pdf-to-markdown/examples/WoodUp.md

# WOOD-UP

## Aufwertung der Produktionskette

## von Holzbiokohle für Energie,

## Bodenfruchtbarkeit und Klimaschutz

### Giustino Tonon (Hrsg.)

Das Forschungsprojekt WOOD-UP wurde finanziert durch den Europäischen
Fonds für regionale Entwicklung — operationelles Programm „Investitionen
in Wachstum und Beschäftigung“ EFRE 2014–2020.

# WOOD-UP

## Aufwertung der Produktionskette

## von Holzbiokohle für Energie,

## Bodenfruchtbarkeit und Klimaschutz

### Giustino Tonon (Hrsg.)

```
Bozen-Bolzano University Press, 2020
Free University of Bozen-Bolzano
www.unibz.it/universitypress
```

```
Cover design / layout: DOC.bz / bu,press
Druck: Digiprint
```

```
ISBN 978-88-6046-179-7
E-ISBN 978-88-6046-180-3
```

```
Dieser Band – Cover und Zitate ausgenommen – ist lizenziert unter der
Creative Commons Attribuition-ShareAlike 4.0 International License.
```

Italienischer Originaltitel:
WOOD-UP – Valorizzazione della filiera di gassificazione di biomasse legnose
per l’energia, la fertilità del suolo e la mitigazione dei cambiamenti climatici


Tonon, Criscuoli

_fallprodukt behandelt wird und somit Kosten für Wirtschaft und Umwelt ge-_
_neriert. Ein aktueller Forschungsstrang hat deutlich gemacht, dass diese Kohle_
_eine wertvolle Ressource sein kann, wenn sie etwa in der Landwirtschaft als_
_Bodenverbesserungsmittel eingesetzt wird, mit positiven Auswirkungen auf_
_die Bodenfruchtbarkeit, auf die Produktivität und, dank der langfristigen Bin-_
_dung von Kohlenstoff, auf den Klimaschutz. Die in der Landwirtschaft ver-_
_wendete Kohle wird allgemein als Biochar bezeichnet. Die physikalisch-che-_
_mischen Eigenschaften, die ausschlaggebend sind für dessen Eignung für den_
_landwirtschaftlichen Einsatz, hängen jedoch vom Ausgangsmaterial und den_
_operativen Parametern des Pyrovergasungsprozesses ab. Vor der Umsetzung_
_dieses Projekts waren die Eigenschaften der in Südtirol produzierten Biochars_
_praktisch unbekannt, ebenso wie die tatsächliche Fähigkeit dieser Biochars,_
_die Fruchtbarkeit von Agrarböden der Region zu verbessern und zum Klima-_
_schutz beizutragen._
_Einen zweiten verbesserungswürdigen Aspekt stellt der für die Pyroverga-_
_sung verwendete Rohstoff dar. Die in den Anlagen verwendete Lignocellu-_
_lose-Matrix ist potentiell reich an Sekundärverbindungen, die für die Pharma-_
_, Kosmetik- und Lebensmittelindustrie interessant sind und die wirtschaftli-_
_che Nachhaltigkeit der gesamten Produktionskette verbessern können, wenn_
_sie vor der Energieerzeugung extrahiert werden._
_In diesem Zusammenhang hat WOOD-UP die Energieeffizienz und wirt-_
_schaftliche Nachhaltigkeit der aktuellen Produktionskette der Biomasseverga-_
_sung in Südtirol analysiert, um Strategien zur Steigerung der Polygenerati-_
_onskapazität aktuell verwendeter Technologien zu entwickeln und die Pro-_
_duktion von landwirtschaftlich nutzbarem Biochar zu fördern (Kapitel 1)._
_Gleichzeitig wurden die physikalischen und chemischen Eigenschaften der in_
_Südtirol erzeugten Kohle untersucht, um deren Gehalt an Elementen zu eva-_
_luieren, die für die Umwelt und den Menschen gefährlich sind und die gemäß_
_den einschlägigen Bestimmungen eine landwirtschaftliche Nutzung verhin-_
_dern (Kapitel 3)._
_In agronomischer Hinsicht wollte das Projekt WOOD-UP die Wirkung be-_
_stimmter Arten von Biochar auf Produktivität, Produktqualität und auf die_
_Nutzungseffizienz von Wasser und Stickstoff im Wein- und Apfelanbau Süd-_
_tirols prüfen. Kapitel 4 und 5 enthalten die Ergebnisse dieser Untersuchungen._

```
Einleitung
```

_Kapitel 6 beleuchtet, welchen Beitrag Biochar zum Klimaschutz und zur lang-_
_fristigen Kohlenstoffbindung in den Agrarböden Südtirols leisten kann. Die_
_interessanten Ergebnisse in Kapitel 2 zeigen, wie die Extraktion von Verbin-_
_dungen für die Pharma- und Lebensmittelindustrie vor der energetischen_
_Nutzung von Holzbiomasse von hohem Mehrwert sein kann._
_Die in den vorhergehenden Kapiteln gesammelten und untersuchten Informa-_
_tionen wurden in eine Lebenszyklusanalyse (LCA) eingebunden, deren Er-_
_gebnisse in Kapitel 7 dargelegt werden. Zuerst wurde die ökologische Nach-_
_haltigkeit der aktuellen Produktionskette in der Biomassevergasung in Südti-_
_rol untersucht. Die aktuelle Situation wurde mit sechs alternativen Szenarien_
_verglichen, die eine zunehmende Zahl innovativer Varianten unterschiedli-_
_cher Kombination vorsahen, wie z. B. a) die Anwendung anderer als die der_
_aktuellen Pyrovergasungstechnologien, b) die Aufwertung von Holzbiomasse_
_zu Pharma- oder Lebensmittelzwecken, c) die Nutzung von Biochar als Bo-_
_denverbesserungsmittel in der Landwirtschaft. Dank der Lebenszyklusana-_
_lyse konnten die Stärken und Schwächen der aktuellen Produktionskette aus-_
_findig gemacht und mögliche Ansätze zur Verbesserung ihrer ökologischen_
_und wirtschaftlichen Nachhaltigkeit ermittelt werden._

## Neuester Stand der Technik der Vergasung von

## Holzbiomasse in Südtirol und technisch-

## wirtschaftliche Analyse möglicher

## Verbesserungen in Hinblick auf eine

## polygenerative Strukturierung

**Daniele Basso– Freie Universität Bozen**
**Eleonora Cordioli– FreieUniversität Bozen**
**Elisa Bonadio– NOI Techpark Südtirol**
**Francesco Patuzzi– Freie Universität Bozen**
**Stefano Dal Savio– NOI Techpark Südtirol**
**Tanja Mimmo– Freie Universität Bozen**
**Marco Baratieri– Freie Universität Bozen**

Abstract
_Die Verbreitung kleiner Holzvergasungsanlagen hat in Südtirol im letzten Jahrzehnt_
_deutlich zugenommen, sei es aufgrund der in dieser Region verfügbaren großen Menge_
_an Holzbiomasse, sei es aufgrund der von staatlichen Förderprogrammen für erneuer-_
_bare Energien erzeugten vorteilhaften Wirtschaftsbedingungen. Derzeit produzieren_
_Vergasungsanlagen neben Elektro-und Wärmeenergie ein festes Abfallprodukt mit ho-_
_hem Kohlenstoffgehalt, das Kohle genannt wird. Die Analogie dieses Materials mit_
_durch Pyrolyse erzeugtem Biochar (Biokohle) hat das Interesse der Wissenschaftsge-_
_meinschaft und Interessengruppen bezüglich dessen potenzieller Nutzung als Boden-_
_verbesserungsmittel geweckt. Auf diese Weise kann eine Vergasungsanlage zur Poly-_
_generation eingesetzt werden, d. h. für die Erzeugung von mindestens drei Produkten:_
_Wärmeenergie, elektrische Energie und Biochar. Zur Evaluierung dieser Möglichkeit_
_setzt sich diese Arbeit zum Ziel, den aktuellen Stand der Technik der in Südtirol ver-_
_breiteten kleinen Vergasungsanlagen zu untersuchen und den Fluss der von den Anla-_
_gen erzeugten Kohle mengen- und qualitätsmäßig zu charakterisieren; zu diesem_

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

_Zweck werden die chemisch-physikalischen Parameter der Kohle den von den Vor-_
_schriften für Bodenverbesserungsmittel vorgesehenen Grenzwerten gegenübergestellt_
_und die technisch-wirtschaftliche Machbarkeit eines zukünftigen Umbaus bestehender_
_Anlagen für die Polygeneration analysiert._

#### 1. Einleitung

_Biomasse und insbesondere Holzbiomasse (Scheitholz, Hackschnitzel,_
_Holzpellets) kann durch spezifische Technologien, die thermochemische Pro-_
_zesse implementieren, in Wärme-und Elektroenergie oder Biobrennstoffe um-_
_gewandelt werden. Die Vergasung ist ein thermochemischer Prozess, der bei_
_Temperaturen über 700 °C in Anwesenheit eines Oxidationsmittels (norma-_
_lerweise Luft) in einem niedrigeren als für die komplette Verbrennung nöti-_
_gen Prozentsatz erfolgt. Dieser Prozess ermöglicht die Konversion der festen_
_Biomasse in ein Gasgemisch, das sonst als Synthesegas oder Generatorgas_
_(producer gas) bekannt und reich an Kohlenmonoxid und Wasserstoff ist. Das_
_Synthesegas kann direkt als Brennstoff für Verbrennungsmotoren verwendet_
_werden, um Methanol oder Wasserstoff zu erzeugen, oder mit dem Fischer-_
_Tropsch-Verfahren in andere synthetische Flüssigbrennstoffe umgewandelt_
_werden. Der feste Rückstand des Vergasungsprozesses, also das, was nach_
_dem thermischen Abbau der Biomasse übrigbleibt, ist ein kohlenstoffhaltiges_
_Material, das generell als Kohle oder Biochar (Biokohle) bekannt ist. Mit dem_
_Begriff Biochar werden im Allgemeinen feste Rückstände aus der Pyrolyse_
_von Holzbiomasse bezeichnet, einem Prozess, der bei Temperaturen zwischen_
_350 °C und 1000 °C unter Zufuhr minimaler Sauerstoffmengen erfolgt_
_(European Biochar Foundation (EBC), 2020). Durch Pyrolyse gewonnenes_
_Biochar ist ein sehr poröses Material mit hohem Kohlenstoffgehalt; es ist reich_
_an Mineralien und Aromaverbindungen und kann als Bodenverbesserungs-_
_mittel oder als Dekontaminierungsmittel für die Wasseraufbereitung oder_
_Bodensanierung verwendet werden. Diesbezüglich fällt die Holzvergasung in_
_das Spektrum der mit Pyrolyse vergleichbaren Technologien. Vor allem durch_
_Vergasung gewonnene Kohle weist viele Ähnlichkeiten mit Aktivkohle auf_

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

_und könnte diese hypothetisch in verschiedenen Anwendungsbereichen er-_
_setzen (Benedetti, Patuzzi und Baratieri, 2018). Durch ihren hohen Kohlen-_
_stoffgehalt und ihre gut entwickelte Porosität könnte die Kohle nicht nur zur_
_Verbrennung (Galhetas et al., 2012; Piazzi, Zhang, Patuzzi und Baratieri,_
_2020), sondern auch zur Adsorption von Gas und Farbstoffen (Benedetti, Cor-_
_dioli, Patuzzi und Baratieri, 2019; Marchelli et al., 2019; Runtti et al., 2014), als_
_Trägersubstanz für die Zubereitung von Katalysatoren (Benedetti, Ail,_
_Patuzzi und Baratieri, 2019; Benedetti et al., 2020) oder zum Cracken von Teer_
_(Cordioli, Patuzzi und Baratieri, 2019; Klinghoffer, Castaldi und_
_Nzihou, 2012) genutzt werden. In der Literatur werden auch Anwendungen_
_zur Bodendüngung genannt (Hansen et al., 2015). Damit die durch Vergasung_
_gewonnene Kohle als Biochar eingestuft werden kann, muss der Prozess je-_
_doch für die Kohleerzeugung optimiert werden und die Kohle bestimmte qua-_
_litative Merkmale aufweisen. Neben einem hohen Kohlenstoffgehalt und_
_einer gut entwickelten Porosität muss die Kohle zum Beispiel einen reduzier-_
_ten Gehalt an polyzyklischen aromatischen Wasserstoffen (PAK), polychlo-_
_rierten Biphenylen (PBC), Dioxinen (PCDD) und Furanen (PCDF) besitzen. In_
_diesem Kapitel werden die Begriffe Kohle und Biochar unterschiedslos ver-_
_wendet, um den festen Rückstand aus der Vergasung zu bezeichnen, und_
_zwar weil die hier vorgestellte, im Rahmen des Wood-Up-Projektes durchge-_
_führte Arbeit das Hauptziel hat, die Möglichkeit einer landwirtschaftlichen_
_Wiederverwendung der in regionalen Vergasungsanlagen erzeugten Kohle zu_
_prüfen und Nutzungsmöglichkeiten zu ermitteln. Die Nutzung dieser festen_
_Rückstände und somit ihre Aufwertung könnten die Vergasungstechnologie_
_auch ohne spezielle Förderprogramme wirtschaftlich nachhaltiger machen._
_Aktuell werden in Südtirol über 40 Holzvergasungsanlagen betrieben_
_(Patuzzi et al., 2016) und dort mehr als 1.300 Tonnen Kohle gewonnen, die als_
_nicht gefährlicher Sonderabfall mit Kosten von circa 150–160 €/Tonne entsorgt_
_wird. Eine Wiederverwendung in der Landwirtschaft könnte einerseits, wenn_
_das Potenzial der Kohle als Bodenverbesserungsmittel bestätigt werden sollte,_
_positive Auswirkungen auf den Boden haben, und andererseits die Inzidenz_
_der aktuellen Entsorgungskosten in Bezug auf die Gesamtbetriebskosten einer_
_Vergasungsanlage deutlich reduzieren und diese Technologie dadurch nach-_
_haltiger machen._

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

_Unter diesem Blickwinkel wurde eine Bestandsaufnahme der Südtiroler Holz-_
_vergasungsanlagen gemacht und eine Untersuchung zum Typus der im Pro-_
_vinzgebiet installierten Reaktoren und der technischen Eigenschaften der ein-_
_zelnen Anlagen durchgeführt. Insbesondere wurde eine detaillierte Flussana-_
_lyse der verwendeten Holzbiomasse und der in diesen Anlagen gewonnenen_
_festen Rückstände (Kohle) erstellt; dabei standen die entsprechenden Entsor-_
_gungsverfahren oder Bestimmungszwecke besonders im Fokus der Aufmerk-_
_samkeit. Wie bereits erwähnt, kann die in diesen Anlagen erzeugte Kohle nur_
_dann als Bodenverbesserungsmittel verwendet werden, wenn sie die Grenz-_
_werte der einschlägigen Gesetze und Vorschriften einhält, insbesondere die_
_des Legislativdekrets 75/2010. Es wurde daher versucht, die Vergasungstech-_
_nologien unter den analysierten auszumachen, die zur Gewinnung der zu die-_
_sem Zweck nutzbaren Kohle besonders vielversprechend sind._

#### 2. Materialien und Methoden

2.1 Anlagenkartierung. Technische Eigenschaften der
verschiedenen Technologien
_In der Autonomen Provinz Bozen gibt es derzeit 42 funktionierende Biomasse-_
_vergasungsanlagen mit einer installierten elektrischen Gesamtleistung von_
_circa 6,7 MW (Daten von September 2018). Schätzungsweise werden jährlich_
_etwas mehr als 52 GWh Elektrizität und circa 101 GWh Wärmeenergie er-_
_zeugt. Die Anlagen sind ziemlich gleichmäßig im Gebiet der Provinz verteilt,_
_auch dank der Tatsache, dass sich die ausgewählten Technologien sowohl in_
_Hinsicht auf ihre Größe als auch in Bezug auf die Eigenschaften der Anlage_
_gut an die besonderen Nutzertypologien im Südtiroler Gebiet anpassen. Diese_
_Art von Anlage wird in Biomasseheizwerken, kleinen Industriebetrieben und_
_Sägewerken sowie in landwirtschaftlichen Betrieben eingesetzt. Da die Bio-_
_masseheizwerke bereits über die Logistik der Biomassebeschickung und über_
_das Fernheizwerknetz verfügen, das die im Werk erzeugte Wärme an die Nut-_
_zer verteilt, eignen sie sich sehr gut für die Installation von Vergasungsanla-_
_gen, welche die großen Hackschnitzelkessel ersetzen oder ergänzen können._

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

_Vor allem im Sommer, wenn die Nutzer nur zur Trinkwassererhitzung Wär-_
_meenergie benötigen, können Vergasungsanlagen die geringe, für das Fern-_
_heizwerknetz benötigte Menge an Wärmeenergie erzeugen; auf diese Weise_
_kann der Betrieb großer Heizkessel mit sehr geringer Auslastung und somit_
_auch sehr niedriger Effizienz vermieden werden._
_Vor allem die beträchtliche Zunahme der Südtiroler Vergasungsanlagen in_
_den Jahren 2012 bis 2014 stand in engem Zusammenhang mit dem Förderpro-_
_gramm des Gesetzes vom 23.07.2009, das eine sehr vorteilhafte Bepreisung_
_vorsah. Anlagen unter 300 kW erhalten zum Beispiel einen Preis von 280 € pro_
_MWh erzeugter Elektrizität. Diese Zunahme hätte noch größer ausfallen kön-_
_nen, wurde aber durch bestimmte Probleme in Verbindung mit der Technik_
_und der Zulassung gebremst, da es sich um eine völlig neue und noch nicht_
_ganz ausgereifte Technologie handelte. Im darauffolgenden Zeitraum zwi-_
_schen 2014 und 2018 haben die Unsicherheit der Gesetzgebung und die Sen-_
_kung des Fördertarifs zu einer Abnahme der Investitionen in neue Installati-_
_onen geführt. Diese Situation hat sich von Anfang 2019 bis heute zu einer fast_
_vollständigen Paralyse des Holzvergasungsmarktes entwickelt; Grund dafür_
_ist das Fehlen eines Förderprogramms für neue Vergasungsanlagen._
_Abbildung 1 zeigt die Verteilung der in Südtirol betriebenen Holzvergasungs-_
_anlagen, nach Installationsjahr gekennzeichnet._

Abb. 1 – Verbreitung von Holzvergasungsanlagen in Südtirol in den verschiedenen Jahren

```
Genehmigungsjahr (# Anlagen)
```

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

_Um ein genaues Bild der in Südtirol installierten Anlagen zu erhalten und so-_
_wohl Wirtschafts- als auch Produktions- und Verbrauchsdaten zu erfassen,_
_wurde Betreibern einzelner Anlagen, die sich zur Mitarbeit an diesem Projekt_
_bereiterklärt haben, ein Fragebogen vorgelegt, um möglichst viele Informati-_
_onen zu sammeln, insbesondere in Bezug auf:_

- den Fluss der verwendeten Holzbiomasse
- den Fluss der erzeugten Rückstände (Kohle)
Es wurden also Informationen über die Art der verwendeten Biomasse (Hack-
schnitzel, Pellets oder Briketts), deren Herkunft, die Eigenschaften des Mate-
rials (z. B. Feuchtigkeit), den jährlichen Verbrauch der Anlage und die Kosten
der verwendeten Rohstoffe gesammelt. Was die erzeugte Kohle anbelangt,
wurden Informationen über die Art der Rückstände (trockene Kohle, feuchte
Kohle, Asche oder Kondensflüssigkeiten), ihren Bestimmungszweck, die jähr-
lich gewonnenen Mengen und die Entsorgungskosten (bzw. den Verkaufs-
preis) gesammelt.
Abgegeben wurden Fragebögen von 17 Anlagen, die repräsentativ für 10 der
11 in Südtirol angewandten Technologien sind; dadurch erhielt man ein all-
gemeines Bild von der Situation, das repräsentativ für die regionale Produk-
tionskette der Holzvergasung ist.

2.2 Monitoring der Anlagen und Abschluss der Massen- und
Energiebilanzen
_Zur Unterstützung und Ergänzung der von den Anlagenbetreibern ausgefüll-_
_ten Fragebögen wurden, wiederum in Abhängigkeit von der Bereitschaft der_
_Betreiber, einige wichtige Vergasungsanlagen überwacht. Für das Monitoring_
_fand das in der Empfehlung 13 des Italienischen Thermotechnischen Komitees_
_(CTI) vorgesehene Verfahren Anwendung; die Empfehlung gibt Leitlinien für_
_das Monitoring von Anlagen vor, die Synthesegas aus der Holzvergasung ge-_
_winnen und nutzen. Die Massen- und Energieflüsse wurden beim Monitoring_
_des Anlagenbetriebs für mindestens fünf Stunden kontinuierlich, ohne Unter-_
_brechungen oder Übergangsphasen infolge vonEin-oder Ausschaltungendes_
_Vergasungsreaktors gemessen. Ein wesentlicher Parameter, der betrachtet_
_wurde, ist der eingehende Energiefluss, also die Menge der Biomasse pro Zeit-_
_einheit; zu diesem Zweck wurde die Biomasse vor ihrer Einspeisung in den_

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

_Reaktor gewogen oder – wenn die Masse nicht direkt gemessen werden_
_konnte – die Veränderung im Lagervolumen der Rohstoffe während des un-_
_tersuchten Zeitraums bestimmt. Der Durchfluss des Vergasungsmittels (Luft)_
_und der des austretenden Synthesegases wurde ausgehend von Geschwindig-_
_keitsmessungen des Ein- oder Abflusses mit einem Pitotrohr und auf Grund-_
_lage der Zusammensetzung berechnet, die für Luft bekannt ist und im Falle_
_des Synthesegases erhoben wird. Der Fluss der gewonnenen Kohle wurde_
_hingegen ermittelt, indem man während der Überwachungszeit alle festen_
_Rückstände eingesammelt und gewogen hat. Sowohl die eingespeiste Bio-_
_masse als auch die gewonnene Kohle wurden in der Folge im Labor unter-_
_sucht, um den Gehalt an Feuchtigkeit (UNI EN 14774) und Asche (UNI EN_
_14775:2010), den Gehalt an Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel und_
_Sauerstoff (Elementaranalyse, UNI EN ISO 16948:2015) und den Heizwert_
_(UNI EN 14918:2010) zu bestimmen. Auch die Zusammensetzung des durch_
_die Vergasung gewonnenen Synthesegases wurde beim Monitoring bestimmt;_
_in diesem Fall wurde ein tragbarer Gaschromatograph mit Säulen verwendet,_
_die für die Messung der Konzentration von Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff,_
_Methan, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid des analysierten Gasflusses ge-_
_eignet sind._
_Was die Energieflüsse anbelangt, wurde die mit der eingespeisten Biomasse_
_verbundene Eingangsleistung Pbiom, ausgehend vom Fluss der Biomasse_ 𝑚𝑚̇ 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏
_und ihrem unteren Heizwert berechnet_ 𝐿𝐿𝐿𝐿𝑉𝑉𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏_:_

```
𝑃𝑃𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 = 𝑚𝑚̇ 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 ∙ 𝐿𝐿𝐿𝐿𝑉𝑉𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏
```

_Die von der Anlage erzeugte elektrische Leistung_ 𝑃𝑃𝑒𝑒𝑒𝑒 _wurde beim Monitoring_
_von einem Leistungsanalysator oder mit der bereits im Kontrollsystem der_
_überwachten Anlage integrierten Messvorrichtung gemessen. Sofern nicht_
_vom Kontrollsystem der Anlage aufgezeichnet, wurde die erzeugte Wärme-_
_leistung geschätzt, indem der Durchfluss der Wärmeübertragungsflüssigkeit_
_mit einem Ultraschall-Durchflussmesser erfasst und die Vor- und Rücklauf-_
_temperatur des Hydraulikkreislaufs mit einem Thermometer mit Platinwider-_
_stand PT 100 gemessen wurde._

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

_Dann wurden die elektrische Effizienz_ 𝜂𝜂𝑒𝑒𝑒𝑒_, die thermische Effizienz_ 𝜂𝜂𝑡𝑡ℎ _und_
_die Gesamteffizienz_ 𝜂𝜂𝑡𝑡𝑏𝑏𝑡𝑡 _der Anlage berechnet:_

```
𝜂𝜂𝑒𝑒𝑒𝑒 =
𝑃𝑃𝑒𝑒𝑒𝑒 −𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
𝑃𝑃𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏
𝜂𝜂𝑡𝑡ℎ =
𝑃𝑃𝑡𝑡ℎ
𝑃𝑃𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏
𝜂𝜂𝑡𝑡𝑏𝑏𝑡𝑡 = 𝜂𝜂𝑒𝑒𝑒𝑒 +𝜂𝜂𝑡𝑡ℎ
```

_wobei_ 𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 _der von den Hilfsgeräten verbrauchten elektrischen Leistung ent-_
_spricht._

2.3 Charakterisierung der Kohle
_Die Kohle aus den Vergasungsanlagen wurde, neben den oben genannten,_
_auch weiteren Abfallanalysen zur Ermittlung des Gehalts an Metallen, po-_
_lyzyklischen aromatischen Wasserstoffen (PAK, Methode MI-03 Rev. 13 2016)_
_und Dioxinen (Methode EPA 1613B 1994) unterzogen. Diese Analyse setzt sich_
_zum Ziel, mögliche Zusammenhänge zwischen den physisch-chemischen Ei-_
_genschaften der eingesammelten Kohle und den wichtigsten Prozessparame-_
_tern, sowie mit den spezifischen Merkmalen der überwachten Anlagen, z. B._
_Art des Reaktors, Nennleistung und Art der verwendeten Biomasse, hervor-_
_zuheben. Viele Autoren sprechen sich dafür aus, dass die Eigenschaften der_
_Kohle vor allem von der Art der verwendeten Biomasse, aber auch in erhebli-_
_chem Maße von der Geometrie und den Betriebsbedingungen des Verga-_
_sungsreaktors (Temperatur, Druck, Fluss, Vergasungsmittel) abhängen. Folg-_
_lich kann auch die Art des Reaktors großen Einfluss auf die Spezifizität der_
_erzeugten Kohle haben._

2.4 Unter kontrollierten Bedingungen gewonnene Kohle
_Um die möglichen Zusammenhänge zwischen den chemisch-physischen Ei-_
_genschaften der Kohle und den Betriebsbedingungen des Vergasungsprozes-_
_ses zu evaluieren und somit im Detail untersuchen zu können, wie sich eine_
_Änderung dieser Bedingungen auf die Qualität der Kohle auswirken kann,_
_indem sie zum Beispiel dafür sorgt, dass die Kohle mit den Grenzwerten der_

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

_Düngemittelvorschriften konform ist, wurden Vergasungstests an Holzbio-_
_masse durchgeführt, bei denen ein in den Bioenergy- und Biofuels-Laborato-_
_rien der Freien Universität Bozen installierter Vergaserprototyp verwendet_
_wurde. Während der Tests wurden spezifische Prozessparameter variiert, um_
_eine größere Datenmenge für den Vergleich zur Verfügung zu haben, wäh-_
_rend die eingespeiste Brennstoffmenge unverändert blieb._
_Insbesondere wurde sowohl mit unterschiedlichen Reaktorkonfigurationen_
_als auch unter verschiedenen Prozessbedingungen Kohle erzeugt. Insgesamt_
_wurden 6 verschiedene Arten von Kohle mit der Bezeichnung R100, R75, R50,_
_O-R, O-C und Q erzeugt. Die Kohletypen R100, R75 und R50 wurden mit ei-_
_nem Open-Top-Downdraft-Reaktor aus Holzhackschnitzeln gewonnen. Die_
_Durchschnittstemperatur im Reaktor betrug circa 750 °C. Die verschiedenen_
_Kohlearten wurden bei unterschiedlichem Ladezustand des Reaktors erzeugt,_
_d. h. bei 100 % (R100), 75 % (R75) und 50 % (R50) der Nennlast. Die Kohlearten_
_O-R und O-C wurden mit einem sehr kleinen Downdraft-Reaktor (20 kW) aus_
_Holzhackschnitzeln gewonnen. Die O-R-Kohle wurde aus dem Reaktor extra-_
_hiert, die O-C-Kohle hingegen aus dem Zyklon gewonnen, der dem Reaktor_
_nachgeschaltet ist. Dagegen wurde die Q-Kohle mit dem Prototyp eines klei-_
_nen (5 kW) Open-Top-Downdraft-Reaktors erzeugt. Die durchschnittliche_
_Vergasungstemperatur betrug in diesem Fall über 600 °C. Tabelle 1 enthält die_
_detaillierten Informationen der unter kontrollierten Bedingungen erzeugten_
_Kohle._

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

Tabelle [^1]: – Detaillierte Informationen über die unter kontrollierten Bedingungen erzeugte Kohle

```
Bezeichnung der
Kohle
```

```
Produktionsbedingungen
```

```
R100 Biomasse: Holzhackschnitzel
Reaktortyp: Downdraft, Open Top
Last: 100 % der Nennlast
```

```
R75 Biomasse: Holzhackschnitzel
Reaktortyp: Downdraft, Open Top
Last: 75 % der Nennlast
```

```
R50 Biomasse: Holzhackschnitzel
Reaktortyp: Downdraft, Open Top
Last: 50 % der Nennlast
```

```
O-R Biomasse: Holzhackschnitzel
Reaktortyp: Downdraft (20 kW)
Kohle: aus dem Reaktor entnommen
```

```
O-C Biomasse: Holzhackschnitzel
Reaktortyp: Downdraft (20 kW)
Kohle: aus dem Zyklon (Filtersektion) entnommen
```

```
Q Biomasse: Holzhackschnitzel
Reaktortyp: Downdraft, Open Top (5 kW)
```

2.5 Vergleichende Bewertung in Bezug auf die einschlägigen
Vorschriften und die europäischen Standards

_Die Eigenschaften der unter kontrollierten Bedingungen erzeugten Kohle, die_
_im vorhergehenden Abschnitt beschrieben wurde, und die beim Monitoring_
_der kommerziellen Anlagen entnommenen Kohle wurden mit den Düngemit-_
_telgrenzwerten der einschlägigen italienischen Vorschriften und mit den_
_wichtigsten europäischen Standards, d. h. IBI (International Biochar Initiative,_
_https://biochar-international.org/), EBC (European Biochar Certificate,_
_http://www.european-biochar.org/en) und BQM (Biochar Quality Mandate)_

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

_verglichen. Schließlich wurde das vom britischen Biochar Research Center er-_
_zeugte kommerzielle Biochar untersucht und ebenfalls mit den in der ein-_
_schlägigen italienischen Gesetzgebung vorgegeben Grenzwerten verglichen._

#### 3. Ergebnisse und Diskussion

3.1 Biomassefluss
_Die zehn Vergasungstechnologien, die unter den aktuell in Südtirol genutzten_
_Technologien berücksichtigt wurden, verwenden Holzbiomasse in Form von_
_Hackschnitzeln, Pellets oder Briketts unterschiedlicher Größe und Feuchtig-_
_keit. Die Stückelung variiert zwischen G30 (maximal 30 cm Länge) und G150_
_(maximal 150 cm Länge), wobei der Feinanteil nicht mehr als 20 % betragen_
_darf, damit im Reaktor keine Probleme durch Verbacken des Materials entste-_
_hen. Zur Gewährleistung des ordnungsgemäßen Betriebs der Anlage darf die_
_Feuchtigkeit der Biomasse außerdem bei allen Technologien 10 % nicht über-_
_steigen. Einige Betreiber kaufen bereits getrocknete Biomasse (getrocknete_
_Hackschnitzel oder Pellets mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 5–_[^10]: _%), die_
_teurer ist (circa 132–136 €/t für Hackschnitzel und 195–245 €/t für Pellets); an-_
_dere verwenden hingegen einen externen Trockner oder nutzen eine Reaktor-_
_technologie, bei der die eingespeiste Biomasse in der Anfangsphase erhitzt_
_und getrocknet wird (in diesem Fall sinken die Kosten der Biomasse auf 65–_
_96 €/t)._
_Hackschnitzel und Briketts stammen fast vollständig aus Waldpflegearbeiten_
_oder Abfällen aus Südtiroler Sägereien; in letzterem Fall sind die Rohstoffe_
_kostenlos. Die Pellets kommen hingegen hauptsächlich aus Österreich und_
_Polen, zu einem geringeren Anteil jedoch auch aus Südtirol._
_Unter Ausweitung der durch die Fragebögen erhobenen Daten auf alle aktuell_
_in Südtirol betriebenen Anlagen wurde berechnet, dass den Vergasungsanla-_
_gen fast 50.000 Tonnen Holzbiomasse zugeführt werden, wodurch Gesamt-_
_kosten von nahezu 5 Millionen Euro pro Jahr für den Einkauf der Rohstoffe_
_entstehen._

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

3.2 Rückstandsarten und -flüsse
_Die zwei wichtigsten Arten von Rückständen aus dem Vergasungsprozess_
_sind Kohle und das in der Phase der Reinigung und Kühlung des vom Reaktor_
_erzeugten Synthesegases aufgefangene Kondensat. Beide Abfallprodukte_
_werden von spezialisierten Betrieben entsorgt und in einigen Fällen als nicht_
_gefährlicher Sonderabfall eingestuft._
_Kohle liegt als sehr feiner und flüchtiger schwarz-grauer Staub vor, dessen_
_Handhabung eben aufgrund dieser Eigenschaften oft schwierig ist. Einige der_
_in dieser Studie betrachteten Technologien sehen eine Befeuchtung der Rück-_
_stände durch Wasserzusatz im Kohleauslass-Abschnitt vor. Zwar vereinfacht_
_dieser Prozess einerseits die Handhabung der Rückstände, ist aber anderer-_
_seits mit hohen Entsorgungskosten verbunden, da diese im Allgemeinen nach_
_Gewicht des entsorgtenMaterials berechnet werden, und der Zusatz von Was-_
_ser erhöht das Gewicht der Rückstände erheblich._
_Generell ist der Umgang mit der Kohle ein kritischer Aspekt im Betrieb einer_
_Vergasungsanlage, vor allem weil die Entsorgung der Kohle in der wirtschaft-_
_lichen Bilanz der Investition einen nicht unerheblichen Kostenposten darstellt._
_Die durchschnittlichen Entsorgungskosten für die Kohle belaufen sich auf un-_
_gefähr 150–160 € pro Tonne; sie können jedoch je nach Art der Rückstände_
_stark variieren. Diesbezüglich werden zwei Sonderfälle der untersuchten Ver-_
_gasungsanlagen aufgeführt. Einige Anlagen sehen einen dem Vergaser nach-_
_geschalteten „Reformer“ vor, eine Art Nachbrenner, der in der Lage ist, die_
_Kohle in Asche zu verwandeln. Mit dieser Vorrichtung können Volumen und_
_Gewicht des Abfallmaterials deutlich reduziert werden; zudem ist es möglich,_
_letzteres nicht mehr als Abfall, sondern als einfaches Prozessnebenprodukt zu_
_entsorgen. Außerdemliefert eine der analysierten Anlagen die Asche aus dem_
_Reformer an ein nahegelegenes Zementwerk und schafft es so, beinahe alle_
_Entsorgungskosten wettzumachen. Die von einem anderen Reaktortyp er-_
_zeugte Kohle wird hingegen als Bodenverbesserungsmittel für die Landwirt-_
_schaft nach Österreich verkauft; die Kosten werden auf diese Weise in Einnah-_
_men von circa 200 € pro Tonne verwandelt._
_Die Gesamtmenge der von den Vergasungsanlagen in Südtirol erzeugte Kohle_
_und die entsprechenden Gesamtkosten für die Entsorgung wurden unter Aus-_

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

_weitung der durch die Fragebögen erhobenen Daten auf alle betriebenen An-_
_lagen geschätzt. So wurde berechnet, dass jährlich über 1.200 Tonnen Kohle_
_erzeugt werden; dem stehen jedes Jahr Entsorgungskosten in Höhe von ins-_
_gesamt 180.000–192.000 € gegenüber._
_Was das Kondensat anbelangt, handelt es sich um marginale Rückstände, die_
_von den meisten der analysierten Technologien nur beim Hoch- und Herun-_
_terfahren der Anlage entstehen. Diese Rückstände enthalten Teer, d. h. eine_
_Mischung aromatischer und polyaromatischer organischer Verbindungen mit_
_hohen Siedetemperaturen, die sich bei der thermischen Konversion der Bio-_
_masse durch Vergasung bilden und das Kondensat unbrauchbar machen; die_
_einzige Option bleibt eine Entsorgung als Abfall._

3.3 Technologien

_In den Vergasungsanlagen in Südtirol ist die technologische Konfiguration_
_des Downdraft-Vergasers mit Festbett am stärksten verbreitet. Durch das aus_
_Brennstoff (Biomasse) bestehende Festbett fließt im Gleichstrom das Verga-_
_sungsmittel (normalerweise Luft) nach unten. Zwei Technologien wenden_
_hingegen eine Konfiguration mit zweistufigem Wirbelbettvergaser an, bei_
_dem die Pyrolyse und die Vergasung der Biomasse getrennt erfolgen._
_Bei zwei anderen Technologien kommt eine Konfiguration des Typs rising co-_
_current zum Einsatz; sie ähnelt der Downdraft-Konfiguration in Bezug auf die_
_Verteilung der verschiedenen Zonen des Vergasungsprozesses, aber die Bio-_
_masse wird im unteren Teil des Reaktors eingespeist und das Gas von oben_
_extrahiert. Außerdem wird die Luft in den Verbrennungsbereich eingeleitet,_
_sodass sie einen Wirbel bildet, der an die Flüssigbett-Reaktoren erinnert._
_In Tabelle 2 sind die Reaktortypen der verschiedenen für die Untersuchungen_
_ausgewählten Technologien aufgeführt. Neben der Art verwendeter Biomasse_
_werden auch die elektrische und die thermische Leistung jedes installierten_
_Modells angegeben. Technologien mit zwei oder mehr Leistungswerten be-_
_ziehen sich auf Anlagen unterschiedlicher Größe. Es wird darauf hingewie-_
_sen, dass die alphabetische Reihenfolge, in der die Technologien in Tabelle 2_
_aufgeführt sind, nicht der Reihenfolge entspricht, in der die verschiedenen_
_Technologien (durch Großbuchstaben gekennzeichnet) im Folgenden angege-_
_ben sind._

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

Tabelle [^2]: – Art der in Südtirol installierten Vergasungsanlagen

```
Technologie Reaktortyp Biomasse
Elektrische
Leistung
```

```
Thermische
Leistung
[kW/Modul]
Burkhardt Rising co-current,
stationary
fluidized bed
```

```
Pellets 180 270
```

```
Entrade
Energiesysteme
```

```
Downdraft,
fixed bed
(Festbett)
```

```
Pellets 25 60
```

```
Holzenergie
Wegscheid
```

```
Downdraft,
fixed bed
(Festbett)
```

```
Hack-
schnitzel
133 250
Kuntschar
Energieerzeugung
```

```
Downdraft,
fixed bed
(Festbett)
```

```
Hack-
schnitzel
133 250
Spanner Re[^2] Downdraft,
fixed bed
(Festbett)
```

```
Hack-
schnitzel
```

```
9
30
45
```

```
22
80
120
Stadtwerke
Rosenheim
```

```
Double stage,
fluidized bed
```

```
Hack-
schnitzel
50 110
Syncraft
Engineering
```

```
Double stage,
floating fixed bed
```

```
Hack-
schnitzel
200 480
Urbas
Maschinenfabrik
```

```
Downdraft,
fixed bed
(Festbett)
```

```
Hack-
schnitzel
150 300
Wubi Downdraft,
fixed bed
(Festbett)
```

```
Hack-
schnitzel
```

```
100
199
```

```
200
300
Xylogas & EAF Downdraft,
fixed bed
(Festbett)
```

```
Hack-
schnitzel
220 440
```

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

3.4 Massen- und Energiebilanzen
_Abbildung 2 zeigt die zusammengefassten Ergebnisse der Massenbilanzen,_
_die mit den beim Monitoring der Anlagen erhobenen Daten erstellt wurden,_
_in Form eines Box-Plot-Diagramms. Mit dieser Darstellung kann die Vertei-_
_lung der Daten in Bezug auf alle Technologien dargestellt werden, unter Her-_
_vorhebung der Wertintervalle, in denen die größte Zahl der Daten kon-_
_zentriert ist (zwischen dem ersten und dritten Quartil), sowie Median, Höchst-_
_und Mindestwerte jedes analysierten Parameters. Angegeben wurden insbe-_
_sondere die spezifischen Mengen der in den Vergaser eingespeisten Luft und_
_des erzeugten Producer-Gases in Masseneinheiten der verwendeten Bio-_
_masse, sowie die Menge der erzeugten Kohle als Prozentsatz (in Masse) der_
_verwendeten Biomasse. Man sieht, dass die verwendete Luftmenge bei allen_
_untersuchten Anlagen ungefähr dem 1,5- bis 2-fachen der eingespeisten Bio-_
_masse und die Menge des erzeugten Gases in etwa dem 2,4- bis 3-fachen der_
_Biomasse entspricht. Die Menge der erzeugten Kohle weist eine höhere Vari-_
_abilität von Anlage zu Anlage auf, aber im Durchschnitt wird circa 2 % der_
_Biomasse am Ausgang des Reaktors als fester Rückstand gewonnen._

Abb. 2 – Ergebnisse der Massenbilanzen, die mit den beim Monitoring der in Südtirol installierten
Anlagen erhobenen Daten erstellt wurden: verwendete Luftmenge, erzeugte Menge an Producer-
Gas und Kohle.

_Was die Energiebilanzen anbelangt, fasst Abbildung 3 die Ergebnisse der_
_Berechnungen der elektrischen Effizienz_ 𝜂𝜂𝑒𝑒𝑒𝑒_, thermischen Effizienz_ 𝜂𝜂𝑡𝑡ℎ _und_

```
0,0
```

```
1,0
```

```
2,0
```

```
3,0
```

```
4,0
```

```
Air [kg/kg_biom]Producer gas [kg/kg_biom] Char [%]
```

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

_Gesamteffizienz_ 𝜂𝜂𝑡𝑡𝑏𝑏𝑡𝑡 _der überwachten Anlagen zusammen. Generell liegt die_
_elektrische Effizienz der Anlagen zwischen 17 % und 26 %, die thermische_
_Effizienz zwischen 36 % und 59 % und die Gesamteffizienz zwischen 68 %_
_und 78 %, unter Ausnahme einer einzigen Anlage, deren Gesamteffizienz 53_
_% beträgt._

Abb. 3 – Ergebnisse der Energiebilanzen, die mit dem beim Monitoring der in Südtirol installierten
Anlagen erhobenen Daten erstellt wurden: elektrische, thermische und Gesamteffizienz.

3.5 Charakterisierung der Kohle
_In den folgenden Tabellen werden die chemisch-physikalischen Analysen der_
_beim Monitoring der kommerziellen Anlagen entnommenen Kohle aufge-_
_führt._
_Wie aus Tabelle 3 hervorgeht, variiert der Kohlenstoffgehalt in der Kohle zwi-_
_schen mindestens 48,03 % (Technologie C) und maximal 91,51 % (Technologie_
_F); im Durchschnitt beträgt der Gehalt 71,67 %. Die hohe Variabilität beweist,_
_dass die Art des Vergasungssystems und die Bedingungen im Reaktor den_
_Gesamtertrag des Prozesses beeinflussen. Die Technologie F insbesondere im-_
_plementiert einen zweistufigen Reaktor, die Technologie F hingegen einen_
_Downdraft-Reaktor. Es ist auch interessant hervorzuheben, dass die Techno-_
_logie C eine Kohle mit einer viel geringeren spezifischen Oberfläche (nur 78_
_m_[^2]_/g) als die anderen erzeugt._

```
0,0
```

```
0,2
```

```
0,4
```

```
0,6
```

```
0,8
```

```
1,0
```

```
η_el η_th η_tot
```

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

Tabelle [^3]: – Proximal- und Elementaranalyse, oberer Heizwert (HHV) und unterer Heizwert (LHV)
sowie spezifische Oberfläche der von den kommerziellen Anlagen erzeugten Kohle
_Technologie A B C D E F G H_
_Asche [%] 27,84 16,08 49,52 31,50 13,34 6,49 29,17 25,64_
_C [%] 68,63 80,23 48,03 66,96 78,97 91,59 69,46 69,49_
_H [%] 0,33 0,49 0,89 0,18 0,68 0,52 0,11 0,20_
_N [%] 0,83 0,23 0,25 0,16 0,20 0,25 0,12 0,46_
_S [%] n.v. 0,28 n.v. 0,63 0,31 0,56 0,27 0,33_
_O* [%] 2,37 2,69 1,31 0,57 6,50 0,60 0,87 3,88_
_HHV [MJ/kg] 23,11 26,74 14,52 19,69 25,53 30,92 22,87 24,17_
_LHV [MJ/kg] 23,04 26,64 14,33 19,65 25,38 30,81 22,84 24,12_
_Feuchtigkeit_
_[%]_
_n.v. 1,04 n.v. 81,73 2,58 1,59 0,23 2,02_
_Spezif. Ober-_
_fläche [m_[^2]_/g]_
_352 128 78 281 587 272 320 306_

_Tabelle 4 enthält die Daten des Mineral- und Schwermetallgehalts der in den_
_untersuchten kommerziellen Anlagen erzeugten Kohle. In diesem Fall ist ein_
_nicht unerheblicher Chrom- und Zinkgehalt der Kohle zu verbuchen. Diese_
_Metalle können von den Metallteilen des Automatisierungssystems (z. B. För-_
_derschnecke) in den Vergasern stammen oder aus mechanischen Prozessen_
_zur Vorbehandlung der Biomasse wie z. B. Chipping oder Pelletierung. In_
_Hinblick auf eine Nutzung der Kohle als Bodenverbesserungsmittel müssen_
_daher mögliche Verbesserungen an der Anlage ausfindig gemacht werden,_
_um den Gehalt dieser Metalle zu reduzieren, damit die Kohle den vorgeschrie-_
_benen Normen entspricht, wie im folgenden Abschnitt erläutert._
_Außerdem wurde auch der Dioxingehalt der Kohle untersucht. Wie aus den_
_Daten in Tabelle 5 leicht ersichtlich ist, fällt der Gehalt dieser Art organischer_
_Verbindungen bei allen untersuchten Kohlestichproben sehr gering aus,_
_sofern er nicht sogar unterhalb der Messschwelle des Geräts liegt (<0,1 ng/kg)._

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

Tabelle [^4]: – Analyse des Mineral- und Schwermetallgehalts der in den kommerziellen Anlagen
erzeugten Kohle

```
Technologie A B C D E F G H
Li [mg/kg] 9,9 8,7 6,9 9,1 9,6 8,0 6,8 10,4
Na [mg/kg] 268,4 1724,9 235,7 495,1 341,8 238,0 450,1 576,8
Mg [mg/kg] 5522,6 4802,7 11467,5 4931,4 3680,8 1562,4 9330,9 4268,6
Al [mg/kg] 803,2 299,6 988,5 7081,8 488,4 141,9 680,3 165,9
K [mg/kg] 18570,4 14810,4 18974,8 14106,5 12273,9 6429,8 31825,2 15711,6
Ca [mg/kg] 4670,3 14528,7 3400,4 11431,8 14790,1 10792,5 4621,6 16714,4
Ti [mg/kg] 36,4 40,7 47,7 38,9 46,1 13,0 35,7 23,0
V [mg/kg] 1,0 0,6 1,3 0,9 3,2 0,3 1,0 0,5
Cr [mg/kg] 6,6 5,3 14,3 3,9 383,3 2,7 16,7 28,7
Mn [mg/kg] 3036,3 5154,0 7056,8 839,1 903,9 557,3 2905,9 3408,0
Fe [mg/kg] 615,9 511,9 2509,3 589,3 2162,1 138,2 759,7 351,0
Co [mg/kg] 0,9 3,0 3,1 0,5 4,3 1,3 8,1 1,8
Ni [mg/kg] 6,6 12,8 16,5 5,3 274,2 4,2 40,6 61,9
Cu [mg/kg] 34,4 54,9 73,3 26,5 24,8 8,0 46,9 34,6
Zn [mg/kg] 478,1 449,7 1316,9 182,6 263,1 84,0 397,4 346,6
As [mg/kg] 1,1 0,3 0,7 0,5 0,7 0,2 0,6 0,2
Se [mg/kg] 0,2 0,1 0,1 0,1 0,2 0,1 0,2 0,1
Rb [mg/kg] 41,8 71,1 43,3 35,1 21,3 15,3 73,9 43,1
Sr [mg/kg] 50,5 48,8 57,8 38,8 65,2 60,8 26,1 55,8
Mo [mg/kg] 0,9 1,5 2,1 0,7 7,3 0,4 2,6 1,5
Cd [mg/kg] 1,5 5,9 0,1 1,7 1,8 0,5 0,4 0,1
Sn [mg/kg] 1,1 1,1 0,7 0,8 1,2 0,8 0,8 0,9
Sb [mg/kg] 0,1 0,2 0,1 0,1 0,2 0,0 0,3 0,1
Ba [mg/kg] 26,4 42,4 15,5 57,2 41,1 69,8 29,4 34,5
Tl [mg/kg] 0,3 0,8 0,0 0,2 0,2 0,1 0,2 0,0
Pb [mg/kg] 0,4 1,6 0,2 0,4 0,4 0,7 0,4 0,3
```

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

Tabelle [^5]: – Analyse des Dioxingehalts der von den kommerziellen Anlagen erzeugten Kohle
_Technologie A B C D E F G H_

```
Dioxine
```

```
2378 TCDD [ng/kg] <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1
12378 PCDD [ng/kg] <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1
123478 HxCDD [ng/kg] <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1
123678 HxCDD [ng/kg] <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1
123789 HxCDD [ng/kg] <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1
1234678 HpCDD [ng/kg] <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 0,1 0,3 <0,1 <0,1
OCDD [ng/kg] 2,7 1,5 1,2 0,6 2,1 2,2 0,7 2,2
2378 TCDF [ng/kg] <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 0,1 <0,1 <0,1 0,1
12378 PCDF [ng/kg] <0,1 <0,1 0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1
23478 PCDF [ng/kg] <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1
123478 HxCDF [ng/kg] 0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 0,2 <0,1 <0,1
123678 HxCDF [ng/kg] 0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1
234678 HxCDF [ng/kg] <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1
123789 HxCDF [ng/kg] <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1
1234678 HpCDF [ng/kg] 0,3 0,1 <0,1 0,1 <0,1 0,2 <0,1 0,3
1234789 HpCDF [ng/kg] <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1
OCDF [ng/kg] <0,1 0,6 <0,1 0,4 2,4 0,6 <0,1 <0,1
```

_Auch der Gehalt an Polychlorbiphenyl (PCB) erweist sich bei der untersuch-_
_ten Kohle meist als begrenzt, wie aus den Daten in Tabelle 6 hervorgeht. So-_
_wohl was Dioxine als auch PCB anbelangt, kann man daher annehmen, dass_
_der Prozesstyp und die Temperaturprofile in den Vergasern, zusammen mit_
_der verwendeten Biomasse, dazu beitragen, die Bildung dieser Verbindungen_
_zu beschränken._
_In Tabelle 7 sind die Konzentrationen der polyzyklischen aromatischen Koh-_
_lenwasserstoffe (PAK) aufgeführt. Wie man sehen kann, ist die Bedeutung_
_dieser Verbindungen nicht unerheblich und bei der Kohle einiger Anlagen_
_sogar entschieden relevant. Aufgrund des Vorhandenseins dieser toxischen_
_Verbindungen in der Kohle kann diese nicht direkt in der Landwirtschaft ver-_
_wendet werden. Technologische Verbesserungen zur Beschränkung der Bil-_
_dung und Ansammlung von PAK in der Kohle sind daher grundlegend und_

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

_entscheidend für die Möglichkeit, die Kohle als Bodenverbesserungsmittel_
_einzusetzen. Der folgende Abschnitt verdeutlicht die Differenz zwischen dem_
_PAK-Gehalt der untersuchten Kohle und den Grenzwerten der einschlägigen_
_Düngemittelvorschriften (Legislativdekret 75/2010)._

Tabelle [^6]: – Analyse des PAK-Gehalts der von den kommerziellen Anlagen erzeugten Kohle
_Technologie A B C D E F G H_

```
PCB
```

```
Iupac77 [ng/kg] 10 <1 4 9 7 6 5 8
Iupac81 [ng/kg] <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1
Iupac123 [ng/kg] 7 <1 10 10 8 4 1 7
Iupac118 [ng/kg] 347 391 252 410 292 282 518 248
Iupac114 [ng/kg] 1 2 <1 4 <1 <1 <1 2
Iupac105 [ng/kg] 59 6 39 95 45 59 53 52
Iupac126 [ng/kg] <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1
Iupac167 [ng/kg] 50 54 49 59 43 49 65 49
Iupac156 [ng/kg] 173 224 118 142 81 133 230 120
Iupac157 [ng/kg] 15 11 12 15 10 13 17 13
Iupac169 [ng/kg] <1 <1 1 2 <1 <1 <1 <1
Iupac189 [ng/kg] 19 1 13 18 14 15 11 18
```

3.6 Konformität der von den kommerziellen Anlagen erzeug-
ten Kohle mit den einschlägigen Düngemittelvorschriften
_Die einschlägigen italienischen Düngemittelvorschriften beruhen auf der Ver-_
_ordnung (EG) 2003/2003 und dem Legislativdekret 75/2010 in aktueller Fas-_
_sung. Indiesem Dekret werden auch Grenzwerte für die Kohlenutzung in der_
_Landwirtschaft gesetzt. Vor allem oben genanntes Dekret definiert „Biochar“_
_als ein Material, das erzeugt wird durch „einen Prozess der Karbonisierung_
_von Produkten und Rückständen pflanzlichen Ursprungs aus der Land- und_
_Forstwirtschaft sowie aus Oliventrester, Traubentrester, Kleie, Obstkernen_
_und -schalen und unbehandelten Holzabfällen, insofern es sich um Nebenpro-_
_dukte der entsprechenden Tätigkeiten handelt. Der Karbonisierungsprozess_
_besteht im Verlust von Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff seitens des orga-_
_nischen Materials infolge der Anwendung von Wärme unter Abwesenheit_

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

```
oder reduzierter Verfügbarkeit des Oxidierungsmittels, normalerweise Sauer-
stoff. Dieser thermochemische Zersetzungsprozess wird als Pyrolyse oder
Krackverfahren bezeichnet. Die Vergasung sieht einen weiteren oxidoreduk-
tiven Prozess der durch Pyrolyse erzeugten Kohle vor.“Die so erzeugte Kohle
muss den in Tabelle 8 aufgeführten Normgrenzwerten entsprechen.
```

```
Tabelle 7 – Analyse des PAK-Gehalts der von kommerziellen Anlagen erzeugten Kohle
```

_Technologie A B C D E F G H_

```
IPA
```

```
Naphthalin [μg/kg] 2128649 1912973 2386 200368 859491 110338 26861 563819
Acenaphthylen [μg/kg] 514300 171045 138 19495 62838 140 7 62703
Acenaphthen [μg/kg] 314055 11197 26 1565 29918 515 270 4536
Fluoren [μg/kg] 16341 5287 13 27 86 203 1650 367
Phenanthren [μg/kg] 584386 385187 119 78749 190237 9806 1220 118217
Anthracen [μg/kg] 412102 40452 18 6351 13454 457 1245 25644
Fluoranthen [μg/kg] 477586 47703 36 4934 29200 1218 114 46343
Pyren [μg/kg] 434026 51745 22 4160 38312 817 60 44436
BaA [μg/kg] 104671 3742 4 226 547 20 21 12673
CHR [μg/kg] 135638 4514 5 236 892 220 26 25125
B(b)F [μg/kg] 32126 630 3 27 119 17 5 5197
B(j)F [μg/kg] 14180 251 2 7 29 12 2 3318
B(k)F [μg/kg] 10309 217 6 14 38 13 1 2170
BeP [μg/kg] 20993 722 3 25 107 73 41 8817
BaP [μg/kg] 14709 458 4 15 51 5 66 4349
Per [μg/kg] 3273 100 3 7 24 16 38 866
BghiP [μg/kg] 1632 58 1 1 17 0 1 1658
IcdP [μg/kg] 1921 49 1 2 2 2 1 967
DBahA [μg/kg] 1066 30 1 0 2 2 2 771
DBalP [μg/kg] 290 21 6 3 2 11 25 393
DBaeP [μg/kg] 492 12 8 2 2 4 28 211
DBaiP [μg/kg] 70 11 13 2 6 6 20 20
DBahP [μg/kg] 151 87 27 3 9 19 51 29
```

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

Tabelle [^8]: – Änderungen der Anlage 2 des Legislativdekrets 75/2010

```
Mindestgehalt in
nützlichen Substanzen
und/oder Elementen
Evaluierungskriterien
Sonstige
Anforderungen
```

```
Nützliche
Substanzen oder
Elemente, deren
Gehalt angegeben
werden muss
Verschiedene
anzugebende
Eigenschaften
Sonstige
Anforderungen
```

```
Grenzwerte
für
chemisch-
biologische
Parameter
```

```
Anmerkungen
```

```
Gesamter organischer
Kohlenstoff (TOC)(#) % TS
≥ 20 und ≤ 30 (CI(*)3)
> 30 und ≤ 60 (CI(*)2)
> 60 (CI(*)1)
Salzgehalt mS/m ≤ 1000(§)
pH(H2O) 4–12
Feuchtigkeit % ≥ 20 für
pulverförmige Produkte(°)
Asche % TS
> 40 und ≤ 60 (CI(*)3)
≥ 10 und ≤ 40 (CI(*)2)
< 10 (CI(*)1)
H/C (molar)(^) ≤ 0,7
```

```
Granulometrie
(Durchgang 0,5–2–5
mm)
Gesamtstickstoff
Gesamtkalium
Gesamtphosphor
Gesamtkalzium
Gesamtmagnesium
Gesamtnatrium
% C aus Karbonat
Test der
Phytotoxizität und
Zunahme
(Regenwurmtest
und/oder
Keim-/Zunahmetest)
Maximale
Wasserretention
```

```
PAK (Σ 16
Moleküle) <
6 mg/kg TS
PCB < 0,5
mg/kg TS
Dioxine < 9
ng/kg
```

```
(#) abzüglich C aus
Karbonat
(*) Qualitätsklasse
(§) Zur Nutzung als
Bodenverbesserungsmittel
im Gemüse- und
Pflanzenbau ≤ 100
(^) Kohlenstoff-
Stabilitätsindex
(°) Daten, die in jedem Fall
anzugeben sind
```

_Tabelle 9 enthält die Ergebnisse der chemisch-physikalischen Analysen so-_
_wohl von Kohle, die in kommerziellen Anlagen erzeugt wurde, als auch von_
_Kohle, die unter kontrollierten Bedingungen gewonnen wurde. Die in der Ta-_
_belle angegebenen Daten beschränken sich auf Parameter, die auf normativer_
_Ebene signifikant sind. In roter Farbe werden Parameter gekennzeichnet, die_
_den aktuellen Normgrenzwerten nicht entsprechen. Sichtbar ist insbesondere,_
_dass die Kohle in allen Fällen (außer in einem) den für die PAK-Konzentration_
_vorgegebenen Grenzwert überschreitet, in einigen Fällen sogar um ein Fünf-_
_faches._

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

Tabelle [^9]:–Vergleich der chemisch-physikalischen Eigenschaften mit den italienischen Normgrenz-
werten (von den Grenzwerten abweichende Parameter sind rot gekennzeichnet).

```
TEQ
```

```
DX
[mg/kg]
```

```
9 <0,1<0,1<0,1<0,1 <0,1<0,1<0,1 <0,1 <0,1<0,1 7,0
```

```
TEQ
```

```
PCB
[ng/kg]
```

```
0,5 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1
```

```
∑
PAK
[mg
```

```
/kg] 6
5179,9132,02,8 316,21225,2123,831,7 916,260,2124,3132,6193,3414,834,2409,427,0
```

```
Pb
[mg/kg]
```

```
140 0,4 0,9 0,2 0,4 0,4 0,7 0,4 0,3
```

```
Cd
[mg/kg
```

```
]
1,5 1,5 2,4 0,1 1,7 1,8 0,5 0,4 0,1 6,1 0,3 0,0 0,1 0,4 0,1 0,5 0,0
```

```
Zn
[mg/kg
```

```
]
```

```
500 478,1246,81316,9182,6263,184,0397,4346,6586,2418,929,095,2 205,214,8288,948,5
```

```
Cu
[mg/kg
```

```
]
230 34,484,673,326,5 24,88,0 46,9 34,6 51,436,39,4 21,9 42,611,741,2 8,0
```

```
Ni
[mg/kg]
100 6,6 248,716,55,3 274,24,2 40,6 61,9 8,0 16,02,6 6,4 35,24,0 45,2 2,4
```

```
Cr (tot)[mg/kg]
-- 6,6 127,814,33,9 383,32,7 16,7 28,7 5,3 25,83,8 4,0 10,06,2 46,7 1,7
```

_Feuchtig_

-

```
keit [%] > 20 1,0 81,7 2,6 1,6 0,2 2,0 3,0 3,7 6,6 1,4 1,7 3,0
```

```
Asche [%] < 60 27,816,149,531,5 13,36,5 29,2 25,6 29,532,517,928,0 29,711,254,2 3,9
```

```
H/C
[mol/
```

```
mol]
< 0,70,0 0,1 0,2 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1 0,2
```

```
C [%] > 20 68,680,248,067,0 79,091,669,5 69,5 55,248,162,141,4 48,571,123,9 84,9
```

```
Grenzw
```

.

```
A B C D E F G H I M R100R75 R50 O
```

-R
O
-C
Q

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

_Die hohen PAK-Konzentrationen könnten hauptsächlich auf die Temperatur-_
_profile zurückzuführen sein, die sich im Vergaser generieren und zur Bildung_
_dieser Verbindungen beitragen, sowie auf Adsorptionserscheinungen im_
_Kohlebett, das faktisch als Filter für das Producer-Gas in der Reduktionszone_
_dient. Folglich muss eine Methode zur Nachbehandlung der Kohle gefunden_
_werden, um diese mit den für Bodenverbesserungsmittel vorgesehenen_
_Normgrenzwerten konform zu machen, da sich eine wirksame Veränderung_
_der Prozessparameter der Vergaser besonders komplex darstellt._
_Wie zuvor verdeutlicht, stellt auch die Konzentration von Metallen wie_
_Chrom und Zink in der Kohle einen limitierenden Faktor für die Nutzung die-_
_ses Materials als Bodenverbesserungsmittel dar. Diesbezüglich könnten Me-_
_tallteile für die Bewegung fester Materialien in den Vergasern oder Metallteile_
_der zur Vorbehandlung benutzten Maschinen (z. B. Häcksler und Pelletierer)_
_die Hauptverursacher der Kontamination sein. Wie aus den in Tabelle 10 auf-_
_geführten Daten hervorgeht, weist die in bestimmte Vergaser eingespeiste, ge-_
_häckselte Biomasse bereits nicht unerhebliche Metallkonzentrationen auf_
_(man beachte insbesondere den Chromgehalt)._
_Es könnte daher von besonderem Interesse sein, eine Studie zur Inzidenz der_
_einen und der anderen auf die Wirkungen der Metallkontamination der Kohle_
_durchzuführen, und einen Ersatz derselben, oder Verbesserungen in der Pla-_
_nungsphase neuer Vergasungssysteme zu evaluieren._

Tabelle [^10]: – Metallkonzentrationen in der vorbehandelten Biomasse, mit der einige Vergaser
gespeist werden
_As Cd Cr Pb Ni Cu Se Zn_
_[mg/kg] [mg/kg] [mg/kg] [mg/kg] [mg/kg] [mg/kg] [mg/kg] [mg/kg]_
_B 6,00 < 0,5 1,90 < 0,5 < 0,5 1,00 2,20 9,60_
_D 5,60 < 0,5 1,90 < 0,5 < 0,5 1,50 2,30 12,30_
_E 5,40 < 0,5 1,80 < 0,5 < 0,5 1,20 2,10 15,00_
_F 5,10 < 0,5 1,60 < 0,5 < 0,5 1,00 2,10 9,40_
_G 5,60 < 0,5 2,10 < 0,5 < 0,5 0,90 2,30 9,90_
_H 4,80 < 0,5 2,20 1,10 < 0,5 1,10 2,20 10,60_

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

3.7 Kommerzielles Biochar und andere europäische
Zertifizierungsstandards
_Sowohl die beim Monitoring der aktuell in Südtirol betriebenen Anlagen ent-_
_nommene als auch die unter kontrollierten Bedingungen erzeugte Kohle wur-_
_den mit den Grenzwerten anderer europäischer Standards verglichen, und_
_zwar mit folgenden: IBI, EBC und BQM. Kommerzielle Biochars wurden mit_
_den italienischen Normgrenzwerten verglichen._

_In Tabelle 11 sind die Eigenschaften des vom UK Biochar Research Center_
_(https://www.biochar.ac.uk/) erzeugten kommerziellen Biochar aufgeführt._
_Dieses Biochar wurden mit den aktuellen italienischen Vorschriften für Bo-_
_denverbesserungsmittel verglichen. Wie die Daten der Tabelle und insbeson-_
_dere die rot hervorgehobenen Werte belegen, erfüllen auch die vom UK Bio-_
_char Research Center erzeugten und vermarkteten Biochars nicht völlig die_
_von den italienischen Vorschriften vorgegebenen Parameter, vor allem was_
_den Schwermetallgehalt anbelangt. Man sieht, dass der signifikanteste Wert_
_der Kadmiumgehalt ist, da er die Normgrenzwerte fast in allen Fällen über-_
_schreitet. Wichtig ist auch die Beobachtung, dass die Emissionsfaktoren der_
_Summe aller 16 polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe diese_
_Grenzwerte voll und ganz einhalten. Dieser Aspekt ist besonders interessant,_
_weil die Kohle fast aller in Südtirol betriebenen Anlagen weit über den Grenz-_
_werten liegende PAK-Konzentrationen aufweist, wie zuvor bereits ausführ-_
_lich erläutert. In Tabelle 11 wurden die folgenden Akronyme zur Kennzeich-_
_nung der aus verschiedenen Materialien (Mischantus-Pellets, Raps-Pellets,_
_Reisschalen, Nadelholzpellets, Weizenstrohpellets, Klärschlamm) und bei_
_zwei unterschiedlichen Temperaturen (d. h. 550 °C und 700 °C) gewonnenen_
_Kohle verwendet. MSP – Miscantus Straw Pellets; OSR – Oil Seed Rape Straw_
_Pellets; RH – Rice Husk; SWP – Soft Wood Pellets; WSP – Wheat Straw Pellets;_
_SS – Sewage Sludge._

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

Tabelle [^11]: – Vergleich der Biochar-Parameter mit den italienischen Normgrenzwerten

```
TEQ
```

```
DX
[mg/kg]
```

```
9 2,7 3,9 6,8 4,5 5,1 5,9 0,0 3,3 4,3 1,8 3,1 0,4
```

```
TEQ
```

```
PCB
[ng/kg]
```

```
0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,2 0,2 0,0 0,0 0,1 0,1
```

```
∑
PAK
[mg/kg]
6 0,5 0,1 0,5 < 0,110,2 0,3 4,4 0,2 0,4 < 0,113,8 1,4
```

```
Pb
[mg/kg]
140 17,6 201,2195,9
```

```
Cd
[mg/kg]
```

```
1,5 0,7 4,6 1,8 3,0 17,8 20,0 3,5 8,2 3,2 1,3 11,7 12,4
```

```
Zn
[mg/kg]
500 63,4 44,5 7,2 8,8 23,6 36,2 25,7 99,6 10,5 12,0 835,7896,2
```

```
Cu
[mg/kg]
230 26,6 5,9 7,9 13,8 5,4 26,9 19,4 9,7 3,6 4,7 255,2296,6
```

```
Ni
[mg/kg]
```

```
100 5,0 30,4 2,5 3,3 3,0 2,7 3,3 74,1 1,0 2,5 57,2 66,3
```

```
Cr (tot)[mg/kg]
0,5 8,7 36,1 4,4 5,0 34,6 123,4 4,5 275,7292,7
```

```
Feuchtig
```

-

```
keit [%] ≥ 20 1,8 2,2 2,6 3,6 1,5 1,5 1,5 1,0 1,9 2,2 2,5 1,7
```

```
Asche [%] < 60 12,2 11,6 19,5 21,9 47,9 47,9 1,3 1,9 21,3 23,8 58,9 63,9
```

```
H/C
[mol/mol]
```

```
< 0,70,4 0,2 0,3 0,2 0,3 0,2 0,4 0,2 0,4 0,2 0,5 0,3
```

```
C [%] > 20 75,4 79,2 68,9 67,7 48,7 47,3 85,5 90,2 68,3 69,0 29,5 29,6
```

```
Grenzw
```

.

```
MSP550MSP700OSR550OSR700RH550RH700SWP550SWP700WSP550WSP700SS550SS700
```

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

_In den untenstehenden Tabellen 12–14 werden die qualitativen Eigenschaften_
_der in Südtiroler Anlagen erzeugten Kohle den Grenzwerten der wichtigsten_
_internationalen Standards gegenübergestellt: IBI, EBC und BQM._

