Co to jest biowęgiel? Właściwości, produkcja i zastosowanie

Biowęgiel to bogaty w węgiel materiał z biomasy ogrzewanej bez dostępu tlenu, wytwarzany pod konkretne zadanie: do gleby, kompostu albo filtra. Tym różni się od węgla drzewnego, przy którym liczy się głównie wartość opałowa. Producent biowęgla kontroluje surowiec i temperaturę pirolizy, bo od nich zależy, co materiał wniesie do gleby i jak długo w niej przetrwa. Dobrze wytworzony zatrzymuje węgiel na setki lat.

Czym jest biowęgiel i czym różni się od węgla drzewnego oraz aktywnego?

Biowęgiel, w literaturze anglojęzycznej biochar, to stały, bogaty w węgiel materiał otrzymany przez ogrzewanie biomasy bez dostępu tlenu albo przy jego ograniczonym dostępie. Wyglądem przypomina węgiel do grilla: czarne, kruche kawałki albo drobny granulat. Od węgla drzewnego odróżnia go jednak cel produkcji i kontrola procesu.

Węgiel drzewny wytwarza się jako paliwo, więc liczą się wartość opałowa, twardość i cena. Surowiec i temperatura wypalania nie muszą być dokumentowane, bo dla grilla nie mają znaczenia. Biowęgiel powstaje pod konkretne zadanie – trafia do gleby, kompostu albo filtra – i dlatego producent kontroluje rodzaj surowca, temperaturę i czas procesu. Od tych parametrów zależą trwałość i czystość materiału, omówione dalej.

Węgiel aktywny leży na przeciwnym końcu skali przetworzenia niż węgiel drzewny. To zwęglony materiał poddany dodatkowej aktywacji parą wodną, dwutlenkiem węgla albo odczynnikami chemicznymi, która silnie rozwija sieć porów. Służy jako sorbent w filtrach wody i powietrza. Jego koszt czyni stosowanie na polu nieopłacalnym. W ujęciu standardu European Biochar Certificate (EBC) kryterium odróżniające wszystkie trzy materiały sprowadza się więc do przeznaczenia i udokumentowanych warunków produkcji.

Zainteresowanie biowęglem zaczęło się od terra preta, czyli „czarnej ziemi”, którą Indianie amazońscy tworzyli przez stulecia, dodając do gleby zwęglone resztki, popiół i odpadki osad. Skoro zwęglona materia przetrwała tam setki lat, czy dałoby się celowo zamykać w glebie węgiel pobrany z atmosfery?

Sekwestracja CO2 oznacza trwałe wyłączenie węgla z obiegu atmosferycznego. Roślina wiąże CO2 w biomasie, ale gnijąca albo spalona biomasa oddaje go z powrotem w ciągu kilku lat. Piroliza przebudowuje część tego węgla w strukturę odporną na rozkład mikrobiologiczny. Tę odporność uwzględniają wytyczne IPCC dla biowęgla. Według nich co roku mineralizuje się tylko niewielka część materiału, w malejącym tempie, przez wiele stuleci. Biowęgiel działa więc jak magazyn węgla obliczony na setki lat.

Właściwości biowęgla zależą od surowca i temperatury

Biowęgiel nie ma jednego zestawu parametrów: jego właściwości wynikają z dwóch zmiennych, czyli surowca i temperatury procesu. Rozrzut widać już w składzie pierwiastkowym. W standardzie European Biochar Certificate zawartość węgla organicznego mieści się od poniżej 20% do 95% suchej masy. Konkretna wartość zależy od surowca i warunków pirolizy. Resztę stanowią tlen, wodór, azot i popiół mineralny.

Temperatura przesuwa parametry w jednym kierunku. Materiał wytworzony tuż powyżej progu pirolizy zachowuje sporo części lotnych, czyli związków, które przy ponownym ogrzaniu uchodzą jako gaz i para. Taki biowęgiel ma więcej grup tlenowych na powierzchni, niższe pH i szybciej rozkłada się w glebie. Wraz ze wzrostem temperatury rośnie udział węgla, pH i trwałość, a spada udział części lotnych. Rośnie też porowatość i powierzchnia właściwa, czyli łączna powierzchnia porów przypadająca na gram materiału.

