Rand eingefüllt und nach zwei Tagen abgelassen und aufgefangen. Dieses „Quenschwasser“ kann nun ev. zur Bewässerung bzw. Düngung (hohe Ca-und Mg-Gehalte > pH)verwendet werden. Diesbezüglich gibt es derweil noch keine Studien. Beim Einsatz von Quenschwasser zur Bewässerung sollten jedoch rückständige toxische Kondensate berücksichtigt werden (PAK, PCB`s). In jedemfall muss das Quenschwasser ausreichend verdünnt werden.

Ein Kon-Tiki sollte laut Ithaka-Institut nur bis maximal 10 cm unter dem oberen Rand befüllt werden, da sonst die stabile Gas-Luft-Verwirbelung gestört und die Verkohlung der oberen Schichten inhomogen wird. Ist der Kon-Tiki also nahezu gefüllt, legt man die letzten zwei bis drei Schichten nur noch rasch verkohlendes Material wie dünne Äste oder Rebschnitt auf, da größere Stücke in der Endphase entweder unverkohlt bleiben oder für zu großen Abbrand und Asche sorgen würden.Etwa 20 Minuten bevor die letzte Schicht pyrolysiert ist, wird der Wasserzufluss am Boden des Kon-Tiki geöffnet. So strömt langsam von unten Wasser in den Meiler. Trifft das Wasser auf die heiße Kohle, verdampft das Wasser. Der sich schließlich bis auf 700°C erhitzende Wasserdampf steigt durch das Kohlebett auf und sorgt nicht nur für eine langsame Ablöschung, sondern aktiviert die Pflanzenkohle. Durch den heißen Wasserdampf werden Kondensate aus den Poren der Pflanzenkohle ausgetrieben. Die Pflanzenkohle wird so quasi geputzt, womit das Porenvolumen und die innere Oberfläche der Kohle zunehmen (vgl. Ithaka Institut).

Schließlich folgte eine Probepyrolyse bei der auch der Wasserzu-und Abfluss getestet wurde: Der Zu-und Ablauf funktionierte gut. Der Wasserteich sollte jedoch immer genügend Wasser haben, um den nötigen Druck zu erzeugen. Außerdem sollte immer wieder das Abflussrohr durchgespült werden, da sich mit der Zeit Asche und kleine Kohlpartikel anlagern werden. Der Pyrolysevorgang selbst musste gut kontrolliert werden, da durch den großen Umfang noch viel Luft hinzukommt und sich das Feuer deshalb sehr schnell entwickeln kann. Eventuell würde eine weitere Steinschicht mehr Schutz bieten. Die Kohlestruktur war äußerlich vergleichbar mit der von dem EisenKonTiki.

Fazit:
Ich hatte zuvor keine Erfahrung mit Kohleherstellung. Fand jedoch das Design vom Ithaka-Institut interessant und auch den Ansatz der billigen Kohleherstellung (ErdKonTiki). Ein genaues Rezept für den ErdKonTikiBau konnte ich leider nicht finden, deswegen ist der Aufbau dieser ErdKohlegrube auch nicht evidenzbasierend. Das wird sich jedoch bei regelmäßiger Kohleherstellung in Mollesnejta zeigen. Als schwierig stellte sich v.a. das Stabilisieren der Innenwände dar. Man wird den Lehmputz zwischen den Steinen sicher mit der Zeit nachbessern müssen. Andererseits würde ohne Steinauskleidung ständig neues Erdmaterial durch die mechanische Belastung gelöst. Aufwändig war auch das Graben des Zu-und Ablaufs. Wenn kein Gefälle vorhanden ist, so kann das Ablöschen auch von oben erfolgen. Allerdings könnte es dadurch zu einer schlechteren Auswaschung der Kohle durch den Wasserdampf kommen (geringere Oberfläche).

