Źródła naukowe, zajmujące się analizą globalnego bilansu węgla w przyrodzie donoszą, że mamy do czynienia z ogromnym niezbilansowaniem pomiędzy emisją C do atmosfery a jego przyswajaniem przez wszystkie możliwe źródła na ziemi, co prowadzi do nieustannego wzrostu stężenia CO2, jako ekwiwalentu C w atmosferze z szybkością rzędu 4,1x109 Mg/rok.

Taka skala dysproporcji w emisji i pochłanianiu węgla winna skłaniać decydentów do nadania najwyższego priorytetu pracom nad rozwojem nowych metod przechowywania pierwiastka C w stabilnej formie poza atmosferą Ziemi w długim okresie czasu, innych niż tradycyjne CCS. 

Ta ostatnia opcja ze względu na wysokie koszty zarówno inwestycyjne jak i  eksploatacyjne (znaczna redukcja sprawności produkcji energii elektrycznej) oraz brak dostatecznie sprawdzonych technologii jej realizacji, może jeszcze długo kazać nam czekać na ograniczenie tempa wzrostu stężenia C w  atmosferze. 

Rozważając te kwestie należy brać pod uwagę aktualną sytuację demograficzną, gospodarczą oraz finansową świata, szczególnie po ostatnim kryzysie z 2008 roku. Problemu zaopatrzenia ludności świata w  energię nie rozwiążemy poprzez fotowoltaikę, wiatraki, czy spalanie i/lub zgazowanie biomasy. Przy tym nie należy zapominać o konieczności wzrostu produkcji żywności oraz ograniczenia tempa „stepowienia” znacznych obszarów dotychczas wykorzystywanych rolniczo. Już dawno obliczono, że gdyby powierzchnię uprawną Stanów Zjednoczonych obsiać kukurydzą – to uzyskane z niej biopaliwa nie wystarczyłyby do napędu samochodów używanych aktualnie w  tym kraju. 

Ostatecznie idea zrównoważonego rozwoju powinna dać społeczności świata alternatywę innej, niż poprzez wysokie koszty, metody ograniczenia emisji węgla do atmosfery. W tym kontekście warto zwrócić uwagę na intensywnie rozwijaną od dłuższego czasu na świecie inicjatywę sekwestracji CO2 w ziemi, wykorzystującą do tego celu biowęgiel. 

Szeroko zakrojonym działaniom w tym zakresie patronuje IBI (International Biochar Initiative). IBI jest organizacją typu non-profit, wspierającą naukowców, polityków, rolników, ogrodników oraz wytwórców i twórców technologii, pracujących nad zrównoważonym wytwarzaniem i stosowaniem biowęgla.

Biowęgiel - historia i przyszłość

Biowęgiel jest materiałem podobnym do powszechnie znanego węgla drzewnego, otrzymywanym w procesie termolizy (proces podobny do suchej destylacji) biomasy różnego pochodzenia. Biowęgiel nie tylko ma ujednorodniony skład chemiczny względem wyjściowego surowca, lecz przede wszystkim posiada mocno rozwiniętą wewnętrzną strukturę porów. 

Oprócz znanych powszechnie właściwości i zastosowań węgla drzewnego, biowęgiel na dużą skalę wykorzystywany jest w energetyce (niestety nie w Polsce, gdyż nasze przepisy na to nie zezwalają) jako paliwo odnawialne, a  ostatnio rozpatrywany jest jako potencjalnie znaczące źródło długookresowego przechowywania pierwiastka C w celu ograniczenia emisji gazów cieplarnianych. Zainteresowanie biowęglem jako źródłem sekwestracji CO2 pochodzi ze studiów ziemi z  okolic Amazonki w efekcie których wykryto występowanie w wielu miejscach tzw. terra preta do Indio – czarnej ziemi Indian.

Jest to gleba, która najprawdopodobniej powstawała dzięki celowym i systematycznym wysiłkom człowieka. Jej właściwości mocno kontrastują z właściwościami pozostałych, ubogich gleb amazońskich – jest bardzo żyzna, zdolna długo zachowywać swoje pozytywne cechy. Mimo, że została stworzona przez ludzi zamieszkujących dorzecze Amazonki być może nawet 2500 lat temu, ciągle pokrywa znaczącą jego część – być może nawet do 10%. 