_Wie man sieht, sind die Werte der Schwermetalle (vor allem Zink) und der_
_polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe auch bei einem Vergleich_
_der Kohle mit unterschiedlichen Standards diskriminierend. Wie zuvor ange-_
_nommen, kann die Zinkkontamination von Metallteilen der Automationssys-_
_teme der Anlagen und von Metallteilen der Maschinen zur Vorbehandlung_
_eingespeister Biomasse (Häckseln, Pelletieren) verursacht werden. Was hin-_
_gegen die PAK anbelangt, scheinen diese stark vom Vergasungsprozess selbst_
_beeinflusst zu werden; für ihre Eliminierung ist daher eine wirksame Nach-_
_behandlung erforderlich._
_Außerdem ist es interessant, die Variabilität der zum Teil recht hohen Grenz-_
_werte unterschiedlicher Standards zu betrachten (z. B. im Falle des IBI-Stan-_
_dards). So erfüllt beim Vergleich der untersuchten Kohlewerte mit dem IBI-_
_Standard nur ein einziger Parameter – jener der polyzyklischen aromatischen_
_Kohlenwasserstoffe – nicht die Grenzwertvorgaben. Alle anderen Werte, auch_
_die des Schwermetallgehalts, liegen innerhalb der Grenzwerte des Standards._

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

Tabelle [^12]: – Vergleich der Parameter der von den Vergasungsanlagen erzeugten Kohle mit den
Grenzwerten des IBI-Standards (die blauen Werte überschreiten die Grenzwerte)

```
TEQ
```

```
DX
[mg/kg]
9 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 7,0
```

```
TEQ
```

```
PCB
[ng/kg]0,2
```

-0,5
<1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1

```
∑
PAK
[mg/kg]
6-[^20]
5179,9132,02,8 316,21225,2123,831,7 916,260,2 124,3132,6193,3414,834,2 409,427,0
```

```
Pb
[mg/kg]70-
```

```
500 0,4 0,9 0,2 0,4 0,4 0,7 0,4 0,3
```

```
Cd
[mg/kg]1,4
```

-[^39]
1,5 2,4 0,1 1,7 1,8 0,5 0,4 0,1 6,1 0,3 0,0 0,1 0,4 0,1 0,5 0,0

```
Zn
[mg/kg]200
```

-[^7000]
478,1246,81316,9182,6263,184,0 397,4346,6586,2418,929,0 95,2 205,214,8 288,948,5

```
Cu
[mg/kg]63-
1500 34,4 84,6 73,3 26,5 24,8 8,0 46,9 34,6 51,4 36,3 9,4 21,9 42,6 11,7 41,2 8,0
```

```
Ni
[mg/kg]47-
600 6,6 248,716,5 5,3 274,24,2 40,6 61,9 8,0 16,0 2,6 6,4 35,2 4,0 45,2 2,4
```

```
Cr (tot)[mg/kg]64-
1200 6,6 127,814,3 3,9 383,32,7 16,7 28,7 5,3 25,8 3,8 4,0 10,0 6,2 46,7 1,7
```

```
Feuchtig
```

-

```
keit[%] -- 1,0 81,7 2,6 1,6 0,2 2,0 3,0 3,7 6,6 1,4 1,7 3,0
```

```
Asche[%] -- 27,8 16,1 49,5 31,5 13,3 6,5 29,2 25,6 29,5 32,5 17,9 28,0 29,7 11,2 54,2 3,9
```

```
H/C
[mol/mol]
```

```
< 0,70,0 0,1 0,2 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1 0,2
```

```
C [%] ≥ 10 68,6 80,2 48,0 67,0 79,0 91,6 69,5 69,5 55,2 48,1 62,1 41,4 48,5 71,1 23,9 84,9
```

```
IBI A B C D E F G H I M R100R75 R50 O
```

-R
O
-C
Q

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

Tabelle [^13]: – Vergleich der Parameter der von den Vergasungsanlagen erzeugten Kohle mit den
Grenzwerten des EBC-Standards (die grünen Werte überschreiten die Grenzwerte)

```
TEQ
```

```
DX
[mg/kg]
```

```
20 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 7,0
```

```
TEQ
```

```
PCB
[ng/kg]
```

```
0,2 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1
```

```
Σ PAK[mg/kg]
```

```
4
5179,9132,02,8 316,21225,2123,831,7 916,260,2 124,3132,6193,3414,834,2 409,427,0
```

```
Pb
[mg/kg]
```

```
120 0,4 0,9 0,2 0,4 0,4 0,7 0,4 0,3
```

```
Cd
[mg/kg]
```

```
1 1,5 2,4 0,1 1,7 1,8 0,5 0,4 0,1 6,1 0,3 0,0 0,1 0,4 0,1 0,5 0,0
```

```
Zn
[mg/kg]
400 478,1246,81316,9182,6263,184,0 397,4346,6586,2418,929,0 95,2 205,214,8 288,948,5
```

```
Cu
[mg/kg]
```

```
100 34,4 84,6 73,3 26,5 24,8 8,0 46,9 34,6 51,4 36,3 9,4 21,9 42,6 11,7 41,2 8,0
```

```
Ni
[mg/kg]
30 6,6 248,716,5 5,3 274,24,2 40,6 61,9 8,0 16,0 2,6 6,4 35,2 4,0 45,2 2,4
```

```
Cr (tot)[mg/kg]
80 6,6 127,814,3 3,9 383,32,7 16,7 28,7 5,3 25,8 3,8 4,0 10,0 6,2 46,7 1,7
```

_Feuchtig_

-

```
keit[%] -- 1,0 81,7 2,6 1,6 0,2 2,0 3,0 3,7 6,6 1,4 1,7 3,0
```

```
Asche[%] -- 27,8 16,1 49,5 31,5 13,3 6,5 29,2 25,6 29,5 32,5 17,9 28,0 29,7 11,2 54,2 3,9
```

```
H/C
[mol/mol]
```

```
< 0,70,0 0,1 0,2 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1 0,2
```

```
C [%] > 50 68,6 80,2 48,0 67,0 79,0 91,6 69,5 69,5 55,2 48,1 62,1 41,4 48,5 71,1 23,9 84,9
```

```
EBC A B C D E F G H I M R100R75 R50 O
```

-R
O
-C
Q

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

Tabelle [^14]: – Vergleich der Parameter der von den Vergasungsanlagen erzeugten Kohle mit den
Grenzwerten des BQM-Standards (die orangefarbenen Werte überschreiten die Grenzwerte)

```
TEQ
```

```
DX
```

```
[mg/kg]
```

```
20 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 7,0
```

```
TEQ
```

```
PCB
[ng/kg]
```

```
0,5 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1
```

```
Σ PAK[mg/kg]
```

```
20
5179,9132,02,8 316,21225,2123,831,7 916,260,2 124,3132,6193,3414,834,2 409,427,0
```

```
Pb
[mg/kg]
```

```
60 0,4 0,9 0,2 0,4 0,4 0,7 0,4 0,3
```

```
Cd
[mg/kg]
```

```
3 1,5 2,4 0,1 1,7 1,8 0,5 0,4 0,1 6,1 0,3 0,0 0,1 0,4 0,1 0,5 0,0
```

```
Zn
[mg/kg]
150 478,1246,81316,9182,6263,184,0 397,4346,6586,2418,929,0 95,2 205,214,8 288,948,5
```

```
Cu
[mg/kg]
```

```
40 34,4 84,6 73,3 26,5 24,8 8,0 46,9 34,6 51,4 36,3 9,4 21,9 42,6 11,7 41,2 8,0
```

```
Ni
[mg/kg]
10 6,6 248,716,5 5,3 274,24,2 40,6 61,9 8,0 16,0 2,6 6,4 35,2 4,0 45,2 2,4
```

```
Cr (tot)[mg/kg]
15 6,6 127,814,3 3,9 383,32,7 16,7 28,7 5,3 25,8 3,8 4,0 10,0 6,2 46,7 1,7
```

_Feuchtig_

-

```
keit[%] 1,0 81,7 2,6 1,6 0,2 2,0 3,0 3,7 6,6 1,4 1,7 3,0
```

```
Asche[%] 27,8 16,1 49,5 31,5 13,3 6,5 29,2 25,6 29,5 32,5 17,9 28,0 29,7 11,2 54,2 3,9
```

```
H/C
[mol/mol]
```

```
0,0 0,1 0,2 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1 0,2
```

```
C [%] 68,6 80,2 48,0 67,0 79,0 91,6 69,5 69,5 55,2 48,1 62,1 41,4 48,5 71,1 23,9 84,9
```

```
BQMA B C D E F G H I M R100R75 R50 O
```

-R
O
-C
Q

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

#### 4. Technisch-wirtschaftliche Analyse möglicher Eingriffe

#### zur Anlagenoptimierung in Hinblick auf Polygeneration

4.1 Beschreibung des Berechnungstools
_Zur Evaluierung der wirtschaftlichen Nachhaltigkeit möglicher Eingriffe zur_
_Optimierung der im Südtirol betriebenen Vergasungsanlagen, infolge derer_
_diese in die Lage versetzt werden, neben elektrischer und Wärmeenergie auch_
_eine Kohle zu erzeugen, deren Qualität mit Biochar für landwirtschaftliche_
_Zwecke kompatibel ist, wurde ein Berechnungstool zur Erstellung des_
_Business Plans der Anlage entwickelt. Das Tool wurde in einer Microsoft_
_Excel Umgebung entwickelt und konzipiert, um die technisch-_
_wirtschaftlichen Leistungen der Anlage in „Originalkonfiguration“, also in_
_der auf dem Markt angebotenen und im Gebiet betriebenen Ausführung, mit_
_den Leistungen der „optimierten Konfiguration“ zu vergleichen, also mit_
_einer Anlage, die so verändert wurde, dass sie eine landwirtschaftlich_
_nutzbare und qualitativ hochwertigere Kohle als die Anlage in der_
_Originalkonfiguration erzeugt._
_In Hinblick auf den Umfang der ermittelten Optimierung wurde das Tool mit_
_der Logik konzipiert, die Auswirkungen auf die Anlagenleistungen in Bezug_
_auf die Veränderung in der Erzeugung elektrischer Energie, thermischer_
_Energie und Kohle sowie die Veränderung in den mit der Aufwertung der_
_erzeugten Kohle verbundenen Kosten und Einnahmen zu bestimmen, um eine_
_Cashflow-Analyse durchführen zu können._
_Nachdem der Nutzer die Anlagenparameter in der Originalkonfiguration und_
_in der optimierten Konfiguration eingegeben hat, berechnet das Tool den_
_Verlauf des Netto-Cashflows und des kumulierten Cashflows der Anlage im_
_Laufe der Zeit. Auf diese Weise soll grafisch dargestellt werden, welche_
_Wirkung der ermittelte Umfang der Optimierung im Laufe der Zeit auf die_
_Gewinn- und Verlustrechnung der Anlage hat._

4.2 Anwendungsbereich
_Das Tool wurde zum Einsatz an Holzvergasungsanlagen mit elektrischer_
_Nennleistung zwischen 1 und 999 kW entwickelt, die als Nebenprodukt_
_eingestufte Biomasse verwenden und zwischen 2012 und 2018 unter Nutzung_

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

_eines von folgenden Dekreten vorgesehenen Förderprogramms in Betrieb_
_genommen wurden:_

- Ministerialdekret vom 18. Dezember 2008 (allumfassender Tarif)
- Ministerialdekret vom 6. Juli 2012 (FER-Dekret 2012)
- Ministerialdekret vom 16. Juni 2016 (FER-Dekret 2016)
Da die Untersuchungen im Laufe des Projekts ergeben haben, dass in Südtirol
keine Anlagen ohne diese Förderprogramme in Betrieb genommen wurden,
schien es unnötig, alternative und mit den aufgezählten nicht kumulative För-
dermechanismen wie das Net-Metering (scambio sul posto) und die Abnahme
zu einem festgesetzten Preis durch den Netzbetreiber (ritiro dedicato) in Be-
tracht zu ziehen. Die berücksichtigten Tarife werden automatisch unter An-
gabe des Zeitraums der offiziellen Inbetriebnahme der Anlage ausgewählt;
jährliche Kürzungen werden in Betracht gezogen, sofern von den Bestimmun-
gen vorgesehen.

4.3 Wirtschaftliche Analyse möglicher Optimierungseingriffe
_Die Schwierigkeit, einen Zusammenhang zwischen den technischen Betriebs-_
_eigenschaften der Anlagen und der Qualität der erzeugten Kohle herzustellen,_
_hat eine Ermittlung wissenschaftlich fundierter Lösungen und möglicher Ein-_
_griffe zur Anlagenoptimierung mit dem Ziel einer qualitativen Verbesserung_
_der erzeugten Kohle verhindert. Im Laufe des Projekts hat sich auch die Mög-_
_lichkeit der Erprobung empirischer Optimierungslösungen als nicht praktika-_
_bel erwiesen, und zwar aus verschiedenen Gründen:_

- Mangelnde Möglichkeit einer Änderung der Betriebsparameter der Anla-
gen infolge der Risiken in Verbindung mit einer Profitverringerung auf-
grund der Ausscheidung aus dem Förderprogramm und mit den daraus
entstehenden möglichen Schäden und Funktionsstörungen der Anlage;
- Besonderheit des Genehmigungsverfahrens, das eine Betriebseignungsbe-
wertung (seitens des Amts für Luft und Lärm) auf Grundlage eines genau
definierten Projekts vorsieht, an dem im Laufe der technischen Lebens-
dauer keine „bedeutenden/wesentlichen“ Änderungen vorgenommen
werden dürfen, da ansonsten die Genehmigung verfällt. Daraus hat sich
automatisch die mangelnde Möglichkeit der Durchführung relevanter Op-

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

```
timierungseingriffe ergeben, wie z. B. den Reaktor durch einen neuen Ty-
pus auszutauschen oder der Anlage neue Teile hinzuzufügen, z. B. durch
Anwendung eines „Reformers“.
```

- Mangelnde Bereitschaft der Anlagenbetreiber, „empirische“ Veränderun-
gen, also Änderungen mit unsicherem Resultat, an der Anlage vorzuneh-
men;
- Mangelnde Bereitschaft der Partner, eine Laboreinrichtung mit marktähn-
lichen Dimensionen zu suchen, in der Lösungen und Strategien zur Qua-
litätsverbesserung der erzeugten Kohle frei erprobt werden können.
Dies vorausgesetzt, wurde vereinbart, die wirtschaftliche Analyse einer mögli-
chen Veränderung der Anlage, mit der die gewonnene Kohle von einem „Kos-
tenpunkt“ (wegen ihrer schlechten Qualität und der daraus resultierenden Not-
wendigkeit, als Abfall entsorgt zu werden) in eine „Ressource“ (also ein Pro-
dukt, das auf dem Markt verkauft wird) verwandelt werden kann, mit einem
„Rückwärtsansatz“ durchzuführen. Die wirtschaftliche Rückwärtsanalyse
wurde wie folgt durchgeführt: nach Festsetzung von drei möglichen Verkaufs-
preisen für die Kohle in Abhängigkeit ihrer aktuellen Marktnotierung im Agr-
arbereich wurde der für Veränderungen an der Anlage verfügbare Höchstbe-
trag (aus dem Kohleverkauf) berechnet, wobei als Abschreibungsdauer für die
Investition die Restlebensdauer der Anlage zu Grunde gelegt wurde.

4.4 Definition der Originalkonfiguration
_Die wirtschaftliche Analyse der beiden Konfigurationen – Originalkonfigura-_
_tion (d. h. Marktkonfiguration) und optimierte Konfiguration (d. h. für den_
_Erhalt qualitativ hochwertiger Kohle veränderte Konfiguration) –wurde nicht_
_in Hinblick auf die Daten und Eigenschaften einer spezifischen Technologie_
_oder Vergasungsanlage durchgeführt, sondern in Hinblick auf eine ideale An-_
_lage, deren technische Daten und Leistungen den Durchschnittswerten der in_
_Südtirol untersuchten Anlagen entsprechen. Bei der Definition der einzelnen_
_Anlagenparameter in der „Originalkonfiguration“ wurden die im Folgenden_
_erläuterten Betrachtungen angestellt._

- Aus der Analyse der Vergasungsanlagen in Südtirol geht hervor, dass zwi-
schen 2012 und 2015, unter dem damals sehr vorteilhaften Förderpro-
gramm, 35 der 44 derzeit aktiven Holzvergasungsanlagen gebaut wurden.

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

```
Aus diesem Grund wurde entschieden, der Analyse eine hypothetische
Anlage, die 2013 in Betrieb genommen wurde, zu Grunde zu legen.
```

- Auch die Wahl der Leistung dieser Anlage wurde unter Berücksichtigung
der Eigenschaften der aktuell betriebenen Anlagen getroffen. Genauer ge-
sagt fiel die Wahl auf eine aus zwei Modulen mit einer elektrischen Nenn-
leistung von 45 kW und einer thermischen Nennleistung von 100 kW be-
stehende Anlage (dies entspricht den Eigenschaften der meisten Anlagen).
- Die übrigen für die Originalkonfiguration verwendeten technischen und
wirtschaftlichen Parameter wurden ausgehend von den Durchschnitts-
werten der bei der Untersuchung der Anlagen erhobenen Daten ermittelt;
gleichzeitig wurde eine vergleichende Evaluierung der Parameter in Be-
zug auf die Werte der einzelnen Anlagen, die eine ähnliche Leistung wie
die des Projekts haben, durchgeführt.
In Tabelle 15 sind die Werte der für die Charakterisierung der „Originalkon-
figuration“ der Anlage gewählten Parameter aufgeführt.

4.5 Definition der „optimierten Konfiguration“
_Die Analyse wurde unter Berücksichtigung eines Kohleverkaufspreises zwi-_
_schen 0 €/t und 500 €/t durchgeführt. Im Folgenden werden die Parameter und_
_die hypothetischen Betriebsmerkmale sowie die Gründe für deren Annahme_
_erläutert._

- „Investitionsjahr“: die Wahl des Jahres, in dem der Eingriff vorgenommen
werden soll, wurde unter Berücksichtigung der folgenden beiden Fakto-
ren getroffen:
- Die meisten in der Region angesiedelten Anlagen wurden zwischen
2013 und 2015 genehmigt (27 von 44 aktuell betriebenen Anlagen) und
können daher die noch für weitere 13–15 Jahre vorgesehene Förderung
in Anspruch nehmen;
- vermutlich werden noch einige Jahre Forschung erforderlich sein, um
potenzielle Änderungen an den Anlagen zur Verbesserung der Koh-
lequalität zu ermitteln und zu entwickeln.
- Eine Hypothese sieht vor, die Änderungen an der Anlage im 10. Betriebs-
jahr vorzunehmen (in der Annahme, dass man in diesem Jahr bereits den
aus der Anlagenoptimierung entstandenen Vorteil genießt); somit wurde

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

```
angenommen, dass für weitere 11 Jahre eine Rendite aus der Investition
für die Optimierung der Anlage erwächst (unter Veranschlagung einer der
Förderdauer entsprechenden Nutzungsdauer der Anlage von 20 Jahren).
```

- Es wurde außerdem angenommen, dass ebenso viel elektrische und ther-
mische Energie und Kohle erzeugt wird wie in der Anlage der Original-
konfiguration.
Tabelle 15 – Parameter der „Originalkonfiguration“ einer idealen Anlage mit repräsentativen
Betriebsparametern

_Element Wert Element Wert_

_Bezeichnung der_
_Technologie_

```
„Theoretische
Anlage“
```

```
Spezifische
Anlagenkosten [€/kW] 6 500
```

_Anz. der Module_ [^2]: _Personal [€/kWh] 0,03_

_Zeitraum der_
_Inbetriebnahme_

```
Von 01/2013
bis 12/2013 Versicherung [€/a] 2 500
```

_Elektrische Leistung des_
_Moduls [kW]_[^45] _GSE-Verfahren [€/Jahr] 1 200_

_Thermische Leistung des_
_Moduls [kW]_[^100] _Wartung [€/kWh] 0,03_

_Betriebsstunden pro Jahr_
_[Stunden] 7 500 Kaufpreis der Biomasse_
_[€/t]_[^94]

_Eigenverbrauch elektrischer_
_Energie [%]_[^11] _Verkaufspreis der_
_Wärme [€/MWh]_[^40]

_Jährlicher Verbrauch an_
_Biomasse [kg/kWh] 1,1 Kohle-_
_Entsorgungskosten [€/t]_[^155]

_Spezifische_
_Kohleerzeugung [kg/kWh] 0,02_

```
Für die Trocknung
verwendete
Wärmeenergie [%]
```

```
50
```

_Eigenkapital [%]_ [^0]: _Aufgewertete thermische_
_Energie [%]_[^30]

_Finanzierungszinsen [%] 3,5 Fördertarif [€/MWh] 251,86_

_Darlehenslaufzeit [Jahre]_ [^10]: _Dauer der_
_Förderung [Jahre]_[^20]

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

- Auf Grundlage des Marktpreises der Kohle in der Agrarbranche wurden
vier verschiedene optimierte Anlagenkonfigurationen erstellt, die sich je-
weils durch einen Verkaufszielpreis für die Kohle auf dem Markt kenn-
zeichnen:
- Optimierte Konfiguration 1 – Preis für die Kohleaufwertung = 0 €/t;
- Optimierte Konfiguration 2 – Preis für die Kohleaufwertung = 100 €/t;
- Optimierte Konfiguration 3 – Preis für die Kohleaufwertung = 200 €/t;
- Optimierte Konfiguration 4 – Preis für die Kohleaufwertung = 500 €/t.
- In der optimierten Konfiguration 1 wurde angenommen, dass die Qualität
der Kohle nicht ausreicht, um in der Landwirtschaft genutzt werden zu
können, aber dass die Kohle von der Anlage kostenfrei entsorgt werden
kann (zum Beispiel als in der Baubranche wiederverwendbares Nebenpro-
dukt). Hypothese 4 sieht hingegen den besten Fall vor, und zwar dass die
Qualität der Kohle es ermöglicht, einen Verkaufspreis von 500 €/t zu erzie-
len.
Durchgeführt wurde eine Rückwärtsanalyse und daher bei Anwendung des
Tools mit der Anlagenoptimierung verbundene Investitionskosten in Höhe
von null Euro eingegeben. Der verfügbare Höchstbetrag für die Umsetzung
der Änderungen an den Anlagen wurden daher für jede optimierte Konfigu-
ration (von 1 bis 4) als Differenz zwischen dem nach 20 Betriebsjahren kumu-
lierten Kapital in der optimierten und in der Originalkonfiguration errechnet.

4.6 Ergebnisse der wirtschaftlichen Analyse
_In Tabelle 16 und den Abbildungen 4 und 5 sind für jede optimierte Konfigu-_
_ration die Ergebnisse der wirtschaftlichen Simulation in Bezug auf das nach_
_20 Betriebsjahren kumulierte und zur Umsetzung der Anlagenoptimierung_
_(die, wie angenommen, im 10. Betriebsjahr durchgeführt werden soll) zur Ver-_
_fügung stehende Kapital angegeben. Wenn man annimmt, dass die Änderung_
_an der Anlage ab dem zehnten Betriebsjahr vorgenommen wird und in den_
_übrigen elf Betriebsjahren der Anlage eine Rendite erzielt werden kann, vari-_
_iert das für eine eventuelle Optimierung der Anlage maximal verfügbare_
_Budget, wie man sieht, zwischen mindestens 23.000 € und höchstens 97.000 €._
_Zum aktuellen Zeitpunkt kann man, da die durchzuführenden Optimierungs-_
_arbeiten nicht genau definiert werden können, nur schwer abschätzen, ob_

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

_diese Summen angemessen oder ausreichend sind, um den Verkauf der Kohle_
_zu den angenommenen Preisen zu ermöglichen. Der Wert dieser Beträge kann_
_jedoch einen nützlichen Hinweis auf die wirtschaftlichen Voraussetzungen ei-_
_ner eventuellen für den Markt attraktiven technologischen Lösung liefern, die_
_auch in der Zukunft ermittelt werden kann (von den Forschern oder den Akt-_
_euren der Industrie)._

Tabelle [^16]: – Simulation der Kapitalkumulation nach 20 Jahren, der Unterschiede zwischen kumu-
liertem Kapital vor und nach dem Eingriff (Δ vor und nach der Optimierung) sowie des maximal
verfügbaren Kapitals für die Anlagenoptimierung für jede optimierte Konfiguration.

```
Konfig. Entsor-
gungs-
kosten
```

```
Verkaufs-
preis
```

```
Kumu-
liertes
Kapital
(20 Jahre)
```

```
Δ
nach/vor
der Op-
tim.
```

```
Max.
verfüg-
bares
Kapital
```

```
[€/t] [€/t] [€] [€] [€]
```

```
Original 155 0 291 929 - 0
Optimierung 1 0 0 314 947 2 093 23 018
Optimierung 2 0 100 329 797 3 443 37 868
Optimierung 3 0 250 352 072 5 468 60 143
Optimierung 4 0 500 389 197 8 843 97 268
```

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

Abb. 4 – Kumuliertes Kapital nach 20 Betriebsjahren in der Originalkonfiguration und in den vier
optimierten Konfigurationen

Abb. 5 – Für den Optimierungseingriff verfügbares Kapital in den vier ermittelten Konfigurationen

```
Kumuliertes Kapital nach 20 Jahren (€)
```

```
Originalkonfiguration Optim. Konfig. 1 Optim. Konfig. 2 Optim. Konfig. 3 Optim. Konfig. 4
```

```
Für den Optimierungseingriff verfügbares Kapital (€)
Originalkonfiguration Optim. Konfig. 1 Optim. Konfig. 2 Optim. Konfig. 3 Optim. Konfig. 4
```

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

_Zum besseren Verständnis der Resultate und in Bezug auf jede optimierte_
_Konfiguration sind in Abbildung 6 die jährlichen Einnahmen der Anlagen_
_aufgeführt, die zurückzuführen sind auf:_

- Förderung und Verkauf der erzeugten elektrischen Energie
- Verkauf der Wärmeenergie
- Einsparung der Entsorgungskosten und/oder Verkauf der Kohle (in der
Grafik bezeichnet als „Einnahmen aus der optimierten Konfiguration“).

_Es wird deutlich, dass die mit der Anlagenoptimierung und dem Verkauf der_
_qualitativ hochwertigeren Kohle verbundenen höheren Jahreseinnahmen_
_einen relativ geringen Prozentsatz (zwischen 1 % und 5 %) der Gesamteinnah-_
_men ausmachen, während der aus der Förderung der erzeugten elektrischen_
_und thermischen Energie stammende Beitrag weiterhin überwiegt._
_Für Verkaufspreise der Kohle in Höhe von 500 €/t, wie in der optimierten Kon-_
_figuration Nr. 4 angenommen, oder noch höhere Preise, wie sie im Falle einer_
_positiven Entwicklung des Kohlemarkts möglich sind (zum Beispiel wenn der_
_Kohle wichtige Eigenschaften zur Verbesserung der Bodenqualität oder Fä-_
_higkeit zur Speicherung von Kohlenstoff zugesprochen werden können)_
_scheint ein Eingriff zur Optimierung der Anlage jedoch sowohl vom ökologi-_
_schen als auch vom wirtschaftlichen Standpunkt gerechtfertigt. Diese Aussage_
_trifft umso mehr zu, wenn der Eingriff in den ersten Betriebsjahren der Anla-_
_gen vorgenommen wird._

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

Abb. 6 – Prozentualer Anteil der einzelnen Posten an den jährlichen Einnahmen der Anlage in den
vier verschiedenen optimierten Konfigurationen

```
Optimierte Konfiguration 1
(Kohleverkaufspreis = 0 €/t)
```

```
Optimierte Konfiguration 2
(Kohleverkaufspreis = 100 €/t)
```

```
Optimierte Konfiguration 3
(Kohleverkaufspreis = 250 €/t)
```

```
Optimierte Konfiguration 4
(Kohleverkaufspreis = 500 €/t)
```

```
Einnahmen aus elektr. Energie
88%
```

```
Einnahmen aus Wärmeenergie
11%
```

```
Einnahmen aus optim. Konfig. 1
1%
```

```
Einnahmen aus elektr. Energie
87%
```

```
Einnahmen aus Wärmeenergie
11%
```

```
Einnahmen aus optim. Konfig. 2
2%
```

```
Einnahmen aus elektr. Energie
86%
```

```
Einnahmen aus Wärmeenergie
11%
```

```
Einnahmen aus optim. Konfig. 3
3%
```

```
Einnahmen aus elektr. Energie
84%
```

```
Einnahmen aus Wärmeenergie
11%
```

```
Einnahmen aus optim. Konfig. 4
5%
```

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

#### 5. Schlussfolgerungen

_Mit den in Südtiroler Vergasungsanlagen gesammelten Informationen über den_
_Fluss zugeführter Biomasse und den Fluss erzeugter Rückstände, der die An-_
_lage verlässt, konnte ein repräsentatives Gesamtbild des Betriebs und der Ver-_
_waltung dieser Anlagen erstellt werden. Aus der Studie geht hervor, dass jähr-_
_lich circa 1.300 Tonnen Kohle erzeugt werden, die derzeit als nicht gefährlicher_
_Sonderabfall entsorgt werden. Die Möglichkeit einer Nutzung der in den Süd-_
_tiroler Vergasungsanlagen gewonnenen Kohle als Bodenverbesserungsmittel_
_(ähnlich wie Biochar) gemäß dem Legislativdekret 75/2010 in aktueller Fassung_
_hängt vor allem vom Gehalt polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe_
_(PAK) ab, sowie vom Vorhandensein bestimmter Schwermetalle, deren Werte_
_die Normgrenzwerte zum Teil erheblich übersteigen. Beim Vergleich der che-_
_misch-physischen Analyse der Kohle mit den wichtigsten europäischen Stan-_
_dards (IBI, EBC und BQM) wird deutlich, dass die Nutzung der Kohle in der_
_Landwirtschaft weiterhin durch das Vorhandensein von PAK beschränkt bleibt._
_Um die aktuellen Vergasungsanlagen in polygenerative Systeme zu verwan-_
_deln, die neben elektrischer und thermischer Energie auch Biochar erzeugen,_
_das als Bodenverbesserungsmittel genutzt werden kann, müssen daher die_
_Hauptprozessparameter (z. B. die Temperaturprofile im Reaktor) verändert_
_oder Systeme zur Nachbehandlung der Kohle eingesetzt werden, um den_
_PAK-Gehalt zu reduzieren. Darüber hinaus können Schwermetalle als weiterer_
_kritischer Faktor in der Kohle vorhanden sein; sie können von mechanischen_
_Teilen stammen, die zur Beförderung fester Materialien in der Anlage verwen-_
_det werden, oder aus Vorbehandlungen der Holzbiomasse wie z. B. das Häck-_
_seln oder Pelletieren._
_Es war nicht möglich, spezifische Lösungen oder Eingriffe zu ermitteln, die an_
_den Anlagen durchgeführt werden können, um qualitativ hochwertige Kohle_
_zu erzeugen, und die Wirksamkeit eventueller empirischer Lösungen ließ sich_
_nicht an den vorhandenen Anlagen erproben; daher konnte kein kompletter_
_Satz technisch-wirtschaftlicher Daten für die in den Simulationen nutzbare, op-_
_timierte Konfiguration definiert werden. Die Untersuchung der Auswirkungen_
_auf die Wirtschaftlichkeit einer Anlage, die optimiert wurde, um eine landwirt-_

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

_schaftlich nutzbare Kohle zu erhalten, wurde daher unter Forcierung der An-_
_wendung des Simulators anhand einer wirtschaftlichen „Rückwärtsanalyse“_
_durchgeführt. Diese Analyse erfolgte im Hinblick auf eine „ideale Anlage“ mit_
_durchschnittlichen Betriebsparametern, die den im Laufe des Projekts an Anla-_
_gen im Südtirol durchgeführten Untersuchungen entnommen wurden. Auf_
_Grundlage der mit dem Verkauf der Kohle erzeugten Einnahmen und den ab_
_dem Jahr, in dem die Optimierungsarbeiten durchgeführt wurden, bis zum_
_Ende der Nutzdauer der Anlage eingesparten Entsorgungskosten, wurde das_
_Kapital geschätzt, das maximal für die Durchführung dieser Eingriffe zur Ver-_
_fügung stehen könnte. Die wirtschaftliche Analyse hat verdeutlicht, dass für die_
_Investitionen zur Optimierung der Anlage höchstens ein Budget zwischen_
_23.000 und 97.000 Euro zur Verfügung stehen würde, abhängig vom Verkaufs-_
_preis, den die Kohle nach diesen Änderungen auf dem Markt erzielen könnte._
_Trotz der Schwierigkeit, die Angemessenheit der berechneten Summen in Be-_
_zug auf die erforderlichen Investitionen zur Anpassung der Anlage in Hinblick_
_auf die Kohleproduktion (zum veranschlagten Verkaufspreis) zu bestimmen,_
_können diese Beträge dennoch einen ungefähren Richtwert für die Anforderun-_
_gen der Wirtschaftlichkeit darstellen, die eine technologische Lösung zur Opti-_
_mierung der Anlage erfüllen müsste, um auf dem Markt attraktiv zu sein._

Literaturverzeichnis

_Benedetti, V., Ail, S. S., Patuzzi, F. & Baratieri, M. (2019). Valorization of Char_
_From Biomass Gasification as Catalyst Support in Dry Reforming of_
_Methane. Frontiers in Chemistry,_ [^7]:_(March), 1–12. https://doi.org/10.3389/_
_fchem.2019.00119_
_Benedetti, V., Ail, S. S., Patuzzi, F., Cristofori, D., Rauch, R. und Baratieri, M._
_(2020). Investigating the feasibility of valorizing residual char from_
_biomass gasification as catalyst support in Fischer-Tropsch_
_synthesis. Renewable Energy,_[^147]:_, 884–894. https://doi.org/10.1016/j.renene._
_2019.09.050_
_Benedetti, V., Cordioli, E., Patuzzi, F. & Baratieri, M. (2019). CO_[^2]:_Adsorption_
_study on pure and chemically activated chars derived from commercial_

```
Neuester Stand der Technik der Vergasung von Holzbiomasse in Südtirol
```

_biomass gasifiers. Journal of CO2 Utilization,_ [^33]:_(April), 46–54._
_https://doi.org/10.1016/j.jcou.2019.05.008_
_Benedetti, V., Patuzzi, F. & Baratieri, M. (2018). Characterization of char from_
_biomass gasification and its similarities with activated carbon in_
_adsorption applications. Applied Energy,_ [^227]:_, 92–99. https://doi.org/_
_10.1016/j.apenergy.2017.08.076_
_Cordioli, Patuzzi & Baratieri. (2019). Thermal and Catalytic Cracking of_
_Toluene Using Char from Commercial Gasification Systems. Energies,_
[^12]:_(19), 3764. https://doi.org/10.3390/en12193764_
_European Biochar Foundation (2020, 1. Juni). European Biochar Certificate._
_Galhetas, M., Lopes, H., Freire, M., Abelha, P., Pinto, F. & Gulyurtlu, I. (2012)._
_Characterization, leachability and valorization through combustion of_
_residual chars from gasification of coals with pine. Waste Management,_
[^32]:_(4), 769–779. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2011.08.021_
_Hansen, V., Müller-Stöver, D., Ahrenfeldt, J., Holm, J. K., Henriksen, U. B. &_
_Hauggaard-Nielsen, H. (2015). Gasification biochar as a valuable by-_
_product for carbon sequestration and soil amendment. Biomass and_
_Bioenergy,_ [^72]:_(1), 300–308. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2014.10.013_
_Klinghoffer, N. B., Castaldi, M. J. & Nzihou, A. (2012). Catalyst properties and_
_catalytic performance of char from biomass gasification. Industrial and_
_Engineering Chemistry Research,_ [^51]:_(40), 13113–13122. https://doi.org/10.1021/_
_ie3014082_
_Marchelli, F., Cordioli, E., Patuzzi, F., Sisani, E., Barelli, L., Baratieri, M., ..._
_Bosio, B. (2019). Experimental study on H_[^2]:_S adsorption on gasification char_
_under different operative conditions. Biomass and Bioenergy,_ [^126]:_(April),_
_106–116. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2019.05.003_
_Patuzzi, F., Prando, D., Vakalis, S., Rizzo, A. M., Chiaramonti, D., Tirler, W., ..._
_Baratieri, M. (2016). Small-scale biomass gasification CHP systems:_
_Comparative performance assessment and monitoring experiences in South_
_Tyrol (Italy). Energy,_ [^112]:_, 285–293. https://doi.org/10.1016/_
_j.energy.2016.06.077_
_Piazzi, S., Zhang, X., Patuzzi, F. & Baratieri, M. (2020). Techno-economic_
_assessment of turning gasification-based waste char into energy: A case_

Basso, Cordioli, Bonadio, Patuzzi, Dal Savio, Mimmo, Baratieri

_study in South-Tyrol. Waste Management,_ [^105]:_, 550–559. https://doi.org/_
_10.1016/j.wasman.2020.02.038_
_Runtti, H., Tuomikoski, S., Kangas, T., Lassi, U., Kuokkanen, T. & Rämö, J._
_(2014). Chemically activated carbon residue from biomass gasification as a_
_sorbent for iron(II), copper(II) and nickel(II) ions. Journal of Water Process_
_Engineering,_[^4]:_(C), 12–24. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2014.08.009_

## Extraktion aus Holzrückständen für

## Anwendungen in der Lebensmittel- und

## Pharmabranche

**Giovanna Ferrentino – Freie Universität Bozen**
**Nabil Haman – Freie Universität Bozen**
**Ksenia Morozova – Freie Universität Bozen**
**Matteo Scampicchio – Freie Universität Bozen**

Abstract
_Evaluiert wurde die antimikrobielle Wirkung der durch zwei verschiedene Sohxlet-_
_Extraktionstechnologien und überkritisches Kohlendioxid gewonnenen Extrakte von_
_Picea abies auf das Wachstum von Enterococcus faecalis und Streptococcus thermophilus._
_Als Technik zur Evaluierung der antimikrobiellen Wirkung wurde die isotherme Kalo-_
_rimetrie genutzt. Die Anpassung der Wärmeflusskurve des mikrobiellen Wachstums_
_erfolgte mit veränderter Gompertz-Gleichung, um die Parameter der Zeitverzögerung_
_und der Geschwindigkeit des mikrobiellen Wachstums zu erhalten. Außerdem wurden_
_die für die antimikrobielle Wirkung verantwortlichen Phenolverbindungen durch_
_Massenspektrometrie ermittelt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass beide Extrakte, un-_
_abhängig von der verwendeten Technologie, eine ähnliche antimikrobielle Wirkung_
_aufweisen. Von den beiden Stämmen hat jedoch S. thermophilus eine höhere Resistenz_
_gegen die antimikrobielle Wirkung des Extrakts als E. faecalisgezeigt. Die für diese Wir-_
_kung verantwortlichen wichtigsten Phenolverbindungen waren Catechin, Dihydro-_
_quercetin, Astringin und Isorhapontin. Die Ergebnisse haben das Potenzial des Extrakts_
_von Picea abies als natürliches Antimikrobikum aus nachhaltigen Quellen und Alterna-_
_tive zu den aktuellen künstlichen Konservierungsmitteln verdeutlicht._

Ferrentino, Haman, Morozova, Scampicchio

#### 1. Einleitung

_Seit der Antike hat Holz immer eine zentrale Rolle im Leben der Menschen_
_gespielt. Trotzdem seine Nutzung zu Zwecken wie z. B. der Wärmeerzeu-_
_gung, dem Waffen- oder Fahrzeugbau im Laufe der Jahre immer mehr abge-_
_nommen hat, bleibt Holz auch heute noch in vieler Hinsicht ein Material von_
_grundlegender Bedeutung, sei es beim Bau von Häusern und Möbeln oder der_
_Herstellung von Papier, Werkzeug, Kunstwerken und Musikinstrumenten._
_Während seiner Be- und Verarbeitung fallen jedoch große Mengen an Abfäl-_
_len und Nebenprodukten an. Oft haben diese Holzabfälle jedoch einen sehr_
_begrenzten wirtschaftlichen Wert. Daher besteht ein steigendes Interesse, Al-_
_ternativen für eine Wiederverwendung und Aufwertung von Holzabfällen zu_
_finden, mit denen neue Materialien und Produkte erzeugt werden können._
_Ein interessanter Ansatz für die Aufwertung dieser Nebenprodukte besteht in_
_der Extraktion bestimmter in ihnen enthaltener Verbindungen, die antimikro-_
_bielle und antioxidative Eigenschaften gezeigt haben (Salem et al., 2016;_
_Grassmann et al., 2003). Die Rinde und Äste vieler Baumarten werden seit_
_Jahrhunderten als Quelle für Aromen, Duftstoffe und Farbpigmente verwen-_
_det. Rezente Studien weisen auf ein zunehmendes Interesse der wissenschaft-_
_lichen Gemeinschaft an der Festlegung physisch-chemischer Eigenschaften_
_der Extrakte aus Holzabfällen hin (Bianchi et al., 2014; Kusumoto et al., 2014;_
_Minova et al., 2015; Sahin et al., 2017. Zum Beispiel wurde beobachtet, dass_
_Extrakte aus Kastanien- oder Kirschbaumholz antimikrobielle Eigenschaften_
_besitzen und in der Lage sind, mögliche Kontaminationen im Wein zu kon-_
_trollieren (Alañón et al., 2015). Die Baumextrakte aus dem Endopleura uchiwie-_
_sen eine hohe antimikrobielle und zytotoxische Wirkung auf (Politi et al.,_
_2011); desgleichen haben sich Extrakte aus Eukalyptusholz als sehr wirksam_
_bei der Hemmung des Wachstums von Bakterien und Hefe erwiesen (Cruz et_
_al., 2011). Vor Kurzem wurde festgestellt, dass die durch hydrodynamische_
_Kavitationstechnologie gewonnenen Extrakte aus den nadelartigen Blättern_
_des Abies alba eine starke oxidationshemmende Wirkung haben (Becvárová_
_et al., 2018)._

```
Extraktion aus Holzrückständen
```

_Unter den verschiedenen Baumarten rufen die Holzabfälle der Rottanne (Picea_
_abies) großes Interesse hervor. Es handelt sich um eine in Europa weit verbrei-_
_tete Art, die circa 38 % des Baumbestands in den europäischen Wäldern aus-_
_macht (Becvárová et al., 2018). Auf die große Verbreitung dieses Baums ist_
_auch seine starke industrielle Nutzung in verschiedenen Bereichen und somit_
_die erhebliche Menge anfallender Nebenprodukte zurückzuführen. Aufgrund_
_dieser Situation ergibt sich die Notwendigkeit, alternative Ansätze für die_
_Aufwertung und Wiederverwendung zu finden. Vor Kurzem wurde nachge-_
_wiesen,dass die Rinde der Rottanne einen hohen Gehalt an Verbindungen mit_
_oxidationshemmender Wirkung aufweist (Neiva et al., 2018). Einige Studien_
_haben nachgewiesen, dass aufgrund des hohen Hemicellulosegehalts interes-_
_sante Oligomere erzeugt werden können, die als Bestandteile oder Hilfsstoffe_
_in Produkten der nutrazeutischen und pharmazeutischen Industrie nutzbar_
_sind. Eine andere Studie hat nachgewiesen, dass aus der Rottannenrinde ge-_
_wonnenen Extrakte eine starke antimikrobielle Wirkung gegen bestimmte_
_pathogene Mikroorganismen haben wie z. B. Staphylococcus aureus, Klebsiella_
_pneumoniae und Pseudomonas aeruginosa (Tanase et al., 2018). Auch wurde eine_
_erhebliche hemmende Wirkung der aus Picea abies gewonnenen Extrakte ge-_
_gen die Mikrobenspezies des Streptococcus pneumoniae festgestellt (Vainio-_
_Kaila et al., 2015). Obwohl die antimikrobielle und oxidationshemmende Wir-_
_kung der aus Holzabfällen gewonnenen Extrakte durch veröffentlichte Ergeb-_
_nisse zahlreicher Studien bestätigt wird, ist jedoch immer noch nicht ganz_
_klar, welche Wirkung die Extraktionstechnologie und das bei der Extraktion_
_verwendete Lösungsmittel letztendlich auf die physikalischen und chemi-_
_schen Eigenschaften der erzeugten Extrakte haben. Der aus Thymus pectinatus_
_gewonnene Extrakt, zum Beispiel, nutzt Methanol als Lösungsmittel und hat_
_keine antimikrobielle Wirkung gezeigt. Eine gewisse antimikrobielle Wirkung_
_zeigte sich jedoch, als das entsprechende ätherische Öl durch Dampfdestilla-_
_tion mit einem Clevenger-Apparat gewonnen wurde (Vardar-Ünlü et al.,_
_2003). Diese Unterschiede könnten mit dem beim Extraktionsprozess verwen-_
_deten Lösungsmittel zusammenhängen. Eine von Salem et al. (2016) durchge-_
_führte Untersuchung wies hingegen eine starke antibakterielle und oxida-_
_tionshemmende Wirkung des Methanolextrakts von Picae Abies nach (Salem_
_et al., 2016)._

Ferrentino, Haman, Morozova, Scampicchio

_Die in diesem Bereich veröffentlichten Studien verdeutlichen außerdem, dass_
_nicht nur das Lösungsmittel, sondern auch die Technologie einen erheblichen_
_Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften der Extrakte haben kann. Zum_
_Beispiel wurde berichtet, dass die Extraktion aus Holzabfällen von Phyllanthus_
_emblica L. mit Flüssigkeiten unter Druck, unter Nutzung von Methanol als_
_Lösungsmittel, ein Extrakt mit stärkerer oxidationshemmender Wirkung er-_
_zeugt hat als die überkritische Flüssigkeitsextraktion oder die herkömmliche_
_Extraktion mit Lösungsmittel (Liu et al., 2009). Andere Arbeiten berichten hin-_
_gegen, dass die überkritische Flüssigkeitsextraktion dank niedriger Tempera-_
_turen während des Prozesses und Zusatz von Co-Lösungsmitteln wie Ethanol_
_oder Methanol die Erzeugung ätherischer Öle mit starker antimikrobieller_
_Wirkung ermöglicht hat. Extrakte aus Agarholz (Aquilaria crassna) zum Bei-_
_spiel haben das Wachstum von Staphylococcus aureus und Candida albicans ge-_
_hemmt (Wetwitayaklung et al., 2009). Darüber hinaus haben die mit überkri-_
_tischer Flüssigkeitsextraktion gewonnenen Extrakte aus Zedernholz (Eller et_
_al., 2000) und aus den Abfallprodukten von Pinus taeda (Pasquini et al., 2005)_
_und Eukalyptus eine bemerkenswerte oxidationshemmende Wirkung gezeigt_
_(González-Vila et al., 2000)._
_Auf Grundlage dieser in den verschiedenen wissenschaftlichen Arbeiten be-_
_richteten Beobachtungen haben die Autoren ihre Untersuchungen in diesem_
_Kapitel auf die Evaluierung der antimikrobiellen Wirkung von Extrakten aus_
_Abfallprodukten der Verarbeitung von Picea abies konzentriert. Zur Bewer-_
_tung der Wirkung der Extraktionstechnologie auf die Eigenschaften des er-_
_zeugten Extrakts wurden zwei verschiedene Techniken angewandt: eine_
_Soxhlet-Extraktion mit Ethanol als Lösungsmittel und eine überkritische Flüs-_
_sigkeitsextraktion mit Kohlendioxid als Lösungsmittel. Die Wahl dieser bei-_
_den Arten der Extraktion beruht im Wesentlichen auf der unterschiedlichen_
_Polarität der Lösungsmittel. Eine Soxhlet-Extraktion mit Ethanol erzeugt im_
_Allgemeinen ein Extrakt mit polaren Phenolverbindungen. Mit überkriti-_
_schem Kohlendioxid gewonnene Extrakte hingegen liefern ätherische Öle mit_
_einem höheren Gehalt an unpolaren Verbindungen (Cao et al., 2007; Caredda_
_et al., 2002). Diese beiden Extraktionstechnologien wurden auf Holzabfälle_
_von Picea abies angewandt und die gewonnenen Extrakte an zwei grampositi-_

```
Extraktion aus Holzrückständen
```

_ven Mikroorganismen getestet, und zwar Enterococcus faecalis und Streptococ-_
_cus thermophilus. Für das Monitoring der antimikrobiellen Wirkung der Ex-_
_trakte wurde die Technik der isothermen Kalorimetrie gewählt, eine innova-_
_tive Methode, die ein kontinuierliches und zu der von den Mikroorganismen_
_während ihres Stoffwechsels erzeugten Wärmemenge proportionales Signal_
_liefert._
_Außerdem wurden die Extrakte mit chromatographischen Techniken (HPLC-_
_MS) in Anwesenheit und Abwesenheit von Mikroorganismen untersucht, um_
_die für die antimikrobielle Wirkung verantwortlichen Phenolverbindungen_
_zu ermitteln._

#### 2. Materialien und Methoden

2.1 Vorbereitung der Holzabfälle
_Die Holzabfälle der Rottanne (Picea abies) wurden in Südtirol (Italien) gesam-_
_melt. Bei ihrer Ankunft im Labor wurden die Stichproben gemahlen, um ein_
_feines Pulver mit einer Körnung von 300-_[^800]: μ_m zu erhalten. Der abschlie-_
_ßende Feuchtigkeitsgehalt des Pulvers betrug 7,8 ± 1,2, während die Wasser-_
_aktivität bei 0,4 ± 0,1 lag._

2.2 Extraktion mit überkritischem Kohlendioxid
_Eine Hochdruck-Pilotanlage (Super fluidi s.r.l., Padova, Italien) wurde zur Ex-_
_traktion mit überkritischem Kohlendioxid aus Holzabfällen von Picea abies_
_verwendet. Das System besteht aus einem Extraktor und zwei gravimetri-_
_schen Separatoren. Im Extraktor befindet sich ein Edelstahlbehälter (800 ml_
_Volumen), dessen Enden mit porösen Filtern aus Edelstahl verschlossen sind._
_Eine Hochdruck-Membranpumpe (Lewa LDC - M - 9XXV1, Mailand, Italien)_
_wurde verwendet, um das Kohlendioxid in den Extraktor zu pumpen. Für die_
_Durchführung der Experimente wurden der Anlage 80 ± 1 Gramm Picea-abies-_
_Pulver zugeführt. Die Extraktionsbedingungen wurden auf Grundlage eines_
_experimentellen Plans bestimmt, in dem Druck (von 10 bis 30 MPa), Tempe-_
_ratur (von 35 bis 50 °C) und Zeit (von 10 bis 180 Minuten) definiert wurden,_

Ferrentino, Haman, Morozova, Scampicchio

_um am Ende der Extraktion den maximalen Produktertrag zu erhalten. Als_
_Co-Lösungsmittel wurde ein Anteil von 10 % (p/p) Ethanol hinzugefügt, um_
_die Fähigkeit des Kohlendioxids zur Extraktion polarer Phenolverbindungen_
_zu erhöhen. Kohlendioxid wurde mit einem Durchfluss von 2 l/h Kohlendi-_
_oxid in die Anlage gepumpt, um eine verlängerte Kontaktdauer zwischen_
_Lösungsmittel und Stichprobe zu gewährleisten._

2.3 Extraktion mit Soxhlet-Apparat
_Die Extraktion mit Lösungsmittel wurde mit einem Soxhlet-Apparat unter_
_Anwendung von Ethanol durchgeführt. Zu diesem Zweck ließ man circa 150_
_ml Ethanol durch 10 Gramm Picea-abies-Pulver laufen. Die Extraktion dauerte_
_6 Stunden und wurde bei Siedetemperatur des Lösungsmittels durchgeführt._

2.4 Ermittlung der antimikrobiellen Wirkung der Extrakte

2.4.1 Mikrobenwachstum
_Die aus den Holzabfällen von Picea abies gewonnenen Extrakte wurden an_
_zwei grampositiven Mikroorganismen getestet, und zwar Enterococcus faecalis_
_(ATCC 29212) und Streptococcus thermophilus (ATCC 19258). Die Mikroben-_
_stämme wurden bis zum Zeitpunkt des Experiments bei -80 °C in Kulturbrühe_
_(Tryptone soy broth, TSB) und Glycerol (20:80 p/p) konserviert. Für die Expe-_
_rimente wurden die Mikrobenkulturenbei 4 °C auf einem festen Nährmedium_
_(Tryptone soy agar, TSA) konserviert und monatlich regeneriert._

2.4.2 Durch isotherme Kalorimetrie ermittelte Hemmung des
Mikrobenwachstums
_Die antimikrobielle Wirkung der Extrakte aus Picea abies auf das Wachstum_
_von E. faecalis und S. thermophilus wurde durch isotherme Kalorimetrie (Ther-_
_mal Activity Monitor, Model 421 TAM III, TA Instruments) ermittelt. Zur_
_Durchführung des Experiments wurde eine Kolonie der beiden Mikroben-_
_stämme in 10 ml Kulturbrühe (TSB) gegeben und dann für E. faecalis bei 37 °C_
_und für S. thermophilus bei 40 °C ausgebrütet. Die Inkubationszeit wurde auf_
_18 Stunden festgesetzt, um Zellen in der stationären Phase des Wachstums zu_
_erhalten. Mikrobensuspensionen mit einer Endkonzentration von 10_⁸ _KBE/ml_
_(kolonienbildende Einheiten pro ml) wurden in TSB verdünnt, um Lösungen_

```
Extraktion aus Holzrückständen
```

_mit einer Endkonzentration der Mikroben von 10_⁵ _KBE/ml zu erhalten. Auch_
_die durch überkritische Flüssigkeitsextraktion mit Soxhlet-Apparat gewonne-_
_nen Extrakte von Picea abies wurden in steriler Kulturbrühe (TSB) verdünnt._
_Dann wurden sie mit den Mikrobenkulturen vermischt und erreichten End-_
_konzentrationen von 1, 3 und 5 mg/ml. Circa 1 ml der zubereiteten Stichpro-_
_ben wurden danach in zuvor sterilisierte Reagenzbehälter aus Edelstahl gege-_
_ben, um die Analyse mit isothermer Kalorimetrie zu beginnen. Die beim_
_Mikrobenwachstum in Anwesenheit oder Abwesenheit von Extrakten_
_erzeugte Wärme wurde für 24 Stunden bei Mikrobenwachstumstemperaturen_
_überwacht. Alle Experimente wurden als Triplikat durchgeführt._

2.4.3 Ermittlung der für die antimikrobielle Wirkung der Extrakte
verantwortlichen Phenolverbindungen
_Die Phenolverbindungen der Extrakte aus Picea abies wurden durch eine Flüs-_
_sigchromatographie-Massenspektrometrie mit hoher Auflösung (HPL-MS)_
_unter Anwendung eines Q-Exactive Orbitrap HRMS (Thermo Scientific,_
_Mailand, Italien) in Kopplung mit einer UHPLC (Ultimate 300) ermittelt. Es_
_wurde eine Accucore RP-MS LC-Säule (100 mm × 2,1 mm ID, 2,6 μm) mit einer_
_Vorsäule (Thermo Scientific, Mailand, Italien) verwendet, um die Phenolver-_
_bindungen zu trennen. Die verschiedenen Massen der Verbindungen wurden_
_im Bereich von 100 bis 1.000 m/z mit einer Auflösung von 70.000 bei einem_
_Wert von 200 m/z, Gewinnkontrolle von 1·10⁶ und maximaler Injektionszeit_
_von 175 ms ausgewählt. Die Phenolverbindungen in den Extrakten wurden_
_auf Grundlage der Retentionszeit und der bei 280 nm gemessenen UV-_
_Absorption ermittelt. Die Retentionszeiten wurden mit den analytischen Stan-_
_dardzeiten verglichen. Der Zusammenhang zwischen der Häufigkeit der che-_
_mischen Verbindungen und derIntegration der Fläche unter jedem Peak wur-_
_den mit der Software Compound Discoverer 2.1 (Thermo Scientific, Mailand,_
_Italien) hergestellt._
_Zur Ermittlung der für die Hemmung verantwortlichen Phenolverbindungen_
_wurden circa 5 mg Extrakt zu 1 ml Nährbrühe (TSB) in Anwesenheit und Ab-_
_wesenheit des Mikrobenstammes E. faecalis hinzugefügt, der mit einer Kon-_
_zentration von 10⁶ KBE/ml beimpft wurde. Beide Proben wurden für 24 Stun-_
_den bei 37 °C ausgebrütet. Außerdem wurde eine dritte Probe unter Zusatz_

Ferrentino, Haman, Morozova, Scampicchio

_von 5 mg Extrakt zu 1 ml Kulturbrühe (TSB) zubereitet. Die drei Proben wur-_
_den mit einer HPLC-MS analysiert. Für die Zubereitung der Proben wurden_
_5 ml einer MeOH-Wasser-Lösung (70:30) zu 500 mg der Probe gegeben. Das_
_Gemisch wurde 5 Minuten mit einem Vortexmischer geschüttelt, 15 Minuten_
_im Ultraschallbad behandelt und bei 10.000 rpm für 15 Minuten zentrifugiert._
_Der Überstand wurde vor der Analyse mit einem 0,2-μm-Spritzenfilter gefil-_
_tert. Für jede Probe wurden drei unabhängige Extraktionen vorgenommen._
_Die Analyse wurde als Triplikat durchgeführt und die Ergebnisse als Mittel-_
_werte und Standardabweichung angegeben._

#### 3. Ergebnisse und Diskussion

3.1 Extraktion mit Soxhlet-Apparat und überkritischem
Kohlendioxid
_In diesem Abschnitt wird das mit zwei verschiedenen Technologien durchge-_
_führte Verfahren der Extraktion aus Holzabfällen des Picea abieserläutert (Ab-_
_bildung 1). Das Extraktionsverfahren mit überkritischem Kohlendioxid_
_wurde bei 45 °C und 20 MPa Druck über eine Dauer von 120 Minuten durch-_
_geführt. Am Ende des Verfahrens ergab sich ein Ertrag von 3,4 ± 0,5 % (p/p),_
_berechnet als Verhältnis zwischen der Extraktmenge in Gramm und der für_
_die Extraktion verwendeten Holzstichprobe in Gramm._
_Die Extraktion mit einem Soxhlet-Apparat wurde unter Anwendung von_
_Ethanol als Lösungsmittel durchgeführt. Die Temperatur wurde auf 76 °C ein-_
_gestellt; das Verfahren dauerte 5 Stunden. Nach Abschluss der Extraktion_
_wurde das Extrakt durch Verdampfen des Lösungsmittels gewonnen. Der_
_Ertrag belief sich auf 2,6 ± 0,7 % (p/ p)._

```
Extraktion aus Holzrückständen
```

Abb. 1 – Extraktion aus Holzabfällen des _Picea abies_ mit Soxhlet-Apparat und überkritischem
Kohlendioxid

_Die chemische Charakterisierung beider Extrakte wurde mit einer HPLC-MS_
_durchgeführt und ist in Tabelle 1 angegeben._
_Die größten Mengen sind von folgenden Phenolverbindungen vorhanden:_
_Methylbenzosesäure, Gallussäure, Catechin, Dihydroquercetin, Hydroxy-_
_pinoresinol und Isorhapontin. Diese Verbindungen wurden in beiden Extrak-_
_ten gefunden._

```
Holzabfall von Piceaabies
Feuchtigkeit = 7.8 %
Wasseraktivität = 0.40
```

```
Prozessparameter:
 Druck = 20-30 MPa
 Temperatur = 40-50 °C
 Zeit = 1-2 Stunden
 Lösungsmittel = Kohlendioxid
```

```
Prozessparameter:
 Temperatur: 70-80 °C
 Zeit: 5 Stunden
 Lösungsmittel: Ethanol
```

```
Soxhlet-Extrakt Überkritisches
Kohlendioxidextrakt
```

```
Ferrentino, Haman, Morozova, Scampicchio
```

```
Tabelle 1 –Chemische Charakterisierung der mit Soxhlet-Apparat und überkritischem Kohlendioxid
(SFE) gewonnenen Extrakte von Picea abies. Angepasste Tabelle aus der Arbeit von Haman et al.,
```

2019.

_Verbindung Formel [M-H]-_
_theoretisch_

```
[M-H]-
gemessen
```

```
SFE-
Extraktions-
bereich
1*10⁶
```

```
Soxhlet-
Extraktions-
bereich
1*10⁶
```

[^2]:_-Methylbenzoesäure C₈H₈O₂ 135,0452 135,0450 61,8 ± 0,8 50,1 ± 0,5_

_Zimtsäure C₉H₈O₂ 147,0451 147,0452 2,03 ± 0,1 1,5 ± 0,4_

_Protocatechusäure C₇H₆O₄ 153,0193 153,0192 1,5 ± 0,1 1,1 ± 0,2_

_Cumarsäure C₉H₈O₃ 163,0401 163,0401 1,6 ± 0,1 1,3 ± 0,4_

_Gallussäure C₇H₆O₅ 169,0142_ [^1690143]: _4,1 ± 0,3_ [^3]:_,1 ± 0,5_

_Ferulasäure C₁₀H₁₀O₄ 193,0506 193,0507 0,60 ± 0,13 0,55 ± 0,12_

_(+)-Catechin C₁₅H₁₄O₆ 289,0718 289,0720 1,6 ± 0,3 0,84 ± 0,01_

_Dihydroquercetin_
_(Taxifolin)_
_C₁₅H₁₂O₇ 303,0513 303,0513 59 ± 2 42 ± 3_

_(+)-_[^6]:_-_
_Hydroxypinoresinol_
_C₂₀H₂₂O₇ 373,1293 373,1293 312 ± 23 201 ± 12_

_Astringin C₂₀H₂₂O₂ 405,1191 405,1196 16 ± 1 10 ± 2_

_Isorhapontin C₂₁H₂₄O₉ 419,1348 419,1349 432 ± 56 323 ± 15_

```
3.2 Mit isothermer Kalorimetrie beschriebenes
Mikrobenwachstum
Das Mikrobenwachstum in Anwesenheit oder Abwesenheit von Extrakten
aus Picea abies wurde durch isotherme Kalorimetrie überwacht.
Abbildung 2 (gestrichelte Linie) zeigt das typische kalorimetrische Signal, das
man beim Mikrobenwachstum erhält, wenn uneingeschränkt Luft und Nähr-
stoffe vorhanden sind. Der Wärmeflussverlauf (dq/dt in Abhängigkeit von der
```

```
Extraktion aus Holzrückständen
```

_Zeit) weist eine charakteristische Form auf, die qualitativ durch Teilung des_
_Signals in drei unterschiedliche Phasen erklärt werden kann:_

- eine erste Phase, bestehend aus einer anfänglichen Verzögerungszeit,
während der die erzeugte Wärmemenge unerheblich ist
- eine zweite Phase, in welcher der Wärmefluss in Verbindung mit dem me-
tabolischen Zellwachstum exponentiell ansteigt
- eine dritte Phase, in der man eine schnelle Wärmeflussverringerung be-
obachten kann, sobald der Sauerstoff oder die nötigen Nährstoffe abneh-
men und das Wachstum der Mikroorganismen dadurch gehemmt wird.

Abb. 2 –Während des Mikrobenwachstums von _S. thermophilus_ bei Vorhandensein von Sauerstoff
mit einer Konzentration von 10⁷ log(KBE/ml) erzeugter Wärmefluss (durchgehende schwarze Linie).
Während des Mikrobenwachstums von _S. thermophilus_ (durchgehende blaue Linie) erzeugte
Wärme, die aus der Integration des von der Wärmeflusskurve abgegrenzten Bereichs resultiert. Rot
eingekreist sind die Anfangszeit des exponentiellen Wachstums, der Höchstwert der während des
Wachstums erzeugten Wärme und die während des Wachstums entstandene Gesamtwärme.
Außerdem sind die drei Phasen des Mikrobenwachstums dargestellt: die Verzögerungsphase, die
Phase des exponentiellen Wachstums und die darauffolgende stationäre Phase des Wachstums.

3.2.1 Ermittlung der thermokinetischen Parameter des
Mikrobenwachstums
_Abbildung 3-A zeigt die mit isothermer Kalorimetrie bei 37 °C erzielten Dia-_
_gramme des Mikrobenwachstums von S. thermophilus. Die Anfangskonzent-_
_ration der Mikrobenbelastung variiert zwischen 10_[^1] _und 10_[^7] _KBE/ml. Abbil-_
_dung 3-B zeigt hingegen die Werte der während des Mikrobenwachstums ent-_

```
0
```

```
0.4
```

```
0.8
```

```
1.2
```

```
1.6
```

```
2
```

```
0
```

```
50
```

```
100
```

```
150
```

```
200
```

```
250
```

```
0 2 4 6
```

```
Wärme (J)
Wärmefluss (μW)
```

```
Zeit / h
```

```
exponentielle
Phase
stationäre
Phase
Verzögeru
ngsphase
```

Ferrentino, Haman, Morozova, Scampicchio

_standenen Gesamtwärme, die aus der Integration des durch die Wärmefluss-_
_kurve für die verschiedenen Anfangskonzentrationen der Mikrobenbelastung_
_begrenzten Bereichs resultiert._
_Die in Abhängigkeit von der Zeit verlaufenden Wärmekurven können durch_
_die folgende veränderte Gompertz-Funktion beschrieben werden:_

𝑞𝑞(𝑡𝑡) = 𝑄𝑄𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 ∙ 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒[−𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒(𝜇𝜇𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ·𝑒𝑒) ·(𝜆𝜆 − 𝑡𝑡)+[^1]:]

_wo Qtot der während des gesamten Wachstumsprozesses erzeugten Wärme_
_entspricht, die als Bereich unter der Wärmeflusskurve berechnet wird;_ λ _der_
_Verzögerungszeit entspricht, die als Anfangsperiode definiert wird, während_
_welcher die durch das Mikrobenwachstum erzeugte Wärme unerheblich ist;_
_μmax der Höchstgeschwindigkeit des Wachstums entspricht, die als größte ent-_
_lang der Wärmeflusskurve gemessene Steigung berechnet wird._

Abb. 3 – (A) Während des Wachstums von _S. thermophilus_ bei Vorhandensein von Sauerstoff mit
verschiedenen Konzentrationen von 10⁷ (a) bis 10[^1] log(KBE/ml) erzeugter Wärmefluss (g). (B)
Während des aus der Integration der von den Wärmeflusskurven begrenzten Flächen
resultierenden Mikrobenwachstums entstandene Wärme.

_Außerdem konnten anhand der Wärmeflusskurven in Abhängigkeit von der_
_Zeit der Höchstwert des Wärmeflusses (_Φ_max) und die Zeit, zu der dieser Wert_
_auftritt (tp), gemessen werden. Alle für beide Mikroorganismen angegebenen_
_Werte sind in der folgenden Tabelle angegeben (Tab. 2)._

```
0
```

```
50
```

```
100
```

```
150
```

```
200
```

```
250
```

```
0 5 10 15
```

```
Wärmefluss / μW
```

```
Zeit / h
```

```
a
d
b c e
f g
```

```
0
```

```
0.4
```

```
0.8
```

```
1.2
```

```
1.6
```

```
2
```

```
0 5 10 15
```

```
Wärme / J
```

```
Zeit / h
```

```
a
```

```
A B
```

```
Extraktion aus Holzrückständen
```

```
Tabelle 2 –Thermokinetische Parameter aus den kalorimetrischen Kurven des Mikrobenwachstums
von S. thermophilus und E. faecalis.
```

_Mikro-_
_organismus_

```
Mikrobielle
Anfangs-
konzentra-
tion
```

```
100*μmax
h ̄¹
```

```
λ
h
```

```
Qtot
J
```

```
tp
h
```

```
Φmax
μW
```

_S. thermophilus_ [^10]:[^7] _6,7 ± 0,1ab 2,3 ± 0,2g 1,68 ± 0,31b 4,0 ± 0,4e 254 ± 12ab_

```
106 6,3 ± 0,1ab 3,5 ± 0,3f 1,69 ± 0,24b 4,7 ± 0,3de 249 ± 19ab
105 6,5 ± 0,1ab 4,8 ± 0,3e 1,61 ± 0,43c 5,8 ± 0,3d 259 ± 11a
10⁴ 6,3 ± 0,1ab 6,5 ± 0,4d 1,60 ± 0,54c 7,3 ± 0,3c 268 ± 15ab
10³ 6,1 ± 0,1ab 7,4 ± 0,3c 1,62 ± 0,61b 8,5 ± 0,4c 263 ± 25ab
10² 6,1 ± 0,1ab 8,7 ± 0,4b 1,61 ± 0,91a 10,5 ± 0,4b 239 ± 23ab
10¹ 5,5 ± 0,1c 10,9 ± 0,6a 1,63 ± 0,72b 12,3 ± 0,6a 232 ± 28b
```

_E. faecalis 10⁷ 6,1 ± 0,1a 3,1 ± 0,2f 2,38 ± 0,31ab 5,1± 0,2f 239 ± 10a_

```
10⁶ 6,3 ± 0,1a 3,4 ± 0,2f 2,38 ± 0,33ab 5,3± 0,4f 242 ± 12a
10⁵ 5,7 ± 0,2a 4,5 ± 0,3e 2,44 ± 0,22ab 6,5 ± 0,3e 245 ± 19a
10⁴ 5,5 ± 0,1b 6,4 ± 0,3d 2,76 ± 0,41b 8,2 ± 0,2d 229 ± 11a
10³ 5,1 ± 0,1b 7,7 ± 0,4c 2,29 ± 0,54ab 9,7 ± 0,3c 220 ± 15a
10² 5,2 ± 0,1b 10,7 ± 0,4b 2,94 ± 0,62a 11,5 ± 0,4b 215 ± 25a
10¹ 5,4 ± 0,1b 12,5 ± 0,4a 2,95 ± 0,89a 13,2 ± 0,4a 207 ± 23a
```

```
3.2.2 Zusammenhang zwischen den thermokinetischen
Parametern des Mikrobenwachstums
Tabelle 3 zeigt die Pearson-Korrelationskoeffizienten zwischen der anfängli-
chen Mikrobenkonzentration und den aus den kaloriemetrischen Kurven ge-
wonnenen und in Tabelle 2 aufgeführten Parametern. Die stärkste Korrelation
```

Ferrentino, Haman, Morozova, Scampicchio

_wurde zwischen dem Logarithmus der Mikrobenkonzentration und der Ver-_
_zögerungszeit (_λ_) oder der Zeit beobachtet, zu welcher der höchste Wärme-_
_fluss gemessen wurde (tp), mit Pearson- Koeffizienten von_

-0.995 bzw. -0,990 (n = 7, p = 0,01).

