Die Verwendung von Biokohle als Bodenverbesserer und als erneuerbare Kohlenstoffquelle in industriellen Anwendungen nimmt in Europa zu, angetrieben durch EU-Initiativen zur Kreislaufwirtschaft wie die Verordnung über Kohlenstoffentnahmen und Kohlenstoffbewirtschaftung (CRCF).1 Zwar bietet Biokohle ein erhebliches Potenzial als Kohlenstoffsenke und als nachhaltigere Alternative zu fossiler Kohle und herkömmlicher Holzkohle, doch gibt es derzeit keine einheitlichen EU-weiten Kriterien für die Zusammensetzung, die für alle Verwendungszwecke gelten würden.
Daher wird die Qualitätssicherung in erster Linie durch anwendungsspezifische Anforderungen geleitet. Einige davon sind in EU-Rechtsvorschriften festgelegt, wie etwa in der Verordnung (EU) 2019/1009 über Düngeprodukte, während andere durch technische Leistungsanforderungen in industriellen Prozessen bestimmt werden, beispielsweise in der Eisen- und Stahlproduktion.
Dieser Artikel fasst häufig angewandte Biokohle-Qualitätskriterien für wichtige Anwendungsbereiche zusammen und beschreibt die analytischen Methoden, mit denen die Einhaltung dieser Anforderungen überprüft wird.
Definition und Anwendungen von Biokohle
Biokohle (oder Pflanzenkohle) ist ein kohlenstoffreicher Feststoff, der durch thermische Behandlung von Biomasse unter sauerstoffarmen Bedingungen hergestellt wird. Produktionsparameter wie die Pyrolysetemperatur und das Ausgangsmaterial beeinflussen die physikalischen und chemischen Eigenschaften des resultierenden Materials maßgeblich und bestimmen daher dessen Eignung für verschiedene Anwendungen:2
Biokohle, die durch Pyrolyse bei etwa 400–700 °C hergestellt wird, findet in verschiedenen Anwendungsbereichen Einsatz, darunter Bodenverbesserung, metallurgische Prozesse sowie als Zusatzstoff in Tierfutter und Baumaterialien.
Biokohle kann bei noch höheren Temperaturen (typischerweise >800 °C) weiterbehandelt werden, um biobasierte Aktivkohle herzustellen, die als Adsorbens in der Abwasserbehandlung und Gasreinigung sowie in anderen technisch anspruchsvollen Anwendungen, wie der pharmazeutischen und kosmetischen Verarbeitung, eingesetzt werden kann.
Hochreine Biokohle (aus Ausgangsstoffen wie Lignin oder Bioöl) kann bei etwa 1 000–3 000 °C weiterverarbeitet werden, um Biographit herzustellen, der fossilen Graphit als Anodenmaterial in Batterien und Energiespeicherlösungen ersetzen kann.
Torrefizierte Biomasse, die bei niedrigeren Temperaturen (typischerweise < 300 °C) durch Torrefizierung statt vollständiger Pyrolyse erzeugt wird, wird hauptsächlich als Festbrennstoff verwendet.
