Biowęgiel kontra biomasa. Co jest lepsze dla środowiska?

W dniu 30 lipca 2020 na portalu Forsal.pl ukazał się za PAP tekst zatytułowany ”Naukowcy: Spalanie drewna nie jest zieloną energią i nie ograniczy emisji CO2”. Jako naukowiec i energetyk z wykształcenia i praktyki chciałbym odnieść się do tez zawartych w tekście, a szczególnie cytowanych wypowiedzi polskich uczonych.

Z większością stwierdzeń zawartych w tekście nie sposób nie zgodzić się. Proces spalania drewna, jednego z najstarszych paliw ludzkości, nie został do dziś opanowany w stopniu zapewniającym bezpieczny i nieszkodliwy wpływ na otoczenie, a szczególnie środowisko i zdrowie człowieka. Na szczęście do czasu rewolucji, która rozpoczęła bezlitosną walkę ze spalaniem węgla, uznającej go za zło, które zmienia klimat, dewastuje przyrodę i pogarsza stan zdrowia ludzi (głównie smog), skala realizacji procesów spalania drewna była niewielka. Przygotowywanie potraw, ogrzewanie domów - szczególnie w rejonach wiejskich - oraz spalanie polan i szczap wysuszonego wcześniej drewna w domowych kominkach, głównie w celu uatrakcyjnienia i „ocieplenia” atmosfery rodzinnych i towarzyskich spotkań w trakcie długich jesienno-zimowych wieczorów - to były podstawowe zastosowania drewna jako paliwa. Jak podkreślono wcześniej, drewno stosowane w tych przypadkach było zawsze odpowiednio przygotowane, tzn. wysuszone i odpowiednio rozdrobnione.

Niestety drewno to paliwo należące do grupy „paliw trudnych”, wymagających odpowiedniego przygotowania warunków dla jego efektywnego, a szczególnie niskoemisyjnego (ekologicznego) spalania. Powodów jest wiele, lecz dwa czynniki są dość oczywiste. Są nimi zawartość wilgoci i zawartość tzw. części lotnych. Zawartość wilgoci (wody) w świeżo ściętym drewnie dochodzi do 60 proc. (zimą spada do 40 proc.). Woda znacząco obniża wartość opałową drewna (ilość ciepła potrzebna do odparowania 1kg wody to rząd 2500 kJ/kg) do tego stopnia, że świeże drewno jest niepalne (ilość ciepła wytworzona ze spalania takiego drewna jest w całości zużywane na odparowanie wody). Części lotne to gaz palny, który wytwarza się w drewnie podczas jego ogrzewania. Z 1 kg suchego drewna można uzyskać aż 0,8 kg gazu. Reszta, ok. 0,2 kg to tzw. węgiel drzewny (głównie pierwiastek C z niewielką domieszką cennych minerałów – popiołu – które drzewo pobrało z gleby podczas wzrostu). Podczas spalania ogrzewane polano lub szczapa najpierw nagrzewa się wydzielając parę wodną (endotermiczny proces suszenia – konsumuje ciepło wydzielane przez palące się w sąsiedztwie inne kawałki drewna), następnie rozpoczyna się proces termolizy – czyli rozkładu substancji drewna pod wpływem temperatury z wydzielaniem wspomnianych gazów palnych oraz zwęglaniem pozostałości stałej do postaci węgla drzewnego. Realizacja procesu spalania tych różnych jakościowo i ilościowo paliw (gaz i paliwo stałe) w jednej komorze spalania bez odpowiedniego stopniowania powietrza nigdy nie będzie poprawna, a szczególnie zeroemisyjna. W małych paleniskach domowych i kominkach problem czystości spalania rozwiązuje się stosując dostateczny nadmiar powietrza dostarczanego pod ruszt i do przestrzeni paleniska ponad warstwę palących się szczap drewna.

