08 декември 2021
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Каква е ролята на биовъглена за постигане на целите за устойчиво развитие

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 27 октомври 2021 в 00:01 17401
Снимка: Kari Kohvakka

Използването на биовъглен е една от обещаващите стратегии за опазване и подобряване на почвата

Според скорошни доклади на Междуправителствения панел по климатичните промени (IPCC) при сегашните темпове на затопляне се очаква Земята да задмине безопасната граница от затопляне с 1,5°C около 2040 г. В XXI век се нуждаем от решения, които да се борят едновременно с климатичните предизвикателства, деградацията на почвите, енергийната криза и да допринесат за доброто управление на отпадъците и превръщането им в ценен ресурс. Едно такова решение е използването на биовъглен: то би могло да спомогне за опазването на хранителната и енергийната сигурност, както и за смекчаване на климатичната криза. Биовъгленът е едновременно древна практика и нова технология, чието производство тепърва се разглежда в индустриален мащаб. Наскоро той беше идентифициран като една от само шестте технологии, които имат отрицателни емисии, признати от IPCC.

Индианците от Амазония са използвали биовъглен, за да произвеждат почвите Тера Прета до Индио. Дори след 1000 години от създаването си, тези почви остават по-плодородни от заобикалящите ги тропически почви. Въпреки това, малцина са чували за биовъглена в днешно време. Още по-странно е индустриите, които биха могли да извлекат значителни ползи от него все още не му отдават достатъчно значение. 

Какво е биовъглен?


Фигура 1: Биовъглен под електронен микроскоп. Източник

Биовъгленът е материал, богат на въглерод (C), който се получава при изгарянето на биомаса като например дървесина, листа, оборска тор, стърготини, компост и др. в затворен контейнер, с малко количество или в отсъствие на кислород (O2). Обяснено на по-научен език, биовъгленът се произвежда при термалната декомпозиция на органичен материал при условия на намалено подаване на кислород или пълното му отсъствие, при сравнително ниски температури (<700 ⁰ C). Този процес много наподобява производството на въглища, една от най-древните индустриални практики, които човечеството познава, ако не и най-древната. Разликата е, че биовъгленът е предназначен за използване като подобрител на почвата и с цел дългосрочно улавяне и съхраняване на въглерод, а не за горене и отопление.

Фигура 2: Сравнение между два профила на почви и съдържанието на органичен материал в тях: вляво бедна на хумус почва Оксизол, типична за екваториална Южна Америка и Африка, вдясно – същата почва, но антропогенно обогатена с органични вещества, носеща наименованието Тера Прета “Черна земя“ от португалски.

Мотивация за прилагане на технология, базирана върху производството на биовъглен

Използването и утвърждаването на биовъглена се базира на четири основни допълващи се ефекта.

Подобряване на почвите

Селското стопанство е отговорно за 30% от антропогенните емисии на парникови газове и за 80% от обезлесяването в световен мащаб. Производството на храна се нуждае от все по-големи селскостопански площи, в резултат на което се наблюдава загуба на биоразнообразие и деградация на почвите. Изхабените почви са с ниско съдържание на органичен материал в тях, което е признак за слабо плодородие.

Влошаването на почвените характеристики обикновено възниква като резултат от човешката дейност и води до деградация на една или повече от почвените функции. Тези основни функции са: 

  • да филтрира подпочвените води;
  • да задържа хранителни вещества и вода, необходими за растежа на растенията;
  • да бъде жизнена среда за различни организми;
  • да служи като резервоар за дългосрочно съхраняване на въглеродни емисии.

