Biowęgiel - definicja, wytwarzanie i zastosowanie

widok biowęgla

Biowęgiel jest materiałem podobnym do powszechnie znanego węgla drzewnego, otrzymywanym w procesie termolizy (proces podobny do suchej destylacji) biomasy różnego pochodzenia. Biowęgiel nie tylko ma ujednorodniony skład chemiczny względem wyjściowego surowca, lecz przede wszystkim posiada mocno rozwiniętą wewnętrzną strukturę porów.


widok biowęgla

W praktyce przemysłowej jest wiele możliwych do realizacji sposobów wytwarzania biowęgla z biomasy. Interesującą opcją jest opracowany w Katedrze Inżynierii Energii proces autotermicznej waloryzacji drogą termolizy, rozwijany od 2003 r. Istota tego procesu polega na wytworzeniu takich warunków konstrukcyjno-przepływowych, aby w reaktorze termolizy uzyskać maksymalną szybkość nagrzewania rozdrobnionej biomasy do temperatury około 300oC. Dalsze nagrzewanie jest zbędne, gdyż w tych warunkach inicjowana jest reakcja egzotermiczna. Dla trwałego i pewnego utrzymania warunków przebiegu reakcji egzotermicznej oraz maksymalizacji uzysku biowęgla, reaktor jest tak skonstruowany, aby ograniczyć kontakt gazów pirolitycznych z karbonizatem, co umożliwia wytworzenie zarówno „pierwotnego”, jak i „wtórnego” biowęgla, zwiększając wydatnie uzysk. W zależności od wilgotności wejściowego paliwa, dodatkowo w układzie suszenia i termolizy można uzyskać ciepło do zagospodarowania, zawarte w gorących spalinach opuszczających reaktor. Największy efekt energetyczny oraz ekologiczny osiągany jest w przypadku przetwarzania paliw mocno zawilgoconych (zrębki, biomasa z upraw energetycznych i jednorocznych, itp.) oraz zanieczyszczonych chemicznie (odpady z płyt wiórowych, drewno zawierające tworzywa sztuczne, itp.). Średnio można przyjąć, że produkując 1 tonę biowęgla, uzyskuje się ok. 10 GJ ciepła w postaci spalin o temperaturze ok. 850-900oC. Wykorzystując je do produkcji energii elektrycznej, można pozyskać ok. 0,6 MWhe/tonę biowęgla. Część ciepła gorących spalin powstałych w wyniku procesu jest wykorzystana do stabilizacji temperatury reaktora.

Otrzymany w taki sposób biowęgiel charakteryzuje się wysoką wartością opałową (średnio w stanie roboczym 25-30 MJ/kg), bardzo wysoką zawartością węgla elementarnego (C>80%) oraz wilgotnością poniżej 1%). Jego własności fizyczne zbliżone są do węgla: 1 m3 biocarbonu ma masę 135-220 kg oraz gęstość energii 4,5-5,5 GJ/m3. Zawartość np. siarki nie przekracza 0,1%. Zawiera również obniżoną zawartość innych niepożądanych substancji jak np. rtęć czy chlor.


Oprócz znanych powszechnie właściwości i zastosowań węgla drzewnego, biowęgiel na dużą skalę wykorzystywany jest w energetyce jako paliwo odnawialne, a ostatnio rozpatrywany jako potencjalnie znaczące źródło długookresowego przechowywania pierwiastka C w celu ograniczenia emisji gazów cieplarnianych.

Ponadto biowęgiel można wykorzystać jako:

  • paliwo dla węglowych ogniw paliwowych,
  • dodatek do gleby,
  • substytut węgla aktywnego,
  • sorbent, używany np. do wyłapywania związków rtęci i innych substancji ze spalin,
  • substrat do tworzenia emulsji paliwowych.

Szeroko zakrojonym działaniom w zakresie wykorzystania biowęgla patronuje International Biochar Initiative (IBI) (www.biochar-international.org). IBI jest organizacją typu non-profit, wspierającą naukowców, polityków, rolników, ogrodników oraz wytwórców i twórców technologii pracujących nad zrównoważonym wytwarzaniem i stosowaniem biowęgla.

Więcej o biowęglu:

Porót na górę strony

Biowęgiel w energetyce

Zastosowanie biowęgla w kotle energetycznym pozwala uniezależnić sprawność kotła od wilgotności wejściowej biomasy, gdyż paliwo to praktycznie nie zawiera wilgoci (dla porównania: wilgotność surowej biomasy wynosi zwykle 35-60%). Zastosowanie biowęgla do produkcji „zielonej” energii eliminuje ponadto ograniczenia w dodawaniu biomasy do węgla oraz pozwala na pozbycie się kłopotów związanych z wprowadzaniem świeżej biomasy do paleniska. Z uwagi na wyższą gęstość energii, zastosowanie biwęgla obniża w zasadniczy sposób koszty transportu biomasy do siłowni i eliminuje koszty inwestycyjne układu podawania surowej biomasy, gdyż biowęgiel posiada własności zbliżone do węgla i może być podawany tą samą drogą, przez co maleje wydatnie zużycie energii oraz urządzeń do podawania paliwa. Wreszcie, w efekcie waloryzacji, z biowęgla w stosunkowo tani i efektywny sposób usuwa się znaczną ilość substancji niepożądanych zawartych w paliwie wejściowym (siarka, rtęć, itp.), których usunięcie w sposób „klasyczny” jest droższe i bardziej kłopotliwe.