Biokohle-Prüfung für die REACH-Registrierung
Unternehmen, die Biokohle im EWR in Mengen von mehr als 1 Tonne pro Jahr herstellen oder importieren, müssen eine Stoffregistrierung bei der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA) einreichen, um die REACH-Verordnung einzuhalten.3 Die Einreichung kann unter dem Holzkohle-Dossier (EG-Nr. 240-383-3) erfolgen, sofern die Biokohle durch einen konventionellen Pyrolyseprozess hergestellt wurde und die geltenden Zusammensetzungskriterien erfüllt.4
Im Rahmen der REACH-Registrierung müssen Unternehmen der ECHA analytische Informationen zur Identität und Zusammensetzung von Stoffen vorlegen. Eine typische Prüfsequenz für Biokohle umfasst die folgenden Analysen:
Kohlenstoff- und CHNO-Gesamtgehalt
Feuchtigkeits-, Flüchtigkeits- und Aschegehalt
Strukturanalyse mit XRD
Metallgehalt mit RFA
Weiterführende Schadstoffanalyse von PAK-Verbindungen und anderen relevanten Verunreinigungen
Für die Einreichung im Rahmen des Holzkohle-Dossiers sollte der Kohlenstoffgehalt von Biokohle zwischen 30 % und 95 % liegen, und der gesamte CHNO-Gehalt sollte größer als 96 % sein. Verunreinigungen dürfen nicht in Mengen vorhanden sein, die eine Einstufung als gefährlich gemäß der CLP-Verordnung auslösen würden.5
Biokohletests für Anwendungen zur Bodenverbesserung
Brancheneinschätzungen zufolge wird die überwiegende Mehrheit der weltweit vermarkteten Biokohle zur Bodenverbesserung eingesetzt.6 Wird Biokohle zu diesem Zweck als CE-gekennzeichnetes Düngeprodukt auf dem EU-Markt in Verkehr gebracht, muss sie der Verordnung (EU) 2019/1009 entsprechen. Die relevanten Testanforderungen sind in Anhang II, CMC 14 (Pyrolyse- und Vergasungsmaterialien) und Anhang I, PFC 3(A) (organischer Bodenverbesserer) festgelegt.7
Tabelle 1: Regulatorische Prüfanforderungen für Biokohle-basierte Düngeprodukte gemäß Verordnung (EU) 2019/1009
Parameter | Grenzwert/Kriterium | Notizen |
Molares Verhältnis von Wasserstoff zu organischem Kohlenstoff (H/Corg)* | < 0,7 | Prüfung erforderlich, wenn Corg < 50 %, durchgeführt an der trockenen, aschefreien Fraktion |
PAK-16-Gehalt* | ≤ 6 mg/kg Trockenmasse | PAH 16 = Summe der 16 polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, die von der US EPA als vorrangige Schadstoffe eingestuft wurden |
Dioxin- und Furangehalt (PCDD/F)* | ≤ 20 ng WHO-TEQ/kg Trockenmasse | WHO-TEQ = Toxizitätsäquivalente der Weltgesundheitsorganisation |
Chlorid (Cl−)* | ≤ 30 g/kg Trockenmasse | Im fertigen Düngeprodukt |
Thallium (Tl)* | ≤ 2 mg/kg Trockenmasse | Im Fertigprodukt, wenn > 5 % Pyrolyse-/Vergasungsadditive verwendet werden |
Cadmium (Cd) Sechswertiges Chrom (Cr(VI)) Quecksilber (Hg) Nickel (Ni) Blei (Pb) Anorganisches Arsen (As)** | 2 mg/kg 2 mg/kg 1 mg/kg 50 mg/kg 120 mg/kg 40 mg/kg | Alle Grenzwerte auf Trockenmassebasis |
Kupfer (Cu) Zink (Zn)** | 300 mg/kg 800 mg/kg | Beide Grenzwerte auf Trockenmassebasis |
Salmonella** | Abwesend | In 25 g oder 25 ml, wenn 5 Proben getestet werden |
E. coli/Enterokokken** | ≤ 1.000 KBE | In 1 g oder 1 ml, wenn 5 Proben getestet werden |
* Materialkomponenten-bezogene Anforderung aus Anhang II, CMC 14
** Verwendungszweckbezogene Anforderung aus Anhang I, PFC 3(A)
Neben der Erfüllung der regulatorischen Anforderungen an Zusammensetzung und Reinheit sollte Biokohle, die zur Bodenverbesserung bestimmt ist, geeignete physikalische Eigenschaften aufweisen. Eine hohe spezifische Oberfläche und Porosität sind besonders wichtig, da sie mit einer verbesserten Wasserhaltekapazität und einem verbesserten Sorptionsverhalten in Zusammenhang stehen. In einigen Fällen kann Biokohle, abhängig vom Ausgangsmaterial, auch Nährstoffe wie Stickstoff, Phosphor und Kalium liefern.8
Measurlabs bietet mehrere Methoden zur umfassenden physikalisch-chemischen Charakterisierung von Biokohle an, um sowohl die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften als auch die Leistung bei Bodenverbesserungsanwendungen zu bewerten. Beispiele hierfür sind ICP-OES für die Elementaranalyse, GC-HRMS für die Dioxinanalyse sowie die BET-Methode zur Bestimmung der spezifischen Oberfläche.
