Bis: Energetyka węglowa z CCS i jak to zrobić w warunkach Polski (ANALIZA)

9 marca 2022, 11:00 Energetyka

Krach na rynku certyfikatów CO2 to oddech dla rodzimego rynku energetycznego zarówno dużych elektrowni systemowych, jak i mniejszego brata – elektrociepłowni i ciepłowni – a co najważniejsze to nadzieja dla odbiorców na zmniejszenie rachunków za prąd i może spadek tempa wzrostu inflacji. Cena świadectw zatrzymała się na poziomie 65 euro za tonę CO2. Ekonomiści zaczną szybko liczyć i oby nie okazało się, że efekt zmniejszenia kosztu emisji CO2 zostanie „zjedzony” przez wzrost cen surowców energetycznych, w tym węgla, który nadal w Polsce decyduje o bezpiecznym wytwarzaniu użytecznej energii – pisze prof. dr hab. inż. Zbigniew Bis z Politechniki Częstochowskiej.

W chwili pisania tego artykułu cena z 95 euro/Mg (z dnia 23.02) spadła do 62 euro za Mg (w dniu 2.03.). Wszyscy niespokojnie będziemy śledzić notowania w najbliższych dniach z pytaniem czy aby to trwała tendencja, czy też chwilowe „tąpniecie”, których (niestety w kierunku przedziwnym – wzrostu) w ostatnich dniach było aż nadto na giełdach, walutach, surowcach w tym węglu, gazie i ropie. Niestety aktualnie cena świadectw zatrzymała się na poziomie 65 euro za tonę CO2. Ekonomiści zaczną szybko liczyć i oby nie okazało się, że efekt zmniejszenia kosztu emisji CO2 zostanie „zjedzony” przez wzrost cen surowców energetycznych w tym węgla, który nadal w Polsce decyduje o bezpiecznym wytwarzaniu użytecznej energii (elektryczności i ciepła). Obserwując giełdę, która podobno dyskontuje przyszłość, ceny akcji JSW, LWB (Bogdanki)w ostatnich dniach notują nawet 30-procentowe wzrosty. Węgiel przestał brudzić.

Skokowy spadek cen CO2 i postępujący wzrost cen surowców to niewątpliwie efekt wojny na Ukrainie i sankcji zachodu i niewykluczone, że rację mają ekonomiści banku Pekao wieszcząc, że „Wiara w szybką transformacje energetyczna w UE została mocno zachwiana …”. W obecnej, dalekiej od stabilizacji i niepewnej sytuacji, przewidywania co się wydarzy można szukać np. w wizjach Krzysztofa Jackowskiego..
Ale spróbujmy być realistami i mimo wszystko spojrzeć w przyszłość po to by poszukać rozwiązań problemów środowiskowych i klimatycznych, których znaczenie nie znikło z chwilą wkroczenia Rosjan na Ukrainę. Smog nie przestał truć z dniem 24 lutego a wiatr (jakby przerażony tym co w tych dniach dzieje na wschodzie) przestał wiać. Mimo skupionej uwagi na przerażających doniesieniach mediów pokazujących okrucieństwo wojny, wszyscy zapewne mamy jeszcze w pamięci obrazy zerwanych dachów i rozpaczy ludzi, którzy stracili w jednej chwili dorobek życia. Osobiście nie pamiętam, a ukończyłem już 70 lat, by w lutym, kiedyś najzimniejszym miesiącu roku z bogatą pokrywą śniegu tak długo wiały tak silne i niszczące wiatry przy plusowych temperaturach. Do trąb powietrznych i zlewnych deszczy w miesiącach letnich już chyba przywykliśmy. To niewątpliwe skutki efektu cieplarnianego. Należy oczekiwać, że ilość gazów emitowanych codziennie na Ukrainie niestety przyczyni się do postępu także tego efektu. Nie możemy zaprzepaścić dotychczasowego dorobku świata w rozwoju niskoemisyjnych źródeł energii choćby z powodu wyczerpujących się konwencjonalnych źródeł (węgla, gazu i ropy naftowej). Nie zatrzymamy postępu technicznego, innowacyjności i dalszego rozwoju firm zajmujących się budową wiatraków, paneli fotowoltaicznych, magazynów energii, super kondensatorów, elektrolizerów itp. Możemy spekulować, podobnie jak wspomniani wyżej ekonomiści Pekao, jak obecna sytuacja geopolityczna wpłynie na tempo rozwoju tych technologii, lecz odwrotu od nich niema choćby z powodu systematycznego sczerpywania się, skończonych zasobów paliw kopalnych.