Най-важните процеси на деградация на почвата в Европа са:

  • Ерозия на почвата. Ерозионните процеси се ускоряват поради интензификацията на селското стопанство и земеделски дейности като разораване на наклонени терени, отстраняване на горния почвен слой, прекомерната експлоатация на пасищата, неправилно управление на културите и утъпкване от тежки машини.
  • Подкиселяване на почвата. Една от причините са емисиите на серни и азотни съединения, които се отделят при изгарянето на изкопаеми горива и при промишлени дейности. Прекомерното наторяване и пресушаване на почвите също може да предизвика подкиселяване.
  • Замърсяване на почвата. Най-често почвата бива замърсявана с метали и техните съединения, органични химикали, масла и смоли, пестициди, азбест, радиоактивни, биологично активни, горивни и други вредни вещества.
  • Утъпкването на почвата е в резултат на многократен и продължителен натиск от тежки машини или от едър добитък върху влажни терени. Утъпкването намалява шупливостта на почвата, което лишава корените на растенията от достатъчно въздух и вода.

Използването на биовъглен е една от обещаващите стратегии за опазване и подобряване на жизненоважни почвени характеристики като структура, киселинност (pH), съдържание на органичен материал (хумус) и други. Той не е просто тор или компост, а много стабилен органичен материал, който се разлага в почвата след стотици, дори хиляди години. Всичко това се дължи на специфичните му химически и физични качества, като висока порьозност (с много пори и шупли) и химическа структура, която го прави по-устойчив срещу микробиално гниене.

Биовъгленът е една обещаваща агро-екологична технология,

която разчита на местни ресурси и тяхното по-ефикасно използване. Множество полеви изследвания потвърждават, че той подобрява наличността на хранителните вещества и вода, необходими за правилното развитие на културните растения.

Докато някои биха могли да възприемат биовъглена като конкурентен с компостирането, двете технологии всъщност се допълват. Добавянето на 10 до 20% биовъглен в ранните етапи на компостиране може да намали времето за обработка и да увеличи температурите на нагряване, което убива повече патогени или семена на плевели, да запази повече хранителни вещества и да увеличи дългосрочно съдържанието на въглерод, като всичко това го превръща в компост с по-висока стойност.

Въздействието на биовъглена върху почвите и добива от културни растения показва тенденция да има по-голямо позитивно въздействие върху по-бедните почви и в региони, където е трудно да се изгради дълбок органичен почвен слой. В места, където засушаванията са чести и продължителни, биовъгленът може да спомогне за подобряване на управлението на водите. При някои видове многогодишно земеделие и овощарство използването на биовъглен би могло да доведе до по-ранно плододаване на дърветата. Тъй като някои видове биовъглен могат да намалят усвояването на метали от растенията, използването му би било ценно и за намаляване на токсичността на почвите.

Управление на отпадъците

Друга важна алтернатива за прилагане на биовъглена е за по-добро управление на отпадъците, като например животинска тор и растителни отпадъци от селското стопанство, които замърсяват подпочвените води, реките и езерата. Според нов доклад на WWF и Tesco, който е първото количествено определяне на общата загуба на храна във фермите от 2011 г. насам, загубата и изхвърлянето на храна от фермите по време на и след събиране на реколтата, се изчислява приблизително на 1,2 милиарда тона годишно. Това е еквивалент на 15% от цялата произведена храна и изчислено във въглеродни емисии представлява въглероден отпечатък от 2,2 гигатона, или 4% от всички антропогенни въглеродни емисии.

Фигура 3: Производство на биовъглен в Стокхолм. Източник

Управлението на нарастващото количество отпадъци, е често срещано предизвикателство за градовете по света. От март 2017 г. Стокхолм работи за решаване на този проблем, като открива първата си инсталация за производство на биовъглен в голям мащаб. Този проект намалява въглеродните емисии, като същевременно ангажира хората в борбата с изменението на климата. С помощта на жителите на града и местните власти, градинските и паркови отпадъци се събират и съхраняват в различни центрове за управление на отпадъци, разположени в Стокхолм. След като се съберат в завода, тези отпадъци се превръщат в биовъглен чрез процес на карбонизация. Страничният продукт от производството на биовъглен – пиролизният газ, генерира енергия за градската топлофикационна система. Освен това, когато доставят градински отпадъци до центровете за управление, жителите могат да вземат биовъглен, който да използват в градините си. Продуктът се продава и на други местни власти, за да се използва за отглеждане на растения и дървета в паркове и обществени места в града.

