Im Zuge der zunehmenden energetischen Holznutzung fällt vermehrt Holzasche als Abfallprodukt an. Obwohl die Asche potenziell für die Nährstoffrückführung in Wälder genutzt werden könnte, findet dies in Deutschland aktuell kaum statt, da negative ökologische Auswirkungen befürchtet werden, die Handhabbarkeit von Holzasche schwierig ist und hinsichtlich des Nährstoffhaushalts der Wälder keine Notwendigkeit gesehen wird. Durch eine Verarbeitung der Asche zu Rinde-Asche-Pellets (RIA-Pellets) sollte die ökologische Verträglichkeit erhöht und die Handhabbarkeit verbessert werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie RIA-Pellets auf bodenchemische Parameter sowie den Ernährungszustand der Bäume wirken. Dazu wurden zwei Versuchsflächen in der Oberlausitz (Ostsachsen) etabliert: ein 38-jähriger Kiefernbestand auf einem Braunerde-Podsol aus eiszeitlichem Elbschotter im Tiefland sowie drei Fichtenbestände im Alter von 36 bis 49 Jahren auf einer Braunerde aus Lösslehm über Granodioritzersatz im Hügelland. Im Jahr 2011 wurde eine Behandlung mit 4 t ha-1 RIA-Pellets durchgeführt und auf dem Hügellandsstandort zusätzlich eine Vergleichsvariante mit 3,5 t ha-1 Dolomitkalk angelegt. Daraufhin wurden bodenchemische Parameter (pH-Wert, AKe, Nährstoff-Gesamtgehalte, C/N-Verhältnis) sowie Nadelspiegelwerte der Bäume untersucht. Außerdem wurde der zu erwartende Nährstoffverlust mittelalter Nadelholzbestände im Rahmen der Durchforstungen in den kommenden 20 Jahren abschätzend quantifiziert und den sonstigen Stoffflüssen der untersuchten Standorte gegenübergestellt. Auf dem sorptionsschwachen Tieflandsstandort mit Kiefer führten RIA-Pellets in einer Dosis von 4 t ha-1 innerhalb von zwei Jahren zu einer moderaten Erhöhung des pH-Werts um 0,6 Einheiten, einer Zunahme der Kationenaustauschkapazität von 267 auf 338 mmolc kg-1 sowie einer Erhöhung der Basensättigung von 45 auf 90 %. Zudem war eine signifikante Erhöhung der Gesamtgehalte von Ca, Mg und Mn zu verzeichnen. Auf dem sorptionsstarken Boden des Hügellandsstandort mit mittelalten Fichtenbeständen hatte die gleiche Dosis von RIA-Pellets ebenfalls zwei Jahre nach der Ausbringung zu wesentlich geringeren Effekten geführt. Zwar war auch hier ein pH-Anstieg um 0,3 Einheiten zu verzeichnen. Die RIA-Pellets beeinflussten jedoch die AKe und die Basensättigung nicht und die Nährstoff-Gesamtgehalte nur bei Ca und Mn. Alle Effekte waren auf beiden Versuchsflächen auf die Humusauflage begrenzt. Im Vergleich zu einer Kalkung trat die Wirkung der RIA-Pellets langsamer ein und fiel geringer aus. Die Behandlung mit RIA-Pellets führte nach zwei Jahren zu keiner Veränderung der Nadelspiegelwerte auf beiden Versuchsflächen. Die Untersuchung der oberirdischen Bestandesbiomasse zeigte, dass bereits mittelalte Nadelbaumbestände im Rahmen von Durchforstungen bei intensiven Aushaltungsszenarien erhebliche Nährstoffentzüge zu verkraften haben. So stieg die Biomasseentnahme bei Vollbaumnutzung gegenüber konventioneller Nutzung nur um den Faktor 1,3, während die Nährstoffentzüge um den Faktor 1,8 (Ca) bis 4,0 (P, Kiefer) stiegen. Die Nährstoffzusammensetzung der RIA-Pellets unterschied sich aufgrund der Herkunft der Asche (Verbrennung von Rinde und Holz in einem Sägewerk) von der eines Vollbaums. Daher läge der Kompensationsbedarf für die Nährstoffentzüge in den nächsten 20 Jahren bei Vollbaumnutzung im Kie-fernbestand bei 0,7 (Ca) bis 2,0 t ha-1 (P) und im mittelalten Fichtenbestand bei 1,3 (Ca) bis 12,8 t ha-1 (P). Der Vergleich der drei untersuchten unterschiedlich alten Fichtenbestände hat gezeigt, dass der