Swego rodzaju potwierdzeniem tej tezy jest choćby ostatnie, świeże orędzie Prezydenta Joe Bidena o stanie państwa i w dużej części powtórzone (w dniu 2.03) w Wisconsin w którym Prezydent mówiąc o planach rozwoju USA nadmienił m.in. o budowie olbrzymiej liczby nowych stacji ładowania samochodów elektrycznych by przeciwdziałać zmianom klimatu.

Na naszym podwórku też mamy wyraźne, choć spóźnione, sygnały oczekiwanych zmian. W tych dniach Komitet Rady Ministrów przedłożył do zaakceptowania utworzenie NABE – Narodowej Agencji Bezpieczeństwa Energetycznego,która miałaby skupić wydzielone ze spółek energetycznych z udziałem Skarbu Państwa węglowych aktywów wytwórczych (w sumie 70 bloków węglowych o potencjale ok. 23GW) i włączenie ich do jednej spółki – molocha, choć nie węglowego monopolisty. Związki zawodowe protestują obawiając się, że to będzie „umieralnia” węglowych bloków i powiązanych z nimi kopalni nie mówiąc już o obawach o zarządzanie tak wielkim molochem (ma je przejąć PGE). Należy pamiętać, że rządowy program likwidacji kopalń do 2049 roku nie został jeszcze (na szczęście) zatwierdzony przez Unię Europejską a ze względu na skalę zmian związanych z powołaniem NABE tu też będzie potrzebna zgoda UE.W aktualnej sytuacji niewątpliwie należy zatrzymać proces likwidacji kopalń, gdyż niezależnie od rozwoju sytuacji na wschodzie trudno liczyć na przywrócenie relacji z Rosją. Należy przyznać rację Jerzemu Markowskiemu, byłemu posłowi i wiceministrowi gospodarki, który w rozmowie z portalem WNP.PL ocenia: „Nie można zakładać iluzorycznie, że w ciągu 4-5 lat zbudujemy energetykę alternatywną, bezwęglową. To jest nierealne nawet w perspektywie 20 lat”. Natomiast Bogusław Ziętek, szef Sierpnia 80, uważa, że Polska powinna zwiększyć produkcję węgla, by dostarczać go do państw UE, które zrezygnują z jego zakupu z Rosji.

Niewątpliwie Unia Europejska, a szczególnie Niemcy muszą poważnie zrewidować swoją politykę energetyczną. Forsowana, bez realnej oceny ostatnio boleśnie zmaterializowanych zagrożeń ze strony Rosji, polityka „wpychania” Europy w „śmiertelny i zimny” uścisk Putina, zmusi nas wszystkich do ponoszenia nadmiernych kosztów obosiecznych skutków sankcji nakładanych na Rosję i Białoruś. Niewątpliwie swoje dołoży inflacja, która raczej nasili się choćby z powodu rosnących cen paliw i energii a wpływu nieodtworzonych jeszcze w pełni łańcuchach dostaw trudno przecenić. Tak czy inaczej czeka nas czas zaciskania pasa i oglądania przysłowiowej złotówki ze wszystkich stron przed jej wydaniem.