Производство на енергия чрез пиролиза

Органичните отпадъци и биомаса биха могли да са ценен ресурс за производството на биоенергия чрез пиролиза. Пиролизата е термохимичен процес на топлинно разлагане на биомаса или друга органична материя при температура от около 500 – 700 °С в безкислородна среда. Това е химична реакция, която предшества процесите на горене и газификация. Крайният продукт от този процес е смес от твърди (пиролизен въглен), течни (биомасло) и газообразни (метан, водород, въглероден оксид и въглероден диоксид) елементи. Тяхното съотношение зависи до голяма степен от използвания метод на пиролиза, характеристиките на биомасата и параметрите на реакцията. Полученото от процеса пиролизно масло може да бъде преработено до синтетичен газ и използвано за производството на биодизел. Пиролизният въглен или биовъгленът може да спомогне за намаляването на въглеродните емисии, които по принцип се отделят при изгарянето и разлагането на дървесна биомаса и селскостопански отпадъци.

Биовъгленът способства за дългосрочното съхраняване на въглероден диоксид в почвата, а в същото време подобрява характеристиките ѝ, като повишава съдържанието на хранителни вещества, допринася за задържането на вода и предотвратява извличането на хранителни вещества.

Подобни възможности съществуват и за зелените битови отпадъци или някои чисти индустриални отпадъци като например тези от хартиените и слънчогледовите фабрики. Те биха могли да предложат допълнителна монетарна мотивация, при наличие на постоянен материал на достъпна локация, който да бъде превърнат в биовъглен. По този начин ще се намалят емисиите на метан от депата за съхранение на отпадъци, ще се стимулира производството на енергия от отпадъчен материал и ще се насърчи рециклирането и затворения цикъл на производство, както и ще се намалят емисиите и енергията за транспортиране на отпадъци на дълги разстояния. Предимството на този процес в сравнение с директното изгаряне на биомаса е, че получените газове могат да се използват в различни типове централи, имащи ниски нива на замърсяване на атмосферата.

Производството на електроенергия чрез процеса на пиролиза (термично разлагане на биомаса) със страничен продукт биовъглен може да се намери в нарастващ брой инсталации. От 2016 г. Aries Clean Energy управлява завод в Тенеси, който осигурява електричество на близко съоръжение за пречистване на отпадъчни води. Тази енергия се генерира от дървесни отпадъци, които преди това са били изпращани на отпадъчни депа. Заводът може ежегодно да произвежда 1000 тона високовъглероден биовъглен, който отговаря на стандартите на Международната инициатива за биовъглен за използване като почвен подобрител.

През 2007 г. екип от инженери в Австрия успява да разработи революционен газификатор, който генерира топлина и енергия от твърда биомаса. Към днешна дата тази патентована технология е уникална в цялата биоенергийна индустрия. През 2014 г., след около 7 години развойна дейност, първата комерсиална електроцентрала на дърва и газ е свързана към електропреносната мрежа на Южен Тирол. С електрическа мощност от приблизително 259 kW, централата осигурява около 400 000 kWh електроенергия на месец. За сравнение, статистика от 2019 г. показва, че едно домакинство от двама души в Германия например използва средно 3,221 kWh на година.

Биовъгленът като вторичен продукт от декомпозицията на биомаса може да се използва като основа за производство на Terra Preta, като фуражна добавка (стабилизиране на храносмилането при добитъка), като добавка в различни строителни материали – гипс, бетон, асфалт, като филтър за пречистване на вода или като висококачествен дървен въглен за барбекю. Чрез своята дейност компанията подпомага стратегически и оперативно регионите в посока децентрализация на енергийното снабдяване, както и развитието им в посока „умни градове“.