Ocenia się, że gleba ta jest w stanie zachowywać swoje pozytywne właściwości nawet przez kilkaset lat, ponieważ jeszcze teraz obszary pokryte terra preta zdolne są dawać nadzwyczajne plony. Indianie dodawali do gleby, prawdopodobnie w dłuższych okresach czasu, fragmenty glinianych naczyń, błoto, szczątki ryb i zwierząt, a przede wszystkim węgiel drzewny pochodzący ze zwęglonych drzew. Powstawała gliniasta mieszanka posiadająca dobre właściwości sorpcyjne i  stanowiąca dobre środowisko dla życia i rozwoju licznych mikroorganizmów dodatkowo wzmacniających jej żyzność. Ich aktywność polegała m.in. na rozdrabnianiu kawałków węgla, dzięki czemu wzrastała powierzchnia sorpcyjna gleby. 

Plemię Indian Kayapo, żyjące w Brazylii, w dorzeczu górnej Amazonki, współcześnie kontynuuje tworzenie gleby podobnej do terra preta, nazywanej przez nich terra mulata. Według opisów badaczy, którzy spędzili sporo czasu na badaniu życia i zwyczajów tego plemienia, tworzenie tego rodzaju ziemi uprawnej polega na permanentnym, powolnym wypalaniu, a raczej wytlewaniu roślinności i drzew bez widocznego ognia (z ang. smoldering). 

Mimo że prace nad precyzyjnym zidentyfikowaniem mikroorganizmów wchodzących w  skład terra preta są dopiero prowadzone, wiąże się z nią wiele możliwości. Jedną z nich jest przywrócenie bardziej zrównoważonych niż do tej pory sposobów prowadzenia agrokultur na terenie Amazonii i dzięki temu zahamowanie wyrębu lasów deszczowych. Karczowanie lasów tropikalnych pod uprawy wprowadzili w Amazonii Hiszpanie, a obecnie kontynuują specjaliści od upraw palmy olejowca, którego owoce są masowo wykorzystywane do produkcji biopaliw. 

Ze względu na nadzwyczajną żyzność „czarnej ziemi” powstającej wskutek wzbogacania struktury gleb za pomocą węgla, rozważa się także, na ile ich zastosowanie może przyczynić się do zminimalizowania światowego głodu. Ponieważ główny składnik terra preta stanowi węgiel, jak już wcześniej podkreślono, wprowadzenie opartych na niej agrokultur na szerszą skalę może w znaczący sposób przyczynić się do powstrzymania efektu cieplarnianego – poprzez sekwestrację CO2 w glebie. Okazuje się, że prekolumbijski model prowadzenia agrokultury, organizacji społeczności i relacji pomiędzy człowiekiem a jego środowiskiem może służyć utrzymaniu bioróżnorodności i powstrzymaniu degradacji środowiska naturalnego, a także wspomóc wysiłki na rzecz ograniczenia skutków innych globalnych zagrożeń współczesności, których reperkusje mogą być w przyszłości trudne do zniwelowania. 

W  rezultacie na świecie podejmowane są liczne projekty angażujące nie tylko społeczności akademickie, ale także przedsiębiorców, organizacje pozarządowe i  społeczności lokalne. Powstaje duża liczba specjalistycznych publikacji naukowych dotyczących zwłaszcza wybranych aspektów możliwych zastosowań bazowego składnika terra preta: węgla drzewnego, czy też jego odpowiednika produkowanego współcześnie dzięki termolizie biomasy – biowęgla.

Liczne badania wykazały, że ziemia zawierająca pierwiastek C jest znakomitą glebą uprawną. Ostatnie badania nad zastosowaniem biowęgla w glebie (Lehmann 2004), wykazały następujące pozytywne efekty: 

 Biowegiel zwiększa nawożenie gleby na dwa sposoby. Pierwszy sposób polega na poprawie potencjału wymiany kationowej w efekcie którego rośliny mogą łatwiej przyswajać nawozy. Drugi sposób wynika z ograniczonego wymywania nawozów zgromadzonych w glebie (w porach biowęgla) przez opady, co w połączeniu z pierwszym sposobem zwiększa stopień wykorzystania nawozów przez rośliny. Zwiększona, wskutek dodania porowatego biowęgla, zdolność gleby do zatrzymywania dawki nawozów w rejonie korzeni roślin w wielu przypadkach może ograniczyć wymywanie azotu do rzek i zbiorników wodnych, co jest poważnym problemem towarzyszącym intensywnym uprawom. 

