Biomasa jako źródło energii

Jeśli spojrzymy wstecz na historię ludzkości, okaże się, że to właśnie biomasa była pierwszym produktem a właściwie grupą produktów, z których człowiek czerpał energię. Oczywiście na początku były to bardzo prymitywne metody. Jednak wraz z rozwojem technologicznym i przemysłowym nauczyliśmy się wykorzystywać coraz to liczniejsze produkty biomasy, a także przetwarzać je w coraz bardziej skomplikowany i ekologiczny sposób.

Spis treści:

1. Czym jest biomasa?
2. Rodzaje biomasy
3. Biomasa jako źródło energii
4. Zalety biomasy
5. Wady biomasy
6. Kontrowersje
7. Podsumowanie

Czym jest biomasa?

Pojęcie biomasy wydaje się być znane każdemu. Najprościej rzecz ujmując jest to jakaś biologiczna masa. Ale co to dokładnie znaczy? Czy jest jakakolwiek definicja biomasy? Oczywiście, że tak. Możemy w tym celu wykorzystać europejskie źródła, tj. rozporządzenia Komisji Europejskiej, lub skorzystać z polskiego prawodawstwa. Temu drugiemu zawdzięczamy m.in. Ustawę o odnawialnych źródłach energii z 20 lutego 2015 r. W rozdziale pierwszym, artykule drugim i punkcie trzecim przeczytamy:

Biomasa – ulegająca biodegradacji część produktów, odpadów lub pozostałości pochodzenia biologicznego z rolnictwa, w tym substancje roślinne i zwierzęce, leśnictwa i związanych działów przemysłu, w tym rybołówstwa i akwakultury, przetworzoną biomasę, w szczególności w postaci brykietu, peletu, toryfikatu i biowęgla, a także ulegającą biodegradacji część odpadów przemysłowych lub komunalnych pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, w tym odpadów z instalacji do przetwarzania odpadów oraz odpadów z uzdatniania wody i oczyszczania ścieków, w szczególności osadów ściekowych, zgodnie z przepisami o odpadach w zakresie kwalifikowania części energii odzyskanej z termicznego przekształcania odpadów.

W skrócie i w mniej prawniczej mowie, biomasa to po prostu ulegające biodegradacji produkty zwierzęce lub roślinne, pochodzące z rolnictwa, leśnictwa i przemysłu, jak również ulegające biodegradacji odpady komunalne i ścieki, które można wykorzystać do produkcji energii. Czyli wszystko to, co pochodzi z natury i pod wpływem czasu oraz czynników zewnętrznych ulega rozkładowi jest biomasą.

W różnego rodzaju źródłach możemy spotkać się jeszcze z dokładniejszym podziałem na: fitomasę czyli biomasę pochodzenia roślinnego oraz zoomasę, czyli biomasę pochodzenia zwierzęcego.

Rodzaje biomasy

Skoro definicję mamy już za sobą, zastanówmy się przez chwilę nad przykładami biomasy, które możemy znaleźć wokół nas. Najczęściej będzie to biomasa roślinna przeznaczona do produkcji energii. Wyróżniamy więc:

• drewno i produkty jego przetwórstwa – najstarszy przykład biomasy wykorzystywany przez człowieka. Dziś nadal wykorzystujemy drewno do produkcji energii (częściej na mniejszą skalę, np. w domowych kotłach na drewno, niż w ujęciu krajowym). Jednak nie samo czyste drewno z lasu stanowi biomasę, lecz również odpady poprodukcyjne (np. z tartaków, stolarni lub firm meblarskich) oraz nieprzydatne części drewna, np. kora i zrębki. Obecnie z takich odpadów powstaje brykiet lub pellet – jedne z bardziej ekologicznych paliw do ogrzewania budynków; choć wykorzystanie znajdują również w energetyce przemysłowej,
• odpady i resztki rolnicze – znajdziemy tu bardzo szeroki asortyment produktów, od słomy, przez kaczany, łuski roślin, pestki, odpady z procesu tłoczenia, a nawet odchody zwierząt. Większość biomasy w formie stałej można przeznaczyć na wyprodukowanie brykietu czy pelletu lub spalić w nieprzetworzonej formie. Resztę można poddać bardziej zaawansowanym procesom chemicznym (o czym za chwilę) i uzyskać paliwa w formie ciekłej lub gazowej,