Биоенергията и в частност пиролизата и газификацията могат да бъдат важна част от производството на зелена или възобновяема енергия, но тази технология сама по себе си не би била достатъчна за справяне с енергийната криза и удовлетворяване на покачващото се енергийно потребление. Нужни са и други стратегии и технологии, които да се прилагат паралелно, за да се задоволи бъдещето глобално енергийно потребление.

Предизвикателства и възможности пред биовъглена в България и по света

Интересът към биовъглена като подобрител на почвата нараства значително през последните години поради потенциала му за смекчаване на последиците от изменението на климата. Поради своята стабилност в почвата, той се препоръчва като дългосрочен метод за улавяне на въглерод. Освен това, многобройни експертни проучвания доказват, че прилагането му като почвена добавка може да подобри физическите, химичните и биологични ѝ свойства, което от своя страна води до намалени емисии на парникови газове, сред които е и диазотният оксид (N2O).

За съжаление в България почти няма проучвания, свързани със свойствата на биовъглена, влиянието му върху почвата и върху количеството и качеството на добивите от земеделските култури, както и върху ефекта му за намаляване на парниковите емисии. Необходими са лабораторни и полеви експерименти с различни изходни материали за производството на биовъглен, които да покажат перспективите и предизвикателствата на тази технология.

Урбанизираните райони, и в частност индустриалните зони, биха били надежден източник за големи количества изходен материал, който обаче може да се окаже замърсен с тежки метали или други източници от неорганичен характер като пластмаса. За тази цел трябва внимателно да се проучат възможните индустрии, които са подходящи за производството на висококачествен и чист биовъглен.

Не само количеството, а и типа суровина са определящи за достъпността на биовъгленовата технологията. В повечето случаи производството на биовъглен от отпадни продукти и суровини има много предимства пред този, получен от специално предназначени за това енергийни култури като царевица, сорго (захарна метла) и бързорастящи дървесни видове като мискантус (Miscanthus giganteus), трава (Panicum virgatum) и др. Това се дължи на факта, че разходите за производството на суровината (монетарни, енергия, емисии) се покриват от основната култура, предназначена за хранително-вкусовата индустрия, а биовъгленът се разглежда като допълнителен стимул.

Опциите за преработка и пиролиза на изходната суровина са основно две – централизирано/комунално и директно на мястото на нейното производство. Първото съоръжение обикновено се изгражда в по-голям мащаб и съответно е по-скъпа инвестиция, но това се компенсира с времето от по-ниските разходи за производство на единица продукция. Централизираната производствена база изисква суровината да се събира и транспортира до едно определено централизирано място като депо, индустриален парк или горски пункт. Такава инсталация произвежда паралелно и енергия, която се използва от части за нуждите на производството, но и енергия за външни потребители и изисква високо квалифициран персонал. Изграждането на такава пиролизна система трябва да вземе предвид и различните енергийни носители (биомасло и биогаз) и как да ги транспортира най-ефективно до крайния потребител. Всичко това допълнително оскъпява първоначалната инвестиция и увеличава разходите по поддръжка на системата.

Другият тип база е да се обработва продукцията на мястото, където се произвежда, било то във ферма, гора, или преработвателно предприятие или фабрика. Тук производството на биовъглен е основният приоритет, а енергията, която се отделя при него се използва за вътрешно потребление. Такъв тип инсталация би могла да се реализира в по-бюджетен вариант (с по-малки реактори) и да се използва в агро-стопанства, хранителни кооперативи и сдружения. В по-голям мащаб инсталацията може да се изгради в птицеферма/птицекомбинат или пречиствателна станция и да се използва отпадната суровина от тези индустрии.

Освен технологичните специфики на съответното съоръжение,

има и външни фактори, които влияят върху ранните етапи на развитие на индустрията.