Tabelle 3 – Pearson-Korrelationsindex zwischen der mikrobiellen Anfangskonzentration und den
thermokinetischen Parametern aus den Thermogrammen des Mikrobenwachstums. **Signifikante
Korrelation auf Level 0,01.

```
Mikrobielle
Anfangs-
konzentration
(KBE/ml)
```

```
μmax
(h-[^1])
```

```
λ
(h)
```

```
Qtot
(J)
```

```
tp
(h)
```

```
μmax
(h-[^1])
0,632 -
```

```
λ
(h)
```

-0,995** -0,625 -

```
Qtot
(J)
```

-0,439 -0,358 0,402 -

```
tp
(h)
```

-0,990** -0,600 0,993** 0,497 -

```
Φmax
(μW)
0,488 0,237 -0,505 -0,740 -0,580
```

_Die Ergebnisse haben zudem gezeigt, dass die Verzögerungszeit des Mikro-_
_benwachstums im Intervall der in dieser Studie verwendeten Mikrobenkon-_
_zentrationen zwischen 10_[^1] _und 10_[^7] _KBE/ml von 2,3 ± 0,2 auf 10,9 ± 0,6 Stunden_
_signifikant gestiegen ist (p < 0,01). Die Daten zeigen eine lineare Korrelation_
_zwischen dem Logarithmus der mikrobiellen Anfangskonzentration und der_
_Verzögerungszeit des Wachstums (R_[^2] _= 0,99) mit einer Gleichung von_ λ _= -1,39_
_*C + 11,11 (C steht für log(KBE/ml)) für S. thermophilus. Ähnliche Ergebnisse_
_wurden auch für das Mikrobenwachstum von E. faecalis erzielt. Auch in die-_
_sem Fall wurde ein linearer Zusammenhang (R_[^2] _= 0,99) beobachtet, mit einer_

```
Extraktion aus Holzrückständen
```

_Gleichung von_ λ _= -1,59 *C + 19,57. Die anderen Variablen, wie die Gesamt-_
_wärme (Qtot), die Höchstgeschwindigkeit des Wachstums (μmax) und der ma-_
_ximale Wärmefluss (_Φ_max) wiesen keine Korrelation mit der anfänglichen Kon-_
_zentration der Mikrobenbelastung auf. Daher wurde die Verzögerungszeit_
_des Wachstums (_λ_) als Mikrobenwachstumsindex verwendet, um die nachfol-_
_genden Ergebnisse zu erklären, bei denen die Extrakte von Picea abies zu den_
_Mikrobenkulturen hinzugefügt wurden._

3.3 Antimikrobielle Wirkung der Extrakte von _Picea abies_
_Im Folgenden sind die Ergebnisse der antimikrobiellen Wirkung von Extrak-_
_ten aus Picea abies auf Mikrobenstämme von Streptococcus thermophilus und_
_Enterococcus faecalis aufgeführt. Es wurden zwölf Experimente im Duplikat_
_durchgeführt, um die antimikrobielle Wirkung der mit Soxhlet-Apparat und_
_überkritischem Kohlendioxid gewonnenen Extrakte (n=12) zu testen. Für jede_
_Extraktionstechnologie wurde die Verzögerungszeit des Wachstums der bei-_
_den Mikrobenstämme unter Anwendung von drei den Mikrobenkulturen zu-_
_gesetzten Extraktkonzentrationen ermittelt._
_Abbildung 4-A zeigt die für S. thermophilus erzielten Ergebnisse des Wärme-_
_flusses in Anwesenheit und Abwesenheit wachsender Konzentrationen des_
_durch das Verfahren mit überkritischem Kohlendioxid gewonnenen Extrakts_
_von Picea abies. Gleichermaßen zeigt Abbildung 4-B die Ergebnisse des Wär-_
_meflusses für den gleichen Mikroorganismus nach Zusatz wachsender Kon-_
_zentrationen des mit Soxhlet-Apparat unter Anwendung von Ethanol als Lö-_
_sungsmittel gewonnenen Extrakts. In beiden Fällen verlangsamte sich das_
_Mikrobenwachstum in Anwesenheit des Extrakts, wie die Werte der Verzöge-_
_rungszeiten (_λ_) zeigen, die bei Zusatz zunehmender Konzentrationen des Ex-_
_trakts steigen._

Ferrentino, Haman, Morozova, Scampicchio

Abb. 4 – Thermogramme des Mikrobenwachstums von _S. thermophilus_ in Abwesenheit (a) und
Anwesenheit zunehmender Konzentrationen des Extrakts aus _Picea abies_ ((b) 1 mg/ml (c) 3 mg/ml
(d) 5 mg/ml)). Mit überkritischem Kohlendioxid (A) und Soxhlet-Extraktion (B) gewonnene Extrakte_._

_Außerdem kennzeichneten sich die in Anwesenheit des Extrakts gewonnenen_
_kalorimetrischen Kurven des Mikrobenwachstums durch einen niedrigeren_
_Wert der beim Wachstum entstandenen Wärme (Qtot) und folglich auch durch_
_einen niedrigeren Wert des maximalen Wärmeflusses (_Φ_max). Die Ergebnisse_
_deuteten auch auf eine geringere Geschwindigkeit des Mikrobenwachstums_
_bei einem Anstieg der Konzentration des Extrakts hin, dass der Mikrobenkul-_
_tur zugesetzt wird (μmax)._
_In den folgenden Tabellen sind die thermokinetischen Parameter aus den ka-_
_lometrischen Kurven für die beiden Mikroorganismen angegeben, denen die_
_mit überkritischem Kohlendioxid und Soxhlet-Apparat gewonnenen Extrakte_
_hinzugefügt wurden (Tab. 4 und 5)._

```
Extraktion aus Holzrückständen
```

Tabelle 4 –Thermokinetische Parameter aus den kalorimetrischen Kurven des Mikrobenwachstums
von _S. thermophilus_ in Anwesenheit des mit überkritischem Kohlendioxid und Soxhlet-Apparat
gewonnenen Extrakts.

_Extraktions-_
_technologie_

```
Konzentration
Extrakt
mg/mL
```

```
100*μmax
(h ̄¹)
```

```
λ
(h)
```

```
Qtot
(J)
```

```
tp
(h)
```

```
Φmax
(μW)
```

- 6,7 ± 0,1 4,8 ± 0,3 2,2 ± 0,4 6 ± 0,3 259 ± 11

_Überkritisches_
_Kohlendioxid_

```
1 5,3 ± 0,1 7,9 ± 0,7 2,5 ± 0,2 10 ± 4 144 ± 2
3 4,3 ± 0,2 8,9 ± 0,2 1,4 ± 0,4 15 ± 2 94 ± 8
5 0,8 ± 0,2 12,4 ± 0,6 1,1 ± 0,3 35 ± 2 30 ± 16
```

_Soxhlet_

```
1 5,1 ± 0,01 7,7 ± 2,0 2,1 ± 0,1 8 ± 1 189 ± 17
3 3,6 ± 0,01 8,6 ± 0,5 1,8 ± 0,1 12 ± 3 105 ± 22
5 2,8 ± 0,01 10,5 ± 0,8 1,7 ± 0,1 27 ± 1 24 ± 6
```

Tabelle 5 –Thermokinetische Parameter aus den kalorimetrischen Kurven des Mikrobenwachstums
von _E. faecalis_ in Anwesenheit des mit überkritischem Kohlendioxid und Soxhlet-Apparat
gewonnenen Extrakts.

_Extraktions-_
_technologie_

```
Konzentration
Extrakt
(mg/mL)
```

```
100*μmax
(h ̄¹)
```

```
λ
(h)
```

```
Qtot
(J)
```

```
tp
(h)
```

```
Φmax
(μW)
```

- 6,0 ± 0,1 6,4 ± 0,3 2,8 ± 0,5 8 ± 1 229 ± 11

_Überkritisches_
_Kohlendioxid_

```
1 4,1 ± 0,1 11,2 ± 1,3 2,3 ± 0,3 12 ± 1 153 ± 14
3 3,6 ± 0,1 18,2 ± 0,4 2,0 ± 0,1 24 ± 2 49 ± 1
5 0,9 ± 0,4 27,7 ± 1,1 1,7 ± 0,5 37 ± 1 40 ± 13
```

_Soxhlet_

```
1 4,0 ± 0,1 8,5 ± 0,1 2,4 ± 0,2 10 ± 1 149 ± 2
3 1,5 ± 0,2 12,0 ± 0,9 2,1± 0,2 15 ± 2 42 ± 2
5 0,5 ± 0,2 24,0 ± 0,9 1,6 ± 0,1 32 ± 2 32 ± 10
```

Ferrentino, Haman, Morozova, Scampicchio

3.3.1 Wirkung der Art und Menge des Extrakts auf das
Mikrobenwachstum
_Die Ergebnisse aus den Thermogrammen in Tabelle 4 und 5 wurden statistisch_
_analysiert, um die Wirkung (1) der Extraktkonzentration (1, 3 und 5 mg/ml),_
_(2) der Art des mit den beiden Extraktionstechnologien gewonnenen Extrakts_
_(überkritisches Kohlendioxid vs. Sohxlet) und (3) der Art des Mikroorganis-_
_mus (E. faecalis vs. S. thermophilus) zu bestimmen. Für die statistische Analyse_
_wurde die Verzögerungszeit des Mikrobenwachstums als abhängige Variable_
_gewählt. Wie zuvor gezeigt, wies diese Variable eine lineare Korrelation mit_
_dem Logarithmus der anfänglichen Mikrobenkonzentration auf. Die Ergeb-_
_nisse der statistischen Analyse sind in Tabelle 6 aufgeführt. Die wichtigste_
_Wirkung auf die Verzögerungszeit des Mikrobenwachstums wurde von der_
_Extraktkonzentration ausgeübt, die über 40 % der Gesamtvarianz ausmachte_
_(_η[^2]_). Weitere 16 % der Varianz wurden der Interaktion zwischen der Extrakt-_
_konzentration und dem Mikrobenstamm zugeordnet. Das Vorhandensein die-_
_ser Interaktion zeigt, dass der Mikrobenstamm von E. faecalis empfindlicher_
_als der Stamm E. faecalis gegenüber dem Zusatz des Extrakts von Picea abies_
_reagiert. Für jede den beiden Mikrobenkulturen zugesetzte Extraktkonzentra-_
_tion resultierten die für den Stamm E. faecalis (M=16,9, SD=7,4) beobachteten_
_Verzögerungszeiten deutlich höher als die des Stammes S. thermophilus_
_(M=9.4, SD=1.9). Diese stärkere Wirkung wird noch offensichtlicher, wenn bei-_
_den Mikrobenkulturen höhere Extraktkonzentrationen hinzugefügt wurden._
_Die Ergebnisse zeigen eindeutig, dass der Mikrobenstamm S. thermophilus_
_eine höhere Resistenz gegen die antimikrobielle Wirkung des Extrakts aus_
_Picea abies aufweist als der Stamm E. faecalis. Diese höhere Resistenz könnte_
_auf die Fähigkeit des Stammes S. thermophilus zurückzuführen sein, während_
_des Wachstums kleine Flocken zu bilden, die gegenüber der Wirkung des An-_
_timikrobikums weniger exponiert sind (Hardie et al., 2003). Der Stamm E._
_faecalis bildet während des Wachstums hingegen kleine Fäden, die der Wir-_
_kung des Extrakts aus Picea abies direkt ausgesetzt sind (Tenover 2006; Davies_
_et al., 2010)._

```
Extraktion aus Holzrückständen
```

Tabelle 6 – Ergebnisse der statistischen Analyse der Verzögerungszeiten des Mikrobenwachstums
(λ) in Anwesenheit unterschiedlicher Konzentrationen des mit den beiden Extraktionstechnologien
gewonnenen Extrakts.

_Abbildung 5-A zeigt die Wirkung der Konzentration des auf beide Mikroben-_
_stämme angewandten Extrakts. Diese signifikante Interaktion zwischen der_
_Art des Mikroorganismus und der Extraktkonzentration wird auch durch die_
_Ergebnisse der in Tabelle 5 aufgeführten statistischen Analyse bestätigt, bei_
_denen F(2,12) = 89,8 (p< 0,001) entspricht._
_Die Analyse zeigt, dass die Extraktionstechnologie ebenfalls eine wichtige_
_Rolle (F(1,12) = 43, p< 0,001) für das Mikrobenwachstum spielt, auch wenn die_
_Wirkung geringer ist (_η[^2] _= 4 %). Diese Wirkung ist in Abbildung 5-B darge-_
_stellt, wo die mit überkritischem Kohlendioxid gewonnenen Extrakte nur_
_dann eine höhere Wirkung haben, wenn sie auf den Mikrobenstamm E. faecalis_
_angewandt werden. Die Ergebnisse scheinen darauf hinzuweisen, dass der_
_mit überkritischem Kohlendioxid gewonnene Extrakt eine Zusammensetzung_

```
Source SS df MS F p η[^2]
```

```
A: S.thermophilus vs.
E. faecalis
344,78 1 344,78 394,9 <0,001 35 %
B: Überkritisches
Kohlendioxid vs.
Soxhlet
```

```
37,53 1 37,53 43,0 <0,001 4 %
```

```
C: Extrakt-
Konzentration
403,16 2 201,58 230,9 <0,001 41 %
AB: 17,00 1 17,00 19,5 <0,001 2 %
AC: 156,75 2 78,37 89,8 <0,001 16 %
BC: 3,64 2 1,82 2,1 <0,167 0,4 %
ABC: 4,57 2 2,28 2,6 <0,114 0,5 %
Fehler 10,48 12 0,87 1 %
```

```
Gesamt 977,90 23
```

Ferrentino, Haman, Morozova, Scampicchio

_aufweist, die ihn wirksamer gegenüber E. faecalis als gegenüber dem Mikro-_
_benstamm S. thermophilus macht. Diese Annahme wird durch die signifikante_
_Interaktion zwischen den Mikrobenstämmen und der Extraktionstechnologie_
_bestätigt (F(1,12)=19.5, p< 0,001,_ η[^2] _= 2 %)._
_Abbildung 5-C verdeutlicht für beide Extraktionstechnologien, dass die Ver-_
_zögerungszeit mit zunehmender Konzentration des der Mikrobenkultur zu-_
_gesetzten Extrakts ansteigt. Außerdem fällt die Verzögerungszeit des Mikro-_
_benwachstums bei den beiden höchsten Konzentrationen für die SFE-Techno-_
_logie deutlich höher aus als für die Soxhlet-Technologie (SOX)._

Abb. 5 – Wirkung von Extraktkonzentration, Art des Mikroorganismus und Extraktionstechnologie
auf die Verzögerungszeit des Mikrobenwachstums (λ).

_3.4_ Ermittlung der für die antimikrobielle Wirkung der Extrakte
aus _Picea abies_ verantwortlichen Phenolverbindungen
_Dieser Abschnitt erläutert die Ergebnisse, die mit dem Ziel gewonnen wur-_
_den, die für die antimikrobielle Wirkung verantwortlichen Phenolverbindun-_
_gen im Extrakt von Picea abies zu ermitteln. Zu diesem Zweck wurden zwei_
_Proben einer Mikrobenkultur aus E. faecalis (10_[^6] _KBE/ml) zubereitet, die man_
_für 24 Stunden bei 37 °C unter aeroben Bedingungen mit Zusatz der mit den_
_beiden verschiedenen Technologien gewonnenen Extrakte (5 mg/ml) wachsen_
_ließ. Dieser Mikroorganismus wurde ausgewählt, weil er in den vorherigen_
_Ergebnissen eine größere Empfindlichkeit gegenüber der antimikrobiellen_

```
7
```

```
12
```

```
17
```

```
22
```

```
27
```

```
1 3 5
```

```
Verzögerungszeit / h
```

```
Extrakt / mg/mL
```

```
1 3 5
Extrakt / mg/mL
```

```
S. thermophilus E. faecalis
Mikroorganismus
```

```
A B C
```

```
Extraktion aus Holzrückständen
```

_Wirkung des Extrakts aus Picea abiesgezeigt hat. Vor und nach den 24 Stunden_
_der Inkubation wurde die Mikrobenkultur mit einer HPLC-MS untersucht,_
_um die wichtigsten Phenolverbindungen in den Extrakten zu ermitteln. Die_
_entsprechenden Ergebnisse sind in Tabelle 7 aufgeführt._

Tabelle 7 – Phenolverbindungen in einer Probe einer Mikrobenkultur von _E. faecalis_ mit einer
Konzentration von 10[^6] KBE/ml, zu der 5 mg/ml Extrakt aus _Picea abies_ hinzugefügt wurden. Die
Analyse wurde nach 24 Stunden in Abwesenheit und Anwesenheit von Mikroorganismen unter
aeroben Wachstumsbedingungen bei 37 °C mit einer HPLC-MS durchgeführt.

```
Verbindung Hemmung des
Extrakts
SFE
(%)
```

```
Hemmung des
Extrakts
Soxhlet
(%)
```

```
2-Methylbenzoesäure 11 ± 1,3 3,6 ± 0,5
Zimtsäure 66,5 ± 3,4 26,7 ± 3,2
Protocatechusäure 66,6 ± 3,1 27,3 ± 2,2
Cumarsäure 6,3 ± 0,5 7,7 ± 1,1
Gallussäure 53,7 ± 3,2 19,4 ± 1,2
Ferulasäure 15 ± 2,3 7,3 ± 0,8
(+)-Catechin 94,4 ± 8,3 58,8 ± 4,1
Dihydroquercetin (Taxifolin) 67,8 ± 3,5 16,7 ± 1,4
(+)-6-Hydroxypinoresinol 15,1 ± 1,8 11,4 ± 1,1
Astringin 92,2 ± 5,4 73,1 ± 1,5
Isorhapontin 27,8 ± 3,2 19,8 ± 2,1
```

_Nach 24 Stunden Kontakt zwischen dem Mikrobenstamm und dem Extrakt_
_wurden signifikante Verringerungen (p < 0,05) bestimmter Phenolverbindun-_
_gen wie Catechin, Dihydroquercetin, Astringin und Isorhapontin beobachtet._
_Der Verbrauch dieser Verbindungen ist wahrscheinlich auf ihre antimikrobi-_
_elle Wirkung zurückzuführen. Die in Tabelle 6 aufgeführten Inhibitionswerte_

Ferrentino, Haman, Morozova, Scampicchio

_weisen darauf hin, dass beide Extrakte eine antimikrobielle Wirkung haben._
_Für einige Phenolverbindungen (wie zum Beispiel Zimtsäure, Protocatechu-_
_säure und Gallussäure) war die Inhibition bei den mit überkritischem Kohlen-_
_dioxid gewonnenen Extrakten höher._
_Einige Studien haben die antimikrobielle Wirkung der Extrakte aus Picea abies_
_gegen grampositive und gramnegative Pilze und Bakterien nachgewiesen_
_(Radulescu et al., 2011; Puupponen-Pimiä et al., 2001; Rauha et al., 2000). Die_
_Extrakte wurden durch Dampfdestillation und Extraktion mit Lösungsmittel_
_gewonnen. In den Extrakten vorhandene Phenolverbindungen sind Querce-_
_tin, Kaempferol und Myricetin, die alle als hauptverantwortlich für die anti-_
_mikrobielle Wirkung ermittelt wurden (Plumed-Ferrer et al., 2013). Außerdem_
_haben verschiedene Studien bewiesen, dass die im Extrakt aus Picea abies vor-_
_handenen Phenolverbindungen, wie zum Beispiel Pinosylvin, Astringin,_
_Piceatannol, Isorhapontin und Isorhapontigenin, eine antimikrobielle Wir-_
_kung gegen gramnegative Mikroorganismen wie Salmonella und gramposi-_
_tive Bakterien wie Listeria monocytogenes, Staphylococcus epidermidis und_
_Staphylococcus aureus sowie gegen Hefepilze wie Candida tropicalis und Sac-_
_charomyces cerevisaegezeigt haben. Außerdem wurden in einer rezenten Studie_
_aus Pinus sylvestris und der Rottanne Picea abiesgewonnene Phenolverbindun-_
_gen getestet, um ihre antibakterielle Wirkung zu verdeutlichen (Metsämuuro-_
_nen et al., 2019). Es wurde nachgewiesen, dass die wichtigsten im Extrakt aus_
_Picea abies vorhandenen Phenolverbindungen wie z. B. Quercetin, Dihydro-_
_quercetin und Myricetin wiederum eine starke antimikrobielle Wirkung ge-_
_gen verschiedene Bakterien aufwiesen._

#### 4. Schlussfolgerungen

_In diesem Kapitel wurde die antimikrobielle Wirkung der aus Holzabfällen_
_von Picea abies gewonnenen Extrakte untersucht. Es wurden zwei verschie-_
_dene Extraktionstechnologien getestet: die Extraktion mit überkritischem_
_Kohlendioxid und die Extraktion mit Soxhlet-Technologie. Beide Extrakte lös-_
_ten eine höhere antimikrobielle Wirkung auf das Wachstum von E. faecalis als_
_auf das von S. thermophilus aus. Bei beiden Mikrobenstämmen kennzeichnete_

```
Extraktion aus Holzrückständen
```

_sich das Wachstum in Anwesenheit des Extrakts durch eine längere Verzöge-_
_rungszeit (_λ_), eine geringere Wärmeentwicklung (Qtot) während des Wachs-_
_tums und folglich durch niedrigere Werte des maximalen Wärmeflusses_
_(_Φ_max). Auch die Wachstumsgeschwindigkeit (μmax) sinkt mit Erhöhung des_
_der Mikrobenkultur zugesetzten Extrakts. Diese Inhibition wurde auf be-_
_stimmte Phenolverbindungen wie Catechin, Dihydroquercetin, Astringin und_
_Isorhapontin zurückgeführt, von denen nach 24-stündigem Kontakt zwischen_
_der Mikrobenkultur und dem Extrakt geringere Konzentrationen gemessen_
_wurden._
_Letztendlich liefern die in diesem Kapitel dargelegten Ergebnisse interessante_
_Perspektiven in Bezug auf die Nutzung natürlicher Extrakte aus nachhaltigen_
_Quellen als Alternative zu den synthetischen Verbindungen, die bis heute in_
_Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaprodukten genutzt werden._

Literaturverzeichnis
_Salem MZM, Elansary HO, Elkelish AA, Zeidler A, Ali HM, Yessoufou K_
_(2016): In vitro bioactivity and antimicrobial activity of Picea abies and Larix_
_decidua wood and bark extracts. BioResources 11, 9421-9437._
_Grassmann J, Hippeli S, Vollmann R, Elstner EF (2003): Antioxidative properties_
_of the essential oil from Pinus mugo. J. Agric. Food Chem. 51, 7576-7582._
_Bianchi S, Gloess AN, Kroslakova I, Mayer I, Pichelin F (2014): Analysis of the_
_structure of condensed tannins in water extracts from bark tissues of Norway_
_spruce (Picea abies [Karst.]) and Silver fir (Abies alba [Mill.]) using MALDI-_
_TOF mass spectrometry. Industrial Crops and Products 61, 430-437._
_Kusumoto N, Zhao T, Swedjemark G, Ashitani T, Takahashi K, Borg-Karlson_
_A (2014): Antifungal properties of terpenoids in Picea abies against H_
_eterobasidion parviporum. For Pathol. 44, 353-361._
_Minova S, Sešķēna R, Voitkāne S, Metla Z, Daugavietis M, Jankevica L (2015):_
_Impact of pine (Pinus sylvestris L.) and spruce (Picea abies (L.) Karst.) bark extracts_
_on important strawberry pathogens. Proceedings of the Latvian Academy of_
_Sciences Section B Natural Exact and Applied Sciences 69, 62-67._

Ferrentino, Haman, Morozova, Scampicchio

_Sahin HT, Yalcin OU (2017): Chemical Composition and Utilization of Conifer_
_Needles-A Review. Journal of Applied Life Sciences International, 1-11._
_Alañón ME, García-Ruiz A. Díaz-Maroto M, Pérez-Coello MS, Moreno-_
_Arribas M (2015): Antimicrobial and antioxidant activity of pressurized liquid_
_extracts from oenological woods. Food Control 50, 581-588._
_Politi FA, de Mello JC, Migliato KF, Nepomuceno AL, Moreira RR, Pietro RC_
_(2011): Antimicrobial, cytotoxic and antioxidant activities and determination of_
_the total tannin content of bark extracts Endopleura uchi. International journal_
_of molecular sciences 12, 2757-2768._
_Cruz JM, Domínguez JM, Domínguez H, Parajó JC (2011): Antioxidant and_
_antimicrobial effects of extracts from hydrolysates of lignocellulosic materials. J_
_Agric Food Chem 49, 2459-2464._
_Becvárová P, Horváth M, Sarapatka B, Zouhar V (2018): Dynamics of soil organic_
_carbon (SOC) content in stands of Norway spruce (Picea abies) in central Europe._
_Forest Biogeosciences and Forestry 11, 734-742._
_Neiva DM, Araújo S, Gominho J, de Cássia Carneiro A, Pereira H (2018): An_
_integrated characterization of Picea abies industrial bark regarding chemical_
_composition, thermal properties and polar extracts activity. PloS One 13,_
_e0208270._
_Tanase C, Cosarca S, Toma F, Mare A, Cosarca A, Mare A (2018): Antibacterial_
_activities of spruce bark (Picea abies L.) extract and its components against human_
_pathogens. Rev Chim. 69, 1462-1467._
_Vainio-Kaila T, Kyyhkynen A, Rautkari L, Siitonen A (2015): Antibacterial_
_Effects of Extracts of Pinus sylvestris and Picea abies against Staphylococcus_
_aureus, Enterococcus faecalis, Escherichia coli, and Streptococcus pneumoniae._
_BioResources 10, 7763-7771._
_Vardar-Ünlü G, Candan F, Sökmen A, Daferera D, Polissiou M, Sökmen M_
_(2003): Antimicrobial and antioxidant activity of the essential oil and methanol_
_extracts of Thymus pectinatus Fisch. et Mey. Var. pectinatus (Lamiaceae).J Agric_
_Food Chem. 51, 63-67._
_Liu X, Zhao M, Wang J, Luo W (2009): Antimicrobial and antioxidant activity of_
_emblica extracts obtained by supercritical carbon dioxide extraction and methanol_
_extraction. J Food Biochem 33, 307-330._

```
Extraktion aus Holzrückständen
```

_Wetwitayaklung P, Thavanapong N, Charoenteeraboon J (2009): Chemical_
_constituents and antimicrobial activity of essential oil and extracts of heartwood_
_of Aquilaria crassna obtained from water distillation and supercritical fluid_
_carbon dioxide extraction. Silpakorn University Science and Technology_
_Journal 3, 25-33._
_Eller FJ, King JW (2000): Supercritical carbon dioxide extraction of cedarwood oil: a_
_study of extraction parameters and oil characteristics. Phytochemical Analysis:_
_An International Journal of Plant Chemical and Biochemical Techniques_
_11, 226-231._
_Pasquini D, Pimenta MTB, Ferreira LH, da Silva C,Aprigio A (2005): Extraction_
_of lignin from sugar cane bagasse and Pinus taeda wood chips using ethanol–_
_water mixtures and carbon dioxide at high pressures. The Journal of_
_supercritical fluids 36, 31-39._
_González-Vila FJ, Bautista JM, Gutierrez A, Del Rio J, González A (2000):_
_Supercritical carbon dioxide extraction of lipids from Eucalyptus globulus wood._
_J. Biochem Biophys Methods 43, 345-351._
_Cao H, Xiao JB, Xu M (2007): Comparison of volatile components of Marchantia_
_convoluta obtained by supercritical carbon dioxide extraction and petrol ether_
_extraction. Journal of Food Composition and Analysis 20, 45-51._
_Caredda A, Marongiu B, Porcedda S, Soro C (2002): Supercritical carbon dioxide_
_extraction and characterization of Laurus nobilis essential oil. J Agric Food_
_Chem. 50, 1492-1496._
_Haman N, Morozova K, Tonon G, Scampicchio M, Ferrentino G (2019):_
_Antimicrobial Effect of Picea abies Extracts on E. coli Growth. Molecules 24, 22._
_Hardie JM, Whiley RA (2003): Classification and overview of the genera_
_Streptococcus and Enterococcus. Journal of Applied Microbiology. Blackwell_
_Science Ltd._
_Tenover FC (2006): Mechanisms of antimicrobial resistance in bacteria. The_
_American Journal of Medicine 119, S3-S10._
_Davies J, Davies D (2010): Origins and evolution of antibacterial resistance._
_Microbiology and molecular biology reviews 74, 417-433._
_Radulescu V, Saviu S, Chifiriu C, Oprea E, Ilies DC, Marutescu L, Lazar V_
_(2011): Chemical Composition and Antimicrobial Activity of Essential Oil from_
_Shoots Spruce (Picea abies L). Rev. Chim. 62, 69-74._

Ferrentino, Haman, Morozova, Scampicchio

_Puupponen-Pimiä R, Nohynek L, Meier C, Kähkönen M, Heinonen M, Hopia_
_A, Oksman-Caldentey KM (2001): Antimicrobial properties of phenolic_
_compounds from berries. Journal of Applied Microbiology 90, 494-507._
_Rauha JP, Remes S, Heinonen M, Hopia A, Kähkönen M, Kujala T, Pihlaja K,_
_Vuorela H, Vuorela P (2000): Antimicrobial effect of Finnish plant extracts_
_containing flavonoids and other phenolic compounds. International Journal of_
_Food Microbiology 56, 3-12._
_Plumed-Ferrer C, Väkeväinen K, Komulainen H, Rautiainen M, Smeds A,_
_Raitanen J-R, Eklund P, Willför S, Alakomi H-L, Saarela M, Wright A_
_(2013): The antimicrobial effects of wood-associated polyphenols on food_
_pathogens and spoilage organisms. International Journal of Food_
_Microbiology 164, 99-107._
_Metsämuuronen S, Siren H (2019): Bioactive phenolic compounds, metabolism and_
_properties: a review on valuable chemical compounds in Scots pine and Norway_
_spruce. Phytochem Rev. 18, 623–664._

## Nutzung von Kohle als Bodenverbesserungsmittel:

## Keim- und Phytotoxizitätstests mit Kohle aus

## Südtiroler Vergasungsanlagen

**Silvia Celletti– Freie Universität Bozen**
**Luigimaria Borruso – Freie Universität Bozen**
**Fabio Valentinuzzi– Freie Universität Bozen**
**Daniele Basso– Freie Universität Bozen**
**Francesco Patuzzi – Freie Universität Bozen**
**Marco Baratieri – Freie Universität Bozen**
**Stefano Cesco– Freie Universität Bozen**
**Tanja Mimmo– Freie Universität Bozen**

Abstract
_WOOD-UP ist ein Projekt angewandter Forschung, das darauf abzielt, konkrete und_
_brauchbare Ergebnisse mit positiven Auswirkungen auf Schlüsselbranchen der Südti-_
_roler Wirtschaft(z. B. Landwirtschaft, Energie und Umwelt) zu erzielen._
_Die jüngsten, im Rahmen dieser Forschungsarbeit erzielten Ergebnisse weisen darauf_
_hin, dass Kohle, ein aus Holzbiomasse gewonnenes Nebenprodukt aus dem Verga-_
_sungsprozess, eine wertvolle Ressource darstellen könnte, wenn sie in der Landwirt-_
_schaft als Bodenverbesserungsmittel eingesetzt wird. Derzeit sind die Eigenschaften_
_der in Südtirol erzeugten Kohle jedoch nur zu einem kleinen Teil bekannt und ihre Fä-_
_higkeit zur Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit bisher praktisch noch unerforscht._
_In diesem Zusammenhang wurde das Ziel dieser Studie im Wesentlichen darauf aus-_
_gerichtet, die potenzielle Phytotoxizität der in Südtirol erzeugten Kohle zu evaluieren._
_Zu diesem Zweck wurde die Kohle zunächst in chemischer Hinsicht charakterisiert. Im_
_Folgenden wurde die Wirkung der Anwendung von Kohle auf den Boden durch Nut-_
_zung pflanzlicher Spezies als Bioindikatoren in Phytotoxizitäts- und Keimtests unter-_
_sucht._

Celletti, Borruso, Valentinuzzi,Basso,Patuzzi, Baratieri, Cesco, Mimmo

#### 1. Einleitung

_Südtirol hat sich unter den verschiedenen Regionen des italienischen Staats-_
_gebiets durch den Bau zahlreicher Anlagen hervorgetan, die lokal verfügbare_
_erneuerbare Energiequellen wie Sonne, Wasser, Wind und Biomasse nutzen._
_Unter den verschiedenen Arten von Biomasse ist Holz nach Wasserkraft die_
_zweitwichtigste Energiequelle Südtirols (Fuchs & Rienzner, 2015). Zudem be-_
_stehen 44 % des Südtiroler Gebiets aus Wäldern; die Nutzung von Holz kann_
_daher als intelligente Lösung betrachtet werden, die auch mit positiven Wir-_
_kungen auf die Forstwirtschaft einhergeht._
_Die Kategorie erneuerbarer Energien hat in den letzten Jahren besondere Auf-_
_merksamkeit erregt und ihre Aufwertung ist auf die Verbreitung von Fern-_
_heizwerken zurückzuführen, die Holzbiomasse für die Erzeugung von_
_elektrischer und Wärmeenergie verwenden. Südtirol ist heute die Region mit_
_der größten Dichte an Fernheizwerken in Europa (Fuchs & Rienzner, 2015)._
_Außerdem erhält die Energieerzeugung aus Biomasse in Südtirol auch wegen_
_der schnellen Entwicklung kleiner Biomassevergasungsanlagen große Auf-_
_merksamkeit. Zum Teil handelt es sich dabei um eine Folge der Tariferhöhung_
_für Erzeuger erneuerbarer Energien, aber auch um eine Folge der Optimie-_
_rung der Vergaser, die auf Hochleistungsniveau und zu einer höheren Be-_
_triebsstabilität gebracht wurden, was diese Investition attraktiv gemacht hat_
_(Vakalis & Baratieri, 2015)._
_Die Vergasung ist ein der Pyrolyse ähnlicher Prozess; bei beiden handelt es sich_
_um thermochemische Abbauprozesse eines flüssigen oder festen Materials or-_
_ganischen Ursprungs. Im Unterschied zur Pyrolyse jedoch, die ganz ohne Sau-_
_erstoff erfolgt, findet die Vergasung unter Sauerstoffmangel bei Temperaturen_
_zwischen 750–1200 °C (Yasin et al., 2019) statt, also bei höheren Temperaturen_
_als die Pyrolyse (280–850 °C) (Gopal, Sivaram, & Barik, 2018). Aus dem Verga-_
_sungsprozess erhält man drei verschiedene Nebenprodukte: (i) ein brennbares_
_Gas, sogenanntes „Synthesegas“, dessen Zusammensetzung sehr heterogen ist_
_(man kann Kohlendioxid, Wasserdampf, verschiedene Kohlenwasserstoffe, Me-_
_than und andere Gase finden); (ii) einen Teer, bestehend aus einer Fraktion_
_schwerer Kohlenwasserstoffe, die bei Umgebungstemperatur kondensiert wer-_
_den können, und (iii) einen festen Rückstand, der als Kohle („char“) bezeichnet_

```
Nutzung der Kohle als Bodenverbesserungsmittel:
```

_wird und die inerte Fraktion des verarbeiteten Materials darstellt (Pecchi &_
_Baratieri, 2019)._
_In den letzten Jahren wurden im Südtirol über 40 kleine Vergasungsanlagen_
_installiert, in denen 13 verschiedene Vergasungstechnologien Anwendung_
_finden. Diese Anlagen produzieren jedes Jahr enorme Mengen Kohle. Diese_
_aus Vergasung gewonnene Kohle wird derzeit als Abfall behandelt, was mit_
_erheblichen wirtschaftlichen und ökologischen Kosten verbunden ist. Dieses_
_Material besitzt jedoch potenziell ähnliche chemische und physikalische Ei-_
_genschaften wie Biochar, der feste, kohlenstoffhaltige Rückstand aus der Py-_
_rolyse von Biomasse._
_Im August 2015, nach Verabschiedung des Ministerialdekrets vom 22. Juni_
_2015, veröffentlicht am 12. August desselben Jahres im Amtsblatt Nr. 186,_
_wurde Biochar offiziell als landwirtschaftlich nutzbares Bodenverbesserungs-_
_mittel zugelassen (Decreto legislativo, 29 aprile 2010, n. 75). Die Landwirte_
_können Biochar demzufolge als Bodenverbesserungsmittel einsetzen, wenn_
_sie eine Reihe physikalischer und chemischer Parameter beachten._
_Biocharfindet in vielen verschiedenen Bereichen Anwendung, unter anderem_
_im energetischen, ökologischen und landwirtschaftlichen. In der Landwirt-_
_schaft insbesondere konnte Biochar seine positive Wirkung als Bodenverbes-_
_serungsmittel unter Beweis stellen. Es verbessert die Fruchtbarkeit und er-_
_leichtert die Speicherung von Kohlenstoff im Boden und erhöht auf diese_
_Weise den Ertrag der angebauten Spezies (Hansen et al., 2015, 2017). Außer-_
_dem wird Biochar aufgrund seiner absorbierenden Eigenschaften als vielver-_
_sprechende Methode betrachtet, mit der kontaminierende Stoffe im Boden im-_
_mobilisiert und deren Bioverfügbarkeit wirksam reduziert werden kann; zu_
_solchen Stoffen gehören polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe_
_(PAK) (Waqas, Khan, Qing, Reid, & Chao, 2014) und andere potenziell toxi-_
_sche Verbindungen wie z. B. Schwermetalle (Kadmium, Blei, Kupfer und Ni-_
_ckel) (Li et al., 2016). Diese Eigenschaften haben Biochar zu einem weltweit_
_bekannten und angewandten Material gemacht, das zur Kohlenstoffbindung_
_in den Ökosystemen der Erde und Verbesserung der Klimabedingungen bei-_
_trägt (Panwar, Pawar, & Salvi, 2019). Es sollte jedoch beachtet werden, dass_
_die Anwendung von Biochar auf dem Boden, ohne vorherige angemessene_
_Analyse seiner Charakterisierung, mit beträchtlichen Risiken einer Umwelt-_
_verschmutzung einhergehen kann; denn während der Pyrolyse der Biomasse_

Celletti, Borruso, Valentinuzzi,Basso,Patuzzi, Baratieri, Cesco, Mimmo

_können sich potenziell toxische Stoffe bilden, die dann für die im Boden le-_
_benden Organismen bioverfügbar wären. Zu diesen gefährlichen Verbindun-_
_gen gehören PAK, die beiden Familien der Dioxine (DX) (d. h. polychlorierte_
_Dibenzofurane [PCDF] und, polychlorierte Dibenzo-p-dioxine [PCDD]) sowie_
_Polychlorbiphenyl (PCB) (Garcia-Perez & Metcalf, 2008)._
_Diese Studie verfolgt hauptsächlich das Ziel, die Eigenschaften der durch Ver-_
_gasung gewonnenen Kohle und ihre Wirkungen auf die Bodenfruchtbarkeit_
_zu untersuchen. Im Mittelpunkt stand die Evaluierung der chemischen Eigen-_
_schaften und die Nachhaltigkeit der Südtiroler Kohle, die als Bodenverbesse-_
_rungsmittel zur Erhöhung der Fruchtbarkeit eingesetzt werden soll. Diesbe-_
_züglich hat der Blick auf die aktuelle Karte, die den Stand der Vergasungs-_
_technik in Südtirol zeigt, ermöglicht, die für die Erzeugung einer als Boden-_
_verbesserungsmittel nutzbaren Kohle vielversprechendsten Technologien_
_auszuwählen. Zudem wurde Kohle aus acht technologisch unterschiedlichen_
_Anlagen entnommen und chemisch charakterisiert. Insbesondere wurde eine_
_Elementaranlayse durchgeführt und der Aschegehalt der Kohle bestimmt. Ge-_
_messen wurden auch der Schwermetallgehalt und der Gehalt an PAK, PCB_
_und Dioxinen, um das phytotoxische Potenzial der Kohle zu evaluieren._
_Schließlich wurden Keim- und Wachstumstests zur Einschätzung der tatsäch-_
_lichen Phytotoxizität der Kohle an zwei Pflanzenarten durchgeführt, und_
_zwar Mais und Kresse, da diese eine unterschiedliche Empfindlichkeit gegen-_
_über den ermittelten toxischen Stoffen aufweisen._

#### 2. Materialien und Methoden

2.1 Ursprung und Eigenschaften der in Keim- und
Phytotoxizitätstest verwendeten Kohle
_Die Kohle entstammt Südtiroler Vergasungsanlagen, die repräsentativ für die_
_Monitoring-Kampagne ausgewählt wurden; aus Gründen der Vertraulichkeit_
_wurden die Technologien mit Großbuchstaben benannt, also von Technologie_
_A bis Technologie H. Die Kohle wurde in den Labors für Biobrennstoffe und_
_Bioenergie der Freien Universität Bozen chemisch charakterisiert._

```
Nutzung der Kohle als Bodenverbesserungsmittel:
```

_Der Aschegehalt wurde nach UNI EN ISO 18122:2016 bestimmt. Die Ele-_
_mentaranalyse wurde nach UNI EN ISO 16948:2015 durchgeführt. Außerdem_
_wurde der Gehalt verschiedener toxischer Stoffe untersucht, darunter PAK_
_(Methode: MI-03 Rev. 13 2016), PCB und Dioxine (Methode: EPA 1668C 2010)_
_sowie Schwermetalle (UNI EN 16174:2012 und UNI EN ISO 17294-2:2016), die_
_in der Kohle enthalten sind._

2.2 Wachstum von Maispflanzen
_Auf einem mit 0,5 mM CaSO_[^4]: _befeuchteten Filterpapier ließ man Samen der_
_Maispflanze (Zea mays L.) im Dunkeln keimen. Nach vier Tagen wurden mög-_
_lichst homogene Sämlinge in Gefäße mit 10 cm Durchmesser gesetzt; dann ließ_
_man sie fünf Wochen in einer Klimakammer unter kontrollierten Bedingun-_
_gen wachsen (14/10 Stunden Licht/Dunkelheit, 24/19 °C, 70 % relative Feuch-_
_tigkeit und 250 mmol m-_[^2] _s-_[^1] _Lichtintensität). Die Gefäße wurden mit lehmig-_
_sandigem Agrarboden gefüllt, der einem experimentellen Weinberg in der_
_Nähe von Meran (BZ), im Norden der Provinz Bozen, entnommen und dann_
_getrocknet und durch ein 4-mm-Sieb passiert wurde. Im Zeitraum des Expe-_
_riments wurde die Bodenfeuchtigkeit bei 60 % der Wasserretentionskapazität_
_gehalten; zu diesem Zweck wurden die Gefäße alle zwei Tage gewogen und_
_bei Bedarf mit Leitungswasser gegossen._

2.3 Wachstumstest
_Für die Phytotoxizitätstests mit Maispflanzen wurden drei verschiedene Ar-_
_ten von Kohle (aus den Technologien B, F und H) aufgrund ihrer chemischen_
_Eigenschaften ausgewählt. Vor der Saat wurde der Boden mit den drei ver-_
_schiedenen Arten von Kohle in jeweils zwei verschiedenen Konzentrationen_
_vermischt: 8,5 e 17 gchar kgBoden-_[^1]_. Diese Konzentrationen wurden ausgewählt,_
_weil sie den auf dem experimentellen Feld verwendeten Konzentrationen ent-_
_sprachen. Für jede Behandlung wurden fünf biologische Replikate vorberei-_
_tet. Außerdem wurden fünf Gefäße ohne Zusatz von Kohle als Kontrollgefäße_
_vorbereitet. Insgesamt wurden also 35 Gefäße befüllt._
_Am Ende des Experiments nahm man Proben der Blätter, die dazu von den_
_Wurzeln getrennt wurden, und Proben des rhizosphärischen Bodens. Der ge-_
_samte Boden in den Gefäßen wurde als rhizosphärisch betrachtet, da diese_

Celletti, Borruso, Valentinuzzi,Basso,Patuzzi, Baratieri, Cesco, Mimmo

_komplett durchwurzelt waren. Der rhizosphärische Boden und die Blattge-_
_webe wurden dann bei 65 °C im Ofen getrocknet, bis sie ein konstantes Ge-_
_wicht erreichten, und danach für die späteren Untersuchungen aufbewahrt._

2.4 Ermittlung des Chlorophyllgehalts

_Während des Wachstums der Maispflanzen wurde jede Woche mit einem_
_tragbaren, nicht-destruktiven Gerät, einem sogenannten SPAD (Akronym für_
_„Soil Plant Analytical Development“) (SPAD - 502 Plus, Minolta, Osaka, Japan)_
_der Chlorophyllgehalt bestimmt. Für jede Behandlung wurden fünf Messungen,_
_eine für jede Pflanze, am jüngsten, vollständig expandierten Blatt durchgeführt,_
_dann der Mittelwert genommen und als SPAD-Index angegeben._

2.5 Analyse der Konzentrationen von Makro- und
Mikronährstoffen in den Blättern

_Die getrockneten Blätter der Maispflanzen wurden fein gemahlen und mit einer_
_Kugelmühle (Mixer Mill, MM400, RETSCH, Italien) homogenisiert. Ungefähr_
_0,3 g jeder Probe wurden unter Anwendung eines Mikrowellenaufschlussys-_
_tems mit einer Reaktionskammer mit konzentrierter ultrapurer Salpetersäure_
_(650 ml L-_[^1]_; Carlo Erba, Mailand, Italien) mineralisiert (UltraWAVE, Milestone,_
_Shelton, CT, USA). Die Konzentrationen der Makro- und Mikronährstoffe wur-_
_den dann durch ICP-OES-Analyse bestimmt (Arcos Ametek, Spectro, Deutsch-_
_land); dabei wurden Tomatenblätter (SRM 1573a) und Spinatblätter (SRM 1547)_
_als zertifiziertes externes Bezugsmaterial verwendet._

2.6 Analyse des pH-Werts des rhizosphärischen Bodens

_Eine Bodendispersion in destilliertem Wasser, zubereitet im Verhältnis Bo-_
_den/Wasser von 1:2,5 Gewicht/Volumen, wurde zuerst geschüttelt und dann_
_für 30 Minuten ruhen gelassen. Der pH-Wert des Bodens der Rhizosphäre_
_wurde potentiometrisch mit einem pH-Meter gemessen, indem die Elektro-_
_den in die klare Lösung eingetaucht wurden._

```
Nutzung der Kohle als Bodenverbesserungsmittel:
```

2.7 Keimtest mit Kresse
_Für die Keimtests wurden gewöhnliche Kressesamen (Lepidium sativumL.), eine_
_gegenüber Phytotoxinen sehr empfindliche Pflanzenart, verwendet. Die Samen_
_wurden für circa eine Stunde in ein Bad mit destilliertem Wasser gelegt; der_
_gesamte Test wurde in Konformität mit der Norm UNI 10780:1998 durchge-_
_führt. Kurz gesagt, zehn Samen wurden in Petrischalen zu 100 mm auf eine_
_Schicht aus Filterpapier (90 mm, Whatman 41, aschefrei) gelegt. Dann wurden_
_1,2 mL Kohleextrakte in Wasser hinzugefügt und gleichzeitig einige Kontroll-_
_proben zubereitet, bei denen das Extrakt durch destilliertes Wasser ersetzt_
_wurde. Die Kohle wurde dabei mit destilliertem Wasser behandelt (Extraktions-_
_verhältnis 1:20 Gewicht/Volumen), zwei Stunden geschüttelt, bei 5.000 g zentri-_
_fugiert und durch Spritzenfilter mit 0,45-μm-Poren gefiltert. Die Petri-Schalen_
_wurden mit Parafilm versiegelt, mit Aluminiumfolie abgedeckt und für 24 Stun-_
_den bei 25 °C inkubiert. Nach der Inkubationszeit wurde die Anzahl der ge-_
_keimten Samen und deren Wurzellänge bestimmt, sowohl für die Petrischalen_
_mit den wässrigen Kohleextrakten als auch für die Kontrollen. Jede Behandlung_
_wurde zehnmal repliziert. Zur Berechnung des Keimindex (GI) wurde der Quo-_
_tient zwischen dem Mittelwert der Anzahl gekeimter Samen einer Behandlung_
_und dem Quotienten der Kontrollgruppe mit dem Mittelwert der Wurzellänge_
_der gekeimten Samen einer Behandlung und dem der Kontrollgruppe multipli-_
_ziert; daraus ergibt sich folgende Formel:_

```
𝐺𝐺𝐺𝐺 =
𝐴𝐴𝐺𝐺𝐴𝐴𝑏𝑏𝑏𝑏ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑏𝑏𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑥𝑥 𝐿𝐿𝐴𝐴𝐿𝐿𝑏𝑏𝑏𝑏ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑏𝑏𝑎𝑎𝑎𝑎
𝐴𝐴𝐺𝐺𝐴𝐴𝐾𝐾𝐾𝐾𝑎𝑎𝑎𝑎𝐾𝐾𝐾𝐾𝑎𝑎𝑎𝑎𝑏𝑏 𝑥𝑥 𝐿𝐿𝐴𝐴𝐿𝐿𝐾𝐾𝐾𝐾𝑎𝑎𝑎𝑎𝐾𝐾𝐾𝐾𝑎𝑎𝑎𝑎𝑏𝑏
```

_wobei_
_AGS = Anzahl gekeimter Samen;_
_LSW = Mittlere Wurzellänge der gekeimten Samen (mm)._

2.8 Statistische Analyse
_Die Ergebnisse werden als Mittelwert von mindestens fünf biologischen Rep-_
_likaten ± Standardfehler (SF) dargestellt. Es wurde eine einfaktorielle Va-_
_rianzanalyse (One way ANOVA) mit der Version SigmaPlot 12.0 (Systat Soft-_
_ware, Inc., San Jose, CA, USA) durchgeführt; die Mittelwerte wurden auf_

Celletti, Borruso, Valentinuzzi,Basso,Patuzzi, Baratieri, Cesco, Mimmo

_Grundlage des Turkey-Tests verglichen. Verschiedene Buchstaben stehen für_
_statistisch unterschiedliche Werte (P < 0,05)._

#### 3. Ergebnisse und Diskussion

3.1 Chemische Charakterisierung der Kohle

_Die Kohleproben wurden acht in Südtirol installierten repräsentativen Tech-_
_nologien entnommen (mit den Großbuchstaben A–H bezeichnet) und dann in_
_chemischer Hinsicht charakterisiert. Tabelle 1 und 2 enthalten die Ergebnisse_
_der an der Kohle durchgeführten Untersuchungen._

Tabelle 1 – Analyse des Aschegehalts und Elementaranalyse der mit unterschiedlichen
Technologien gewonnenen Kohle

C = Kohlenstoff; H = Wasserstoff; N = Stickstoff; O = Sauerstoff; PCI = Unterer Heizwert.

Tabelle 2 – Gehalt an PAK, PCB, Dioxinen (DX) und Schwermetallen* der Kohle

Cd = Kadmium; Cr = Chrom; Zn = Zink; TEQ = Toxizitätsäquivalent (steht für die Gesamtkon-
zentration einer Verbindungsfamilie); *überschreitet die Grenzwerte (D. lgs., 29 aprile 2010, n. 75).

```
Nutzung der Kohle als Bodenverbesserungsmittel:
```

_Hinsichtlich der Daten in Tabelle 1, setzt die italienische Gesetzgebung (D._
_lgs.,_ [^29]: _aprile 2010, n. 75) einen Grenzwert für den Molquotienten von Was-_
_serstoff (H) und Kohlenstoff (C) fest. Dieser Wert darf maximal 0,7 betragen._
_In Anbetracht der in dieser Tabelle aufgeführten Werte hielten alle Kohlepro-_
_ben diesen Grenzwert ein, da ihre Molquotienten für H/C im Intervall zwi-_
_schen 0,02 und 0,22 lagen._

_In Tabelle 2 sind nur die Schwermetalle (Cd, Cr und Zn) angegeben, die in_
_den untersuchten Kohleproben die Grenzwerte der italienischen Gesetz-_
_gebung überschritten (D. lgs., 29 aprile 2010, n. 75). Insbesondere für Verbin-_
_dungen wie PAK, PCB, Dioxine und Schwermetalle sind vom Gesetz folgende_
_Grenzwerte vorgegeben, (D. lgs., 29 aprile 2010, n. 75; D. lgs., 3 aprile 2006, n._
_152), wobei TS für Trockensubstanz steht:_

- PAK (Σ16 Moleküle) < 6 mg kg TS-[^1];
- PCB < 0,06 mg kg TS-[^1];
- Dioxine < 10 ng I-TEQ kg TS-[^1]
- Cd < 1,5 mg kg TS-[^1];
- Cr < 0,5 mg kg TS-[^1];
- Zn < 500 mg kg TS-[^1]

_Aus den Werten in Tabelle 2 ist klar ersichtlich, dass nur der PAK-Gehalt der_
_Kohle der Technologie C unter dem Grenzwert lag (D. lgs., 3 aprile 2006, n._
_152), während alle anderen Kohleproben die Grenzwerte überschritten, teils_
_bis zu einem Dreifachen. Im Gegensatz dazu hielten alle untersuchten_
_Kohleproben die Grenzwerte der italienischen Gesetzgebung (D. lgs., 3 aprile_
_2006, n. 152) für die PCB- und Dioxinkonzentrationen ein._
_Wenn man die Schwermetalle betrachtet (nicht aufgeführte Daten), wiesen_
_sieben Kohleproben Cd-Konzentrationen zwischen 1,8 und 13,4 mg kgTS-_[^1] _auf._
_Nur vier Technologien (C, F, G und H) entsprachen den gesetzlichen Grenz-_
_werten (D. lgs., 29 aprile 2010, n. 75) für Cd. Der Gehalt an Cr in den Kohle-_
_proben lag, mit Ausnahme der mit der Technologie G gewonnenen Kohle,_
_zwischen 0,7 und 15,5 mg kg TS-_[^1] _und somit nicht unter dem gesetzlichen_
_Grenzwert (D. lgs., 29 aprile 2010, n. 75). Die Kohleproben der Technologien A,_
_B, C und H überstiegen außerdem die gesetzlichen Grenzwerte (D. lgs.,29 aprile_
_2010, n. 75) für Zn, wobei die Werte zwischen 511,1 und 1317,0 mg kg TS-_[^1] _lagen._

Celletti, Borruso, Valentinuzzi,Basso,Patuzzi, Baratieri, Cesco, Mimmo

_Zusammenfassend kann man also sagen, dass keine Kohleprobe vollständig_
_den Grenzwerten der italienischen Gesetzgebung entspricht (D. lgs., 29 aprile_
_2010, n. 75; D. lgs., 3 aprile 2006, n. 152), auch wenn die Werte der mit den_
_Technologien C und G gewonnenen Kohle diesen Grenzwerten am nächsten_
_kommen. Diese Ergebnisse zeigen also, dass die durch Vergasung gewonnene_
_Kohle nicht direkt auf den Boden angewendet werden kann; es ist daher eine_
_Nachbehandlung der Kohle erforderlich, damit dieses Nebenprodukt in der_
_Landwirtschaft genutzt werden kann._

3.2 Wirkung der Kohle auf das Wachstum der Maispflanzen:
Gehalt an Chlorophyll und an Makro- und
Mikronährstoffen in den Blättern
_Der Phytotoxizitätstest wurde mit Maispflanzen durchgeführt; die zuverläs-_
_sig gemessene physiologische Variable ist die Änderung des Chlorophyllge-_
_halts, die mit einem SPAD-Gerät gemessen wurde. Dieses biologische Experi-_
_ment half zu überprüfen, ob die drei verschiedenen ausgewählten Kohlepro-_
_ben (B, F und H) relevante negative Wirkungen auf die Maispflanzen haben._
_Abbildung 1 zeigt die während des Phytotoxizitätsexperiments gemachten_
_Fotos der Maispflanzen._
_Tabelle 3 enthält die Mittelwerte des in vier verschiedenen aufeinanderfolgen-_
_den Wochen gemessenen Chlorophyllgehalts in den Blättern der Maispflan-_
_zen. Abbildung 2 zeigt die am Ende des Topfexperiments registrierten SPAD-_
_Werte (nach fünf Wochen des Wachstums). Die Behandlungen wurden mit_
_dem Begriff „Char“ etikettiert, gefolgt von einem Kleinbuchstaben, der die im_
_Test verwendete Kohleprobe angibt (F. B und H), und von einer Zahl (2,5_
_und 5), die sich auf die Dosis der mit dem Boden vermischten Kohle bezieht_
_(8,5 bzw. 17 gchar kgBoden-_[^1]_)._
_Während des Wachstums zeigten die Maispflanzen keine sichtbaren Toxizi-_
_tätssymptome. Der als SPAD-Index gemessene Chlorophyllgehalt in den Blät-_
_tern kennzeichnete sich jedoch durch einige Unterschiede. Die Pflanzen der_
_Kontrollgruppe wiesen am 09.05.18 die höchsten SPAD-Werte und am_
_26.04.18 die niedrigsten auf, während am 18.04.18 und 30.04.18 bei keiner der_
_Pflanzen der verschiedenen Behandlungen eine signifikante Änderung des_
_Chlorophyllgehalts zu bemerken war. Die auf dem mit den Kohleproben H_

```
Nutzung der Kohle als Bodenverbesserungsmittel:
```

_und F vermischten Boden gewachsenen Pflanzen wiesen nur am 09.05.18_
_Werte auf, die zwischen denen der Kontrollpflanzen und denen der auf Boden_
_mit Zusatz der Kohle B gewachsenen Pflanzen lagen, unabhängig von der an-_
_gewandten Kohledosis._

Abb. 1 – Phytotoxizitätstest mit Maispflanzen. Im Laufe der Wachstumsphase wurden einige
Pflanzen unterschiedlichen Konzentrationen von drei verschiedenen, mit den Technologien F, B
und H gewonnenen Kohleproben ausgesetzt, die mit dem Boden vermischt wurden, während
andere als Kontrolle dienten.

_Am 26.04.18 wiesen die Pflanzen der Kohle F 5 unter allen den höchsten_
_SPAD-Wert auf (Tab. 3)._
_Am Ende des Experiments waren die SPAD-Werte des Chlorophyllgehalts in_
_den Blättern der Pflanzen nach der Behandlung mit der Kohle aus den drei_
_Proben deutlich niedriger (um circa 40 %) als die des Chlorophyllgehalts in_
_den Blättern der Kontrollpflanzen, ohne jedoch erhebliche Differenzen zwi-_
_schen den Behandlungen und den Dosierungen aufzuweisen (Abb. 2)._
_Diese Ergebnisse stimmen jenen von Liu et al., 2016, überein (Liu A, Tian D,_
_Xiang Y, 2016). Diese Autoren wiesen eine offensichtlich fördernde Wirkung_

Celletti, Borruso, Valentinuzzi,Basso,Patuzzi, Baratieri, Cesco, Mimmo

_des Zusatzes von Kohle zum Boden auf das Chlorophyll einer Heilpflanze_
_(Salvia miltihorriza Bunge) während der mittelfristigen Wachstumsphase und_
_eine recht große Verringerung in der darauffolgenden Phase nach._

Tabelle 3 – SPAD-Messungen während des Phytotoxizitätsexperiments mit Mais als pflanzlicher
Bioindikator. Die Daten stellen die Mittelwerte ± SF (Standardfehler) von fünf unabhängigen
Pflanzen für jede Behandlung dar. Unterschiedliche Buchstaben stehen für statistisch
unterschiedliche Werte (P < 0,05) in jeder Kolonie.

