Pyrolyse klingt nach Hochtechnologie, das Prinzip ist aber alt: Holz wird erhitzt, ohne dass Luft herankommt. Es verbrennt nicht, sondern zerfällt in Gas, Dämpfe und Pflanzenkohle. Köhler haben so über Jahrhunderte Holzkohle gemacht. Heute läuft der Prozess kontinuierlich, kontrolliert und mit voller Nutzung der Energie.

In diesem Beitrag erkläre ich, was bei der Pyrolyse im Holz passiert, wie Temperatur und Verweilzeit das Ergebnis bestimmen und wie sich Pyrolyse von Vergasung und Verbrennung unterscheidet.

Was passiert bei der Pyrolyse im Holz?

Holz besteht im Wesentlichen aus drei Bausteinen: Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Sie zersetzen sich bei unterschiedlichen Temperaturen. Yang und Kollegen (2007) haben das genau vermessen.

Trocknung bis etwa 150 °C

Zuerst verdampft das Wasser. Je feuchter das Holz, desto mehr Energie geht in diesen Schritt. Deshalb ist eine gute Trocknung der Hackschnitzel wichtig.

Hemicellulose und Cellulose ab etwa 220 °C

Hemicellulose zerfällt etwa zwischen 220 und 315 °C, Cellulose vor allem zwischen 315 und 400 °C. Dabei werden die meisten Gase und Dämpfe frei.

Lignin über einen weiten Bereich

Lignin zersetzt sich langsam über einen sehr weiten Temperaturbereich bis weit über 700 °C. Aus ihm stammt ein großer Teil der festen Pflanzenkohle.

Karbonisierung bei hohen Temperaturen

Bei weiter steigender Temperatur ordnet sich der verbleibende Kohlenstoff zu stabilen, aromatischen Strukturen. Wasserstoff und Sauerstoff werden weiter abgegeben, der Kohlenstoffgehalt steigt.

Wovon hängt das Ergebnis der Pyrolyse ab?

Wie viel Gas, Öl und Pflanzenkohle entstehen, hängt vor allem von der Temperatur, der Aufheizrate und der Verweilzeit ab. Bridgwater (2012) hat typische Ausbeuten zusammengestellt:

• Schnelle Pyrolyse: sehr schnelles Aufheizen auf rund 500 °C, Dämpfe nur Sekunden im Reaktor. Ergebnis: bis zu 75 Prozent flüssiges Pyrolyseöl, wenig Pflanzenkohle.
• Langsame Pyrolyse: langsames Aufheizen, lange Verweilzeit. Ergebnis: etwa je ein Drittel Pflanzenkohle, Flüssigkeit und Gas.

Für Pflanzenkohle ist die langsame Pyrolyse das Mittel der Wahl. Mit steigender Temperatur sinkt zwar die Kohleausbeute, aber die Pflanzenkohle wird kohlenstoffreicher, poröser und stabiler. In der Pyro-ClinX arbeiten wir mit 650 bis 800 °C. Das ergibt eine stabile, poröse Pflanzenkohle, die die Anforderungen des European Biochar Certificate (EBC) erfüllen kann.

Welche Reststoffe eignen sich?

Für die Pyrolyse in der Pyro-ClinX eignen sich holzige Reststoffe, die als Hackschnitzel vorliegen:

• Waldrestholz und Landschaftspflegeholz
• Sägenebenprodukte und unbehandeltes Industrierestholz
• Rinde sowie Baum- und Strauchschnitt

Wichtig sind eine gleichmäßige Stückgröße und eine gute Trocknung. Für Pflanzenkohle, die in Böden oder Futtermitteln eingesetzt werden soll, schreibt das EBC außerdem vor, welche Ausgangsstoffe zulässig sind. Lackiertes oder behandeltes Holz gehört nicht in die Anlage.

Wie viel Pflanzenkohle entsteht?

In der Pyro-ClinX werden rund 315 kg Hackschnitzel pro Stunde verarbeitet. Daraus entstehen rund 75 kg Pflanzenkohle, also etwa ein Viertel der eingesetzten Masse. Der übrige Teil wird zu Pyrolysegas und liefert im Prozess Strom und Wärme. Wie hoch die Ausbeute genau ist, hängt vom Holz, seiner Feuchte und der Reaktortemperatur ab.