Takie stopniowanie powietrza w dużych kotłach energetycznych, które budowane są często na wzór kotłów do spalania węgla, gdzie proporcje pomiędzy paliwem stałym (koksem) i częściami lotnymi (gazami) są prawie dokładnie odwrotne (30 proc. gaz i 70 proc. koks) nie jest lub nie może być poprawnie zrealizowane. Dodatkowo w kotłach tych ze względów oczywistych operatorzy starają się „spalić” jak najwięcej drewna, by osiągnąć jak największe przychody ze sprzedaży tzw. „zielonego” prądu. „Przetwarzamy” więc na ten zielony prąd (niedawno był znacznie droższy od „czarnego” prądu wytwarzanego z węgla) w dużych kotłach energetycznych dedykowanych tylko do spalania biomasy (współspalanie biomasy z węglem na szczęście zostało już zakazane) tysiące ton biomasy drzewnej i agrobiomasy (peletów słomy, łuski słonecznika itp.). Taka mieszanka biomasy różnego pochodzenia zachowuje się jeszcze gorzej podczas spalania w jednej olbrzymiej komorze spalania z niekontrolowanym dostarczaniem powietrza do tych obszarów rozległego paleniska, gdzie aktualnie znajduje się paliwo gazowe (części lotne) lub stałe (węgiel drzewny). W takich warunkach ograniczenie emisji szkodliwych produktów niezupełnego i niecałkowitego spalania z całą gamą aerozoli wypełnionych kancerogennymi (rakotwórczymi) węglowodorami jest praktycznie niemożliwe. Z tych powodów Norwegowie wyeliminowali ze spalania w celach energetycznych nie tylko węgiel, lecz także drewno, a Anglicy zdefiniowali odpowiednie urządzenia do spalania odpowiednio przygotowanego drewna.

Jednak największą stratą, jaką powodujemy w środowisku spalając umowne drewno (biomasę drzewną i agro) w energetyce to trwałe wyeliminowanie z gleby substancji odżywczych, które zostały pobrane przez drzewa i rośliny w czasie ich wzrostu. Niestety ze względu na niekorzystne, opisane wyżej, warunki spalania biomasy w dużych kotłach energetycznych, popioły ze spalanej w nich biomasy są traktowane jako niebezpieczne (zawierają wiele substancji toksycznych powstałych w wyniku niekorzystnych warunków spalania) i muszą być składowane na specjalnie do tego celu przystosowanych składowiskach. O znacznych kosztach takich procedur (transport na składowiska ich przygotowanie i utrzymanie) lepiej nie wspominać. Jeśli do tego wszystkiego dodamy koszt transportu biomasy do elektrowni, a szczególnie policzymy emisję tylko CO2 ze spalania oleju napędowego przez ciężarówki wożące paliwo do i wywożące popioły z elektrowni oraz znacznie wyższy koszt jednostki energii zawartej w biomasie, to realny koszt wytworzenia 1 MWh prądu elektrycznego z węgla z uwzględnieniem opłaty za emisję CO2 (aktualnie ok. 30 euro z tonę) jest per saldo niższy niż ze spalania biomasy, a rzeczywiste (netto) zmniejszenie potencjalnie możliwego do osiągnięcia bilansu emisji CO2 znacznie zredukowane przez te wymienione wyżej dodatkowe emisje.

Czy powszechnie akceptowana do dzisiaj teza o zerowym bilansie emisji CO2 przy spalaniu biomasy jest więc prawdziwa? Trudno ją podważyć wprost. CO2 powstaje ze spalenia (reakcja łączenia pierwiastka C z tlenem (O2) najczęściej pobieranym z powietrza). Pierwiastek C w biomasie powstaje z CO2 zasymilowanego przez rośliny z powietrza w procesie fotosyntezy. To wszyscy znamy ze szkoły podstawowej. Jeśli więc proces spalania biomasy przeprowadzimy tak, że powstanie tylko CO2 i H2O to postawiona teza jest prawdziwa. Niestety powyższy opis wykazuje, że tak nie jest i dlatego podnoszą się coraz liczniej głosy o tym, że spalanie biomasy nie przyczyni się do ograniczenia emisji CO2 w takim stopniu, jaki się od tego procesu oczekuje.

Autor niniejszego tekstu jest także tego samego zdania. Wielokrotnie w różnych artykułach podawał uzasadnienie dla tego stwierdzenia. Nie można zatem zgodzić się z opinią profesora Tomasza Wesołowskiego z Uniwersytetu Wrocławskiego, cytuję: „…że mniej dwutlenku węgla produkujemy, paląc w elektrowni węglem kamiennym - niż gdy współspalamy drewno”. Jest to po prostu nieprawda.