Abb. 2 – SPAD-Messungen am Ende des Phytotoxizitätsexperiments mit Mais als pflanzlicher
Bioindikator. Die Daten stellen die Mittelwerte ± SF (Standardfehler) von fünf unabhängigen
Pflanzen für jede Behandlung dar. Verschiedene Buchstaben stehen für statistisch unterschiedliche
Werte (P < 0,05)

_Untersucht wurde auch der Makro- und Mikronährstoffgehalt (Abb. 3 und 4)_
_der Maisblätter, um zu evaluieren, ob der Kohlezusatz die Versorgung der_
_Pflanzen mit Mineralstoffen beeinflussen kann._

```
Nutzung der Kohle als Bodenverbesserungsmittel:
```

Abb. 3 –Konzentrationen von Makronährstoffen (mg g-[^1]) in den Blättern der Maispflanzen am Ende
der experimentellen Periode des Phytotoxizitätstests, der insgesamt fünf Wochen ab dem Zeitpunkt
der Umpflanzung der Sämlinge in die Gefäße dauerte; diese Gefäße enthielten den mit zwei
verschiedenen Konzentrationen (2,5 = 8,5 gcharkgBoden

-1; 5 = 17 gcharkgBoden
-1) der drei verschiedenen
Kohlenproben (F, B und H) versetzten Boden. Die Daten stellen die Mittelwerte ± SF
(Standardfehler) von fünf unabhängigen Pflanzen für jede Behandlung dar. Verschiedene
Buchstaben stehen für statistisch unterschiedliche Werte (P < 0,05)

Abb. 4 – Konzentrationen von Mikronährstoffen (mg g-[^1]) in den Blättern der Maispflanzen am Ende
der experimentellen Periode des Phytotoxizitätstests, der insgesamt fünf Wochen ab dem Zeitpunkt
der Umpflanzung der Sämlinge in die Gefäße dauerte; diese Gefäße enthielten den mit zwei
verschiedenen Konzentrationen (2,5 = 8,5 gcharkgBoden

-1; 5 = 17 gcharkgBoden
-1) der drei verschiedenen
Kohlenproben (F, B und H) versetzten Boden. Die Daten stellen die Mittelwerte ± SF
(Standardfehler) von fünf unabhängigen Pflanzen für jede Behandlung dar. Verschiedene
Buchstaben stehen für statistisch unterschiedliche Werte (P < 0,05)

Celletti, Borruso, Valentinuzzi,Basso,Patuzzi, Baratieri, Cesco, Mimmo

_Jede für dieses Experiment verwendete Kohleprobe verursachte im Vergleich_
_zur Kontrollgruppe eine signifikante Verringerung der Konzentration des_
_Makronährstoffs Magnesium (Mg) in den Maisblättern, unabhängig von der_
_mit dem Boden vermischten Kohledosis. Der gleiche Verlauf wurde auch für_
_Kalzium (Ca) beobachtet, jedoch in signifikantem Maße nur für die Kohlen B_
_und H in Dosis 5. Für Schwefel (S) wurden hingegen keine statistisch signifi-_
_kanten Differenzen zwischen der Kontrollgruppe und anderen Kohleproben_
_festgestellt. Die Konzentration von Phosphor (P) in den Blättern sank nur_
_dann erheblich, wenn dem Boden im Vergleich zur Kontrollgruppe die Kohle_
_F 5 zugesetzt wurde (Abb. 3)._
_Das Vorhandensein der dem Boden beigemischten Kohle beeinflusste auch_
_die Konzentration der Mikronährstoffe der Maisblätter (Abb. 4). Die Konzent-_
_ration von Kupfer (Cu), zum Beispiel, sank im Vergleich zur Kontrollgruppe_
_deutlich bei Behandlung des Bodens mit allen Kohletypen außer H 2,5, unab-_
_hängig von der Dosis. Das gleiche geschah mit Eisen (Fe); in diesem Fall war_
_die Wirkung der Dosis jedoch signifikant. Die Kontrollpflanzen und die Pflan-_
_zen der Kohle H 2,5 wiesen die höchsten Eisenkonzentrationen auf, während_
_alle anderen Pflanzen, die auf einem mit anderen Kohleproben versetzten Bö-_
_den gewachsen waren, durch eine deutlich niedrigere Eisenkonzentration ge-_
_kennzeichnet waren. Für Mangan (Mn) wurde eine deutliche Verringerung_
_bei der Kohle F 2,5 im Vergleich zur Kohle H 2,5, und für Zink (Zn) eine deut-_
_liche Verringerung bei der Kohle F 5 im Vergleich zur Kontrollgruppe beo-_
_bachtet._
_Zusammengefasst weisen die Ergebnisse vor allem eine Verringerung des Ge-_
_halts an Mg, Cu und Fe infolge des Zusatzes der Kohle zum Boden nach. Es_
_wurden jedoch kein sichtbarer Mangel dieser oder anderer Nährstoffe auf_
_Ebene der Blätter festgestellt und die Biomasse wurde nicht sichtbar reduziert._
_Es scheint daher, dass die vorliegenden Evidenzen einige Studien, die eine_
_positive Wirkung der Anwendung von Kohle in Hinblick auf eine bessere_
_Aufnahme und Nutzungseffizienz von Nährstoffen durch die Pflanze aufzei-_
_gen, nicht eindeutig bestätigen können (Abebe, Endalkachew, Mastawesha, &_
_Gebermedihin, 2012; Prapagdee & Tawinteung, 2017)._

```
Nutzung der Kohle als Bodenverbesserungsmittel:
```

3.3 Wirkung der Kohle auf den pH-Wert des Bodens
_Abbildung5 zeigt den pH-Wert, der im Boden der Kontrollgruppe und in den_
_verschiedenen Wachstumssubstraten festgestellt wurde, auf denen die Mais-_
_pflanzen für fünf Wochen angebaut wurden; diese Substrate wurden durch_
_Mischung des Bodens mit den verschiedenen Konzentrationen der Kohle F, B_
_und H erzielt._
_In der Literatur ist bekannt, dass die beim Vergasungsprozess erreichten ho-_
_hen Temperaturen die physikalischen und chemischen Eigenschaften der er-_
_zeugten Kohle stark beeinflussen (Al-Wabel, Al-Omran, El-Naggar, Nadeem,_
_& Usman, 2013; Zhao, Cao, Mašek, & Zimmerman, 2013). Der pH-Wert ist_
_zum Beispiel generell alkalisch (Lehmann, 2007). Aufgrund dieser Tatsache_
_hat der Zusatz unterschiedlicher Kohleproben zum Boden auch in dieser Stu-_
_die den pH-Wert des Bodens um bis zu zwei Einheiten erhöht (Abb. 5). Die_
_im Boden erreichten Werte sind jedoch noch akzeptabel und riskieren nicht,_
_das optimale Wachstum der Maispflanzen zu beeinträchtigen._

Abb. 5 – pH-Wert des Mittels, das für fünf Wochen als Grundlage für das Wachstum der
Maispflanzen diente. Die Daten stellen die Mittelwerte ± SF (Standardfehler) von fünf unabhängigen
Pflanzen für jede Behandlung dar. Verschiedene Buchstaben stehen für statistisch unterschiedliche
Werte (P < 0,05)

Celletti, Borruso, Valentinuzzi,Basso,Patuzzi, Baratieri, Cesco, Mimmo

3.4 Einfluss der Kohle auf die Keimung von Kressesamen
_Abbildung 6 zeigt die Werte des anhand von Keimtests mit Kressesamen_
_erzielten Keimindex. Dieser Parameter berücksichtigt sowohl die Anzahl der_
_gekeimten Samen als auch die Wurzelverlängerung. Diese Tests wurden_
_durchgeführt, um zu evaluieren, ob es während der Inkubation der Samen in_
_Kontakt mit den wässrigen Extrakten aus den Kohleproben F, B und H_
_Substanzen mit hemmender Wirkung auf die Samenkeimung und die_
_Wurzellänge der Kresse geben könnte._
_Die Ergebnisse haben gezeigt, dass bei den drei Kohleproben im Vergleich zur_
_Kontrollgruppe eine signifikante Verringerung des Keimindex induziert_
_wurde; diese Wirkung war bei der Kohle H besonders evident (Abb. 6). Die_
_Ergebnisse könnten daher zur Annahme veranlassen, dass die wässrigen Koh-_
_leextrakte und somit die Kohleproben selbst potenziell phytotoxische Stoffe_
_enthalten, da sowohl die Art der Biomasse als auch die Prozessparameter der_
_Vergasung zur Bildung von Phytotoxinen im erzeugten Produkt beitragen_
_können (Ndirangu, Liu, Xu, Song, & Zhang, 2019; Tomczyk, Sokołowska, &_
_Boguta, 2020)._

Abb. 6 – Keimindex der Kressesamen, die mit den wässrigen Extrakten der von den Technologien
F, B und H erzeugten Kohle in Berührung kamen. Die Daten stellen die Mittelwerte ± SF
(Standardfehler) von fünf unabhängigen Pflanzen für jede Behandlung dar. Verschiedene
Buchstaben stehen für statistisch unterschiedliche Werte (P < 0,05)

```
Nutzung der Kohle als Bodenverbesserungsmittel:
```

#### 4. Schlussfolgerungen

_Das wichtigste Ziel dieser Arbeit bestand darin, Informationen über die Mög-_
_lichkeit einer Nutzung von Kohle aus Vergasungsprozessen zu landwirt-_
_schaftlichen Zwecken zu erhalten._
_Zu diesem Zweck wurden acht Kohleproben aus Anlagen mit unterschiedli-_
_chen Technologien entnommen (hier aus Gründen der Vertraulichkeit mit_
_Großbuchstaben von A bis H bezeichnet) und untersucht; dabei sollten vor_
_allem ihre potenziellen phytotoxischen Wirkungen im Falle einer Anwendung_
_als Bodenverbesserungsmittel evaluiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass_
_keine Kohle die von der italienischen Gesetzgebung vorgesehenen Grenz-_
_werte vollständig einhält (D. lgs., 29 aprile 2010, n. 75; D. lgs., 3 aprile 2006, n._
_152). Insbesondere überschreiten bei allen Kohleproben die Werte der PAK_
_und der drei Schwermetalle (Cd, Cr und Zn) die gesetzlichen Grenzwerte, un-_
_ter Ausnahme der Kohle der Technologie C, was den PAK-Gehalt anbelangt,_
_und der Kohle der Technologie G, was den Schwermetallgehalt angeht. Das_
_lässt auf die Notwendigkeit schließen, Lösungen für eine Nachbehandlung zu_
_finden._
_Die Ergebnisse der bisher an den Pflanzen durchgeführten Tests weisen da-_
_rauf hin, dass die mit dem Boden vermischten Kohleproben keine offensicht-_
_lichen phytotoxischen Wirkungen auf die Maispflanzen haben. Es müssten je-_
_doch noch weitere Experimente über einen längeren Zeitraum durchgeführt_
_werden, um die hier vorgestellten Ergebnisse bestätigen zu können. Außer-_
_dem wäre es zweckmäßig, den Schwermetall- und PAK-Gehalt der Pflanzen_
_zu untersuchen; im Boden sollten hingegen, ergänzend zu den chemischen_
_Bodeneigenschaften, die verfügbare Nährstofffraktion, die Werte elektrischer_
_Leitfähigkeit und die Werte der Fähigkeit zum Kationenaustausch bestimmt_
_sowie eine Analyse der Mikrobendiversität und -aktivität durchgeführt wer-_
_den. All diese Analysen zusammen könnten zusätzliche Informationen über_
_eine mögliche latente Toxizität der Kohle und ihre Wirkungen auf die Boden-_
_qualität und die Gesundheit der Pflanzen liefern._

Celletti, Borruso, Valentinuzzi,Basso,Patuzzi, Baratieri, Cesco, Mimmo

Literaturverzeichnis

_Abebe, N., Endalkachew, K., Mastawesha, M., & Gebermedihin, A. (2012)._
_Effect of Biochar Application on Soil Properties and Nutrient Uptake of_
_Lettuces (Lactuca sativa) Grown in Chromium Polluted Soils. American-_
_Eurasian Journal of Agricultural & Environmental Sciences,_ [^12]:_(3), 369–376._
_Al-Wabel, M. I., Al-Omran, A., El-Naggar, A. H., Nadeem, M., & Usman, A._
_R. A. (2013). Pyrolysis temperature induced changes in characteristics_
_and chemical composition of biochar produced from conocarpus wastes._
_Bioresource Technology,_ [^131]:_, 374–379. https://doi.org/10.1016/j.biortech._
_2012.12.165_
_Decreto legislativo n. 75 (29 aprile 2010). Riordino e revisione della disciplina_
_in materia di fertilizzanti, a norma dell’articolo 13 della legge 7 luglio_
[^2009]:_. Gazzetta Ufficiale, 88._
_Decreto legislativo, n. 152 (3 aprile 2006). Norme in materia ambientale._
_Gazzetta Ufficiale, 88 - Suppl. Ordinario 96._
_Environmental Protection Agency EPA. (2010). Method 1668C. Chlorinated_
_Biphenyl Congeners in Water, Soil, Sediment, Biosolids, and Tissue by_
_HRGC/HRMS._
_Fuchs, H., & Rienzner, R. (2015). Biomasse legnose: Petrolio verde per il teler-_
_iscaldamento italiano. http://www.fiper.it/fileadmin/user_upload/_
_biblioteca/libroFIPER-biomasse-legnose-petrolio-verde-per-il-_
_teleriscaldamento-italiano.pdf_
_Garcia-Perez, M., & Metcalf, J. (2008). The Formation of Polyaromatic Hydrocar-_
_bons and Dioxins During Pyrolysis: A Review of the Literature with Descrip-_
_tions of Biomass Composition, Fast Pyrolysis Technologies and Thermo-_
_chemical Reactions. Pullman, Washington: Washington State University._
_Gopal, P. M., Sivaram, N. M., & Barik, D. (2018). Paper industry wastes and_
_energy generation from wastes. In Energy from Toxic Organic Waste for_
_Heat and Power Generation(pp. 83–97). https://doi.org/10.1016/B978-_[^0]:_-08-_
_102528-4.00007-9_
_Hansen, V., Müller-Stöver, D., Ahrenfeldt, J., Holm, J. K., Henriksen, U. B., &_
_Hauggaard-Nielsen, H. (2015). Gasification biochar as a valuable by-_
_product for carbon sequestration and soil amendment. Biomass and_
_Bioenergy,_ [^72]:_(1), 300–308. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2014.10.013_
_Hansen, V., Müller-Stöver, D., Imparato, V., Krogh, P. H., Jensen, L. S.,_
_Dolmer, A., & Hauggaard-Nielsen, H. (2017). The effects of straw or_
_straw-derived gasification biochar applications on soil quality and crop_
_productivity: A farm case study. Journal of Environmental Management,_
[^186]:_, 88–95. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2016.10.041_

```
Nutzung der Kohle als Bodenverbesserungsmittel:
```

_Lehmann, J. (2007). Bio-energy in the black. Frontiers in Ecology and the Environ-_
_ment,_ [^5]:_(7), 381–387. https://doi.org/10.1890/1540-9295(2007)5[381:BITB]_
_2.0.CO;2_
_Li, H., Liu, Y., Chen, Y., Wang, S., Wang, M., Xie, T., & Wang, G. (2016)._
_Biochar amendment immobilizes lead in rice paddy soils and reduces_
_its phytoavailability. Scientific Reports,_ [^6]:_, 1–8. https://doi.org/10.1038/_
_srep31616_
_Liu A, Tian D, Xiang Y, M. H. (2016). Biochar Improved Growth of an_
_Important Medicinal Plant (Salvia miltiorrhiza Bunge) and Inhibited its_
_Cadmium Uptake. J Plant Biol Soil Health,_ [^3]:_(2), 6._
_Ndirangu, S. M., Liu, Y., Xu, K., Song, S., & Zhang, P. (2019). Risk Evaluation of_
_Pyrolyzed Biochar from Multiple Wastes. https://doi.org/10.1155/2019/_
_4506314_
_Panwar, N. L., Pawar, A., & Salvi, B. L. (2019). Comprehensive review on_
_production and utilization of biochar. SN Applied Sciences,_ [^1]:_(2), 1–19._
_https://doi.org/10.1007/s42452-_[^019]:_-_[^0172]:_-6_
_Pecchi, M., & Baratieri, M. (2019). Coupling anaerobic digestion with_
_gasification, pyrolysis or hydrothermal carbonization: A review._
_Renewable and Sustainable Energy Reviews,_ [^105]:_, 462–475. https://doi.org/_
_10.1016/j.rser.2019.02.003_
_Prapagdee, S., & Tawinteung, N. (2017). Effects of biochar on enhanced_
_nutrient use efficiency of green bean, Vigna radiata L. Environmental_
_Science and Pollution Research,_ [^24]:_(10), 9460–9467. https://doi.org/_
_10.1007/s11356-_[^017]:_-_[^8]:[^633]:_-1_
_Tomczyk, A., Sokołowska, Z., & Boguta, P. (2020, March). Biochar_
_physicochemical properties: pyrolysis temperature and feedstock kind_
_effects. Reviews in Environmental Science and Biotechnology, 19,_ [^191]:_–215_
_https://doi.org/10.1007/s11157-_[^020]:_-_[^09523]:_-3_
_UNI 10780:1998. Compost - Classificazione, requisiti e modalità di impiego._
_UNI EN 16174:2012. Fanghi, rifiuti organici trattati e suolo - Digestione delle_
_frazioni di elementi solubili in acqua regia._
_UNI EN ISO 16948:2015. Biocombustibili solidi - Determinazione del contenuto_
_totale di carbonio, idrogeno e azoto._
_UNI EN ISO 17294-2:2016. Qualita’ dell’acqua - Applicazione della spettrometria di_
_massa al plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS) - Parte 2: Determina-_
_zione di elementi selezionati, compresi gli isotopi dell’uranio._
_UNI EN ISO 18122:2016. Biocombustibili solidi - Determinazione del contenuto di_
_ceneri._
_Vakalis, S., & Baratieri, M. (2015). State-of-the-Art of Small Scale Biomass_
_Gasifiers in the Region of South Tyrol. Waste and Biomass Valorization,_

Celletti, Borruso, Valentinuzzi,Basso,Patuzzi, Baratieri, Cesco, Mimmo

[^6]:_(5), 817–829. https://doi.org/10.1007/s12649-_[^015]:_-_[^9398]:_-8_
_Waqas, M., Khan, S., Qing, H., Reid, B. J., & Chao, C. (2014). The effects of_
_sewage sludge and sewage sludge biochar on PAHs and potentially_
_toxic element bioaccumulation in Cucumis sativa L. Chemosphere,_ [^105]:_,_
_53–61. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2013.11.064_
_Yasin, M., Cha, M., Chang, I. S., Atiyeh, H. K., Munasinghe, P., & Khanal, S._
_K. (2019). Syngas fermentation into biofuels and biochemicals. In_
_Biomass, Biofuels, Biochemicals: Biofuels: Alternative Feedstocks and_
_Conversion Processes for the Production of Liquid and Gaseous Biofuels (pp._
_301–327). https://doi.org/10.1016/B978-_[^0]:_-_[^12]:_-816856-1.00013-0_
_Zhao, L., Cao, X., Mašek, O., & Zimmerman, A. (2013). Heterogeneity of_
_biochar properties as a function of feedstock sources and production_
_temperatures. Journal of Hazardous Materials,_ [^256]:_–_[^257]:_, 1–9._
_https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2013.04.015_

## Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den

## Boden auf Ertrag und Qualität von Reb- und Obst-

## anlagen in Südtirol

**Valentina Lucchetta – Versuchszentrum Laimburg**
**Barbara Raifer – Versuchszentrum Laimburg**
**Maximilian Lösch – Versuchszentrum Laimburg**
**Aldo Matteazzi – Versuchszentrum Laimburg**
**Christoph Patauner – Versuchszentrum Laimburg**

Abstract
_Die Verwendung von pyrogener Kohle (Biochar) in der Landwirtschaft ist historischen_
_Ursprungs, geriet aber im Laufe der Zeit weitgehend in Vergessenheit. Erst in den letz-_
_ten Jahrzehnten ist die Biokohle, auch als Pflanzenkohle bezeichnet, im englischen Bio-_
_char, wieder stärker ins Blickfeld gerückt. In den Boden eingebrachtes Biochar intera-_
_giert mit diesem, verändert seine chemischen und physikalischen Eigenschaften und_
_kann die Bodenfruchtbarkeit verbessern. In Südtirol sind Holzvergasungsanlagen vor_
_allem zur Wärmeerzeugung in Fernheizwerken im Einsatz, wobei als Nebenprodukt_
_eine beachtliche Menge an Biokohle (1300 t/Jahr) entsteht. Je nach Herkunft und Holz-_
_vergasungsanlagentyp weist diese verschiedene Eigenschaften auf. Sie kann bisher_
_nicht genutzt werden und wird daher auf Deponien entsorgt. Das Projekt "WoodUp",_
_finanziert vom Europäischen Fond für Regionale Entwicklung (EFRE), wurde daher in_
_die Wege geleitet, mit den Zielen dieses lokal hergestellte Biochar zu charakterisieren_
_und seine Eignung für den Einsatz in der Landwirtschaft zu prüfen. Es sollten erste Er-_
_gebnisse zu seiner möglichen Nutzung in der lokalen Landwirtschaft, insbesondere im_
_Obst- und Weinbau ermittelt werden. Letzterer Teil des Projektes wird hier vorgestellt._
_Die Arbeiten haben einige interessante Aspekte der Anwendung von Biochar aufge-_
_zeigt, so die Anreicherung der Böden mit Mineralstoffen, die Anhebung des pH-Wertes_
_und des organischen Kohlenstoffes der Böden, günstige Auswirkungen auf die Baum-_
_entwicklung und die Ertragsleistung im Obstbau, während die Weinqualität unverän-_
_dert geblieben ist. Die Ausbringung von reinem Biochar oder von mit Kompost ange-_

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

_reichertem Biochar in Rebanlagen, ohne weitere Stickstoffdüngung, hat die Stickstoff-_
_verfügbarkeit der Böden nicht signifikant verändert. Auch auf die vegetative Entwick-_
_lung, die Höhe der Erträge und die Qualität der Weine, waren keine Auswirkungen_
_feststellbar. Biochar kann somit im Weinbau genutzt werden, etwa zur Anhebung des_
_Boden pH-Wertes, zur Verbesserung der Wasserspeicherkapazität der Böden oder um_
_Kohlenstoff im Boden langfristig festzulegen, ohne dass dadurch negative Auswirkun-_
_gen auf die Ertragshöhe oder die Qualität der Trauben und Weine zu befürchten wären._
_Im Obstbau hingegen konnten, trotz der bereits weitgehend optimierten Anbaubedin-_
_gungen, positive Auswirkungen auf die vegetative Entwicklung der Bäume und höhere_
_Erträge durch den Einsatz von Biochar festgestellt werden. Im Boden der Apfelanlage_
_wurde eine höhere Stickstoff- und Wasserverfügbarkeit als in den Rebanlagen ange-_
_strebt, es wurde regelmäßig gedüngt und bewässert. Das Biochar dürft unter diesen_
_Bedingungen, durch sein hohes Speichervermögen, zu einer ausgeglicheneren Versor-_
_gung der Bäume beigetragen haben._

#### 1. Einleitung

_Biochar wird durch Pyrolyse aus pflanzlicher Biomasse gewonnen und ist_
_reich an Kohlenstoff. Wird es in den Boden eingearbeitet, kann es die Erträge_
_steigern, die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Böden verbes-_
_sern und nicht zuletzt auch das Wasserspeichervermögen der Böden erhöhen_
_(Lehmann e Joseph, 2009). Diese Eigenschaften machen Biochar zu einem sehr_
_interessanten Produkt für die Landwirtschaft, da die höheren Temperaturen_
_und die ausgeprägteren Trockenphasen infolge der Klimaänderung den Ab-_
_bau der organischen Substanz in den Böden beschleunigen und die Boden-_
_fruchtbarkeit beeinträchtigen (Kirschbaum, 1995). Es werden daher auch in_
_Europa in den nächsten Jahrzehnten zunehmend sinkende Erträge in der_
_Landwirtschaft vorhergesagt (Cammarano, 2019; Ray, 2019). Über den An-_
_stieg der Temperaturen hinaus, ist infolge der Klimaänderung ein Anstieg_
_extremer Klimaereignisse zu erwarten, sowie in der Folge eine höhere Boden-_
_erosion, welche sich zusätzlich negativ auf die Fruchtbarkeit und die Produk-_
_tivität der Kulturen auswirken wird. Die Nutzung von Biochar zur Bodenver-_
_besserung könnte daher in Zukunft an Bedeutung gewinnen und wesentlich_

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

_dazu beitragen die Fruchtbarkeit der Böden weiterhin zu sichern. Zudem ist_
_Biochar von großem Interesse, da es Kohlenstoff langfristig festzulegen vermag:_
_Tatsächlich wird etwa 50 % des Kohlenstoffes im Ausgangsmaterial bei der_
_Herstellung von Biochar mittels Pyrolyse, durch die Bildung stabiler Strukturen_
_langfristig, für mindestens 100 Jahre und zum Teil auch sehr viel länger, gebun-_
_den. Bei der Verbrennung derselben organischen Ausgangsmasse oder beim bi-_
_ologischen Abbau, würden nur 3–10 % längerfristig festgelegt. Unmittelbar bei_
_der Verbrennung wird der in der organischen Masse enthaltene Kohlenstoff_
_größtenteils freigesetzt. Beim biologischen Abbau erfolgt die Freisetzung des_
_Kohlenstoffes in einem Zeitraum von drei bis zehn Jahren (Lehmann et al.,_
_2006). Biochar kann weiters mineralischen Stickstoff um bis zu 70 % verbessert_
_festlegen (Sánchez-García et al. 2015; Steiner et al., 2010; Ventura et al. 2013) und_
_die verfügbaren Ammoniumionen für die Nitrifizierungsprozesse reduzieren_
_(Clough et al., 2010; Taghizadeh-Toosi et al., 2012)._
_Biochar trägt also dazu bei, den in Kulturen ausgebrachten Stickstoff vermehrt_
_den Pflanzen zur Verfügung zu stellen und reduziert den Teil, der ausgewa-_
_schen wird oder als N2O in die Atmosphäre entweicht und dadurch den_
_Treibhauseffekt weiter anheizt. Aus diesen Gründen bietet sich Biochar als_
_eine neue Möglichkeit an, um signifikant und langfristig die CO2 Konzentra-_
_tion der Atmosphäre und die anderer Treibhausgase zu senken. Dabei ist es_
_allerdings wenig sinnvoll Biochar über lange Transportwege und mit hohem_
_Energieaufwand zu transportieren. Vielmehr gilt es vor Ort, aus lokal vor-_
_handen Ausgangsmaterialien qualitativ hochwertiges Char zu erzeugen und_
_eventuell bereits vorhandene Produkte wie eben das Biochar aus den in Südti-_
_rol bereits vorhandenen Holzvergasungsanlagen, bestmöglich zu nutzen. Zu_
_untersuchen, wieweit letzteres in der Südtiroler Landwirtschaft möglich und_
_sinnvoll ist, ist das Ziel des vorliegenden Projektes._

1.1 Auswirkungen des Einsatzes von Biochar in Reb- und
Obstanlagen
_In Rebanlagen ist eine mäßige, aber ausreichende Versorgung mit Wasser und_
_Stickstoff von großer Bedeutung, um das Gleichgewicht zwischen vegetativer_
_und generativer Entwicklung der Reben aufrecht zu erhalten und die optima-_
_le Versorgung der Trauben zu gewährleisten. In Jahren mit extremen Klimasi-_

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

_tuationen werden bereits jetzt im Weinbau die angestrebten Erträge vielfach_
_nicht mehr erreicht. Um zu lange anhaltende Trockenphasen zu vermeiden,_
_wird, wo es möglich ist, die Zusatzbewässerung eingesetzt. Aber Wasser für_
_künstliche Bewässerung ist nicht überall vorhanden und dürfte in Zukunft_
_noch knapper werden. Die Verwendung von Biochar könnte daher bereits_
_jetzt dort angezeigt sein, wo das Aufkommen von intensivem Trockenstress_
_zu erwarten ist, wo bereits jetzt die Bodenfruchtbarkeit nur schwer aufrecht-_
_erhalten werden kann und die angestrebten Erträge nicht mehr erzielt wer-_
_den. Zuvor gilt es aber abzuklären, ob und welche Auswirkungen diese Praxis_
_auf die Weinqualität hat. Es gilt z.B. zu klären, was in feuchten Jahren mit_
_überdurchschnittlich hohen Niederschlägen passiert, ob in solchen Fällen ne-_
_gative Auswirkungen infolge des Einsatzes von Biochar auftreten können, vor_
_allem ob sich die Weinqualität dabei in irgendeiner Weise verändert. Schmidt_
_et al. (2014) haben festgestellt, dass Biocharanwendungen, mit und ohne_
_Kompostanreicherung das Wachstum von Ertragsrebanlagen nicht beeinflusst_
_und dass auch keine Auswirkungen auf die Qualitätsparameter der Moste er-_
_kennbar waren. Holweg (_[^2]:_019) hat erhöhte hefeverfügbare Stickstoffgehalte_
_festgestellt, in Trauben aus mit Biochar angereicherten Parzellen; ein ausrei-_
_chender Gehalt an hefeverfügbarem Stickstoff erleichtert die Gärung und_
_stellt Bausteine für den Aufbau von Aromastoffen zur Verfügung. Die Einar-_
_beitung von Biochar in den Boden brachte laut Ergebnissen von Genesio et al._
_(2015) in der Toskana deutlich bessere Erträge in Jahren mit anhaltenden Tro-_
_ckenperioden und in Anlagen ohne Bewässerungsmöglichkeit. Dabei hatten_
_die Qualitätsparameter der Trauben sich nicht verschlechtert. In Hanglagen_
_trägt die Einarbeitung von Biochar zur Erosionsminderung bei, verhindert das_
_Entstehen von Wasserrinnen und mindert die Auswaschung von Nährstoffen_
_und von phytosanitären Anwendungen (Blackwell, 2000). Ergebnisse zu den_
_Auswirkungen von Biochar auf die Weinqualität liegen aber bisher nicht vor._
_In den Obstanlagen stellt eventuell vorhandene Bodenmüdigkeit beim Erneu-_
_ern der Anlagen eine zunehmende Beeinträchtigung dar. Vor allem in mit_
_Hagelnetzen ausgestatteten Anlagen erfolgt der Anbau häufig langfristig im_
_selben Bodenbereich, da das Netz, bzw. das Stützgerüst für das Netz, bei noch_
_gutem Zustand, nicht mit erneuert wird. Die Bäume werden wieder auf dem_
_alten Baumstreifen ausgepflanzt. Bisherige Versuche mit Biochar im Apfelan-_

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

_bau zeigen unterschiedliche Ergebnisse: Laut Wang et al. (2019), ist der Ein-_
_satz von Biochar gerade bei Nachbauproblemen sehr vorteilhaft, das Wachs-_
_tum der Jungbäume wird verbessert und auch die Mikroorganismenpopulati-_
_on des Bodens wird günstig beeinflusst. Versuche von Eyles et al. (2015) hat-_
_ten allerdings ergeben, dass in „hight imput systems“ wie es die heutigen Ap-_
_felanlagen sind, der Einsatz von Kompost oder Biochar keine zusätzlichen po-_
_sitiven Auswirkungen bringen würde._

1.2 Ziele der Versuche
_Die hier vorgestellten Versuche hatten zum Ziel erste Ergebnisse zur Anwen-_
_dung von Biochar in Reb- und Obstanlagen in Südtirol zu gewinnen. Im_
_Weinbau sollten insbesondere die Auswirkung auf die Trauben- und Wein-_
_qualität geprüft werden, um abzuklären ob diesbezüglich negative Effekte be-_
_obachtet werden können. Gegebenenfalls wäre der Einsatz von Biochar im_
_Qualitätsweinbau nicht oder nur sehr begrenzt zu empfehlen._
_Im Obstbau wurde der Versuch in einer Apfeljunganlage durchgeführt, da_
_Nachbauprobleme infolge von Bodenmüdigkeit nach wie nicht zufriedenstel-_
_lend gut überwunden werden können. Biochar mit seinen günstigen Auswir-_
_kungen auf die Bodenfruchtbarkeit im Allgemeinen könnte, so die Annahme,_
_auch in diesem Zusammenhang ein geeignetes Mittel sein. Weiters kann beim_
_begrenzten Wurzelsystem des Apfels auf M9 Unterlage, nur im Zuge von_
_Neuanpflanzungen das Char direkt in den Wurzelbereich der Bäume einge-_
_bracht werden. Es sollten vor allem die Auswirkungen auf die Entwicklung_
_der Bäume und die Erträge in den ersten Standjahren erfasst werden._
_Ein weiteres Ziel war es zu ermitteln, ob in Rebanlagen die Anwendung von_
_angereichertem Biochar mit Kompost oder anderem, wie dies teilweise vorge-_
_schlagen wird (Kammann et al., 2015) erforderlich ist oder ob in Rebanlagen_
_auch reines Biochar ohne negative Auswirkungen zur Anwendung kommen_
_kann. Letzteres wäre weit weniger aufwändig. Weiters wurden in den Reban-_
_lagen zwei unterschiedliche Dosierungen geprüft, um erste Hinweise auf die_
_optimale Anwendungsmenge geben zu können._

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

#### 2. Materialien und Methoden

2.1 Versuchsstandorte

Abb. 1 – Südtirolkarte mit den Versuchsstandorten

_Die Rebversuchsanlagen Moarhof (1) und Weißplatter (2) befinden sich in den_
_Hanglagen in der Nähe der Stadt Meran; die Apfelneuanlage (3) befindet sich_
_in der Etschtalsohle in der Nähe des Versuchszentrums Laimburg, Gemeinde_
_Pfatten (Abb. 1). In Tabelle 1 sind einige grundlegende Informationen zu den_
_Versuchsanlagen zusammengefasst. Die Kürzel der Versuchsvarianten wer-_
_den nachfolgend, bei den Abbildungen der Versuchspläne (Abb._ [^2]:_–4) erklärt._
_Alle Versuche wurden als randomisierte Blöcke mit 4 Wiederholungen ange-_
_legt._

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

```
B1 6 C 5 B1C 4 B2 3 N 2 B2C 1
```

```
B2 7 N 8 B2C 9 B1 10 C 11 B1C 12
```

```
C 18 B2C 17 B1 16 B2 15 B1C 14 N 13
```

```
N 19 B2 20 B1C 21 B2C 22 C 23 B1 24
```

Tabelle [^1]: – Grundlegende Angaben zu den Versuchsanlagen

```
Anlage Ort Koordinaten Höhe
(m ü.d.M.)
```

```
Art
und Sorte
```

```
Behand-
lungen
```

```
Wiederh.
```

1. Moarhof Meran 46°40'2.7"N
11°11'43.5"E

```
~600 m Vitis vinifera cv.
Müller Thurgau
```

```
N – C – B1 – B2
```

– B1C – B2C

```
4
```

2. WeißplatterMeran 46°39'17.27"N
11°11'28.49"E

```
~550 m Vitis vinifera cv.
Sauvignon Blanc
```

```
N – C – B1 – B2
```

– B1C – B2C

```
4
```

3. Block 65 Laimburg 46°23'23.16"N
11°17'29.74"E

```
~225 m Malus domestica
cv. Pink Lady
```

```
N – C – BC 4
```

```
N Kontrolle unbehandelt
C Kompost, 3,9 kg/m² Standraum der Rebe
B1 Biochar, 2,5 kg/m² Standraum der Rebe
B2 Biochar, 5 kg/m² Standraum der Rebe
B1C Biochar, 2,5 kg/m² + Kompost, 3,9 kg/m² Standraum der Rebe
B2C Biochar, 5 kg/m² + Kompost, 3,9 kg/m² Standraum der Rebe
```

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

```
N Kontrolle unbehandelt
C Kompost, 3,9 kg/m Rebreihe
B1 Biochar, 2,5 kg/m Rebreihe
B2 Biochar, 5 kg/m Rebreihe
B1C Biochar, 2,5kg/m + Kompost, 3,9 kg/m Rebreihe
B2C Biochar, 5 kg/m + Kompost, 3,9 kg/m Rebreihe
```

```
Abb. 3 – Versuchsplan Anlage Weißplatter
```

```
B1 N B2 B1C
25 31 37 43
B1C B1C C N
26 32 38 44
C C B2C B2
27 33 45
B2 B2C B1 B2C
28 34 40 46
B2C B2 N C
29 35 41 47
N B1 B1C B1
30 36 42 48
```

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

_* Die weiteren Varianten im Versuch betreffen andere Produkte zur Verbesserung des_
_Anwuchses und der Entwicklung der Jungbäume auf die hier nicht eingegangen wird_

Abb. 4 – Versuchsplan Block 65

```
N Kontrolle unbehandelt
C Kompost, 1,8 kg/Pflanzloch
BC Biochar,1 kg + Kompost, 1,8 kg/Pflanzloch
```

2.2 Versuche
_Das im Versuch verwendete Biochar kommt aus einer Holzvergasungsanlage_
_in den Marken (Novolegno, Italien) und wurde angekauft, da auf lokaler Ebe-_
_ne kein geeignetes Produkt verfügbar war. Es handelte sich um ein Neben-_
_produkt aus der Holzvergasung welches sehr feinkörnig bis pulverförmig war_
_und dessen chemische Eigenschaften in Tabelle 2 ersichtlich sind. Der Kom-_
_post wurde vom Kompostieranlage St. Florian/Neumarkt in Südtirol bezogen._
_Bei den Versuchen in den Rebanlagen wurden zwei Dosierungen des Biochars_

```
A B C D
```

```
10 4 3 6
9 8 2 9
8 1 10 4
7 3 8 1
6 9 7 5
5 10 1 2
4 5 6 8
3 2 5 7
2 6 9 10
1 7 4 3
```

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

_eingesetzt und zwar 2,5 (Biochar 1) und 5,0 kg (Biochar 2) des Biochars pro m²_
_Standraum der Reben in der Anlage Moarhof bzw. pro Laufmeter Rebreihe in_
_der Anlage Weißplatter. Diese Dosierungen wurden sowohl als reines Biochar_
_als auch in Mischung mit Kompost, mit jeweils 3,9 kg/m² Standraum der Re-_
_ben bzw. pro Laufmeter der Rebzeile, ausgebracht. Die Dosierung des Kom-_
_posts blieb somit immer gleich. In der Apfelneuanlage wurde nur eine Dosie-_
_rung Biochar von einem kg mit jeweils 1,8 kg Kompost vermischt, pro Pflanz-_
_loch ausgebracht. Dies im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle und zur Va-_
_riante Kompost, bei der nur die 1,8 kg Kompost pro Pflanzloch ausgebracht_
_wurden. Die Mischungen Kompost mit Biochar in den zwei Dosierungen_
_wurden zwei Wochen vor der Ausbringung mit einem Kleinbagger herge-_
_stellt. Die auszubringenden Mengen wurde ausgelitert und entsprechende Vo-_
_lumen des Biochars und des Komposts, bzw. der jeweiligen Mischungen,_
_wurden laut Versuchsplan in den einzelnen Versuchsparzellen ausgebracht_
_und möglichst gleichmäßig verteilt. Die Tabelle 3 zeigt die C: N-Verhältnisse_
_der im Versuch verwendeten Bodenzusätze auf._

Tabelle [^2]: – Eigenschaften des verwendeten Biochars

```
Parameter Ermittlung/
Extraktion
```

```
Wert Einheit Methode
```

```
pH CaCl2 9,6 1
N 0,1 % m/m 2
NO3-N Wasser < 0,1 % m/m 3
NH4-N Wasser < 0,1 % m/m 3
P2O5 Säuren 0,3 % m/m 4
P2O5 Wasser < 0,1 % m/m 4
K2O Säuren 3,5 % m/m 4
K2O Wasser 3,5 % m/m 4
CaO Säuren 4,2 % m/m 4
Cao Wasser < 0,1 % m/m 4
```

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

_MgO Säuren 0,8 % m/m 4_

_MgO Wasser < 0,1 % m/m 4_

_B Säuren < 0,1 % m/m 4_

_B Wasser < 0,1 % m/m 4_

_Fe Säuren 0,06 % m/m 4_

_Fe Wasser < 0,1 % m/m 4_

_Mn Säuren 0,04 % m/m 4_

_Mn Wasser < 0,1 % m/m 4_

_Cu Säuren < 0,1 % m/m 4_

_Cu Wasser < 0,1 % m/m 4_

_Zn Säuren < 0,1 % m/m 4_

_Zn Wasser < 0,1 % m/m 4_

_Na2O Säuren 0,12 % m/m 4_

_Na2O Wasser 0,12 < 0,1 4_

_Fe Mikrowellenauf-_
_schluss mit KW_

```
0,63 g/kg FM 5
```

_Al Mikrowellenauf-_
_schluss mit KW_

```
0,54 g/kg FM 5
```

_Mn Mikrowellenauf-_
_schluss mit KW_

```
358,34 mg/kg FM 5
```

_Cu Mikrowellenauf-_
_schluss mit KW_

```
19,38 mg/kg FM 5
```

_Zn Mikrowellenauf-_
_schluss mit KW_

```
68,58 mg/kg FM 5
```

_Cr Mikrowellenauf-_
_schluss mit KW_

```
6,57 mg/kg FM 5
```

_Ni Mikrowellenauf-_
_schluss mit KW_

```
6,12 mg/kg FM 5
```

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

```
Pb Mikrowellenauf-
schluss mit KW
```

```
5,65 mg/kg FM 5
```

```
Co Mikrowellenauf-
schluss mit KW
```

```
0,75 mg/kg FM 5
```

```
Hg Mikrowellenauf-
schluss mit KW
```

```
0,029 mg/kg FM 6
```

```
Cd Mikrowellenauf-
schluss mit KW
```

```
1,112 mg/kg FM 5
```

```
As Mikrowellenauf-
schluss mit KW
```

```
< 0,1 mg/kg FM 7
```

```
Trockenmasse 33,4 % 8
Feuchtigkeit 66,6 % 8
Asche 13,4 % FM 9
Organische Substanz 20 % FM 8
Salze (KCL) Wasser 3106 mg/100g 10
```

```
Methode Legende
1 DIN EN 15933:2012
2 Reg. CEE n. 2003 del 13.10.2003, Bestimmung mit Elementaranalysator
3 Reg. CEE n. 2003 del 13.10.2003, Bestimmung mit AutoAnalyzer
4 Reg. CEE n. 2003 del 13.10.2003, Bestimmung mit ICP-OES
5 Mikrowellenaufschluss mit Königswasser, Bestimmung mit ICP-OES
6 EPA 7473:2007
7 Mikrowellenaufschluss mit Königswasser, Bestimmung mit ICP-MS
8 VDLUFA Methodenbuch I A 2.1.1
9 VDLUFA Methodenbuch I A 15.2
10 VDLUFA Methodenbuch I A 10.1.1
```

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

Tabelle [^3]: – Errechnete C:N Verhältnisse von Biochar, Kompost und
den Mischungen

```
Bodenzusätze C:N-Verhältnis
Biochar 145
Biochar 2,5 kg + Kompost 3,9 kg 24
```

```
Biochar 5 kg + Kompost 3,9 kg 46
Kompost 13
```

_In den einzelnen Anlagen wurde wie folgt vorgegangen:_

2.2.1 Moarhof – Versuchsbeginn 2017
_Es handelt sich um eine Ertragsanlage der Sorte Müller-Thurgau, welche 2007_
_ausgepflanzt worden ist. Als Rebunterlage wurde SO4 verwendet. Beim Bo-_
_den der Anlage handelt es sich um einen humosen, lehmigen Sand mit einem_
_pH-Wert von 6,3 und einem Gehalt an organischer Substanz in den obersten_
_30 cm Boden zwischen 2,5 und 3%. Das Biochar, der Kompost und die_
_Mischungen wurden mit einem Scheibenpflug und mit einer Kreiselegge in_
_den Fahrgassen etwa in die obersten 30 cm Boden eingearbeitet, die Kontrolle_
_wurde auch gleich bearbeitet obwohl dort nichts ausgebracht worden war._
_Dies, um einheitliche Ausgangsbedingungen zu gewährleisten. Die einzelne_
_Versuchsparzelle bestand aus zwei Rebreihen zu je 2 x 10 Reben; insgesamt_
_wurden also pro Versuchsvariante 80 Reben behandelt (Abb. 5)._

Abb. 5 – Ausbringung des Biochars und der Mischungen: Je nach Ausbringmenge an
Biochar sind im Bild leichte farbliche Abstufungen zu erkennen.

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

2.2.2 Weißplatter – Versuchsbeginn 2017
_Beim Boden dieser Anlage handelt es sich um einen lehmigen Sand, mit einem_
_Gehalt an organischer Substanz um 2,5% und einem pH-Wert von 6,1. Die Re-_
_banlage wurde 2017 neu gepflanzt. Unmittelbar vor dem Pflanzen der Reben_
_wurde im Bereich der Rebzeile das Biochar, der Kompost und die Mischungen_
_mit einem Kleinbagger etwa in die obersten 60 cm Boden eingearbeitet_
_(Abb. 6). Dann wurden Pfropfreben der Sorte Weißer Sauvignon auf der_
_Unterlage SO4 ausgepflanzt. Die einzelnen Parzellen bestehen aus jeweils 12_
_Reben._

Abb. 6 – Das Ausbringen und Einarbeiten des Biochars, des Komposts und der Mischungen im
Pflanzstreifen vor dem Pflanzen der Reben.
_Der Versuch in der Apfelneuanlage wurde in Zusammenarbeit mit dem Fach-_
_bereich Obstbau des Versuchszentrums Laimburg durchgeführt und in einen_
_Versuch zu organischen Düngern für Apfelneuanlagen integriert. Beim Boden_
_der Versuchsanlage handelt es sich um einen sandigen Schluff mit einem_
_Humusgehalt von 1,7%, einem sehr hohen Karbonatgehalt und einem pH-_
_Wert von 7,4. Die Bodenzusatzstoffe wurden vor dem Pflanzen der Jungbäu-_
_me in den Bereich der Pflanzgrube eingebracht und leicht mit Erde durch-_
_mengt. Dann wurden die Bäume der Sorte Pink Lady, Klon Rosy Glow, vere-_
_delt auf M9 (Abb. 7) gepflanzt. Jede Wiederholung bestand aus 8 Bäumen._

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

Abb. 7 – Bilder aus dem 1. und 2. Standjahr der Versuchsanlage Block 65

_Nach der Versuchsanlegung wurden die Versuchsanlagen einheitlich und ge-_
_bietsüblich bewirtschaftet. Die Rebanlagen wurden in den drei Versuchsjah-_
_ren weder gedüngt noch bewässert, da eine ausreichend gute Versorgungsitu-_
_ation gegeben war und ausreichendes Wachstum und Erträge erzielt wurden._
_Auch traten im Versuchszeitraum keine ausgeprägten Trockenperioden auf,_
_so dass keine Bewässerung notwendig gewesen wäre. Die Obstanlage hinge-_
_gen wurde jährlich moderat gedüngt, entsprechend den Vorgaben der inte-_
_grierten Produktion und auch regelmäßig bewässert._

2.3 Erhebungen/Analysen
_In den Versuchsanlagen wurden folgende Arbeiten ausgeführt: die phänolo-_
_gischen Stadien wurden erhoben, Proben der Versuchsvarianten für Boden- und_
_Blattanalysen wurden entnommen, die Anzahl Trauben für die Ermittlung des_
_Fruchtansatzes wurde gezählt, weiters wurden Reifetests zur Ermittlung der_
_Reifeentwicklung und der Inhaltsstoffe der Trauben der einzelnen Versuchsva-_
_rianten durchgeführt, Zur Ernte wurden die Traubenerträge der einzelnen Par-_
_zellen ermittelt und schließlich wurde auch das Schnittholzgewicht erhoben._

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

_Um die Auswirkungen der einzelnen Bodenzusatzstoffe auf die Qualität der_
_Weine ermitteln zu können, wurden Mikrovinifikationen der Trauben aller_
_Versuchsvarianten der Ertragsanlage Moarhof in allen drei Versuchsjahren,_
_sowie Verkostungen der Versuchsweine durchgeführt._
_Die Boden- und Blattanalysen wurden nach der Methode des VDLUFA (Ver-_
_band der Landwirtschaftlichen Untersuchungs- und Forschungsanstalten_
_(LUFA) und andere Untersuchungs- und Forschungseinrichtungen) durchge-_
_führt: Stickstoff wurde nach Dumas (DIN EN ISO 16634--1:2009) ermittelt, die_
_anderen Elemente nach ICP--OES (EPA 3052:1996 + EPA 6010D:2018)._
_Im Detail wurde wie folgt vorgegangen:_

i) Bodenanalysen
_Die Bodenproben wurden nach der Blüte und nach der Ernte durchgeführt. Mit_
_Handbohrer wurden Einstiche in zwei Tiefen, von 0–30 cm und von_
_30–60 cm durchgeführt, jeweils in den behandelten Bodenbereich. Pro Parzelle_
_wurden etwa 10 Einstiche vorgenommen, verteilt über die gesamte Parzelle, an-_
_schließend wurden die Bodenproben gut durchmischt und mit einem 2 mm Sieb_
_gesiebt. Die weitere Verarbeitung erfolgte nach den oben angegebenen Metho-_
_den seitens des Labors für Agrarchemie und Lebensmittelqualität am Versuchs-_
_zentrum Laimburg. Folgende Makroelemente wurden ermittelt: Mineralisierter_
_Stickstoff (Nmin), Organischer Kohlenstoff (Corg), Phosphor (P2O5), Kalium_
_(K2O), Magnesium (Mg) und weiters folgende Mikroelemente: Bor (B), Mangan_
_(Mn), Kupfer (Cu), Zink (Zn)._

ii) Blattanalysen
_Blattproben für Blattanalysen wurden jedes Jahr zweimal, zur Blüte und zu_
_Reifebeginn, durchgeführt. Dabei wurden jeweils 30 Blätter, welche gegen-_
_über einem Fruchtansatz inseriert waren, entnommen. Die Blattstiele wurden_
_entfernt, die Blattspreiten gewaschen und anschließend bei 65 °C für 12 Stun-_
_den getrocknet. Folgende Makroelemente wurden ermittelt: Stickstoff (N),_
_Phosphor (P), Kalium (K), Calzium (Ca), Magnesium (Mg) und weiters fol-_
_gende Mikroelemente: Bor (B), Mangan (Mn), Kupfer (Cu), Zink (Zn). Die_
_Analysen wurden im Labor für Agrarchemie und Lebensmittelqualität am_
_Versuchszentrum Laimburg ausgeführt._

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

iii) Reifetest
_Ab Reifebeginn wurde die Reifeentwicklung der Beeren durch periodische Rei-_
_fetests ermittelt. Dazu wurden aus jeder Parzelle 120 Beeren gleichmäßig aus_
_den oberen, mittleren und unteren Traubenteilen entnommen, das Gewicht der_
_Beeren wurde ermittelt, dann wurden die Beeren abgepresst und der Most zent-_
_rifugiert und gefiltert (5μm Spritzen-Scheibenfilter). Schliesslich wurden die_
_Moste im Weinlabor am Versuchszentrum Laimburg mittels FT--IR nach RESO-_
_LUTION OIV/OENO 390/2010 (FOSS®, WineScan™, SO2 der Weine nach der_
_Kalibrierung am Versuchszentrum Laimburg) analysiert. Die ermittelten Zu-_
_cker- und Säuregehalte wurden zur Bestimmung des Erntetermines herangezo-_
_gen._

_Analysierte Parameter:_
_zr reduzierende Zucker (g/l)_
_K Kalium (g/l)_
_KMW Grad Klosterneuburger Mostwaage_
_HVS hefeverwertbarer Stickstoff (mg/l)_
_pH pH_
_ami Aminostickstoff (mg/l)_
_at Gesamtsäure (g/l)_
_amo Ammoniumstickstoff (mg/l)_
_as Apfelsäure (g/l)_
_agl Gluconsäure (g/l)_
_ws Weinsäure (g/l)_

iv) Ertrag
Weinanlagen
_Im Sommer, vor Ausdünnungsarbeiten, waren alle Trauben je Stock gezählt_
_worden. Zur Ernte wurden alle Trauben der einzelnen Versuchsparzellen se-_
_parat geerntet und mit einer tragbaren Bodenwaage gewogen._
Apfelanlage
_Die Äpfel jeden Baumes wurden separat geerntet und dann über eine Sor-_
_tiermaschine ausgewertet. Es handelt sich dabei um die Sortiermaschine_
_Aweta mit mechanischer Gewichtserfassung, sowie der Farb- und Größen-_
_ermittlung der Früchte mittels der Bildverarbeitung PowerVision._

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

v) Wachstum
Rebanlagen
_Nach der Ernte, im November wurde das einjährige Schnittholz der einzelnen_
_Versuchsparzellen erfasst, als Maß für die Wüchsigkeit der Reben._
Apfelanlage
_Das vegetative Wachstum der Bäume wurde durch Ermittlung der Länge aller_
_Jahrestriebe von über 5 cm Länge erfasst, die Stammdurchmesser der Bäume_
_wurden mit einem elektronischen Messgerät ermittelt, etwa 1 m über dem_
_Boden._

vi) Mikrovinifikation
_Die Trauben der vier Feldwiederholungen wurden zu zwei Wiederholungen_
_für den Weinausbau zusammengelegt, in den Versuchskeller am Versuchs-_
_zentrum Laimburg gebracht und dort, nach einem standardisierten Protokoll,_
_vinifiziert. Es wurde keine Maischestandzeit mit den Trauben durchgeführt_
_und wie folgt verfahren. Die Trauben wurden mit einer Abbeermaschine des_
_Typs CMA Lugana 1R (Stundenleistung 4-_[^6]: _t/h) nach Entnahme der Stachel-_
_walze gequetscht aber nicht abgebeert. Die gequetschten Trauben wurden_
_samt Stielgerüst in einer Membranpresse des Typs 100 L EuroPressT1 – Schar-_
_fenberger mit 2 x 1 bar + 2 x 2 bar entsaftet (10 min je Druckphase)._
_Die Schwefelung mit 20 mg/L Kaliummetadisulfit (E 224) erfolgte direkt in_
_Saftablauf. In der Folge wurde der Most in 34 L Glasballon gefüllt. Der Most_
_wurde für 20 Stunden bei 4 °C statisch entschleimt. Im Anschluss wurde der_
_klare Überstand abgezogen und der Entschleimungstrub entfernt. Der Most_
_wurde auf 22 °C erwärmt und je Ausbauwiederholung eine Mostprobe ent-_
_nommen um diese auf Mostgewicht, pH-Wert, Gesamtsäure und hefever-_
_wertbarem Stickstoff zu untersuchen. Es wurden Trockenreinzuchtefe der Art_
_Saccharomyces Cerevisiae Var. Cerevisiae nach Herstellerangaben rehydriert_
_und der Most damit inokuliert. Das Gärsalz wurde in Form von reinem Di-_
_ammoniumphosphat (DAP) dazugegeben in zwei Gaben aufgeteilt (40 g/hl im_
_Moment der Beimpfung + 20 g/hl DAP drei Tage nach Gärstart). Die alkoholi-_
_sche Gärung erfolgte bei konstanten 20,5 °C über regulierte Raumtemperatur._
_Der Abstich erfolgte bei Gärungsstillstand bzw. bei Restzuckergehalt < 4,0 g/l._
_Der 1. Abstich erfolgte unbelüftend mit Schwefelung (E 224) von 30 mg/l._

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

_Es erfolgte eine kurzzeitige Lagerung in der Kühlzelle bei 4 °C für ca. 10 Tage_
_und anschließend nach einem weiteren Abzug bei einer Temperatur zwischen_
_14 und 18 °C. Während der Weinlagerung wurde ein Gehalt an freier schwefe-_
_liger Säure von 25 mg/l eingestellt und überwacht. Die Füllung erfolgte in 0,5 l_
_Glasflaschen nach unmittelbar vorhergehender Vor-, Blank- und Sterilfiltration_
_(0,45 μm)._
_Die Verkostungen wurden mit einem Verkosterpanel bestehend aus Laimburg_
_internen, geschulten Verkostern und aus externen Experten durchgeführt. Es_
_wurden jeweils 16 Weine blind verkostet, da 4 Weine doppelt zur Verkostung_
_gereicht wurden, um die Fähigkeit der einzelnen Koster gleiche Weine auch_
_wieder ähnlich einzustufen und somit die Zuverlässigkeit ihrer Bewertungen,_
_zu prüfen._

vii) Entwicklung des Wurzelsystems
_In der Anlage Moarhof wurden Grabungen im mit Biochar angereichertem Bo-_
_denbereich durchgeführt, um zu prüfen, ob die Reben diesen Bereich durch-_
_wurzelt oder ob sie den mit Biochar angereicherten Boden eher gemieden_
_haben._

#### 3. Ergebnisse

3.1 Moarhof
i) Bodenanalysen
_Die pH-Werte (Abb. 8) sind in den mit Biochar angereicherten Parzellen signi-_
_fikant höher, mit einem leichten Unterschied zwischen den beiden Dosierun-_
_gen. Erstaunlicherweise treten diese Unterschiede auch in den Unterböden_
_auf, dies obwohl die Einarbeitung im Versuch am Moarhof nur in den_
_Oberboden erfolgt ist._

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

Abb. 8 – pH-Werte im Ober- und Unterboden der Versuchsvarianten in den drei Versuchsjahren:
Die Asteriske markieren signifikante Unterschiede der Versuchsvarianten im Vergleich zur unbe-
handelten Kontrolle ( p<0,05), (N = unbehandelte Kontrolle).

_Die Nmin-Werte, also der pflanzenverfügbare Stickstoff (Abb. 9) zeigte keine_
_signifikanten Unterschiede zwischen den Versuchsbehandlungen und der Kon-_
_trolle auf, ausgenommen im Jahre 2018, in der Variante B2. Etwas höhere Nmin-_
_Werte waren im ersten Versuchsjahr 2017 gegeben, dies infolge der Bodenbear-_
_beitung zur Einbringung des Chars (die Bodenbearbeitung wurde in allen Par-_
_zellen durchgeführt auch in der Kontrolle) nach langjähriger Dauerbegrünung_
_ohne jegliche Bearbeitung. Insgesamt liegen die Nmin-Werte aber selbst für_
_Weinbau auf eher niedrigem Niveau._

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

Abb. 9 – Nmin-Werte der Versuchsvarianten in den drei Versuchsjahren: Die Asteriske markieren
signifikante Unterschiede der Versuchsvarianten im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle (p<0,05),
(N = unbehandelte Kontrolle).

_Der Gehalt an organischem Kohlenstoff, als Humus (%) ausgedrückt, ist in_
_den mit Biochar angereicherten Parzellen signifikant höher, vor allem bei Bio-_
_char in der höhen Dosierung (Abb. 10)._

Abb. 10 – Gehalte an organischem Kohlenstoff, als Humus (%) ausgedrückt in den drei Versuchs-
jahren: Die Asteriske markieren signifikante Unterschiede der Versuchsvarianten im Vergleich zur
unbehandelten Kontrolle (p<0,05), (N = unbehandelte Kontrolle).

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

_Die Phosphorgehalte stiegen in den mit Biochar und Kompost angereicherten_
_Varianten signifikant an in beiden Dosierungen des Biochars (Abb. 11)._

Abb. 11 – Phosporgehalte der Böden der Versuchsvarianten in den drei Versuchsjahren: Die
Asteriske markieren signifikante Unterschiede der Versuchsvarianten im Vergleich zur unbehandel-
ten Kontrolle (p<0,05), (N = unbehandelte Kontrolle).
_Die Gehalte an Kalium (Abb. 12) sind signifikant höher in der Variante der_
_höheren Biochar Dosis und in den Varianten Biochar mit Kompost, dies vor_
_allem im ersten Versuchsjahr._

Abb. 12 – Kaliumgehalte der Ober- und Unterböden in den drei Versuchsjahren: Die Asteriske mar-
kieren signifikante Unterschiede der Versuchsvarianten im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle
(p<0,05), (N = unbehandelte Kontrolle).

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

_Die Magnesiumgehalte (Abb. 13) waren in allen Versuchsjahren, in den Vari-_
_anten mit Biochar signifikant höher. Erstaunlicherweise sind diese signifikan-_
_ten Unterschiede auch in den Unterböden feststellbar._

Abb. 13 – Magnesiumgehalte der Ober- und Unterböden in den drei Versuchsjahren: Die Asteriske
markieren signifikante Unterschiede der Versuchsvarianten im Vergleich zur unbehandelten Kontrol-
le (p<0,05), (N = unbehandelte Kontrolle).

_Die Borgehalte (Abb. 14) stiegen durch die Anreicherung der Böden mit Biochar_
_signifikant an, sowohl durch reines Biochar wie auch durch die Mischung von_
_Char mit Kompost und zwar in den Ober- und auch den Unterböden._

Abb. 14 – Borgehalte der Ober- und Unterböden in den drei Versuchsjahren: Die Asteriske markie-
ren signifikante Unterschiede der Versuchsvarianten im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle
(p<0,05), (N = unbehandelte Kontrolle).

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

_Mangan (Abb. 15) und Kupfer (Abb. 16) sind die einzigen Elemente, die infol-_
_ge der Anreicherung des Bodens mit Biochar eine geringere Verfügbarkeit_
_aufweisen. Eine signifikant geringere Verfügbarkeit ist in vor allem in den Va-_
_rianten mit der höheren Biochardosierung in allen drei Versuchsjahren fest-_
_stellbar._

Abb. 15 – Mangangehalte der Ober- und Unterböden in den drei Versuchsjahren: Die Asteriske
markieren signifikante Unterschiede der Versuchsvarianten im Vergleich zur unbehandelten Kontrol-
le (p<0,05), (N = unbehandelte Kontrolle).

Abb. 16 – Kupfergehalte der Ober- und Unterböden in den drei Versuchsjahren: Die Asteriske mar-
kieren signifikante Unterschiede der Versuchsvarianten im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle
(p<0,05), (N = unbehandelte Kontrolle).

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

_Zink (Abb. 17) ließ eine höhere Verfügbarkeit in allen drei Versuchsjahren vor_
_allem in der Variante mit der höheren Biochardosis und Kompost erkennen._

Abb. 17 – Zinkgehalte der Ober- und Unterböden in den drei Versuchsjahren: Die Asteriske markie-
ren signifikante Unterschiede der Versuchsvarianten im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle
(p<0,05), (N = unbehandelte Kontrolle).

ii) Blattanalysen
_Obwohl die Verfügbarkeit verschiedener Elemente laut Bodenanalysen deut-_
_lich verbessert wurde, zeigten sich in der Ertragsanlage Moarhof kaum Aus-_
_wirkungen auf die Mineralstoffgehalte der Blätter. Es konnten mit Ausnahme_
_des Borgehaltes im Juni 2019 (Abb. 18), keine signifikant unterschiedlichen_
_Gehalte einzelner Elemente gefunden werden. Trotz der beachtlichen Verän-_
_derungen im Boden durch die Einbringung des Biochars, traten aber auch_
_keine optisch feststellbaren Veränderungen im Wachstum, der Blattfarbe oder_
_andere Anzeichen von Stress oder Karenzen oder physiologische Störungen_
_an den Reben auf._

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

Abb. 18 – Relative Bor Menge in den Blättern im Juni 2019; verschiedene Buchstaben weisen auf
einen signifikanten Unterschied zwischen den Behandlungen hin (p<0,05), (N = unbehandelte Kon-
trolle).

iii) Reifeentwicklung der Trauben
_In keinem Falle traten Unterschiede im Reifeverlauf der einzelnen Versuchs-_
_varianten auf (Daten sind nicht dargestellt)._
iv) Ertrag
_In den drei Versuchsjahren hat die Ernte jeweils in den ersten Septembertagen_
_stattgefunden, bei einem Zuckergehalt von 16-17 °KMW (Babo). Im ersten_
_Versuchsjahr dezimierte ein starker Spätfrost am 21.04.2017 den Ertrag stark._
_Wie in der Praxis üblich wurde alljährlich zudem eine Ertragsregulierung_
_durchgeführt, vorwiegend durch teilen großer Trauben. Auch die Anzahl der_
_Trauben vor der Ertragsregulierung war bei den einzelnen Versuchsvarianten_
_ident. Bei der Ernte wurden keine statistisch signifikanten Unterschiede fest-_
_gestellt (Tab. 4, Abb. 19)._

Abb. 19 – Ernte 2019: die einzelnen Versuchparzellen wurden getrennt geerntet.

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

Tabelle [^4]: – Traubenertrag pro Rebe der Behandlungen: in keinem der drei Versuchsjahre wurde ein
signifikanter Unterschied zwischen den Behandlungen festgestellt.

```
Behandlung /
Jahr
```

```
Ertrag/Rebe (kg)
```

```
2017 2018 2019
```

```
N 1,25 2,96 1,61
C 1,51 2,81 1,71
B1 1,49 3,10 1,83
B2 1,44 2,57 1,62
B1C 1,41 2,98 1,79
B2C 1,34 3,31 1,52
```

v) Vegetatives Wachstum
_Das Gewicht des einjährigen Schnittholzes ergibt einen Hinweis auf die Inten-_
_sität des vegetativen Wachstums der Reben während der gesamten Vegetati-_
_onsperiode. Es wurde daher gleich nach dem Rebschnitt gesammelt und ge-_
_wogen. Die Daten von 2018 fehlen, aber sowohl 2017 wie auch 2019 konnten_
_keine signifikanten Unterschiede zwischen den Varianten gefunden werden._

Abb. 20 – Schnittholzgewichte pro Rebe der einzelnen Versuchsvarianten: Es wurde kein signifikan-
ter Unterschied zwischen den Behandlungen festgestellt, (N = unbehandelte Kontrolle).

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

vi) Weinausbau
_Die Moste der Trauben der einzelnen Versuchsvarianten wiesen vor der Gä-_
_rung keine signifikanten Unterschiede auf, in keinem der drei Versuchsjahre_
_(Tab. 5)._

Abb. 21. Mikrovinifikation der Moste der
Versuchsvarianten: zwei Wiederholungen
pro Behandlung wurden vinifiziert.

```
Abb. 22 – Abfüllung der Weine etwa 8 Monate nach der
Traubenernte
```

_Die Werte der Moste der einzelnen Versuchsvarianten unterschieden sich_
_nicht signifikant, jedoch waren die Gesamtsäurewerte und die Gehalte der_
_Moste an hefeverwertbarem Stickstoff in den Jahren unterschiedlich. Letztere_
_waren 2017 am höchsten, wohl infolge der erfolgten Bodenbearbeitung des_
_ansonsten langfristig unbearbeiteten, dauerbegrünten Bodens._

Tabelle [^5]: – Inhaltsstoffe der Moste zur Ernte
_Behandlung /_
_Jahr_

_Zucker, °KMW (Babo) pH-Wert_
_2017 2018 2019 2017 2018 2019_
_N 16,30 16,76 16,81 3,32 3,31 3,33_
_C 16,14 16,66 16,76 3,3 3,3 3,32_
_B1 16,05 17,10_ [^1]:_6,49 3,3 3,33 3,32_
_B2 16,07_ [^1]:[^7]:_,01 16,46 3,3 3,34 3,33_
_B1C 16,43 16,27 16,44 3,35 3,29 3,33_
_B2C 16,32 15,98 16,35 3,36 3,31 3,35_

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

```
Behandlung /
Jahr
```

```
Gesamtsäure (g/l) HVS (mg/l)
2017 2018 2019 2017 2018 2019
N 5,67 4,675 6,07 120 73,5 87,5
C 5,96 4,73 6,21 123 75,5 75,5
B1 5,98 4,5 5,99 111 65 70,5
B2 6,15 4,47 6,11 123 63 67,5
B1C 6,19 4,68 5,7 158 58,5 57,5
B2C 6,37 4,87 5,78 163,5 80,5 72,5
```

_Etwa 7 Monate nach der Gärung wurden die Verkostungen durchgeführt. Da-_
_bei wurden die einzelnen Weine der verschiedenen Versuchsvarianten nicht_
_signifikant unterschiedlich bewertet. In der Tendenz zeigte sich aber eine_
_leichte Bevorzugung der Weine der niedrigen Biochardosierung bezüglich_
_Komplexität und Typizität und eine eher schlechtere Bewertung der Weine_
_der Kompostvariante in der Bewertung der Harmonie und des Gesamteindru-_
_ckes (Abb. 23)._

Abb. 23 – Sensorische Bewertung der Weine, durchschnittliche Ergebnisse der Weinbewertungen
der drei Versuchsjahre: Keine Versuchsvariante unterscheidet sich signifikant von den anderen.
(N = unbehandelte Kontrolle).

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

vii) Entwicklung des Wurzelsystems
_Durchwurzelung der mit Biochar angereicherten Bodenbereiche: Grabungen_
_in der Anlage Moarhof zeigten deutlich, dass die mit Biochar angereicherten_
_Bodenbereiche gut von Rebwurzeln durchwachsen waren (Abb. 24)._

Abb. 24 – Grabungen ließen ein intensives
Wachstum von Rebwurzeln in mit Biochar
angereicherten Bodenbereichen erkennen.

3.2 Weißplatter

i) Bodenanalysen
_Im Unterschied zur Anlage Moarhof wurden in dieser Anlage die Bodenzu-_
_satzstoffe vor dem Pflanzen der Reben in die Pflanzreihe mit einem Kleinbag-_
_ger eingearbeitet bis auf eine Tiefe von 60 cm. Die Veränderungen der ver-_
_schiedenen Bodenparameter waren daher in dieser Anlage auch im Unterbo-_
_den deutlich erkennbar. Insgesamt sind die Ergebnisse aber ident mit denen_
_der Anlage Moarhof. Sie werden daher hier nicht im Einzelnen dargestellt._

ii) Blattanalysen
_Generell wurden auch in dieser Anlage kaum Veränderungen der Mineral-_
_stoffgehalte der Blätter in den zwei Erhebungsjahren gefunden (2017 wurden_
_die Reben gepflanzt, daher wurden erst ab 2018 Analysen durchgeführt) Im_
_Juni 2018 konnten signifikant höhere Magnesiumgehalte der Blätter in allen_

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

_Varianten mit Biochar gefunden werden (Abb. 25), wobei insgesamt die Mag-_
_nesiumgehalte aller Varianten im Defizitbereich liegen, besonders aber die_
_Kontrolle und die mit Kompost angereicherte Variante. Die Mangangehalte_
_(Abb. 26) hingegen weisen in beiden Untersuchungsjahren niedrigere Werte_
_in allen mit Biochar angereicherten Varianten auf. Dieses Ergebnis geht einher_
_mit der gefundenen niedrigeren Manganverfügbarkeit der Böden infolge der_
_Anreicherung mit Biochar._

Abb. 25 – Magnesiumgehalte laut Blattanalyse im Juni 2018; verschiedene Buchstaben weisen auf
einen signifikanten Unterschied zwischen Behandlungen hin (p<0,05), (N = unbehandelte Kontrolle)

Abb. 26 – Mangangehalte der Blätter im Juni 2018 und 2019; verschiedene Buchstaben weisen auf
einen signifikanten Unterschied zwischen Behandlungen hin (p<0,05), (N = unbehandelte Kontrolle).

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

iii) Reifeentwicklung der Trauben
_Auch in dieser Anlage wurden trotz des noch nicht erreichten Vollertrages in_
_den Jahren 2018 und 2019 Reifetests durchgeführt. Dabei wurden keine signi-_
_fikanten Unterschiede zwischen den Versuchsvarianten gefunden._

iv) Etrag
_Die Ernte erfolgte Mitte September bei einem mittleren Zuckergehalt der_
_Trauben der einzelnen Varianten von etwa 19.7 °KMW (Babo). Die ermittelten_
_Traubenerträge der einzelnen Versuchsvarianten unterschieden sich nicht_
_signifikant, es war aber eine Tendenz zu höheren Erträgen in den Varianten_
_mit Biochar zu erkennen (Tab. 6)._

Tabelle [^6]: – Durchschnittlichen Ertrag pro Rebe der Versuchsvarianten im Jahr 2019; es wurde kein
signifikanter Unterschied zwischen den Behandlungen festgestellt.

```
Behandlung Traubenertrag/Rebe(kg)
N 0,7
```

```
C 0,69
B1 0,84
B2 0,96
B1C 0,94
B2C 0,76
```

v) Vegetatives Wachstum
_Die Ermittlungen des Schnittholzgewichtes ergaben keine signifikanten Un-_
_terschiede, jedoch zeigte sich wieder eine Tendenz zu höheren Werten in den_
_mit Biochar angereicherten Varianten, ausgenommen bei Variante B2C_
_(Abb. 27)._

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

Abb. 27 – Schnittholzgewichte pro Rebe: Es wurde kein signifikanter Unterschied zwischen den
Behandlungen festgestellt., (N = unbehandelte Kontrolle)

3.3 Block 65
i) Bodenanalysen
_Analysen der Bodennährstoffgehalte wurden nur im ersten Jahr nach der Ver-_
_suchsanlegung durchgeführt, in der Folge wurden regelmäßige Analysen der_
_Gehalte an mineralisiertem Stickstoff gemacht. Der pH-Wert des Bodens war_
_in dieser Anlage von Natur aus deutlich höher als in den zwei Rebanlagen,_
_nämlich um pH 7,4. Durch die Zugabe von Biochar stieg der pH-Wert auch_
_hier signifikant, aber weniger stark als in den Rebanlagen, auf einen Wert von_
_7,7 an (Abb. 28). Die Trockensubstanz der Böden (Abb. 29) war infolge der_
_Zugabe von Biochar etwas niedriger._

Abb. 28 – pH-Werte im Boden in Juni 2017: Asteriske weisen auf einen signifikanten Unterschied
zwischen den Behandlungen im Vergleich zur Kontrolle hin (p<0,05), (N = unbehandelte Kontrolle)

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

Abb. 29 – Prozentualer Anteil der Bodentrockensubstanz in den drei Versuchsjahren: Asteriske wei-
sen auf einen signifikanten Unterschied zwischen den Behandlungen im Vergleich zur Kontrolle hin
(p<0,05), (N = unbehandelte Kontrolle)
_Die Nmin-Gehalte waren nicht unterschiedlich zwischen den Versuchs-_
_varianten. Es zeigten sich aber höhere Gehalte an organischem Kohlenstoff,_
_Phosphor, Kalium und Magnesium in den mit Biochar angereicherten Parzel-_
_len (Abb. 30)_

Abb. 30 – Gehalte einiger Makroelemente im Boden im Juni 2017 (C-Werte als Humus % angege-
ben): Asteriske weisen auf einen signifikanten Unterschied zwischen den Behandlungen im Ver-
gleich zur Kontrolle hin (p<0,05), (N = unbehandelte Kontrolle).
_Bei den Mikroelementen konnten etwas höhere Bor- und Zinkgehalte in der_
_mit Char angereicherten Variante gefunden werden, aber niedrigere Werte an_
_Kupfer (Abb. 31). Die Gehalte an Mangan blieben unverändert._

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

Abb. 31 – Mikroelemente Werte im Boden in Juni 2017: Asteriske weisen auf einen signifikanten
Unterschied bei den Behandlungen im Vergleich zur Kontrolle hin (p<0,05), (N = unbehandelte Kon-
trolle)
ii) Blattanalysen
_Blattanalysen wurden 2018 und 2019 durchgeführt. Im Juli 2018 zeigten sich_
_dabei signifikant höhere Kalium- und Magnesiumgehalte (Abb. 32), aber nied-_
_rigere Kalziumgehalte der mit Biochar angereicherten Variante. Zudem waren_
_in den Blättern dieser letzteren Variante erhöhte Gehalte an Mangan feststell-_
_bar (Abb. 33)._

Abb. 32 – Kalium-, Kalzium- und Magnesiumgehalte in den Blättern im Juli 2018; verschiedene
Buchstaben weisen auf einen signifikanten Unterschied zwischen den Behandlungen hin (p<0,05),
(N = unbehandelte Kontrolle).

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

Abb. 33 – Mangangehalte der Blätter im Juli 2018; verschiedene Buchstaben weisen auf einen sig-
nifikanten Unterschied zwischen den Behandlungen hin (p<0,05), (N = unbehandelte Kontrolle)

iv) Ertrag
_Der Ertrag der Versuchsvarianten wurde im zweiten und dritten Standjahr_
_ermittelt. Dabei wurden die Äpfel der vier zentralen Bäume jeder Parzelle_
_getrennt gepflückt und dann mit einer Versuchssortieranlage ausgewertet_
_(Tab. 7)._

Tabelle [^7]: – Ergebnisse der Ertragsauswertung 2018 und 2019 mittels Sortiermaschine: Die Fär-
bungsprozentsätze sind saisonal bedingt, die Äpfel wurden alle am selben Tag geerntet und spie-
gelnsomit nicht die maximal erreichbaren Werte wider.

```
Behandlung * * * * *
```

```
2018 Äpfel/
Baum
```

```
Gewicht/
Apfel (g)
```

```
rote
Farbe (%)
```

```
gelbe
Farbe (%)
```

```
grüne
Farbe (%)
```

```
N 42,2 180,4 76,0 1,96 20,5
C 48,4 184,1 80,3 2,11 16,1
BC 46,9 194,9 77,9 3,01 17,6
```

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

```
Behandlung *
```

```
2019 Äpfel/
Baum
```

```
Gewicht/
Apfel (g)
```

```
rote
Farbe (%)
```

```
gelbe
Farbe (%)
```

```
grüne
Farbe (%)
```

```
N 44,5 184,6 88,55 1,179 8,901
C 46,4 177,49 91,08 0,77 6,843
BC 58,1 176,03 90,52 0,799 7,377
```

_Aus der Anzahl und dem durchschnittlichen Gewicht der Äpfel der Versuchs-_
_varianten kann der Ertrag in kg Äpfel pro Baum errechnet werden (Abb. 34)._
_Dabei zeigten sich in beiden Erhebungsjahre die höchsten Erträge in der mit_
_Biochar angereicherten Versuchsvariante._

Abb. 34 – Durchschnittliche Produktion in Kilogramm Äpfel pro Baum in den zwei Erhebungsjahren:
Unterschiedliche Buchstaben weisen auf einen signifikanten Unterschied zwischen den Behandlun-
gen hin (p<0,05), (N = unbehandelte Kontrolle).

v) Vegetatives Wachstum
_Tabelle 8 und Abbildung 35 zeigen die Daten des durchschnittlichen jährli-_
_chen Triebzuwachses der Versuchsvarianten auf (Jahrestriebe > 5 cm). Die_
_Wuchskraft der unbehandelten Bäume der Kontrollparzelle war im Vergleich_

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

_zu den anderen deutlich geringer, während am meisten Zuwachs in der Vari-_
_ante Biokohle + Kompost erzielt wurde._

Tabelle [^8]: – Durchschnittliches jährliches Wachstum pro Baum jeder Behandlung: Asteriske weisen
auf einen signifikanten Unterschied zwischen den Behandlungen im Vergleich zur Kontrolle hin
(p<0,05).

```
Behandlung
/Jahr
```

```
2017 * 2018 *
Äste/
Baum
```

```
cm/
Baum
```

```
cm/
Ast
```

```
Äste/
Baum
```

```
cm/
Baum
```

```
cm/
Ast
N 14 7322 16,34 33 23323 22,06
C 15,9 8613 16,88 36,9 27019 22,85
BC 13,8 8969 20,33 41,3 35967 27,2
```

Abb. 35 – Durchschnittliche Trieblänge der Behandlung: Unterschiedliche Buchstaben weisen auf
einen signifikanten Unterschied zwischen den Behandlungen hin (p<0,05), (N = unbehandelte Kon-
trolle).