Was unterscheidet Pyrolyse von Vergasung und Verbrennung?

Die drei Verfahren unterscheiden sich darin, wie viel Sauerstoff im Spiel ist.

• Verbrennung: Mit genug Luft wird das Holz vollständig oxidiert. Übrig bleiben Wärme, Rauchgas und Asche. Kohlenstoff wird nicht gespeichert.
• Vergasung: Mit wenig Luft wird möglichst viel Biomasse in brennbares Gas umgewandelt. Die Pflanzenkohle ist hier ein Rest, der möglichst klein bleiben soll.
• Pyrolyse: Ohne Luft entstehen Gas und Pflanzenkohle nebeneinander. Die Pflanzenkohle ist ein gewolltes Produkt.

Pyrolyse in der Pyro-ClinX

In der Pyro-ClinX läuft die Pyrolyse kontinuierlich in einem beheizten Reaktor. Das Pyrolysegas strömt direkt in den FLOX-Brennraum und wird dort flammlos oxidiert. Die Wärme treibt über einen Hochtemperatur-Wärmetauscher die extern befeuerte Mikrogasturbine an, die restliche Wärme steht als Nutzwärme bereit. Die Pflanzenkohle wird ausgetragen, abgekühlt und abgefüllt. So entstehen aus einem Reststoff vier Produkte: Strom, Wärme, Pflanzenkohle und CO₂-Zertifikate.

Mehr dazu: Pyro-ClinX 150, Pyro-Hex 315 und Pflanzenkohle.

Häufige Fragen

Bei welcher Temperatur findet Pyrolyse statt?

Pyrolyse beginnt bei einigen hundert Grad. Für Pflanzenkohle wird meist zwischen etwa 400 und 800 °C gearbeitet. Im Pyro-ClinX-Reaktor sind es 650 bis 800 °C.

Ist Pyrolyse eine Verbrennung?

Nein. Bei der Pyrolyse fehlt der Sauerstoff, deshalb verbrennt das Material nicht. Erst das entstehende Gas wird in einem zweiten Schritt oxidiert, im Pyro-ClinX-System flammlos im FLOX-Brennraum.

Welche Stoffe lassen sich pyrolysieren?

Grundsätzlich organisches Material. Für Pflanzenkohle für Böden kommen nach den Anforderungen des European Biochar Certificate (EBC) nur naturbelassene pflanzliche Biomassen infrage, etwa Holzhackschnitzel, Rinde oder Landschaftspflegeholz.

Wie viel Pflanzenkohle entsteht?

Das hängt von Brennstoff und Prozess ab. Bei der Pyro-ClinX bleiben rund 20 bis 25 % des Inputs als Pflanzenkohle erhalten.

Was ist der Unterschied zur Holzkohle aus dem Meiler?

Im Meiler wird ein Teil des Holzes verbrannt, um den Rest zu verkohlen. Gas und Wärme gehen dabei verloren. In einer modernen Anlage läuft die Pyrolyse kontinuierlich und kontrolliert, das Gas wird vollständig genutzt.

Kann man auch Grünschnitt oder Gärreste pyrolysieren?

Grundsätzlich ja, abhängig von Feuchte und Zusammensetzung. Ob ein Reststoff passt und welche Qualität die Pflanzenkohle dann erreicht, prüfen wir im Einzelfall.

Entsteht bei der Pyrolyse Rauch?

Nein. Der Reaktor ist geschlossen. Das Pyrolysegas wird im Brennraum vollständig oxidiert, das Abgas gibt seine Wärme ab und verlässt die Anlage über den Kamin.

Quellen

• Bridgwater, A. V. (2012): Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading. Biomass and Bioenergy 38, 68 bis 94.
• Yang, H. et al. (2007): Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis. Fuel 86, 1781 bis 1788.
• Lehmann, J., Joseph, S. (Hrsg.) (2015): Biochar for Environmental Management: Science, Technology and Implementation. 2. Auflage, Routledge.
• Lehmann, J. et al. (2021): Biochar in climate change mitigation. Nature Geoscience 14, 883 bis 892.
• European Biochar Certificate (EBC): Richtlinien für die Zertifizierung von Pflanzenkohle.