Spalanie w kotłach energetycznych uzyskanego w efekcie termolizy produktu stałego (biowęgla) może odbywać się bezpośrednio i nie wymaga instalacji żadnych dodatkowych układów.

Porót na górę strony

Biowęgiel jako paliwo dla ogniw paliwowych

widok biowęgla

Wśród wielu różnych technologii pozwalających na przetwarzanie energii chemicznej węgla w energię elektryczną i ciepło na szczególną uwagę zasługują węglowe ogniwa paliwowe (ang. Direct Carbon Fuel Cells – DCFC). Są to urządzenia, które jako jedyne spośród wszystkich typów ogniw paliwowych, umożliwiają bezpośrednią konwersję energii chemicznej zawartej w węglu w energię elektryczną. Ponadto charakteryzują się one wysoką sprawnością i niską emisją zanieczyszczeń. Produktem ubocznym reakcji elektrochemicznych zachodzących w tego typu ogniwie jest niemal czysty strumień CO2, który można w łatwy sposób wykorzystać lub unieszkodliwić.
Ogniwa paliwowe tego typu mogą być zasilane uwęgloną biomasą (biowęglem), co stawia je jako alternatywne źródło energii elektrycznej wykorzystujące powszechnie dostępne paliwo odnawialne, które w powszechnej opinii obdarzone jest zerową emisją CO2.

widok biowęgla

W Polsce prace nad rozwojem technologii węglowych ogniw paliwowych zostały zapoczątkowane właśnie w Katedrze Inżynierii Energii (KIE) Politechniki Częstochowskiej. Od początku prowadzonych prac badawczych jako elektrolit w tego typu ogniwie wykorzystywano stopione wodorotlenki. Wykorzystanie tego rodzaju elektrolitów ma szereg jego zalet, w tym przede wszystkim niską temperaturę topnienia, a tym samym pracy ogniwa.

W efekcie przeprowadzonych badań wstępnych i modyfikacji (w trakcie których zaprojektowano i wykonano trzy prototypy) powstał model wykonany z niklu i jego stopów cechujący się stabilnością pracy oraz powtarzalnością wyników pomiarów parametrów elektrycznych (nieobciążonych wpływem procesów korozyjnych) w tych samych warunkach w kolejnych interwałach czasowych. W opracowanym modelu ogniwa możliwe było również zastosowanie różnych rozdrobnionych paliw zawierających węgiel elementarny, w tym węgli kamiennych i biowęgli uzyskanych w procesie termolizy biomasy. Ponadto został skompletowany układ pomiarowy umożliwiający bieżącą rejestrację i archiwizację danych pomiarowych, jak również sporządzanie potrzebnych charakterystyk napięciowo-prądowych ogniwa z zachowaniem wymogu ich wysokiej dokładności i powtarzalności.

Więcej o węglowym ogniwie paliwowym zasilanym biowęglem:

Porót na górę strony

Biowęgiel w glebie/sekwestracja CO2

widok biowęgla

W katerze Inżynierii Energii prowadzone są również badania nad wykorzystaniem biowęgla w glebie oraz dla trwałej sekwestracji CO2. Wprowadzenie biowęgla do gleby wpływa pozytywnie na wzrost roślin. Wysoka porowatość biowęgla może przyczynić się też do poprawy gospodarki wodnej w glebie oraz pozytywnie wpłynąć na przyswajalność mikroelementów przez rośliny. Zmiany i skutki, które wywołuje biowęgiel w glebie pozostają w znacznej mierze nieznane. I chociaż fizyko-chemiczne właściwości biowęgla i mechanizm stabilizacji jego trwania mogą wyjaśnić długi okres przebywania w glebie, wpływ różnych czynników na jego krótko- i długoterminowe straty z gleby nie jest wystarczająco dobrze określony. Słabo rozpoznane są również straty i przemieszczanie biowęgla w głąb profilu oraz przemieszczanie do wody gruntowej i mechanizmy transportu. Badania w tym kierunku są aktualnie prowadzone.

Biowęgiel wprowadzany do gleby pozwala również na długookresowe magazynowanie pierwiastka węgla. Szacuje się, że koło 0,61-0,82 ton pierwiastka C (co odpowiada 2,2 – 3 tonom CO2) może być trwale sekwestrowane przez każdą tonę biowęgla zdeponowanego w ziemi. Biorąc pod uwagę całkowitą powierzchnię użytków rolnych, oraz dane z USA, potencjał sekwestracji CO2 w postaci biowęgla bezpośrednio zdeponowanego w ziemi dla Polski wynosi 3,6 mld ton CO2. Należy zauważyć, że aktualna emisja CO2 ze wszystkich źródeł wytwarzania energii Polsce oceniana jest na poziomie 0,45 mld ton rocznie, natomiast z dużych bloków, które w pierwszej kolejności zmuszane będą do ograniczenia emisji CO2, na ok. 0,15 mld ton rocznie, co stanowi nieco ponad 4% potencjału sekwestracji w gruntach uprawnych.

Więcej o biowęglu w glebie i sekwestracji CO2:

Porót na górę strony