Surowiec decyduje o tym, z czego zbudowany jest szkielet i ile w nim minerałów. Biowęgiel z drewna ma mało popiołu, dużo węgla i sztywną sieć porów odziedziczoną po naczyniach drzewnych. Biowęgiel z łusek ryżu zawiera dużo krzemionki, więc popiół mineralny zajmuje znaczną część jego masy, a zawartość węgla jest odpowiednio niższa. Obornik i osady ściekowe dają materiał jeszcze bogatszy w minerały, w tym fosfor i potas.

Od obu zmiennych zależy też pojemność sorpcyjna, czyli zdolność wiązania jonów i cząsteczek na powierzchni porów. Pytanie „jaki jest biowęgiel” ma zatem sens dopiero wtedy, gdy wiadomo, z czego i w jakiej temperaturze powstał. Te dwie informacje powinna podawać każda karta produktu.

Piroliza bez dostępu tlenu od biomasy do biowęgla

Piroliza to ogrzewanie biomasy bez dostępu tlenu, w którym materia organiczna rozkłada się termicznie, zamiast się spalić. Surowcem bywa niemal każda sucha biomasa: odpady leśne (gałęzie, kora), tartaczne (trociny, zrębki), rolnicze (słoma, łuski, pestki) i obornik. Do tej grupy należą też osady ściekowe, choć wymagają kontroli metali ciężkich. Wilgotny surowiec suszy się przed procesem, bo odparowanie wody zużywa energię potrzebną reaktorowi.

Z reaktora wychodzą trzy frakcje. Stała to biowęgiel, a ciekła to bioolej, czyli kondensat smół, kwasów organicznych i wody. Frakcję gazową tworzą gazy pirolityczne: tlenek i dwutlenek węgla, wodór oraz metan. Masa biowęgla stanowi więc tylko część masy surowca, bo reszta uchodzi w gazach i oleju.

Każdy wzrost temperatury przesuwa masę z frakcji stałej do lotnych. Wolna i szybka piroliza różnią się przede wszystkim szybkością nagrzewania i czasem przebywania par w reaktorze. Dlatego wolna piroliza daje najwięcej węgla, a szybka najwięcej oleju.

Zakresy temperatur się rozjeżdżają, bo pod hasłem „produkcja biowęgla” mieszają się trzy procesy:

• Toryfikacja – 200–300 °C bez tlenu; łagodne prażenie, które daje suchsze paliwo o wyższej wartości opałowej, zwane toryfikatem.
• Piroliza – powyżej 350 °C bez dostępu utleniacza, zwykle do około 700 °C. Metodyka IPCC uznaje za biowęgiel produkt ogrzewania biomasy powyżej 350 °C przy ograniczonym dostępie utleniacza, więc obejmuje także zgazowanie.
• Zgazowanie – zwykle 800–1000 °C, z dozowanym tlenem, powietrzem albo parą wodną; celem jest gaz palny, a frakcja stała jest uboga w węgiel.

Wartości 200–300 °C opisują zatem toryfikację, a nie produkcję biowęgla. Ciepło procesu też nie musi się marnować. Gazy pirolityczne i część oleju spala się, żeby ogrzać reaktor. Nadwyżkę ciepła odbiera suszarnia surowca, budynek albo sieć ciepłownicza.

Co biowęgiel daje glebie, a kiedy nie warto go stosować?

Biowęgiel nie jest nawozem: działa jako polepszacz gleby i nośnik składników. Składniki pokarmowe zawarte w samym materiale są dla roślin dostępne tylko częściowo – azotu w pierwszym roku udostępnia się zaledwie 1%. Fosfor i potas pochodzą głównie z popiołu, więc ich ilość zależy od surowca.

Skąd zatem opinia o nawożącym działaniu? Wynika z mechanizmu gąbki. Porowata struktura zatrzymuje wodę i poprawia retencję wody w glebach lekkich. Naładowana powierzchnia wiąże jony z nawozów i kompostu, które wolniej się wypłukują. Pory dają schronienie mikroorganizmom glebowym. Zasadowy popiół podnosi odczyn i zdolność buforową gleb kwaśnych.

Te same cechy wyjaśniają, kiedy efekt słabnie. Świeży, nienasycony biowęgiel najpierw sam wiąże azot i wodę, więc w pierwszym okresie może konkurować z roślinami. Dlatego często łączy się go z kompostem przed wprowadzeniem do gleby. Na glebach już zasadowych i żyznych gąbka ma niewiele do poprawienia. Dalszy wzrost pH bywa tam szkodliwy. Taka gleba nie potrzebuje odkwaszenia.