Waldrestholzanteil und somit auch die zusätzliche Biomasse- und Nährstoffentnahme umso höher ist, je jünger bzw. geringer dimensioniert der Bestand ist. Die Betrachtung von Kiefern- und Fichtenbestände zeigte baumartenspezifische Unterschiede bei der Verteilung der oberirdischen Bestandesbiomasse auf die einzelnen Biomassekompartimente sowie der Nährstoffgehalte in den jeweiligen Kompartimenten. Die überschlägigen Nährstoffbilanzen für beide Versuchsflächen haben gezeigt, dass die Nährstoffentzüge mit der geernteten Biomasse bei Vollbaumnutzung in einer ähnlichen Größenordnung lagen, wie die Verluste mit dem Sickerwasser und die Festlegung im Biomassezuwachs. Auch ohne die Berücksichtigung von Nährstoffentzügen mit der Biomassenutzung wiesen die Standorte aufgrund des Nachwirkens historischer Säureeinträge bereits negative Stoffbilanzen für Ca und Mg auf. Die vorliegende Arbeit verdeutlicht, dass die Holzascherückführung in Wälder keinen drastischen Eingriff in die Stoffflüsse natürlicher Ökosysteme darstellt. Vielmehr handelt es sich um den Versuch, die Folgen der aktuellen menschlichen Aktivitäten im Bereich intensiver Biomassenutzung zumindest hinsichtlich der Nährstoffnachhaltigkeit abzumildern. Die intensive Biomassenutzung reiht sich dabei als eine weitere Form menschlichen Eingreifens in die Stoffflüsse des Ökosystems Wald in eine seit Jahrhunderten stattfindende Nutzungs- und damit Störungsgeschichte durch Streunutzung, Waldumbau zu Nadelholzforsten und atmosphärische Säure- und Stoffeinträge ein.:Inhalt 1 Einleitung 1 2 Stand des Wissens 3 2.1 Entwicklung der energetischen Holznutzung in Deutschland 3 2.2 Waldrestholznutzung in Deutschland und Auswirkungen auf die Bodenfruchtbarkeit 5 2.2.1 Waldrestholznutzung in Deutschland 5 2.2.2 Auswirkungen der Walrestholznutzung auf das Waldökosystem 6 2.3 Bodenmelioration mit Holzasche 7 2.3.1 Eigenschaften von Holzasche 7 2.3.2 Gesetzliche Bestimmungen zur Verwendung von Holzasche als Dünger 10 2.3.3 Erfahrungen mit der Holzascheverwendung im Wald 11 2.3.4 Aktuelles Holzascheaufkommen in Deutschland 12 2.3.5 Veredelung von Holzasche 16 3 Forschungsrahmen und Hypothesen 20 4 Material und Methoden 22 4.1 Untersuchungsgebiet Oberlausitz 22 4.2 Versuchsflächen 22 4.2.1 Laußnitz 22 4.2.2 Neusalza-Spremberg 25 4.3 Versuchsanlage 28 4.3.1 Laußnitz 28 4.3.2 Neusalza-Spremberg 29 4.3.3 Eigenschaften der RIA-Pellets und des Dolomit-Kalkes 30 4.4 Bodenuntersuchungen 32 4.4.1 Probenvorbereitung 32 4.4.2 Chemische Analysen der Bodenproben 33 4.5 Nadeluntersuchungen 34 4.5.1 Probenvorbereitung 34 4.5.2 50- und 100-Nadelgewicht 34 4.5.3 Elementgehalte der Nadeln 34 4.6 Untersuchung der oberirdischen Bestandesbiomasse 35 4.6.1 Waldwachstumskundliche Charakterisierung 35 4.6.2 Oberirdische Bestandesbiomasse und ihre Verteilung auf Baumkompartimente 35 4.6.3 Bestimmung der Elementgehalte in den Kompartimenten 37 4.6.4 Biomassefunktionen 38 4.6.5 Nährstoffbilanz 38 4.7 Statistische Auswertung 40 4.7.1 Boden- und Nadelanalysen 40 4.7.2 Ausreißeridentifikation bei den AKe-Daten 41 5 Ergebnisse 42 5.1 Veränderung bodenchemischer Parameter durch RIA-Pellets und Kalk 42 5.1.1 Laußnitz 42 5.1.2 Neusalza-Spremberg 53 5.2 Veränderung der Nadelspiegelwerte durch RIA-Pellets und Kalkung 65 5.2.1 Auswirkungen der RIA-Behandlung auf die Kiefernnadeln in Laußnitz 65 5.2.2 Auswirkungen der Behandlungen auf die Fichtennadeln in Neusalza-Spremberg 70 5.3 Biomasse- und Nährstoffentzug durch intensive Biomassenutzung 74 5.3.1 Oberirdische Bestandesbiomasse 74 5.3.2 Nährstoffgehalte in den Kompartimenten 83 5.3.3 