Biowęgiel z biomasy – sposób na mniej niż zero emisji CO2

Zaktualizowano: 8 lipca 2021

W czasach licytacji na zieloność, wyścigów po neutralność albo i zeroemisyjność CO2 – drewno (biomasa) wygrywa o dwie długości. Już jest tam, gdzie żadna pompa ciepła chyba nigdy się nie wdrapie: nie tylko ma zerowy bilans emisji CO2, ale przy odpowiednim potraktowaniu może osiągać emisję ujemną, stając się jedną z bardzo niewielu dostępnych ludzkości metod usuwania węgla z atmosfery – co więcej, możliwą do wykorzystania na podwórku lub w domowej kotłowni. To jest wielka zaleta biomasy: nie wymaga technologii z NASA po cenach NASA.

Tutaj pokażę, jak na podwórku przeprowadziłem proces "ujemnoemisyjnego" spalania pelletu drzewnego oraz rozważę, czy by miało sens i cel robić coś takiego na większą skalę w domowej kotłowni.

Plus, zero, minus

Chociaż w momencie spalania paliwa zawsze następuje emisja CO2 to jednak bilans emisyjny całego cyklu życia poszczególnych paliw może być różny.

  • W przypadku paliwa kopalnego (węgiel, gaz, produkty z ropy naftowej) sytuacja jest jasna: spalanie zawsze powoduje wzrost ilości CO2 w atmosferze, gdyż spalany jest węgiel, który siedział miliony lat w ziemi.
  • W przypadku paliwa odnawialnego (biomasa) emisja CO2 jest zerowa – pod warunkiem, że gospodarowanie danym rodzajem biomasy jest zrównoważone, tzn. sadzone jest przynajmniej tyle samo, ile spalane. Czyli cały czas w obiegu pozostaje taka sama ilość CO2.

Zerowa emisja CO2 to już jest dużo. Niewiele jest ogólnodostępnych źródeł energii, które są pod tym względem zeroemisyjne choćby bilansowo (drugim jest pompa ciepła z fotowoltaiką). Jednakże zerowy bilans emisji CO2 to nie jest szczyt możliwości biomasy. Przy odpowiednim przeprowadzeniu procesu spalania bilans emisyjny będzie ujemny – część węgla zawartego w biomasie zamiast do atmosfery, trafi do gleby i zostanie tam na dobre.

Jak to się robi

Ujemny bilans emisji CO2 osiąga się poprzez niecałkowite spalenie biomasy – wypala się substancje lotne a pozostawia część stałą: węgiel drzewny – tj. węgiel w postaci pierwiastkowej + pozostałości mineralne (w świecie całkowitego spalania znane jako popiół). Później można go dosłownie wyrzucić w najbliższe krzaki – chociaż lepiej jest zakopać we własnym ogródku. Wtedy będzie służył jako tzw. biowęgiel (o tym szerzej za moment).

Substancji lotnych jest w biomasie ok. 80%. Część stała to max. 20%. Ile węgla drzewnego ostatecznie uda się uzyskać – to zależy od technologii spalania. Jakieś pozostałości węgla drzewnego można wyprodukować nawet w zwykłym ognisku, ale gdy ma go pozostać jak najwięcej – konieczne są specjalne urządzenia, które będą w stanie wypalić prawie wyłącznie gazy a pozostawić część stałą.

Najprostszym przykładem jest piec typu TLUD – sytuacja znana każdemu, kto rozpalał od góry najprostszy piec/kocioł. Praca tego typu pieca zawsze przebiega w dwóch etapach:

  • najpierw płomień "przegryza się" przez całą warstwę paliwa z góry na dół, spalając jedynie lotne składniki paliwa a pozostawiając część stałą
  • gdy już płomień dojdzie do dna paleniska, kierunek spalania się odwraca: od dołu do góry wypala się odgazowane już paliwo (koks/węgiel drzewny).

Aby odzyskać niespaloną część stałą paliwa wystarczy w odpowiednim momencie (pod koniec fazy pierwszej) wygasić piec.

Schemat pieca TLUD

Jak to się dzieje, że ogień wędruje w dół, ale zostawia za sobą niewypalony węgiel drzewny? Po prostu za płomieniem panuje atmosfera beztlenowa. Płomień wypalający części lotne zużywa cały tlen, jaki jest do dyspozycji. Może tu jedynie zachodzić reakcja odwrotna: redukcja m.in. CO2 do CO, czyli palnego gazu. Dzieje się to kosztem pobrania energii z otoczenia, stąd ta wierzchnia warstwa węgla drzewnego potrafi z czasem robić się niemal czarna, jakby wygasła, bo ciepło jest z niej odbierane przez reakcję redukcji. To zjawisko jest tym wyraźniejsze, im grubsza warstwa paliwa i drobniejsza jego granulacja.