Pierwsze symptomy zmian polityki UE już się pojawiają. W czwartek (3.03) w wypowiedzi dla programu BBC Radio 4 Today, Frank Timmermans, odpowiedzialny za Zielony Ład w UE stwierdził: „Kraje planujące spalanie węgla jako alternatywy dla rosyjskiego gazu, mogą to robić zgodnie z celami klimatycznymi UE”. Odnosząc się m.in. do Polski skwitował, że jeśli kraje, które odchodząc od węgla tymczasowo planowały wykorzystanie gazu ziemnego a następnie przejście na OZE, powiedział „Jeśli pozostaną dłużej przy węglu a następnie natychmiast przejdą na źródła odnawialne, może nadal mieścić się w parametrach, jakie ustaliliśmy dla naszej polityki klimatycznej” – cytat. Mimo ocieplania klimatu werbalnego wokół węgla, trudno dostrzec w tej wypowiedzi, że możemy liczyć na zwrot i zwieszenie systemu ETS. Dlatego też głos prof. Mielczarskiego, opublikowany w styczniu 2022 roku w [2] o wstrzymaniu bądź zamrożeniu cen świadectw CO2 może liczyć, w świetle powyższych wypowiedzi na uwzględnienie jedynie poprzez rynek handlu uprawnieniami. W przeszłości znane są efekty prób ręcznego sterowania procesami gospodarczymi.

Do wcześniejszych tez, a szczególnie wypowiedzi komisarza Timmermansa dobrze pasuje wypowiedź Petera Garnry [5], dyrektora ds. strategii rynków akcji w Saxo Banku. Stwierdza on, że ze wszystkich wariantów, w tym węgla, energii jądrowej, słonecznej i wiatrowej, węgiel energetyczny jest zdecydowanie najszybszym sposobem na odejście elektrowni od gazu. Przestawienie się z gazu na węgiel wiąże się jednak z kosztami dla środowiska i naszej europejskiej narracji dotyczącej zielonej transformacji – dodaje.

Mimo, że technologie sekwestracji, albo wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (z ang. Carbon Capture and Storage – CCS) dość szybko się rozwijają to powrót do węgla w połączeniu z CCS wymaga stworzenia nowej gałęzi przemysłu a to jak stwierdził Markowski (cytat wyżej) nie potrwa 4-5 lat. Co prawda wspomniany wyżej Garny uważa, że jest już gotowych kilka projektów firm zajmujących się tym problemem i niektóre implementacje są gotowe. Niestety tu także potrzebna jest rozwaga, gdyż są również doniesienia np. ostatnio z USA, gdzie poinformowano o fiasku kosztującego 1,1 miliarda USD programu CCS [6].

Pomijając aspekty geopolityczne i ocenę tych działań (tym niech zajmują się specjaliści), poniżej zostanie przedstawiona propozycja rozwiązania zarówno dla dużej jak i małej (elektrociepłownie) energetyki a szczególnie dla generacji rozproszonej. Propozycja ta polega na wykorzystaniu biomasy i prądu elektrycznego generowanego w okresach wymuszonego zmniejszenia obciążenia bloków węglowych by Krajowy System Energetyczny (KSE) mógł przyjąć produkcję ze źródeł OZE (wiatraków i paneli fotowoltaicznych). Niestety źródła OZE mimo iż generują energię elektryczną po cenie 230-320zł/MWh[2] nie są w stanie zapewnić ciągłych dostaw energii elektrycznej przez 24 godziny nad dobę i 7 dni w tygodniu, niezbędnej dla funkcjonowania nowoczesnego społeczeństwa i gospodarki. Potrzebne są więc, mimo że generują drożej, bloki węglowe, szczególnie teraz gdy ceny gazu poszybowały i nie należy się spodziewać, że szybko powrócą do poziomów z przed inwazji Rosji na Ukrainę. Uruchomienie Baltic Pipe może poprawić sytuację, lecz jak dobrze pójdzie przewidywane jest na koniec 2022 roku.