 Porowata struktura biowęgla stwarza znakomite warunki dla życia i rozmnażania się mikroorganizmów w ziemi, poprzez co biowęgiel dodany do zdegradowanej ziemi może ją rekultywować,
 Biowęgiel poprawia retencją wody w glebie,
 Biowęgiel zwiększa pH gleby (neutralizuje jej kwasowość),
 Biowegiel znacząco redukuje wydzielanie CH4 oraz N2O z gleby (oba gazy traktowane jako gazy cieplarniane o znacznie większym potencjale niż CO2), pochodzących z  naturalnych procesów gnilnych.

Sekwestracja węgla kontra produkcja energii z biomasy

Do celów energetycznych stosowana jest głównie biomasa odpadowa. Nowe zasoby biomasy pozyskiwane z upraw roślin energetycznych mają większy potencjał energetyczny, ale są droższe. W przeciwieństwie do systemów przetwarzających energie słońca, wiatru i  hydro, nowoczesne systemy przetwarzania energii biomasy mogą być umieszczane w  miejscach gdzie faktycznie hoduje się rośliny i zwierzęta. Ta jedna z najważniejszych cech energii biomasy wyróżnia się spośród innych systemów energii odnawialnej również tym, że stwarza warunki prawdziwego zrównoważonego rozwoju regionów. 
Spośród wszystkich źródeł energii odnawialnej, biomasa jest jedynym źródłem energii, które może być użyty bez jakiegokolwiek systemu magazynowania energii. Wykorzystanie biomasy może realnie pomóc zmniejszyć globalny efekt cieplarniany w porównaniu z elektrowniami spalającymi paliwa kopalne. Rośliny używają i akumulują CO2 gdy rosną. CO2 zmagazynowane w  roślinach wydzielane jest wtedy, gdy rośliny są spalane lub rozkładają się (gniją). Nowe rośliny uprawiane na miejscu wcześniej zebranych mogą pochłaniać CO2 wydzielone podczas spalania ich poprzedników. 

Taki sposób energetycznego użytkowania biomasy, połączonego z jej odtwarzaniem poprzez nowe uprawy, pomaga zamykać cykl CO2 w przyrodzie. Jeżeli zbiory nie są odnawiane przez kolejne cykle upraw, lub gdy biomasa z tych upraw wywożona jest do odległych elektrowni, wtedy spalana biomasa wyemituje dwutlenek węgla, który przyczyni się do wzrostu globalnego ocieplenia tak samo jak ten pochodzący ze spalania paliw kopalnych. 

Technologie wykorzystania i koszty produkcji energii elektrycznej i ciepła z biomasy zależą od jakości surowców, kosztów transportu, dostępności oraz wielkości siłowni. Niewątpliwie kluczowym jest również rozwiązanie konstrukcyjne układu przetwarzania biomasy. Należy oczekiwać, że w tym zakresie układy kogeneracyjne lub lepiej poligeneracyjne (produkcja biowęgla, ciepła i  elektryczności) będą skupiały największą uwagę inwestorów.

Z całą pewnością w perspektywie ograniczenia lub wyeliminowania finansowego wsparcia produkcji „zielonej energii”, dążenie do zwiększania stopnia wykorzystania biomasy będzie stymulowało rozwój i  poszukiwanie nowych rozwiązań układów energetycznej konwersji energii chemicznej biomasy. W szczególności rozwijane powinny być układy skojarzone cechujące się większą doskonałością termodynamiczną, bo to stwarza podstawy dla osiągnięcia efektywności ekonomicznej. Ponadto technologie przetwarzania biomasy winny brać pod uwagę co najmniej dwa fakty. Po pierwsze istnieją fizyczne (szczególnie wilgotność) i chemiczne (skład chemiczny) ograniczenia w termicznym przekształcaniu biomasy, po drugie układy te są często stosowane jako małe, lokalne (rozproszone) źródła energii, dlatego też powinny one cechować się prostą konstrukcją i łatwą obsługą podczas eksploatacji. Dzięki energetyce rozproszonej unika się kosztownego transportu biomasy na duże odległości, który jest niezbędny w przypadku wykorzystywania dużych instalacji energetycznych. Z tego względu w wielu krajach Europy, w tym i w Polsce obserwuje się rozwój instalacji kogeneracyjnych małej mocy. 