• wodorosty (inaczej algi) – tu najczęściej wykorzystuje się specjalnie w tym celu hodowlane organizmy. Znajdują zastosowanie najczęściej w produkcji biopaliw, głównie biodiesla,
• rośliny energetyczne – są to specjalnie uprawiane na szeroką skalę rośliny, które służą jedynie do celów energetycznych. Ich niewątpliwą zaletą jest stosunkowo szybki wzrost, a często również możliwość uprawy w miejscach niekorzystnych i niesprzyjających uprawie innych roślin, np. wykorzystywanych w konsumpcji. Przykładami takich roślin są: wierzba wiciowa (potocznie zwana energetyczną), miskant, topinambur, rdest, ślazowiec pensylwański. Ponadto do produkcji biopaliw wykorzystuje się m.in. rzepak, len, kukurydzę, burak cukrowy,
• osady ściekowe – ze ścieków również da się wytworzyć energię. Osady ściekowe poddaje się procesowi fermentacji, w wyniku którego uzyskuje się biogaz.

To oczywiście nie wszystkie przykłady biomasy. Tych jest w praktyce bardzo wiele, dlatego ograniczyłam się powyżej jedynie do reprezentatywnego wycinka.

Biomasa jako źródło energii

A więc w jaki sposób z tych wszystkich biologicznych materii możemy uzyskać jakąkolwiek energię? Metod jest kilka, w zależności od tego, z jakim rodzajem biomasy mamy do czynienia oraz tego, jaki produkt końcowy chcemy uzyskać. Energię możemy uzyskać z biomasy w sposób bezpośredni albo pośredni – w wyniku jej przemiany w inny produkt, który później wykorzystamy do produkcji energii:

• spalanie – jest to najłatwiejszy sposób uzyskania energii z biomasy. Sposób ten był również pierwszą metodą wytwarzania energii przez człowieka – energii cieplnej. Dziś w ten sposób wykorzystujemy biomasę w formie stałej najczęściej do ogrzewania domów. Służą do tego przeważnie drewno oraz jego pochodne, np. pellet lub brykiet, a także pozostałości rolnicze. W ten sposób wykorzystuje się biomasę również na poziomie przemysłowym do produkcji energii elektrycznej i/lub ciepła – spalając ją samą lub współspalając z innymi paliwami, np. z węglem. Spalanie biomasy powoduje – niestety – powstawanie zanieczyszczeń,

• fermentacja – to proces beztlenowej przemiany związków organicznych w substancje energetyczne. Wyróżniamy kilka rodzajów fermentacji umożliwiających uzyskanie różnych produktów końcowych. W wyniku fermentacji alkoholowej głównie roślin oleistych powstają biopaliwa, które mogą służyć jako zamienniki konwencjonalnych paliw lub jako dodatki do nich. Z kolei fermentacja metanowa prowadzi do powstania biogazu złożonego głównie z metanu i dwutlenku węgla,
• estryfikacja – reakcja chemiczna służąca produkcji biodiesla. Substratami w tym przypadku są oleje roślinne lub tłuszcze zwierzęce. Co ciekawe mianem biodiesla określa się nie tylko czyste estry kwasów tłuszczowych i alkoholi, lecz również ich mieszankę ze standardowym olejem napędowym w zmiennych proporcjach,
• piroliza – w jej trakcie biomasa zostaje podgrzana do bardzo wysokich temperatur (rzędu 300 – 800°C) w warunkach beztlenowych. Produktami pirolizy są tutaj gazy, ciecze (bioolej) oraz biowęgiel. Ten ostatni ma szereg zastosowań. Można go wykorzystać jako paliwo czyli odnawialną alternatywę dla węgla. Poprawia również jako nawóz jakość gleby m.in. przez zwiększenie jej retencji i żyzności. Służy też jako filtr do wody, a także wiąże toksyny (w farmakologii oraz jako pasza dla zwierząt),
• zgazowywanie – celem tego procesu jest uzyskanie gazu generatorowego znajdującego zastosowanie w przemyśle oraz jako zasilanie silników spalinowych. Zgazowywaniu poddaje się głównie drewno lub inne rodzaje biomasy.

Zalety biomasy

Skoro nosi przedrostek bio-, to biomasa musi mieć liczne zalety. I faktycznie ma.