Na wylocie z takiego reaktora otrzymujemy palny gaz. Trzeba go spalić podając duże ilości powietrza wtórnego. Więcej o detalach tych procesów można poczytać w artykule o zgazowaniu.

Przeprowadziłem szybką akcję budowy i uruchomienia takiego reaktora. Schemat budowy i zasada działania są dokładnie takie, jak na powyższym rysunku. W roli paliwa wystąpił pellet drzewny w ilości 7,5kg.

Testowy reaktor typu TLUD.z osobno regulowanymi dawkami powietrza pierwotnego i wtórnego.

Pellet A1 fi 6mm 1330zł/t

Wypalić 7,5kg pelletu to nie jest takie hip-hop. Akcja przeciągnęła się do godzin nocnych.

Dnia następnego po wygaszeniu i wystudzeniu. Objętościowo pozostało jakieś 40%, ale wagowo to tylko niespełna 20% pierwotnego wsadu.

Na środku widoczne nawet zwęglone pozostałości podpałki..

Z 7,5kg pelletu pozostało 1,5kg węgla drzewnego czyli ok. 20%. Przy dnie zachowało się nieco niedopalonego pelletu, który widoczny jest w postaci wtrąceń tu i ówdzie.

1,5kg węgla drzewnego z powyższego zdjęcia to jest ilość węgla usunięta z atmosfery – drzewo pobrało go w procesie fotosyntezy a w procesie spalania został przerobiony do postaci, która jest odporna na rozkład biologiczny.

Co z tym teraz zrobić? Można by zutylizować tak samo jak każdy popiół z domowej kotłowni. Wszystko, co nie będzie się wiązało ze spaleniem – jest dobrą opcją (tu konieczna byłaby dygresja o lokalnych różnicach w zagospodarowaniu odpadów z domowej kotłowni; większość pewnie trafia do osobnego kubła na popiół a potem na składowisko, ale są rejony, gdzie popiół idzie do odpadów zmieszanych i finalnie wszystko może zostać spalone, choć wielu spalarni u nas nie ma). Najpewniej byłoby zakopać go w ziemi, gdzie zostanie trwale zmagazynowany, bo nie podlega praktycznie żadnemu rozkładowi.

I co dalej? W tej ziemi węgiel drzewny mógłby sobie ot tak leżeć. Ale może także zostać spożytkowany i robić dobrą robotę w uprawie roślin.

Biowęgiel w rolnictwie

Węgiel drzewny znajduje zastosowanie w ogrodnictwie i rolnictwie, jest korzystnym składnikiem gleby. Ponieważ ma bardzo porowatą strukturę, tedy m.in:

  • pomaga magazynować w glebie wodę i zatrzymywać składniki odżywcze,
  • tworzy środowisko dla rozwoju pożądanych bakterii glebowych.

Wszystko to razem podnosi jakość gleby i zwiększa plony. Węgiel drzewny stosowany w rolnictwie nazywany jest biowęglem (ang. biochar) – ponieważ pochodzi z biomasy, ale też wspomaga życie mikrobiologiczne w glebie.

W poniższym filmie zawarte jest sporo wyjaśnień podstawowych kwestii związanych z biowęglem – niestety materiał po angielsku. Strawnych treści po polsku nie znalazłem.

Z tego co zaobserwowałem, w Polsce biowęgiel występuje śladowo – jako nisza niszy indywidualnego rolnictwa permakulturowego. Na świecie (głównie USA) interesują się nim nie tylko drobni ciułacze, ale też rolnictwo zawodowe.

Żeby to nie brzmiało nazbyt opytmistycznie – biowęgiel nie jest cudownym "suplementem gleby" na poprawę plonów, który da świetne efekty zawsze i wszędzie. W poniższym filmie wymieniono problemy związane z jego zastosowaniami, np. potencjalnie większą (powodowaną wiatrem) emisję pyłu przy pracach na roli albo możliwą zawartość szkodliwych substancji w biowęglu produkowanym z niektórych rodzajów biomasy.

Biowęgiel z domowej kotłowni?

Czy spalanie z ujemną emisją CO2 mogłoby mieć sens i cel w małej skali, w domowej kotłowni? Trzeba to rozważyć w wielu aspektach i z pewnym gdybaniem.