Biorąc pod uwagę aktualny stan rozwoju małych instalacji kogeneracyjnych w  zakresie wykorzystania energii biomasy do skojarzonego wytwarzania ciepła i  elektryczności występuje luka technologiczna, którą łatwo mogą wypełnić układy poligeneracyjne, autotermicznie przetwarzające biomasę do biowęgla, a  nadwyżka entalpii wysokotemperaturowych gazów spalinowych z procesu uwęglania może łatwo być wykorzystana do produkcji energii elektrycznej i ciepła użytecznego. Do realizacji takiego układu można wykorzystać obieg parowy Rankine’a oparty o tłokowe silniki parowe, które ostatnio przeżywają renesans zainteresowania.
W większości biomasy uprawowej i leśnej zawartość pierwiastka węgla C wynosi 45-50% (w stanie suchym). W nowoczesnych, autotermicznych instalacjach uwęglania biomasy wykorzystujących proces termolizy, ze strumienia suchej biomasy można uzyskać od 30-60% biowęgla oraz zachować w nim ok. 50% C zawartego w strumieniu wejściowej biomasy.

Sekwestracja CO2 z wykorzystaniem biowęgla w liczbach 

Rozważania nad realnością zastosowania biowęgla dla sekwestracji CO2 muszą być poparte „twardymi” argumentami, które trafią do rolników i innych producentów, którzy zechcieliby być zaangażowani w ten proces. Jednym z istotnych argumentów może być chęć utrzymania lub poprawy produktywności gleby, lecz trudno mu będzie wygrać z pokusą pozyskania znacznych środków pieniężnych ze sprzedaży biomasy do dużych elektrowni, które uzyskują dopłaty z  tytułu produkcji ”zielonej energii”. Lecz dopłaty te kiedyś się skończą, a trwała sekwestracja biowęgla w ziemi może przynieść kilka znaczących strumieni wartości, a mianowicie: 

1. Płatności za certyfikaty unikniętej emisji CO2 zgodnie z Protokołem z Kioto, lub z  rynku handlu emisjami. Po ustabilizowaniu aktualnego rynku, w przyszłości płatność ta winna odzwierciedlać społeczne koszty zmian klimatu, które powinny zależeć od położenia geograficznego. Pierwsze przybliżenia wykonane dla Anglii pokazały, że koszt ten winien wynosić 100 euro/Mg C. Niezależnie od miejsca i skali realizacji, sekwestracja CO2 w formie biowęgla deponowanego w glebie winna osiągać najwyższą cenę ze względu na możliwość permanentnego prowadzenia tego procesu przez długie lata oraz prostą i tanią jego weryfikację. Wszystkie formy sekwestracji winny być weryfikowane aby zapobiec oszustwu i niekompetencji przy jej ilościowym rozliczaniu oraz wyeliminować wielokrotne rozliczania tych samych ilości zdeponowanego CO2.

2. Oszczędności pochodzące z wyeliminowania kosztów związanych z transportem, składowaniem i przygotowaniem biomasy do przetwarzania. Biowęgiel może być wytwarzany i sekwestrowany lokalnie, tam gdzie rośnie biomasa, poprzez rozprowadzanie go w sąsiadujących gruntach, lub najlepiej w gruntach z których zebrano biomasę w celu wyprodukowania biowęgla. Nawet przetransportowanie go na odległość będzie zawsze tańsze od przewożenia biomasy, gdyż jest on bardziej zagęszczony. Dla poprawy efektu agrotechnicznego, biowęgiel przed umieszczeniem w ziemi winien być zmieszany z nawozami lub kompostem.