Jak okaże się na zakończenie niniejszego artykułu, propozycja ta szczególnie nadaje się do zastosowania w powstającym NABE. Propozycja ta jest nadzwyczaj tania (jeśli chodzi o koszty inwestycyjne oraz eksploatacyjne – z wyjątkiem kosztów(cen) surowca – biomasy, osadów ściekowych lub paliwa z odpadów – RDF. Jeśli udałoby się zrealizować (co technicznie i organizacyjnie jest proste) synergię w stosowaniu proponowanej techniki w energetyce a produktu (biowęgla) w przemyśle nawozowym,gdzie można uruchomić produkcję nawozów organicznych, które byłyby bardzo korzystne dla rolnictwa, to per saldo taki poligeneracyjny proces prowadziłby do większego stopnia redukcji emisji CO2 z procesów wytwarzania energii elektrycznej z węgla niż opisywane CCS, zdecydowanej redukcji kosztów inwestycyjnych oraz eksploatacyjnych w porównaniu z CCS [5] oraz doprowadził do znaczącego zmniejszenia kosztów produkcji nawozów, która w znacznym stopniu wykorzystuje drożejący gaz ziemny. Propozycja ta opiera się na wykorzystaniu procesu termolizy do produkcji biowęgla z różnego rodzaju surowców, w których co najmniej część może być zaliczana do źródeł odnawialnych (osady ściekowe oraz RDF).W przypadku biomasy całość surowca jest odnawialna. Co prawda autorzy opracowania [4] poddają w wątpliwość odnawialność biomasy jako źródła energii, jej ekologię oraz potencjał jej pozyskiwania. Niestety wspomniane dzieło Stowarzyszenie Pracownia na rzecz Wszystkich Istot nie ustrzegło się wady jednostronności, którą w dalszej części zostanie w znacznej części uzupełniona.

Naturalne CCS – opis technologii

Warunkiem powodzenia proponowanej technologii jest zaprzestanie dalszego rozwoju spalania biomasy w kotłach dedykowanych (opalanych w 100 procentach biomasą) zarówno w energetyce zawodowej jak ciepłownictwie. Otóż 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.

Niestety drewno (umownie w dalszej części traktowane jako reprezentant biomasy) to paliwo należące do grupy „paliw trudnych” [1,3], wymagających odpowiednich warunków dla jego efektywnego a szczególnie niskoemisyjnego (ekologicznego) spalania. Powodów jest wiele, lecz dwa czynniki są dość oczywiste. Są nimi zawartość wilgoci i tzw. części lotnych. Zawartość wilgoci (wody) w świeżo ściętym drewnie dochodzi do 60 procent (zimą spada do 40 procent). 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 (ciepło potencjalnie wytworzona ze spalania takiego drewna byłoby w całości zużywane na odparowanie wody). Części lotne to gaz palny, który wytwarza się w drewnie podczas jego ogrzewania. Z 1kg 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 drewno 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 poprawne a szczególnie zeroemisyjne. W małych paleniskach domowych i kominkach problem czystości spalania rozwiązuje się stosując dostateczny nadmiar powietrza dostarczanego pod ruszt jak i do przestrzeni paleniska ponad warstwę palących się szczap drewna – ale to generuje straty, gdyż nie jest w pełni kontrolowane.

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 (gazem) jest prawie dokładnie odwrotna (30 procent gaz i 70 procent koks) nie jest lub nie może być poprawnie zrealizowane. Dodatkowo w kotłach tego typu ze względów oczywistych operatorzy starają się „spalić” jak najwięcej biomasy, by osiągnąć jak największą redukcję opłat za CO2.

„Przetwarzamy” więc na „zielone” ciepło i prąd w dużych kotłach energetycznych dedykowanych tylko do spalania biomasy tysiące ton biomasy drzewnej i agrobiomasy (peletów słomy, łuski słonecznika itp.). Taka mieszanka biomasy różnego pochodzenia (wymagana przepisami ustawy o OZE) 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 (duża zawartość niespalonego węglaw popiołach – rys. 2) z całą gamą aerozoli wypełnionych kancerogennymi (rakotwórczymi) węglowodorami, jest praktycznie niemożliwe. Tworzące się w wysokiej temperaturze spalania niskotopliwe eutektyki składników popiołów (sód, potas, krzem itp.) oraz chlor (pochodzący głównie z biomasy agro) unoszone są w objętości komory paleniskowej w formie aerozoli osiadają na „zimnych” ściankach rur powierzchni ogrzewalnych (rys.1), tworząc grube narosty ograniczające wymianę ciepła, wydajność kotów, korozję metalu rur i sprawność kotłów. Prowadzi to do konieczności odstawiania kotła w celu kosztownego czyszczenia powierzchni ogrzewalnych, które łatwo w tych warunkach mechanicznie uszkodzić.