Przede wszystkim uważa się, że spalanie biomasy jest zdecydowanie bardziej ekologiczne niż spalanie  paliw kopalnych, np. węgla. Biomasa zawiera mniej szkodliwych substancji (np. siarki) niż przykładowo węgiel. Poza tym w czysto matematycznym ujęciu biomasa, szczególnie ta roślinna, pochłania w trakcie swojego wzrostu tyle dwutlenku węgla ile potrzeba, aby zneutralizować szkodliwy efekt jej spalania. Choć dotyczy to nie tylko biomasy stałej poddawanej spalaniu, lecz również tej służącej wytwarzaniu produktów ciekłych i gazowych, o których wspomniałam wcześniej.

Proces spalania biomasy w sposób, jaki robili to nasi przodkowie – najpierw w ogniskach, a następnie w prostych piecach, wiązał się emisją dość dużej ilości zanieczyszczeń, a dodatkowo charakteryzował się dużymi stratami. Na szczęście rozwój technologii pozwolił stworzyć piece i kotły o znacznie wyższych sprawnościach.

Kolejną ważną zaletą jest to, że biomasa jest paliwem niemal niewyczerpalnym. Rośliny da się w końcu uprawiać niemal wszędzie, a produktów ubocznych ich przetwarzania ciągle będzie przybywać. To samo dotyczy zwierząt. Co istotne – biomasa jako paliwo występuje w miarę równomiernie we wszystkich rejonach świata. Przynajmniej tych, w których mieszkają ludzie. Dlatego włączając biomasę w proces wytwarzania energii, dany kraj zwiększa swoją niezależność od zewnętrznych dostawców paliw. Poza tym odpada kwestia transportu paliwa, który sam w sobie również przyczynia się do zanieczyszczenia środowiska.

Dzięki wykorzystaniu biomasy do celów energetycznych zmniejszamy również ilość odpadów trafiających do środowiska. Mimo wszystko nawet bioodpady powodują zanieczyszczenia. Ich rozkład przyczynia się do powstawania m.in. gazów cieplarnianych. Dlatego zagospodarowując je, zagospodarowujemy tę niszę.

W porównaniu do innych odnawialnych źródeł energii biomasa uznawana jest jako stabilne i niezawodne źródło. Jej wykorzystanie nie zależy od zewnętrznych czynników, takich jak odpowiednie warunki pogodowe (np. słońce czy wiatr). Ponadto, będąc realną alternatywą do paliw kopalnych, może być wykorzystywana w analogicznych instalacjach wytwórczych energii elektrycznej. Dzięki temu nie oddziałuje na system energetyczny w tak przypadkowy i niekorzystny sposób, jak siłownie wiatrowe czy fotowoltaiczne.

Biomasę można produkować niemal wszędzie. Często rośliny energetyczne nie mają wielkich wymagań glebowych, szczególnie jeśli zostaną odpowiednio dobrane do danej lokalizacji. Istnieje więc możliwość uprawy ich na mniej korzystnych ziemiach i w mniej sprzyjających środowiskach, np. poprzemysłowych lub charakteryzujących się gorszymi warunkami.

Wady biomasy

Mimo wielu zalet, biomasa nie jest również pozbawiona wad. Spójrzmy zatem, jakimi minusami się odznacza.

Mimo, że biomasa uznawana jest za praktycznie zeroemisyjne źródło, to nie jest to do końca prawdą. Spalanie lub wykorzystanie biomasy jako paliwa generuje powstanie dwutlenku węgla oraz innych zanieczyszczeń (choć w mniejszym stopniu niż paliwa konwencjonalne). Ich ilość i skład różni się od tych, powstających ze spalania paliw kopalnych, jednak występuje. W trakcie wzrostu rośliny nie zawsze pochłoną dokładnie tyle CO2, ile później zostanie wyemitowane. Do tego dochodzą jeszcze dodatkowe procesy zwiększające koszty środowiskowe tej technologii. Są to m.in. transport, przetwarzanie, zbiór, itp. Wszystkie te operacje dokładają swoją cegiełkę do ogólnego bilansu ekologicznego.