Biokohle in der Eisen- und Stahlproduktion
Damit Biokohle einen Teil der fossilen Kohle in der Stahlproduktion effektiv ersetzen kann, müssen ihre Eigenschaften chargenübergreifend konsistent sein und strenge technische Leistungsanforderungen erfüllen. Da Metallproduktionsprozesse anlagenspezifisch sind, gibt es keine universellen Kriterien; stattdessen muss das Material auf den jeweiligen Produktionsprozess abgestimmt werden.
Im Allgemeinen sollten bei der Verwendung von Biokohle in metallurgischen Anwendungen mindestens die folgenden Eigenschaften überwacht und optimiert werden:9
Fixer Kohlenstoffgehalt, Energiedichte und Heizwert sollten hoch sein, um das erforderliche Wärmepotenzial und die reduktive Kapazität bei der Hochtemperaturverarbeitung zu erreichen
Asche-, Feuchtigkeits- und Flüchtigstoffgehalt sollten gering sein, da diese den Ofenbetrieb beeinträchtigen können, beispielsweise durch Schlackenbildung, instabiles Verbrennungsverhalten oder verminderte Energieeffizienz
Porosität sollte kontrolliert werden, da eine sehr hohe Porosität zu übermäßiger Reaktivität und geringer mechanischer Festigkeit führen kann, anstatt das gewünschte, besser kontrollierte Reduktionsverhalten zu erzielen
Physikalische Eigenschaften wie Partikelgröße und Schüttdichte sollten den Spezifikationen des Dosiersystems entsprechen
Mehrere dieser Eigenschaften (flüchtige Bestandteile, Asche, Feuchtigkeit, gebundener Kohlenstoff) können mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA) bestimmt werden, beispielsweise nach der Standardmethode ASTM D7582. Weitere anwendbare Prüfmethoden umfassen die Bombenkalorimetrie (ISO 18125) zur Bestimmung des Heizwerts sowie die Siebanalyse oder Laserbeugung für die Partikelgrößenverteilungsanalyse.
Einbindung von Biokohle in Baumaterialien
Im Bausektor kann Biokohle Zement, Beton, Asphalt und anderen Verbundwerkstoffen zugesetzt werden, um den CO2-Fußabdruck zu reduzieren und zur dauerhaften Kohlenstoffentnahme im Rahmen der CRCF-Verordnung beizutragen.10 Ihre Zugabe kann jedoch kritische Materialeigenschaften beeinflussen, darunter mechanische Festigkeit, Dauerhaftigkeit und Brandverhalten. Laborprüfungen sind daher sowohl zur Charakterisierung der Biokohle als auch zur Verifizierung der Eigenschaften des fertigen Bauprodukts erforderlich.
Über die grundlegenden physikalisch-chemischen Parameter hinaus, die in den obigen Abschnitten behandelt wurden, können biokohlehaltige Baustoffe anwendungsspezifische Tests erfordern, wie zum Beispiel:
Brandklassifizierung gemäß EN 13501-1 sowie die erforderlichen Brandverhaltenstests wie EN ISO 1182 (Nichtbrennbarkeit), EN ISO 1716 (Brennwert) und EN 13823 (Single Burning Item Test)
Bestimmung mechanischer Eigenschaften gemäß relevanter Produktnormen, beispielsweise der EN ISO 10545-Reihe bei der Einarbeitung von Biokohle in Keramikfliesen
Emissionsprüfung für die Innenraumluftqualität, wie z. B. VOC-Emissionen gemäß EN 16516
Measurlabs' Lösungen für Biokohle-Tests
Measurlabs unterstützt Hersteller von Biokohle und verwandten Kreislaufwirtschaftsprodukten, darunter Biokoks, biobasierte Aktivkohle, torrefizierte Biomasse und Pyrolyseöl, mit einem umfassenden Angebot an Analysedienstleistungen. Beispiele für gängige Biokohleanalysen sind:
Bestimmung grundlegender Qualitätsparameter (z. B. Asche-, Feuchtigkeits-, Festkohlenstoff- und Flüchtigstoffgehalt)
Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und Reinheit, einschließlich der Gesamtzusammensetzung (CHNOS), elementarer Verunreinigungen (Cd, Cr(VI), Hg, Ni, Pb, As usw.) und organischer Schadstoffe (PAK, PCDD/F, Phthalate, Bisphenole, PFAS usw.)