Rys.1. Widok zanieczyszczonych powierzchni ogrzewalnych w komorze paleniskowej kotła w 100 procentach opalanego biomasą (zdjęcie Autora)

Rys.2. Widok popiołu ze „spalania” biomasy w jednym z tzw. dedykowanych kotłów energetycznych (zdjęcie Autora)

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 węglowodorów zawartych w częściach lotnych) 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/elektrociepłowni/ciepłowni 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. 67 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, chociaż Autorzy wspomnianego już opracowania [3] swą obszerną analizą próbują tę tezę wręcz zanegować. 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 teza postawiona na początku tego akapitu jest prawdziwa. Niestety z doświadczenia Autora wynika, że rzeczywistość „skrzeczy” i to głośno. Wielokrotnie w różnych artykułach podawał on uzasadnienie dla tego stwierdzenia.

Niektórzy, jak profesor Bogdan Jaroszewicz z Uniwersytetu Warszawskiego, wyjaśniają, że spalanie drewna nie działa na przyrodę i atmosferę tak, jak jego pozostawienie w lesie. Niestety trudno się z tym zgodzić, gdyż 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 (bakterie azotowe), 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 przez zwierzęta gospodarcze 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 smoldering’iem . 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 popularno-naukowych 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 [1] 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 dawnej Katedrze Inżynierii Energii (obecnie Katedry Zaawansowanych Technologii Energetycznych) Politechniki Częstochowskiej prowadzone są 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 SasPaszt, 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.

Ostatnio po odkryciu w 1996 roku przez Sarę F. Wright, glebologa z Laboratorium ARS Sustainable Agricultural Systems w Beltsville w stanie Maryland,substancji glomaliny, którą nazwała imieniem Glomales, taksonomicznym porządkiem grzybów wytwarzających lepkie białko [7]. 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 i magazynuje pierwiastek C.

Glomalina dawno zaginęła w próchnicy, materii organicznej często nazywanej „czarnym złotem”. Glomalin 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 (widoczny na rys.3.) na wzrost roślin pozytywnie oceniano w wielu studiach przypadków.

Rys.3. Zwęglony materiał drzewny z lasu w północnej Austrii, pochodzący z ok. 10 cm głębokości gleby. Materiał zidentyfikowano jako węgiel drzewny z Piceaabies (świerk pospolity) spalonego przed 110 laty. Widoczna intensywna kolonizacja z mikoryzą. Archiwum Autora.

Jednym z głównych wniosków z tych studiów 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 inokulummikoryzowe 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 dzięki strukturze 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 winny znaleźć się w strefie korzeniowej a więc wymieszane z gleba 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, przynoszący dodatkowe benefity w wielu sferach – od środowiskowych, zdrowotnych po ekonomiczne.

Biowęgiel aktywuje kiełkowanie zarodników grzybów mikoryzowych (rys.3). Grzyby mikoryzowe w obecności kwasów humusowych wchodzą w symbiozę z roślinami. Grzybami mikoryzowymi dla większości roślin uprawnych są grzyby z rodziny Glomales. Grzyby mikoryzowe tworzą nitki grzybni (rys.3.), która penetruje glebę, pozyskuje i dostarcza roślinie fosfor, potas, wapń, magnez i mikroelementy. Jednocześnie chroni ją przed atakami patogenów. W zamian roślina dostarcza Glomales cukry niezbędne do ich wzrostu. Roślina przekazuje 30 procent wyprodukowanych cukrów swoim grzybom mikoryzowym.

Współpraca rośliny z grzybami mikoryzowymi to sposób na dodatkowe (oprócz biowęgla) deponowanie CO2 w glebie.