Polityka

Ciotka Łunia prze ku zmniejszaniu emisji CO2. Polska też jest na tej drodze – ciągnięta przez ciotkę za ucho. W polityce względem biomasy w UE i w PL są jednak pewne różnice:

  • W UE biomasa – zgodnie z wiedzą naukową czyli stanem faktycznym – jest pełnoprawnym OZE, promowanym jak każde inne OZE. W ogrzewaniu domów wspiera się migrację z oleju/gazu m.in. na biomasę oraz pompy ciepła. Jednym z nielicznych odprysków tej polityki w Polsce jest wyraźna preferencja dla biomasy w Warunkach Technicznych 2021 – wynikająca właśnie stąd, że to prawo napisano w Brukseli a Warszawa chcąc nie chcąc musiała je wdrożyć w takim kształcie.
  • W Polsce biomasa w najlepszym razie jest ignorowana, w najgorszym: zwalczana na równi z węglem, choć to jest raczej sprawka lobbystów biznesowych niż działanie organów państwa (te co najwyżej pozostają bierne, dając samorządom wolną rękę do takich działań). Z programu "Czyste powietrze" od 1. lipca 2021 wyleciały kotły węglowe – ale nikt nie widzi problemu w dotowaniu kotłów gazowych, co np. w Niemczech byłoby nie do pomyślenia; przypomnę: tam teraz dotują usuwanie kotłów gazowych. Mało tego że dotujemy kotły gazowe – my zmuszamy ludzi do gazu. Wszak w programie "Czyste powietrze" wciąż jest zapis o przymusie wyboru gazu jeśli masz gaz-rurę u płota. Ponadto niedawno premier zapowiadał intensywną gazyfikację kraju. Gaz wciąż jest u nas widziany jako oręż postępu i dobrobytu. Pewnie tak zostanie dopóki ciotka Łunia nas nie zdyscyplinuje.

Jak to podsumować? Dla biomasy nawet spalanej zeroemisyjnie jest w UE korzystny klimat. W PL – trochę gorszy.

Komplikacje techniczne

Niecałkowite spalanie w domowym kotle można osiągnąć dość łatwo. Wie o tym każdy, kto męcząc się z ustawieniami kotła wybierał wiadra niedopału z popielnika. Problem w tym, że w klasycznych kotłach na drewno czy palnikach na pellet niecałkowitemu spalaniu towarzyszą też okrutne emisje zanieczyszczeń.

Aby w sposób cywilizowany wypalać wyłącznie części lotne paliwa bez psucia jakości i sprawności spalania konieczne jest opracowanie specjalnych palników/kotłów o trochę bardziej złożonej konstrukcji. Skąd ta złożoność? Ano z dwuetapowego spalania, którego produktem ubocznym ma być węgiel drzewny.

  • Skoro w kotle będzie takie miejsce, gdzie występuje palny gaz, to trzeba mieć pełną kontrolę nad jego produkcją i bezpiecznym spalaniem, aby nie powstała sytuacja zaniku płomienia w dopalaczu.
  • Wiele palników na pellet jest zaprojektowanych na pellet jako paliwo praktycznie bezpopiołowe. Konieczność pozostawienia niedopalonego węgla drzewnego rodziłaby pewne komplikacje: jak ten produkt uboczny usuwać skutecznie i bezpiecznie (wszak jest on dość gorący).

Patrząc na obecne ceny kotłów pelletowych, konieczność sprostania nowym wyzwaniom mogłaby wywindować ich ceny powyżej pułapu nie tylko Mercedesów C-klasy, ale i używanych łazików księżycowych.

Opłaty emisyjne?

Co jeśli indywidualnym budynkom przyjdzie płacić za emisję zanieczyszczeń / CO2 tak jak to robi póki co tylko przemysł?

Nierealne? A czy zakazy palenia węglem/drewnem 10 lat temu wydawały się realne?

Poskładajmy bieżące puzzle:

Stąd już naprawdę nie jest daleko do jakiejś formy uprzykrzenia życia tym, co najwięcej emitują.

Koszty opału – wzrosłyby czy zmalały?

W dzisiejszych realiach produkt uboczny niecałkowitego spalania biomasy byłby odpadem podobnym do popiołu, którego trzeba by się pozbywać w najlepszym razie za darmo – chyba, że masz możliwość spożytkowania go we własnym ogrodzie/na polu. Niespalenie części paliwa generowałoby stratę i oznaczało konieczność zakupu odpowiednio większej ilości opału, co wobec pelletu za 1300zł/t byłoby dość bolesne.