3. Kolejny zysk będzie zależny od zastosowanej technologii produkcji biowegla, umożliwiającej bądź zagospodarowanie dodatkowych strumieni produktów chemicznych (gazy palne, smoła, wodór, kwas octowy itp.), lub produkcję eklektyczności i ciepła użytecznego.

4. Pozostałe zyski będą zależały od tego jak dużo rolniczych korzyści przyniesie sekwestracja C w  formie biowęgla. Zasadnicze z nich zostały wymienione w  poprzednim rozdziale.

W Polsce mamy jeż pierwsze udane przemysłowe doświadczenia w produkcji biowęgla. Produkcją tą zajmuje się firma FLUID z Sędziszowa. W wyniku licznych prób przeprowadzonych w KIE PCz [4,5] ustalono, że zawartość pierwiastka węgla w biowęglu zależy od źródła jego pozyskiwania i  zmienia się w  zakresie 61-82%. Najwyższa zawartość C występuje w biowęglu pochodzącym z biomasy drzewnej, najniższe wartości cechują biowęgiel pochodzący agrobiomasy. Bazując na tych danych około 0.61-0.82 Mg pierwiastka C (co odpowiada 2,2 – 3Mg CO2) może być trwale sekwestrowane przez każdą tonę biowęgla zdeponowanego w  ziemi. W USA (Lehmann 2004), oszacowano, że optymalną, roczną dawką biowęgla do gleby w celu podwyższenia jej produktywności jest ok. 76 Mg/ha, co daje sekwestrację ok. 224 Mg CO2/ha. 

W ogólnej powierzchni Polski wynoszącej 31,3 mln ha, powierzchnia użytków rolnych wynosi 16,2 mln ha, stanowiąc 51,7%% ogólnej powierzchni kraju. Powierzchnia gruntów ornych będących w dobrej kulturze wynosiła w roku 2008 12,1 mln ha i stanowiła 74,9% ogólnej powierzchni użytków rolnych. W porównaniu do roku 2007 powierzchnia gruntów utrzymywanych w dobrej kulturze rolnej wzrosła o około 200 tys. ha. Jakość użytków w  Polsce jest niska, niższa niż średnio w UE. Duży udział gleb słabych i zakwaszonych zmniejsza rolniczą przydatność użytków rolnych. Udział gleb lekkich, charakteryzujących się w Polsce wysoką piaszczystością, jest w Polsce dwukrotnie większy niż średnio w UE; w  Polsce wynosi 60,8%, a w UE – 31,8%.

Biorąc pod uwagę całkowitą powierzchnię użytków rolnych, oraz dane z USA, potencjał sekwestracji CO2 w  postaci biowęgla bezpośrednio zdeponowanego w ziemi dla Polski wynosi 3,6 mld Mg CO2 . Należy zauważyć, że aktualna emisja CO2 ze wszystkich źródeł wytwarzania energii Polsce oceniana jest na poziomie 0,45 mld Mg rocznie, natomiast z  dużych bloków, które w pierwszej kolejności zmuszane będą do ograniczenia emisji CO2, na ok. 0,15 mld Mg rocznie, co stanowi nieco ponad 4% potencjału sekwestracji w gruntach uprawnych.

Ale to nie koniec możliwości sekwestracji tą metodą. Kolejna pozycja wynika z zastosowania biowęgla w  celu wyeliminowania wapna dodawanego do gleby dla poprawy wskaźnika pH. Zastępując wapno biowęglem unikamy emisji CO2 powstałej w efekcie rozpadu CaCO3 i  według szacunków może to wyeliminować emisje ok. 1,4 Mg CO2/ha. Dalej, produkcji biowęgla w  instalacji firmy FLUID towarzyszy produkcja ciepła, którego ilość zależy od rodzaju a przede wszystkim wilgotności biomasy. Średnio można przyjąć, że produkując 1Mg biowęgla, można uzyskać ok. 10 GJ ciepła w postaci spalin o temperaturze ok. 850 – 900 oC. 