_In Tabelle 9 ist der Zuwachs des Stammdurchmessers der Bäume, einen Meter_
_über dem Boden, in den drei Versuchsjahren dargestellt. Es traten diesbezüg-_
_lich aber keine signifikanten Unterschiede auf._

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

Tabelle [^9]: – Durchschnittlicher Zuwachs des Stammdurchmessers pro Baum in den drei
Versuchsjahren

```
Behandlung/
Jahr
```

```
2017 2018 2019
Durchschnittl. Wachstum der Stämme (mm)
N +3,97 +4,11 +7,05
C +4,38 +4,15 +6,51
BC +3,77 +5,04 +6,96
```

#### 4. Diskussion

_Die erzielten Ergebnisse zeigen auf, dass die Einbringung von Biochar oder_
_von Biochar mit Kompost in den Boden einige chemische Parameter des Bo-_
_dens verändert und die Verfügbarkeit einiger Mineralstoffe, speziell der Mak-_
_roelemente Kalium, Magnesium und Phosphor erhöht haben. Die Eignung_
_von Biochar mit hohem pH-Wert zur Anhebung des pH-Wertes der Böden hat_
_sich klar erwiesen und kann bei sauren Böden auch im Weinbau gut genutzt_
_werden. Die Zufuhr von Kompost allein hat keine dieser genannten Verände-_
_rungen ähnlich deutlich bewirkt. Die Zunahme der Mineralstoffgehalte ist_
_auch in den Unterböden erkennbar, weniger ausgeprägt dort wo das Biochar_
_nur in den Oberboden eingearbeitet wurde, deutlicher wo das Biochar in die_
_obersten 60 cm Boden eingebracht worden ist. Die aufgezeigten Auswirkun-_
_gen blieben über den Versuchszeitraum von drei Jahren weitgehend stabil._
_Diese Ergebnisse bestätigen die Eignung von Biochar zur Bodenverbesserung_
_im Weinbau (Schmid et al. 2014, Genesio et al. 2015), zur Steigerung des Hu-_
_musgehaltes und damit zur potenziellen Verbesserung des Wasserspeicher-_
_vermögens der Böden, sowie zur Anhebung der Verfügbarkeit einiger Mine-_
_ralstoffe._

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

_Weiters hat sich gezeigt, dass eine verbesserte Mineralstoffverfügbarkeit im_
_Boden nur in wenigen Fällen auch zu einer höheren Aufnahme des Mineral-_
_stoffes geführt hat. Bei den Blattanalysen im Weinbau konnte in den Varian-_
_ten Biochar und Kompost in einem Fall höhere Borgehalte gefunden werden._
_In der Rebjunganlage konnte in allen Biocharvarianten im 2. Standjahr eine_
_verbesserte Magnesiumaufnahme gegenüber der Kontrolle gefunden werden_
_und zwar in einer Magnesiummangelsituation wie sie gerade in Junganlagen_
_mit noch wenig entwickeltem Wurzelsystem bei Reben häufig vorkommt._
_Dies könnte darauf hinweisen, dass mit Biochar angereicherte Böden gerade_
_in Stress- und Mangelsituationen eine gewisse verbesserte Ausgangslage bie-_
_ten, die zu einer besseren Versorgung der Reben beiträgt._
_Eine verbesserte Magnesiumaufnahme konnte 2018 laut Blattanalye auch in_
_der Apfelneuanlage festgestellt werden, zudem eine verbesserte Kaliumauf-_
_nahme bei zugleich niedrigeren Kalziumgehalten in den Blättern._
_Ein auf den ersten Blick widersprüchliches Ergebnis ist bei Mangan zu ver-_
_zeichnen: in der Rebjunganlage war 2018 und 2019 in den Biocharvarianten in_
_den Blättern ein signifikant niedrigerer Mangangehalt gegeben, was in Ein-_
_klang mit der niedrigeren Manganverfügbarkeit im Boden der mit Char ange-_
_reicherten Varianten dieser und auch der zweiten Rebanlage stand. Im Gegen-_
_satz dazu wies die Apfeljunganlage im Jahre 2018 höhere Manganblattgehalte_
_in der Biocharvariante auf, wobei in diesem Falle im Boden keine erkennbare_
_Veränderung der Manganverfügbarkeit infolge der Einbringung von Biochar_
_in den Boden vorlag (Daten nicht dargestellt). Dieses gegensätzliche Ergebnis_
_könnte darauf zurückzuführen sein, dass Biochar vermutlich nicht direkt die_
_Verfügbarkeit von Mangan durch Festlegung verändert, sondern dass es sich_
_hier um eine indirekte Auswirkung infolge der Verschiebung des pH-Wertes_
_im Boden handeln dürfte. In den beiden Rebanlagen im Versuch waren nied-_
_rige pH-Werte im leicht sauren Bereich vor Behandlungsbeginn gegeben, von_
_6,35 in der Anlage Moarhof und 6,28 in Weissplatter. In diesem pH Bereich_
_kann die Rebe Mangan gut aufnehmen. Durch die Biocharzugabe stiegen die_
_Boden-pH-Werte auf 7,16 bzw. 7,36 und verschoben sich somit in den neutra-_
_len bis leicht alkalischen Bereich, in dem die Rebe bekannter Weise das Man-_
_gan nicht mehr so gut aufnehmen kann (Keller, 2015). In der Apfeljunganlage_
_hingegen lag der pH-Wert des Bodens von vorne herein bereits im alkalischen_

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

_Bereich, bei 7,45 und veränderte sich durch die Biocharanreicherung in die-_
_sem Falle nicht mehr so deutlich, zu einem pH-Wert des Bodens von 7,7. Die_
_Manganverfügbarkeit im Boden laut Bodenanalyse veränderte sich dadurch_
_nicht, die Manganaufnahme durch die Apfelbäume verbesserte sich sogar._
_Somit dürfte es sich wohl eher nicht um eine grundsätzliche Festlegung von_
_Mangan durch Biochar handeln, sondern wohl eher um die Folge der verän-_
_derten Manganverfügbarkeit durch die pH-Wertveränderung im Boden._
_Auch die festgestellte reduzierte Kupferverfügbarkeit in den Weinbauböden_
_der beiden Versuchsanlagen dürfte auf die pH-Wertverschiebung vom sauren_
_in den leicht alkalischen Bereich zurückzuführen sein. In der Praxis wird zur_
_Reduzierung der Kuperverfügbarkeit in den Böden ansonsten Kalk verwen-_
_det, auch mit dem Ziel den pH-Wert zu erhöhen (Park, 2011). Insgesamt ist,_
_wie die Versuche gezeigt haben, die Einbringung von Biochar in die Böden_
_eine gute Möglichkeit zur Anhebung der pH-Werte. Je saurer die Bodensitua-_
_tion, umso mehr sollte auf die Verwendung eines Biochars mit hohem pH-_
_Wert geachtet werden._
_Die Reifetests und die Analysen der Moste zur Ernte haben keine signifikan-_
_ten Unterschiede bei den Inhaltsstoffen erkennen lassen, jedenfalls nicht zwi-_
_schen den Versuchsvarianten. Allgemein waren die HVS-Werte, also die Ge-_
_halte an hefeverwertbarem Stickstoff und auch die Gesamtsäuregehalte in den_
_Jahren jedoch ziemlich unterschiedlich. Anders als von Holweg, 2019 be-_
_schrieben, traten in beiden Rebversuchsanlagen keine höheren HVS Gehalte in_
_den Mosten der mit Biochar angereicherten Parzellen auf._
_Die Weine der einzelnen Versuchsvarianten zeigten in allen drei Jahren weder_
_sensorisch noch analytisch signifikanten Unterschiede auf. Allgemein wurde_
_den Weinen eine große Ähnlichkeit attestiert. In der Tendenz wurde den Wei-_
_nen der niedrigen Biochardosierung, im Durchschnitt der drei Auswertungs-_
_jahre, eine etwas höhere Typizität zugesprochen, während die Weine der_
_Kompostvariante in der Harmonie und der Gesamtbewertung tendenziell et-_
_was schlechter als die Weine der anderen Varianten eingestuft wurden._
_Die Erträge waren in den Rebanlagen in den einzelnen Versuchsvarianten_
_nicht signifikant unterschiedlich, in der Apfeljunganlage hingegen war in bei-_
_den Erhebungsjahren eine größere Anzahl an Früchten und ein höherer Ertrag_
_feststellbar, insbesondere in der Variante Biochar und Kompost, etwas weni-_

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

_ger deutlich auch in der Variante Kompost im Vergleich zur Kontrolle. Zu-_
_gleich konnte in der Apfeljunganlage auch ein höherer Jahrestriebzuwachs in_
_der Variante Biochar mit Kompost ermittelt werden. In den Rebanlagen hin-_
_gegen war kein Unterschied in der vegetativen Entwicklung der einzelnen_
_Versuchsvarianten feststellbar. Diese unterschiedlichen Ergebnisse dürften_
_darauf zurückzuführen sein, dass die Apfelanlage regelmäßig, alljährlich ge-_
_düngt wurde und dabei auch eine angemessene Stickstoffgabe erhielt. Die_
_Rebanlagen hingegen wiesen ausreichende Humusgehalte und Nährstoffver-_
_sorgung auf, so dass auf jegliche Düngung im Versuchszeitraum verzichtet_
_worden war. Die Nmin Gehalte, also die Gehalte an pflanzenverfügbarem_
_Stickstoff in den Versuchsparzellen der Rebanlagen waren im ersten Ver-_
_suchsjahr, infolge der Bodenbearbeitung für die Einbringung der Bodenzu-_
_satzstoffe der ansonsten langjährig vollkommen unbearbeiteten Böden, er-_
_kennbar erhöht in allen Varianten. Aber bereits im Folgejahr sanken die Nmin_
_Werte auf eher niedrige Niveaus ab und lagen in allen Versuchsvarianten_
_fortan um und unter 20 kg Nmin/ha. Die Einbringung auch beachtlicher Men-_
_gen an Biochar und an Biochar mit Kompost führte in diesen Rebanlagen zwar_
_zu erkennbar höheren Gehalten an organischem Kohlenstoff, aber nicht zu_
_nachhaltig veränderter Stickstoffverfügbarkeit für die Reben. In der Folge war_
_auch kein höheres vegetatives Wachstum zu erwarten und ein solches trat tat-_
_sächlich auch nicht ein. Für den Weinbau ist dies ein durchaus erfreuliches_
_Ergebnis, zumal Stickstoffschübe und damit mehr vegetatives Wachstum im_
_Qualitätsweinbau unerwünscht sind, da sie sich negativ auf die Trauben- und_
_Weinqualität auswirken. Wird also eine Anwendung von Biochar zur pH-_
_Wertsteigerung erwogen oder soll primär eine Verbesserung des Wasserhal-_
_tevermögens der Böden angestrebt werden oder Biochar zur CO2 Festlegung_
_in den Boden eingebracht werden, so braucht man dabei keine Bedenken ha-_
_ben, es könnte dadurch zu Wachstumsschüben oder negativen Auswirkungen_
_auf die Weinqualität kommen. Im Umkehrschluss gilt aber, dass dort wo man_
_im Weinbau tatsächlich eine Verbesserung der Wachstumssituation braucht,_
_die Zugabe von reinem Biochar oder von Biochar mit Kompost allein, sofern_
_das Biochar oder der Kompost nicht sehr stickstoffhaltig sind, zu wenig sein_
_dürfte, um ausreichende Auswirkungen zu erzielen. In diesen Fällen ist es an-_

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

_gezeigt, das Biochar intensiver mit Stickstoff anzureichern, etwa durch Kom-_
_postierung des Chars mit Mist und Gülle._
_In der Apfelneuanlage wurden zwar auch keine signifikant höheren Nmin_
_Gehalte im Boden gefunden, insgesamt lagen die Nmin Werte dort aber deut-_
_lich höher, zwei bis dreimal so hoch, als in den Rebanlagen. Mit Nmin-Werten_
_im Bereich zwischen 50 und 70 kg/ha lag in der Obstanlage insgesamt eine_
_deutlich höhere Stickstoffverfügbarkeit vor. Dies lässt vermuten, dass es da-_
_her in den mit Biochar und Kompost angereicherten Parzellen zu einer ausge-_
_glicheneren Versorgung infolge einer verbesserten Stickstoffspeicherung_
_durch das Biochar gekommen sein könnte, wie dies von Steiner et al. (2010),_
_Ventura et al. (2013) und Sánchez-García et al. (2015) festgestellt und_
_beschrieben wurde. Jedenfalls waren positive und statistisch signifikante_
_Auswirkungen auf die vegetative Entwicklung und den Ertrag der Jungbäu-_
_me durch die Zugabe von Biochar mit Kompost ins Pflanzloch erkennbar._
_Wachstumsdepressionen, wie von einigen Autoren beschrieben (Deenik et al.,_
_2010; Nelson et al, 2012), konnten durch die Einbringung von reinem Biochar_
_in den Boden in den vorliegenden Versuchen in den Rebanlagen nicht_
_festgestellt werden. Dies dürfte auf den Humusgehalt der beiden Rebanlagen_
_von etwa 3% zu Versuchsbeginn und auf die langjährige Dauerbegrünung der_
_Anlagen zurückzuführen sein. Dadurch verfügen die Böden oberflächlich_
_über eine Auflage an organischer Substanz, da das Schnittmaterial der_
_Begrünung, das Material vom Triebschnitt der Reben und die einjährigen_
_verholzten Triebe beim Winterschnitt, sowie die Rebblätter sich an der Bo-_
_denoberfläche sammeln und dort langsam verrotten. Durch die Bodenbe-_
_arbeitung im Zuge der Erstellung der Neuanlage und beim Einbringen der_
_Biochar- und Kompostvarianten dürfte aus dieser organischen Masse einiges_
_an Stickstoff freigesetzt worden sein, was zu einer grundlegenden Anreiche-_
_rung des Chars mit Stickstoff und insgesamt mit Nährstoffen geführt haben_
_dürfte._
_Aufgrund der im Versuch gewonnenen Ergebnisse erscheint jedenfalls unter_
_den in Südtirol vorliegenden Gegebenheiten im Weinbau, sofern keine ausge-_
_sprochene Wachstumssteigerung der Anlage angestrebt wird, auch die Ver-_
_wendung reinen Chars durchaus ohne negative Folgen möglich. Im Versuch_
_war selbst die Entwicklung der Jungreben in den reinen Charvarianten nicht_

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

_auffällig oder schwächer im Vergleich zur Kontrolle oder den Kompostvarian-_
_ten. Im Obstbau kam kein reines Char zum Einsatz. Hier ist ein höheres Stick-_
_stoffniveau zur Optimierung des Aufwuchses der Jungbäume und der Pro-_
_duktionsmenge erforderlich, daher ist eine angemessene Anreicherung der_
_Chars jedenfalls anzuraten. Zu erwähnen ist, dass in der Apfelanlage mit be-_
_reits hohem pH-Wert die zusätzliche Verwendung eines Biochars mit einem_
_pH-Wert von 9,6 keine Probleme bereitet hat und auch nicht zu erkennbaren_
_Veränderungen geführt hat._
_Die beiden in den Versuchen eingesetzten Dosierungen von Biochar verhiel-_
_ten sich ähnlich, die höhere Dosierung zeigte teilweise etwas ausgeprägtere_
_Auswirkungen so z.B. bei der Steigerung des pH-Wertes des Bodens. Negati-_
_ve Auswirkungen konnten in keinem Falle festgestellt werden._

#### 5. Schlussfolgerungen

_Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz von Biochar an die_
_spezifischen Bedürfnisse der Anlage und an das jeweilige Produktionsziel an-_
_gepasst werden soll. Soll das Wachstum und die Produktion einer Kultur an-_
_geregt werden, gilt es, das Char vor oder nach der Ausbringung mit Stickstoff_
_entsprechend anzureichern. Soll hingegen, wie im Qualitätsweinbau ge-_
_wünscht, das Wachstum nicht nachhaltig erhöht werden, ist die Verwendung_
_reinen Biochars oder von nur sehr mäßig angereichertem Char angezeigt. Die_
_Fähigkeit von Biochar Kohlenstoff langfristig zu binden und somit einen Bei-_
_trag zum Klimaschutz zu leisten, kann daher auch dort genutzt werden, wo_
_das Wachstum nicht oder nur sehr begrenzt verändert werden soll. Die Ver-_
_suche haben zudem bestätigt, dass die Einbringung von hochwertigem Bio-_
_char in die Böden in jedem Fall zu einer Verbesserung der Bodeneigenschaf-_
_ten führt. Es wurden keine negativen Aus- bzw. Nebenwirkungen der An-_
_wendung von Biochar im Obst- und Weinbau festgestellt und auch die Quali-_
_tät der Weine wurde nicht beeinflusst._

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

Literaturverzeichnis
_Blackwell, P. S. (2000–). Management of water repellency in Australia, and_
_risks associated with preferential flow, pesticide concentration and_
_leaching. Journal of Hydrology_ [^231]:_(2), 384–395. Accesso via_
_https://doi.org/10.1016/S0022-1694(00)0021_[^0]:_-9_
_Cammarano, D., Ceccarelli, S., Grando, S., Romagosa, I., Benbelkacem, A.,_
_Akar, T., Al-Yassin, A. & Ronga, D. (2019). The impact of climate change_
_on barley yield in the Mediterranean basin. European Journal of Agronomy_
[^106]:_,_ [^1]:_-11._
_Clough, T. J. & Condron, L. M. (2017). Biochar and the nitrogen cycle:_
_introduction. Journal of Environmental Quality 39,_ [^1218]:_–23. Accesso via_
_http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20830909_
_Deenik, J. L., McClellan, T., Uehara, G., Antal, M. J. & Campbell, S. (2010)._
_Charcoal volatile matter content influences plant growth and soils_
_nitrogen transformations. Soil Science Society of America Journal 74(4),_
[^1259]:_-70._
_Eyles, A., Bound, S. A., Oliver, G., Corkrey, R., Hardie, M., Green, S. & Close_
_D. C. (2015). Impact of biochar amendment on the growth, physiology_
_and fruit of a young commercial apple orchard. Trees_ [^29]:**,** [^1817]:_–1826._
_Accesso via https://doi.org/10.1007/s00468-_[^015]:_-1263_
_Genesio, L., Miglietta, F., Baronti, S. &Vaccari, F. P. (2015). Biochar increases_
_vineyard productivity without affecting grape quality: results from a_
_four-year field experiment in Tuscany. Agriculture, Ecosystems_
_& Environment_ [^2]:[^01]:_, 20–25. Accesso via https://doi.org/10.1016/_
_j.agee.2014.11.021_
_Holweg, C. (2019). Pflanzenkohle als Maßnahme gegen Nitratauswaschung_
_im Weinbau. Abschlussbericht Projekt VinoCarb, Badenova. Accesso via_
_https://www.badenova.de/downloads/unternehmen/engagement/innovat_
_ionsfonds-downloads/unternehmensbereiche/stab/innovationsfonds/_
_abschlussberichte/2016/2016-_[^0]:[^1]:_-abschlussbericht-pflanzenkohle-nitrat-_
_weinbau.pdf_
_Kammann, K., Schmidt, H. P., Messerschmidt, N., Linsel, S., Steffens, S.,_
_Müller, C., Koyro, H. W., Conte, P. & Stephen, J. (2015). Plant growth_

Lucchetta, Raifer, Lösch, Matteazzi, Patauner

_improvement mediated by nitrate capture in co-composted biochar._
_Scientific Reports 5, 11080. Accesso via https://doi.org/10.1038/srep11080_
_Keller, M. (2015). The Science of Grapevines, Anatomy and Physiology. Second_
_edition. Academic Press, Elsevier._
_Kirschbaum, M. U. F. (1995). The temperature dependence of soil organic_
_matter decomposition, and the effect of global warming on soil organic C_
_storage. Soil Biology Biochemistry 27(6), 753–760._
_Lehmann, J., Gaunt, J. & Rondon, M. (2006). Biochar sequestration in_
_terrestrial ecosystems – a review. Mitigation and adaptation strategies for_
_global change 11, 403–27. Kluwer Academic Publishers-Plenum Publishers._
_Accesso via https://doi.org/10.1007/s11027-_[^005]:_-_[^9006]:_-5_
_Lehmann, J. & Joseph, S. (2009). Biochar for environmental management: Science_
_and Technology. Earthscan, London._
_Nelson, D. C., Flematti, G. R., Ghisalberti, E. L., Dixon, K. W. & Smith, S. M._
_(2012). Regulation of seed germination and seegling growth by chemical_
_signals from burning vegetation. Plant biology 63, 107-30._
_Park, J. H., Choppala, G. K., Bolan, N. S., Chung J. W. & Chuasavati, T._
_(2011). Biochar reduces the bioavailability and phytotoxicity of heavy_
_metals. Plant Soil 348, 439. Accesso via https://doi.org/10.1007/s11104-011-_
[^0948]:_-y_
_Ray, D.K., West, P.C., Clark, M., Gerber, J.S., Prishchepov, A.V. & Chatterjee,_
_S. (2019). Climate change has likely already affected global food_
_production. PLoS ONE 14(5): e0217148. Accesso via_
_https://doi.org/10.1371/journal.pone.0217148_
_Sánchez-García, M., Alburquerque, J. A., Sánchez-Monedero, M. A., Roig, A._
_& Cayuela, M. L. (2015). Biochar accelerates organic matter degradation_
_and enhances N mineralisation during composting of poultry manure_
_without a relevant impact on gas emissions. Bioresource Technology 192,_
_272–79. Accesso via https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.05.003_
_Schmidt, H. P., Kammann, C., Niggli, C., Evangelou, M. V. H. & Mackie, K._
_A. (2014). Biochar and biochar-compost as soil amendments to a vineyard_
_soil: Influences on plant growth, nutrient uptake, plant health and grape_
_quality. Agriculture, Ecosystems & Environment_ [^191]:_, 117–123. Accesso_
_via https://doi.org/10.1016/j.agee.2014.04.001_

```
Auswirkungen der Einbringung von Biochar in den Boden
```

_Steiner, C., Das, K. C., Melear, N. & Lakly, D. (2016). Reducing nitrogen loss_
_during poultry litter composting using biochar. Journal of Environment_
_Quality 3_[^9]:_(4), 1236. Accesso via https://doi.org/10.2134/jeq2009.0337_
_Taghizadeh-Toosi, A., Clough, T. J., Condron, L. M., Sherlock, R. R.,_
_Anderson, C. R. & Craigie, R. A. (_[^2011]:_). Biochar incorporation into_
_pasture soil suppresses in situ nitrous oxide emissions from ruminant_
_urine patches. Journal of Environment Quality 40(2), 468. Accesso via_
_https://doi.org/10.2134/jeq2010.0419_
_Ventura, M., Sorrenti, G., Panzacchi, P., George, E. & Tonon, G. (2013)._
_Biochar reduces short-term nitrate leaching from a horizon in an apple_
_orchard. Journal of Environment Quality 42, 76-82._
_Wang, Y., Ma, Z., Wang, X., Sun, Q., Dong, H., Wang, G., Chen, X., Yin, C.,_
_Han, Z. & Mao, Z. (2019). Effects of biochar on the growth of apple_
_seedlings, soil enzyme activities and fungal communities in replant_
_disease soil. Scientia Horticulturae 2019 - Amsterdam. Accesso via_
_https://doi.org/10.1016/j.scienta.2019.108641_

## Anwendung von Biochar als

## Bodenverbesserungsmittel:

## Wirkungen auf den Stickstoffzyklus und die

## Trockenstresstoleranz bei im Topf angebauten

## Weinpflanzen

**Marta Petrillo– Freie Universität Bozen**
**Damiano Zanotelli – Freie Universität Bozen**
**Valentina Lucchetta – Versuchszentrum Laimburg**
**Agnese Aguzzoni – Freie Universität Bozen**
**Massimo Tagliavini – Freie Universität Bozen**
**Carlo Andreotti – Freie Universität Bozen**

Abstract
_Die Nutzung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel stellt eine interessante Maß-_
_nahme für den Umweltschutz (stabile Kohlenstoffbindung im Boden) sowie zur poten-_
_ziellen Verbesserung der physikalisch-chemischen Fruchtbarkeit der behandelten Bö-_
_den dar. Zum aktuellen Zeitpunkt sind die agronomischen Eigenschaften von Biochar_
_als Bodenverbesserungsmittel noch nicht vollständig wissenschaftlich erwiesen und_
_scheinen in jedem Fall stark von verschiedenen Aspekten abzuhängen,wie der Beschaf-_
_fenheit des eingesetzten Biochars, den Eigenschaften des Produktionsprozesses und_
_den Ausgangsmerkmalen des verbesserten Bodens. Dieses Kapitel enthält die wichtigs-_
_ten Ergebnisse einer Reihe von Versuchen, die in kontrollierter Umgebung an getopften_
_Weinpflanzen durchgeführt wurden, um Folgendes festzustellen: i) die Wirkung der_
_Nutzung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel auf den Stickstoffzyklus in der_
_Weinpflanze; ii) die eventuellen mit der Nutzung von Biochar verbundenen Verände-_
_rungen der hydrischen Bodeneigenschaften und die potenzielle Erhöhung oder Verrin-_
_gerung der Stickstoffverluste durch Auslaugung; iii) den physiologischen Zustand von_
_Weinpflanzen, die auf einem mit Biochar versetzten Substrat wachsen, während sie zu-_
_nehmendem Trockenstress ausgesetzt werden. Was den Stickstoffzyklus der Pflanze_
_anbelangt, hat die Anwendung eines mit dem Isotop_[^15]_N markierten Stickstoffdüngers_

Petrillo, Zanotelli, Lucchetta, Aguzzoni, Tagliavini, Andreotti

_ermöglicht, zu verdeutlichen, dass Biochar im Substrat die Aufnahme des Stickstoffs in_
_die Pflanze und dessen Verteilung in ihren verschiedenen Organe nicht signifikant ver-_
_ändert hat. Biochar verändert hingegen das Wasserspeichervermögen des Bodens und_
_führt zu einer positiven Zunahme des für die Pflanzen zur Verfügung stehenden Was-_
_sers. Dank der höheren Wasserverfügbarkeit unter induziertem Trockenstress zeigten_
_die auf dem mit Biochar verbesserten Bodensubstrat gewachsenen Pflanzen eine bes-_
_sere physiologische Performance, wie die weniger negativen Wasserpotenziale der_
_Blätter und die höhere fotosynthetische Aktivität beweisen. Der Zusatz von Biochar als_
_Bodenverbesserungsmittel zum Substrat, wenn dieses nicht durch Kompost „aktiviert“_
_ist, erhöht die Menge des durch Auslaugung verlorenen Stickstoffs. Es scheint sich da-_
_bei um eine Folge der durch den Beitrag von Biochar erzielten höheren Feuchtigkeit im_
_Boden und der demzufolge größeren Mengen Auslaugungslösung zu handeln, die in-_
_folge reichlicherWasserzufuhr gesammelt wird. Kurzgefasst, die Ergebnisse einiger an_
_getopften Weinpflanzen durchgeführten Tests haben verdeutlicht, dass Biochar, wenn_
_dem Boden wenig Wasser zugeführt wird, die für die Pflanzen verfügbare Wasserre-_
_serve erhöht und so den Trockenstress reduzieren kann. Besondere Aufmerksamkeit_
_erfordern hingegen sehr feuchte Böden beim Umgang mit Stickstoffdünger, da Biochar_
_im Boden zu einer Zunahme der Verluste durch Auslaugung führen kann._

#### 1. Anwendung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel:

#### Wirkungen auf die Gesamtfruchtbarkeit der Böden und

#### die Wachstumsperformance der Pflanzen

_Die Nutzung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel hat in den letzten_
_Jahren erhebliche Aufmerksamkeit erregt, vor allem wegen der vielfältigen_
_Ergebnisse, die erzielt werden können. Im aktuellen Szenarium des Klima-_
_wandels und der globalen Erwärmung stellt Biochar ein interessantes Mittel_
_für den Umweltschutz dar, da es Kohlenstoff stabil im Boden bindet und da-_
_her erheblich zur Verlangsamung der Rückkehr dieses Stoffes in Form von_
_CO_[^2]: _in die Atmosphäre beiträgt (Lehmann, 2007). Außerdem verändert der_
_Zusatz von Biochar die chemischen, physikalischen und biologischen Eigen-_
_schaften der Agrarböden (und somit der Gesamtfruchtbarkeit) auf eine Art_
_und Weise, die von der Beschaffenheit und Menge des eingesetzten Biochars_
_abhängt (Novak et al., 2009). Verschiedene Studien haben insbesondere die_

```
Anwendung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel
```

_Wirkung von Biochar auf Verluste von Mineralstoffen durch Auslaugung be-_
_trachtet. Die Evidenz dieser Versuche deckt sich nicht vollständig. Zum Bei-_
_spiel haben einige Tests gezeigt, dass die Nutzung von Biochar Verluste von_
_Stickstoff (vor allem Nitratstickstoff) und anderer Stoffe durch Auslaugung_
_erheblich reduzieren kann, weil einerseits die Menge der Auslaugungslösung_
_reduziert wird und andererseits die Konzentration der gesammelten Lösung_
_geringer ausfällt (Lehmann et al., 2003). Wie ausgeprägt diese Wirkung ist,_
_scheint jedoch von der Zeit abzuhängen, die zwischen der Zugabe vonBiochar_
_zum Boden und den analytischen Maßnahmen in Bezug auf die Auslaugung_
_vergeht (Ventura et al., 2012), und außerdem von den Eigenschaften des für_
_die Erzeugung vonBiochar verwendeten Ausgangsmaterials (Yao et al., 2012)._
_Es gibt jedoch auch Beispiele, bei denen Biochar eine Erhöhung der durch_
_Auslaugung verlorenen Nährstoffmenge bewirkt hat, wie z. B. die von Hardie_
_et al. (2015) in einer jungen Apfelplantage durchgeführte Studie zeigt._
_Mehrere Studien haben zudem verdeutlicht, dass die Nutzung von Biochar_
_auch die physikalischen Eigenschaften des Bodens und folglich seine Fähig-_
_keit, Wasser zu speichern, verbessern kann (Glaser et al., 2002). Dies ist vor_
_allem auf die Zunahme der Stabilität der Aggregate und der Mikroporosität_
_der Substrate zurückzuführen (Verheijen et al., 2010; Abel et al. 2013; Laird et_
_al., 2010). Auch in Bezug auf die Wirkungen von Biochar auf die physikali-_
_schen Eigenschaften der Böden sind in der Literatur unterschiedliche Ergeb-_
_nisse zu finden. Diese Variabilität ist zurückzuführen auf die unterschiedli-_
_chen Eigenschaften der verwendeten Biochars – Unterschiede bestehen hier_
_sowohl hinsichtlich des für die Herstellung verwendeten Ausgansmaterials_
_und der Eigenschaften des Pyrolyseprozesses (Novak et al., 2012) – als auch_
_auf die unterschiedlichen Mengen bzw. Produktformen (Pulver, Pellets oder_
_Flocken) (Laird et al., 2010; Abiel et al., 2016) und die unterschiedlichen Bo-_
_deneigenschaften. Wie Hardie et al. (2014) feststellt, sollte zudem hervorgeho-_
_ben werden, dass die Erkenntnisse zahlreicher Studien zu den Wirkungen von_
_Biochar auf die physikalischen Eigenschaften des Bodens von diskutabler Be-_
_deutung für den Agrarbereich sind, da sie nicht auf Agrarböden und mit ho-_
_hen, in der Landwirtschaft schwer implementierbaren Dosierungen (>_ [^50]: _t/ha)_
_bzw. unter Laborbedingungen mit entnommenem, gesiebtem Bodendurchge-_

Petrillo, Zanotelli, Lucchetta, Aguzzoni, Tagliavini, Andreotti

_führt wurden. Die In situ-Verifizierung der durch Biochar bewirkten Verbes-_
_serungen der physikalischen Bodeneigenschaften ist sicherlich komplexer_
_und bei den in einigen Fällen beobachteten Wirkungen von teilweise beacht-_
_lichen Zugaben von Biochar (47 t/ha) auf die Wasserspeicherfähigkeit des Bo-_
_dens (z. B. Wassergehalt bei Feldkapazität, Wassergehalt bei permanentem_
_Welkepunkt und insgesamt für die Pflanzen verfügbares Wasser) handelt es_
_sich nicht um statistisch signifikante Ergebnisse (Hardie et al., 2014)._
_Biocharwurde in Weinbergen mit recht widersprüchlichen Ergebnissen ange-_
_wandt. Eine Analyse der Versuchsergebnisse ergibt eindeutig, dass die Wir-_
_kung der Zugaben von Biochar auf das Vegetations- und Produktionsverhal-_
_ten der Weinreben stark von den allgemeinen Bedingungen des Weinbergs_
_abhängt. In einem mehrjährigen Test in einem nicht bewässerten Weinberg in_
_der Toskana hat der Zusatz einer Dosis von 22 bis 44 t/ha zum Boden das_
_Wasserspeichervermögen des Bodens erheblich verändert. Bei Behandlung_
_mit hohen Dosierungen von Biochar kam es zu einer Zunahme des für die_
_Pflanzen verfügbaren Wassers von bis zu +45 % gegenüber dem nicht verbes-_
_serten Kontrollboden. Auch die positiven Auswirkungen auf den Wasserzu-_
_stand der Pflanzen waren offensichtlich: weniger negatives Wasserpotenzial_
_der Blätter, höhere stomatäre Leitfähigkeit und fotosynthetische Aktivität (Ba-_
_ronti et al., 2014). Der bessere physiologische Allgemeinzustand der auf dem_
_mit Biochar verbesserten Boden wachsenden Pflanzen schlug sich schließlich_
_in einer höheren Produktionsleistung nieder, insbesondere in Jahren mit ge-_
_ringerem Niederschlag und somit verschärftem Trockenstress im Sommer_
_(Genesio et al., 2015). Dieser Produktionszuwachs pro Pflanze, der vor allem_
_in einem höheren Durchschnittsgewicht der Weinbeeren und Trauben be-_
_stand, führte nicht zu signifikanten Unterschieden in den wichtigsten Quali-_
_tätsparametern der Trauben (lösliche Feststoffe, Gesamtsäure und Gesamtant-_
_hocyangehalt). Die Autoren dieser Studie führen das Fehlen von Beweisen in_
_qualitativer Hinsicht auf die komplexe Interaktion verschiedener Faktoren zu-_
_rück (Ernährungszustand, Zeiten von Trockenstress, Bodentemperatur usw.),_
_die direkt oder indirekt durch den Zusatz von Biochar zum Boden beeinflusst_
_werden (Genesio et al., 2015). In einem anderen ökologischen Umfeld, in dem_
_die Vegetationsperiode durch eine unbeschränkte Verfügbarkeit von Wasser_
_für die Pflanzen gekennzeichnet ist, hat der Zusatz geringerer Dosierungen_

```
Anwendung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel
```

_(unter 10 t/ha) von Biochar zum Boden, mit oder ohne Kompost, keinen Un-_
_terschied im Wachstum und Gesundheitszustand der Weinreben und der qua-_
_litativen Parameter der Trauben bewirkt (Schmidt et al., 2014). Diese Evidenz_
_hat die Autoren zum Schluss veranlasst, dass der Einsatz von Biochar als Bo-_
_denverbesserungsmittel unter den Bedingungen, die den Studienweinberg_
_kennzeichnen, keine wirtschaftlich relevanten Folgen hat (Schmidt et al.,_
_2014). Diese Schlussfolgerungen berücksichtigen jedoch nicht die anderen_
_möglichen ökosystemischen Leistungen, die auf die Nutzung von Biochar im_
_Weinbau zurückzuführen sind, wie zum Beispiel die Verringerung der Mobi-_
_lität von Kupfer in Anbausystemen wie Weinbergen, die mit schweren ökolo-_
_gischen Problemen infolge der historischen Kumulation dieses Stoffes im Bo-_
_den zu kämpfen haben. Einige rezente Studien (Soja et al., 2018; Pump et al.,_
_2019) haben die Möglichkeit der Nutzung von Biochar zur Beschränkung der_
_Kupfermobilität im Weinbergsystem verdeutlicht; dadurch werden die Ver-_
_breitung und möglichen negativen Auswirkungen auf die Umwelt reduziert,_
_und zwar auf besonders effiziente Weise bei Böden mit saurer Lösung und bei_
_rezenten Einlagerungen von Kupfer._
_In Anbetracht des oben beschriebenen Wissensstandes und der Variabilität_
_der verfügbaren Versuchsergebnisse scheint es offensichtlich, dass unsere_
_Kenntnisse in Bezug auf die Wirkungen von Biochar als Bodenverbesserungs-_
_mittel noch unvollständig sind. Vor allem bestimmte Aspekte hinsichtlich der_
_physiologischen Reaktionen der Pflanzen auf die Behandlung des Bodens mit_
_Biochar verdienen weitere Untersuchungen. Zu diesem Zweck wurden die_
_folgenden Versuche in kontrollierter Umgebung durchgeführt; insbesondere_
_sollen diese i) die Wirkungen der Nutzung von Biochar (in Reinform oder in_
_Kombination mit Kompost) auf den Stickstoffzyklus von getopften Wein-_
_pflanzen bestimmen; ii) die eventuelle Wirkung der Nutzung von Biochar als_
_Bodenverbesserungsmittel auf die Stickstoffverluste durch Auslaugung eva-_
_luieren; iii) helfen zu verstehen, wie sich die Veränderungen der hydrischen_
_Substrateigenschaften nach Zusatz von Biochar auf den Wasserzustand von_
_Weinpflanzen auswirken, die aufeinanderfolgenden Zyklen von Wasserman-_
_gel ausgesetzt wurden, wobei die physiologischen Stressindikatoren auf Blatt-_
_ebene gemessen wurden._

Petrillo, Zanotelli, Lucchetta, Aguzzoni, Tagliavini, Andreotti

#### 2. Wirkungen der Anwendung von Biochar auf den Stick-

#### stoffzyklus von getopften Weinpflanzen

2.1 Angewandte Methode

2.1.1 Pflanzenmaterial und Versuchsdesign
_Für den Versuch wurden 30 zweijährige Weinpflanzen (cv. Pinot nero auf Un-_
_terlage SO4) mit einem Stockdurchmesser von circa 2 cm mit einem auf vier-_
_bis fünf Augen zurückgeschnittenen Fruchtholz verwendet. Die Substrate_
_sind in Tabelle 1 gegenübergestellt._

Tabelle 1 – Substrate im Vergleich (Versuchsbehandlungen)

```
Behandlung Beschreibung des Substrats
```

```
Kontrolle Kontrolle (mit 10-mm-Sieb gesiebte Erde)
Volumetrische Dichte 0,91 g/cm[^3]
Kompost Kompost 4,5 % (0,9 kg Kompost in 20 kg
gesiebter Erde). Volumetrische Dichte
0.92 g/cm[^3]
Biochar Biochar 2 % (0,4 kg Biochar in 20 kg
gesiebter Erde). Volumetrische Dichte
0,89 g/cm[^3]
Biochar + Kompost Biochar 2 % + Kompost 4,5 % (0,4 kg
Biochar + 0,9 kg Kompost in 20 kg
gesiebter Erde). Volumetrische Dichte
0,87 g/cm[^3]
```

_Die wichtigsten Eigenschaften der getesteten Substrate (organische Substanz,_
_pH-Wert und Konzentration der Makrostoffe) sind in Tabelle 2 aufgeführt._

```
Anwendung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel
```

Tabelle 2 – Analytische Charakterisierung der Substrate im Vergleich (Mittelwerte ± Standardab-
weichung)

```
Behandlung Humus
(%)
```

```
pH-
Wert
```

```
Nmin
(mg/kg)
```

```
P2O5
(mg/100g)
```

```
K2O
(mg/100g)
```

```
MgO
(mg/100g)
```

```
Kontrolle 5,3±0,5 7,0±0,01 2,61±1,13 28±0,58 24,33±0,33 22,33±0,33
Kompost 5,5±0,3 7,1±0,01 2,17±0,44 33±0,58 46,67±1,67 25,67±0,33
Biochar +
Kompost
```

```
7,1±0,7 7,5±0,06 2,67±0,54 40±3,18 116,33±20,99 28,33±1,67
```

```
Biochar 6,7±0,3 7,5±0,03 1,15±0,57 29±0,00 97,33±3,53 26,33±0,33
```

_Für den Versuch wurden fünf Replikate pro Behandlung (eine Pflanze pro_
_Replikat) verwendet und nach einem Versuchsplan mit kompletter Randomi-_
_sierung in einem Plastiktunnel in der Nähe des Versuchszentrums Laimburg_
_(Gemeinde Vadena, BZ) angeordnet. Die Jungpflanzen wurden Anfang Juni_
_2017 in Kunststofftöpfe mit 23 Liter Fassungsvermögen gesetzt, die mit den_
_vier verschiedenen für den Vergleich vorgesehenen Substraten befüllt worden_
_waren. Außerdem wurden 10 weitere Jungpflanzen in Kontrollsubstrat ge-_
_pflanzt, um weitere spezifische Probenahmen zu ermöglichen, wie im Folgen-_
_den beschrieben. Die wichtigsten Versuchsphasen sind in Abbildung 1 darge-_
_stellt._

Abb. 1 – Zeitliche Abfolge der wichtigsten Phasen des von Juni bis September 2018 in einem
Plastiktunnel durchgeführten Versuchs

2.1.2 Düngung mit markiertem Stickstoff ([^15]N)
_In den Monaten Juni und Juli wurde ein Dünger mit isotopisch markiertem_
_Stickstoff eingebracht. Im Einzelnen bestand die Düngung in der Verteilung_

Petrillo, Zanotelli, Lucchetta, Aguzzoni, Tagliavini, Andreotti

_von 5 g Stickstoff in Form von Ammoniumnitratdünger (NH_[^4]:_NO_[^3]:_) in zwei_
_Gaben (F1 und F2, siehe Abb. 1). Von den insgesamt 5 g N, die der Pflanze_
_zugeführt wurden, resultierten 3 g angereichert in_[^15]_N durch die Anwendung_
_von markiertem Düngemittel_[^15]_NH_[^4]:[^15]_NO_[^3]: _mit 5 %_[^15]_N. Alle auf Substraten mit_
_Biochar, Biochar und Kompost, nur Kompost und Kontrollsubstrat wachsen-_
_den Pflanzen wurden gedüngt. Darüber hinaus erhielten weitere fünf auf_
_Kontrollsubstrat wachsende Pflanzen keinen Dünger._
_Während der gesamten Dauer des Versuchs (von der ersten Düngung bis zur_
_Entwurzelung der Pflanzen) wurden alle vorzeitig von den Pflanzen in den_
_verschiedenen Behandlungen gefallenen Blätter eingesammelt und getestet._
_Diese Proben wurden in Bezug auf Biomasse und Gehalt an Stickstoff (mar-_
_kiert und nicht markiert) bewertet und zusammen mit den am Ende des Ver-_
_suchs durchgeführten Evaluierungen berücksichtigt. Im Monat September_
_wurden schließlich alle Pflanzen der vier Düngebehandlungen (Biochar, Bio-_
_char + Kompost, Kompost und Kontrollsubstrat) sowie die fünf nicht gedüng-_
_ten Kontrollpflanzen entwurzelt. Die jährlichen Organe (feine Wurzeln,_
_Triebe, Blätter) und die mehrjährigen Organe (Wurzeln mit Sekundärwachs-_
_tum, Stamm und Fruchtrute) der einzelnen Pflanzen wurden gewogen, ge-_
_trocknet, gemahlen und auf ihren Gesamtstickstoffgehalt und ihren Gehalt an_
_markiertem Stickstoff (_[^15]_N), sowie ihren Gehalt an Makro-und Mikronährstof-_
_fen in den Blättern untersucht (Abb. 2)_

```
Anwendung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel
```

Abb. 2 – Vorbereitung der Weinpflanzen am Ende des Versuchs mit markiertem Stickstoff. Die
Pflanzen (A) wurden entwurzelt, in die verschiedenen Organe aufgeteilt (Wurzeln, Stamm und
Fruchtrute, Triebe, Blätter) (B und C), gewogen und getrocknet. Dann wurden Stichproben der ver-
schiedenen Organe auf ihren Gehalt an Gesamtstickstoff und markiertem Stickstoff ([^15]N) unter-
sucht.

2.1.3 Isotopische Stickstoffanalyse
_Die Gesamtstickstoffkonzentration in den Substraten und in den verschiede-_
_nen Organen der Pflanze wurde mit einem mit Elementaranalysator ausge-_
_statteten Isotopenverhältnis-Massenspektrometer durchgeführt (Isotopic Ra-_
_tio Mass Spectrometer - IRMS, Thermo Scientific, Germany). Der Überschuss_
_an_[^15]_N (% Atome) in den Organen und im Dünger im Vergleich zum natürli-_
_chen Überschuss von_[^15]_N (0,366 % Atome) wurde wie folgt berechnet:_

N aus Dünger =
Gesamt−NOrgan(mg)×([^15]NÜberschussGewebe−natürlicher[^15]NÜberschuss)
([^15]NÜberschussDünger−natürlicher[^15]NÜberschuss)

2.1.4 Analyse der in den Blättern vorhandenen Makro- und
Mikrostoffe
_Die Blattkonzentration von Stickstoff (N), Kalium (K), Magnesium (Mg), Kal-_
_zium (Ca), Phosphor (P), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Bor (B), Eisen (Fe) und Man-_
_gan (Mn) wurde mittels Analyse mit einem ICP-MS (Inductively Coupled_

Petrillo, Zanotelli, Lucchetta, Aguzzoni, Tagliavini, Andreotti

_Plasma Mass Spectrometer, Thermo Scientific, Bremen, Germany) nach Säu-_
_reaufschluss der Blattprobe ermittelt (2,5 ml HNO_[^3]: _- 65 %, w/w - auf 0,1 g Tro-_
_ckenprobe)._

2.1.5 Statistische Analyse
_Die Daten wurden mit der Software R, Version 3.3.1 analysiert. Erhebliche_
_Unterschiede zwischen Behandlungen wurden mit einer einfaktoriellen Vari-_
_anzanalyse (ANOVA) festgestellt, nachdem die Normalitätshypothesen_
_(durch Shapiro-Wilk-Test, p>0,05) und die Homogenitätshypothesen der Va-_
_rianz (durch Bartlett-Test, p>0,05) überprüft wurden. Die Paarvergleiche wur-_
_den mit Post-hoc-Tests (Tukey-HSD-Test) durchgeführt (p<0,05). Die als Pro-_
_zentsatz angegebenen Daten wurden vor Durchführung der statistischen_
_Tests durch logarithmische Umformung verwandelt. Die Daten in den Grafi-_
_ken und Tabellen sind als Mittelwert ± Standardabweichung dargestellt._

2.2 Ergebnisse
_Aus dem Vergleich zwischen der bei der Entnahme der verschiedenen Organe_
_(Wurzeln, Stamm und Fruchtrute, Triebe, Blätter) vorhandenen Biomasse_
_(Trockengewicht in Gramm) bei nicht gedüngten oder mit NH_[^4]:_NO_[^3]: _gedüng-_
_ten Kontrollpflanzen geht wie erwartet eine größere Biomasseproduktion der_
_gedüngten Pflanzen hervor (Abb. 3)._

```
Anwendung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel
```

Abb. 3 – Am Versuchsende (Zeitpunkt der Entwurzelung) gemessene Biomasse (Trockengewicht
in g) der verschiedenen Organe der mit NH[^4]:NO[^3]: gedüngten und nicht-gedüngten Kontrollpflanzen.
Stamm und Fruchtrute wurden zusammen im Diagramm „Stamm“ betrachtet; das Diagramm „Wur-
zeln“ betrifft die feinen Wurzeln und die Wurzeln mit sekundärem Wachstum. Die Ergebnisse in der
Abbildung sind Gegenstand einer in Vorbereitung befindlichen Veröffentlichung für die Zeitschrift
Italus Hortus.

_Vor allem das Wachstum der jährlichen Organe (Triebe und Blätter) fiel bei_
_den nicht gedüngten Pflanzen erheblich geringer aus; diese sind außerdem_
_durch das Fehlen von Seitentrieben gekennzeichnet. Aus dem Vergleich mit_
_den auf den vier gedüngten Substraten gewachsenen Pflanzen gingen keine_
_signifikanten Unterschiede hervor, was die Biomasse der verschiedenen Or-_
_gane anbelangt (Abb. 4)._

Petrillo, Zanotelli, Lucchetta, Aguzzoni, Tagliavini, Andreotti

Abb. 4 –Wirkung der verschiedenen Substrate auf die Biomasse (Trockengewicht in g) von Blättern,
Trieben, Stamm und Wurzeln der am Ende des Versuchs entwurzelten Weinpflanzen. Siehe Anga-
ben in Abb. 3, was die Beschreibung der Zusammensetzung der verschiedenen Teile der betrach-
teten Pflanze anbelangt. Die Ergebnisse in der Abbildung sind Gegenstand einer in Vorbereitung
befindlichen Veröffentlichung für die Zeitschrift ItalusHortus.

_In Abbildung 5 sind die durchschnittlichen Mengen an N (in g) aufgeführt,_
_die in den einzelnen Pflanzenorganen gemessen wurden. Es handelt sich also_
_um das kombinierte Ergebnis der in den Pflanzenorganen gemessenen Stick-_
_stoffkonzentration und des Trockengewichts dieser Organe. Blätter und Wur-_
_zeln, die relativ hohe Stickstoffkonzentrationen hatten (circa 2,5 % N in den_
_Blättern und circa 1,5 % in den Wurzeln), erwiesen sich als die Organe mit der_
_größten Menge dieses Stoffes. Der Zusatz der Bodenverbesserungsmittel Bio-_
_char und Kompost (in Kombination oder einzeln) hat diese Menge gegenüber_
_den auf nicht verbessertem Boden gewachsenen Pflanzen (Kontrollpflanzen)_
_nicht signifikant verändert._

```
Anwendung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel
```

Abb. 5 –Durchschnittliche Stickstoffmenge (in g) In den verschiedenen Organen zum Zeitpunkt der
Entnahme, nach Düngung. Siehe Angaben in Abb. 3, was die Beschreibung der Zusammensetzung
der verschiedenen Teile der betrachteten Pflanze anbelangt. Die Ergebnisse in der Abbildung sind
Gegenstand einer in Vorbereitung befindlichen Veröffentlichung für die Zeitschrift Italus Hortus.

_Die Menge an markiertem Stickstoff (_[^15]_N), der aus Düngungen mit NH_[^4]:_NO3_
_stammt, wurde für die verschiedenen Pflanzenorgane und in den verschiede-_
_nen Substraten evaluiert. Von den 3 g des an die Pflanzen verteilten markier-_
_ten Stickstoffs konnten circa 50 % in den verschiedenen Organen der Wein-_
_pflanzen ausfindig gemacht werden, während der Rest in den Substraten in_
_den Töpfen enthalten war. Es konnten in Zusammenhang mit den verschiede-_
_nen Behandlungen keine signifikanten Unterschiede ausgemacht werden, was_
_die in den Pflanzen und Substraten gemessene Menge an_[^15]_N anbelangt_
_(Abb. 6)._

Petrillo, Zanotelli, Lucchetta, Aguzzoni, Tagliavini, Andreotti

Abb. 6 – Durchschnittlich enthaltene Menge des aus den Düngungen mit[^15]NH4
[^15]:NO[^3]: stammenden
markierten Stickstoffs (in g,n=5) in den Pflanzen und dem Boden. Die Fehlerlinien zeigen die
Standardabweichung.
Die bei der Düngung insgesamt verteilten 3 g des markierten Stickstoffs wurden kohärent in den
beiden Komponenten, Substrat und Pflanze, ausfindig gemacht. Die Differenz (zwischen 0,2 und
0,6 g N schwankend) in Bezug auf die erwartete Gesamtmenge (3 g) ist auf mögliche Verluste des
Pflanzenmaterials während des Wachstumszyklus zurückzuführen. Die Ergebnisse in der Abbildung
sind Gegenstand einer in Vorbereitung befindlichen Veröffentlichung für die Zeitschrift Italus Hortus.

_Der größte Teil des mit der Düngung verabreichten N wurde in den Organen_
_gemessen, die sich während des jährlichen Zuwachses gebildet haben, und_
_zwar überwiegend in den Blättern, wo im Durchschnitt circa 0,5 g N aus Dün-_
_gung gefunden wurden (Abb. 7A). Auch in den permanenten Organen der_
_Pflanze wurden bei den verschiedenen Behandlungen keine signifikanten Un-_
_terschiede in der Verteilung gemessen (Abb. 7B)._
_Tabelle 3 und 4 enthalten die Ergebnisse der Blattanalysen für einige Makro-_
_und Mikrostoffe. Der Zusatz von Biochar (allein oder in Kombination mit_
_Kompost) ergab eine geringere Konzentration von P (circa -35 %) und Ca (-27_
_%) im Vergleich zu den Kontrollpflanzen. In Übereinstimmung mit den höhe-_
_ren K-Werten, die in den mit Biochar verbesserten Substraten gefunden wur-_
_den, waren die Konzentrationen dieses Stoffes in den Blättern hingegen deut-_
_lich höher (+33 %) als in der Vergleichsgruppe. Es waren keine signifikanten_
_Unterschiede in Bezug auf die Konzentration von N (im Bereich 2,7–2,9 %)_
_und Mg (0,27–0,30 %) in den Blättern zu verbuchen. Auch bei Mikrostoffen_

```
Anwendung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel
```

_traten keine deutlichen Unterschiede bei den verschiedenen Behandlungen_
_zutage._

Abb. 7 – Durchschnittliche Stickstoffmenge aus Düngungen mit markiertem N (in g, n=5) in den
jährlichen (A) und mehrjährigen Organen (B) der Weinpflanzen. Die Fehlerlinien zeigen die
Standardabweichung. Die Ergebnisse in der Abbildung sind Gegenstand einer in Vorbereitung
befindlichen Veröffentlichung für die Zeitschrift Italus Hortus.

Petrillo, Zanotelli, Lucchetta, Aguzzoni, Tagliavini, Andreotti

Tabelle 3 –Gehalt (% Trockengewicht ± Standardabweichung) an Makroelementen in den Pflanzen-
blättern der vier Behandlungen im Vergleich. Die verschiedenen Buchstaben zeigen deutliche
Unterschiede zwischen den Werten der gleichen Spalte an (Tukey-HSD-Test, p<0,05). Die
Ergebnisse in der Tabelle sind Gegenstand einer in Vorbereitung befindlichen Veröffentlichung für
die Zeitschrift Italus Hortus.

```
Behandlung N % P % K % Mg % Ca %
```

```
Kontrolle 2,9 ± 0,21 0,38 ± 0,07a 1,61 ± 0,21b 0,27 ± 0,04 2,29 ± 0,1a
```

```
Kompost 2,9 ± 0,19 0,28 ± 0,01b 1,98 ± 0,41ab 0,29 ± 0,04 1,87 ± 0,28ab
```

```
Biochar +
Kompost
```

```
2,7 ± 0,2 0,27 ± 0,05b 2,21 ± 0,46ab 0,28 ± 0,02 1,67 ± 0,35b
```

```
Biochar 2,7 ± 0,19 0,25 ± 0,02b 2,41 ± 0,21a 0,30 ± 0,03 1,68 ± 0,29b
```

Tabelle 4 –Gehalt (% Trockengewicht ± Standardabweichung) an Mikroelementen in den Pflanzen-
blättern der vier Behandlungen im Vergleich. Die Ergebnisse in der Tabelle sind Gegenstand einer
in Vorbereitung befindlichen Veröffentlichung für die Zeitschrift Italus Hortus.

```
Behandlung B Mn Fe Cu Zn
```

```
Kontrolle 46,06 ± 5,24 16,81 ± 1,22 146,27 ± 13,72 8,06 ± 2,21 31,99 ± 3,82
```

```
Kompost 46,56 ± 6,63 15,78 ± 2,18 139,13 ± 20,38 9,07 ± 0,72 37,93 ± 8,45
```

```
Biochar +
Kompost
```

```
45,59 ± 9,99 15,52 ± 2,48 148,75 ± 14,61 8,75 ± 0,96 41,97 ± 4,37
```

```
Biochar 43,76 ± 10,29 16,18 ± 3,98 161,55 ± 40,81 8,70 ± 1,04 39,40 ± 4,53
```

```
Anwendung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel
```

#### 3. Wirkungen der Nutzung von Biochar auf die hydrischen

#### Eigenschaften der Substrate und die potenziellen

#### Stickstoffverluste durch Auslaugung

3.1 Angewandte Methode

3.1.1 Gravimetrische Ermittlung der hydrischen Eigenschaften der
Substrate
_Zwanzig Gefäße mit einem Volumen von je 23 l wurden mit den Substraten_
_gefüllt, die den in Tabelle 1 beschriebenen Behandlungen entsprechen. Für je-_
_des Substrat im Vergleich wurden fünf Töpfe vorbereitet, die dann auf circa_
[^10]: _cm hohe Metallständer in Plastikuntersetzer einer für den Topfdurchmes-_
_ser angemessenen Größe gestellt wurden. Dann wurden die Substrate mit_
_Wasser übersättigt, bis das Wasser reichlichaus den Töpfen lief. Nachdem das_
_aus den Töpfen laufende Sickerwasser beseitigt wurde (circa 36 Stunden nach_
_der anfänglichen Wasserzufuhr) wurden die einzelnen Töpfe gewogen und_
_der Wassergehalt unter Feldkapazität der verschiedenen Substrate durch Ab-_
_zug ihres Trockengewichts berechnet._

3.1.2 Kontinuierliche Messung des Wassergehalts und des
Wasserpotenzials des Bodens
_Der Wassergehalt (m_[^3]_/m_[^3]_) und das Wasserpotenzial (kPa) der Substrate wur-_
_den kontinuierlich mit kapazitiven Sonden (Typ 10HS, Decagon Devices) und_
_tensiometrischen Sonden (MPS6, Decagon Devices) gemessen, die zuvor für_
_jedes der zum Vergleich vorbereiteten Substrate kalibriert wurden. Aus den_
_mit den Kalibrierungstests erstellten Kurven des Wasserspeichervermögens_
_konnte der Wassergehalt der verschiedenen Substrate in Bezug auf das der_
_Feldkapazität entsprechende Wasserpotenzial (-33 kPa) und den permanen-_
_ten Welkepunkt (-1500 kPa) gemessen und das für die Pflanzen verfügbare_
_Wasservolumen per Differenz geschätzt werden._

3.1.3 Simulation einer Auslaugung
_DieserVersuch sollte die Bedingungen eines ergiebigenRegenfalls sofort nach_
_einer Zufuhr von Stickstoffdünger in Form von Nitrat (N-NO_[^3]:_) simulieren,_
_um die Wirkung des Biochar-Bodenverbesserungsmittels auf die potenziellen_

Petrillo, Zanotelli, Lucchetta, Aguzzoni, Tagliavini, Andreotti

_Stickstoffverluste durch Auslaugung einzuschätzen. Die Töpfe wurden auf_
_Feldkapazität gebracht und dann jeweils mit einer Lösung aus 4 g N-NO_[^3]: _in_
_200 ml Wasser gedüngt. Diese Menge entspricht einer Stickstoffzufuhr von_
_circa 20 kg/ha in einem Weinberg mit einer Dichte von 5.000 Rebstöcken pro_
_Hektar. Circa 76 Stunden nach der Düngung (für ein gutes Eindringen der N-_
_NO_[^3]:_-Lösung entlang des gesamten Topfprofils erforderlicher Zeitraum)_
_wurde ein ergiebiger Regenfall simuliert, indem auf jeden Topf ein Volumen_
_von 2 l Wasser verteilt wurde (entsprechend circa 24 mm Niederschlag). Das_
_nach der Flüssigkeitszufuhr entstandene Auslaugungswasser wurde vollstän-_
_dig in den Untersetzerngesammelt und dann in einen skalierten Zylinder um-_
_gefüllt, um das Gesamtvolumen berechnen zu können. Ein Anteil des Auslau-_
_gungswassers wurde in Ampullen zu 200 ml aufbewahrt, um dann auf seinen_
_Gehalt an N-NO_[^3]: _untersucht zu werden._

3.1.4 Statistische Analyse
_Die Daten wurden mit der Software R durch Vergleich der Gruppen mittels_
_Varianzanalyse untersucht, nachdem die Normalitäts- und Homogenitätsana-_
_lysen der Varianz überprüft worden waren. Die in Prozentsätzen ausgedrück-_
_ten Ergebnisse wurden vor der Varianzanalyse in logarithmische Werte um-_
_geformt._

3.2 Ergebnisse

3.2.1 Charakterisierung der hydrischen Eigenschaften der mit
Biochar verbesserten Böden
_Aus der Kombination der gravimetrischen Messungen des Wassergehalts bei_
_Feldkapazität und den kontinuierlich von den Sonden zur Messung des Was-_
_serpotenzials und Wassergehalts der Substrate gelieferten Informationen_
_konnten die Wirkungen des Zusatzes von Bodenverbesserungsmitteln auf die_
_hydraulischen Eigenschaften der zum Vergleich stehenden Substrate be-_
_stimmt werden. Die Kurve von Wassergehalt vs. Wasserpotenzial des Bodens_
_fällt im Falle der mit Biochar verbesserten Substrate gradueller aus (Abb. 8)._
_Demzufolge liegen die Werte des Wasserpotenzials bei Feuchtigkeitswerten_
_der Erde von circa 16 % im Kontrollsubstrat bereits nahe am permanenten_
_Welkepunkt, während die des mit Biochar versetzten Substrat dieses Niveau_

```
Anwendung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel
```

_erst mit niedrigeren Werten des Wassergehalts der Erde erreichen (ungefähr_
_12 %)._

Abb. 8 –Wasserretentionskurve (Wassergehalt in m[^3]/m[^3]vs Wasserpotenzial in -kPa) der Substrate
im Vergleich. Die Ergebnisse in der Abbildung sind Gegenstand einer in Vorbereitung befindlichen
Veröffentlichung für die Zeitschrift Italus Hortus.

_Das für die Pflanzen zur Verfügung stehende Wasser, berechnet als Differenz_
_zwischen dem Wassergehalt der Substrate bei Feldkapazität und dem perma-_
_nenten Welkepunkt, erwies sich als signifikant erhöht durch den Zusatz des_
_Bodenverbesserungsmittels mit Biochar (Tab. 5). Insbesondere waren sowohl_
_die Behandlung mit durch Kompost aktiviertem Biochar als auch die Behand-_
_lung mit Biochar allein in der Lage, das für die Pflanzen verfügbare Wasser-_
_volumen im Vergleich zur Kontrollgruppe um circa 30 % zu erhöhen, wäh-_
_rend der Zusatz von Kompost allein zu einer geringeren, aber dennoch signi-_
_fikanten Zunahme führte (circa 19 %)._

Petrillo, Zanotelli, Lucchetta, Aguzzoni, Tagliavini, Andreotti

Tabelle 5 – Wirkung der Behandlungen mit Bodenverbesserungsmittel auf den Wassergehalt der
Substrate bei Feldkapazität und auf das für die Pflanzen zur Verfügung stehende Wasservolumen.
Die verschiedenen Buchstaben zeigen deutliche Unterschiede zwischen den Werten der gleichen
Spalte an (Tukey-HSD-Test, p<0,05). Die Ergebnisse in der Tabelle sind Gegenstand einer in
Vorbereitung befindlichen Veröffentlichung für die Zeitschrift Italus Hortus.

```
Behandlung Wassergehalt bei
Feldkapazität (m[^3]/m[^3])
```

```
Den Pflanzen zur
Verfügung
stehendes Wasser
(m[^3]/m[^3])
```

```
Kontrollgruppe 0,38d[^1] 0,22c
Kompost 0,39c 0,27b
Biochar + Kompost 0,43a 0,31a
Biochar 0,42b 0,31a
```

3.2.2 Wirkung der Anwendung von Biochar auf die
Stickstoffverluste durch Auslaugung
_In Abbildung 9 ist der Prozentsatz an N-NO_[^3]: _aufgeführt, der am Ende der_
_Simulation des Regenfalls durch Auslaugung verloren gegangen war. Dieser_
_Prozentsatz ist das kombinierte Resultat aus dem Gehalt von N-NO_[^3]:_, der an-_
_hand von Proben der verschiedenen Substrate nach der Düngung und direkt_
_vor der Beregnung ermittelt wurde, aus dem Gesamtvolumen der gesammel-_
_ten Auslaugungslösung und der in dieser Lösung gemessenen Konzentration_
_von N-NO_[^3]:_. Die Verluste durch Auslaugung lagen im Durchschnitt zwischen_
_circa 10 und 16 % des anfänglich in den Töpfen vorhandenen N-NO_[^3]:_. Im Ver-_
_gleich waren die Behandlungen mit Kompost und Biochar durch größere Ver-_
_luste gegenüber der Kontrollgruppe gekennzeichnet. Der Zusatz von Kom-_
_post zu Biochar senkt die Verluste von N-NO_[^3]: _gegenüber denen bei alleiniger_
_Anwendung von Biochar oder Kompost deutlich; diese liegen auf einem ähn-_
_lichen Niveau wie in der Kontrollgruppe (11,3 bei Biochar und Kompost und_
_10,8 % bei der Kontrollgruppe)._

```
Anwendung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel
```

Abb. 9 – Prozentsatz an Nitrat-Stickstoff (N-NO[^3]:), der von dem insgesamt nach der Düngung und
direkt vor dem Auslaugungsereignis in den Töpfen vorhandenen N-NO[^3]: durch Auslaugung verloren
geht. Die Ergebnisse in der Abbildung sind Gegenstand einer in Vorbereitung befindlichen
Veröffentlichung für die Zeitschrift Italus Hortus.

#### 4. Wirkungen der Anwendung von Biochar auf den

#### physiologischen Zustand der einem zunehmenden

#### Trockenstress ausgesetzten Weinpflanzen

4.1 Angewandte Methode

4.1.1 Pflanzliches Material und Anwendung von Trockenstress
_Der Test wurde mit zweijährigen Wein-Jungpflanzen der Sorte cv. Pinot nero_
_auf Wurzelstock SO4 durchgeführt. Für jede der in Tabelle 1 aufgeführten vier_
_Behandlungen wurden Anfang Mai 2019 sechs Pflanzen in 23-Liter-Töpfe ge-_
_setzt; dann ließ man sie bis zur vollständigen Entwicklung des Laubs in einem_
_Plastiktunnel wachsen. Die Pflanzen schienen in etwa gleichermaßen kräftig_
_gewachsen und ihre Blattoberfläche ähnlich gut entwickelt zu sein. Sie wur-_
_den daraufhin einer Trockenperiode ausgesetzt (ohne jegliche Wasserzufuhr);_

Petrillo, Zanotelli, Lucchetta, Aguzzoni, Tagliavini, Andreotti

_während dieser wurde der sich allmählich entwickelnde Trockenstress durch_
_wiederholte Messung der im Folgenden beschriebenen physiologischen Para-_
_meter überwacht. Im Einzelnen wurden zwei Trockenstresszyklen an ebenso_
_vielen Pflanzensets erprobt. Der erste Zyklus dauerte 17 Tage und fand von_
_Mitte Juli bis Anfang August statt, während der zweite Zyklus im Zeitraum_
_von Ende August bis Mitte September durchgeführt wurde und insgesamt 20_
_Tage dauerte. In beiden Fällen wurden die Pflanzen nach Erreichen einer vor-_
_gegebenen Stressschwelle, die einem mittags gemessenen Wasserpotenzial-_
_wert des Stammes unter -1,5 MPa entsprach, erneut reichlich gegossen und_
_ihre Erholung vom Stresszustand in physiologischer Hinsicht überwacht._

4.1.2 Überwachung des physiologischen Zustands der Pflanzen
bei zunehmendem Trockenstress
_Der zunehmende Trockenstress, unter dem die Weinpflanzen litten, die über-_
_haupt kein Wasser mehr erhielten, wurde durch Ermittlung folgender auf_
_Blattebene gemessener physiologischer Parameter überwacht._

- Wasserpotenzial des Stammes um 12 Uhr mittags (ΨMD, Werte in MPa),
gemessen an einem Blatt pro Pflanze (drei Messungen pro Behandlung
und pro Zeitraum). Die Messungen wurden mithilfe einer Druckkammer
(Pump-up Pressure Chamber, PMS Instrument Comp. USA) in Abständen
von 3-4 Tagen während beider Stresszyklen und während der späteren Er-
holung nach der Bewässerung (Rewatering) vorgenommen.
- Nettoassimilation von CO2(oder Nettofotosynthese, μmol/m[^2]s), gemessen
an einem Blatt pro Pflanze (drei Messungen pro Behandlung und Zeit-
raum). Für die Messungen wurde ein tragbarer Infrarot-Gasanalysator
verwendet (LC-pro ADC, Hoddesdon Bioscientific, Ltd., UK).