Biomasse- und Nährstoffentzug bei unterschiedlichen Nutzungsszenarien 86 5.3.4 Entzugsbedingter kompensatorischer Nährstoffbedarf 92 5.3.5 Nährstoffbilanz zur Abschätzung des Nährstoffkompensationsbedarfs auf ökosystemarer Ebene 95 6 Diskussion 99 6.1 Einfluss von RIA-Pellets auf bodenchemische Eigenschaften 99 6.1.1 Prüfung von Hypothese 1 99 6.1.2 Prüfung von Hypothese 2 103 6.1.3 Vergleich der Wirkung von RIA-Pellets auf bodenchemische Eigenschaften auf den beiden Versuchsflächen 105 6.1.4 Methodenkritik zur Untersuchung des Einflusses von RIA-Pellets auf bodenökologische Parameter 107 6.1.5 Nährstofffreisetzung aus den RIA-Pellets 108 6.2 Einfluss der Behandlung mit RIA-Pellets auf den Ernährungszustand 109 6.2.1 Prüfung von Hypothese 3 109 6.2.2 Methodenkritik zur Untersuchung des Einflusses von RIA-Pellets auf den Ernährungszustand 110 6.3 Nährstoffentzug durch intensive Biomassenutzung 111 6.3.1 Prüfung von Hypothese 4 111 6.3.2 Methodenkritik zu Biomasseschätzung und Nährstoffbilanz 117 7 Synthese und Schlussfolgerungen 120 8 Zusammenfassung 123 9 Summary 125 10 Literaturverzeichnis 127 11 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 135 12 Abbildungsverzeichnis 136 13 Tabellenverzeichnis 140 14 Abkürzungsverzeichnis 143 15 Anhang 145

Recent literature has recommended that life cycle assessments (LCA) of forest bioenergy supply chains consider the impact of biomass harvest on ecosystem carbon stocks as well as the net emissions arising from combustion of various forms of biofuels compared with reference fossil fuel systems. The present study evaluated the magnitude and temporal variation of ecosystem C stock changes resulting from harvest of roadside residues and unutilized whole trees for bioenergy. The Carbon Budget Model (CBM-CFS3) was applied to the Gordon Cosens Forest, in northeastern Ontario, along with the Biomass Opportunity Supply Model (BiOS-Map), for cost analysis of different types of biomass comminution. Natural gas (NG) steam and electricity, grid electricity, and coal electricity reference systems were analyzed for a pulp and paper mill. The findings showed that the forested landscape becomes a net sink for carbon following the 20th year of roadside residue harvest, compared to whole-tree harvest, where the forested landscape remained a net source of carbon over the entire 100 year rotation. The cumulative ecosystem carbon loss from whole-tree harvest was 11 times greater compared to roadside residue harvest. BiOS-Map analysis suggested that due to technical and operational limits, between 55%-59% and 16%-24% of aboveground biomass was not recovered under roadside residue and whole-tree harvest respectively. The cost of delivering roadside residues was estimated at $52.32/odt–$57.45/odt, and for whole trees $92.63/odt–$97.44/odt. The Life Cycle Assessment (LCA) analysis showed break-even points of 25, 33 and 6 years for roadside residues displacing NG steam, NG electricity, and coal, respectively. No GHG reduction was achieved when forest biomass was used to displace grid electricity that is generated in Ontario. Whole-tree bioenergy resulted in no GHG reduction for NG displacement, and a break-even point of 70-86 years for coal. A net GHG reduction of 67% and 16% was realized when roadside residues and whole trees were used to displace coal, compared to 45% and 38% when roadside residues were used to displace NG steam and NG electricity, respectively. Therefore, it is recommended that bioenergy deployment strategies focus on the utilization of roadside residues, if the main goal is GHG mitigation.