Problemem w przypadku biomasy może być wykorzystanie pod jej uprawę ziem, które mogłyby służyć na uprawę żywności. Często spotykamy się z wielkoobszarowymi uprawami np. roślin oleistych, które później zostaną przekształcone w paliwa. Jednocześnie słyszymy o niedoborach żywności lub konieczności przekształcania istniejących obszarów naturalnych pod uprawy. Takie podejście zaprzecza sensowności wykorzystania biomasy i rujnuje jej ekologiczny aspekt. Również nieprawidłowe wykorzystanie i nadmierne eksploatowanie, szczególnie drewna, niesie ze sobą negatywne konsekwencje i wpływa na obniżenie się bioróżnorodności. O tym aspekcie opowiem w kolejnym punkcie.

W porównaniu z paliwami kopalnymi biomasa stała charakteryzuje się mniejszą gęstością opałową. Oznacza to, że do uzyskania takiej samej ilości energii ze spalania potrzeba więcej biomasy niż paliwa kopalnego. Szczególnie problematyczna jest również podatność takiej biomasy na wilgoć, której wzrost w produkcie ponad określone normy, wpływa negatywnie na proces spalania i uzysk energetyczny. Konieczne jest więc jej prawidłowe przechowywanie.

Kontrowersje

Wraz ze wzrostem zainteresowania biomasą jako ekologiczną alternatywą dla paliw kopalin, pojawił się istotny problem – jej dostępność. Oczywiście, jak już wcześniej wspomniałam, biomasa roślinna może być uprawiana niemal w każdym zakątku świata. Gorzej natomiast, jeśli dany region wytwarza lub zakłada pozyskiwanie energii z biomasy na wyższym poziomie, niż realnie jest w stanie dostarczyć lokalny system. Pojawia się więc konieczność importu materiału biologicznego, najczęściej drewna, z innych krajów lub nawet kontynentów. Działanie takie całkowicie rujnuje ekologiczny aspekt wykorzystania biomasy. Realnie również nie przekłada się to na obniżenie zanieczyszczenia środowiska, wręcz przeciwnie.

Poza tym importując biomasę z odległych krajów, nie jesteśmy w stanie sprawdzić lub dopilnować, czy jej pozyskiwanie odbywa się z zachowaniem niezbędnych procedur i nie szkodzi lokalnemu ekosystemowi. W praktyce okazuje się, że wycinane są tzw. dziewicze lasy lub obszary o istotnym znaczeniu dla środowiska. I to tylko dlatego, że na drugim końcu świata ktoś założył, że będzie wykorzystywał „ekologiczne” paliwo.

Nie musimy wcale daleko szukać, żeby znaleźć przykład takiej wręcz patologii. Unia Europejska na swojej drodze do bycia ekologiczną i zerooemisyjną postawiła krajom członkowskim konieczność korzystania z biomasy, szczególnie przez przemysł energetyczny. Jednocześnie podaż tego paliwa jest niewystarczająca, dlatego nasz kontynent importuje biomasę z Afryki i Azji. W związku z czym transport tego ekologicznego paliwa przyczynia się do wzrostu zanieczyszczenia środowiska, którego mieliśmy w założeniu uniknąć. Fakt – logika high level.

Idźmy dalej. Okazuje się, że biomasa wykorzystywana (najczęściej spalana) w Polsce pochodzi w przeważającej części z importu, najczęściej ze wschodu. Jednocześnie natomiast duży odsetek polskiej biomasy jest wykorzystywany przez niemiecki przemysł. Z kolei Wielka Brytania importuje część biomasy aż z oddalonych o ponad 7 tys. km Stanów Zjednoczonych, gdzie pod topór idą często cenne przyrodniczo lasy.

Przepraszam, ale moje łączenie kropek w tym momencie zawiodło…

Podsumowanie

Biomasa jako paliwo niewątpliwie ma przyszłość. Świadczy o tym szereg zalet, jakimi się charakteryzuje. Oczywiście nie jest to rozwiązanie niepozbawione wad – bo czy takie w ogóle istnieje? Niemniej największym obecnie problemem z wykorzystaniem biomasy jest człowiek i jego nieodpowiedzialne oraz chciwe zachowanie. Bo w końcu jaki jest sens w importowaniu biomasy z drugiego końca świata, żeby poudawać, że my tu na miejscu jesteśmy tacy ekologiczni. Dlatego uważam, że żeby prawidłowo korzystać z tego ekologicznego paliwa, powinniśmy jednak podejść do tego z głową i racjonalnie. Wówczas efekt końcowy mógłby nas mile zaskoczyć.