Co innego gdyby węgiel drzewny był chodliwym towarem i można by urobek gdzieś odsprzedać albo np. taniej kupować opał w zamian za zwrot wyprodukowanego węgla drzewnego. A już najlepiej gdyby produkować go z tańszego surowca, np. zrębki drzewnej, która w Polsce nie tyle raczkuje, co jest gdzieś w fazie prenatalnej.

Uszczerbek na wygodzie

Jakby powyższych trudności było mało, niecałkowite spalanie odbiłoby się na wygodzie eksploatacji kotłowni. Niespalony węgiel drzewny trzeba by wybierać z kotła w znacznych ilościach, zbliżonych do zawartości popiołu w niegdysiejszych najgorszych miałach węglowych.

Ba – nawet gdyby ograniczyć te ilości do zaledwie 10% – to nadal byłoby więcej kilogramów niż jest popiołu w węglu, co oznacza konkretne szuflowanie. Chociaż można przerzucanie urobku obsłużyć całkiem elegancko, bez brudu i pyłu w kotłowni, to jednak jego wagi nie da się zniwelować. Byłaby to dodatkowa robota dla operatora.

Jeśli nie teraz to kiedyś?

Produkując biowęgiel jako produkt uboczny ogrzewania domu można by upiec wiele pieczeni na jednym ogniu – ale i lista potencjalnych problemów jest niekrótka. Teraz nie wydaje się to szczególnie atrakcyjne rozwiązanie, ale w przyszłości może się takim okazać, gdy/jeśli zmienią się rozmaite okoliczności.

10 myśli nt. „Biowęgiel z biomasy – sposób na mniej niż zero emisji CO2

  1. Major

    W przypadku zastosowania rolniczego konieczne jest rozsądne nawożenie azotem. W przeciwnym razie bakterie "spalą" węgiel i nici z sekwestracji.

    Odpowiedz
  2. Darek

    Teoretycznie węgiel drzewny może z gleby zrobić coś a'la "terra preta" czyli żyzną glebę Indian. Ale w praktyce jest trudniej, dużo zalezy od ziemi jaką mamy. Moim zdaniem sam węgiel drzewny to za mało. Owszem, w określonych warunkach ów "biowęgiel" ma sens ale na większą skalę gra nie niewarta świeczki. Lepszym rozwiązaniem jest normalna eksploatacja kotła na biomasę i wyrzucanie popiołu do ogrodu. Nigdy do śmietnika bo to strata dla środowiska! W moim kominku w popiele jest 2 może 3% węgla drzewnego co znacząco poprawia żyzność.

    Od kilku lat eksperymentuję z "terra preta" ale moja gleba jest bardzo specyficzna. To cieżka glina która w czasie deszczu zamienia się w błoto, a jak wyschnie jest niczym beton. Dodatek czegokolwiek co ją rozluźni jest in plus tyle tylko, że dużo węgla drzewnego oznacza czarną farbę po deszcza, a tego nie chcę. Sam węgiel drzewny nie poprawia też stosunków wodno-powietrznych, glina momentalnie zatyka wszelkie pory. O wiele lepszym rozwiazaniem okazało się wypalanie tej gliny, podobno amazońscy Indianie tworząc "terra preta" też to stosowali. W efekcie dostaję produkt który po polaniu wodą nie rozmazuje się. Szara glina zawiera dużo substancji organicznych więc jak wypalanie prowadzi sie w odpowiednio niskiej temp. i braku powietrza zamieniają sie one w węgiel dając czarny kolor. I to może być trop ułatwiajacy dalsze eksperymenty. Glinę zmieszać z biomasą i umieścić w kotle w takim miejscu gdzie jest odpowiednia temperatura. Nie za wysoka aby nie wypalić węgla ale też nie za niska bo glina musi zmienić strukturę.

    Odpowiedz
    1. Wojciech Treter Autor wpisu

      Nie wchodzę jakoś szczególnie w te rolnicze tematy, bo się prawie nie znam.
      Pamiętam że ładnych kilka lat temu na jakimś portalu permakulturowym widziałem pomysł na "polską terra preta" – żeby do ziemi wpakować miał węgla kamiennego. Co się uśmiałem to moje.

      Odpowiedz
      1. Darek

        Fakt, ziemia będzie czarna więc zasługuje na miano "terra preta" 🙂
        Osobiście nie szedłbym w akumulację CO2 z biomasy w postaci węgla drzewnego bo w ten sposób gubimy też cenne kWh. Gdyby w Polsce był nadmiar drewna to OK, można robić węgiel drzewny i sypać w glebę. Ale na razie zużywamy za dużo paliw kopalnych aby deponować w ziemi odnawialne kWh.
        Dla mnie w całej "walce o klimat" pozytywne jest tylko i wyłącznie oszczędzanie nieodnawialnych zasobów. Dlatego mówię TAK dla poprawy sprawności, ociepleniu domów itp. Stanowcze NIE dla zeroemisyjności w postaci zamiany węgla na gaz (metan ma ok. 100x większy potencjał cieplarniany), budowie instalacji pochłaniajacych CO2 i wtłaczajacyh pod ziemię (potrzebna dodatkowa energia i materiały) itp. Niestety UE stawia na gorsze rozwiazania więc będziemy płakać i płacić za coraz drożaszą energię.