4.1.3 Statistische Analyse
_Die Daten wurden mit der Software R durch Vergleich der Gruppen mittels_
_Varianzanalyse untersucht, nachdem die Normalitäts- und Homogenitätsana-_
_lysen der Varianz überprüft worden waren._

```
Anwendung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel
```

4.2 Ergebnisse
_Die nicht gegossenen Pflanzen wiesen, unabhängig vom Substrat, einen zu-_
_nehmenden Trockenstress auf, wie die immer niedrigeren Werte des Mittags-_
_wasserpotenzials (ΨMD) zeigen (Abb. 10A und 11A). Beim ersten Stresszyklus_
_vor allem, nach 17 Tagen ohne jegliche Bewässerung wurden Werte von ΨMD_
_unter -1,6 MP erreicht, die bei der Weinpflanze typisch für ein hohes Stressni-_
_veau sind (Abb. 10A). Im Laufe des zweiten Stresszyklus im Zeitraum August-_
_September wurde nach circa 20 Tagen ein ernsthafteres Trockenstressniveau_
_erreicht. Die Werte des ΨMD lagen im Durchschnitt bei circa -1.4 MPa (Abb._
_11A). Für den Parameter des ΨMD ergaben sich keine statistisch signifikanten_
_Differenzen zwischen den verschiedenen Behandlungen, auch wenn die auf_
_dem mit Biochar verbesserten Substrat wachsenden Pflanzen am Ende beider_
_Stresszyklen im Durchschnitt höhere Werte aufwiesen (geringerer Trocken-_
_stress der Pflanze). In Übereinstimmung mit den Werten des Parameters ΨMD_
_erwies sich auch die Nettofotosynthese für beide Messzyklen unter zuneh-_
_mendem Trockenstress stark reduziert (Abb. 10B und 11B). Im Laufe des ers-_
_ten Zyklus (Abb. 10B), lag die Nettofotosynthese der Blätter der Kontroll-_
_gruppe und der mit Kompost behandelten Pflanzen auf dem höchsten Stress-_
_niveau nahe bei null, während die auf dem mit Biochar verbesserten Substrat_
_wachsenden Pflanzen noch in der Lage waren, Fotosynthese zu betreiben_
_(circa 3 μmol/m_[^2]_/s) und somit ein deutlich anderes Verhalten zeigten. Diese_
_Tendenz (stärkere Fotosynthese der auf Biochar wachsenden Pflanzen bei ho-_
_hem Trockenstress) bestätigte sich auch beim zweiten Trockenstresszyklus_
_(Abb. 11B), auch wenn sich die Unterschiede beim statistischen Test nicht als_
_signifikant erwiesen. Bei Wiederaufnahme der Bewässerung erholten sich die_
_Pflanzen in beiden Zyklen schnell von dem Stresszustand und kehrten zu ähn-_
_lichen Werten von ΨMD und Fotosynthese zurück wie vor dem Stress. Nach_
_dem ersten Zyklus war die Erholung komplett, nach dem zweiten erholten_
_sich die Pflanzen (was den Parameter der Nettofotosynthese anbelangt) nur_
_zum Teil, wahrscheinlich auch aufgrund der bereits weiter fortgeschrittenen_
_phänologischen Phase der Blätter. Während ihrer Erholung vom Stress wiesen_
_die Pflanzen keine auf die unterschiedlichen Behandlungen zurückzuführen-_
_den signifikanten Unterschiede auf._

Petrillo, Zanotelli, Lucchetta, Aguzzoni, Tagliavini, Andreotti

Abb. 10 –Erster Trockenstresszyklus A) Wasserpotenzial des Stammes (MPa); B) Nettoassimilation
(Fotosynthese) (μmol/m[^2]/s). Die Fehlerlinien zeigen die Standardabweichung. Die Werte der letzten
beiden Datumsangaben beziehen sich auf die Phase der Erholung vom Stresszustand nach
Wiederaufnahme der Bewässerung. Die Ergebnisse in der Abbildung sind Gegenstand einer in
Vorbereitung befindlichen Veröffentlichung für die Zeitschrift Italus Hortus.

Abb. 11 – Zweiter Trockenstresszyklus A) Wasserpotenzial des Stammes (MPa); B) Netto-
assimilation (Fotosynthese) (μmol/m[^2]/s). Die Fehlerlinien zeigen die Standardabweichung. Die
Werte der letzten Datumsangabe bezieht sich auf die Phase der Erholung vom Stresszustand nach
Wiederaufnahme der Bewässerung. Die Ergebnisse in der Abbildung sind Gegenstand einer in
Vorbereitung befindlichen Veröffentlichung für die Zeitschrift Italus Hortus.

```
Anwendung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel
```

#### 5. Schlussbemerkungen

_Die Versuche mit Weinpflanzen, die auf den mit Biochar verbesserten Subs-_
_traten gewachsen waren und mit markiertem Ammoniumnitrat gedüngt wur-_
_den, haben verdeutlicht, dass Biochar die Dynamik der Aufnahme und Ver-_
_teilung des Stickstoffs innerhalb der verschiedenen Pflanzenorgane nicht sig-_
_nifikant verändert (Abb. 7). Die mit isotopischem Tracer durchgeführte Studie_
_zurWirkung von Biochar auf den Stickstoffzyklus inWeinpflanzen ist unserer_
_Kenntnis nach eine Neuheit. Anhand der Studie konnte außerdem festgestellt_
_werden, dass auch der Zusatz von Kompost zu Biochar keine signifikanten_
_Unterschiede in der Aufnahme- und Verteilungsdynamik des aus Düngung_
_stammenden Stickstoffs in der Pflanze bewirkt. Das Thema der Wirkung des_
_Biochar-Zusatzes auf die Effizienz der Stickstoffdüngung muss außerdem die_
_Aspekte der Auslaugungserscheinungen berücksichtigen. Unter den oben be-_
_schriebenen Versuchsbedingungen erhöht das Vorhandensein von Biochar im_
_Substrat die Verluste durch Auslaugung deutlich um 5–6 % gegenüber der_
_Kontrollgruppe (Abb. 9). Dieser Hinweis scheint teilweise in Widerspruch zu_
_einigen in der Einleitung zitierten wissenschaftlichen Arbeiten zu stehen_
_(Lehmann et al., 2003; Ventura et al., 2012; Yao et al., 2012), die einen verrin-_
_gerten Verlust verschiedener Stoffe durch Auslaugung anführen; er stimmt_
_jedoch mit anderen Forschungen überein, die unter Freilandbedingungen in_
_Obstplantagen durchgeführt wurden. Insbesondere wurden in Übereinstim-_
_mung mit den Erkenntnissen von Hardie et al. (2015) unter den beschriebenen_
_Versuchsbedingungen größere Volumen an Auslaugungslösung aus mit Bio-_
_char behandelten Substraten gesammelt bei unveränderten Stickstoffkonzent-_
_rationen in der Lösung. Daraus ergeben sich höhere Verluste dieses Stoffes_
_durch Auslaugung. Die von uns durchgeführten Untersuchungen bestätigen_
_klar die Wirkung von Biochar auf das Wasserspeichervermögen des Substrats._
_In Übereinstimmung mit anderen Studien (siehe Review von Glaser et al.,_
_2002) erhöht der Zusatz von Biochar den Wassergehalt des Bodens bei Feld-_
_kapazität und das den Pflanzen zur Verfügung stehende Gesamtwasservolu-_
_men deutlich (Abb. 8 und Tabelle 5). Das Vorhandensein von Biochar im Sub-_
_strat verlängert den Zeitraum, in dem der Boden in einem der Feldkapazität_

Petrillo, Zanotelli, Lucchetta, Aguzzoni, Tagliavini, Andreotti

_nahen Zustand bleibt. Zwar kann dieser Aspekt vom Standpunkt der Wasser-_
_speicherung für eine angemessene Versorgung der Pflanzen als positiv be-_
_trachtet werden, vom Standpunkt der Risiken eines Verlusts durch Auslau-_
_gung von Nährstoffen (insbesondere Stickstoff) muss er jedoch als problema-_
_tisch bewertet werden. Im Falle wiederholter Regenfälle, die den Boden auf_
_einem Feuchtigkeitsniveau über der Feldkapazität halten, können eventuelle_
_frühere Düngegaben (insbesondere Stickstoff) in den mit Biochar verbesserten_
_Böden zu größeren Verlusten durch Auslaugung führen als in den entspre-_
_chenden, nicht verbesserten Böden. In der Praxis erfordert bei den mit Biochar_
_verbesserten Böden die Synchronisierung der Zufuhr mobiler Nährstoffe mit_
_dem Feuchtigkeitsniveau der Böden in niederschlagsreichen Zeiträumen be-_
_sondere Aufmerksamkeit. Daher sollten fraktionierte Düngegaben (geringere,_
_von einer eventuellen Auslaugung betroffene Menge an Nährstoffen) zu Zei-_
_ten, die in Bezug auf die Niederschläge möglichst stabil sind (geringere Nie-_
_derschlagswahrscheinlichkeit), bevorzugt werden._

_Die größere Verfügbarkeit von Wasser in dem mit Biochar verbesserten Boden_
_führt zu einer höheren Resistenz der Weinpflanzen unter großem Trocken-_
_stress (Abb. 10 und 11). Vor allem bei Werten des ΨMD unter – 1,6 MPa blieb_
_der Gasaustausch bei den auf Substrat mit Biochar gewachsenen Pflanzen auf_
_einem deutlich höheren Niveau, wie die auf Blattebene gemessenen_
_Nettofotosyntheseraten zeigen. Diese Ergebnisse bestätigen die Erkenntnisse_
_von Baronti et al. (2014) und von Genesio et al. (2015), die berichten, dass sich_
_der bessere allgemeine physiologische Zustand der Weinpflanzen in den mit_
_Biochar verbesserten Weinbergen gerade in Jahren, die durch hohe Trocken-_
_heit gekennzeichnet sind, im Vergleich zu den nicht verbesserten Böden in_
_einer deutlich höheren Performance in Hinblick auf die Nettoassimilierung,_
_das Pflanzenwachstum und Produktivität niederschlugen._

_Die Ergebnisse einiger an getopften Weinpflanzen durchgeführten Tests_
_konnten verdeutlichen, dass es vom agronomischen Gesichtspunkt keine we-_
_sentlichen Hinderungsgründe für eine Nutzung von Biochar als Bodenverbes-_
_serungsmittel gibt, während der ökologische Mehrwert einer Beimischung_

```
Anwendung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel
```

_von Biochar zum Boden als Maßnahme zur Milderung des Klimawandels be-_
_stehen bleibt (Verringerung von C in der Atmosphäre und stabile Bindung_
_dieses Stoffes im Boden). Bei Trockenheit kann Biochar die Verfügbarkeit von_
_Wasser für die Pflanzen erhöhen und deren Verträglichkeit hoher Stressni-_
_veaus verbessern. Besondere Aufmerksamkeit beim Düngen erfordern hinge-_
_gen Böden, die sehr feucht sind oder sich ständig nahe dem Niveau der Feld-_
_kapazität befinden, da Biochar im Boden zu einer Zunahme der Verluste_
_durch Auslaugung führen kann._

Literaturverzeichnis
_Abel, S., Peters, A., Trinks, S., Schonsky, H., Facklam, M., Wessolek, G. (2013)._
_Impact of biochar and hydrochar addition on water retention and water_
_repellency of sandy soil. Geoderma, 202–_[^203]:_, 183–91. Zugriff über_
_https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2013.03.003_
_Andrenelli, M.C., Maienza, A., Genesio, L., Miglietta, F., Pellegrini, S., Vaccari,_
_F.P., Vignozzi, N. (2016). Field application of pelletized biochar: Short term_
_effect on the hydrological properties of a silty clay loam soil. Agricultural_
_Water Management, 163, 190–6. Zugriff über https://doi.org/10.1016/_
_j.agwat.2015.09.017_
_Baronti S., Vaccari, F.P., Miglietta, F., Calzolari, C., Lugato, E., Orlandini, S.,_
_Pini, R., Zulian, C., Genesio, L. (2014). Impact of biochar application on_
_plant water relations in Vitis vinifera (L.). European Journal of Agronomy, 53,_
_38–44. Zugriff über https://doi.org/10.1016/j.eja.2013.11.003_
_Genesio, L., Miglietta, F., Baronti, S., Vaccari, F.P. (2015). Biochar increases_
_vineyard productivity without affecting grape quality: Results from a four_
_years field experiment in Tuscany. Agriculture, Ecosystems and Environment,_
_201,_ [^20]:_–5. Zugriff über https://doi.org/10.1016/j.agee.2014.11.021_
_Glaser, B., Lehmann, J., Zech, W. (2002). Ameliorating physical and chemical_
_properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal - A_
_review. Biology and Fertility of Soils, 35(4),_ [^219]:_–30. Zugriff über_
_https://doi.org/10.1007/s00374-_[^002]:_-_[^0466]:_-4_

Petrillo, Zanotelli, Lucchetta, Aguzzoni, Tagliavini, Andreotti

_Hardie, M., Clothier, B., Bound, S., Oliver, G., Close, D. (2014). Does biochar_
_influence soil physical properties and soil water availability? Plant and Soil,_
_376(1–2), 347–61. Zugriff über https://doi.org/10.1007/s11104-_[^013]:_-1980-x_
_Hardie, M.A., Oliver, G., Clothier, B.E., Bound, S.A., Green, S.A., Close, D.C._
_(2015). Effect of Biochar on Nutrient Leaching in a Young Apple Orchard._
_Journal of Environmental Quality, 44(4), 1273–82. Zugriff über_
_https://doi.org/10.2134/jeq2015.02.0068_
_Laird, D., Fleming, P., Wang, B., Horton, R., Karlen, D. (2010). Biochar impact_
_on nutrient leaching from a Midwestern agricultural soil. Geoderma, 158(3–_
_4),_ [^436]:_–42. Zugriff über https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2010.05.012_
_Lehmann, J., Da Silva, J.P., Steiner, C., Nehls, T., Zech, W., Glaser, B. (2003)._
_Nutrient availability and leaching in an archaeological Anthrosol and a_
_Ferralsol of the Central Amazon basin: Fertilizer, manure and charcoal_
_amendments. Plant and Soil, 249(2),_ [^343]:_–57. Zugriff über_
_https://doi.org/10.1023/A:1022833116184_
_Lehmann, J. (2007). A handful of carbon. Nature, 447,_ [^143]:_-144. Zugriff über_
_https://doi.org/10.1038/447143a_
_Novak, J., Lima, I., Xing, B., Gaskin, J., Steiner, C., Das, K., Ahmedna, M.,_
_Rehrah, D., Watts, D., Busscher, W. (2009). Characterization of designer_
_biochar produced at different temperatures and their effects on a loamy_
_sand. Annals of Environmental Science, 3(1),_ [^195]:_–206_
_Novak, J.M., Busscher, W.J., Watts, D.W., Amonette, J.E., Ippolito, J.A., Lima,_
_I.M., Gaskin, J., Das, K.C., Steiner, C., Ahmedna, M., Rehrah, D.,_
_Schomberg, H. (2012). Biochars impact on soil-moisture storage in an_
_ultisol and two aridisols. Soil Science, 177(5),_ [^310]:_–20. Zugriff über_
_https://doi.org/10.1097/SS.0b013e31824e5593_
_Pump, C., Keiblinger, K.M., Scheiblauer, E., Johnen, S., Lehto, N.J., Soja, G.,_
_Zehetner, F. (2019). Temporal Changes in the Efficiency of Biochar- and_
_Compost-Based Amendments on Copper Immobilization in Vineyard_
_Soils. Soil Systems, 3(4), 78. Zugriff über https://doi.org/10.3390/_
_soilsystems3040078_
_Schmidt, H.P., Kammann, C., Niggli, C., Evangelou, M.W.H., Mackie, K.A.,_
_Abiven, S. (2014). Biochar and biochar-compost as soil amendments to a_
_vineyard soil: Influences on plant growth, nutrient uptake, plant health_

```
Anwendung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel
```

_and grape quality. Agriculture, Ecosystems and Environment, 191, 117–23._
_Zugriff über https://doi.org/10.1016/j.agee.2014.04.001_
_Soja, G., Wimmer, B., Rosner, F., Faber, F., Dersch, G., von Chamier, J.,_
_Pardeller, G., Ameur, D., Keiblinger, K., Zehetner, F. (2018). Compost and_
_biochar interactions with copper immobilisation in copper-enriched_
_vineyard soils. Applied Geochemistry, 88, 40–8. Zugriff über_
_https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2017.06.004_
_Ventura, M., Sorrenti, G., Panzacchi, P., George, E., Tonon, G. (2013). Biochar_
_Reduces Short-Term Nitrate Leaching from A Horizon in an Apple_
_Orchard. Journal of Environmental Quality, 42(1),_ [^76]:_–82. Zugriff über_
_https://doi.org/10.2134/jeq2012.0250_
_Verheijen, F.G.A., Jeffery, S., Bastos, A.C., van der Velde, M., and Diafas, I._
_(2009). Biochar Application to Soils - A Critical Scientific Review of Effects on_
_Soil Properties, Processes and Functions. EUR 24099 EN, Office for the Official_
_Publications of the European Communities, Luxembourg_
_Yao, Y., Gao, B., Zhang, M., Inyang, M., Zimmerman, A.R. (2012). Effect of_
_biochar amendment on sorption and leaching of nitrate, ammonium, and_
_phosphate in a sandy soil. Chemosphere, 89(11), 1467–71. Zugriff über_
_https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2012.06.002_

## Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden

## auf Treibhausgas-Emissionen und

## Kohlenstoffbestand

**Irene Criscuoli – Freie Universität Bozen**
**Maurizio Ventura – Freie Universität Bozen**
**Pietro Panzacchi – Freie Universität Bozen / Università degli Studi del Molise**
**Bruno Glaser – Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Deutschland**
**Katja Wiedner – Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Deutschland**
**Christian Ceccon– Freie Universität Bozen**
**Maximilian Loesch – Versuchszentrum Laimburg**
**Barbara Raifer – Versuchszentrum Laimburg**
**Giustino Tonon– Freie Universität Bozen**

Abstract
_In Südtirol gibt es circa 40 Vergasungs- und Pyrolyseanlagen, die jedes Jahr ungefähr_
_1.250 t Pflanzenkohle erzeugen. Diese Pflanzenkohle wird derzeit als Abfall entsorgt_
_und generiert somit Kosten für die Betreiber. Wenn die Pflanzenkohle bestimmte ge-_
_setzliche Parameter einhalten würde (Amtsblatt 186 12.08.2015) könnte sie als „Biochar“_
_definiert und auf Agrarböden verteilt werden, um deren Qualität und den Ertrag der_
_Kulturen zu verbessern. Biochar kann dank seines hohen Gehalts an Kohlenstoff (C)_
_und der Stabilität seinerchemischen Struktur außerdem zur permanenten Bindung von_
_C im Boden beitragen und so einen Beitrag zur Milderung des Klimawandels leisten._
_Die große Variabilität der veröffentlichten Ergebnisse macht jedoch eine Überprüfung_
_der möglichen spezifischen Bedingungen für seine Anwendung im Südtirol erforder-_
_lich. In diesem Kapitel sind die Ergebnisse eines über zweieinhalbJahre in einem Wein-_
_berg in der Nähe von Meran durchgeführten Versuchs aufgeführt, bei dem die tatsäch-_
_liche Stabilität des aus Holzhackschnitzeln gewonnenen Biochars im Boden und seine_
_Wirkung auf die Treibhausgasemissionen evaluiert werden sollte. Dem Boden des_
_Weinbergs wurde Biochar zugesetzt, einmal in zwei Dosen reinen Biochars (20 und 50_

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

_t/ha) und einmal in Verbindung mit Kompost (45 t/ha), und dann mit dem Kontrollbo-_
_den ohne Zusätze verglichen. Die Stabilität desBiocharsim Boden wurde nach der Ver-_
_teilung der Bodenverbesserungsmittel zu verschiedenen Zeitpunkten (drei Wochen, ein_
_Jahr und zwei Jahre) und mit zwei unterschiedlichen Methoden evaluiert: isotopische_
_Massenbilanz, Quantifizierung aromatischer Polycarbonsäuren (BPCA) und moleku-_
_lare Kohlenstoffmarker. Die Treibhausgasemissionen (CO_[^2]_, CH_[^4]_, N_[^2]_O) aus dem Boden_
_wurden anhand eines Gasanalysators mit einer Cavity-ring-down-Spektroskopie_
_(CRDS) und einem System dynamischer geschlossener Kammern gemessen. Die Ergeb-_
_nisse haben gezeigt, dass Biochar signifikant zu einer Verringerung der N_[^2]_O-Emissio-_
_nen des Bodens und zu einem Anstieg der CO_[^2]_-Emissionen beigetragen hat, aber zeit-_
_lich begrenzt und in geringem Umfang, während es keine Auswirkungen auf die CH_[^4]_-_
_Emissionen hatte. Die Schätzung der Stabilität von Biochar im Boden wurde von der_
_angewandten Methode beeinflusst und kennzeichnete sich durch große Unsicherheit._
_Die Methode der isotopischen Massenbilanz hat nur bei der Behandlung B1 (25 t/ha)_
_einen signifikanten Abbau des Biochars zum Vorschein gebracht, wobei die durch-_
_schnittliche Verweilzeit (MRT) im Boden 2,7 Jahre betrug. Bei beiden Dosierungen_
_konnte mit der BPCA-Methode kein signifikanter Abbau von Biochar im Boden festge-_
_stellt werden. Auf Grundlage der Ergebnisse dieses mittelfristigen Feldversuches kann_
_man die Schlussfolgerung ziehen, dass die Anwendung von Biochar aus Vergasungs-_
_prozessen als Bodenverbesserungsmittel in der Landwirtschaft keine Kontraindikatio-_
_nen für die vom Boden ausgehenden Treibhausgasemissionen hat und zu einer Erhö-_
_hung des Kohlenstoffgehalts im Boden beiträgt. Es wären jedoch weitere Versuche er-_
_forderlich, um die Wirksamkeit dieser Methode für einelangfristige Milderung des Kli-_
_mawandels zu evaluieren._

#### 1. Einleitung

_In Südtirol gibt es ungefähr 40 Vergasungs- und Pyrolyseanlage, die Wärme-_
_energie, elektrische Energie und pro Jahr circa 1.250 Tonnen Pflanzenkohle_
_erzeugen, ein Rückstand aus der Energieerzeugung, der derzeit als Abfall ent-_
_sorgt wird und den Betreibern der Anlagen erhebliche Kosten verursacht._
_Pflanzenkohle ist jedoch seit nunmehr circa 15 Jahren weltweit Forschungsge-_
_genstand der wissenschaftlichen Gemeinschaft, da sie möglicherweise als Bo-_
_denverbesserungsmittel in der Landwirtschaft eingesetzt werden kann. Im_

```
Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden
```

_Falle einer Verteilung der Pflanzenkohle auf dem Boden wird diese als Bio-_
_char definiert; Biochar kann zur Verbesserung der chemischen (Ding et al.,_
_2016), physikalischen (Blanco-Canqui, 2017) und biologischen Eigenschaften_
_(Hardy et al., 2019) des Bodens beitragen und den Ertrag der Kulturen erhöhen_
_(Crane-Droesch et al.,2013; Liu et al., 2013). Außerdem kann Biochar aufgrund_
_seiner nur schwer von Mikroorganismen abbaubaren chemischen Struktur als_
_Strategie zur Erhöhung der Fähigkeit des Bodens, Kohlenstoff zu binden, ein-_
_gesetzt werden (Glaser et al., 2002), um den Klimawandel zu mildern._
_Trotzdem die italienischen Gesetze (Amtsblatt 186, 12.08.2015) die Nutzung_
_von Biochar als Bodenverbesserungsmittel in der Landwirtschaft erlauben, ist_
_es noch nicht sehr stark verbreitet. Die Gründe liegen teilweise in der Not-_
_wendigkeit, die wissenschaftlichen Ergebnisse zu evaluieren und an verschie-_
_dene ökologische Bedingungen und Kulturen anzupassen. Die zahlreichen_
_Studien über Biochar haben aufgrund der Komplexität der Faktoren, die eine_
_Rolle spielen, widersprüchliche Ergebnisse geliefert (Lehmann et al., 2015):_
_Biochar kann mit verschiedenen Technologien erzeugt werden, angefangen_
_bei verschiedenen Arten pflanzlicher Biomasse; außerdem kann es unter sehr_
_unterschiedlichen pedoklimatischen und agronomischen Bedingungen einge-_
_setzt werden (Gurwick et al., 2013)._
_Dieses Kapitel enthält die Ergebnisse einer Feldstudie, die im Rahmen des_
_Projekts WOOD-UP durchgeführt wurde, um die Wirkung der Verteilung von_
_Biochar, bei alleiniger Anwendung oder in Kombination mitKompost, auf die_
_Milderung des Klimawandels für die Südtiroler Agrarböden zu evaluieren. In_
_einem Weinberg in der Nähe von Meran wurde insbesondere die Stabilität_
_von Biochar im Boden und die mittelfristige Auswirkung seiner Anwendung_
_auf die vom Boden ausgehenden Treibhausgasemissionen (CO_[^2]:_, CH_[^4]:_, N_[^2]:_O)_
_geprüft._

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

#### 2. Materialien und Methoden

2.1 Versuchsstandort und Anwendung der Behandlungen
_Die in diesem Kapitel vorgestellte Arbeit ist das Ergebnis von Versuchen in_
_einem reifen Weinberg (cv. Müller Thurgau, im Jahr 2007 auf SO4 gepflanzt)_
_in der Nähe von Meran (BZ), auf einer Höhe von circa 600 m ü. d. M., der vom_
_Versuchszentrum Laimburg bewirtschaftet wird (Abb. 1). Das Klima der Re-_
_gion kennzeichnete sich in den 3 Jahren des Versuchs durch eine jährliche_
_Durchschnittstemperatur von 10,8 °C und jährliche Niederschläge von 896,9_
_mm (meteorologische Daten des Versuchszentrums Laimburg, Zentrale von_
_Fragsburg, Meran)._
_Bei dem Boden des Weinbergs handelt es sich um einen sandigen Lehmboden_
_gemäß USDA-Klassifikation, mit einem Gehalt von 64 % an Sand, 24 % an_
_Schlamm und 7 % Lehm. Der Boden ist wenig tief, reich an Skelett und kann_
_als Dystric Eutrochrept (USDA, 1999) eingestuft werden. Der Gehalt an orga-_
_nischem C beträgt 2,4±0,8 %, der pH-Wert 6,4±0,2 und die Rohdichte 1,1±0,1_
_g/cm_[^3]_. Während des Versuchswurde der Versuchsstandort nicht gedüngt und_
_nur im ersten Jahr bewässert (von Mai 2017 bis Juni 2018)._

```
Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden
```

Abb. 1 – Das Versuchsfeld (Foto oben) zum Zeitpunkt der Verteilung von Biochar und Kompost im
Mai 2017, direkt vor der Bearbeitung des Bodens zur Einarbeitung der landwirtschaftlichen
Verbesserungsmittel. Auf dem Foto sind die Versuchsparzellen zu sehen. In der Abbildung unten
ist der Versuchsentwurf in randomisierten Blöcken dargestellt.

```
Block 1 Block 2
B1 C BC1 B2 N BC2
6 5 4 3 2 1
```

```
B2 N BC2 B1 C BC1
7 8 9 10 11 12
```

```
Block 3 Block 4
C BC2 B1 B2 BC1 N
18 17 16 15 14 13
```

```
N B2 BC1 BC2 C B1
19 20 21 22 23 24
```

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

Tabelle 1 – Physikalische und chemische Eigenschaften des in dieser Arbeit verwendeten Biochars

[^1]:_Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe_

```
Parameter Einheit Wert Unsicherheit
```

```
pH-Wert - 12,4 0,5
```

```
Rohdichte g cm−3 0,165 -
```

```
Fraktion <5 mm % 100 10
```

```
Fraktion <2 mm % 97 10
```

```
Fraktion <0,5 mm % 70 7
```

```
Maximale Wasserretention % w/w 86 7
```

```
Asche (550 °C) % 31 3
```

```
Gesamt-C % 58,9 -
```

```
C in CaCO3 % 1,1 -
```

```
Organischer C % 57 5
```

```
H:C - 0,10 0,01
```

```
Gesamt-N % 0,39 0,04
```

```
C:N 151
```

```
Gesamt-P % 0,64 -
```

```
Gesamt-K % 3,5 0,5
```

```
PAK[^1] mg/kg <1 -
```

```
Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden
```

_Am 2. Mai 2017 wurden die Bodenverbesserungsmittel verteilt. Biochar fand in_
_zwei Dosierungen Anwendung (25 und 50 t/ha), allein oder in Kombination mit_
_45 t/ha Kompost. Außerdem wurde eine Behandlung nur mit Kompost vorge-_
_nommen (45 t/ha) und ein Kontrollboden vorgesehen (ohne Verteilung von Bo-_
_denverbesserungsmittel). Insgesamt wurden also sechs Behandlungen vergli-_
_chen: nicht verbesserter Kontrollboden (Behandlung N); 25 t/ha Biochar (Be-_
_handlung B1); 50 t/ha Biochar (Behandlung B2); 45 t/ha Kompost (Behandlung_
_C); 25 t/ha Biochar + 45 t/ha Kompost (Behandlung B1C); 50 t/ha Biochar + 45_
_t/ha Kompost (Behandlung B2C). Nach der Verteilung wurden die Bodenver-_
_besserungsmittel durch eine Oberflächenbearbeitung in die ersten 15 cm Tiefe_
_der Erde eingearbeitet. Die gleiche Bearbeitung wurde auch am Kontrollboden_
_ohne Bodenverbesserungsmittel durchgeführt, um für alle Behandlungen die_
_gleichen Störungsbedingungen zu gewährleisten. Für jede Behandlung wurden_
_vier Replikate vorgesehen, sodass sich eine Gesamtzahl von 24 Parzellen ergab,_
_die gemäß einem randomisierten Blockdiagramm verteilt wurden. Jede Par-_
_zelle verfügt über eine Fläche von circa 80 m_[^2] _und umfasst 20 Weinpflanzen,_
_die auf zwei nebeneinanderliegende Reihen verteilt sind (Abb. 1). In jeder Par-_
_zelle wurden die Bodenverbesserungsmittel im zentralen Zwischenraum der_
_Reihen und auf der Hälfte der beiden angrenzenden Reihenzwischenräume_
_verteilt, während die in dieser Arbeit beschriebenen Maßnahmen nur den zent-_
_ralen Zwischenraum der Reihen betrafen._

2.2 Verwendetes Biochar
_Das im Versuch verwendete Biochar besteht aus kleinen Bruchstücken (<5 mm)_
_und wurde bei einer Temperatur von circa 500 °C aus Nadelholz-Hackschnit-_
_zeln durch Schnell-Pyrolyse (fast pyrolysis) vom Unternehmen Record Immo-_
_biliare S.r.l. aus Lunano (PU), einem regulär eingetragenen Biochar-Hersteller,_
_erzeugt. Tabelle 1 enthält eine detaillierte Beschreibung der physikalischen und_
_chemischen Eigenschaften des Biochars._

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

2.3 Evaluierung der Stabilität des Biochars im Boden

2.3.1 Isotopische Massenbilanz
_Diese Methode beruht auf der Nutzung stabiler Kohlenstoffisotope. Die Isoto-_
_pensignatur des Kohlenstoffs ist das Verhältnis zwischen der Häufigkeit des_
_schwereren und des leichteren Isotops (13C/12C) und wird als Abweichung (δ,_
_‰) vom internationalen Bezugsstandard angegeben (Michener & Lajtha, 2007)._
_Im Mai 2017, zwei Wochen vor Verteilung der Behandlungen (Zeitpunkt t0),_
_wurden von jeder Versuchsparzelle mit einem Split-Tube-Sampler (Eijkelkamp,_
_Giesbeek, Holland) zwei Bodenproben bis zu einer Tiefe von 20 cm genommen,_
_also insgesamt 48 Proben. Mit der gleichen Methode wurden dann zu verschie-_
_denen Zeitpunkten nach Anwendung der Behandlungen nochmals Proben ge-_
_nommen: Drei Wochen danach (t1), ein Jahr danach (t2) und zwei Jahre danach_
_(t3). Die entnommenen Proben wurden gewogen und durch ein 2-mm-Sieb ge-_
_geben, um eventuell vorhandene Steine und Wurzeln von der feinen Erde zu_
_trennen. Die aus den einzelnen Proben ausgesonderten Steine wurden gewogen_
_und ihr Volumen durch Eintauchen in Wasser gemessen, um die Dichte der_
_Steine zu bestimmen. Das Trockengewicht der Probe wurde durch Entnahme_
_einer Teilprobe feiner Erde und Trocknung im Ofen bei 105 °C ermittelt. Eine_
_weitere Teilprobe feiner Erde wurde hingegen bei Umgebungstemperatur ge-_
_trocknet, fein gemahlen und im Labor der Freien Universität Bozen analysiert,_
_um die Konzentration des organischen Kohlenstoffs (%) und die Isotopensig-_
_natur (δ_[^13]_C) festzustellen. Für jede Probe wurde die Rohdichte des Bodens_
_(g/cm_[^3]_) ermittelt; dazu wurde das Trockengewicht der Probe feiner Erde durch_
_das Volumen der entnommenen Probe geteilt und von letzterem das Volumen_
_der in der Probe vorhandenen Steine abgezogen._
_Die Analysen der Konzentration des organischen Kohlenstoffs (%) und die Iso-_
_topensignatur (δ_[^13]_C) wurden auch an 4 Biochar-Proben durchgeführt._
_Da die isotopische Massenbilanz nur eingesetzt werden kann, wenn zwei Koh-_
_lenstoffquellen im Boden vorhanden sind, haben wir diese Methoden nur auf_
_die Behandlungen B1 und B2 angewandt und nicht auch auf die Behandlungen_
_B1C und B2C. Letztere haben nämlich drei Kohlenstoffquellen (die ursprüngli-_
_che organische Substanz des Bodens, Biochar und Kompost). Die Evaluierung_
_erfolgte für jeden Zeitpunkt der Probenentnahme mit folgender Gleichung:_

```
Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden
```

## 𝑓𝑓 =

```
𝛿𝛿[^13]𝐶𝐶𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡−𝛿𝛿[^13]𝐶𝐶𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆
𝛿𝛿[^13]𝐶𝐶𝑏𝑏𝑏𝑏𝑡𝑡𝑐𝑐ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎− 𝛿𝛿[^13]𝐶𝐶𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆
```

```
[1]
```

_wobei f der aus Biochar stammenden organischen Kohlenstofffraktion des Bo-_
_dens entspricht (Cbiochar/Ctot); die Isotopensignaturen entsprechen hingegen dem_
_mit Biochar verbesserten Boden ( δ_[^13]_Ctot), der ursprünglichen organischen_
_Bodensubstanz (soil organic matter, SOM) (δ_[^13]_CSOM) und dem Biochar_
_(δ_[^13]_Cbiochar). Der Wert von δ_[^13]_CSOM wurde durch Analyse der Bodenproben aus_
_den Parzellen vor Verteilung der Bodenverbesserungsmittel (t0) ermittelt._
_Die Daten wurden verwendet, um die aus Biochar stammende Kohlenstoff-_
_menge (Biochar-C) in der Bodenschicht (20 cm) zu ermitteln, aus der die Probe_
_entnommen wurde; diese Menge wird in t/ha abgegeben und mit folgender_
_Gleichung berechnet:_

_Biochar−C [t/ha] = f × Corg[%]/100 × ρBoden [g/cm_[^3]_] × 20 [cm] × 100 [2]_

_wobei Corg, der Konzentration von organischem Kohlenstoff im Boden ent-_
_spricht und ρBoden der Rohdichte des Bodens._
_Danach wurden die ermittelten Werte mit einem exponentiellen Abbaumodell_
_interpoliert._

_Ct = C_[^0]: _e-kt [3]_

_wobei Ct è der Menge an Biochar-C entspricht, die zum Zeitpunkt t im Boden_
_verbleibt, C_[^0]: _der auf dem Boden verteilten Dosis von Biochar-C und k der Zer-_
_setzungskonstante des Biochars. Die durchschnittliche Verweilzeit (Mean Resi-_
_dence Time, MRT) des Biochars im Boden wurde als 1/k berechnet._

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

2.3.2 BPCA-Methode

_In den zu den Zeitpunkten t0, t1 und t3 in den Weinbergen genommenen Bo-_
_denproben wurde der aus Biochar stammende Kohlenstoffgehalt auch durch_
_Analyse spezifischer molekularer Marker für schwarzen Kohlenstoff bestimmt_
_(aromatische Polycarboxylsäuren, BPCA); dazu wurde die von Busch und Gla-_
_ser (2015) vorgeschlagene Methode verwendet. Die Analysen wurden in den_
_Laboratorien der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (Deutschland)_
_durchgeführt._

_Zur Quantifizierung des BPCA-Gehalts wurden die Proben vier analytischen_
_Phasen ausgesetzt: Hydrolyse, Oxidation, Derivatisierung und Quantifizierung_
_durch Gaschromatografie (Busch und Glaser, 2015). Nach Quantifizierung der_
_BPCA wurde der Gehalt an Biochar-C in den Proben durch Multiplikation der_
_BPCA mit einem Konversionsfaktor (10) ermittelt, der als Verhältnis zwischen_
_den im Biochar vorhandenen BPCA und seinem Gehalt an organischem Koh-_
_lenstoff berechnet wird._

_Die Ergebnisse der Analysen wurden verwendet, um den aus Biochar stam-_
_menden Gehalt an Kohlenstoff im Boden zu berechnen; dieser wurde in Tonnen_
_pro Hektar angegeben (Biochar-C, t/ha) und mit folgender Formel berechnet:_

_Biochar−C = CBPCA [g/kg] × ρBoden [g/cm_[^3]_] × 20 [cm] × 10 [4]_

_wobei CBPCA dem Gehalt an schwarzem Kohlenstoff entspricht (g/kg Boden),_
_der mit der BPCA-Methode ermittelt wird._

_Zur Evaluierung der Stabilität des dem Boden zugesetzten Biochars, wurde die_
_zu jedem Zeitpunkt der Entnahme geschätzte Menge an Biochar-C korrigiert,_
_indem man von dieser den bereits vor Verteilung der Behandlungen im Boden_
_vorhandenen natürlichen Kohlenstoffgehalt abzog; dieser wurde durch Ana-_
_lyse der zum Zeitpunkt t0 entnommenen Proben ermittelt._

```
Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden
```

_Da die BPCA nur zu zwei Zeitpunkten nach Anwendung des Biochars analy-_
_siert wurden, war es nicht möglich, die Zersetzungsrate wie im Fall der isoto-_
_pischen Massenbilanz anhand eines exponentiellen Modells zu berechnen._

2.4 Messung der vom Boden ausgehenden
Treibhausgasemissionen

_Im Versuchsfeld wurden die vom Boden ausgehenden Emissionen der drei_
_wichtigsten Treibhausgase gemessen: Kohlendioxid (CO_[^2]:_, μmol m−2 s−1),_
_Methan (CH_[^4]:_, nmol m−2 s−1) und Distickstoffmonoxid (N_[^2]:_O, nmol m−2 s−1). Die_
_Flüsse wurden in Echtzeit, direkt im Feld, anhand eines Gasanalysators mit_
_CRDS-Technologie analysiert (cavity ring-down spectrometry, Picarro Inc.,_
_Santa Clara, CA, USA); der Analysator wurde an 6 dynamische geschlossene_
_Kammern angeschlossen (eosAC Autochamber, Eosense Inc., Dartmouth, NS,_
_Canada), die von einem Multiplexer gesteuert wurden (eosMX, Eosense Inc.,_
_Dartmouth, NS, Canada). Für die Messungen wurden die Kammern auf PVC-_
_Ringen mit 15 cm Durchmesser positioniert, die in die oberen 4 cm des Bodens_
_eingesetzt wurden. Die Messungen an jedem Ring dauerten 10 Minuten; die_
_Wartezeit zwischen den Messungen betrug 132 Sekunden._

_Die Treibhausgasemissionen wurden von August 2017 bis Dezember 2019 mo-_
_natlich überwacht. Bei jeder Messreihe wurden die 6 Kammern im Wechsel auf_
_3 Replikate jeder Behandlung angewendet, wobei insgesamt 18 Parzellen über-_
_prüft wurden._

_Die Messungen erfuhren in den Monaten Januar und Februar 2018 und 2019_
_Unterbrechungen aufgrund von Eis und Schnee auf dem Boden sowie gelegent-_
_lich in anderen Zeiträumen des Jahres aufgrund von Defekten der Instrumente._

2.5 Statistische Analyse

_Die in diesem Kapitel vorgestellten Ergebnisse der verschiedenen Bodenanaly-_
_sen sind ein Durchschnittswert von 4 Replikaten für jede Behandlung (± Stan-_
_dardfehler), während sich die Daten der Treibhausgasemissionen auf den Mit-_
_telwert von 3 Replikaten für jede Behandlung (± Standardfehler) beziehen._

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

_Die statistische Gegenüberstellung der untersuchten Parameter erfolgte an-_
_hand einer Varianzanalyse (ANOVA), gefolgt von einem Student–Newman–_
_Keuls-Test (SNK) zur Verdeutlichung der signifikanten Unterschiede zwischen_
_den Behandlungen. Die Homoskedastizität der Daten wurde überprüft und im_
_Falle eines Verstoßes gegen diese Bedingungen wurden die Daten einer loga-_
_rithmischen Umformung unterzogen. Insbesondere für die Konzentration von_
_Biochar-C im Boden (g/kg Probe) wurden für jede Behandlung Vergleiche zwi-_
_schen den unterschiedlichen Zeitpunkten der Probenahme (t0, t1 und t3) für_
_den Bestand an Biochar-C im Boden (t/ha) erstellt; für jede Behandlung mit_
_Biochar wurden Vergleiche zwischen dem Zeitpunkt t1 und t3 angestellt; für_
_den Bestand von C im Boden (t/ha) wurden für jede Behandlung Vergleiche_
_zwischen den vier Zeitpunkten der Probenahme (t0, t1, t2 und t3) angestellt; für_
_die Emissionen jedes Treibhausgases wurden bei jeder Messreihe Vergleiche_
_zwischen den sechs Behandlungen erstellt._
_Die Interpolation der Biochar-C-Werte im Boden mit exponentiellem Modell_
_wurde anhand einer nichtlinearen Regressionsanalyse durchgeführt. Alle Un-_
_tersuchungen wurden mit der Software STATA 16 (StataCorp LLC, Texas,_
_USA) und einem Konfidenzintervall von 95 % durchgeführt._

#### 3. Ergebnisse

3.1 Stabilität des Biochars im Boden
_Auf Grundlage der isotopischen Massenbilanz wurden drei Wochen nach der_
_Anwendung der Bodenverbesserungsmittel in der Behandlung B1 im Durch-_
_schnitt 80±9 % des in den Boden eingebrachten Biochar-C gefunden, in der Be-_
_handlung B2 hingegen 95±18 % (Abb. 2). Nach circa einem Jahr (385 Tage) sank_
_der im Boden verbleibende Prozentsatz an Biochar-C auf 70 ± 14 % in der Be-_
_handlung B1 und auf 91 ± 16 % in der Behandlung B2 (Abb. 2). Nach circa 2_
_Jahren schließlich (745 Tage) fanden sich in der Behandlung B1 nur noch weni-_
_ger als die Hälfte des verteilten Biochar-C (40±17 %), in der Behandlung B2 hin-_
_gegen 69±31 % (Abb. 2)._

```
Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden
```

_In der Behandlung B1 betrug die durch das negative exponentielle Modell ge-_
_schätzte tägliche Zersetzungsrate (k) 0,1 % und die jährliche Rate 36,5 %, ent-_
_sprechend einer durchschnittlichen Verweilzeit (Mean Residence Time, MRT)_
_von 2,7 Jahren im Boden. In der Behandlung B2 hingegen wurde keine signifi-_
_kante Zersetzungsrate verbucht. Das für die Behandlung B1 erzielte Abbaumo-_
_dell zeigt einen erheblichen Verlust von Biochar-C in den ersten drei Wochen_
_des Versuchs. Im Boden wurde eine um 19,75 % niedrigere Menge an Biochar_
_im Boden gemessen als tatsächlich angewandt (Abb. 2). Nach diesem bedeute-_
_ten Anfangsverlust wird eine kontinuierliche Verringerung der Konzentration_
_beobachtet, die im ersten Jahr weniger stark ausfällt (-9,75 %), um dann im_
_zweiten Jahr wieder an Geschwindigkeit aufzunehmen (-30,17 %)._
_Aus den Ergebnissen der zweiten zur Schätzung der Stabilität des Biochar-C im_
_Boden angewandten Methode, d. h. der BPCA-Analyse, geht hervor, dass vor_
_Verteilung der Bodenverbesserungsmittel im Boden bereits 7,45±0,1 g Biochar-_
_C pro kg Boden vorhanden waren (Abb. 3). Bei allen Behandlungen mit Biochar_
_und Biochar + Kompost stieg der Biochar-C-Wert nach der Verteilung dieser_
_Bodenverbesserungsmittel signifikant an, während der Biochar-C-Gehalt bei_
_den Behandlungen C und N keine erhebliche Änderung verbucht (Abb. 3). Bei_
_keiner der Behandlungen zwischen dem Zeitpunkt t1 und t3 wurden signifi-_
_kante Änderungen im Biochar-C-Gehalt beobachtet (Abb. 3)._

Abb. 2 – Biochar-C im Boden (% der angewandten Dosis) 21, 385 und 745 Tage nach der Verteilung
von Biochar in den Behandlungen B1 (25 t/ha Biochar) und B2 (50 t/ha Biochar). Die dargestellten
Werte sind das Ergebnis der isotopischen Massenbilanz. Die Fehlerbalken stellen den Standardfehler
des Mittelwerts dar.

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

_Nach Abzug der im Boden vorhandenen natürlichen Menge an Biochar betrug_
_die zum Zeitpunkt t1 wiedergefundene Biochar-Menge bei der Behandlung B1_
_8,4 t C/h, bei der Behandlung B1C 12,5 t C/h, bei der Behandlung B2 20,5 t C/h_
_und bei der Behandlung B2C 24,2 t C/ha (Abb. 4). Im Verhältnis zu der mit den_
_Bodenverbesserungsmitteln verteilten Mengen an Biochar-C (15,9 t C/ha bei_
_den Behandlungen B1 und B1C und 31,9 t C/ha bei den Behandlungen B2 und_
_B2C, in Abb. 4 durch die horizontalen Balken dargestellt), beliefen sich die ge-_
_schätzten Mengen auf 52 % bzw. 78 % bei den Behandlungen B1 und B1C und_
_64 % bzw. 75 % bei den Behandlungen B2 und B2C. Zum Zeitpunkt t3 hat die_
_BPCA-Methode bei den Behandlungen B1 und B2 die Menge an Biochar-C im_
_Boden überschätzt, was in einer höheren angewandten Menge resultieren_
_würde (Abb. 4). Gleichzeitig wurden 16,2 t C/ha Biochar-C für die Behandlung_
_B1C und 22,7 t C/ha für die Behandlung B2C geschätzt /Abb. 4). Die zu den_
_beiden Zeitpunkten der Probenahme geschätzten Werte unterschieden sich je-_
_doch bei keiner der Versuchsbehandlungen deutlich voneinander._

_Beim Vergleich der beiden Methoden zur Quantifizierung des Biochar-C im Bo-_
_den (Abb. 5), kann man beobachten, dass sich die mit den beiden Methoden er-_
_zielten Schätzungen zum Zeitpunkt t1 nicht erheblich unterscheiden, auch wenn_
_die mit der isotopischen Massenbilanz erzielte Schätzung der tatsächlich verteil-_
_ten Menge sowohl für die Behandlung B1 (13,86 ± 2,53 t/ha Biochar-C gegenüber_
_15,9 t/ha) als auch für die Behandlung B2 (30,63 ± 5,98 t/ha Biochar-C gegenüber_
_31,9 t/ha) näher kommt, während die BPCA-Methode Schätzungen liefert, die_
_niedriger als die angewandten Dosen liegen (8,39±3,76 t/ha Biochar-C gegenüber_
_15,9 t/ha in B1 und 20,54± 5.71 t/ha Biochar-C gegenüber 31,9 t/ha in B2). Zum_
_Zeitpunkt t3 liegt die mit der BPCA-Methode für die Behandlung B1 erzielte_
_Schätzung des im Boden verbleibenden Biochar-C deutlich höher (+63,3 %) als_
_die mit der isotopischen Massenbilanz geschätzte Menge, während sich bei der_
_Behandlung B2 keine signifikanten Differenzen zwischen den beiden Methoden_
_ergaben (Abb. 5)._

_Was den Gesamtkohlenstoff (t/ha) im Boden anbelangt, sieht man in Abb. 6,_
_dass der Kohlenstoffbestand zwischen dem Zeitpunkt t0 und dem Zeitpunkt t3_
_bei den Behandlungen mit der höchsten Biochar-Dosierung deutlich ansteigt_

```
Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden
```

_(B2, +83 % und BC2, +41,8%). Dieser Anstieg ist auf die Verteilung von 50 t/ha_
_Biochar zurückzuführen. Die im Kontrollboden beobachtete Verringerung des_
_Kohlenstoffbestands zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t3 (Abb._
_6) hängt wahrscheinlich mit der Änderung der Rohdichte des Bodens zusam-_
_men. In der Tat sinkt diese zum Zeitpunkt t1 infolge von Bodenarbeiten. Die_
_geringere Rohdichte hat bei gleicher Tiefe zu einer Verringerung der Boden-_
_probenmenge und somit des geschätzten Kohlenstoffbestands im Boden ge-_
_führt. Bei der gleichen Behandlung zum Zeitpunkt t3 sieht man in der Tat eine_
_Rückkehr des Kohlenstoffbestands zu mit t0 vergleichbaren Werten, wahr-_
_scheinlich aufgrund der wiederholten Überfahrt landwirtschaftlicher Maschi-_
_nen für die Arbeiten an den Kulturen, die eine Kompaktierung des Bodens zur_
_Folge hatten (Zunahme der Rohdichte)._

Abb. 3 – Biochar-C im Boden (g/kg) in den sechs Versuchsbehandlungen: N (Kontrollboden), B1 (25
t/ha Biochar), B2 (50 t/ha Biochar), C (45 t/ha Kompost), B1C (25 t/ha Biochar + 45 t/ha Kompost),
B2C (50 t/ha Biochar + 45 t/ha Kompost) vor Verteilung der landwirtschaftlichen Bodenverbesse-
rungsmittel (weiße Balken, t0), 3 Wochen danach (schwarze Balken, t1) und zwei Jahre danach
(graue Balken, t3). Die Buchstaben über den Balken weisen, wenn sie verschieden sind, auf einen
statistisch signifikanten Unterschied zwischen den drei Zeiten der Probenentnahme innerhalb einer
gleichen Behandlung hin (p ≤ 0,05). Die angegebenen Werte sind das Ergebnis der Quantifizierung
der aromatischen Polycarboxylsäuren (BPCA). Die Fehlerbalken stellen den Standardfehler des Mit-
telwerts dar.

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

Abb. 4 – Biochar-C im Boden (t/ha) in den verschiedenen Behandlungen: B1 (25 t/ha Biochar), B2
(50 t/ha Biochar), B1C (25 t/ha Biochar + 45 t/ha Kompost), B2C (50 t/ha Biochar + 45 t/ha Kompost)
3 Wochen nach der Verteilung der Bodenverbesserungsmittel (schwarze Balken in der Grafik, t1) und
zwei Jahre danach (graue Balken, t3). Von der im Boden gemessenen Menge der Proben wurde die
vor der Verteilung der Bodenverbesserungsmittel (t0) natürlich im Boden vorhandene Menge an Bio-
char-C abgezogen. Die horizontalen Linien stellen die angewandten Biochar-Dosierungen dar (B1
und B2). Zwischen den Zeitpunkten t1 und t3 wurden keine signifikanten Unterschiede festgestellt
(p≤0,05). Die angegebenen Werte sind das Ergebnis der Quantifizierung der aromatischen Polycar-
boxylsäuren (BPCA). Die Fehlerbalken stellen den Standardfehler des Mittelwerts dar.

Abb. 5 – Vergleich der mit der Methode der isotopischen Massenbilanz (Y-Achse) und der BPCA-
Analyse (X-Achse) erzielten Schätzungen des Biochar-C im Boden (t/ha) für die Behandlungen B1
und B2 drei Wochen (t1) und zwei Jahre (t3) nach der Verteilung des Biochars. Die Fehlerbalken
stellen den Standardfehler des Mittelwerts dar und das Sternchen steht für einen signifikanten Unter-
schied zwischen den mit den beiden Analysemethoden erzielten Schätzungen.

```
Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden
```

Abb. 6 – Für die verschiedenen Behandlungen gemessener Kohlenstoffbestand im Boden (t/ha): N
(Kontrollboden), B1 (25 t/ha Biochar), B2 (50 t/ha Biochar), C (45 t/ha Kompost), B1C (25 t/ha Biochar
+ 45 t/ha Kompost), B2C (50 t/ha Biochar + 45 t/ha Kompost) vor Verteilung der Bodenverbesse-
rungsmittel (t0, weiße Balken), 3 Wochen nach der Verteilung (t1, schwarze Balken), 1 Jahr danach
(t2, graue Balken) und 2 Jahre danach (t3, weiße Balken mit schwarzen Punkten). Die Buchstaben
über den Balken weisen, wenn sie verschieden sind, auf einen statistisch signifikanten Unterschied
zwischen den vier Zeiten der Probenentnahme innerhalb einer gleichen Behandlung hin (p ≤ 0,05).
Die Fehlerbalken stellen den Standardfehler des Mittelwerts dar.

3.2 Vom Boden ausgehende Treibhausgasemissionen
_Die vom Boden ausgehenden CO_[^2]:_-Emissionen (Abb. 7) weisen eine ausge-_
_prägte saisonale Variabilität auf; In den warmen Jahreszeiten wird ein größerer_
_Fluss gemessen als in den kalten. Der Höchstwert wurde im August 2017 für_
_die Behandlung B1 verbucht (17,1_ μ_mol/m_[^2]_/s); die niedrigsten Werte, nahe bei_
_0, wurden für alle Behandlungen im Dezember 2017 gemessen._
_Signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen wurden nur in 3 Ver-_
_suchsreihen festgestellt (Abb. 7, Tab. 2). Im Juni 2018 waren die Emissionen der_
_Behandlung B2C deutlich höher als die der Behandlungen N, B1 und C. Im_
_April 2019 waren die Emissionen der Behandlung N deutlich höher als die der_
_Behandlung C, während im Juli 2019 die Emissionen der Behandlung B2 höher_
_als die der Behandlungen B1C und C waren._
_Die Flüsse von CH_[^4]: _(nmol/m_[^2]_/s, Abb. 8) waren immer negativ, was bei allen_
_Behandlungen auf einen Nettoverbrauch von Methan durch den Boden hin-_
_weist. Einzige Ausnahme war die Messreihe im Oktober 2017, als die Netto-_
_emissionen von Methan in den Behandlungen B1 (1,1 nmol/m_[^2]_/s) und B1C (0,9_

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

_nmol/m_[^2]_/s) gemessen wurden. Während des gesamten Studienzeitraums gab es_
_keine signifikanten Differenzen zwischen den gemessenen Methanflüssen der_
_6 Behandlungen._
_Die Flüsse von N_[^2]:_O (nmol/m_[^2]_/s, Abb. 9) waren nur in der ersten Messreihe im_
_August 2017 ziemlich hoch, als die Werte zwischen 0,26 nmol/m_[^2]_/s bei der Be-_
_handlung B2C und 0,89 nmol/m_[^2]_/s bei der Behandlung B1C lagen. Ab Oktober_
_2017 Reduzierte sich die Intensität der Emissionen und variierte zwischen -0,08_
_und 0,15 nmol/m_[^2]_/s. Nur in vier der Messreihen wiesen die Emissionen der ver-_
_schiedenen untersuchten Behandlungen deutliche Unterschiede auf (Abb. 9,_
_Tab. 2). Im Dezember 2017 insbesondere waren die Emissionen der Behandlung_
_N deutlich höher als die der Behandlung B2. Im Mai 2018 hingegen wurden in_
_den Behandlung B1C deutlich höhere Emissionen als in den Behandlungen B2,_
_C und B2C beobachtet. Im Dezember 2018 verbuchte die Behandlung N höhere_
_Emissionen als alle anderen. Im Juni 2019 schließlich wurden in der Behand-_
_lung C höhere Emissionen registriert als in der Behandlung B2._

Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden

```
Abb. 7
```

–
Vom Boden des Versuchsweinbergs Labers in Meran ausgehende CO
-Emissionen (mmol/m2

```
2/s), die in Verbindung mit den sechs
```

```
Versuchsb
```

```
ehandlungen gemessen wurden: N (Kontrollboden), B1 (25 t/ha Biochar), B2 (50 t/ha Biochar), C (45 t/ha Kompost), B1C (25 t/ha
```

```
Biochar + 45 t/ha Kompost), B2C (50 t/ha Biochar + 45 t/ha Kompost). Die Messungen w
```

```
urden zwischen August 2017 und Dezember 2019
```

```
durchgeführt. Die Daten stellen die Mittelwerte der drei Replikate für jede Behandlung ± Standardfehler dar. Die Sternchen we
```

```
isen auf einen
```

```
signifikanten Unterschied zwischen den Mittelwerten hin; die Ergebnisse
```

```
des paarweisen
```

```
Vergleichs zwischen den Behandlungen sind in Tab. 2
```

```
aufgeführt.
```

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

```
Abb. 8
```

–
Vom Boden des Versuchsweinbergs Labers in Meran ausgehende CH4
-Emissionen (nmol/m2/s), die in Verbindung mit den sechs

```
Versuchsb
```

```
ehandlungen gemessen
```

```
wurden: N (Kontrollboden), B1 (25 t/ha Biochar), B2 (50 t/ha Biochar), C (45 t/ha Kompost), B1C (25 t/ha
```

```
Biochar + 45 t/ha Kompost), B2C (50 t/ha Biochar + 45 t/ha Kompost). Die Messungen wurden zwischen August 2017 und Dezember 2
```

```
019
```

```
durchgeführt. Die Date
```

```
n stellen die Mittelwerte der drei Replikate für jede Behandlung ± Standardfehler dar. Es wurden keine signifikanten
```

```
Unterschiede zwischen den Behandlungen festgestellt.
```

Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden

```
Abb. 9
```

–

```
Vom Boden des Versuchsweinbergs Labers in Meran ausgehende N
```

```
O2
```

-Emissionen (nmol/m2/s), die in Verbindung mit den sechs

```
Versuchsb
```

```
ehandlungen gemessen wurden: N (Kontrollboden), B1 (25 t/ha Biochar), B2 (50 t/ha Biocha
```

```
r), C (45 t/ha Kompost), B1C (25 t/ha
```

```
Biochar + 45 t/ha Kompost), B2C (50 t/ha Biochar + 45 t/ha Kompost). Die Messungen wurden zwischen August 2017 und Dezember 2
```

```
019
```

```
durchgeführt. Die Daten stellen die Mittelwerte der drei Replikate für jede Behandlung ±
```

```
Standardfehler dar. Die Sternchen weisen auf einen
```

```
signifikanten Unterschied zwischen den Mittelwerten hin; die Ergebnisse des paarweise
```

```
n
Vergleichs zwischen den Behandlungen sind in Tab. 2
```

```
aufgeführt.
```

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

Tabelle 2 –Ergebnisse des statistischen Vergleichs der vom Boden ausgehenden CO[^2]:-(mmol/m[^2]/s)
und N[^2]:O-Emissionen (nmol/m[^2]/s), die in Verbindung mit den sechs Behandlungen gemessen wur-
den. N (Kontrollboden), B1 (25 t/ha Biochar), B2 (50 t/ha Biochar), C (45 t/ha Kompost), B1C (25
t/ha Biochar + 45 t/ha Kompost), B2C (50 t/ha Biochar + 45 t/ha Kompost). Die Messungen wurden
zwischen August 2017 und Dezember 2019 durchgeführt. Unterschiedliche Buchstaben weisen auf
signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen hin und entsprechen den jeweiligen Stern-
chen in der Abb. 7 und 9.

```
Behandlung CO2 μmol/m[^2]/s N2O μmol/m[^2]/s
Jun.
2018
```

```
Apr.
2019
```

```
Jul. 2019 Dez.
2017
```

```
Mai
2018
```

```
Dez.
2018
```

```
Jun.
2019
N 8,7 a 3,7 b 9,5 ab 0,11 b 0,01 ab 0,12 b -0,04 ab
B1 9,9 a 2,7 ab 9,4 ab 0,03 ab 0,03 ab 0,01 a -0,05 ab
B2 11 ab 3 ab 10,9 c 0,01 a -0,03 a 0,01 a -0,07 a
C 11,4 a 2,1 a -6,6 a 0,08 ab -0,02 a -0,01 a 0,02 b
B1C 11,1 ab 2,9 ab 7,9 bc 0,03 ab 0,11 b 0,01 a -0,03 ab
B2C 16,8 b 2,8 ab 10,2 ab 0,02 ab -0,01 a 0,01 a -0,06 ab
```

#### 4. Diskussion

4.1 Stabilität des Biochars im Boden
_In dieser Studie ist die durch isotopische Massenbilanz für die Behandlung B1_
_geschätzte MRT des Biochars geringer als bei den meisten Studien, die zuvor_
_durchgeführt wurden. In ihrer Metaanalyse schätzen Wang et al. (2016), aus-_
_gehend von den Ergebnissen 24 wissenschaftlicher Artikel, dass die stabilste_
_Fraktion von Biochar (die 97 % des Biochars darstellt) im Durchschnitt eine_
_MRT von 556±483 Jahren hat. Den Mittelwerten der MRT wird jedoch eine_
_hohe Unsicherheit zugeschrieben, die auf eine große Zahl von Faktoren wie_
_die Art des verwendeten Biochars, die spezifischen Eigenschaften des Bodens_
_und die angewandte Versuchsmethode zurückzuführen sind. Tatsächlich gibt_
_es in der Literatur MRT-Schätzungen der gleichen Größenordnung, wie in un-_

```
Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden
```

_serer Studie berechnet. In der Metaanalyse von Singh et al. (2012) zum Bei-_
_spiel, welche die Ergebnisse von 17 verschiedenen Versuchsstudien unter-_
_sucht, führen die Autoren MRT-Werte zwischen 1 und 750 Jahren an, und für_
_die 6 untersuchten Arbeiten eine MRT < 15 Jahren. Vor Kurzem schätzten_
_Ventura et al. (2019) die MRT in einer zweieinhalbjährigen Feldstudie auf 10,3_
_Jahre._

_Andererseits zeigen die mit der isotopischer Massenbilanz für die Behandlung_
_B2 und die mit der BPCA-Analyse für beide Behandlungen erzielten MRT-_
_Schätzungen einen nicht signifikanten Abbau von Biochar im Boden und so-_
_mit eine substantielle Stabilität des Biochars in den zwei Jahren der Versuchs-_
_messungen. Dieses Ergebnis liegt daher mehr auf einer Linie mit den meisten_
_Studien, die in der Literatur genannt und in der Metaanalyse von Wang et al._
_(2016) zusammengefasst werden._

_Der hohe Anfangsverlust im exponentiellen Abbaumodell, der bei den isoto-_
_pischen Messungen des Biochars in der Dosis B1 registriert wurde, könnte mit_
_dem Abbau der labileren Fraktion des Biochars durch Mikroorganismen des_
_Bodens zusammenhängen. Wie bereits dargelegt wurde, besteht Biochar aus_
_zwei verschiedenen Kohlenstofffraktionen: einer stabilen Fraktion, die den_
_größten Teil des Biochars ausmacht, und einer kleineren Fraktion, die sich_
_durch einen sehr viel schnelleren Abbau kennzeichnet (Downie et al., 2009;_
_Zimmerman, 2010)._

_Man kann jedoch nicht ausschließen, dass der Verlust von Biochar in der An-_
_fangsphase des Versuchs auch durch abiotische Faktoren verursacht wurde._
_Zum Beispiel könnten die Biochar-Verluste beim Transport, Abladen und Ver-_
_teilen des Biochars entstanden sein; da dieses eine sehr feine Körnung und_
_eine sehr geringe Dichte hat, könnte es vom Wind aus dem Anwendungsbe-_
_reich heraus weggeweht worden sein. In anderen Studien wurde beobachtet,_
_dass der Wind Verluste bis zu 28 % der angewandten Biochar-Menge verur-_
_sachen kann (Major, 2010). Zur Begrenzung dieser Verluste wurde dasBiochar_
_vor der Anwendung im Weinberg befeuchtet, bis seine Feuchtigkeit 20 % sei-_

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

_nes Gewichts erreichte; zudem wurde das Biochar direkt nach der Anwen-_
_dung in den Boden eingearbeitet; dennoch können Verluste durch Verwehung_
_nicht ausgeschlossen werden._

_Ein Teil des Biochars könnte auch durch Wasser abtransportiert worden sein,_
_wenn man das Gefälle des Versuchsstandorts in Betracht zieht. Biochar wird_
_vom Wasser in der Tat eher als andere organische Substanzen erodiert, da es_
_eine geringe Dichte besitzt und in der ersten Zeit nach der Anwendung nicht_
_mit dem mineralischen Anteil des Bodens interagiert (Rumpel et al., 2006). Die_
_durch Abfließen verursachten Biochar-Verluste können über 50 % des verteil-_
_ten Biochars ausmachen (Major et al., 2010). Außerdem kann das Wasser das_
_Biochar auch durch Perkolation in tiefere Bodenschichten transportieren._
_Singh et al. (2015) haben beobachtet, dass zwischen 1,2 und 15,7 % des Bio-_
_chars in eine Schicht des Bodens unter der Schicht transportiert wird, auf der_
_es verteilt wurde. Der Verlust durch Perkolation könnte an unserem Ver-_
_suchsstandort durch die Eigenschaften des Bodens begünstigt worden sein,_
_der wegen seiner Struktur und seines hohen Steingehalts starke drainierende_
_Merkmale besitzt. Das würde mit den Resultaten der Studie von Singh et al._
_(2015) übereinstimmen, die beweist, dass der Biochar-Verlust durch Perkola-_
_tion bei Arenosolböden größer ist als der infolge von Mineralisierung. Außer-_
_dem könntendie pulverartige Beschaffenheit und die extreme Leichtigkeit des_
_verwendeten Biochars diese Phänomene erleichtert haben._

_Die Schätzung der MRT dieser Studie könnte auch durch methodologische_
_Aspekte wie zum Beispiel die Versuchsdauer beeinflusst worden sein. Zahl-_
_reichen Studien zufolge wird die Schätzung des Biochar-Abbaus stark durch_
_die Versuchsdauer beeinflusst (Fang et al., 2014; Kuzyakov et al., 2014;_
_Kuzyakov et al., 2009; Ventura et al., 2019); dieser ist in den ersten beiden Jah-_
_ren höher, und verlangsamt sich dann radikal. In unserer zweijährigen Studie_
_könnte die Abbaurate der Behandlung B1 möglicherweise zu hoch einge-_
_schätzt worden sein._

_Es sei gesagt, dass die bisherigen Studien zur Stabilität von Biochar im Boden_
_zum größten Teil im Labor, durch Inkubation des Bodens in kontrollierter_
_Umgebung durchgeführt wurden. Möglicherweise stellen diese Versuche die_

```
Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden
```

_unter Feldbedingungen auftretenden Erscheinungen nicht angemessen dar_
_(Ventura et al., 2015, 2019). Im Labor werden Erscheinungen, die physikali-_
_sche Abbauprozesse und die chemische Oxidation vonBiochar beschleunigen_
_können, wie z. B. Wetterereignisse, Expositionen gegenüber Ozon und UV-_
_Strahlung oder Frost-Tau-Zyklen, möglicherweise nicht richtig simuliert_
_(Kuzyakov et al., 2014; Spokas, 2010). Außerdem kann die Bodenfauna, z. B._
_Regenwürmer, die Zerkleinerung des Biochars begünstigen und dieses so ei-_
_nem stärkeren biotischen und abiotischen Abbau aussetzen (Ameloot et al.,_
_2013; Lehmann et al., 2011; Pingree et al., 2017). Und schließlich kann das Vor-_
_handensein von Wurzeln im Boden den Abbau von Biochar um bis zu 50 %_
_erhöhen (Ventura et al., 2019), da das Wurzelexsudat die mikrobielle Aktivität_
_stimuliert (Keith et al., 2011; Luo et al., 2011)._