Już bliższym prawdy jest profesor Bogdan Jaroszewicz z Uniwersytetu Warszawskiego, który wyjaśnia, że spalanie drewna nie działa na przyrodę tak, jak jego pozostawienie w lesie. Niestety proces tworzenia próchnicy jest procesem powolnym i towarzyszy mu emisja CO2 do atmosfery. Podobnie, lecz znacznie szybciej zachodzi proces rozkładu przyoranych resztek pożniwnych biomasy agro w glebie uprawnej, lecz przetwarzanie słomy w glebie w początkowym okresie zużywa azot, który przestaje być dostępny dla wzrostu roślin z nowych zasiewów. Dlatego też w tradycyjnej uprawie roli nigdy nie stosowano bezpośredniego przyorywania surowej słomy, lecz dopiero po wstępnym przetworzeniu jej w oborze do formy obornika. Co prawda drewno pozostawione w lesie na powierzchni ziemi ulega rozkładowi biologicznemu i pozostała po emisji CO2 do atmosfery, tu cytat z wypowiedzi prof. Jaroszewskiego; „…część węgla z drewna w swoje organizmy wbudowują np. grzyby. Stamtąd trafia do owadów i innych organizmów odżywiających się grzybami. Węgiel zostaje więc w ekosystemie bardzo długo”. Lecz czy na tyle długo, by być neutralnym dla atmosfery i środowiska, szczególnie gdy owady i grzyby obumrą i rozkładając się w procesie gnilnym wydzielą do atmosfery metan o ponad 90–krotnie silniejszym efekcie cieplarnianym? Wystarczy wizyta w krajach sub- i tropikalnych, by przekonać się, jak „korzystnie na środowisko” działa rozkład biologiczny biomasy różnego pochodzenia pozostawionej gdzie popadnie. O emisji CO2 z gleb uprawnych i niekontrolowanej emisji gazów cieplarnianych z rozkładu substancji organicznych w przyrodzie mówi się coraz głośniej. Dlatego też argument pozostawiania wszystkich resztek gospodarki leśnej w lesie nie jest zbyt mocnym argumentem przeciwko spalaniu drewna, szczególnie, gdy proces transmisji elementów próchnicy z drewna rozkładającego się na powierzchni ziemi do systemu korzeniowego rosnących drzew jest bardzo powolny (obserwacja puszczy), jeśli w ogóle znaczący.

Dobrym przykładem jest tu dżungla, bogata w bujną roślinność, pozbawiona praktycznie ingerencji człowieka, lecz o całkowicie jałowej glebie. Zauważyli to już Aztekowie, którzy z jałowej gleby dżungli potrafili utworzyć urodzajną glebę, która fascynuje dziś naukowców na całym świecie i nazywa się „terra preta” czyli „czarna ziemia” lub „terra preta do Indio”, czyli „czarna ziemia Indian” – bardzo żyzna gleba („tropikalny czarnoziem”), bogata w związki organiczne i próchnicę, pozostałość po prekolumbijskim rolnictwie w dorzeczu Amazonki.

Dzisiaj już wiemy, że tajemnicą tworzenia takiej gleby jest biowęgiel, produkt termicznego rozkładu biomasy w atmosferze pozbawionej tlenu. Indianie po wykarczowaniu dżungli pozostawiali ścięte drzewa i rośliny na miejscu, następnie je zwęglali nie dopuszczając do ich spalenia w wolnym procesie, który z angielskiego nazywany jest smolderingiem . Pozostałość stała, podobną do węgla drzewnego mieszano z gliną, resztkami pożywienia oraz odpadkami ryb i zwierząt z glebą, tworząc warstwę uprawnej gleby, która zachowała swe zachwycające cechy żyzności do dziś.

Dziś biowęgiel (z ang. biochar) stanowi najbardziej „gorący” temat publikacji naukowych oraz popularnonaukowych na całym świecie. Najbardziej znana firma Elsevier – zajmująca się analizą i udostępnianiem danych oraz informacji naukowej, a także jedno z największych światowych wydawnictw naukowych publikujących głównie książki i czasopisma naukowe z dziedziny nauk przyrodniczych, medycznych i ścisłych wydaje specjalistyczne czasopismo „Biochar”. Hasło „biochar in soil” to najczęściej wyszukiwane słowo kluczowe w internecie i to nie tylko w jego popularnej części.

Autor wraz z współpracownikami m.in. z Politechniki Częstochowskiej zajmuje się tą tematyką od prawie dwudziestu lat, skupiając swój wysiłek na opracowaniu i uruchomieniu w Polsce produkcji urządzeń i linii technologicznych dla termicznego przetwarzania biomasy do biowęgla. Podobne wysiłki podejmują liczne ośrodki naukowe i firmy na całym świecie. Jednocześnie z działaniami technicznymi w Katedrze Inżynierii Energii Politechniki Częstochowskiej prowadzimy badania wspólnie z kolegami z Instytutu Agrofizyki PAN w Lublinie, Uniwersytetu Przyrodniczego w Krakowie Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu nad pozytywnym wpływem dodatku biowęgla do gleby. Podobne badania prowadzi profesor Lidia Sas Paszt, na Wydziale Ogrodniczym Wyższej Szkoły Ekonomiczno-Humanistycznej im. Prof. Szczepana Pieniążka w Skierniewicach.