Mechanizm ten opisany jest następująco: roślina pochłania CO2 i absorbuje promieniowanie słoneczne w chlorofilu, z tych substratów wytwarza cukry, których 30 procent przekazuje grzybom mikoryzowym. Biorąc jako przykład popularną w Polsce uprawę pszenicy można szacunkowo wyliczyć potencjał tej dodatkowej sekwestracji. Zakładając, że łączna masa zbioru pszenicy to 15 ton/ha (liczone jako 8 ton ziarna i 7 ton słomy i korzeni), to na wytworzenie tej ilości roślina zużyła 70 procent wyprodukowanych przez siebie cukrów, a 30 procent cukrów przekazała grzybom mikoryzowym. Te 30 procent cukrów przekazanych grzybom mikoryzowym to 6,4 tony, a zakładając dalej, że 30 procent z tych 6,4 ton stanowi pierwiastek C, wychodzi, że rocznie w glebie jest magazynowane ponad dwie tony węgla czyli dodatkowo rocznie ponad 7 ton CO2 na każdy hektar upraw.

Jest to proces ciągły, samonapędzający się, ale żeby zachodził niezbędne jest dostarczenie biowęgla, który jest aktywatorem kiełkowania zarodników grzybów Glomales oraz kwasów humusowych, które są aktywatorem wzrostu grzybów mikoryzowych.Grzyby mikoryzowe wytwarzają glomalinę. Jest to białko, które spaja, tworzy agregaty glebowe, a agregaty glebowe powodują, że ziemia jest luźna, a jednocześnie ma dużą pojemność wodną (niezwykle ważne w okresach coraz dotkliwszej suszy powodowanej m.in. przez efekt cieplarniany).

Zwiększenie pojemności wodnej gleby poprzez nawożenie biowęglem (którego sama 1 tona ma potencjał absorpcji co najmniej 1,2 tony wody) i kwasami humusowymi to proces bezpośrednio związany z aktywacją i rozwojem grzybów mikoryzowych Glomales.

Po tak długim wprowadzeniu można wreszcie przejść do zaprezentowania istoty zgłaszanej propozycji i odpowiedzieć na pytanie na czym polega i w czym lepsze jest wytwarzanie 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.

Wytwarzanie biowęgla a redukcja emisji CO2

Przetwarzając termicznie biomasę do biowęgla spalamy tylko części lotne, a więc gaz tworzący się podczas termolizy biomasy, pozostawiając stały produkt – biowęgiel. Organizacja procesu spalania tego 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. To co równie ważne, spaliny ze spalania gazów wytlewnych z biomasy nie zawierają aerozoli niskotopliwych eutektyk składników popiołu, gdyż pozostają one „uwięzione” w biowęglu. Także tworzenie się związków kancerogennych jest ograniczone lub wręcz wyeliminowane. Powierzchnie ogrzewalne kotłów pozostają czyste w przeciwieństwie do tego co pokazuje rys.1.

Przyjmijmy dla uroszczenia, że energia zawarta w biomasie rozdziela się równo pomiędzy gaz i biowęgiel.Dalej przyjmując kolejne uproszczenie, że ilość emitowanego CO2 jest proporcjonalna do ilości generowanej energii w wyniku spalania paliw bogatych w pierwiastek C. to z założeń tych wynika, że generując energię z biomasy poprzez spalanie tylko gazów wytlewnych, każdej wygenerowanej w ten sposób MWh prądu towarzyszyć będzie „neutralna środowiskowo” emisjąCO2o co najmniej 50 procent niższą niż przy spalaniu całej biomasy.Pozostałą część „neutralnej”emisji w naturalny (opisany wyżej)sposób można wykorzystać do rekompensaty emisji CO2 ze spalania węgla poprzez wprowadzenie biowęgla do gleby. Deponując w glebie każdą tonę biowęgla sekwestrujemy (trwale usuwamy z atmosfery ) co najmniej 3,5 ton CO2 Na tym polega naturalne CCS. Należy podkreślić, że tą drogą wraz z biowęglem zawrócimy do gleby popioły bogate w składniki odżywcze, które biomasa pobrała z gleby gdy rosła, zachowując ich bilans tak niezbędny dla utrzymaniu wraz z Glomalesjej wysokiej produktywności. W ten sposób utrzymamy wysoką produktywność upraw bez dodawania nawozów sztucznych.