_Die Ergebnisse der BPCA- Analysen weisen keine signifikante Verringerung_
_des Biochar-C-Gehalts im Boden zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeit-_
_punkt t3 auf (Abb. 4); vielmehr kann man eine tendenzielle, wenn auch nicht_
_bedeutende Zunahme beobachten, vor allem in den Behandlungen B1 und B2._
_Dieses Ergebnis wurde in früheren Studien beobachtet (Busch & Glaser, 2015;_
_Fischer et al., 2018) und mit einer Vielfalt von Faktoren in Zusammenhang_
_gebracht. Während die Untersuchungsergebnisse aufgrund der Komplexität_
_der Verfahren einerseits von operativen Fehlern, wie zum Beispiel der Hete-_
_rogenität der Verteilung von Biochar auf dem Feld, sowie von möglichen Feh-_
_lern während der analytischen Phase beeinträchtigt werden können (Fischer_
_et al., 2018), haben Glaser & Knorr (2008) andererseits eine nicht von pyroge-_
_nen Quellen abhängige Zunahme um 25 % des Biochar-C-Gehalts im Boden_
_beobachtet. Die BPCA würden somit in situ in Form von Pigmenten von ver-_
_schiedenen Pilzarten wie Aspergillus niger und Cercosporina Kikuchii-Matsu-_
_moto-et-Tomoyasu erzeugt (Fischer et al., 2018)._

_Wichtig ist auch hervorzuheben, dass der Gesamtkohlenstoffgehalt im Boden_
_bei den Behandlungen mit der höchsten Biochar-Dosis (B2 und B2C) zwei_
_Jahre nach der Anwendung erheblich gestiegen ist (Abb. 6). Ähnliche Ergeb-_
_nisse wurden in früheren Studien an einem Oxisolboden der Savanne Kolum-_
_biens erzielt (Major, 2009); dort wurde nach dem Zusatz von 23,3 t/ha Biochar_
_eine Verdoppelung des Gesamtkohlenstoffgehalts im Boden verbucht. Ein_

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

_Anstieg des Gesamtkohlenstoffs wurde auch in der Behandlung BC2 gemes-_
_sen, was beweist, dass die Anwendung von Kompost das Potenzial von Bio-_
_char zur mittelfristigen Speicherung des Kohlenstoffs im Boden nicht beein-_
_trächtigt (Abb. 6). Diese Ergebnisse bestätigen auch frühere Beobachtungen_
_von Busch & Glaser (2015), die über einen Anstieg um Faktor 1,7 des Kohlen-_
_stoffgehalts im Boden ein Jahr nach Anwendung von 25 t/ha Biochar in Kom-_
_bination mit Kompost berichten, und von Liu et al. (2012), die einen Anstieg_
_des Gesamtkohlenstoffs im Boden um Faktor 2,,5 nach Anwendung von 20_
_t/ha Biochar und 32,5 t/ha Kompost beobachtet haben._

_Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die Evaluierungen der Stabilität_
_von Biochar im Boden bei beiden Methoden aufgrund der hohen natürlichen_
_Variabilität des Bodens, die für gewöhnlich in Feldstudien beobachtet wird_
_und genaue Schätzungen schwierig macht, durch hohe Unsicherheit gekenn-_
_zeichnet sind. Andererseits macht ein Vergleich der erzielten Ergebnisse mit_
_der wissenschaftlichen Literatur zu diesem Thema die Notwendigkeit der_
_Durchführung von Feldproben offensichtlich._

4.2 Vom Boden ausgehende Treibhausgasemissionen

_In dieser Studie wurden zeitlich sehr begrenzte und nur leichte Auswirkun-_
_gen von Biochar auf CO_[^2]:_-Emissionen beobachtet. In den Behandlungen, bei_
_denen kein signifikanter Abbau des Biochars beobachtet wurde, bestätigt das_
_Fehlen der Wirkungen auf die CO2,-Emissionen einerseits die Stabilität des Bi-_
_ochars im Boden, und verdeutlicht andererseits das Fehlen eines Reizes für_
_den Abbau der ursprünglichen organischen Substanz des Bodens (SOM), also_
_des sogenannten Priming-Effekts. In der Behandlung B1 hingegen, bei der ein_
_signifikanter Abbau des Biochars registriert wurde, weist das Fehlen eines_
_konsistenten Anstiegs der vom Boden ausgehenden CO_[^2]:_-Emissionen darauf_
_hin, dass die aus dem Abbau der SOM stammenden Emissionen in Anwesen-_
_heit von Biochar reduziert wurden (negativer Priming-Effekt), d. h. dass das_
_Biochar eine Schutzwirkung auf die SOM hatte. Diese Wirkung wurde bereits_
_zuvor ebenfalls unter Feldbedingungen beobachtet (Ventura et al., 2019)._

```
Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden
```

_Die geringeren Wirkungen auf die CO_[^2]:_-Emissionen stehen offensichtlich in_
_Widerspruch zur Metaanalyse von He et al. (2017); diese fassen die Ergebnisse_
_von 91 wissenschaftlichen Publikationen zusammen und kommen zu dem_
_Schluss, dass die Verteilung von Biochar im Boden im Durchschnitt einen An-_
_stieg von 22 % der CO_[^2]:_-Emissionen im Vergleich zum nicht verbesserten Bo-_
_den verursacht. In der gleichen Metaanalyse wird jedoch über eine große Dif-_
_ferenz zwischen den Ergebnissen der Feldversuche und denen im Labor be-_
_richtet. Während Biochar in den Laborergebnissen eine positive Wirkung auf_
_die CO_[^2]:_-Emissionen zeigt, sind in den Feldversuchen keine deutlichen Unter-_
_schiede gegenüber dem Kontrollboden zu sehen (He et al., 2017). Rezente Stu-_
_dien bestätigen, dass die Wirkung von Biochar auf die CO_[^2]:_-Emissionen unter_
_Feldbedingungen unerheblich war (Lu et al., 2019; Ventura et al., 2019), wenn_
_nicht sogar negativ, also dass es sogar eine Abnahme der Emissionen verur-_
_sacht hat (Shen et al., 2017). Die Ergebnisse dieser Studie stimmen daher mit_
_denen anderer Studien überein, die unter ähnlichen Bedingungen stattfanden,_
_und bestätigen die Notwendigkeit der Durchführung von Feldstudien. Ge-_
_mäß der Metaanalyse von He et al. (2017) können andere Faktoren zu unserem_
_Versuchsergebnis geführt haben. Insbesondere die Art der Ausgangsbio-_
_masse und die Produktionstemperatur scheinen einen starken Einfluss auf die_
_Wirkung von Biochar auf CO_[^2]:_-Emissionen zu haben. In den Versuchen, in de-_
_nen die Ausgangsbiomasse aus Holzmaterial besteht, die Produktionstempe-_
_ratur ungefähr 500 °C beträgt und kein Stickstoffdünger eingesetzt wird, hat_
_die Anwendung von Biochar auf Agrarböden ähnlicher Breitengrade wie de-_
_nen unseres Versuchsstandorts keine offensichtliche Wirkung auf die CO_[^2]:_-_
_Emissionen (He et al., 2017)._

_In Bezug auf Methan werden in dieser Studie fast immer Negativflüsse fest-_
_gestellt; sie weisen bei allen Behandlungen auf einen Nettoverbrauch von Me-_
_than im Boden hin. Es ist bekannt, dass Methan in belüfteten Böden, die nicht_
_unter Vernässung leiden, durch die Aktivität der Mikroorganismen im Boden_
_verbraucht wird (Jeffery et al., 2016). Unter diesen Bedingungen tendiert Bio-_
_char, den Berichten in der Literatur zufolge, dazu, den Methanverbrauch des_
_Bodens zu reduzieren (Jeffery et al., 2016), vor allem wenn der pH-Wert des_
_Bodens zwischen 6 und 8 und die Produktionstemperatur des Biochars unter_

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

_600 °C liegt. Eine solche Wirkung des Biochars, die zu einer Verringerung der_
_Fähigkeit des Bodens führen würde, die atmosphärische Konzentration dieses_
_starken Treibhausgases zu senken, wurde in dieser Studie hingegen nicht be-_
_obachtet. Das Fehlen von Wirkungen des Biochars auf die Methanflüsse im_
_Boden bestätigt jedoch die Beobachtungen der anderen Studien (He et al.,_
_2017). Gemäß He et al. (2017) kann die Methanaufnahme bei Anwendung von_
_Biochar mit sehr hohem pH-Wert und grober Bodenstruktur steigen. Ange-_
_sichts des hohen pH-Werts (12,5) des in dieser Studie verwendeten Biochars_
_und der sandig-lehmigen Struktur des Bodens am Versuchsstandort hätten_
_wir uns daher negativere Flüsse in dem mit Biochar behandelten Boden er-_
_wartet. Andererseits ist es möglich, dass die Kombination anderer Faktoren_
_die positiven Wirkungen des Biochars auf den Methanverbrauch des Bodens_
_annulliert hat._

_Aus den in der Literatur berichteten Ergebnissen geht hervor, dass die N_[^2]:_O-_
_Emissionen des Bodens in der Regel durch die Bodenverbesserung mit Bio-_
_char gehemmt werden. Zwei verschiedene Metaanalysen (Cayuela et al., 2014;_
_He et al., 2017) berichten über eine durchschnittliche Verringerung um 30 %_
_bei den mit Biochar verbesserten Böden gegenüber 54 % bei nicht verbesserten_
_Böden. Die Ergebnisse dieser Studie bestätigen diese Evidenzen nur teilweise._
_In der Tat wurde eine, wenn auch nur leichte, Verringerung der Emissionen_
_in den mit 50 t/ha Biochar verbesserten Böden nur bei 4 der im Laufe des Ver-_
_suchs durchgeführten Messreihen beobachtet. Gemäß den Berichten von He_
_et al. (2017) könnte dieses Ergebnis auf die spezifischen Versuchsbedingungen_
_zurückzuführen sein, wie zum Beispiel ein fast neutraler pH-Wert des Bodens,_
_eher niedrige Dosierungen von Biochar und der Nichteinsatz von Düngemit-_
_teln. Die höchsten N_[^2]:_O-Emissionen werden generell in den mit N gedüngten_
_Böden beobachtet (He et al., 2017). Da der Weinberg während des Versuchs_
_nicht mit Stickstoff gedüngt wurde, ist es normal, dass die N_[^2]:_O-Flüsse bereits_
_auf natürliche Weise niedrig sind und dasBiochar daher keine große Wirkung_
_zeigt. Andererseits hätten Cayuela et al. (2014) zufolge bestimmte Parameter_
_des Biochars, wie z. B. die ursprüngliche Biomasse, die Produktionstempera-_
_tur und das Verhältnis C/N, eine viel markanterer Verringerung der N_[^2]:_O-_
_Emissionen vorhersehen lassen._

```
Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden
```

_Dennoch spiegeln sich unsere Ergebnisse nur teilweise in der wissenschaftli-_
_chen Literatur wider; die unsere bleibt eine der wenigen Feldstudien mit einer_
_Beobachtungszeit von mehr als zwei Jahren. Weitere Schlussfolgerungen aus_
_unseren Daten können in Zukunft durch Schätzung der kumulierten Treib-_
_hausgasemissionen über den gesamten Versuchszeitraum, circa zweieinhalb_
_Jahre, gezogen werden. Diese Möglichkeit besteht dank gemeinsamer Be-_
_trachtung der im Rahmen des Versuchs gemessenen Emissionsdaten und der_
_Umweltparameter, die einen Einfluss auf die Treibhausgasemissionen haben,_
_anhand mathematischer Modelle. Die Ergebnisse dieser neuen Untersuchun-_
_gen werden Gegenstand einer weiteren Publikation sein._

#### 5. Schlussfolgerungen

_Die Versuchsergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass das von Record Immobili-_
_are aus Holzbiomasse erzeugte Biochar bei angemessener Dosierung vernach-_
_lässigbar geringe Auswirkungen auf die Kohlendioxid- und Methanemissio-_
_nen hat, während es eine leichte Verringerung der vom Boden ausgehenden_
_Stickstoffdioxidemissionen bewirkt. Das bedeutet, dass das in dieser Studie_
_untersuchte Biochar keine negativen Wirkungen auf die vom Boden ausge-_
_henden Treibhausgasemissionen hat und folglich ohne Kontraindikationen_
_genutzt werden kann._

_Was die Stabilität des Biochars im Boden anbelangt, wurden je nach verwen-_
_deter Methode widersprüchliche Ergebnisse erzielt. Wenn man außerdem be-_
_rücksichtigt, dass beide Schätzungen eine hohe Unsicherheitsmarge aufwie-_
_sen, können keine sicheren Schlussfolgerungen in Bezug auf diesen Aspekt_
_gezogen werden._

_Die Anwendung von Biochar mit einer Dosis von 50 t/ha hat jedoch für einen_
_Zeitraum bis zu zwei Jahren nach seiner Verteilung zu einem bedeutenden_
_Anstieg des Kohlenstoffgehalts im Boden geführt. Dieser mit einem Fehlen_
_von Kontraindikationen in Bezug auf die vom Boden ausgehenden Treibhaus-_

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

_gasemissionen einhergehende Anstieg zeigt, dass die Anwendung von Bio-_
_char auf Agrarböden zumindest mittelfristig zur Milderung des Klimawan-_
_dels beitragen kann._

Danksagungen
_Wir danken Martin Thalheimer vom Versuchszentrum Laimburg für die In-_
_formationen, die er uns über Klima, Wetter und pedologische Bedingungen_
_des Versuchsstandortes erteilt hat. Außerdem möchten wir uns bei Georg_
_Trenkwalder und seinen Mitarbeitern bedanken, die uns bei der Versuchsvor-_
_bereitung und der Verwaltung des Versuchsstandortes technisch unterstützt_
_haben._

Literaturverzeichnis
_Ameloot, N., Graber, E. R., Verheijen, F. G. A., & Deneve, S. (2013)._
_Interactions between biochar stability and soil organisms: review and_
_research needs. European Journal of Soil Science,_ [^64]:_(August), 379–390._
_https://doi.org/10.1111/ejss.12064_
_Blanco-Canqui, H. (2017). Biochar and Soil Physical Properties. Soil Science_
_Society of America Journal,_ [^81]:_, 687–711._
_https://doi.org/10.2136/sssaj2017.01.0017_
_Busch, D., & Glaser, B. (2015). Stability of co-composted hydrochar and_
_biochar under field conditions in a temperate soil. Soil Use and Management,_
[^31]:_, 251–258. https://doi.org/10.1111/sum.12180_
_Cayuela, M. L., van Zwieten, L., Singh, B. P., Jeffery, S., Roig, A., & Sánchez-_
_Monedero, M. A. (2014). Biochar’s role in mitigating soil nitrous oxide_
_emissions: A review and meta-analysis. Agriculture, Ecosystems and_
_Environment,_ [^191]:_, 5–16. https://doi.org/10.1016/j.agee.2013.10.009_
_Crane-Droesch, A., Abiven, S., Jeffery, S., & Torn, M. S. (2013). Heterogeneous_
_global crop yield response to biochar: a meta-regression analysis._

```
Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden
```

_Environmental Research Letters,_ [^8]:_, 1–8. https://doi.org/10.1088/1748-_
_9326/8/4/044049_
_Ding, Y., Liu, Y., Liu, S., Li, Z., Tan, X., Huang, X., ... Zheng, B. (2016). Biochar_
_to improve soil fertility. A review. Agronomy for Sustainable Development,_
[^36]:_(36), 1–18. https://doi.org/10.1007/s13593-016-0372-z_
_Downie, A., Munroe, P., & Crosky, A. (2009). Characteristics of Biochar –_
_Physical and Structural Properties. In J. Lehmann & S. Joseph (Eds.),_
_Biochar for environmental management: science, technology and implementation_
_(1st ed., pp. 13–29). Earthscan._
_Fang, Y., Singh, B. P., & Singh, B. (2014). Temperature sensitivity of biochar_
_and native carbon mineralisation in biochar-amended soils. Agriculture,_
_Ecosystems and Environment,_ [^191]:_, 158–167._
_https://doi.org/10.1016/j.agee.2014.02.018_
_Fischer, D., Erben, G., Dunst, G., & Glaser, B. (2018). Dynamics of labile and_
_stable carbon and priming effects during composting of sludge and lop_
_mixtures amended with low and high amounts of biochar. Waste_
_Management,_ [^78]:_, 880–893. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2018.06.056_
_Glaser, B., & Knorr, K. (2008). Isotopic evidence for condensed aromatics from_
_non-pyrogenic sources in soils – implications for current methods for_
_quantifying soil black carbon. Rapid Communications in Mass Spectrometry,_
[^22]:_, 935–942. https://doi.org/10.1002/rcm_
_Glaser, B., Lehmann, J., & Zech, W. (2002). Ameliorating Physical and_
_Chemical Properties of Highly Weathered Soils in Ameliorating physical_
_and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with_
_charcoal – a review. Biology and Fertility of Soils,_ [^35]:_, 219–230._
_https://doi.org/10.1007/s00374-_[^002]:_-_[^0466]:_-4_
_Gurwick, N. P., Moore, L. A., Kelly, C., & Elias, P. (2013). A Systematic Review_
_of Biochar Research, with a Focus on Its Stability in situ and Its Promise as_
_a Climate Mitigation Strategy. PLoS ONE,_ [^8]:_(9), 1–9._
_https://doi.org/10.1371/journal.pone.0075932_
_Hardy, B., Sleutel, S., Dufey, J. E., & Cornelis, J. (2019). The Long-Term Effect_
_of Biochar on Soil Microbial Abundance , Activity and Community_
_Structure Is Overwritten by Land Management. Frontiers in Environmental_
_Science,_ [^7]:_(110), 1–14. https://doi.org/10.3389/fenvs.2019.00110_

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

_He, Y., Zhou, X., Jiang, L., Li, M., & Du, Z. (2017). Effects of biochar application_
_on soil greenhouse gas fluxes: a meta-analysis._ [^743]:_–755._
_https://doi.org/10.1111/gcbb.12376_
_Jeffery, S., Verheijen, F. G. A., Kammann, C., & Abalos, D. (2016). Biochar_
_effects on methane emissions from soils: A meta-analysis. Soil Biology and_
_Biochemistry,_ [^101]:_, 251–258. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2016.07.021_
_Keith, A., Singh, B., & Singh, B. P. (2011). Interactive priming of biochar and_
_labile organic matter mineralization in a smectite-rich soil. Environmental_
_Science and Technology,_ [^45]:_(22), 9611–9618. https://doi.org/10.1021/es202186j_
_Kuzyakov, Y., Bogomolova, I., & Glaser, B. (2014). Biochar stability in soil:_
_Decomposition during eight years and transformation as assessed by_
_compound-specific 14C analysis. Soil Biology and Biochemistry,_ [^70]:_, 229–236._
_https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2013.12.021_
_Kuzyakov, Y., Subbotina, I., Chen, H., Bogomolova, I., & Xu, X. (2009). Black_
_carbon decomposition and incorporation into soil microbial biomass_
_estimated by 14 C labeling. Soil Biology and Biochemistry,_ [^41]:_(2), 210–219._
_https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2008.10.016_
_Lehmann, J., Abiven, S., Kleber, M., Pan, G., Singh, B. P., Sohi, S. P., &_
_Zimmerman, A. R. (2015). Persistence of biochar in soil. In J. Lehmann &_
_S. Joseph (Eds.), Biochar for environmental management: science, technology_
_and implementation (2nd ed., pp. 235–282). Ney York: Routledge._
_Lehmann, J., Rillig, M. C., Thies, J., Masiello, C. A., Hockaday, W. C., &_
_Crowley, D. (2011). Biochar effects on soil biota - A review. Soil Biology and_
_Biochemistry,_ [^43]:_(9), 1812–1836. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2011.04.022_
_Liu, J., Schulz, H., Brandl, S., Miehtke, H., Huwe, B., & Glaser, B. (2012). Short-_
_term effect of biochar and compost on soil fertility and water status of a_
_Dystric Cambisol in NE Germany under field conditions. Journal of Plant_
_Nutrition and Soil Science,_ [^000]:_, 1–10. https://doi.org/10.1002/jpln.201100172_
_Liu, X., Zhang, A., Ji, C., Joseph, S., Bian, R., Li, L., ... Paz-Ferreiro, J. (2013)._
_Biochar’s effect on crop productivity and the dependence on experimental_
_conditions — a meta-analysis of literature data. Plant and Soil,_ [^373]:_(1), 583–_

594. https://doi.org/10.1007/s11104-013-1806-x
Lu, X., Li, Y., Wang, H., Singh, B. P., Hu, S., Luo, Y., ... Li, Y. (2019). Responses
of soil greenhouse gas emissions to different application rates of biochar

```
Wirkung des Zusatzes von Biochar zum Boden
```

_in a subtropical Chinese chestnut plantation. Agricultural and Forest_
_Meteorology,_ [^271]:_, 168–179. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2019.03.001_
_Luo, Y., Durenkamp, M., Nobili, M. De, Lin, Q., & Brookes, P. C. (2011). Short_
_term soil priming effects and the mineralisation of biochar following its_
_incorporation to soils of different pH. Soil Biology and Biochemistry,_ [^43]:_(11),_
[^2304]:_–2314. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2011.07.020_
_Major, J. (2009). Biochar application to a Colombian Savanna Oxisol: Fate and effect_
_on soil fertility, crop production, nutrient leaching and soil hydrology. Cornell_
_University._
_Major, J. (2010). Guidelines on Practical Aspects of Biochar Application to Field Soil_
_in Various Soil Management Systems._
_Major, J., Lehmann, J., Rondon, M., & Goodale, C. (2010). Fate of soil-applied_
_black carbon: downward migration, leaching and soil respiration. Global_
_Change Biology,_ [^16]:_(4)._
_Michener, R., & Lajtha, K. (2007). Stable Isotopes in Ecology and Environmental_
_Science (second edi). Blackwell Publishing._
_Pingree, M. R. A., Makoto, K., & Deluca, T. H. (2017). Interactive effects of_
_charcoal and earthworm activity increase bioavailable phosphorus in sub-_
_boreal forest soils. Biolo,_ [^53]:_, 873–884. https://doi.org/10.1007/s00374-017-_
[^1227]:_-8_
_Rumpel, C., Chaplot, V., Planchon, O., Bernadou, J., Valentin, C., & Mariotti,_
_A. (2006). Preferential erosion of black carbon on steep slopes with slash_
_and burn agriculture. CATENA,_ [^65]:_(1), 30–40._
_https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.catena.2005.09.005_
_Shen, Y., Zhu, L., Cheng, H., Yue, S., & Li, S. (2017). Effects of biochar_
_application on CO2 emissions from a cultivated soil under semiarid_
_climate conditions in Northwest China. Sustainability,_ [^9]:_(1482), 1–13._
_https://doi.org/10.3390/su9081482_
_Singh, B. P., Fang, Y., Boersma, M., Collins, D., Van Zwieten, L., & Macdonald,_
_L. M. (2015). In Situ Persistence and Migration of Biochar Carbon and Its_
_Impact on Native Carbon Emission in Contrasting Soils under Managed_
_Temperate Pastures. PLoS ONE, 1–20._
_https://doi.org/10.1371/journal.pone.0141560_

Criscuoli, Ventura, Panzacchi, Glaser, Wiedner, Ceccon, Loesch, Raifer, Tonon

_Singh, N., Abiven, S., Torn, M. S., & Schmidt, M. W. I. (2012). Fire-derived_
_organic carbon in soil turns over on a centennial scale. Biogeosciences,_ [^9]:_,_
[^2847]:_–2857. https://doi.org/10.5194/bg-_[^9]:_-_[^2847]:_-2012_
_Spokas, K. A. (2010). Review of the stability of biochar in soils: predictability_
_of O:C molar ratios. Carbon Management,_ [^1]:_(2), 289–303._
_Ventura, M., Alberti, G., Panzacchi, P., Delle Vedove, G., Miglietta, F., &_
_Tonon, G. (2019). Biochar mineralization and priming effect in a poplar_
_short rotation coppice from a 3-year field experiment. Biology and Fertility_
_of Soils,_ [^55]:_, 67–78. https://doi.org/10.1007/s00374-_[^018]:_-_[^1329]:_-y_
_Ventura, M., Alberti, G., Viger, M., Jenkins, J. R., Girardin, C., Baronti, S., ..._
_Tonon, G. (2015). Biochar mineralization and priming effect on SOM_
_decomposition in two European short rotation coppices. GCB Bioenergy,_
[^7]:_(5), 1150–1160. https://doi.org/10.1111/gcbb.12219_
_Wang, J., Xiong, Z., & Kuzyakov, Y. (2016). Biochar stability in soil: meta-_
_analysis of decomposition and priming effects. GCB Bioenergy,_ [^8]:_(3), 512–_

523. https://doi.org/10.1111/gcbb.12266
Zimmerman, A. R. (2010). Abiotic and Microbial Oxidation of Laboratory-
Produced Black Carbon (Biochar). Environmental Science and Technology, 44,
1295–1301. https://doi.org/10.1021/es903140c

## Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol:

## Lebenszyklusanalyse (LCA) der Produktionskette

**Irene Criscuoli – Freie Universität Bozen**
**Pietro Panzacchi – Freie Universität Bozen, Italien / Università degli**
**Studi del Molise**
**Timo Rossberg – LCA Works Limited, Bedford, Vereinigtes Königreich**
**Onesmus Mwabonje – LCA Works Limited, Bedford, Vereinigtes Königreich**
**Piers Cooper – LCA Works Limited, Bedford, Vereinigtes Königreich**
**Jeremy Woods – LCA Works Limited, Bedford, Vereinigtes Königreich**
**Giustino Tonon– Freie Universität Bozen**

Abstract
_Mit einer Lebenszyklusanalyse (LCA) wurden der Energieverbrauch und die Treib-_
_hausgasemissionen evaluiert, die mit der Erzeugung und Nutzung von Biochar aus_
_Vergasungsprozessen auf Südtiroler Agrarböden verbunden sind._
_Zum heutigen Tag gibt es in Südtirol ungefähr 40 Vergasungsanlagen, die zehn verschie-_
_dene Technologien anwenden. Keine dieser Anlagen ermöglicht die Erzeugung eines für_
_die landwirtschaftliche Nutzung geeigneten Biochar; daher muss dieses von den Betrei-_
_bern als Abfall entsorgt werden. Die ökologischen Auswirkungen der Produktionskette_
_sind positiv, denn die Bilanz ihrer Treibhausgasemissionen und ihres Energieverbrauchs_
_ist negativ. In der Tat ist die Holzvergasung eine emissionsfreie Technologie, die alsErsatz_
_für umweltschädlichere fossile Quellen eingesetzt werden kann._
_Das Projekt WOOD-UP schlägt verschiedene Methoden zur Aufwertung der aktuellen_
_Produktionskette vor. Zunächst können aus der Holzbiomasse vor der Vergasung äthe-_
_rische Öle extrahiert werden. Die Extraktion ist ein Verfahren mit hohem Energiever-_
_brauch, aber die Auswirkungen sind nicht so hoch, dass sie zu einer nachteiligen Net-_
_tobilanz der Produktionskette führen würden. Außerdem kann Biochar als Bodenver-_
_besserungsmittel in der Landwirtschaft eingesetzt werden, wenn esbestimmten gesetz-_
_lichen Parametern entspricht. Zu diesem Zweck schlägt das Projekt Wood-Up die Nut-_
_zung einer „verbesserten“ Technologie vor, mit der die Erzeugung eines für die land-_
_wirtschaftliche Nutzung geeigneten Biochar möglich wäre. Der Lebenszyklusanalyse_
_zufolge verbessert die neue Technologie die Nettobilanz der Produktionskette und die_

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

_Verteilung vonBiochar im Boden erhöht den Kohlenstoffbestand; dadurch könnten we-_
_niger synthetische Düngemittel und weniger Wasser zu Bewässerungszwecken einge-_
_setzt werden, wodurch sich die Nettobilanz zusätzlich verbessern würde._
_Aktuell werden in Südtirol jedoch jährlich 1.250 t Biochar produziert, eine ausreichende_
_Menge zur Verbesserung von 50 Hektar, wenn man bei der Verteilung auf dem Feld_
_eine Dosis von 25 t/ha veranschlagt. Es handelt sich im Vergleich zur Gesamtfläche der_
_Weinberge (5.500 ha) und der Apfelplantagen (19.000 ha) also um eine recht kleine Flä-_
_che. Zur Unterstützung einer breiteren Anwendung von Biochar in der Landwirtschaft_
_wäre demzufolge eine Einfuhr von Biochar nötig oder eine Erhöhung der Anzahl der_
_Vergasungsanlagen. Der Einsatz neuer Technologien würde darüber hinaus einen im_
_Vergleich zu den aktuellen Technologien circa doppelt so großen Biomassebedarf her-_
_vorrufen, wenn die Biochar-Produktion gleich bleibt. Daraus folgt, dass die Implemen-_
_tierung dieser Szenarien nur durch eine Planung und politische Unterstützung auf_
_Ebene der Provinz umgesetzt werden kann._

#### 1. Einleitung

_Die Lebenszyklusanalyse (englisch: Life Cycle Assessment, LCA) ist ein Instru-_
_ment zur Evaluierung der Auswirkungen des Produktionsprozesses eines_
_Produkts oder einer Dienstleistung auf Umwelt und Gesundheit. Die LCA_
_wird mit Methoden durchgeführt, die auf internationalen Standards beruhen_
_(ISO, 2006a, 2006b). Die Ergebnisse der LCA können als Entscheidungshilfe_
_für Unternehmen und Politiker dienen, wenn diese verschiedene Szenarien_
_evaluieren müssen, um die nachhaltigsten Entscheidungen treffen zu können_
_(Guinée et al., 2011)._
_Im Rahmen des Projekts Wood-Up wurde die Lebenszyklusanalyse eingesetzt,_
_um die Umweltwirkungen der aktuellen Südtiroler Holzvergasungsprodukti-_
_onskette durch Untersuchung ihres Energieverbrauchs und ihrer klimaverän-_
_dernden Treibhausgasemissionen zu evaluieren. Die Analyse der Produktions-_
_kette beginnt bei der Erzeugung von Holzbiomasse und reicht bis hin zur Ent-_
_sorgung der Rückstände aus der Vergasung durch Abgabe des Biochars an_
_Mülldeponien, seine Verbrennung oder seineNutzung anstelle von Zement zur_
_Produktion von Beton. Derzeit entspricht das in den Südtiroler Anlagen er-_
_zeugte Biochar nicht den gesetzlichen Parametern für eine Nutzung in der_

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_Landwirtschaft (Amtsblatt 186, 12.08.2015); es kann daher nicht als Bodenver-_
_besserungsmittel eingesetzt werden._
_Auf Grundlage der im Rahmen des Projekts Wood-Up gewonnenen Daten_
_wurde die aktuelle Produktionskette daher mit einer möglichen optimierten_
_Version ihrer selbst verglichen, die sowohl die Extraktion ätherischer Öle aus_
_der Holzbiomasse vor dem Vergasungsprozess für den Verkauf auf dem phar-_
_mazeutischen Markt, als auch eine Änderung der Technologie energetischer_
_Umwandlung vorsieht, um die Erzeugung eines für die landwirtschaftliche_
_Nutzung geeigneten Biochar zu ermöglichen._
_In diesem Kapitel werden die Methoden der verwendeten Lebenszyklusana-_
_lyse und die auf Ebene der Provinz erzielten Resultate beschrieben._
_Die Produktionskette der Holzvergasung und die Nutzung von Biochar auf_
_landwirtschaftlichen Böden wurde in der Vergangenheit bereits untersucht_
_(Hamedani et al., 2019; Ibarrola et al., 2012; Lugato et al., 2013; Roberts et al.,_
_2010). Vor Kurzem haben Matustík und seine Kollegen (2020) die Ergebnisse_
_von 27 zwischen 2011 und 2019 veröffentlichten Arbeiten analysiert, in denen_
_Biochar aus der Pyrolyse auf landwirtschaftlichen Böden eingesetzt wurde;_
_dabei machten sie die Schwierigkeit deutlich, die Ergebnisse miteinander zu_
_vergleichen; Grund dafür ist die extreme Vielfalt bei der Wahl der funktionel-_
_len Einheiten innerhalb des Systems und der verwendeten Technologien._
_Hammond und seine Kollegen (2011) haben bewiesen, dass die Pyrolyse in_
_der Stromerzeugung zwar weniger effizient als die Vergasung ist, dafür aber_
_einen stärkeren Rückgang der CO2-Emissionen gewährleisten würde, da sie_
_eine größere Menge Biochar pro Einheit des Ausgangsmaterials erzeugt; dabei_
_wird angenommen, dass 68 % des Kohlenstoffs des auf dem Boden eingesetz-_
_ten Biochar für mindestens 100 Jahre fest im Boden verbleiben. Bei gleichem_
_Feedstock hat sich die Vergasung jedoch im Vergleich mit der Pyrolyse als_
_effizienter für die Energieerzeugung (Ibarrola et al., 2012) und gleichzeitig als_
_nachhaltiger gegenüber einer kompletten Verbrennung der Biomasse erwie-_
_sen (Nguyen et al., 2013). Die große Zahl variabler Faktoren, durch die sich_
_die Produktionsketten „Biomasse - energetische Umwandlung - Bestim-_
_mungszweck des Kohlenstoffrückstands“ kennzeichnen, machen eine Evalu-_
_ierung der Umweltwirkungen mit LCA für jede Produktionskette, die in Be-_
_tracht gezogen werden soll, erforderlich (Matustik et al., 2020). Aus diesem_

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

_Grund war es erforderlich, eine Lebenszyklusanalyse im Rahmen des Projekts_
_Wood-Up zu erstellen; dazu wurden hauptsächlich die Daten der verschiede-_
_nen Projektpartner der einzelnen Phasen der Produktionskette verwendet._
_Mit einer derart spezifischen LCA lässt sich ein realistisches Bild der aktuellen_
_Situation zeichnen und eine Evaluierung der konkreten Alternativen für die_
_Szenarien durchführen._
_Wir nehmen an, dass durch die LCA verdeutlicht wird, wie die in Wood-Up_
_vorgeschlagene innovative Produktionskette der Holzvergasung zur Verrin-_
_gerung der Treibhausgasemissionen sowohl im Energiebereich als auch in der_
_Landwirtschaft beitragen kann, da beide Sektoren durch hohe klimaverän-_
_dernde Emissionen gekennzeichnet sind. Die Energieerzeugung aus Biomasse_
_ist eine erneuerbare Energiequelle, die fossile Brennstoffe ersetzt (European Par-_
_liament and Council, 2018); gleichzeitig kann die Nutzung von Biochar in der_
_Landwirtschaft zur Verringerung des Bedarfs an Wasser und synthetischen_
_Düngemitteln gegenüber dem der in der Provinz stärker verbreiteten agrono-_
_mischen Praktiken beitragen, den Kohlenstoffbestand erhöhen und die vom Bo-_
_den ausgehenden Treibhausgasemissionen reduzieren (Shaaban et al., 2018)._

#### 2. Materialien und Methoden

_Die LCA für das Projekt Wood-Up wurde mit den international standardisier-_
_ten Methoden ISO 14040 und 14044 (ISO, 2006a, 2006b) und den vom interna-_
_tionalen Bezugsleitfaden empfohlenen besten Praktiken für die Erstellung ei-_
_nes Life Cycle Assessment, dem ILCD Handbook des Joint Research Center_
_(JRC, 2010) durchgeführt; in diesem sind die Definition des Ziels der LCA, die_
_Bestandsanalyse und die Auswertung der Ergebnisse vorgesehen._

[^2]:.[^1]: Definition des Ziels und des Anwendungsbereichs
_Ziel dieser Analyse ist der Vergleich der Umweltwirkungen der aktuellen_
_Südtiroler Produktionskette der Holzvergasung mit denen einer „verbesser-_
_ten“ Produktionskette. Die Verbesserung der Produktionskette bezieht sich_
_spezifisch auf die Aufwertung der Biomasse durch Extraktion ätherischer Öle_

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_vor der energetischen Nutzung und auf die Verwendung des Biochars als Bo-_
_denverbesserungsmittel in der Landwirtschaft. Außerdem soll geprüft wer-_
_den, welchen Einfluss bestimmte Faktoren auf die Nettobilanz der Produkti-_
_onskette haben, z. B. die Herkunft der Biomasse und die bei ihrem Transport_
_zurückgelegte Entfernung._
_In der Analyse bewertete Wirkungskategorien sind der Verbrauch fossiler_
_Energie (kg Öläquivalent) und der Klimawandel (kg CO2-Äquivalent über ei-_
_nen Zeitraum von 100 Jahren). Die Umweltwirkungen der einzelnen Prozesse_
_wurden durch Multiplikation der Emissionsfaktoren mit den Material- und_
_Energie-Inputs der funktionellen Einheit der LCA berechnet, die in diesem_
_Fall 1 Tonne Biochar entspricht. Nähere Einzelheiten zu den Berechnungen_
_sind in Abschnitt 2.3 dieses Kapitels aufgeführt._

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

```
Abb. 1
```

–
In der LCA untersuchte Produktionskette

```
Produktion von Rundholz und Hackschnitzeln
(in Südtirol,
Österreich und
Slowenien)
Produktion von Holzpellets (in
```

```
Südtirol,
Österreich und
```

```
Polen)
```

```
Transport der Biomasse mit Lkw und Bahn(innerhalb von Südtirol und aus
Österreich, Polen und Slowenien)Sensibilitäts
```

-

```
analyse
```

```
Vergasung (aktuelle
Technologien)
Vergasung (verbesserte Technologien)
```

```
Extraktion hochwertiger
Verbindungen aus
```

```
Rundholz und Hackschnitzeln
Soxhlet
```

-Extraktion (SOX)

```
Transport zur Biochar zur Entsorgungsanlage Sensibilitätsanalyse Transport der Biochar zu den AgrarbödenSensibilitätsanalyse
```

```
Verteilung der
Biochar im WeinbergVerteilung der Biochar in der Obstplantage
```

```
Extraktion hochwertiger
Verbindungen aus
```

```
Rundholz und HackschnitzelnExtraktion mit
überkritischen Fluiden (SFE)
```

```
Ätherische Öle
```

```
Sonstige Abfälle (außer
Biochar) (Asche, Teer usw.)
```

```
Transport zur
EntsorgungsanlageSensibilitätsanalyse
```

```
Asche für die Produktion
```

```
VerbrennungMülldeponievon Zement
```

```
Energie Energie
```

```
EnergieEnergie aus DeponiegasRohstoffe für die Produktion von Beton Nutzen für Landwirtschaft und Umwelt
```

```
Gesamte Biomasse ohne Extraktion
```

```
hochwertiger Verbindungen
Holzpellets (nicht zur
```

```
Aktuelle oder verbesserte
Technologien (je nach
```

```
Szenario)
```

```
Wenn die Biochar nicht in der Landwirtschaft genutzt wird
```

```
Je nach Szenario
Anwendung in Weinberg
```

```
oder Obstplantage
```

```
Wenn die Biochar in der
Landwirtschaft genutzt wird
```

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_Die untersuchte Produktionskette ist im Flussdiagramm der Abbildung1 dar-_
_gestellt, wo die Prozesse beschrieben werden, die zum System der aktuellen_
_Südtiroler Produktionskette (Szenario 1) und der von 6 Alternativszenarien_
_gehören._
_Die Blöcke des Diagramms stellen Prozesseinheiten dar, während die Pfeile_
_die Ströme der Biomasseundanderer Arten von Material oder Energie zeigen._
_Die verschiedenen Farben und die mit den Blöcken und Pfeilen verbundenen_
_Texte kennzeichnen parallel laufende Prozesse und Ströme, d. h. jede Farbe_
_stellt eine Alternative dar, die je nach untersuchtem Szenario eintritt oder_
_nicht, und nicht eine Teilung des Material-/ Energiestroms innerhalb eines be-_
_stimmten Szenarios. Gleichfarbige Pfeile stehen für Material-/ Energieströme_
_zum nächsten Prozess (Abb. 1)._

_Im Folgenden werden die sieben untersuchten Szenarien vorgestellt:_

- Szenario 1 – Aktuelle Situation: Evaluierung der aktuell in Südtirol ge-
nutzten Vergasungsprozesse: die aktuelle Art und Herkunft der verwen-
deten Biomasse, keine Extraktion von hochwertigen Verbindungen aus
der Biomasse vor der Vergasung, die aktuellen Technologien der Verga-
sungsanlagen, Entsorgung aller aus der Vergasung stammenden Produkte
(Kohle, Asche, Teer) ohne Einsatz von Biochar auf landwirtschaftlichen
Böden.
- Szenario 2 – Aktuelle Situation + Extraktion von hochwertigen Verbindun-
gen: ein Szenario mit den gleichen Voraussetzungen wie im Szenario 1,
aber mit Extraktion hochwertiger Verbindungen (ätherische Öle) aus der
Holzbiomasse vor der Vergasung. Aus dem Vergleich dieses Szenarios mit
dem Szenario 1 kann die Wirkung des Extraktionsprozesses ätherischer
Öle auf die Emissionen des CO2-Äquivalents und den Verbrauch fossiler
Energiequellen ermittelt werden. Die Extraktion kann mit der Soxhlet-Me-
thode oder mit überkritischem Kohlendioxid erfolgen.
- Szenario 3 – Aktuelle Situation + Verbesserte Vergasung: ein Szenario mit
den gleichen Voraussetzungen wie Szenario 1, aber mit dem Einsatz von
Vergasungstechnologien, die in der Lage sind, ein für die Nutzung in der
Landwirtschaft geeignetes Biochar zu produzieren, übereinstimmend mit

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

```
den Resultaten des WP 6 des Projekts Wood-Up. Mit diesem Szenario kön-
nen die Wirkungen der aktuell angewandten Vergasungstechnologien mit
denen der verbesserten Technologien verglichen werden.
```

- Szenario 4 – Aktuelle Situation + Extraktion von hochwertigen Verbindun-
gen: ein Szenario mit den gleichen Voraussetzungen wie Szenario 3, aber
mit zusätzlicher Extraktion hochwertiger Verbindungen (ätherische Öle)
aus der Holzbiomasse vor der Vergasung.
- Szenario 5 – Verbesserte Vergasung + Anwendung von Biochar auf land-
wirtschaftlichen Böden (Weinberg): ein Szenario mit den gleichen Parame-
tern wie Szenario 3, aber mit Anwendung von Biochar in den Weinbergen
Südtirols. Statt entsorgt zu werden kann das Biochar dank der Nutzung
verbesserter Vergasungstechnologien als Bodenverbesserungsmittel in
der Landwirtschaft eingesetzt werden. Mit diesem Szenario können die
Vorteile oder Umweltwirkungen gemessen werden, die entstehen, wenn
das Biochar auf landwirtschaftlichen Böden eingesetzt wird, statt als Ab-
fall entsorgt zu werden.
- Szenario 6 – Verbesserte Vergasung + Anwendung von Biochar auf land-
wirtschaftlichen Böden (Apfelplantage): ein Szenario mit den gleichen Pa-
rametern wie Szenario 5, aber mit Verteilung von Biochar in den Apfel-
plantagen statt in den Weinbergen Südtirols. Dieses Szenario dient zur Er-
leichterung des Vergleichs der Wirkungen/Vorteile einer Anwendung von
Biochar in den wichtigsten landwirtschaftlichen Kulturen Südtirols.
- Szenario 7– Aktuelle Situation + Extraktion von hochwertigen Verbindun-
gen + Anwendung vonBiochar in der Landwirtschaft: ein Szenario mit den
gleichen Parametern wie Szenario 5, aber mit zusätzlicher Extraktion
hochwertiger Verbindungen (ätherische Öle) aus der Holzbiomasse vor
der Vergasung.
- Dynamisches Szenario: ein Szenario, das von Mal zu Mal definiert wird, je
nachdem, welche Hypothesen überprüft werden sollen. Das dynamische
Szenario ist ein nützliches Mittel zur Bewertung der einzelnen Auswir-
kungen aller Prozesse der Produktionskette und zur Umsetzung der Sen-
sibilitätsanalysen.

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_Die LCA wurde mit einem Attributions- und folgenorientierten Ansatz durchge-_
_führt. Unter dem Attributionsmodell versteht sich eine Analyse der Wirkun-_
_gen, die mit allen zum untersuchten System gehörigen Prozessen verbunden_
_sind. Das folgenorientierte Modell hingegen quantifiziert auch die Folgen für_
_andere Systeme und erweitert so die Grenzen des untersuchten Systems_
_(McManus & Taylor, 2015). Zum Beispiel kann die Verbreitung von Verga-_
_sungsanlagen im Südtirol die Nachfrage nach elektrischer Energie aus dem_
_nationalen Energiemix reduzieren, und die Anwendung von Biochar in der_
_Landwirtschaft kann den Einsatz von Düngemitteln gegenüber der traditio-_
_nellen Agrarbewirtschaftung verringern._

2.2 Bestandsaufnahme des Lebenszyklus (LCI) und LCA
Workbook

_Die Bestandsdaten (Life Cycle Inventory, LCI) wurden, soweit möglich, den For-_
_schungsarbeiten des Projekts Wood-Up entnommen. Diese Primärdaten lie-_
_fern möglichst genaue Werte für die Studie der Produktionskette. Sofern die_
_Daten zur Vervollständigung des Datensatzes nicht vorhanden waren, wurde_
_auf sekundäre Daten aus der Datenbank Ecoinvent 3 (Version 3.1, aktualisiert_
_auf 2014 (Wernet et al., 2016) und aus der einschlägigen wissenschaftlichen_
_Literatur zurückgegriffen. Die Bestandsaufnahme (LCI) wurde mit Microsoft_
_Excel erstellt._
_Eine Reihe von Excel-Blättern wurde in eine Datei (LCA Workbook) integriert,_
_um die LCI mit den Emissionen jedes Prozesses der Produktionskette zu ver-_
_einen; diese wurden mit der Software SimaPro, Version 8.0.5.13 berechnet_
_(PRé Sustainability, Amersfoort, Netherlands, 2018). Auf diese Weise erhielt_
_man die Ergebnisse der LCA in Bezug auf die Wirkungen._
_Für andere Prozesse wie die Anwendung von Biochar auf landwirtschaftli-_
_chen Böden wurden die Daten über die Auswirkungen von den Partnern des_
_Projekts Wood-Up geliefert oder durch das vom Institut für Energie- und Um-_
_weltforschung (IFEU) im Jahr 2015 entwickelten BioGrace Tool (Version 4d)_
_gewonnen; das Tool ermöglicht die Harmonisierung der Berechnungen zu_
_den Treibhausgasemissionen der Biotreibstoffe (www.biograce.net)._

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

_Die Bestandsaufnahme (Life Cycle Inventory, LCI) und die Lebenszyklusana-_
_lyse (Life Cycle Assessment, LCA) wurden für jedes in Abschnitt 2.1 aufge-_
_führte Szenario einzeln erstellt._

2.3 Daten und Hypothesen
_Die für die LCA verwendeten Daten sind eine Mischung aus Primärdaten, die_
_von den Partnern des Projekts Wood-Up produziert wurden, und Sekundär-_
_daten aus der Datenbank Ecoinvent 3 und der Literatur. Die Quellen und Hy-_
_pothesen, auf denen das LCA Workbook für die verschiedenen Prozesse der_
_Produktionskette beruht, werden im Folgenden erläutert._

2.3.1 Produktion der Biomasse
_Die Produktion von Holzbiomasse für die Holzvergasung umfasst die Pro-_
_duktion von Rundholz und Hackschnitzeln aus dem Südtirol und dem Aus-_
_land (Österreich und Slowenien) sowie die Produktion von Holzpellets aus_
_dem Ausland (Österreich und Polen). Diese drei Arten von Biomasse werden_
_zu den Vergasungsanlagen befördert, wo sie bei Bedarf zu einer für die Nut-_
_zung im Vergaser geeigneten Stückgröße weiterverarbeitet werden. Auf_
_Transport und Verarbeitung der Biomasse gehen die Abschnitte 2.3.2 und_
_2.3.4 näher ein._
_Es wurde angenommen, dass die gesamte zur Vergasung genutzte Holzbio-_
_masse aus Rottannen (Picea abies (L.) H. Karst., 1881) stammt, da aus den Fra-_
_gebögen, die den Betreibern der Vergasungsanlagen vorgelegt wurden, her-_
_vorging, dass diese Holzart in Südtirol die breiteste Anwendung findet._
_Die Anteile der verwendeten Arten von Biomasse verteilen sich gemäß den_
_Fragebögen wie folgt: 69 % Rundholz oder Hackschnitzel (davon 50 % Rund-_
_holz und 50 % Hackschnitzel) und 31 % Pellets._
_85 % des Rundholzes und der Hackschnitzel stammen aus Südtirol und die_
_übrigen 15 % werden aus dem Ausland importiert (50 % aus Slowenien und_
_50 % aus Österreich). 50 % der Hackschnitzel stammen aus Sägewerksrück-_
_ständen und die übrigen 50 % sind ein primäres Waldprodukt. Alle in Verga-_
_sungsanlagen verwendeten Pellets werden aus dem Ausland importiert (90 %_
_aus Österreich und 10 % aus Polen)._

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_Ausgehend von der funktionellen Einheit der LCA wurde die zur Erzeugung_
_von 1 Tonne Biochar erforderliche Biomasse-Gesamtmenge rekonstruiert; da-_
_bei wurden die Inputs, die Outputs und die Daten zum Biomasseverlust in_
_den Prozessen vor der Vergasung berücksichtigt. Wenn vor der Vergasung_
_keine ätherischen Öle extrahiert werden, benötigt man zur Erzeugung von 1 t_
_Biochar auf Provinzebene 33,47 t Holzbiomasse. Wird hingegen der Prozess_
_der Soxhlet-Extraktion in die Produktionskette eingefügt, werden 34,62 t Bio-_
_masse benötigt, und bei der Extraktion mit überkritischem Kohlendioxid 34,52_
_t. Die Differenz in den beiden Schätzungen ist auf die unterschiedlichen Bio-_
_masseverluste in den beiden Extraktionsmethoden zurückzuführen. Nähere_
_Angaben finden sich im Abschnitt über den Extraktionsprozess (2.3.3.)._
_Die beschreibenden Prozesse der Biomasseproduktion wurden von der Da-_
_tenbank Ecoinvent 3 ausgewählt; Die Wahl fiel auf die Daten, die als die bes-_
_ten Annäherungswerte betrachtet wurden. In den Fällen, in denen für das_
_Südtiroler oder das italienische Umfeld keine Daten vorhanden waren, wur-_
_den Daten ähnlicher Kontexte gewählt. In diesem Fall handelt es sich bei den_
_ausgewählten Prozessen um die Produktion von Rundholz und Hackschnit-_
_zeln in der Schweiz aus einer nachhaltigen forstwirtschaftlichen Produktions-_
_kette von Weichholz und um die Produktion von Hackschnitzeln eines Säge-_
_werks. Der in Ecoinvent aufgeführte Stromverbrauch für die Produktion von_
_Holzbiomasse wurden an den italienischen Stromquellenmix angepasst._
_Die Inputs von biogenem Kohlenstoff, d. h. die CO_[^2]:_-Aufnahme mittels Foto-_
_synthese und Wachstum der Bäume, wurden aus den in Ecoinvent 3 ausge-_
_wählten Prozessen bezüglich der Biomasseproduktion eliminiert, da sie be-_
_reits im LCA-Workbook berücksichtigt worden waren, in dem die Vergasung_
_als ein Prozess der „emissionsfreien“ Energieerzeugung bewertet wurde_
_(Richtlinie [EU] 2018/2001 des Europäischen Parlaments und des Rates über_
_die Ziele erneuerbarer Energien in der Europäischen Union)._

2.3.2 Transport der Biomasse zu den Vergasungsanlagen
_Die Holzbiomasse wird mit dem Lkw oder Güterzug zur Vergasungsanlage_
_transportiert. Im Falle der Szenarien, die eine Phase der Extraktion ätherischer_

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

_Öle umfassen, wurde angenommen, dass diese in der Vergasungsanlage statt-_
_findet und daher kein weiterer Transport der Biomasse berücksichtigt werden_
_muss._
_Für Biomasse aus Südtirol wurde angenommen, dass 100 % des Transports_
_auf Rädern erfolgen, für Biomasse aus dem Ausland hingegen, dass 50 % des_
_Transports auf Rädern und 50 % auf der Schiene stattfinden. Die Rückreise_
_des Transportmittels wurde als Leerfahrt gerechnet. Diese Annahme muss_
_nicht immer zutreffen, ermöglicht aber konservative Schätzungen._
_Die Streckenlänge wurde nach Herkunftsregion der Biomasse definiert und_
_mit Google Maps (2020) berechnet. Die durchschnittlichen Distanzen für die_
_Hin-und Rückfahrt liegen bei 150 km, wenn der Transport innerhalb Südtirols_
_stattfindet, bei 800 km, wenn die Ladung aus Österreich und Slowenien und_
_bei 2.400 km, wenn sie aus Polen kommt._
_Außerdem wurde für die Sensibilitätsanalyse die Möglichkeit vorgesehen,_
_manuell theoretische Entfernungen in das LCA-Workbook einzufügen, um_
_deren Wirkung zu evaluieren._
_Es wurde angenommen, dass während des Transports keine Biomasseverluste_
_entstehen und somit die transportierten Gesamtmengen in Bezug auf die_
_funktionelle Einheit mit den im vorherigen Abschnitt (2.3.1) für die Biomasse-_
_produktion angegebenen Mengen übereinstimmen._
_Zur Berechnung der Wirkungen dieser Transportphase wurden auf Ecoinvent_
_die Prozesse ausgewählt, die sich der Darstellung dieser Phase möglichst weit_
_annähern. Für den Lkw-Transport wurden Daten für einen Transport in Eu-_
_ropa, außerhalb der Schweiz, mit 16- bis 32-Tonner der Emissionskategorie_
_EURO5 ausgewählt. Für den Schienentransport wurde als Prozess ein öster-_
_reichischer Warentransport für die Biomasse aus Österreich, Polen und Slo-_
_wenien ausgewählt, da für die anderen beiden Länder keine spezifischen Da-_
_ten zur Verfügung standen. Alle Wirkungsdaten umfassen die proportionale_
_Nutzung der Infrastrukturen, zum Beispiel die Nutzung der Straßen und die_
_Produktion der Transportmittel._

2.3.3 Extraktion hochwertiger Verbindungen vor der Vergasung
_Die Daten bezüglich der Extraktion von Verbindungen mit hohem kommer-_
_ziellem Wert aus Holzbiomasse - ätherische Öle - wurden von der Universität_

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_Bozen im Rahmen des Projekts Wood-Up gewonnen. Die in Bezug auf die_
_Soxhlet-Extraktion (SOX) und die Extraktion mit überkritischem Kohlendi-_
_oxid (CO_[^2]:_) (SFE) gewonnenen Daten wurden auf Ebene kleiner Industrieanla-_
_gen in Bezug auf die funktionelle Einheit der LCA skaliert. Kapitel 2 dieses_
_Bandes enthält eine detaillierte Beschreibung der beiden Extraktionsmetho-_
_den. Die Daten zur SOX beziehen sich auf eine hypothetische Industrieanlage,_
_die in der Lage ist, 20 kg Biomasse auf einmal zu verarbeiten; die Daten zur_
_SFE betreffen eine Anlage mit einer Kapazität von 100 kg. Die im Labor ge-_
_wonnenen Input- und Output-Daten bezüglich der SFE wurden mit Faktor_
_0,25 skaliert, da es nicht realistisch ist, ein lineares Up-Scaling (1:1) der Input-_
_und Output-Faktoren bei zunehmender Größe der Anlage anzunehmen. In-_
_dustrieanlagen, zum Beispiel, die im Vergleich zu den Laborgerätschaften viel_
_größer sind, kennzeichnen sich durch eine effizientere Energienutzung._
_Es wurde angenommen, dass die Extraktion ätherischer Öle direkt am Stand-_
_ort der Vergasungsanlage stattfindet und daher keine weiteren Transporte er-_
_forderlich sind, und dass mit Ausnahme der Pellets 100 % der Holzbiomasse_
_(Rundholz und Hackschnitzel) dem Prozess der Extraktion ätherischer Öle_
_unterzogen wird, sofern dieser Prozess in den Analyseszenarien ausgewählt_
_wurde._
_Das LGC Workbook bietet auch die Möglichkeit, die Wirkung der Verbreitung_
_von nur einer Technologie oder einer Mischung beider Technologien zu eva-_
_luieren. In der Annahme, dass beide Technologien in der gesamten Provinz_
_eingesetzt werden können, wurde ihre Verbreitung auf Grundlage der Effizi-_
_enz der beiden Prozesse bestimmt, d. h. beruhend auf dem Verhältnis zwi-_
_schen den extrahierten ätherischen Ölen und der eingespeisten Holzbiomasse_
_(5 % für die SOX-Extraktion und 4,6 % für die SFE-Extraktion). Demzufolge_
_wurde die Biomasse proportional verteilt, wobei dem effizienteren Prozess_
_mehr Biomasse zugeteilt wurde: 52 % für die Soxhlet-Extraktion (SOX) und_
[^48]: _% für die Extraktion mit überkritischem CO_[^2]: _(SFE)._
_Die Wirkung der Zerkleinerung der Biomasse vor ihrer Einspeisung in die Ex-_
_traktionsanlage und die Wirkung des Anlagenbetriebs an sich wurden auf_
_Grundlage des Energieverbrauchs oben genannter Prozesse berechnet. Die_
_Emissionsfaktoren wurden auf Grundlage von Prozessen gewonnen, die mit_

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

_den untersuchten vergleichbar sind und aus der Datenbank Ecoinvent stam-_
_men; die Daten wurden dem italienischen Energiemix der Mittelspannung an-_
_gepasst. Die Emissionen in Verbindung mit der Produktion und Nutzung von_
_Hexan, dem für die SOX verwendeten Lösungsmittel, und dem Ethanol, das_
_für die SFE genutzt wird, wurden aufgrund mangelnder konsolidierter Daten_
_ausgeschlossen. Das in den Reaktionen der SFE verwendete CO_[^2]: _wurde nicht_
_eingerechnet, weil es im Extraktionsprozess recycelt wird._

2.3.4 Vergasung mit aktueller Technologie
_Der Vergasung umfasst die Zerkleinerung der Biomasse auf die richtige Größe_
_für die Anlage (wenn in der Produktionskette keine Extraktion der ätheri-_
_schen Öle vorgesehen ist) und den Vergasungsprozess mit Erzeugung von_
_Wärmeenergie, Elektrizität, Biochar, Teer und Asche._
_In den Fällen, in denen keine Extraktion in der Produktionskette vorgesehen_
_ist, wurde angenommen, dass 50 % der Biomasse vom Anlagenbetreiber ge-_
_häckselt werden müssen. Die Emissionen der Häckselung wurden mit einem_
_Ecoinvent-Prozess für einen dieselbetriebenen mobilen Häcksler berechnet. Es_
_wurde angenommen, dass sich die Häcksler in der Nähe der Vergasungsan-_
_lage befinden; daher wurden keine weiteren Transporte veranschlagt. Die_
_Wirkung der Trocknung der Biomasse wurde nicht getrennt von der Verga-_
_sung bewertet, da die Ecoinvent-Prozesse bezüglich der Vergasung die Trock-_
_nungsphase bereits einschließen. Diese Prozesse wurden auf alle Arten von_
_Biomasse angewandt (nicht nur auf Rundholz und Hackschnitzel, sondern_
_auch auf Pellets); aus diesem Grund sind die erstellten Schätzungen der Wir-_
_kung konservativ._
_Die Daten zu den aktuell in Südtirol angewandten Vergasungstechnologien_
_wurden im Rahmen des WP 5 des Wood-Up-Projekts durch Fragebögen erho-_
_ben, die an die Anlagenbetreiber ausgegeben wurden (Kapitel 1 dieses Ban-_
_des). Aufgrund der erhobenen Daten wird die jährliche Produktion von Bio-_
_char in der Autonomen Provinz Bozen auf 1.249,61 t, verteilt auf 42 Anlagen,_
_geschätzt. Die Anlagen wurden nach Betriebstyp (Technologie mit Fest-_
_bett/Flüssigbett; up-draft/down-draft), Art der verwendeten Biomasse (Hack-_
_schnitzel/Pellets), Anlagenhersteller, Anlagengröße usw. gegliedert. Da einige_
_Betreiber die Fragebögen nicht oder nur teilweise beantwortet haben, wurden_

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_die Daten der Fragebögen auf Grundlage der oben genannten Kategorien auf_
_alle Anlagen der Provinz extrapoliert._
_Insgesamt existieren im Südtirol zehn Vergasertechnologien und nur eine da-_
_von sieht am Ende des Prozesses die Verbrennung des Biochars vor (post-_
_reforming), mit der das Biochar in Asche verwandelt und das Volumen des_
_Endprodukts deutlich reduziert wird. Das LCA Workbook unterscheidet je-_
_doch nicht zwischen Asche und Biochar, was mit einer zu hohen Schätzung_
_der jährlichen Biochar-Produktion für diese Technologie einhergeht._
_Eine der Anlagen mit Post-reforming-Technologie liefert die Asche an ein ört-_
_liches Zementwerk zur Erzeugung von Beton. Fürdiese Lieferung wurden die_
_Wirkungen des Transports und des Rohstoffersatzes (Zement) geschätzt._
_Die Prozesse der Holzvergasung in Ecoinvent berechnen die Emissionen in_
_Bezug auf die Prozesseinheit von 1 m_[^3] _Synthesegas für die Technologien mit_
_Fest-und Flüssigbett. Das Synthesegas ist eine Gasmischung (Kohlenmonoxid_
_(CO), Wasserstoff (H_[^2]:_), Methan (CH_[^4]:_) und Kohlendioxid (CO_[^2]:_)), die durch_
_Vergasung der Biomasse erzeugt und als Brennstoff zur Erzeugung von_
_elektrischer Energie verwendet wird. Die mit den einzelnen Technologien er-_
_zeugten Mengen an Synthesegas (m_[^3]_) und somit die mit diesem verbundenen_
_Wirkungen wurden auf Grundlage der Produktion von Biochar/Asche und_
_der oben genannten Ecoinvent-Prozesse geschätzt._
_Zur Quantifizierung der fossilen Energie, die durch die mit der Vergasung_
_erzeugte Energie ersetzt wird, wurde die Nettoproduktion von Elektrizität_
_und Wärme der Anlagen berechnet. Unter Nettoproduktion versteht sich die_
_von der Anlage erzeugte Energie abzüglich des internen Verbrauchs. Die Da-_
_ten des internen Stromverbrauchs wurden von den Anlagenbetreibern ange-_
_geben, während für die Wärmeenergie ein interner Verbrauch von 25 % ange-_
_nommen wurde._
_Die zur Berechnung der Emissionsfaktoren der Vergaser mit Fest- und Flüs-_
_sigbett ausgewählten Ecoinvent-Prozesse beziehen sich auf die Schweiz, da_
_für Italien keine Daten verfügbar waren und die der Schweiz als vernünftige_
_Annäherungswerte betrachtet wurden. Die beiden Prozesse (Festbett und_
_Wirbelschicht) sind nicht repräsentativ für die Vielfalt der Anlagentechnolo-_
_gien und -größen, die aus den Fragebögen hervorgehen, wurden aber als eine_

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

_akzeptable und den Durchschnitt widerspiegelnde Annäherung für die Be-_
_rechnung der Emissionen betrachtet. Wie es bei den Inputs von biogenem_
_Kohlenstoff der Fall war, wurden auchdie Outputs von biogenem Kohlenstoff_
_(das bei der Holzvergasung abgegebene CO_[^2]:_) aus den Ecoinvent-Prozessen_
_eliminiert, weil die von der Biomasse-Vergasung erzeugte Energie als „emis-_
_sionsfrei“ betrachtet wird (Richtlinie [EU] 2018/2001 des Europäischen Parla-_
_ments und des Rates über die Ziele erneuerbarer Energien in der Europäi-_
_schen Union, 2018)._

2.3.5 Vergasung mit verbesserter Technologie
_Wie bereits gesagt, entspricht das in den derzeitigen Südtiroler Vergasungs-_
_anlagen erzeugte Biochar nicht den italienischen Normen, die seinen Einsatz_
_in der Landwirtschaft erlauben würden (siehe Kapitel 1). Dennoch haben sich_
_einige Technologien als besser zur Erzeugung von Biochar mit einer niedrigen_
_Konzentration an Schadstoffen geeignet erwiesen. Auf dieser Grundlage_
_wurde die Anwendung eines Vergasers mit Festbett vorgeschlagen, der mit_
_Hackschnitzel beschickt wird, um ein Biochar zu erzeugen, das den gesetzli-_
_chen Parametern entspricht (Amtsblatt 186, 12.08.2015). Nähere Informatio-_
_nen finden sich in Kapitel 1 dieses Buchs, das spezifisch der verbesserten Ver-_
_gasungstechnologie gewidmet ist._
_In der LCA wurde für den Vergleich der Wirkung der aktuellen mit den ver-_
_besserten Technologien angenommen, dass die jährlich erzeugte Menge an_
_Biochar auf Ebene der Provinz in allen Szenarien konstant bleibt._
_Die Energieeffizienz der im Projekt vorgeschlagenen neuen Technologie ist_
_etwas höher (0,97 kg Biomasse/kWh) als der gewichtete Mittelwert der aktuell_
_in der Region verbreiteten Technologien (1,01 kg Biomasse/kWh). Das Ver-_
_hältnis zwischen Biochar und erzeugter Energie beläuft sich hingegen auf_
_etwa die Hälfte in der aktuellen Technologie (11,56 kg Biochar/kWh) im Ver-_
_gleich zum gewichteten Mittelwert der derzeit verwendeten Technologien_
_(21,68 kg Biochar/kWh). Für die Erzeugung einer gleichen Menge an Biochar_
_(funktionelle Einheit der LCA) in den Szenarien 3-7 würde die mit der Erzeu-_
_gung von Biochar verbundene Energieerzeugung durch Vergasung also um_
_ein 1,87-faches steigen, und so auch die Menge der in der Produktionskette_
_erforderlichen Biomasse._

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_Zu Vergleichszwecken wollte man daher auch einen Ansatz entwickeln, bei_
_dem die Szenarien mit verbesserter Vergasung (Szenario 3-7) mit den Szena-_
_rien verglichen werden, welche die aktuellen Vergasungstechnologien an-_
_wenden (Szenario 1 und 2), wobei nicht die Biochar-Menge, sondern vielmehr_
_die Menge der erzeugten Energie als fester Wert gelten sollte._

2.3.6 Transport von Biochar, Asche und Teer zu den
Entsorgungsanlagen oder landwirtschaftlichen Flächen
_Ähnlich wie schon im Abschnitt über den Transport der Biomasse beschrie-_
_ben, werden das Biochar, die Asche und der Teer per Lkw, mit einem 16-_[^32]:_-_
_Tonner der Emissionskategorie EURO5 zu den Entsorgungsanlagen oder_
_landwirtschaftlichen Flächen befördert._
_Eine Transportstrecke von 50 km (nur Hinweg) wurde als angemessener Nä-_
_herungswert zur Beschreibung der durchschnittlichen Distanz der Entsor-_
_gungsstandorte oder landwirtschaftlichen Flächen von den Vergasungsanla-_
_gen im Südtirol betrachtet. Wie für den Transport der Biomasse wurde ange-_
_nommen, dass die Rückreise als Leerfahrt erfolgt und während des Transports_
_keine Verluste entstehen._
_Die Teerproduktion der Vergasungsanlagen wurde in den Fragebögen in Li-_
_tern/Jahr erhoben und dann für die Berechnung des Transports in Masse um-_
_gewandelt. Die Umwandlung beruht auf einem Teergewicht von 1,05 kg/Liter_
_(Engineering ToolBox (2020) Density of Selected Solids. Online:_
_https://www.engineeringtoolbox.com/density-solids-d_1265.html)._

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

2.3.7 Entsorgung der bei der Vergasung erzeugten Abfälle
_In den Szenarien, in denen keine Anwendung des Biochars auf landwirt-_
_schaftlichen Böden erfolgte, wurden verschiedene Entsorgungsrouten für die_
_Vergasungsabfälle in Betracht gezogen. Aus den von den Anlagenbetreibern_
_ausgefüllten Fragebögen geht hervor, dass 33,87 % der Rückstände als nicht_
_gefährliche Abfälle entsprechend dem Europäischen Abfallverzeichnis (EAV)_
_10 01 01 entsorgt werden, 59,68 % nach EAV 10 01 03, ebenfalls nicht gefährli-_
_che Abfälle, und 6,45 % als Asche für die Produktion von Beton. Es wurde_
_angenommen, dass 90 % des als EAV 10 01 01 und EAV 10 01 03 eingestuften_
_Biochar eingeäschert und 10 % auf die Mülldeponie gebracht werden. Einer_
_der Anlagenbetreiber gab an, dasBiochar für einen bestimmten Zeitraum nach_
_Österreich ausgeführt zu haben, wo es als landwirtschaftliches Bodenverbes-_
_serungsmittel genutzt werden konnte. Für den Moment wurde der Export je-_
_doch eingestellt._
_Für die Emissionsfaktoren der Verbrennung und der Lagerung auf der Müll-_
_deponie wurde die Datenbank Ecoinvent herangezogen. Da keine Daten für_
_Italien zur Verfügung stehen, wurden angemessene Annäherungswerte aus-_
_gewählt. Für die Verbrennung wurde eine städtische Holzverbrennungsan-_
_lage in der Schweiz ausgewählt; die Wirkungen wurden dann an den italieni-_
_schen Energiemix angepasst. Als Annäherungsmodell für die Lieferung auf_
_Mülldeponien wurde die Entsorgung von inerten Abfällen auf einer Müllde-_
_ponie in der Schweiz gewählt, da es sich bei Biochar um eine ziemlich inerte_
_Substanz handelt._

2.3.8 Anwendung von Biochar auf Agrarböden
_Ein alternatives Szenario zur Entsorgung des Biochars besteht in seiner An-_
_wendung auf den Böden der besonders verbreiteten landwirtschaftlichen Kul-_
_turen Südtirols. Das ist nur möglich, wenn die im Projekt Wood-Up vorge-_
_schlagenen verbesserten Vergasungstechnologien verwendet werden und das_
_Biochar daher den gesetzlichen Vorgaben entspricht. Unter diesen Bedingun-_
_gen wurde angenommen, dass 100 % des Biochars zur Bodenverbesserung in_
_der Landwirtschaft genutzt werden kann. Die Wirkungen dieser Phase der_
_Produktionskette wurden separat in zwei verschiedenen Szenarien für Wein-_
_berge und Apfelplantagen evaluiert. Ein großer Teil der Daten wurde in den_

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_Feldversuchen der UniversitätBozen und des Versuchszentrums Laimburg in_
_einem Weinberg in der Nähe von Meran (BZ) und in einer Apfelplantage in_
_Laimburg, Pfatten (BZ) gewonnen._
_In diesem Kapitel sind die Ergebnisse für die Anwendung einer Dosis Biochar_
_von 25 Tonnen pro Hektar aufgeführt. Insbesondere wurde untersucht, wel-_
_che Wirkung 25 t/ha Biochar auf folgende Aspekte haben:_

- Einsatz von synthetischen Düngemitteln;
- Einsatz von Bewässerung;
- Kohlenstoffbindung im Boden;
- Vom Boden ausgehende Treibhausgasemissionen: Distickstoffmonoxid
(N2O) und Methan (CH4).