Charakterisierung physikalischer Eigenschaften wie Partikelgröße, Schüttdichte, Porosität und Oberfläche
Anwendungsspezifische Leistungsprüfung, einschließlich Brandverhalten und Emissionen von Baustoffen mit Biokohle
Sicherheitstests für Handhabung und Transport, einschließlich Staubentwicklung (EN 15051-2), Screening auf Brennbarkeit und Explosionsfähigkeit, Bestimmung weiterer Explosionsparameter sowie Selbsterhitzungsverhalten
Über Partnerlaboratorien, die nach dem European Biochar Certificate (EBC) zertifiziert sind, kann Measurlabs auch die für die EBC-Zertifizierung erforderlichen analytischen Tests arrangieren.
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Quellenverzeichnis
1 Verordnung (EU) 2024/3012 zur Einrichtung eines Unionszertifizierungsrahmens für dauerhafte Kohlenstoffbindungen, Kohlenstofflandwirtschaft und Kohlenstoffspeicherung in Produkten. Die Biokohleproduktion ist eine der Tätigkeiten, die im Rahmen der Verordnung als dauerhafte Kohlenstoffbindung anerkannt werden, sofern die festgelegten Qualitätskriterien erfüllt sind. Detaillierte technische Anforderungen für die biokohlebasierte Kohlenstoffentfernung werden in einer bevorstehenden Delegierten Verordnung festgelegt.
2 Verschiedene Quellen geben leicht unterschiedliche Werte für typische Produktionstemperaturen von Biokohle im Vergleich zu torrefizierter Biomasse usw. an. Diese Definitionen basieren auf einem Bericht des Technischen Forschungszentrums Finnland (VTT) mit dem Titel „Biohiili osana suomalaista biotaloutta“ (Finnisch).
3 Verordnung (EG) Nr. 1907/2006 zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe
4 Die Anforderungen für die REACH-Registrierung unter dem Holzkohle-Dossier sind in einer Präsentation der Coalster GmbH, dem federführenden Registranten, dargelegt. Torrefizierte Biomasse, durch hydrothermale Carbonisierung (HTC) hergestellte Biokohle sowie gefährlicher Biokoks können nicht unter der gemeinsamen Registrierung erfasst werden.
5 Die Prüfanforderungen und -kriterien sind in der Präsentation von Coalster dargelegt. Die CLP-Verordnung bezieht sich auf Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 über die Einstufung, Kennzeichnung und Verpackung von Stoffen und Gemischen.
6 Laut dem VTT-Bericht „Biohiili osana suomalaista biotaloutta“ (Finnisch) wurden im Jahr 2023 85 % der Biokohle zur Bodenverbesserung verwendet.
7 Anhang II und Anhang I zu Verordnung (EU) 2019/1009 der Kommission über Düngeprodukte. CMC bezieht sich auf eine „Komponentenmaterialkategorie“, während sich PFC auf eine „Produktfunktionskategorie“ bezieht.
8 Kabir et al. "Biochar as a tool for the improvement of soil and environment", veröffentlicht in Frontiers in Environmental Science (2023)
9 Sarker et al. „Decarbonization of Metallurgy and Steelmaking Industries Using Biochar: A Review‟, veröffentlicht in Chemical Engineering Technology (2024) und Wajda & Brągoszewska „Insight into the Potential Use of Biochar as a Substitute for Fossil Fuels in Energy-Intensive Industries on the Example of the Iron and Steel Industry‟, veröffentlicht in Energies (2025). Die Forschung zeigt, dass Biokohle selbst bei optimierten Eigenschaften fossilen Kohlenstoff in den meisten metallurgischen Prozessen nicht vollständig ersetzen kann. Stattdessen ist eine Teilsubstitution von bis zu etwa 50 % möglich, abhängig vom Prozess und der Ofenkonfiguration, ohne die Produktqualität zu beeinträchtigen.
10 Entwurf einer delegierten Verordnung zur Festlegung von Methoden zur Zertifizierung von Kohlenstoffentnahmeaktivitäten gemäß der Verordnung (EU) 2024/3012 über Kohlenstoffentnahmen, Kohlenstoffbewirtschaftung und Kohlenstoffspeicherung in Produkten. Die Einbindung von Biokohle in Zement, Beton oder Asphalt gilt als dauerhafte Kohlenstoffentnahme, sofern die geltenden Kriterien erfüllt sind.