Wykorzystując je do produkcji energii elektrycznej możemy pozyskać ok. 0,6 MWhe/Mg biowęgla. Energia elektryczna wyprodukowana przy produkcji biowęgla jest odnawialna, a  więc zastąpi równoważny ekwiwalent energii elektrycznej wyprodukowanej z węgla. W  Polsce największym podmiotem, który jest zainteresowany budową instalacji CCS, jest Polska Grupa Energetyczna (PGE). Podmiot ten posiada 42% udziału w rynku wytwarzania energii elektrycznej, jest w  posiadaniu 14 elektrowni i  elektrociepłowni, w tym największej na świecie elektrowni opalanej węglem brunatnym – która jednocześnie jest największym emiterem CO2. PGE emituje rocznie około 56 mln Mg CO2, aktualna emisyjność wynosi 1,06 Mg CO2/MWhe. W strukturze paliwowej dominuje węgiel brunatny (67%) oraz kamienny (27%). 

Zakładając, że energia elektryczna pozyskana z produkcji biowęgla zastąpi energię produkowaną w PGE, uniknięta emisja CO2 wyniesie nieco ponad 0,63 Mg CO2/Mg biowęgla. W  przeliczeniu na hektar da to dodatkową sekwestracje w ilości prawie 48 Mg CO2/ha. W sumie zdeponowanie 76 Mg biowęgla w 1 ha ziemi uprawnej daje możliwość sekwestracji ponad 273 Mg CO2. Dla sekwestracji całkowitej ilości CO2 emitowanego z  dużych bloków w Polsce należałoby przeznaczyć 0,55 mln ha ziemi uprawnej i  wyprodukować prawie 42 mln Mg biowęgla rocznie. Do produkcji takiej ilości biowęgla należałoby zużyć ponad 120 mln Mg biomasy surowej (w odniesieniu do stanu suchego).

Jeśli wyprodukowany w ten sposób biowęgiel zmieszamy w proporcji 1:1 z wodorowęglanem amonu (NH4HCO3) pozyskiwanym w procesie kontaktowania wodnego roztworu amoniaku NH3H2O ze spalinami pochodzącymi ze spalania węgla, otrzymamy dodatkowy efekt sekwestracji CO2 w ilości 0,56 Mg CO2/Mg biowęgla. Z technicznego punktu widzenia proces wiązania CO2 przez wodny roztwór amoniaku najlepiej przeprowadzić w obecności ziaren biowęgla, bo wtedy tworzący się wodorowęglan amonu osadzi się bezpośrednio na jego mocno rozwiniętej powierzchni wewnętrznej. W ten sposób w 1 ha ziemi możliwe będzie zdeponowanie ponad 315 Mg CO2 co spowoduje zmniejszenie wymaganego areału ziemi uprawnej przeznaczonego dla całkowitej sekwestracji CO2 z dużych bloków energetycznych do 0.47 mln ha ziemi rocznie. 

Czy sekwestracja CO2 z wykorzystaniem biowęgla ma sens?

Biorąc pod uwagę przedstawione powyżej rozważania, odpowiedź nasuwa się sama. Na pewno jest to metoda którą warto poważnie rozważyć, przeanalizować oraz przebadać w  warunkach naszego kraju, korzystając ze zdobytych już doświadczeń w innych krajach. 

W tym miejscu warto zaznaczyć, że plany Unii Europejskiej w zakresie ograniczenia emisji CO2 na razie sięgają do 2035 roku i nie wymagają tak drastycznego ograniczenia emisji CO2, jaki wzięto pod uwagę w poprzednim rozdziale. Jest więc wystarczająco dużo czasu na podjęcie systematycznych działań nad oceną realnego potencjału sekwestracji CO2 poprzez deponowanie biowęgla „nasyconego” odpowiednimi nawozami w glebie. Podjęcie takiego wyzwania przez polską naukę nie niesie w sobie żadnego ryzyka niepowodzenia, gdyż jeśli nie doprowadzi do pomyślnego efektu legislacyjnego, to przynajmniej da podstawy rozwoju ekologicznego rolnictwa, tak jak to udowodniono już wiele tysięcy lat temu. W ten sposób węgiel będzie dalej hołubionym dzieckiem nie tylko Europy.

Sprawdź ceny kontraktów terminowych