Dotychczasowe wysiłki badawcze doprowadziły do stwierdzenia niekwestionowanego, pozytywnego wpływu dodatku biowęgla do gleby, potwierdzając i wyjaśniając wszystko to, co udało się utworzyć Indianom przed tysiącami lat w dorzeczu Amazonki. Pozwoliły także uściślić to, co tak powierzchownie skwitował cytowany wyżej profesor Bogdan Jaroszewicz.

Otóż w 1996 roku Sara F. Wright, glebolog z Laboratorium ARS Sustainable Agricultural Systems w Beltsville w stanie Maryland, odkryła glomalinę i nazwała tę substancję imieniem Glomales, taksonomicznym porządkiem grzybów wytwarzających lepkie białko. Niedawno użyła magnetycznego rezonansu jądrowego, aby wykazać, że glomalina różni się strukturalnie od innych składników materii organicznej, co dowodzi, że jest to odrębna jednostka.

Grzyby żyją na większości korzeni roślin i wykorzystują węgiel roślin do produkcji glomaliny. Uważa się, że glomalina uszczelnia i zestala zewnętrzną część przypominających rurki włókien grzyba, które transportują wodę i składniki odżywcze do roślin.

W miarę wzrostu korzeni glomalina osiada w glebie, gdzie działa jak „super klej”, pomagając cząstkom piasku, mułu i gliny (terra preta) przyklejać się do siebie nawzajem oraz do materii organicznej, która ożywia glebę. To glomalina pomaga nadać glebie dobre wyczucie, ponieważ gładkie grudki sklejonych ze sobą cząstek i materii organicznej przepływają przez ręce doświadczonego ogrodnika lub rolnika.

Glomalina dawno zaginęła w próchnicy, materii organicznej często nazywanej „czarnym złotem”. Kiedy pojawił się w pomiarach próchnicy, uważano, że jest zanieczyszczeniem. Glomalina to nie tylko klej, który utrzymuje próchnicę w cząsteczkach gleby, ale w rzeczywistości robi wiele z tego, co przypisuje się próchnicy. Ponieważ w glebie jest o wiele więcej glomaliny niż kwasu humusowego, czyli frakcji próchnicy, którą można ekstrahować, glomalina przechowuje 27 procent całkowitego węgla w glebie, w porównaniu z ośmioma procentami przez kwas humusowy. Dostarcza także azot do gleby i nadaje jej strukturę niezbędną do zatrzymywania wody i prawidłowego napowietrzania, przemieszczania się korzeni roślin oraz odporności na erozję.

Arbuskularne Grzyby Mikoryzowe (AMF) są kluczowymi organizmami układu gleba-roślina i biorą udział w pobieraniu składników odżywczych i wody. AMF odgrywają również rolę w agregacji i strukturalnej stabilności gleby. Biowęgiel dodany do gleby w strefę korzeniową roślin będzie stanowił odpowiednie siedlisko dla wzrostu mikoryz, co jest również korzystne ze względu na urodzajność gleby. Wpływ połączenia biowęgla i mikoryz (Rys.1.) na wzrost roślin oceniano w wielu studiach przypadków .

Jednym z głównych wniosków było stwierdzenie, że samo zastosowanie biowęgla w ilości 40 Mg/ha wpłynęło na wzrost kukurydzy i owocowania drzew. Jednak inokulacja gatunkami biowęgla i mikoryz znacznie zwiększyła suchą masę pędów i korzeni lepiej niż samego biowęgla. Może to wynikać z faktu, że inokulum mikoryzowe aktywuje biowęgiel po dodaniu do ryzosfery, która jest bogatą pożywką dla innych pożytecznych organizmów glebowych. Chociaż związek między biowęglem, a kolonizacją mikoryzową nie jest jeszcze do końca jasny, efekt fizycznej ochrony strzępek przed grzybami może być ułatwiony w wyniku struktury porów biowęgla. Wyniki dostarczają również dowodów na konkurencję między poborem biowęgla i roślinnych składników odżywczych. Wobec powyższego, aby resztki drzew pozostawione w lesie i roślin pozostawione na polach uprawnych mogły być wykorzystane przez rośliny, powinny znaleźć się w strefie korzeniowej, a więc wymieszane z glebą tak jak robili to Indianie tworząc „Terra preta”. Aby zatrzymać proces mineralizacji próchnicy, najlepiej resztki drzew i roślin wprowadzić do gleby w formie biowęgla, który jest w dużym stopniu odporny na mineralizację i to kolejny atrybut biowegla, gdyż ze względu na swoją trwałość w glebie może być on rozliczany jako uniknięta emisja CO2, a proces wytwarzania biowegla i dozowania go do gleby jako proces naturalnej sekwestracji węgla poza atmosfera Ziemi (z ang. Carbon Capture and Storage - CCS), przynoszący dodatkowe benefity w wielu sferach - od środowiskowych, zdrowotnych, po ekonomiczne.