Един от тези фактори е държавната политика, която определя изкупната цена на възобновяемата енергия и определя възможността за предоставяне на грантове и субсидии. Също така особено ясно се наблюдава тенденцията в посока интернационална регулация и нейната решаваща роля за търговия с въглеродни квоти. Такъв тип регулации в последните години оказаха драстично покачване на цените на електроенергия от невъзобновяеми енергийни източници като ТЕЦ, което от своя страна означава, че трябва да се търсят алтернативи и диверсификация на енергийните източници. Биовъгленът е една многообещаваща алтернатива за постигане на частнична енергийна независимост, която обаче все още е в началото на своето развитие у нас и трябва да бъде обстойно проучена и оценена. Предизвикателствата на тази технология са свързани преди всичко с многото отворени въпроси, които стоят пред нас и с това кои индустрии ще бъдат пионери в нейното постепенно развиване и усъвършенстване. Държавни и частни институции трябва да си подадат ръка за по-бързото и ефективно разработване на тази нискоемисионна технология.

В публикацията са използвани материали от:

  1. Lehmann, J. and S. Joseph (eds.). 2009. Biochar for Environmental Management: Science and Technology. Earthscan, London & Sterling, VA
  2. Hagemann, N., Harter, J., Kaldamukova, R., Guzman-Bustamante, I., Ruser, R., Graeff, S., Kappler, A., & Behrens, S. (2016). Does soil aging affect the N2O mitigation potential of biochar? A combined microcosm and field study. GCB Bioenergy, 9.
  3. https://wwf.panda.org/discover/our_focus/food_practice/food_loss_and_waste/driven_to_waste_global_food_loss_on_farms/
  4. https://www.ipcc.ch/sr15/
  5. http://old.europe.bg/htmls/print_page.php?id=5997&category=8&print=yes&page=13
  6. https://nordregio.org/sustainable_cities/stockholm-biochar-project/
  7. http://biomassmagazine.com/articles/16427/biochar-if-you-make-it-will-they-come

Източник: Каква е ролята на биовъглена за постигане на целите за устойчиво развитие, Климатека

Авторът Радина Калдамукова е магистър по геоекология от университета в град Тюбинген, Германия. Участник в програмата за експерти в областта на климатичните промени „Pioneers into practice“, организирана от най-голямото публично-частно партньорство в Европа в сферата на климата – Climate-KIC. Има интереси в областта на агроекологията и иновациите в земеделието, аквапониката, устойчивото използване на природните ресурси, почвознанието, палеоклиматологията и запазването на видовото разнообразие. Ентусиаст-градинар и привърженик на биоземеделието.


Препоръчани материали
+ 1
- 0
Възможно най-перфектната суровина за масово производство (хиляди тонове дневно) на Биовъглен за Торене, Почвообразуване, Металургично производство на Стомана, Кондензатори, Батерии, Лекарства и десетки други приложения, е Свръхбързорастящата (един метър на ден) Бамбукова Биомаса (SGBB) - https://bamboo-biomass.alle.bg , която може да се ползва за супер-евтин Органичен Тор и във вида в който е, без да се карбонизира.
При Карбонизацията / Торефикацията, Енергийната плътност на Биомасата нараства от около 17MJ/kg, близо двойно - до над 30MJ/kg.
При това, в процеса на своя бърз растеж, Биомасата поглъща гигантски количества СО2 от Въздуха - или като алтернатива - от Комините на ТЕЦ-овете.
SGBB е идеалното решение на проблема с ТЕЦ-овете, високата цена на газа, тока, горивата, бедността.
Масовото производство на SGBB може да донесе стотици милиарди евро приходи, да умножи БВП-то ни многократно и да нареди България сред най-богатите страни в света - https://bg-razvitie.alle.bg .
 
Още от : Новини
Какво е социална екология?
Какво е социална екология?
03 декември 2021 в 12:45
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.