Oczywiście biowęgiel to także znakomity surowiec do produkcji węgla aktywnego, paliw biokompozytowych dla indywidualnych odbiorców (ważnych dla walki ze smogiem), dodatku do pasz dla zwierząt, kompostów, nawozów (ponad 60 zastosowań – według EuropeanBiocharCertificate – EBC). Biowęgiel nadaje się do magazynowania wodoru oraz budowy superkondensatorów. Ostatecznie biowęgiel to świetny i prosty, długoterminowy magazyn energii, gdyż 1m3biowęgla to trwałe! (nie tak jak w magazynach mobilnych) zmagazynowanie co najmniej 4,2 GJ ciepła, które łatwo i zeroemisyjnie można przetworzyć w ciepło użyteczne (a także energię elektryczną). To także świetny magazyn energii elektrycznej z niestabilnych źródeł odnawialnych (wiatraki, panele fotowoltaiczne). Uruchomienie produkcji biowęgla w elektrowni lub elektrociepłowni pozwala utrzymać wysoki poziom produkcji energii elektrycznej w elektrowniach systemowych w dolinach nocnych a szczególnie w okresach dużej produkcji energii elektrycznej z wiatraków, zmuszającej bloki węglowe do raptownego zmniejszenia ilości produkowanej energii elektrycznej, której KSE nie jest zdolny przyjąć.

Otóż jeden lub drugi rodzaj energii elektrycznej można wykorzystać do produkcji biowęgla poprzez ogrzewanie reaktorów (karbinizatorów) ohmowo (ciepło Joule’a – Lenza), natomiast gorące gazy wytlewne spalać w kotłach ograniczając zużycie paliw kopalnych i także ograniczając emisję CO2 z węgla przy zachowaniu dotychczasowego poziomu produkcji energii elektrycznej.Tanie w wykonaniu i proste w eksploatacji reaktory uwęglania winny być zlokalizowane w obrębie zakładów energetycznych możliwie jak najbliżej kotłów węglowych, by jak najkrótszą drogą dostarczyć gorące gazy z termolizy do istniejących (bądź nowych) palników rozlokowanych w ścianach komór paleniskowych (najlepiej kotłów pyłowych). W zależności od tego z jakich substratów pozyskiwany byłby biowęgiel należałoby organizować jego wykorzystanie. Biowęgle pozyskiwane z osadów ściekowych oraz niektórych źródeł RDF można skierować do spalania razem z węglem lub wraz z popiołami z węgla wykorzystywać w przemyśle cementowym, budownictwie, budowie dróg czy też rekultywacji hałd oraz wyrobisk. Jeśli substratami byłaby biomasa leśna, bądź rolnicza (agro) bezwarunkowo tak uzyskiwany w biowęgiel należałoby kierować do wykorzystania w przemyśle nawozów, rolnictwie, leśnictwie, produkcji pasz m.in. według zasad opisanych wyżej.

Tym wszystkim, którzy od razu skrytykują pomysł, motywując, że wytworzenie biowęgla przy użyciu energii elektrycznej będzie głęboko nieopłacalne, gdyż jest ona droga i będzie coraz droższa, od razu trzeba wyjaśnić, że proces uwęglania suchej biomasy do biowęgla w zakresie temperatur 280 -480oC jest egzotermiczny (przebiegający z wydzielaniem ciepła). W rezultacie zużycie energii prądu elektrycznego w tak zorganizowanym procesie byłoby niewielkie, jedynie na wytworzenie ciepła fizycznego na podgrzanie biomasy do temperatury początku termolizy (ok. 280oC), odparowanie wilgoci oraz pokrycie strat ciepła do otoczenia. Użycie grzania ohmowego pozwala straty te ograniczyć, gdyż ciepło dostarczane byłoby wewnątrz reaktora, bezpośrednio do elementów przetwarzanej biomasy a co jest niezwykle ważne w dużej skali – taki rodzaj zasilnia pozwala precyzyjnie sterować procesem. Oto istota atrakcyjność przedstawionej propozycji, której szczegóły ze względu na rozmiary niniejszego artykułu będą przedstawiane w kolejnych artykułach.