      2. Wojciech Treter Autor wpisu

        Stanowcze NIE dla zeroemisyjności w postaci zamiany węgla na gaz (metan ma ok. 100x większy potencjał cieplarniany),

        Jeśli trafi do atmosfery jako metan. Natomiast my w domach raczej dokładnie go spalamy.

  3. Tomasz M

    Koncepcja, która rozwala schemat myślenia. Przesiąknięta do szpiku polskim szukaniem wyjścia z każdej nawet najtrudniejszej sytuacji. Mi się podoba.
    W praktyce rozbija się jednak o dwa stereotypy. Ze biomasa to niszczenie środowiska (wycinanie lasów) a spalanie to zatruwanie atmosfery.
    Ciekawe ile jeszcze wody musi upłynąć w Wiśle, aby zrozumiano, że nie ma nic bardziej ekologicznego jak drewno, czy biomasa. Nie tylko jako paliwo, ale także jako surowiec do bardzo wielu zastosowań.

    Odpowiedz
  4. Gajowy Marucha

    Wszystko suuper - jest tylko jedno "ale". W ekologii wcale nie chodzi o to żeby było ekologicznie - ale np. o to, żeby polandia pod presją głupawego motłochu zainspirowanego wrażą propagandą o figo fago eko - pozamykała swoje kopalnie i kupowała rosyjski gaz (z "nord streamu") z niemiecką marżą od niemiec. Dzięki czemu polski motłoch będzie ze swojej krwawicy sponsorował germanię, a w dodatku pozbawiony własnej energetyki będzie tańczyć jak mu germania zagra - bo jak nie to się przykręci kurek i motłochowi dupsko będzie zimą marzło. Taaaa daaaaammmmm..... Tak, że gdybyś nawet wynalazł tera, giga, mega ekologiczne źródło energii - to i tak Cię zlinczują bo wcale nie o to chodzi....

    Odpowiedz
  5. zizi

    @Gajowy, nie musi być mega-giga, wystarczy trochę, tylko że w niewłaściwym kierunku, jak np. palenie od góry.

    Odpowiedz
  6. Darek

    W domach gaz spala się dokładnie ale przy wydobyciu i transportu dużo ucieka. Przy 100x większym potencjale tworzenia efektu cieplarnianego nie trzeba dużo. A szacuje się ucieczkę na poziomie 3-5% przy czym najnowsze pomiary sugerują wyższą wartość. Po uruchomieniu statelitów śledzących wycieki metanu pojawiło sie mnóstwo zatrważajacych informacji. Właściwie każdy gazociąg wypuszcza z siebie chmury metanu. Czasami bardzo duże, np. dwa najwieksze na Jamale dawały taki sam efekt cieplarniany jak emisja CO2 przez średnie państwo europejskie.

    Bodajże na portalu "zmianynaziemi" był wywiad z naukowcem związanym z IPCC. Zasugerował on w nim, że gaz ziemny może powodować większy efekt cieplarniany niż węgiel. Właśnie z powodu uciekajacego metanu przy czym im więcej niekonwencjonalnych złóż uruchamiamy tym gorzej. Gdy wyczerpią się stare europejskie o dużej kulturze technicznej (holenderskie już są prawie puste i zaczyna się pod nimi zapadać ziemia) czyli niskoemisyjne zastąpi sie wysokoemisyjnymi. A wtedy 5% będzie dolną granicą szacunkowej ucieczki metanu.

    Odpowiedz
  7. Obserwator

    Każdy budynek można doprowadzić do zapotrzebowania na ciepło poniżej 30 kWh na m2 na rok. Tymczasem stare budy mają zapotrzebowanie nastokrotnie większe. I to powinno być priorytetem. Obecnie wszelkie prace inwestycyjne w ramach tzw. Czystego powietrza to jest jedna wielka farsa. Zamiast radykalnie zmniejszać ucieczki ciepła, to pakuje się kasę w pompy ciepła, czy fotowoltaikę, zostawiając zapotrzebowania na poziomie w okolicach 100 kWh.

    Odpowiedz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany.