W ostatnich kilku latach w Polsce obserwuje się coraz większe zainteresowanie termicznymi technologiami przetwarzania biomasy, odpadów biodegradowalnych czy osadów ściekowych do biowęgla, jak również potencjalnymi zastosowaniami samego biowęgla w energetyce, przemyśle i rolnictwie. Na świecie oraz w krajach Unii Europejskiej można już mówić o rozwijającym się przemyśle biowęglowym. Także polski rynek zaczyna dostrzegać potencjał drzemiący w tym surowcu.
Biowęgiel z biomasy i osadów ściekowych
Najczęściej spotykanym substratem do wytwarzania biowęgla jest szeroko pojęta biomasa (tj. drewno czyste, odpady z obróbki w przemyśle drzewnym, drewno odpadowe), która obecnie na świecie stanowi ponad 70 proc. struktury przetwarzanych surowców. Oczywiście nie jest to jedyny materiał, gdyż zgodnie z przyjętą przez International Biochar Initiative definicją, biowęgiel można otrzymać z biomasy roślinnej, odpadów biodegradowalnych czy też osadów ściekowych. Strukturę surowców do wytwarzania biowęgla na świecie przedstawia poniższy wykres.
Wykres 1. Struktura wykorzystywanych na świcie surowców do wytwarzania biowęgla [%]
Źródło: Opracowanie własne na podstawie International Biochar Initiative (IBI)
Jak widzimy, do najczęściej wykorzystywanych substratów stosowanych w produkcji biowęgla, poza wspomnianą biomasą drzewną, można zaliczyć także: rośliny energetyczne (np. miskant, wierzba energetyczna, ślazowiec pensylwański), biomasę rolniczą (np. słomę, słonecznik, kolby kukurydzy, itp.), pozostałości z przetwórstwa rolno-spożywczego (np. owies pofermentacyjny, łuski ryżowe, łupiny orzechów, kokos, wytłoki itp.), organiczną frakcję odpadów komunalnych, odpady z przetwórstwa drobiu, pomiot kurzy, obornik krowi, a nawet biomasę z alg.
Ciekawym kierunkiem rozwijającym się w Europie jest także stosowanie do produkcji biowęgla osadów ściekowych. Komunalne osady ściekowe, które powstają w oczyszczalniach ścieków, wymagają szybkiego i skutecznego zagospodarowania. Ilość wytwarzanych w Polsce osadów wykazuje tendencję rosnącą – w 2000 r. w oczyszczalniach komunalnych powstało 359,8 tyś. ton, a już w 2013 r. nawet 540,3 tyś. ton (w przeliczeniu na suchą masę s.m., GUS: Ochrona Środowiska 2014). Do najczęściej stosowanych metod postępowania z osadami zalicza się ich wykorzystanie do rekultywacji terenów czy do uprawy roślin oraz termiczne przekształcanie. Wprowadzenie od stycznia 2016 r. zakazu składowania osadów ściekowych sprawia, że poszukuje się alternatywnych sposobów ich zagospodarowania (Bień i in., 2013; 2014). W 2013 r. komunalne osady ściekowe znalazły zastosowanie w rolnictwie (105,4 tyś. ton s.m.), do rekultywacji terenów, w tym gruntów na cele rolne (29,4 tyś ton s.m.), do upraw roślin przeznaczonych do produkcji kompostu (32,6 tyś. ton s.m.), a także przekształcane termicznie (72,9 tyś. ton s.m.) i składowane (31,4 tyś. ton s.m.) (GUS: Ochrona Środowiska 2014). Przyszłe kierunki zagospodarowania komunalnych osadów ściekowych w Polsce w dużej mierze będą obejmować termiczne unieszkodliwianie oraz biologiczny recykling (Bień i in., 2014). Można więc przypuszczać, że termiczna konwersja komunalnych osadów ściekowych do biowęgla (stanowiącego produkt/produkt uboczny o wartości rynkowej) może być jedną z preferowanych metod. Świadczy o tym m.in. coraz większe zainteresowanie technologiami pirolizy osadów ściekowych.
Technologie pirolityczne i biowęgiel
Biowęgiel jest otrzymywany w formie stałej na drodze termicznej konwersji biomasy, tj. suchej karbonizacji, pirolizy lub gazyfikacji. Może być również uzyskany w formie szlamu podczas hydrotermicznej karbonizacji biomasy pod ciśnieniem. Typowe parametry dla tych procesów podano w tabeli nr 1.
Tab. 1. Parametry procesu i udział biowęgla w produktach pirolizy (Brown, 2009; Lewandowski i in., 2010; Poerschmann i in., 2013; Kruse i in., 2013)
Ważne jest, aby produkcja biowęgla odbywała się w stałych i kontrolowanych warunkach, przy zachowaniu czystości technologii. Według standardów europejskich biowęgiel powinien być wytwarzany w procesie pirolizy biomasy (lub tożsamego substratu) w reżimie temperaturowym od 350 0C do 1000 0C, przy niskiej zawartości tlenu w komorze pirolitycznej. Piroliza polega na termicznym przekształceniu materii organicznej w braku obecności tlenu do postaci ciekłej, stałej i gazowej. Do prowadzenia procesu pirolizy wymagane jest zewnętrzne źródło ciepła, którego dostarczanie jest konieczne, aby w komorze reakcyjnej utrzymać wymaganą temperaturę. Może się to odbywać poprzez spalanie wytwarzanego gazu pirolitycznego lub gazu naturalnego w piecu. Temperatura procesowa wynosi zazwyczaj od 3000C do 8000C. Inne opisywane technologie są zazwyczaj dalekie od opisywanego procesu i nie prowadzą do otrzymania jakościowego biowęgla, a jedynie jego substytutów. W wielu krajach wytwarzanie biowęgla traktowane jest jako swoista misja, przy zachowaniu równowagi dla środowiska, odpowiedniej jakości oraz specyficznych parametrów. Zgazowanie czy karbonizacja hydrotermiczna może być traktowana jako po części tożsama technologia do pirolizy jedynie w przypadku odpowiedniej optymalizacji procesu i otrzymania wymaganych wartości progowych jakościowych i ekologicznych produktu. Dla uzyskania odpowiednich certyfikatów (np. European Biochar Certificate) bardzo istotne jest zatem dotrzymanie standardów w odniesieniu do surowców, metody produkcji, właściwości biowęgli i ich powtarzalności.
Zastosowania dla biowęgla
Biowęgiel, w zależności od rodzaju substratu z jakiego został wytworzony oraz parametrów procesu technologicznego, charakteryzuje się różnymi właściwościami, które determinują jego późniejsze zastosowanie. Biowęgiel o wysokiej kaloryczności może być wykorzystywany w energetyce, natomiast biowęgiel charakteryzujący się znacząco rozwiniętą powierzchnią właściwą i niską zawartością popiołu będzie przydatny w rolnictwie. Lista zastosowań i produktów na bazie biowęgla stale rośnie. Bezsprzecznie biowęgiel (którego kaloryczność może dorównywać nawet kaloryczności węgla kamiennego) może znaleźć zastosowanie w energetyce jako paliwo alternatywne. Biowęgiel może być substratem do otrzymywania nowych produktów, wśród których warto wymienić: polepszacze gleb i nawozy na bazie biowęgla, suplementy do pasz dla zwierząt, dodatki do materiałów budowlanych, materiały izolacyjne, wypełnienie mikrofiltrów i filtrów do uzdatniania wody i kontroli emisji gazowych, składniki farb i barwników, składniki kosmetyków i farmaceutyków, a nawet dodatki do tkanin stosowanych do produkcji odzieży funkcjonalnej i materiałów wypełniających poduszki i materace do spania. Wyniki najnowszych prac badawczych wskazują, że np. biowęgiel charakteryzujący się wysoką przewodnością elektryczną, porowatością i stabilnością w niższych temperaturach może znaleźć zastosowanie jako materiał, z którego można otrzymać elektrody dla mikrobiologicznych ogniw paliwowych. Może być on również źródłem paliwa dla węglowych ogniw paliwowych typu DCFC. Z kolei biowęgiel o zwiększonej porowatości i obecności grup funkcyjnych może być wykorzystywany do otrzymywania superkondensatorów. Już w chwili obecnej w Ithaka Journal możemy przeczytać o 55 udokumentowanych aplikacjach biowęgla, a nad nowymi zastosowaniami w dalszym ciągu pracują zespoły badawcze w wielu ośrodkach naukowych na całym świecie, również w Polsce. Można zatem śmiało stwierdzić, iż era biowęgla dopiero nadchodzi!
Przemysł biowęglowy
W ostatniej dekadzie ogromne zainteresowanie biowęglem, technologiami wytwarzania i modyfikacji biowęgla oraz otrzymywania nowych produktów na bazie biowęgla przyczyniło się do powstania i dynamicznego przemysłu biowęglowego na świecie, szczególnie w Stanach Zjednoczonych i Europie. Już dziś możemy mówić nawet o trzech charakterystycznych sektorach przemysłu biowęglowego, którymi są: produkcja i dystrybucja biowęgla, produkcja i dostarczanie urządzeń i technologii w obszarze biowęgla, inna działalność, np. usługi konsultingowe i prawne, badań i rozwoju produktu, logistyki, itp. Według danych International Biochar Initiative struktura ta praktycznie co roku się zmienia, a przykładowe porównanie udziału przedsiębiorstw działających w różnych sektorach przemysłu biowęglowego na przestrzeni lat 2013 i 2014 przedstawia poniższy wykres.
Wykres 2. Struktura typu przedsiębiorstw w sektorze biowęgla na świecie [%].
Źródło: Opracowanie własne na podstawie International Biochar Initiative (IBI)
Opierając się na informacjach IBI, wg danych ankietowych, na rynku można było zidentyfikować 56 rodzajów „czystego” biowęgla i 33 „mieszanki” (biowęgiel zmieszany z innymi materiałami). Cena hurtowa „czystego” biowęgla wynosia ok. 2,06 $ za kilogram, a cena detaliczna 3,08 $ za kilogram. W Europie niemieccy producenci dla biowęgla „czystego” podają cenę ok. 0,80 € za kg. Oczywiście cena ta uzależniona jest od typu i właściwości „wsadu”, czyli substratu wykorzystywanego do produkcji biowęgla oraz wymagań jakościowych, które to ściśle powiązane są z aplikacją materiału. Obecnie wg danych ogólnoświatowych organizacji biowęglowych największy udział w rynku ma Ameryka Północna, a Europa zajmuje drugie miejsce.
Wykres 3. Światowe udziały w rynku produkcji biowęgla [%].
Źródło: Opracowanie własne na podstawie International Biochar Initiative (IBI)
Jak podaje European Biochar Foundation na koniec 2014 r. wolumen wytwarzanego biowęgla w Europie wyniósł ponad 9 tys. ton na rok (Conte i in., 2015), co przy uwzględnieniu powolnej pirolizy (uzysk 30 proc. biowęgla z wsadu) daje roczny wolumen biomasy na poziomie 30 tys. ton biomasy, a przy pirolizie szybkiej nawet ok. 100 tys. ton rocznie. Obecnie za całą produkcję zdefiniowanego certyfikowanego biowęgla odpowiada 7 przemysłowych instalacji zlokalizowanych w 4 krajach: Niemczech, Austrii, Szwajcarii oraz Wielkiej Brytanii. Szacuje się, że wielkość produkcji biowęgla w Europie jest większa ze względu na sporą liczbę lokalnych, małych instalacji wytwórczych, których w całej Europie może być nawet ponad 100.
Rynek biowęgla w Polsce
Z całą pewnością rozwój rynku biowęgla w Polsce będzie kształtowany przez popyt nie tylko na biowęgiel jako produkt, ale przede wszystkim na produkty, do wytwarzania których zostanie wykorzystany biowęgiel. Obserwując trendy na świecie i Europie oraz poziom zainteresowania projektami w obszarze biowęgla, wydaje się bardzo realne, że w najbliższych latach będziemy obserwować swoisty „przełom” biowęglowy. Hipoteza ta ma swoje odzwierciedlenie chociażby w realizacji polityki Komisji Europejskiej, której założenia dotyczą zasad zrównoważonego rozwój, ograniczenia wydobycia surowców naturalnych, opracowania i stosowania technologii efektywnie przetwarzających odpady, opracowanie nowych produktów biodegradowalnych i przyjaznych środowisku. Biowęgiel dla wskazanych oraz podobnych aplikacji już w chwili obecnej w całej Europie znajduje swoje zastosowanie. Można pokusić się o stwierdzenie, że przy słabo rozwijającym się sektorze producentów biowęgla w pewnym momencie popyt może przewyższyć podaż tego produktu na rynku.
Czy w Polsce już działają instalacje biowęglowe? Na to pytanie trudno jednoznacznie odpowiedzieć ze względu na brak technicznej wiedzy nawet u samych potencjalnych producentów. Czy wytwarzając pirolizat z przetwarzania np. opon samochodowych czy tworzyw, można już mówić o produkcji biowęgla zgodnie ze standardami? Wydaje się, że właśnie w tej kwestii w naszym kraju potrzeba jest rzetelnych informacji. Zgodnie z dostępnymi powszechnie informacjami na rynku polskim pojawił się biowęgiel wyprodukowany przez firmę Fluid S.A. Również i inne przedsiębiorstwa wdrażają technologie przetwarzania biomasy czy odpadów do biowęgla lub planują rozszerzenie swojej działalności o wytwarzanie biowęgla.
Z cała pewnością na rozwój przemysłu biowęglowego w Polsce wpływ będą miały zmiany legislacyjne, dotyczące m.in. gospodarki osadami ściekowymi czy podobnie jak w Europie zakwalifikowania biowęgla jako pełnowartościowego produktu. Drugim ważnym aspektem będzie otwartość przedsiębiorców na wspomniany, nowo powstający przemysł, a przede wszystkim wprowadzenie produktów z wykorzystaniem biowęgla.
Autorzy:
dr inż. Patryk Weisser, Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych Oddział IPMB w Opolu
dr inż. Krystyna Malińska, Instytut Inżynierii Środowiska, Wydział Inżynierii Środowiska i Biotechnologii, Politechnika Częstochowska
Materiał ukazał się w „Magazynie Biomasa. styczeń 2016 r.
Zdjęcie: Krystyna Malińska
Newsletter
Bądź na bieżąco z branżą OZE