Bei Fragen:
Noemi-Email (Mollesnejta): nstadlerkaulich@googlemail.com
Mein Email: david.luge@gmx.com
Mein Mobil: +0043 6502206405 (AUT)

Quellen:
– http://www.ithaka-institut.org/de/ct/101
– http://www.dachverband-lehm.de/wissen

Anleitungsschema zur Pyrolyse anhand StahlKonTiki :

Aufbereitung des Schnittmaterials: Zuschnitt und Entastung von Fichten-Kiefern und Eukalyptusstämmen auf Bauholz. Die Holzstücke, die als Bauholz ungeeignet waren, weil krumm oder zu verästelt, wurden in kurze (<40cm) und lange Stücke (<1,2) geschnitten, um den Kon-Tiki-Kessel möglichst dicht mit dem Schnittmaterial füllen zu können.

Spätestens um 10 uhr morgens beginnen, da am Nachmittag mehr Wind ist. Mit 6 Stunden ist zu rechnen.

Lagerung des Schnittmaterials:

8°°

• Zweck: Die kompakte bzw. dichte Lagerung der Biomasse ist insofern notwendig, da der Pyrolyseprozess im Gegensatz zur Verbrennung und Vergasung hauptsächlich in anaeroben Verhältnissen stattfindet. Es handelt sich dabei um einen reduktiven Vorgang bei vergleichsweise „niedrigen“ Temperaturen: 200-900°C (Wikipedia, Pyrolyse). Ziel dabei ist es, die O2 Zufuhr bzw. die Temperatur konstant zu halten und so indirekt die NOx- und COx-Bildung/Ausgasung, welche einen Atmosphäreneintrag sowie Energieverlust bedingen, zu minimieren.
• Schichtung: Zuerst wurde leicht brennbares Material (Geäst und kurze Holzstücke) ,gemischt mit Nadelstreu, geschichtet. Dieses Gelage wurde nun angezündet und fing sofort Feuer. In kurzer Zeit konnte eine hohe Temperatur erzeugt werden, wodurch das Gelage schnell zusammen sank und nun als „Glutbett“ diente: Die Gluthitze sorgte dafür, dass die flüchtigen Stoffe der nach und nach aufgeschichteten Holzstücke ausgasten und sofort entzündet wurden. Genau betrachtet handelt es sich bei den flüchtigen Bestandteilen um brennbare (hauptsächlich CO, CH4 sowie kleineren Anteilen von Ethylen und Wasserstoff) und nicht brennbare (N, CO2 und H2) Stoffe. Die Entzündung dieser flüchtigen Bestandteile verbraucht allen Sauerstoff der darunterliegenden Schichten und dient somit als Schutzschicht gegen Sauerstoff, der von außen in die Pyrolysezone eindringen will. Durch kontinuierliche Aufschichtung konnte der Sauerstoffzutritt bzw. die Flammenbildung gering gehalten werden. Ist auf der obersten Schicht Asche zu sehen gehört die nächste Schicht an Biomasse gelegt. Wichtig ist dabei, dass die Größe einer Lage annähernd gleich ist. So kann ein gleichzeitiges Verkohlen ermöglicht werden. Auf eine Schichtlage kann leichtverbrennbares Reisig gelegt werden. Dies fängt schnell Feuer, das die austreibenden Pyrolysegase verbrennt.
• Aufsicht/Aufschichtung: Der Kon-Tiki-Kessel befindet sich in einer Grube (Tiefe: ca.3m, DM: 25m), umgeben von Reisig, Geäst und Holzstämmen. Trotz eines eingehakten Blechrahmens am Kon-Tiki-Kessel können während der Pyrolyse immer wieder Funken oder auch Glut herausfallen. Aus Sicherheitsgründen musste deswegen während des gesamten Pyrolysevorgangs eine Person anwesend sein, die durch die ständige Aufschichtung von Holz sowie der Komprimierung der schon entstanden Kohle die Zufuhr von Sauerstoff und somit die Flammenbildung minimieren sollte.

14°°

• H2O-Ablöschung: Vollständige Befüllung des Kon-Tiki-Kessel mit Wasser. Durch die Behandlung mit Wasser kann die Oberfläche der Kohle deutlich vergrößert werden, da die Wassermoleküle die Porenräume der Kohlepartikel ausweiten bzw. durch ihren polaren Charakter neue Poren schaffen (ev. durch Druck und elektrostatische Interaktion).