Recent literature has recommended that life cycle assessments (LCA) of forest bioenergy supply chains consider the impact of biomass harvest on ecosystem carbon stocks as well as the net emissions arising from combustion of various forms of biofuels compared with reference fossil fuel systems. The present study evaluated the magnitude and temporal variation of ecosystem C stock changes resulting from harvest of roadside residues and unutilized whole trees for bioenergy. The Carbon Budget Model (CBM-CFS3) was applied to the Gordon Cosens Forest, in northeastern Ontario, along with the Biomass Opportunity Supply Model (BiOS-Map), for cost analysis of different types of biomass comminution. Natural gas (NG) steam and electricity, grid electricity, and coal electricity reference systems were analyzed for a pulp and paper mill. The findings showed that the forested landscape becomes a net sink for carbon following the 20th year of roadside residue harvest, compared to whole-tree harvest, where the forested landscape remained a net source of carbon over the entire 100 year rotation. The cumulative ecosystem carbon loss from whole-tree harvest was 11 times greater compared to roadside residue harvest. BiOS-Map analysis suggested that due to technical and operational limits, between 55%-59% and 16%-24% of aboveground biomass was not recovered under roadside residue and whole-tree harvest respectively. The cost of delivering roadside residues was estimated at $52.32/odt–$57.45/odt, and for whole trees $92.63/odt–$97.44/odt. The Life Cycle Assessment (LCA) analysis showed break-even points of 25, 33 and 6 years for roadside residues displacing NG steam, NG electricity, and coal, respectively. No GHG reduction was achieved when forest biomass was used to displace grid electricity that is generated in Ontario. Whole-tree bioenergy resulted in no GHG reduction for NG displacement, and a break-even point of 70-86 years for coal. A net GHG reduction of 67% and 16% was realized when roadside residues and whole trees were used to displace coal, compared to 45% and 38% when roadside residues were used to displace NG steam and NG electricity, respectively. Therefore, it is recommended that bioenergy deployment strategies focus on the utilization of roadside residues, if the main goal is GHG mitigation.

The direct variable costs for heat and electricity production based on solid biomass fuel combustion is approximately 3-5 times lower than the costs in a fossil fuel-oil based boiler in Sweden. In addition waste derived biomass fuels are typically much cheaper than biomass not classified as waste. The introduction of the waste derived fuels; wastewater treatment sludge, demolition wood, and animal waste in a 50MWth circulating fluidized bed (CFB) biomass boiler located in Perstorp, Sweden, led to rapid deposit buildup in superheaters, heavy ash accumulation in economizers and failing boiler tubes and vortex finders that forced frequent boiler shutdowns. This in turn increased the use of expensive oil (fossil fuel) in backup boilers and the CO2 footprint of the on-site energy conversion system. This work aims to increase the general mechanistic understanding of combustion systems using complex fuels, and includes: A mapping of the boiler failure and preventive maintenance statistics; elemental composition analysis of ash, deposits and fuel fractions; flue-gas composition measurements; chemical speciation analysis; an attempt to describe the overall ash transformation reactions and mass balance throughout the combustion process. Scanning electron microscope (SEM) equipped with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was used to analyze the elemental composition of ash and deposits. The SEM-EDS results were used together with data from X-ray powder diffraction (XRD) analysis, thermodynamic phase data, and equilibrium calculations in an attempt to quantify the crystalline phases and the overall ash transformation of the process. Based on the findings concerning ash transformation and the failure statistics, it has been possible to identify generic key parameters regarding boiler design and process parameters, enabling major improvements of the CFB boiler availability, a lower overall energy conversion cost and a reduced CO2 footprint. / Den direkta rörliga kostnaden för värme-och elproduktion baserad på fast biobränsle är ungefär 3-5 gånger lägre än kostnaden för fossiloljebaserad produktion. Avfallsklassade fasta biobränslen är vidare oftast betydligt billigare än fasta biobränslen som inte är klassade som avfall. Införandet av de avfallsklassade bränslena; reningsslam, rivningsvirke, och animaliskt avfall i en 50MWth cirkulerande fluidiserad bädd (CFB) -panna, ledde till kraftig beläggningstillväxt i överhettare och ackumulering av aska i ekonomisers, samt haveri av panntuber och centrumrör i cyklonerna, som tvingade fram frekventa pannstopp. Detta ökade i sin tur användningen aveldningsolja (fossilt bränsle) i reservkrafts-pannor vilket resulterade i ett större CO2 utsläpp och en högre kostnad för energiomvandlingen på siten. Detta arbete syftar till att öka den allmänna mekanistiska förståelsen av förbränningssystem som använder komplexa bränslen, och omfattar; haveri- och underhållsstatistik, elementarsammansättningsanalys av aska, beläggningar och bränslefraktioner, rökgasens sammansättning, kemisk specificering av askor och beläggningar, ett försök att beskriva de övergripande askomvandlingsreaktionerna, samt en massbalans för förbränningsprocessen. Svepelektronmikroskop (SEM) utrustat med energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS) användes för att analysera den elementära sammansättningen av aska och beläggningar. SEM-EDS-resultaten användes tillsammans med pulverröntgendiffraktionsanalys (XRD), termodynamiska fasdata, och jämviktsberäkningar i ett försök att kvantifiera de kristallina faserna och de övergripande askomvandlingsreaktionerna i processen. Baserat på resultaten rörande askomvandling och haveristatistik, har det varit möjligt att identifiera generiska nyckelparametrar gällande panndesign och processparametrar, som möjliggjort stora förbättringar av CFB pannans tillgänglighet, en lägre totalkostnad för energiomvandlingen på siten samt ett minskat CO2-utsläpp.