Po tak długim wprowadzeniu można wreszcie postawić pytanie jaki jest związek biowęgla z wytwarzaniem „zielonej” energii poprzez spalanie biomasy (także leśnej) i czy wytwarzanie biowęgla zapewnia produkcję energii bez emisji, a wręcz z ujemną emisją CO2. Odpowiedź jest prosta.

Przetwarzając termicznie biomasę do biowęgla spalamy tylko części lotne, a więc gaz tworzący się podczas termolizy biomasy pozostawiając stały produkt – biowęgiel. Organizacja procesu spalania tylko gazu jest znacznie prostsza technicznie i łatwiejsza w kontroli, tak jak np. spalanie gazu ziemnego. Po odpowiednim, stopniowym wymieszaniu gazów z biomasy z tlenem z powietrza spalanie jest czyste, nie wymagające kosztownych instalacji oczyszczania spalin ze spalania drewna. Tworzenie się związków kancerogennych jest ograniczone lub wręcz wyeliminowane. Przyjmując, że węgiel zawarty w biomasie rozdziela się równo pomiędzy gaz i biowęgiel, spalamy tylko jego połowę i emisja CO2 do atmosfery jest o 50 proc. niższa niż przy spalaniu całej biomasy. Ciepło wywiązane ze spalania gazów (części lotnych) wykorzystywane jest do podtrzymania temperatury procesu termolizy biomasy (400 – 500oC), który w znacznym stopniu jest egzotermiczn, a gorące spaliny (800 – 1100oC) wykorzystujemy do produkcji energii dokładnie tak, jak w obiegach elektrowni, gdzie teraz biomasa jest z takim trudem spalana. Powierzchnie ogrzewalne kotłów odbierających ciepło od spalin z procesu wytwarzania biowęgla są czyste, gdyż popiół (cenna substancja mineralna) osadzający się na nich zostaje uwięziony w biowęglu. Jeśli tak wytworzony biowęgiel dodamy do gleby, wszystkie te cenne substancje z powrotem do gleby powrócą i będą wykorzystane w procesie wzrostu kolejnych pokoleń drzew i roślin zasilając rozwijające się w porach biowęgla mikoryzmy. Do tego pozostała część (50 proc.) pierwiastka C zawartego w biomasie nie zostanie, jak określił to prof. Jaroszewicz, tu cytat „ A gdy wrzucamy kłodę do pieca, cały węgiel z kłody mamy w atmosferze".

Wytwarzając biowęgiel produkujemy zieloną energię i do tego deponując stały produkt w glebie, poprawiamy jej żyzność, uzyskując więcej użytecznej biomasy (szybszy wzrost drzew, roślin, zbóż obfitsze i zdrowsze warzywa i owoce uprawiane bez dodatku nawozów sztucznych!) a tym samym większe wchłanianie CO2 z atmosfery. Wykazano, że wytwarzanie biowęgla i energii elektrycznej przy zdeponowanie biowęgla w glebie obniża emisję CO2 do atmosfery o 20 proc. w porównaniu z jej spalaniem w elektrowni. Dodatkowo instalacje wytwarzania biowęgla można rozmieścić w terenie, tam gdzie odpadowa biomasa jest wytwarzana (także w lesie) w ten sposób wyeliminujemy dodatkową emisję CO2 z transportu biomasy, a transport i koszt deponowania popiołów z biomasy będą wyeliminowane.

Jedno co jest zadziwiające w warunkach naszego kraju to to, że mimo propagowania technologii biowęgla i jej niewątpliwych pozytywnych atrybutów, w dalszym ciągu szukamy technologii spalania biomasy, by po raz kolejny narazić się wzorem nieudanych inwestycji np. w ciepłownictwie na kłopoty i straty, zamiast wzorem innych krajów podejmować wyzwania stosowania nowoczesnych, przyjaznych środowisku technologii prowadzących do wytwarzania energii z rzeczywiście obniżoną emisją CO2. Wytwarzanie energii z biomasy może znacząco obniżyć emisję CO2 pod warunkiem, że wyeliminujemy procesy spalania jej na dużą skalę w elektrowniach i ciepłowniach, bo biomasa bez najmniejszych wątpliwości jest neutralna jeśli chodzi o bilans węgla w atmosferze.

Autor: prof. dr hab. inż. Zbigniew Bis, Politechnika Częstochowska