_Die Wirkung von Biochar auf den Einsatz von Düngemitteln wurde auf_
_Grundlage seiner chemischen Zusammensetzung (verfügbare Mengen an N,_
_P und K) und der auf kontrafaktischen Feldern verwendeten Menge an Dün-_
_gemitteln berechnet; Unter kontrafaktischen Feldern verstehen sich Flächen,_
_auf denen kein Biochar verteilt wurde und wo die typischen landwirtschaftli-_
_chen Methoden der Provinz Bozen Anwendung finden. Die Menge der auf_
_den kontrafaktischen Böden verwendeten Düngemittel (kg/ha) wird in den_
_Richtlinien der Provinz beschrieben (AGRIOS Arbeitsgruppe für den inte-_
_grierten Obstanbau in Südtirol, HausdesApfels, 2017); Wir haben die der Fel-_
_der mit durchschnittlichem landwirtschaftlichen Ertrag und über zwei Jahre_
_alten Anlagen ausgewählt._
_Die mit synthetischen Düngemitteln verbundenen Emissionsfaktoren beziehen_
_sich auf Stickstoff, Phosphate (P_[^2]:_O_[^5]:_) und Kaliumoxid (K_[^2]:_O) und wurden mit_
_dem Tool BioGrace berechnet (BioGrace-I Version 4d, 2015, www.biograce.net)._
_Der Beitrag von Biochar zur Kohlenstoffbindung im Boden wurde auf Grund-_
_lage des Kohlenstoffgehalts desBiochars(58,9 %), der durch Erosion aufgrund_
_von Wind und Regen verursachten Verluste (28 %, (Major, 2010)) und derZer-_
_setzungsrate des Biochars berechnet (0,002 %/Jahr (Wang, Xiong, & Kuzy-_
_akov, 2016)). Die Zersetzungsrate wurde auf einen Zeitraum von 100 Jahren_
_angewandt. Diese Faktoren zusammen genommen haben eine Evaluierung_
_der Kohlenstoffspeicherung im Boden ermöglicht, die durch Anwendung von_

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

_1 Tonne Biochar auf die Agrarböden und folglich durch Nutzung des gesam-_
_ten in der Provinz erzeugten Biochar erreicht wurde._
_Die Bewertung der Wirkungen von Biochar auf die vom Boden ausgehenden_
_Treibhausgasemissionen (N_[^2]:_O und CH_[^4]:_) beruht auf den von der Universität_
_Bozen im Rahmen des Projekts Wood-Up durchgeführten Feldmessungen_
_und beziehen sich, was die Weinberge anbelangt, auf die mit 25 t/ha Biochar_
_verbesserten Parzellen, und, was die Apfelplantagen anbelangt, hingegen auf_
_Parzellen, die mit 25 t/ha Biochar in Kombination mit 45 t/ha Kompost verbes-_
_sert wurden. In allen anderen Prozessen der LCA wurde die Wirkung von_
_Kompost nicht quantifiziert, da dieser außerhalb der Grenzen des Systems_
_eingeordnet wurde. Die Wirkung des Biochars auf den Kohlenstoffzyklus im_
_Boden wurde anhand der Daten seines Abbaus und der mit ihm verbundenen_
_CO_[^2]:_-Emissionen beschrieben. Den Kohlendioxidemissionen infolge eines vom_
_Biochar selbst verursachten übermäßigen Abbaus der organischen Bodensub-_
_stanz, also dem in früheren Arbeiten (Ventura et al., 2015) beschriebenen so-_
_genannten „Priming“-Effekt, wurde kein Einfluss zugemessen._
_Die Wirkungen des Biochars auf die vom Boden ausgehenden Treibhaus-_
_gasemissionen (kg/ha/Jahr) wurden auf Grundlage des Vergleichs mit den_
_kontrafaktischen Feldern berechnet. Im Weinberg wurde im Laufe der zwei-_
_einhalbjährigen Versuchsdauer im Durchschnitt ein Anstieg von 6,81 % der_
_N_[^2]:_O-Emissionen und eine Abnahme von 10,7 % der CH_[^4]:_-Emissionen im Ver-_
_gleich zu den nicht mit Biochar verbesserten Feldern beobachtet. In der Ap-_
_felplantage, in der 25 t/ha Biochar zusammen mit 45 t/ha Kompost verteilt_
_wurden, belief sich der Anstieg der N_[^2]:_O-Emissionen im Durchschnitt auf_
_74,84 %, während die CH_[^4]:_-Emissionen im Durchschnitt um 13,4 % abgenom-_
_men haben. Wie bereits gesagt, stellen die vom Boden ausgehenden Treib-_
_hausgasemissionen den einzigen Posten der LCA dar, der die Wirkungen von_
_Kompost berücksichtigt, da es nicht möglich war, in den direkt im Feld durch-_
_geführten Messungen zwischen der durch die Anwendung von Biochar und_
_der in Verbindung mit Kompost entstandenen Fraktionen des Treibhausgases_
_zu unterscheiden._
_Für die Angabe der Daten der N_[^2]:_O- und CH_[^4]:_-Emissionen als CO2eq wurde das_
_Treibhauspotenzial der beiden Gase verwendet (265 bzw. 28 kgCO2eq [IPCC,_
[^2014]:_])._

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_Zuletzt evaluiert die LCA die Wirkungen des Biochars auf den Wasserbedarf_
_der Felder, im Sinne der Emissionen und des Energieverbrauchs, die mit die-_
_sem Prozess verbunden sind. Die im Südtirol am meisten verwendete Art der_
_Bewässerung ist die Tropfbewässerung. Die Emissionen und der Energiever-_
_brauch, die mit diesem System verbunden sind, wurden auf Grundlage des_
_Stromverbrauchs der Wasserpumpen geschätzt, während die Wirkung des_
_Bedarfs an Bewässerungsinfrastruktur nicht in die Berechnungen einfloss, da_
_diese außerhalb der Grenzen des Systems angesiedelt ist. Die Wirkung des_
_Biochars wurde auf Grundlage des durchschnittlichen Wasserverbrauchs in_
_Südtirol bemessen: circa 1.500 m_[^3]_/ha/Jahr für die Weinberge (Südtiroler Bera-_
_tungszentrum für Obst- und Weinanbau, 2019) und 3.000 m_[^3]_/ha/Jahr für die_
_Apfelplantagen (AGRIOS Arbeitsgruppe für den integrierten Obstanbau im_
_Südtirol, HausdesApfels, 2017). Der für die Bewässerung benötigte Energie-_
_verbrauch wurde mit 428,57 kWh/ha/Jahr für die Weinberge und mit 1.142,86_
_kWh/ha/Jahr für die Apfelplantagen veranschlagt. Die Verringerung des Be-_
_wässerungsbedarfs infolge der Anwendung von Biochar wurde auf der_
_Grundlage von Daten aus der Literatur auf 20 % geschätzt (Baronti et al., 2014;_
_Hardie et al., 2014; Mukherjee & Lal, 2013; Piccolo et al., 1996; Uzoma et al.,_
_2011)._

2.3.9 Ersatz von Energie/Materialien durch die Vergasung und
Abfallentsorgung
_Die LCA umfasst auch die Berechnung der dank der Energieerzeugung durch_
_Vergasung und die Nutzung von Asche zur Produktion von Beton vermiede-_
_nen Emissionen und des vermiedenen Stromverbrauchs. Es wurde angenom-_
_men, dass das Biochar nicht zu energetischen Zwecken aufgewertet wird,_
_wenn es auf der Mülldeponie entsorgt oder verbrannt wird._
_Auch wurde angenommen, dass die mit der Vergasung (aktuelle oder verbes-_
_serte Technologie) erzeugte Elektrizität in das nationale Stromnetz eingespeist_
_wird. Die Emissionsfaktoren der infolge der Vergasung ersetzten Elektrizität_
_wurden auf Grundlage der Ecoinvent- Prozesse für die Erzeugung elektri-_
_scher Mittelspannungsenergie in Italien berechnet._
_Es wurde hingegen angenommen, dass die erzeugte Wärmeenergie auf loka-_
_ler Ebene in der Provinz Bozen genutzt wird und die Wärmeenergie ersetzt,_

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

_die wie folgt erzeugt wird: zu 53 % aus Erdgas, zu 23,56 % mit Biomasse_
_(Rundholz, Hackschnitzel, Pellets), zu 12,54 % durch Fernheizwerke mit Holz-_
_biomasse, zu 9 % mit Heizöl und zu 1,9 % durch Solarenergie (Battiston, 2014)._
_Zur Berechnung der Emissionsfaktoren der verschiedenen Energiequellen_
_wurden möglichst repräsentative Prozesse auf Ecoinvent ausgewählt. Für_
_Erdgas, Biomasse, Solarwärme und Heizöl wurden die Daten der Schweiz als_
_akzeptable Annäherungswerte betrachtet. Für die Fernheizung mit Biomasse_
_wurden die Daten einer italienischen KWK-Anlage verwendet. Für die Holz-_
_biomasse wurden die biogenen Kohlenstoffemissionen aus dem Prozess eli-_
_miniert, um der Annahme der „emissionsfreien“ Vergasung zu entsprechen._
_Die Einsparung von Zement für die Produktion von Beton durch Asche aus_
_der Vergasung wurde anhand der Ecoinvent-Emissionsfaktoren eines generi-_
_schen Zementproduktionsprozesses veranschlagt, der sich nicht auf das lo-_
_kale Umfeld bezieht. Es wurde angenommen, dass die gesamte durch Verga-_
_sung erzeugte Asche in die Produktion von Beton einfließt und weder ver-_
_brannt noch auf der Mülldeponie entsorgt wird._

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

#### 3. Ergebnisse und Diskussion

_Im Folgenden sind die Ergebnisse der LCA für die sieben in Abschnitt 2.1 vor-_
_gestellten Szenarien angegeben. Die Ergebnisse beziehen sich auf die gesamte_
_Provinz, d. h. es werden die Treibhausgasemissionen angegeben sowie der_
_Verbrauch fossiler Energiequellen der Produktion, Entsorgung oder Nutzung_
_in der Landwirtschaft der circa 1.250 Tonnen Biochar, die jedes Jahr in Südtirol_
_erzeugt werden._

3.1 Szenario 1 – Aktuelle Situation
_Dieses Szenario stellt eine Schätzung der Wirkungen der aktuell in Südtirol_
_bestehenden Produktionskette der Holzvergasung dar und umfasst die der-_
_zeit genutzten Vergasungstechnologien sowie die Entsorgung von Biochar,_
_Asche und Teer auf Mülldeponien. Nicht im Szenario berücksichtigt werden_
_die Extraktion von ätherischen Ölen und die Nutzung von Biochar zur Boden-_
_verbesserung in der Landwirtschaft. Die mit Szenario 1 verbundenen Wirkun-_
_gen entsprechen -4.220,19 t Öläquivalent in Hinblick auf den Verbrauch fossi-_
_ler Energien und -12.696,04 t di CO_[^2]:_eq in Hinblick auf den Klimawandel. Die_
_genauen Daten der Auswirkungen jeder Phase der Produktionskette sind in_
_Abbildung 2.dargestellt._

Abb. 2 – Genaue Daten der Auswirkungen jeder Phase der Produktionskette von Szenario 1

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

_Die negativen Nettobilanzen beider Wirkungskategorien weisen darauf hin,_
_dass die aktuell in Südtirol bestehende Produktionskette positive Auswirkun-_
_gen auf die Umwelt hat. Dieses Resultat ist auf die Erzeugung erneuerbarer,_
_als emissionsfrei geltender Energie durch die Vergasung zurückzuführen_
_(einziger Posten unter null, Abb. 2), eine Energie, die an Stelle der mit fossilen_
_Quellen erzeugten Energie tritt, die umweltschädlicher ist. In der Grafik ste-_
_hen die Werte über null hingegen für den Verbrauch fossiler Energie und die_
_mit der Produktion der Biomasse, dem Transport und mit den direkten Emis-_
_sionen des Vergasungsprozesses (Häckselung der Biomasse und Anlagenbe-_
_trieb) verbundenen Treibhausgasemissionen._

3.2 Szenario 2 – Aktuelle Situation + Extraktion von
hochwertigen Verbindungen
_Dieses Szenario sieht die gleichen Voraussetzungen vor wie Szenario 1, um-_
_fasst aber die Extraktion ätherischer Öle aus der Holzbiomasse vor der Verga-_
_sung. Aus dem Vergleich dieses Szenario mit Szenario 1 können die Wirkun-_
_gen des Extraktionsprozesses berechnet werden. Unter der Annahme, dass_
_ätherische Öle aus 100 % der verwendeten Biomasse extrahiert werden, erge-_
_ben sich folgende Wirkungen auf Ebene der Provinz: -2.018 t Öläquivalent_
_und -5.572,34 t di CO_[^2]:_eq. Die genauen Daten der Auswirkungen von Szenario_
_2 sind in Abbildung 3 dargestellt._

Abb. 3 – Genaue Daten der Auswirkungen jeder Phase der Produktionskette von Szenario 2

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_Das Hinzufügen des Extraktionsprozesses erhöht den Verbrauch fossiler_
_Energie und die Auswirkungen der Produktionskette auf den Klimawandel_
_erheblich und halbiert die negative Nettobilanz gegenüber Szenario 1. Die Ex-_
_traktion ätherischer Öle erzeugt einen Verbrauch von 2.167,85 t Öläquivalent_
_und Emissionen von 7.019,7 t di CO_[^2]:_eq. Die Nettobilanz der Produktionskette_
_bleibt jedoch für beide Wirkungskategorien unterhalb von null._
_Diese Daten beziehen sich auf eine Mischnutzung der beiden Extraktionstech-_
_nologien zu folgenden Anteilen: 52 % Soxhlet-Extraktion (SOX) und 48 %_
_Extraktion mit überkritischem CO_[^2]: _(SFE). In diesen Proportionen weist die_
_SFE-Extraktion mit 1.358,43 t Öläquivalent und 4.398,73 t CO_[^2]:_eq gegenüber_
_der SOX (610,55 t Öläquivalent und 1.977,03 t CO_[^2]:_eq) bei weitem die größten_
_Auswirkungen auf._
_Da die Investitionskosten für die SOX-Extraktion sehr viel geringer sind als_
_für die SFE-Extraktion, ist es sehr wahrscheinlich, dass sich Erstere in stärke-_
_rem Maße verbreiten wird. In der hypothetischen Annahme einer ausschließ-_
_lichen Nutzung der SOX (100 %) würden sich die von der Produktionskette_
_erzeugten Auswirkungen um 35,5 % in Bezug auf den Verbrauch fossiler_
_Energien und um 41,3 % in Bezug auf die Treibhausgasemissionen verbessern._

3.3 Szenario 3 – Aktuelle Situation + Verbesserte Vergasung
_In diesem Szenario entsprechen die Vorgaben dem des Szenario 1, aber die_
_Vergasung erfolgt mit der von der Universität Bozen im Rahmen des Projekts_
_Wood-Up vorgeschlagenen verbesserten Technologie und ermöglicht einen_
_Vergleich zwischen den Anlagen mit den aktuellen Technologien und den_
_verbesserten Anlagen. Das Szenario umfasst weder den Prozess der Extrak-_
_tion ätherischer Öle aus der Biomasse noch die Anwendung des Biochars auf_
_Agrarböden. Die mit 1.250 t Biochar verbundenen Auswirkungen in diesem_
_Szenario entsprechen -14.028,80 t Öläquivalent und -41.595,68 t CO_[^2]:_eq. Die_
_genauen Daten der Auswirkungen jeder Phase der Produktionskette sind in_
_Abbildung 4 dargestellt._

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

Abb. 4 – Genaue Daten der Auswirkungen jeder Phase der Produktionskette von Szenario 3

_Die Ergebnisse zeigen, dass die verbesserte Technologie 3,_[^3]:_-mal höhere Net-_
_towirkungen hat als der derzeit in Südtirol angewandte technologische Mix_
_(Szenario 1). Grund dafür ist hauptsächlich das aus der Produktion mit der_
_neuen Vergasungstechnologie hervorgehende geringere Verhältnis Bio-_
_char/Energie. Aus diesem Grund fällt die Erzeugung erneuerbarer Energie bei_
_gleicher Menge an erzeugtem Biochar (1.250 t/Jahr, funktionelle Einheit der_
_LCA) deutlich höher aus. Demzufolge ist der Posten „Einsparung fossiler_
_Energie durch Vergasung“ in Szenario 3 größer (-17.669,_[^09]: _t Öläquivalent und_

-52.458,81 t CO2eq) als in Szenario 1 (-6.554,09 t Öläquivalent und -19.700,04 t
CO2eq).

3.4 Szenario 4 – Verbesserte Vergasung + Extraktion
hochwertiger Verbindungen
_Dieses Szenario umfasst die Anwendung der verbesserten Vergasungstechno-_
_logien und die Extraktion hochwertiger Verbindungen aus der Biomasse. Die_
_mit 1.250 t Biochar verbundenen Auswirkungen entsprechen -9.795,95 t_
_Öläquivalent und -27.914,24 t CO_[^2]:_eq. Die genauen Daten der Auswirkungen_
_von Szenario 4 sind in Abbildung 5 dargestellt._

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

Abb. 5 – Genaue Daten der Auswirkungen jeder Phase der Produktionskette von Szenario 4

_Wie im Falle des Vergleichs von Szenario 2 mit Szenario 1 erhöht der Zusatz_
_der Extraktion ätherischer Öle aus der Biomasse in Szenario 4 die Auswirkun-_
_gen der Produktionskette gegenüber dem Szenario, das nur eine verbesserte_
_Vergasungstechnologie vorsieht (Szenario 3)._
_In diesem Fall verdoppelt sich die Auswirkung der Extraktion jedoch in etwa_
_gegenüber der in Szenario 2, weil die neue Vergasungstechnologie zur Erzeu-_
_gung der gleichen Menge Biochar eine höhere Menge an Biomasse erfordert._
_Diese größere Menge an Biomasse wird auch zur Extraktion ätherischer Öle_
_verwendet. Trotz des mit der Extraktion verbundenen Energieverbrauchs_
_liegt die Nettobilanz der Produktionskette weit unter null und ist negativer_
_als die in Szenario 2, da der neue Vergasungsprozess fossile Energie in höhe-_
_rem Maße ersetzt._

3.5 Szenario 5 – Verbesserte Vergasung + Anwendung von
Biochar auf Agrarböden (Weinberg)

_DiesesSzenario siehtdie gleichen Voraussetzungen wie Szenario 3 vor, jedoch_
_ergänzt um die Nutzung von Biochar als Bodenverbesserungsmittel in Wein-_
_bergen statt seiner Verbrennung oder Entsorgung auf Mülldeponien. Mit die-_
_sem Szenario können die Wirkungen der Nutzung von Biochar in der Land-_
_wirtschaft anstelle seiner aktuellen Entsorgung als Abfall evaluiert werden;_
_für seineAnwendung geht man von einer Dosis von 25 t/ha aus. Die mit 1250 t_

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

_Biochar verbundenen Auswirkungen in Szenario 5 entsprechen -14.116,28 t_
_Öläquivalent und -42.888 t CO_[^2]:_eq. Die genauen Daten der Auswirkungen sind_
_in Abbildung 6 dargestellt._

Abb. 6 – Genaue Daten der Auswirkungen jeder Phase der Produktionskette von Szenario 5

_Dieses Szenario beruht auf den Daten der verbesserten Vergasungstechnolo-_
_gien, weil dieser technologische Fortschritt das Ziel hat, ein für die Nutzung_
_in der Landwirtschaft geeignetes Biochar zu erzeugen. Die Ergebnisse können_
_mit Szenario 6 verglichen werden, um die Unterschiede der Auswirkungen_
_einer Anwendung in Weinbergen und in Apfelplantagen zu erfassen._
_Die Ergebnisse zeigen, dass die Anwendung von Biochar positive Auswirkun-_
_gen auf die Umwelt hat: -42,33 t Öläquivalent und -1.158,203 t CO_[^2]:_eq. Die po-_
_sitive Wirkung auf die Umwelt hängt zum größten Teil mit der Kohlenstoff-_
_bindung im Boden zusammen und, in geringerem Maße, mit der vermiedenen_
_Nutzung synthetischer Düngemittel. Der geringere Bewässerungsbedarf auf_
_den verbesserten Feldern im Vergleich zu den kontrafaktischen Böden und,_
_zum Teil, die Wirkung auf die Treibhausgasemissionen tragen zur Verringe-_
_rung der Emissionen bei, aber in vernachlässigbar geringem Maße im Ver-_
_gleich zur Gesamtbilanz des untersuchten Szenarios. Insgesamt wird auch die_
_negative Emissionsbilanz von Szenario 5 hauptsächlich dem Ersatz fossiler_

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_Energie durch erneuerbare Energien aus dem Vergasungsprozess zugeschrie-_
_ben (-17.669,09 t Öläquivalent und -52.458,81 t CO_[^2]:_eq)._

3.6 Szenario 6 – Verbesserte Vergasung + Anwendung von
Biochar auf Agrarböden (Apfelplantage)
_Für Szenario 6 gelten die gleichen Voraussetzungen wie in Szenario 5, aber_
_unter der Annahme, dass das Biochar in den Apfelplantagen statt in den_
_Weinbergen Südtirols verteilt wird. Dieses Szenario erleichtert den Vergleich_
_zwischen den Auswirkungen/Vorteilen der Anwendung von Biochar auf ver-_
_schiedenen Arten von Agrarböden. Die verteilte Dosis beträgt 25 t/ha Biochar_
_und 45 t/ha Kompost, doch wie bereits gesagt, sind die Wirkungen von Kom-_
_post nicht Teil dieser LCA, es sei denn, was die vom Boden ausgehenden_
_Treibhausgasemissionen anbelangt. Die mit 1.250 t Biochar verbundenen Aus-_
_wirkungen entsprechen -14.178 t Öläquivalent und -42.885,7 t CO_[^2]:_eq. Die ge-_
_nauen Daten der Auswirkungen von Szenario 6 sind in Abbildung 7 darge-_
_stellt._

Abb. 7 – Genaue Daten der Auswirkungen jeder Phase der Produktionskette von Szenario 6

_Dieses Szenario weist die geringsten Auswirkungen von allen untersuchten_
_Szenarien hinsichtlich der Produktionskette auf. Die Ergebnisse sind im Ver-_
_gleich zu denen der Produktionskette des Weinbergs etwas günstiger in Be-_
_zug auf den Verbrauch fossiler Energie; Grund dafür ist die größere positive_

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

_Wirkung der Anwendung von Biochar in der Landwirtschaft (-104,05 t_
_Öläquivalent). Dieser Unterschied ist darauf zurückzuführen, dass in den_
_kontrafaktischen Apfelplantagen mehr Wasser als in den Weinbergen ver-_
_wendet wird (circa 4 Millionen l/ha/Jahr gegenüber 1,5 Millionen l/ha/Jahr)_
_(AGRIOS Arbeitsgruppe für den integrierten Obstanbau in Südtirol, Hausdes-_
_Apfels, 2017; Beratungszentrum für den Obst- und Weinanbau in Südtirol,_
_2019) und daher in den Apfelplantagen mehr mit der Tropfbewässerung ver-_
_bundene Energie eingespart wird als in den Weinbergen (Persönliche Mittei-_
_lung von Martin Thalheimer, Versuchszentrum Laimburg)._
_Die Auswirkungen auf die Treibhausgasemissionen fallen in diesem Szenario_
_hingegen etwas schlechter aus (+2,3 t CO_[^2]:_eq) als in Szenario 5, da die Anwen-_
_dung von Biochar in Verbindung mit Kompost im Vergleich zu den kontra-_
_faktischen Böden größere Auswirkungen auf die von den Böden ausgehenden_
_Treibhausgasemissionen verursacht hat (N_[^2]:_O: +6,81 % im Weinberg und_
_+74,84 % in der Apfelplantage; CH_[^4]:_: -10,7 % im Weinberg und -13,4 % in der_
_Apfelplantage). Diese Unterschiede gehen darauf zurück, dass Biochar in der_
_Apfelplantage in Kombination mit Kompost angewandt wurde. Die anderen_
_Emissionswerte in Bezug auf die landwirtschaftlichen Prozesse waren in Sze-_
_nario 5 und 6 gleich, da der Kompost nicht unter das untersuchte Systems_
_fällt, es sei denn, was die vom Boden ausgehenden Treibhausgasemissionen_
_anbelangt._

3.7 Szenario 7 – Verbesserte Vergasung + Extraktion
hochwertiger Verbindungen + Anwendung von Biochar in
der Landwirtschaft (Weinberg)
_Dieses Szenario sieht die gleichen Voraussetzungen vor wie Szenario 5, um-_
_fasst aber auch die Extraktion ätherischer Öle aus der Holzbiomasse vor der_
_Vergasung. Die mit diesem Szenario verbundenen Auswirkungen entspre-_
_chen -9.883,43 t Öläquivalent und -29.206,56 t CO_[^2]:_eq. Die genauen Daten der_
_Auswirkungen von Szenario 7 sind in Abbildung 8 dargestellt._

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

Abb. 8 – Genaue Daten der Auswirkungen jeder Phase der Produktionskette von Szenario 7

_Dieses Szenario untersucht die Auswirkungen der gesamten Produktions-_
_kette: Extraktion ätherischer Öle vor der Vergasung, Vergasung mit verbes-_
_serten Technologien und Anwendung von Biochar auf Agrarböden (Wein-_
_berg). Die Ergebnisse zeigen, dass die Extraktion ätherischer Öle stärkere Aus-_
_wirkungen erzeugt (4.128,58 t Öläquivalent und 13.368,73 t CO_[^2]:_eq) als die An-_
_wendung von Biochar auf Agrarböden kompensieren kann (-42,33 t Öläqui-_
_valent und -1.158,03 t CO_[^2]:_eq), was somit zu einer weniger positiven Nettobi-_
_lanz führt als in Szenario 3, in dem die Auswirkungen der Produktionskette_
_nur von der Anwendung verbesserter Vergasungstechnologien beeinflusst_
_werden._
_Die Bilanz von Szenario 7 liegt dennoch weit unter null._
_Noch bessere Ergebnisse werden erzielt, wenn man statt dem Mix der beiden_
_Extraktionstechnologien (SOX und SFE) nur die effizientere und kostengüns-_
_tigere Extraktionsmethode (SOX) einsetzt; dadurch ergibt sich eine Ge-_
_samtnettobilanz von -11.391,13 t Öläquivalent und -34.089,68 t CO_[^2]:_eq. Wenn_
_das Biochar darüber hinaus in der Apfelplantage statt im Weinberg ange-_
_wandt wird, erhält man eine Gesamtnettobilanz, die sich leicht von der ande-_
_ren unterscheidet (-61.71 t Öläquivalent und +2.30 t CO_[^2]:_eq)._

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

3.8 Vergleich der Szenarien
_In Abbildung 9 werden die sieben Szenarien gegenübergestellt._

Abb. 9 – Vergleich der Ergebnisse aus den 7 in dieser Arbeit untersuchten Szenarien

_Diese Grafik zeigt, dass die mit circa 1.250 t Biochar verbundenen Wirkungen_
_der Produktionskette in Bezug auf die Umwelt für alle untersuchten Szenarien_
_positiv sind (Nettobilanz unter null). Außerdem wurde kein Trade-off zwi-_
_schen den beiden Wirkungskategorien beobachtet, d. h. einem geringeren_
_Verbrauch fossiler Energie entsprechen immer geringere Auswirkungen auf_
_den Klimawandel._
_Entscheidend für dieses günstige Ergebnis ist der Ersatz fossiler Energie_
_durch die Vergasung und die Anwendung von Biochar auf Agrarböden. Die_
_Emissionen hingegen stammen hauptsächlich aus der Extraktion ätherischer_
_Öle, da diese viel Strom verbraucht, gefolgt von der Produktion und dem_
_Transport der Biomasse und den vom Vergasungsprozess abhängigen Emis-_
_sionen (ohne Berücksichtigung der biogenen Emissionen), also der mit dem_
_Häckseln der Biomasse und dem Anlagenbetrieb verbundenen Emissionen._
_Die am wenigsten positiven Auswirkungen auf die Umwelt verbucht das Sze-_
_nario 2 (aktuelle Vergasung + Extraktion ätherischer Öle). Es sollte jedoch da-_
_rauf hingewiesen werden, dass die mit diesem Prozess verbundenen Auswir-_
_kungen nicht mit anderen Methoden zur Produktion ätherischer Öle vergli-_
_chen wurden, weil die Analyse ansonsten die Grenzen des Systems gesprengt_

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_hätte. Außerdem gilt zu bedenken, dass sich die Auswirkungen der Extrak-_
_tion stark verringern, wenn anstelle beider untersuchten Technologien nur die_
_effizientere und kostengünstigere Extraktionsmethode angewendet würde_
_(SOX)._
_Die LCA hat außerdem gezeigt, dass die Auswirkungen des Transports von_
_Biochar, Asche und Teer zu den Mülldeponien oder landwirtschaftlichen Flä-_
_chen und die Entsorgungsprozesse dieser Stoffe in allen Szenarien vernach-_
_lässigbar geringe Auswirkungen haben._
_Die Nettobilanz der Szenarien ändert sich, wenn nicht mehr angenommen_
_wird, dass das Biochar unverändert bleibt, sondern dass die Energieerzeu-_
_gung der Anlagen konstant bleibt (Abb. 10). Diese Analyse wurde durchge-_
_führt, weil die Szenarien 3-_[^7]: _– da die vom Projekt Wood-Up vorgeschlagene_
_verbesserte Technologie ein geringeres Verhältnis von Biochar zu erzeugter_
_Energie aufweist als der Durchschnitt der aktuell in Südtirol angewandten_
_Technologien – zur Erzeugung des aktuell in der Provinz produzierten Bio-_
_char eine doppelte Menge an Biomasse erfordern würden, was eine im Ver-_
_gleich zu den Szenarien 1 und 2 (Abbildung 9) höhere Energieproduktion zur_
_Folge hätte (fast doppelt so hoch). Dieser Vergleich zwischen den Szenarien_
_ist zwar korrekt, zeichnet jedoch eine völlig andere Situation als die aktuelle_
_ab, was zu komplexen Implikationen führt, die eine Unterstützung durch ein-_
_schneidende politische Entscheidungen erfordern würden._
_Abbildung 10 zeigt daher den Vergleich zwischen Szenarien für den Fall, in_
_dem die Anwendung neuer verbesserter Technologien nicht zu einer höheren_
_Energieerzeugung führt. Auf die Szenarien 3-7 wurde daher das gleiche Ver-_
_hältnis von Biochar zu erzeugter Energie angewandt wie in den Szenarien 1_
_und 2._
_Auch wenn sie in Bezug auf die Energieerzeugung normalisiert wurden, ha-_
_ben die vorgeschlagenen Szenarien jedoch eine negative Nettobilanz und so-_
_mit eine positive Wirkung auf die Umwelt; die Vorteile der neuen Verga-_
_sungstechnologie, mit der ein für die Landwirtschaft geeignetes Biochar er-_
_zeugt werden kann, bleiben offensichtlich (Szenarien 3-7), wenn auch weniger_
_ausgeprägt als in der vorherigen Darstellung (Abb. 9)._

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

Abb. 10 – Vergleich der Ergebnisse der 7 in dieser Arbeit untersuchten Szenarien unter der
Annahme, dass die Energieerzeugung der Vergasungsanlagen konstant bleibt

3.9 Sensibilitätsanalyse

_Ein nützliches Instrument, mit dem untersucht werden kann, welche Prozesse_
_sich entscheidend - ob positiv oder negativ - auf die Ergebnisse der LCA aus-_
_wirken, ist die Sensibilitätsanlayse, ein Verfahren, bei dem die Inputs der LCA_
_verändert werden, um die entsprechenden Auswirkungen zu evaluieren. Die-_
_ser Ansatz ermöglicht außerdem, den Einfluss der Hypothesen zu bewerten,_
_die der LCA zugrunde liegen, sowie die mit diesen verbundenen Unsicher-_
_heiten; er liefert somit eine Bewertung der Genauigkeit der Schätzungen. Da_
_die LCA auf einem Mix aus Daten beruht, die im Rahmen des Projekts erhoben_
_wurden, sowie aus Daten der Datenbank Ecoinvent und der Literatur, muss_
_der Einfluss evaluiert werden, den die dieser Auswahl der Daten zugrunde_
_liegenden Hypothesen auf die untersuchten Wirkungen haben._
_Eine Sensibilitätsanalyse wurde in Bezug auf die Entfernung des Transports_
_der Biomasse durchgeführt, da ein großer Teil dieser Biomasse aus dem Aus-_
_land eingeführt wird, was mit erheblichen Emissionen verbunden ist. Wenn_
_wir zum Beispiel annehmen, dass in Szenario 1, dem aktuellen Szenario also,_
_die gesamte Biomasse aus Polen importiert wird (Entfernung: 2.400 km, Hin-_
_und Rückfahrt) und nicht aus Südtirol (150 km Entfernung, Hin- und Rück-_
_fahrt), Österreich und Slowenien (800 km Entfernung, Hin- und Rückfahrt),_
_dann würden die Auswirkungen des Transports von 809,64 t Öläquivalent_
_und 2.353,9 t CO_[^2]:_-Äquivalent auf 7.512,39 t Öläquivalent und 21.059,43 t_

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_CO_[^2]:_eq ansteigen. Folglich würde die Nettobilanz der Produktionskette von -_
_4.220,19 t Öläquivalent und -12.696,04 t CO_[^2]:_eq auf 2.484,6_[^8]: _t Öläquivalent und_
_6.015,89 t CO_[^2]:_eq klettern und somit nicht mehr emissionsfrei sein. Das be-_
_weist, dass der Transport der Biomasse ein wichtiger, zu berücksichtigender_
_Faktor ist, wenn die Nachhaltigkeit der Biochar-Produktionskette in Südtirol_
_evaluiert werden soll, und dass eine Versorgung mit Biomasse aus örtlichen_
_Quellen die Nettobilanz in erheblichem Maße verbessern kann. Zusätzliche_
_Verbesserungen können erreicht werden, indem man effizientere oder mit_
_Biotreibstoff betriebene Fahrzeuge für den Transport auf Rädern einsetzt_
_(Anderson & Mitchell 2016; Conti 2003; Homagain et al., 2016)._
_Die Auswirkung des Biomassetransports ist ein Beispiel dafür, wie sensibel_
_die Ergebnisse der LCA gegenüber den Hypothesen sind, die diesem Prozess_
_zugrunde liegen. Für die aktuellen Berechnungen werden repräsentative_
_Schätzungen der durchschnittlichen Entfernungen eingesetzt, die angewandt_
_werden können, wenn die Biomasse aus Südtirol, Österreich, Slowenien oder_
_Polen stammt, und wenn man annimmt, dass alle LKWs die Rückreise als_
_Leerfahrt antreten. Eine Veränderung dieser Voraussetzungen kann auch die_
_Auswirkungen des Transports erheblich verändern. In jedem Fall liefern diese_
_Hypothesen konservative Schätzungen, denn es ist wahrscheinlich, dass zu-_
_mindest ein Teil der aus dem Ausland kommenden LKWs auf der Rückfahrt_
_eine weitere Ladung transportiert._
_Neben dem Transport der Biomasse ist die Extraktion hochwertiger Verbin-_
_dungen aus der Holzbiomasse der Prozess mit dem größten Nettoverbrauch_
_fossiler Energie und den meisten klimaverändernder Emissionen. Wie bereits_
_gesagt, beruhen die Berechnungen für diesen Prozess auf Labordaten, die auf_
_industriellen Maßstab angepasst wurden. Die mit dieser Art von Up-Scaling_
_verbundene Unsicherheit kann die Endergebnisse der LCA jedoch erheblich_
_beeinflussen; es wäre daher wünschenswert, wenn auf industrieller Ebene va-_
_lidierte Daten für eine genauere und realistischere Beschreibung der Extrak-_
_tionsanlagen verwendet werden könnten, umso mehr weil diese für die ge-_
_samte zur Produktion der funktionellen Einheit erforderlichen Biomasse be-_
_rechnet werden (für jede Tonne des erzeugten Biochar sind 34,62 t Biomasse_
_für die Soxhlet-Extraktion und 34,52 t für die SFE-Extraktion erforderlich);_

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

_eventuelle Ungenauigkeiten resultieren daher in der LCA amplifiziert. In je-_
_dem Fall ist es unwahrscheinlich, dass eine größere Genauigkeit hinsichtlich_
_der Extraktion in den Szenarien, die diese Phase umfassen, zu einer deutlich_
_veränderten Nettobilanz führen würde, wenn man berücksichtigt, dass sich_
_die vermiedenen Emissionen der Vergasung sehr viel stärker auswirken._
_Den größten Beitrag zur Nettobilanz der Produktionskette leistet der Ersatz_
_elektrischer Energie (italienischer Mix) und Wärmeenergie (in Südtirol: Erd-_
_gas, andere Quellen für Biomasse, Solarwärme und Heizöl) durch die mit der_
_Vergasung der Holzbiomasse erzeugte Bioenergie. Die den Vergasungspro-_
_zessen zugrunde gelegten Hypothesen könnten die Gesamtauswirkungen der_
_LCA erheblich beeinflussen._
_Der erhebliche Beitrag der Vergasung zur Nettobilanz der LCA ist das Ergeb-_
_nis der Annahme, dass die Holzvergasung eine emissionsfreie Technologie_
_ist, also dass die aus der Holzvergasung stammenden biogenen CO_[^2]:_-Emissio-_
_nen durch die während des Wachstums der entsprechenden Biomasse aus der_
_Luft beseitigte Menge an CO_[^2]: _kompensiert werden. Diese Annahme führt_
_dazu, dass die mit 1 m_[^3] _Synthesegas verbundenen Emissionen 0,006 kg CO_[^2]:_eq_
_entsprechen, während sie im Falle einer Berücksichtigung der biogenen CO_[^2]:_-_
_Emissionen aus der vergasten Biomasse 0,378 kg CO_[^2]:_eq entsprechen würden._
_Diese für die Nettobilanz der LCA entscheidende Annahme ist mit den euro-_
_päischen Vorschriften konform, welche die Ziele der Union für erneuerbare_
_Energien festlegen (Europäische Kommission, 2019; Europäisches Parlament_
_und Europarat, 2018). Wenn man beschließen würde, einen Teil der biogenen_
_CO_[^2]:_-Emissionen in die Analyse einzubeziehen, würde der Ersatz der umwelt-_
_schädlichen fossilen Energiequellen trotzdem zu einer für die Umwelt vorteil-_
_haften Bilanz führen._

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

#### 4. Perspektiven

_Aus der durchgeführten Lebenszyklusanalyse geht hervor, dass die Nutzung_
_der Holzvergasung als Energiequelle eine erfolgreiche Strategie für einen Bei-_
_trag zur Eindämmung der Klimawandels sein kann, sei es unter Anwendung_
_der derzeit in der Region verbreiteten Technologien, sei es unter Nutzung_
_einer neuen, „verbesserten“ Technologie wie vom Projekt Wood-Up_
_empfohlen. Die Anwendung einer neuen Technologie würde einerseits eine_
_höhere Produktion erneuerbarer Energie ermöglichen und andererseits die_
_Produktion eines für den Einsatz in der Landwirtschaft geeigneten Biochar._
_Eine Nutzung von Biochar auf den Agrarböden Südtirols würde zusätzliche_
_Vorteile für die Umwelt bringen, vor allem aufgrund der_
_Kohlenstoffspeicherung im Boden. Die Auswirkungen der_
_landwirtschaftlichen Komponente der Produktionskette sind jedoch deutlich_
_geringer als die der Energieprozesse._
_Andererseits würde die Nutzung von 1.250 t Biochar pro Jahr die Aufnahme_
_von circa 1.150 t CO_[^2]:_-Äquivalent ermöglichen und so die jährlichen Pro-Kopf-_
_Emissionen von 250 Südtiroler Bürgern kompensieren (Battiston, 2014)._
_Wenn die technologische Umwandlung der Anlagen die Erzeugung der glei-_
_chen Menge an Biochar, jedoch mit für den Einsatz in der Landwirtschaft ge-_
_eigneten Eigenschaften, ermöglichen würde, und unter Annahme einer Dosis_
_von 25 t/ha, könnten jedes Jahr nur 50 Hektar Boden verbessert werden. Wenn_
_man bedenkt, dass es in Südtirol 5.500 Hektar Weinberge und 19.000 Hektar_
_Apfelplantagen gibt (Della Chiesa et al., 2019), würde die Verteilung von Bio-_
_char allein auf der Gesamtfläche der Apfelplantagen 110 Jahre erfordern._
_Würde die Nutzung von Biochar seitens der landwirtschaftlichen Betriebe die_
_im Projekt Wood-Up dargestellten positiven Wirkungen bestätigen, wäre ein_
_kurzfristiger Anstieg der Biochar-Nachfrage möglich; das Biochar müsste_
_dann in Erwartung der Installation der Anlagen jüngster Generation nach_
_Südtirol importiert werden. Andererseits, wenn der Biochar-Markt deutlich_
_wachsen würde, könnten sich auch Biochar-Produktionsanlagen als primäres_
_Produkt in der Region verbreiten, und nicht nur als Nebenprodukt der Ener-_
_gieerzeugung._

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

_Man sollte nicht unterschätzen, dass die Verbreitung der auf der neuen Tech-_
_nologie beruhenden Vergasungsanlagen zu einer größeren Nachfrage nach_
_Holzbiomasse und einer höheren Energieproduktion als in den aktuellen Sze-_
_narien führen würde. Den Ergebnissen dieser Arbeit zufolge würde sich die_
_Biomasse-Nachfrage verdoppeln und dieser Anstieg eine Neuausrichtung im_
_regionalen Energiemix bewirken._
_Andererseits haben extreme Ereignisse wie der Sturm Vaia im Jahr 2018 und_
_die extremen Schneefälle im Jahr 2019 eine enorme Menge an Holzbiomasse_
_in Südtirol verfügbar gemacht, sodass die Holzpreise gefallen sind und es zu_
_Schwierigkeiten bei der Lagerung und Verwaltung dieser großen Mengen_
_kam. Die Klimamodelle lassen eine größere Häufigkeit extremer Wetterereig-_
_nisse vorhersehen (Seneviratne et al., 2012) und somit auch die Notwendig-_
_keit, einen Absatzmarkt für die Holzbiomasse zu finden. Zudem würden re-_
_gionale Quellen der Versorgung mit Biomasse eine weitere Verbesserung der_
_Nettobilanz der im Projekt Wood-Up untersuchten Produktionskette ermög-_
_lichen, wie die Sensibilitätsanalyse zeigt._
_Was die Extraktion ätherischer Öle aus der Biomasse vor der Vergasung an-_
_belangt, hat die LCA den großen Energieverbrauch dieses Prozesses verdeut-_
_licht. Andererseits ist jeder Prozess zur Erzeugung ätherischer Öle mit Ener-_
_giekosten verbunden und die im Projekt Wood-Up vorgeschlagene Extraktion_
_hat den Vorteil, innerhalb einer umweltfreundlichen Produktionskette statt-_
_zufinden, die eine Art des Biomasse-Recyclings vorsieht. Außerdem würden_
_die Betreiber, die diese Verbindungen vor der Vergasung extrahieren, wirt-_
_schaftliche Vorteile erzielen und Arbeitsplätze schaffen - ein Thema, das eine_
_Vertiefung verdienen würde._
_Insgesamt ermöglicht die aktuelle Produktionskette der Holzvergasung, mehr_
_noch als die auf verbesserten Technologien beruhende, der Region Südtirol_
_sich auf die europäische Klimapolitik auszurichten. In der Tat hat die Europä-_
_ische Kommission Ziele für die Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen_
_für den Zeitraum 2030-2050 festgelegt, um in der Europäischen Union bis zum_
_Jahr 2050 das generelle Ziel der „Klimaneutralität“ zu erreichen, und der_
_Green Deal zeichnet die Strategie ab, mitder diese Ziele durch ein auf weniger_
_Nutzung von natürlichen Ressourcen und geringeren Auswirkungen auf die_

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_Gesundheit beruhendes Wachstum erreicht werden sollen (Europäische Kom-_
_mission, 2019)._

#### 5. Schlussfolgerungen

_Ziel der im Rahmen des Projekts Wood-Up durchgeführten Lebenszyklusana-_
_lyse ist eine Evaluierung der Auswirkungen der Südtiroler Produktionskette_
_der Holzvergasung und deren Vergleich mit einer aufgewerteten Produkti-_
_onskette, die auch die Extraktion hochwertiger Verbindungen aus der Bio-_
_masse, verbesserte Vergasungstechnologien und die Nutzung von Biochar in_
_der Landwirtschaft vorsieht._
_Obwohl Unsicherheiten in Bezug auf die in der Bestandsaufnahme berück-_
_sichtigten Daten und die der Analyse zugrunde gelegten Hypothesen beste-_
_hen, beweist die LCA, dass sich die Südtiroler Produktionskette der Holzver-_
_gasung, die derzeit 1.215 t Biochar pro Jahr produziert, positiv in Bezug auf_
_den Umweltschutz auswirkt, da sie mit einer Einsparung fossiler Energie im_
_Vergleich zu den kontrafaktischen Produktionsketten und mit negativen_
_Treibhausgasemissionen einhergeht._
_Dieses Ergebnis ist hauptsächlich auf den Ersatz fossiler Energiequellen durch_
_die mit der Holzvergasung erzeugten Energie zurückzuführen. Weitere nega-_
_tive Emissionen ergeben sich aus der Nutzung von Biochar in der Landwirt-_
_schaft; diese sind jedoch weniger relevant. Der größte Teil positiver Emissio-_
_nen stammt aus der Extraktion ätherischer Öle aus der Biomasse, in ungefähr_
_gleicher Proportion gefolgt von der Produktion und dem Transport der Holz-_
_biomasse und dem Betrieb der Vergasungsanlagen._
_Die jährlich in der Provinz produzierte Menge an Biochar würde, wenn dieses_
_für die Nutzung in der Landwirtschaft geeignet wäre, nur für eine sehr kleine_
_landwirtschaftliche Fläche (50 ha) genügen. Zur Unterstützung einer breiteren_
_Anwendung von Biochar in der Landwirtschaft wäre demzufolge eine Ein-_
_fuhr von Biochar nötig oder eine Erhöhung der Anzahl der Vergasungsanla-_
_gen._
_Andererseits würden die vorgeschlagenen verbesserten Technologien, bei_
_gleicher Menge an produzierter Biochar, eine fast doppelt so große Menge an_

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

_Energie erzeugen, was deutlich größere Mengen an Biomasse für die Verga-_
_sung erfordern würde._
_Die Umsetzung dieser Szenarien, sofern von Interesse, könnte sich als kom-_
_plex erweisen und eine Planung und politische Unterstützung auf Ebene der_
_Provinz erfordern._

Literaturverzeichnis

_Anderson, N.& Mitchell, D. (2016). Forest Operations and Woody Biomass_
_Logistics to Improve Efficiency, Value, and Sustainability. Bioenergy_
_Research,_ [^9]:_(2), pp. 518-533. https://doi.org/10.1007/s12155-016-9735-1_
_AGRIOS Gruppo di lavoro per la frutticoltura integrata dell’Alto Adige Haus_
_des Apfels. (2017). Direttive per la frutticoltura integrata (27a ed.). Terlano:_
_AGRIOS._
_Baronti, S. et al. (2014). Impact of biochar application on plant water relations_
_in Vitis vinifera (L .). European Journal of Agronomy,_ [^53]:_, 38–44._
_https://doi.org/10.1016/j.eja.2013.11.003_
_Battiston, C. (2014). Energiebilanz Südtirol 2008-2014/Bilancio energetico dell‘Alto_
_Adige. 3. Tag der Energie in Südtirol/ 3a giornata dell‘energia in Alto Adige._
_Bolzano: Abteilung 29 - Landesagentur für Umwelt, Autonome Provinz_
_Bozen, Südtirol. / Ripartizione 29 - Agenzia per l’ ambiente, Provincia_
_Autonoma Di Bolzano - Alto Adige._
_Centro di consulenza per la fruttiviticoltura Dell’Alto-Adige. (2019). Guida_
_viticoltura. Egna: Centro di consulenza per la fruttiviticoltura Dell’Alto-_
_Adige._
_Conti, M. (2003). I vantaggi e i limiti della produzione di energia elettrica_
_tramite biomasse legnose. In L’impatto ambientale di centrali elettriche_
_alimentate a biomasse legnose. Esperienze e valutazioni. ENEA Ente per le_
_Nuove tecnologie, l’Energia e l’Ambiente._
_Della Chiesa, S. et al. (2019). Farmers as data sources: Cooperative framework_
_for mapping soil properties for permanent crops in South Tyrol (Northern_
_Italy). Geoderma,_ [^342]:_, 93–105. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.02.010_

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_European Commission. (2019). Communication from the Commission to the_
_European Parliament, the European Council, the Council, the European_
_Economic and Social Committee and the Committee of the Regions, The European_
_Green Deal. Brussels._
_European Parliament and Council. (2018). Directive (EU) 2018/2001 of the_
_European Parliament and of the Council of 11 December 2018 on the_
_promotion of the use of energy from renewable sources. Official Journal of_
_the European Union,_ [^328]:_, 82–209._
_Guinée, J. B. et al. (2011). Life Cycle Assessment: Past, Present, Future._
_Environmental Science and Technology,_ [^45]:_, 90–96. https://doi.org/10.1021/_
_es101316v_
_Hamedani, S. R., Kuppens, T., Malina, R., Bocci, E., Colantoni, A., & Villarini,_
_M. (2019). Life Cycle Assessment and Environmental Valuation of Biochar_
_Production: Two Case Studies in Belgium. Energies,_ [^12]:_, 1–21. https://_
_doi.org/doi:10.3390/en12112166_
_Hammond, J., Shackley, S., Sohi, S., & Brownsort, P. (2011). Prospective life_
_cycle carbon abatement for pyrolysis biochar systems in the UK. Energy_
_Policy,_ [^39]:_(5), 2646–2655. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2011.02.033_
_Hardie, M., Clothier, B., Bound, S., Oliver, G., & Close, D. (2014). Does biochar_
_influence soil physical properties and soil water availability? Plant and Soil,_
[^376]:_, 347–361. https://doi.org/10.1007/s11104-013-1980-x_
_Homagain, K., Shahi, C., Luckai, N., Sharma, M. (2016). Life cycle cost and_
_economic assessment of biochar-based bioenergy production and biochar_
_land application in Northwestern Ontario, Canada. Forest Ecosystems,_
[^3]:_(_[^21]:_). https://doi.org/ 10.1186/s40663-_[^01]:[^6]:_-0081-8_
_Ibarrola, R., Shackley, S., & Hammond, J. (2012). Pyrolysis biochar systems_
_for recovering biodegradable materials: A life cycle carbon assessment._
_Waste Management,_ [^32]:_(5), 859–868. https://doi.org/10.1016/j.wasman._
_2011.10.005_
_IPCC. (2014). Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working_
_Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel_
_on Climate Change [Core Writing Team, R. K. Pachauri and L.A. Meyer,_
_(Eds.)]. IPCC, Geneva, Switzerland._

Criscuoli, Panzacchi, Rossberg, Mwabonje, Cooper, Woods, Tonon

_ISO. (2006a). “Environmental Management - Life Cycle Assessment - Principles and_
_Framework” ISO 14040. Geneva, Switzerland._
_ISO. (2006b). “Environmental Management –Life Cycle Assessment –Requirements_
_and Guidelines” ISO 14044. Geneva, Switzerland._
_JRC. (2010). ILCD handbook - International Reference Life Cycle Data System,_
_General guide for Life Cycle Assessment - Detailed guidance (Firts edit;_
_European Commission - Joint Research Center - Institute for Environment_
_and Sustainability, Ed.). https://doi.org/10.2788/38479_
_Lugato, E. et al. (2013). An energy-biochar chain involving biomass_
_gasification and rice cultivation in Northern Italy. Global Change Biology_
_Bioenergy,_ [^5]:_, 192–201. https://doi.org/10.1111/gcbb.12028_
_Major, J. (2010). Guidelines on Practical Aspects of Biochar Application to Field Soil_
_in Various Soil Management Systems. https://www.biochar-international.org/_
_wp-content/uploads/2018/04/IBI_Biochar_Application.pdf_
_Matustík, J., Hnátková, T., & Kocí, V. (2020). Life cycle assessment of biochar-_
_to-soil systems: A review. Journal of Cleaner Production,_ [^259]:_._
_https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.120998_
_McManus, M. C., & Taylor, C. M. (2015). The changing nature of life cycle_
_assessment. Biomass and Bioenergy,_ [^82]:_, 13–26. https://doi.org/10.1016/_
_j.biombioe.2015.04.024_
_Mukherjee, A., & Lal, R. (2013). Biochar Impacts on Soil Physical Properties_
_and Greenhouse Gas Emissions. Agronomy,_ [^3]:_, 313–339. https://doi.org/_
_10.3390/agronomy3020313_
_Nguyen, T. L. T., Hermansen, J. E., & Nielsen, G. R. (2013). Environmental_
_assessment of gasi fi cation technology for biomass conversion to energy_
_in comparison with other alternatives: the case of wheat straw. Journal of_
_Cleaner Production,_ [^53]:_, 138–148. https://doi.org/10.1016/j.jclepro._
_2013.04.004_
_Piccolo, A., Pietramellara, G., & Mbagwu, J. S. C. (1996). Effects of coal derived_
_humic substances on water retention and structural stability of_
_mediterranean soils. Soil Use and Management,_ [^12]:_, 209–213._
_Roberts, K. G., Gloy, B. A., Joseph, S., Scott, N. R., & Lehmann, J. (2010). Life_
_Cycle Assessment of Biochar Systems: Estimating the Energetic, Economic,_

```
Erzeugung und Nutzung von Biochar in Südtirol
```

_and Climate Change Potential. Environmental Science and Technology,_ [^44]:_(2),_
_827–833. https://doi.org/https://doi.org/10.1021/es902266r_
_Shaaban, M., Van Zwieten, L., Bashir, S., Younas, A., Núñez-delgado, A.,_
_Chhajro, M. A., ... Hu, R. (2018). A concise review of biochar application_
_to agricultural soils to improve soil conditions and fight pollution. Journal_
_of Environmental Management,_ [^228]:_, 429–440. https://doi.org/10.1016/_
_j.jenvman.2018.09.006_
_Seneviratne, S.I. et al. (2012). Changes in climate extremes and their impacts_
_on the natural physical environment. In: Managing the Risks of Extreme_
_Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation [Field, C.B., V._
_Barros, T.F. Stocker, D. Qin, D.J. Dokken, K.L. Ebi, M.D. Mastrandrea, K.J._
_Mach, G.-K. Plattner, S.K. Allen, M. Tignor, and P.M. Midgley (eds.)]. A_
_Special Report of Working Groups I and II of the Intergovernmental Panel on_
_Climate Change (IPCC). Cambridge University Press, Cambridge, UK, and_
_New York, NY, USA, pp. 109-230._
_Uzoma, K. C., Inoue, M., Andry, H., Zahoor, A., & Nishihara, E. (2011)._
_Influence of biochar application on sandy soil hydraulic properties and_
_nutrient retention. Journal of Food, Agriculture and Environment,_ [^9]:_, 1137–_

1143. https://doi.org/10.1234/4.2011.2517
Ventura, M. et al. (2015). Biochar mineralization and priming effect on SOM
decomposition in two European short rotation coppices. GCB Bioenergy,
7(5), 1150–1160. https://doi.org/10.1111/gcbb.12219
Wang, J., Xiong, Z., & Kuzyakov, Y. (2016). Biochar stability in soil: meta-
analysis of decomposition and priming effects. GCB Bioenergy, 8(3), 512–
523. https://doi.org/10.1111/gcbb.12266
Wernet, G., Bauer, C., Steubing, B., Reinhard, J., Moreno-Ruiz, E., & Weidema,
B. (2016). The ecoinvent database version 3 (part I): overview and
methodology. The International Journal of Life Cycle Assessment, 21, 1218–
1230. https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s11367-016-1087-8

## Schlussfolgerungen

**Giustino Tonon– Freie Universität Bozen**
**Irene Criscuoli – Freie Universität Bozen**

_Im Rahmen der Schlussbemerkungen zum gesamten Projekt WOOD-UP hal-_
_ten wir es für wichtig, zunächst einen Begriff zu klären, der in den italieni-_
_schen Düngemittelgesetzen definiert wird. Im August 2015 wurde Biochar_
_mit dem im Amtsblatt Nr. 186 vom 12. August desselben Jahres veröffentlich-_
_ten Ministerialdekret vom 22. Juni 2015 offiziell unter die in der Landwirt-_
_schaft zulässigen Bodenverbesserungsmittel aufgenommen (Legislativdekret_
_75/10, Anlage 2, laufende Nummer 16). Die vom Gesetzgeber übernommene_
_Biochar-Definition umfasst alle durch Verkohlung von Produkten und Rückstän-_
_den rein pflanzlichen Ursprungs aus der Land- und Forstwirtschaft gewonnenen Ma-_
_terialien, unter Ausschluss aller organischen Abfälle und Materialien tierischen Ur-_
_sprungs. In oben genannter Anlage 2 wird genauer definiert, dass Biochar_
_durch Pyrolyse oder durch Vergasung gewonnen werden kann, vorausgesetzt_
_dass die erzeugte Pflanzenkohle die vorgegebenen Grenzwerte für die Kon-_
_zentration von Schwermetallen, polyzyklischen aromatischen Kohlenwasser-_
_stoffen (PAK), Polychrlorbiphenylen (PCB) und Dioxinen einhält. Außerdem_
_wird die Notwendigkeit verdeutlicht, das Biochar mit einem Biotest auf seine_
_eventuelle Phytotoxizität zu testen. Diese Definition ist nicht nur terminolo-_
_gisch, sondern auch substanziell von grundlegender Bedeutung, da sie die ge-_
_setzlichen Voraussetzungen für den Start dieses Projekts geliefert hat. Es war_
_schon vor Beginn des Projekts bekannt, dass alle Anlagen in Südtirol darauf_
_abzielten, den Energieertrag durch Vergasungsprozesse maximal zu steigern,_
_wenn auch mit ganz unterschiedlichen Technologien._
_Im Rahmen der Studie konnten 42 Südtiroler Vergasungsanlagen kartiert wer-_
_den, die jedes Jahr circa 50.000 Tonnen Holzbiomasse verwenden und über 50_
_GWh Elektrizität, 100 GWh Wärme und 1.300 Tonnen Kohle erzeugen. Ein_

Tonon, Criscuoli

_bedeutender und stets wachsender Sektor also. Die von den Anlagen produ-_
_zierte Kohle wird fast ausschließlich als nicht gefährlicher Sonderabfall ent-_
_sorgt. Die physikalischen, chemischen und biologischen Analysen haben ver-_
_deutlicht, dass keine der entnommenen Kohleproben phytotoxische Wirkun-_
_gen aufwies (Kapitel 3), aber gleichzeitig auch keine von ihnen den Vorschrif-_
_ten entsprach, die ihre Nutzung als Bodenverbesserungsmittel in der Land-_
_wirtschaft regeln. Insbesondere der Gehalt an polyzyklischen aromatischen_
_Wasserstoffen (PAK) und einigen Schwermetallen (Cd, Cr e Zn) überstieg die_
_Normgrenzwerte und verhinderte die landwirtschaftliche Nutzung. Dieses_
_Ergebnis hatte signifikante Folgen für die Entwicklung des Projekts und die_
_potenzielle Aufwertung der aktuellen Produktionskette der Holzvergasung in_
_Südtirol. Zur Durchführung der Feldversuche sah sich die Genossenschaft ge-_
_zwungen, Biochar außerhalb der Provinz einzukaufen. Die Experten sind zu_
_folgender Schlussfolgerung gekommen (Kapitel 1): Um die aktuellen Verga-_
_sungsanlagen in polygenerative Systeme zu verwandeln, die neben elektrischer und_
_thermischer Energie auch Biochar erzeugen, das als Bodenverbesserungsmittel ge-_
_nutzt werden kann, müssen daher die Hauptprozessparameter (z. B. die Temperatur-_
_profile im Reaktor) verändert oder Systeme zur Nachbehandlung der Kohle eingesetzt_
_werden, um den PAK-Gehalt zu reduzieren. In der Kohle vorhandene Schwerme-_
_talle scheinen hingegen von mechanischen Teilen zu stammen, die zur Beför-_
_derung fester Materialien in der Anlage verwendet werden, oder aus Vorbe-_
_handlungen der Holzbiomasse wie z. B. das Häckseln oder Pelletieren. Dies-_
_bezüglich scheint es einfacher, eine technische Lösung zu finden. Die wirt-_
_schaftliche Analyse eines Eingriffs zur Optimierung der Anlage, mit der eine_
_hochwertige, zur Nutzung in der Landwirtschaft geeignete Kohle erzeugt_
_werden kann, hat ergeben, dass für diese Investitionen, je nach Verkaufspreis_
_des Biochars maximal ein Budget zwischen 23.000 und 97.000 Euro zur Verfü-_
_gung steht. Die oben genannten Summen sind ein Richtwert für die Wirt-_
_schaftlichkeit, die ein Eingriff zur Optimierung der aktuellen Anlagen haben_
_müsste, um auf dem Markt attraktiv zu sein._
_Die Untersuchungen bezüglich der Möglichkeit, biologisch aktive Moleküle_
_aus der Holzbiomasse (Rottannen-Hackschnitzel) zu extrahieren (Kapitel 2),_
_haben zu besonders interessanten Schlussfolgerungen geführt. Unabhängig_
_von der angewandten Extraktionsmethode (Soxhlet oder überkritisches Koh-_
_lendioxid) haben die Extrakte eine gute antimikrobielle Wirkung gezeigt, und_

```
Schlussfolgerungen
```

_könnten als wertvolle Alternative zu den künstlichen Konservierungsmitteln,_
_die heute in Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaprodukten eingesetzt wer-_
_den, genutzt werden. Diese Möglichkeit stellt ein wichtiges und bisher noch_
_nicht ausführlich untersuchtes Element des Potenzials für die Aufwertung der_
_Holz-Energie-Produktionskette dar, das in der Zukunft zweifellos größere_
_Aufmerksamkeit verdient._
_Die Nutzung von Biochar in der Landwirtschaft hat verschiedene positive_
_Wirkungen zur Verbesserung des Bodens gezeigt, darunter eine Zunahme der_
_Verfügbarkeit bestimmter Nährstoffe, insbesondere Makronährstoffe wie Ka-_
_lium, Magnesium und Phosphor, sowie die Fähigkeit zur Anhebung des Bo-_
_den-pH-Werts, was sich positiv auf den Weinanbau auf sauren Böden aus-_
_wirkt. Insgesamt wurde eine höhere Ertragsfähigkeit der mit Biochar behan-_
_delten Pflanzen beobachtet, ohne dass negative Auswirkungen auf die Quali-_
_tät der Weine entstanden wären (Kapitel 4)._
_Das unter kontrollierten Versuchsbedingungen getestete Biochar hat keine_
_signifikanten Auswirkungen auf den Stickstoffzyklus in der Weinpflanze ge-_
_zeigt; Aufnahme und Verteilung des Stickstoffs in den verschiedenen Orga-_
_nen blieben unverändert. Biochar hat hingegen das Wasserspeichervermögen_
_des Bodens deutlich verändert und eine positive Zunahme des für die Pflan-_
_zen zur Verfügung stehenden Wassers bewirkt. Dies führte zu einer erheblich_
_besseren Verträglichkeit von induziertem Trockenstress und verringerte die_
_mit dem Wassermangel verbundenen negativen physiologischen Effekte. Die-_
_ses Ergebnis ist sehr interessant im Hinblick auf eine Politik zur Anpassung_
_an den Klimawandel, der sich durch eine Zunahme von Trockenperioden und_
_Hitzewellen kennzeichnet (Kapitel 5)._
_Die durchgeführten Studien hinsichtlich der Umweltwirkungen von Biochar_
_und insbesondere der Wirkungen auf die Treibhausgasemissionen und die_
_Ansammlung von Kohlenstoff im Boden haben relevante Ergebnisse hervor-_
_gebracht. Biochar hat eine Verringerung der vom Boden ausgehenden N_[^2]:_O-_
_Emissionen und eine erhebliche Zunahme der CO_[^2]:_-Emissionen verursacht,_
_die jedoch zeitlich begrenzt und nicht stark ausgeprägt war, während es keine_
_Wirkungen aufdie CH_[^4]:_-Emissionen zeigte.Die Bilanz des Kohlenstoffs im Bo-_
_den fiel extrem positiv aus, obwohl die Stabilität des angewandten Biochars_
_nicht besonders hoch war und nicht mit Sicherheit definiert werden konnte_
_(Kapitel 6). Alle Studienergebnisse wurden in eine Lebenszyklusanalyse_

Tonon, Criscuoli

_(LCA) eingebunden (Kapitel 7), deren Ziel eine Evaluierung der Umweltaus-_
_wirkungen der Südtiroler Holzvergasungsproduktionskette war, sowie deren_
_Vergleich mit einer aufgewerteten Produktionskette, die auch die Extraktion_
_hochwertiger Verbindungen aus der Biomasse, verbesserte Vergasungstech-_
_nologien und die Nutzung von Biochar in der Landwirtschaft vorsieht. Die_
_LCA hat gezeigt, dass die aktuelle Produktionskette umweltfreundlich ist und_
_im Vergleich zu den kontrafaktischen Energieproduktionsketten zu einer Ein-_
_sparung fossiler Energie und zur Verringerung der Treibhausgasemissionen_
_führt. Einen weiteren Vorteil, wenn auch in geringerem Umfang, bietet die_
_Nutzung von Biochar in der Landwirtschaft. Die Extraktion von Biomolekü-_
_len aus der Holzbiomasse geht mit Energiekostenund erheblichen Emissionen_
_einher, die vergleichbar sind mit denen der Produktion und des Transports_
_der Holzbiomasse (Rundholz, Hackschnitzel und Pellets) von der Produkti-_
_onsstätte zu den Vergasunganlagen. Daher würde sich die Extraktion von Bi-_
_omolekülen negativ auf die Gesamtumweltbilanz der Produktionskette aus-_
_wirken. Es sollte jedoch betont werden, dass die hier vorgestellte Analyse die_
_Umweltkosten für die Produktion von anderen als den hier untersuchten syn-_
_thetischen Molekülen nicht berücksichtigt hat. Außerdem sollte berücksich-_
_tigt werden, dass die aktuelle Südtiroler Kohleproduktion, sofern diese für die_
_Nutzung in der Landwirtschaft geeignet wäre, nur zur Verbesserung von 50_
_Hektar Agrarboden pro Jahr reichen würde. Zur Unterstützung einer breite-_
_ren Anwendung von Biochar in der Landwirtschaft wäre demzufolge eine_
_Einfuhr von Biochar nötig oder eine Erhöhung der Anzahl der Vergasungsan-_
_lagen, was eine Erhöhung der Wirtschafts- und Umweltkosten der Produkti-_
_onskette bewirken würde. Andererseits würden die vorgeschlagenen Techno-_
_logien zur Erzeugung von hochwertigem Biochar bei gleicher Menge an pro-_
_duziertemBiochar eine fast doppelt so große Menge an Energie erzeugen, was_
_deutlich größere Mengen an Biomasse für die Vergasung erfordern würde._
_Angesichts der positiven agronomischen und umweltspezifischen Wirkungen_
_von Biochar, welche im Projekt WOOD-UP sichtbar wurden, ergeht_
_abschließend die klare Empfehlung an die Förderpolitik, zukünftig jene_
_Forschungs- und Entwicklungsbemühungen zu unterstützen, die auf die_
_Planung polygenerativer Anlagen ausgerichtet sind und neben Elektro- und_
_Wärmeenergie auch hochwertiges Biochar erzeugen. Ein ausgewogenes_
_Verhältnis zwischen diesen Vergasungsprodukten trägt den positiven_

```
Schlussfolgerungen
```

_Auswirkungen Rechnung, welche die Nutzung von Biochar auf die_
_Nachhaltigkeit des Südtiroler Agrarsystems haben kann, das zunehmend_
_sensibler auf die von der Landwirtschaft ausgehenden Umweltwirkungen_
_reagiert._