Wzrost plonów, który wykazała globalna metaanaliza plonów, dotyczył tropików. Biowęgiel działał tam przez odkwaszanie i częściowe zasilanie składnikami gleb o niskim pH i niskiej żyzności. W strefie umiarkowanej, do której należy Polska, takiego średniego efektu nie stwierdzono. Wynik na konkretnym polu zależy więc od jego odczynu i zasobności.

Zastosowania biowęgla poza rolnictwem

Porowatość, sorpcja i wysoka zawartość węgla przydają się także poza polem. Każde zastosowanie opiera się na innej z tych cech. Biowęgiel trafia do pięciu obszarów:

• Energetyka – liczy się wartość opałowa. Ustawa o odnawialnych źródłach energii definiuje biowęgiel jako wysokoenergetyczne paliwo stałe o wartości opałowej nie mniejszej niż 21 GJ/t. Wytwarza się je przez termiczne przetwarzanie biodegradowalnych substancji roślinnych lub zwierzęcych, co czyni je paliwem odnawialnym.
• Oczyszczanie wód i ścieków – rozwinięta sieć porów i naładowana powierzchnia wiążą metale ciężkie, takie jak ołów, kadm czy miedź, oraz związki organiczne: polichlorowane bifenyle, pestycydy i barwniki.
• Kompostowanie i fermentacja metanowa – sorpcja amoniaku ogranicza straty azotu i zapach pryzmy. W komorze biogazowni pory stają się siedliskiem bakterii i stabilizują proces.
• Budownictwo – w tynkach i zaprawach biowęgiel pochłania zapachy i buforuje wilgotność powietrza. Dodany do betonu zostaje w nim trwałym magazynem węgla.
• Przemysł – materiał bogaty w węgiel zastępuje koks i węgiel kopalny, np. w metalurgii, oraz służy jako wypełniacz tworzyw.

Polska definicja ustawowa i standard EBC rozumieją przy tym biowęgiel odmiennie. Dla ustawy jest to paliwo. Dla standardu EBC jest to materiał wytwarzany w innym celu niż spalanie, co opisuje pierwsza sekcja. Przy zakupie warto więc sprawdzić, w którym z tych znaczeń opisano dany produkt.

Czy biowęgiel może zanieczyścić glebę?

Może. Biowęgiel wiąże zanieczyszczenia z otoczenia, ale sam wnosi do gleby to, co przyniósł surowiec albo co powstało w reaktorze. Ryzyko ma więc dwa źródła.

Pierwszym jest zanieczyszczony surowiec. Metale ciężkie obecne w biomasie zostają w biowęglu, z wyjątkiem kilku lotnych, np. rtęci. Piroliza usuwa przy tym dużą część masy, więc stężenie metali w produkcie rośnie względem surowca. Osady ściekowe z metalami ciężkimi albo drewno malowane czy impregnowane dają w efekcie produkt zanieczyszczony.

Drugim źródłem są warunki procesu. Zawartość WWA, czyli wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, zależy przede wszystkim od warunków pirolizy, m.in. od temperatury; rodzaj surowca ma według standardu EBC znikomy wpływ. Za niska temperatura zostawia w materiale więcej części lotnych, a z nimi smoły bogate w WWA. Granicę wyznacza rozporządzenie delegowane Komisji 2021/2088. Według niego materiały z pirolizy i zgazowania w produktach nawozowych UE mogą zawierać najwyżej 6 mg/kg suchej masy WWA 16.

Jak ocenić worek biowęgla bez laboratorium? Wystarczą trzy sprawdzenia na etykiecie i w karcie produktu:

• Surowiec podany z nazwy, np. drewno nieimpregnowane albo słoma, i temperatura pirolizy wyższa niż 350 °C.
• Wyniki badań partii obejmujące węgiel organiczny, WWA i metale ciężkie.
• Certyfikat EBC, standard International Biochar Initiative (IBI) albo oznaczenie zgodności z unijnymi przepisami o produktach nawozowych.

Spełnienie tych kryteriów nie przesądza o efekcie na konkretnym polu. Kontrolę zanieczyszczeń potwierdzają dopiero certyfikat albo wyniki badań partii zestawione z limitem 6 mg/kg.