Na zakończenie warto zwrócić uwagę, że technologia produkcji biowegla z biomasy, szczególnie odpadowej z rolnictwa, gospodarki leśnej, oczyszczania dróg, sadów, upraw rolnych itp.najlepiej uda się w systemie generacji rozproszonej (klastrach energii), gdyż eliminuje ona w takim przypadku jeszcze co najmniej dwa, niebagatelne źródła emisji CO2.Pierwsze to pochodzące z spalania paliw płynnych przez samochody ciężarowe transportujące biomasę do odległych elektrowni i elektrociepłowni, drugie zaś to ograniczenie strat przesyłu energii elektrycznej na duże odległości (energia wytwarzana w klastrze zużywana jest na miejscu). Wreszcie ostatnia uwaga: CO2 wyemitowane lokalnie z dużym prawdopodobieństwem zostanie za asymilowane przez rośliny rosnące w sąsiedztwie stymulując ich „bujnieszy” wzrost, w przeciwieństwie do utraty tej szansy, gdy dwutlenek węgla generowany jest ze zebranej lokalnie biomasy i spalanej biomasy w odległych elektrowniach. Będzie on emitowany w zurbanizowanych regionach (często blisko miast lub w ich obrębie), gdzie raczej przyczyni się do wzrostu jego stężenia w atmosferze.

To także praktyczna realizacja idei Gospodarki Obiegu Zamkniętego (GOZ) (z ang. Circular Economy), tak promowanej w UE. Otóż w energetyce i ciepłownictwie za energie pochodzące z OZE uznaje się ciepło i energię elektryczną pochodzące ze spalania biomasy. Produkcja biowegla pozwala na zastąpienie przestarzałej techniki spalania dla generacji energii, nowoczesnym, poligeneracyjnym procesem pozwalającym uzyskać co najmniej pięć wartości dodanych, a mianowicie:

• energia elektryczna neutralna pod względem emisji CO2,
• ciepło neutralne pod względem emisji CO2,
• chłód neutralny pod względem emisji CO2,
• biowęgiel,
• ujemne emisje (jeśli zostanie dodany do gleby.

Czyż w istocie nie jest to innowacyjne i ma sens?

Bibliografia:

1. Zbigniew Bis: Biowęgiel kontra biomasa. Co jest lepsze dla środowiska, Forsal. pl08. 2020,

2. Władysław Mielczarski: Jakie są prawdziwe przyczyny wzrostu cen energii elektrycznej?, Biznes Alert, 12.01.2022r.

3. Tomasz Mirowski: Ciepłownictwo rozproszone. Rola OZE w aspekcie minimalizacji emisji pyłu i innych zanieczyszczeń oraz gazów cieplarnianych, Instytut Gospodarki Paliwami i Energią, Konferencja „Praktyczne wyzwania w działaniach na rzecz ochrony powietrza”, Katowice, 16 11.2021r

4. Michał Kolbusz, Augustyn Mikos: Lasy do spalenia – prawdziwa cena bioenergii,Stowarzyszenie Pracownia na rzecz Wszystkich Istot, 2022

5. Peter Garny: Bezpieczeństwo energetyczne UE może oznaczać powrót do wegla z wykorzystaniem CCS.Interia Biznes, 6 marzec 2022.

6. Tomasz Domański: Stany Zjednoczone utopiły ponad miliard dolarów w nieudane projekty wychwytywania CO₂ z atmosfery. CHIP, 17 stycznia 2022.

7. AgotaHornel iinni: Biochar Alters Soil Physical Characteristics, ArbuscularMycorrhizal Fungi Colonization, and Glomalin Production, Agronomy 10, 202

Steinhoff: Pomoc górnictwu ma sens, jeżeli ma służyć jego zamknięciu (ROZMOWA)